Termoelement – grunderna

Innehåll

1. Termoelementets grundprincip
2. Kalibrering och icke-linjäritet
3. Kallpunktskompensering
4. Materialtyper för termoelement
5. Sammanfattning

Termoelementets grundprincip

När det finns en temperaturgradient längs en ledare flödar elektroner och genererar en spänning (EMF). Detta fenomen – upptäckt av Thomas Seebeck 1822 – är grunden för termoelementets funktion. EMF:ens storlek och riktning beror både på temperaturgradienten och materialets egenskaper.

En enskild homogen ledare ger dock ingen mätbar spänning i en sluten krets eftersom de interna EMF:erna tar ut varandra. För att generera en användbar signal sammanfogas två olikartade ledare (material A och B), vilket bildar ett termoelement. När dessa material utsätts för en temperaturgradient (figur 2.1) reagerar de olika och skapar en netto-EMF (figur 2.2).

i Viktig punkt: EMF:en genereras inte vid själva lödstället, utan längs ledaren där temperaturgradienten finns. Därför:

• Ledare måste vara kemiskt och fysiskt enhetliga där gradienter förekommer.
• Lödställen måste ligga i isotermiska zoner (konstant temperatur) för att undvika oönskade EMF:er.

Så länge ledarna är homogena kommer den EMF som genereras mellan temperaturerna T1 och T2 att vara densamma, oavsett hur gradienten är fördelad (se figur 2.2 igen). Termoelementets utsignal bestäms enbart av temperaturerna vid:

• M: mätpunkten
• R: referenspunkten (där olikartade trådar ansluts till koppar)

Referenspunkten måste hållas vid en känd, stabil temperatur – det är därför termoelement är differentiella och inte absoluta temperaturgivare.

Kalibrering och icke-linjäritet

Termoelement ger inte en linjär utspänning i förhållande till temperatur. Sambandet varierar över temperaturområden och material. Det är därför kalibreringstabeller är nödvändiga – de kopplar termoelementspänning till motsvarande temperaturer.

Figur 2.3 visar hur Seebeck-koefficienter (spänningskänslighet) varierar för olika termoelementtyper. För korrekta temperaturavläsningar måste termoelementspänningar tolkas med hjälp av dessa kalibreringskurvor eller omvandlas med interpolation och signalbehandlingselektronik.

Kallpunktskompensering

Kalibreringstabeller förutsätter att referenspunkten är vid 0°C. Men under verkliga förhållanden är detta inte alltid möjligt. Därför använder vi kallpunktskompensering.

Traditionellt kunde referenspunkter placeras i smältande is eller temperaturkontrollerade block. Numera görs kompenseringen elektroniskt – vanligtvis med en termistor eller liknande givare placerad nära referenspunkten. Denna enhet känner av den faktiska temperaturen och korrigerar termoelementets avläsning automatiskt.

i Linjärisering och kompenseringselektronik är nu standard i de flesta industriella system, vilket säkerställer noggrannhet över ett brett temperaturområde och korrigerar för icke-linjäritet.

Materialtyper för termoelement

Även om många ledare uppvisar termoelektriska effekter är endast ett fåtal lämpliga för praktisk temperaturmätning. Viktiga faktorer omfattar:

• Signalstyrka
• Linjäritet
• Stabilitet över tid och temperatur
• Repeterbarhet

Under årtionden har specifika kombinationer av metaller och legeringar standardiserats till internationellt erkända typer (t.ex. Typ K, J, T, E, N, R, S och B), definierade av standarder som BS EN 60584-1 och IEC 60584.

Termoelement delas i stort in i:

• Basmetalltyper (t.ex. K, J, T): Billigare, med högre utsignaler. Typiskt område: 0–1,200°C.
• Ädelmetall-/sällsyntmetalltyper (t.ex. R, S, B): Stabilare och noggrannare, men dyrare. Typiskt område: omgivningstemperatur till över 2,000°C.

⚠️ Anmärkning om Typ K: Även om Typ K används i stor utsträckning kan det uppvisa instabilitet vid höga temperaturer eller under långa perioder. Typ N (Nicrosil/Nisil) utvecklades som ett alternativ och erbjuder förbättrad stabilitet och utökat temperaturområde, samtidigt som basmetallernas kostnadsfördel bibehålls.

Sammanfattning

Termoelement fungerar genom att generera en elektromotorisk kraft (EMF) som svar på en temperaturgradient, där utspänningen beror på gradienten och de material som används. Denna effekt, upptäckt av Seebeck 1822, är grunden för termoelementgivare, som kräver två olikartade material för att generera en användbar spänning. Utsignalen påverkas av temperaturen vid mätpunkten och referenspunkten, där referenspunkten normalt hålls vid en konstant temperatur. Kalibreringstabeller behövs för noggranna temperaturmätningar på grund av den icke-linjära karaktären hos termoelementens spänningsutsignaler. Kallpunktskompensering, som ofta utförs med elektronik eller genom att placera referenspunkten i en kontrollerad miljö, korrigerar för variationer i referenspunktens temperatur. Termoelementmaterial väljs baserat på faktorer som temperaturområde, signalstyrka och repeterbarhet, där sällsyntmetalltyper ger bättre stabilitet till högre kostnad, medan basmetalltyper är billigare men mindre stabila.

Vidare läsning

Vilka är de olika termoelementtyperna?
Utforska egenskaperna och kännetecknen hos de olika termoelementtyperna

Utsignalstabeller för termoelement
Visa tabeller över EMF kontra temperatur för alla termoelementtyper.

Vilka är termoelementens färgkoder?
Utforska termoelementens färgkoder för kabel och kontakter.