Περιεχόμενο
- Τύποι θερμοστοιχείων
- Περιορισμοί των θερμοστοιχείων
- Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των θερμοστοιχείων
- Εφαρμογές Θερμοστοιχείων
Τα θερμοστοιχεία είναι απλοί αισθητήρες θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται σε ολόκληρη την επιστήμη και τη βιομηχανία. Αποτελούνται από δύο σύρματα από ανόμοια μέταλλα ενωμένα μεταξύ τους σε ένα μόνο σημείο ή διασταύρωση, η οποία είναι συνήθως συγκολλημένη για ανθεκτικότητα και αξιοπιστία.
Στα άκρα ανοικτών κυκλωμάτων αυτών των συρμάτων, ένα θερμοστοιχείο παράγει μια τάση σε απόκριση της θερμοκρασίας διασταύρωσης, το αποτέλεσμα ενός φαινομένου που ονομάζεται φαινόμενο Seebeck, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1821 από τον γερμανό φυσικό Thomas Seebeck.
Τύποι θερμοστοιχείων
Οποιαδήποτε δύο σύρματα διαφορετικών μετάλλων που έρχονται σε επαφή θα παράγουν τάση όταν θερμαίνονται. Ωστόσο, ορισμένοι συνδυασμοί κραμάτων είναι στάνταρ λόγω του επιπέδου εξόδου, της σταθερότητας και των χημικών χαρακτηριστικών τους.
Τα πιο συνηθισμένα είναι τα θερμοζεύγη "βασικού μετάλλου", κατασκευασμένα με σίδηρο ή κράματα νικελίου και άλλα στοιχεία και είναι γνωστά ως τύποι J, K, T, E και N, ανάλογα με τη σύνθεση.
Τα θερμοστοιχεία "ευγενών μετάλλων", κατασκευασμένα από σύρματα πλατίνας-ροδίου και πλατίνας για υψηλότερη θερμοκρασία χρήσης, είναι γνωστά ως τύποι R, S και B. Ανάλογα με τον τύπο, τα θερμοστοιχεία μπορούν να μετρήσουν θερμοκρασίες από περίπου -270 βαθμούς Κελσίου έως 1.700 C ή υψηλότερες περίπου -454 βαθμούς Φαρενάιτ στα 3.100 F ή υψηλότερα).
Περιορισμοί των θερμοστοιχείων
Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των θερμοστοιχείων εξαρτώνται από την κατάσταση και είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πρώτα τους περιορισμούς τους. Η έξοδος ενός θερμοστοιχείου είναι πολύ μικρή, συνήθως μόνο περίπου 0,001 volt σε θερμοκρασία δωματίου, αυξάνοντας όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Κάθε τύπος έχει τη δική του εξίσωση για τη μετατροπή της τάσης σε θερμοκρασία. Η σχέση δεν είναι μια ευθεία γραμμή, επομένως αυτές οι εξισώσεις είναι κάπως πολύπλοκες, με πολλούς όρους. Ακόμα κι έτσι, τα θερμοστοιχεία περιορίζονται σε ακρίβειες περίπου 1 C, ή περίπου 2 F, στην καλύτερη περίπτωση.
Για να επιτευχθεί ένα βαθμονομημένο αποτέλεσμα, η τάση του θερμοστοιχείου πρέπει να συγκριθεί με μια τιμή αναφοράς, η οποία κάποτε ήταν ένα άλλο θερμοστοιχείο βυθισμένο σε λουτρό πάγου. Αυτή η συσκευή δημιουργεί μια "ψυχρή διασταύρωση" στους 0 C, ή 32 F, αλλά είναι προφανώς άβολη και άβολη. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά κυκλώματα αναφοράς πάγου έχουν αντικαταστήσει γενικά το παγωμένο νερό και επέτρεψαν τη χρήση θερμοστοιχείων σε φορητές εφαρμογές.
Επειδή τα θερμοστοιχεία απαιτούν την επαφή δύο διαφορετικών μετάλλων, υφίστανται διάβρωση, πράγμα που μπορεί να επηρεάσει τη βαθμονόμησή τους και την ακρίβειά τους. Σε σκληρά περιβάλλοντα, ο κόμβος συνήθως προστατεύεται σε ένα χαλύβδινο περίβλημα, το οποίο εμποδίζει την υγρασία ή χημικές ουσίες να βλάψουν τα καλώδια. Παρόλα αυτά, η φροντίδα και η συντήρηση των θερμοστοιχείων είναι απαραίτητα για την καλή μακροπρόθεσμη απόδοση.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των θερμοστοιχείων
Τα θερμοστοιχεία είναι απλά, ανθεκτικά, εύκολα κατασκευαζόμενα και σχετικά φθηνά. Μπορούν να κατασκευαστούν με εξαιρετικά λεπτό σύρμα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας μικροσκοπικών αντικειμένων, όπως έντομα. Τα θερμοστοιχεία είναι χρήσιμα σε πολύ ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και μπορούν να εισαχθούν σε δύσκολες τοποθεσίες όπως κοιλότητες του σώματος ή καταχρηστικά περιβάλλοντα όπως οι πυρηνικοί αντιδραστήρες.
Για όλα αυτά τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα των θερμοστοιχείων πρέπει να εξεταστούν πριν από την εφαρμογή τους. Η έξοδος στάθμης millivolt απαιτεί την πρόσθετη πολυπλοκότητα των προσεκτικά σχεδιασμένων ηλεκτρονικών, τόσο για την αναφορά του πάγου όσο και για την ενίσχυση του μικροσκοπικού σήματος.
Επιπλέον, η απόκριση χαμηλής τάσης είναι επιρρεπής σε θόρυβο και παρεμβολές από τις γύρω ηλεκτρικές συσκευές. Τα θερμοστοιχεία μπορεί να χρειαστούν γείωση θωράκισης για καλά αποτελέσματα. Η ακρίβεια περιορίζεται σε περίπου 1 C (περίπου 2 F) και μπορεί να μειωθεί περαιτέρω με τη διάβρωση της διασταύρωσης ή των συρμάτων.
Εφαρμογές Θερμοστοιχείων
Τα πλεονεκτήματα των θερμοστοιχείων έχουν οδηγήσει στην ενσωμάτωσή τους σε ένα ευρύ φάσμα καταστάσεων, από τον έλεγχο των οικιακών φούρνων μέχρι την παρακολούθηση της θερμοκρασίας των αεροσκαφών, των διαστημικών σκαφών και των δορυφόρων. Οι λέβητες και τα αυτόκλειστα χρησιμοποιούν θερμοστοιχεία, όπως και οι πρέσες και τα καλούπια για την κατασκευή.
Πολλά θερμοζεύγη μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους σε σειρά για να δημιουργήσουν ένα θερμοπύλη, το οποίο παράγει μεγαλύτερη τάση σε απόκριση της θερμοκρασίας από ένα μόνο θερμοστοιχείο. Τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ευαίσθητων συσκευών για την ανίχνευση υπέρυθρης ακτινοβολίας. Τα θερμοηλεκτρικά μπορούν επίσης να παράγουν ενέργεια για διαστημικούς ανιχνευτές από τη θερμότητα ραδιενεργού αποσύνθεσης σε μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων.