Inhalt
- Arten von Thermoelementen
- Einschränkungen von Thermoelementen
- Vor- und Nachteile von Thermoelementen
- Anwendungen von Thermoelementen
Thermoelemente sind einfache Temperatursensoren, die in Wissenschaft und Industrie eingesetzt werden. Sie bestehen aus zwei Drähten aus ungleichen Metallen, die an einem einzigen Punkt oder einer einzigen Verbindungsstelle miteinander verbunden sind und normalerweise aus Gründen der Robustheit und Zuverlässigkeit verschweißt werden.
An den offenen Enden dieser Drähte erzeugt ein Thermoelement eine Spannung als Reaktion auf die Sperrschichttemperatur. Dies ist das Ergebnis eines Phänomens namens Seebeck-Effekt, das der deutsche Physiker Thomas Seebeck 1821 entdeckte.
Arten von Thermoelementen
Jeweils zwei Drähte aus unterschiedlichen Metallen in Kontakt erzeugen beim Erhitzen eine Spannung. Bestimmte Legierungskombinationen sind jedoch aufgrund ihres Ausgangsniveaus, ihrer Stabilität und ihrer chemischen Eigenschaften Standard.
Die am häufigsten verwendeten Thermoelemente sind „unedle Metalle“, die aus Eisen oder Legierungen von Nickel und anderen Elementen hergestellt werden. Sie werden je nach Zusammensetzung als Typen J, K, T, E und N bezeichnet.
„Edelmetall“ -Thermoelemente aus Platin-Rhodium- und Platin-Drähten für den Einsatz bei höheren Temperaturen werden als Typen R, S und B bezeichnet. Je nach Typ können Thermoelemente Temperaturen von etwa -270 Grad Celsius bis 1.700 ° C oder höher messen ( etwa -454 Grad Fahrenheit bis 3.100 F oder höher).
Einschränkungen von Thermoelementen
Die Vor- und Nachteile von Thermoelementen hängen von der jeweiligen Situation ab, und es ist wichtig, zunächst ihre Grenzen zu kennen. Die Leistung eines Thermoelements ist sehr gering, typischerweise nur um 0,001 Volt bei Raumtemperatur, und steigt mit steigender Temperatur an. Jeder Typ hat seine eigene Gleichung, um Spannung in Temperatur umzuwandeln. Die Beziehung ist keine gerade Linie, daher sind diese Gleichungen mit vielen Begriffen etwas komplex. Trotzdem sind Thermoelemente bestenfalls auf Genauigkeiten von etwa 1 ° C oder etwa 2 ° F beschränkt.
Um ein kalibriertes Ergebnis zu erhalten, muss die Spannung des Thermoelements mit einem Referenzwert verglichen werden, bei dem es sich einst um ein weiteres Thermoelement handelte, das in ein Eiswasserbad getaucht war. Diese Vorrichtung erzeugt eine "Vergleichsstelle" bei 0 ° C oder 32 ° F, ist jedoch offensichtlich umständlich und unpraktisch. Moderne elektronische Referenzkreise für Eispunkte haben das Eiswasser universell ersetzt und den Einsatz von Thermoelementen in tragbaren Anwendungen ermöglicht.
Da Thermoelemente den Kontakt zweier unterschiedlicher Metalle erfordern, unterliegen sie einer Korrosion, die ihre Kalibrierung und Genauigkeit beeinträchtigen kann. In rauen Umgebungen ist die Verbindungsstelle normalerweise in einem Stahlmantel geschützt, der verhindert, dass Feuchtigkeit oder Chemikalien die Drähte beschädigen. Trotzdem sind Pflege und Wartung der Thermoelemente für eine gute Langzeitleistung erforderlich.
Vor- und Nachteile von Thermoelementen
Thermoelemente sind einfach, robust, leicht herzustellen und relativ kostengünstig. Sie können mit extrem feinem Draht hergestellt werden, um die Temperatur winziger Objekte wie Insekten zu messen. Thermoelemente sind in einem sehr weiten Temperaturbereich nützlich und können an schwierigen Orten wie Körperhöhlen oder in missbräuchlichen Umgebungen wie Kernreaktoren eingesetzt werden.
Bei all diesen Vorteilen müssen die Nachteile von Thermoelementen berücksichtigt werden, bevor sie angewendet werden. Der Millivolt-Pegel erfordert die zusätzliche Komplexität einer sorgfältig entworfenen Elektronik, sowohl für die Eispunktreferenz als auch für die Verstärkung des winzigen Signals.
Darüber hinaus ist das Niederspannungsverhalten anfällig für Rauschen und Interferenzen durch umgebende elektrische Geräte. Thermoelemente benötigen möglicherweise eine geerdete Abschirmung, um gute Ergebnisse zu erzielen. Die Genauigkeit ist auf ca. 1 ° C (ca. 2 ° F) begrenzt und kann durch Korrosion der Verbindungsstelle oder der Drähte weiter verringert werden.
Anwendungen von Thermoelementen
Die Vorteile von Thermoelementen haben dazu geführt, dass sie in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden, von der Steuerung von Haushaltsöfen bis zur Überwachung der Temperatur von Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Satelliten. Öfen und Autoklaven verwenden Thermoelemente, ebenso wie Pressen und Formen für die Herstellung.
Viele Thermoelemente können in Reihe geschaltet werden, um eine Thermosäule zu bilden, die in Abhängigkeit von der Temperatur eine höhere Spannung erzeugt als ein einzelnes Thermoelement. Mit Thermopiles werden empfindliche Geräte zur Detektion von Infrarotstrahlung hergestellt. Thermopiles können aus der Wärme des radioaktiven Zerfalls in einem thermoelektrischen Radioisotopengenerator auch Strom für Raumsonden erzeugen.