Termoelement: Funktionssätt och användning

Termoelement är termometrar som är vanliga inom industriell temperaturmätning. De är särskilt lämpade för mätning av höga temperaturer. Men hur fungerar termoelement? Hur kan man mäta temperaturer med två enkla trådar? Nyckeln till förståelse ligger i Seebeck-effekten.

Bakgrund

Seebeck-effekten, som först beskrevs 1821 av Thomas Johann Seebeck, är fenomenet att en svag elektrisk ström flyter i en krets av två olika ledare om kontaktpunkterna för ledarna har olika temperaturer. Denna förbindning av ledare kallas termoelement eller termopar.

Seebeck-effekten

För att förstå Seebeck-effekten kan vi betrakta en enskild elektrisk ledare. Inuti ledaren finns atomer mellan vilka fria elektroner rör sig. I ett tillstånd av termisk jämvikt är de fria elektronerna jämnt fördelade i ledaren.

Men om värme tillförs på ena sidan av ledaren ökar hastigheten på de fria elektronerna vid denna punkt. Den ökade hastigheten på elektronerna förskjuter dem till den kallare änden av ledaren. Vid denna kalla punkt uppstår en laddningskoncentration.

Denna effekt i sig möjliggör dock ingen reproducerbar temperaturmätning, eftersom den är starkt temperaturberoende och inte erbjuder något konstant förhållande mellan temperatur och spänning.

Användning av Seebeck-effekten

För att uppnå en reproducerbar temperaturmätning kan två olika metaller med olika beteende hos elektronerna i förhållande till temperatur användas. Om dessa metaller är förbundna och en temperaturskillnad mellan förbindningspunkterna föreligger, uppstår olika laddningskoncentrationer och en mätbar termospänning.

Ett exempel på ett termoelement är termoelementet av typ N, bestående av NiCrSi och NiSi. Vid en temperaturskillnad mellan kontaktpunkterna för de båda ledarna uppstår en mätbar termospänning som kan registreras med en voltmeter.

Viktigt här är två villkor:

1. De båda ledarna måste vara förbundna med varandra.
2. Det måste finnas en temperaturskillnad mellan förbindningspunkterna T1 och T2.

Vanliga termoelementtyper

Termoelement finns i olika typer, som var och en kännetecknas av materialkombinationen i deras trådar. Varje typ har sina egna för- och nackdelar samt specifika användningsområden. Här är några av de vanligaste termoelementtyperna:

• Typ B (platin-rodium/platin):
  • Temperaturområde: 0 °C till 1 800 °C
  • Hög temperaturnoggrannhet
• Typ E (nickel-krom/konstantan):
  • Temperaturområde: -270 °C till 1 000 °C
  • Hög termospänning och god noggrannhet
• Typ J (järn/konstantan):
  • Temperaturområde: -210 °C till 1 200 °C
  • Inte lämplig för oxiderande atmosfärer över 550 °C
• Typ K (nickel-krom/nickel-alumel):
  • Temperaturområde: -200 °C till 1 260 °C
  • Brett temperaturområde och kostnadseffektiv
• Typ N (nicrosil/nisil):
  • Temperaturområde: -270 °C till 1 300 °C
  • Bättre termisk stabilitet och oxidationsbeständighet än typ K
• Typ R (platin-rodium/platin):
  • Temperaturområde: -50 °C till 1 760 °C
  • Hög temperaturnoggrannhet
• Typ S (platin-rodium/platin):
  • Temperaturområde: -50 °C till 1 760 °C
  • Liknar typ R, används ofta inom glas- och keramikindustrin
• Typ T (koppar/konstantan):
  • Temperaturområde: -270 °C till 400 °C
  • Bra för låga temperaturer, stabil i oxiderande atmosfärer

Märkning med hjälp av färgade ministickproppar

Termoelement är numera oumbärliga beståndsdelar i många industriella tillämpningar och vetenskaplig forskning. Deras förmåga att mäta temperaturer exakt och tillförlitligt gör dem till ett viktigt instrument. Rätt identifiering av termoelement är avgörande för en korrekt temperaturmätning.

Ett sätt är att kontrollera färgen på stickpropparna och isoleringen (färgkoder). Under årens lopp har en mängd olika typer utvecklats, som består av olika materialpar. För att möjliggöra en tydlig åtskillnad har de olika typerna försetts med färgkoder. Dessa färgkombinationer visas i färgtabeller. Det är dock viktigt att notera att det finns olika färgkoder för olika länder, till exempel de som klassificeras enligt ”IEC” (International Electrotechnical Commission), ”BS” (British Standard) eller ”ANSI” (American National Standards Institute).

Ett exempel på skillnaderna i färgkodning är typ R. Enligt IEC-normen har denna en orangefärgad isolering, medan den enligt BS-normen är grönmarkerad. Dessa skillnader kan leda till förvirring, särskilt om termoelement från olika länder används. Det är därför viktigt att känna till och beakta de relevanta normerna.

Nedan följer några vanliga typer och deras motsvarande färgkoder:

Typ K: IEC – grön; BS – gul; ANSI – gul
Typ J: IEC – svart; BS – vit; ANSI – vit
Typ T: IEC – brun; BS – blå; ANSI – blå
Typ E: IEC – lila; BS – lila; ANSI – lila
Typ N: IEC – rosaröd; BS – orange; ANSI – orange

Gränsavvikelser för termoelement

Gränsavvikelser avser det maximala felet eller den onoggrannhet som kan uppstå vid temperaturmätning med ett termoelement.

Gränsavvikelsen är fastställd i IEC 60584-standarden för termoelement och anger det maximalt tillåtna felet som får uppstå vid temperaturmätningen för att fortfarande anses överensstämma med standarden. Gränsavvikelsen anges som ett absolut temperaturvärde (t.ex. ±1 °C) och i det högre temperaturområdet som en procentandel av den uppmätta temperaturen.

Det finns olika klasser av termoelement, som var och en har olika gränsavvikelser. Några exempel:

• Klass 1: Dessa termoelement har de minsta gränsavvikelserna och används för exakta mätningar.
• Klass 2: Dessa är något mindre exakta än klass 1, men används fortfarande i många tillämpningar.
• Klass 3: Dessa har de största gränsavvikelserna och används i tillämpningar där noggrannheten är mindre kritisk.

Det är viktigt att notera att den faktiska prestandan hos ett termoelement också påverkas av andra faktorer, som t.ex. kvaliteten på de använda materialen, termoelementets konstruktion och de förhållanden under vilka det används. Därför är det avgörande att specificera och använda termoelementet korrekt för att säkerställa att mätningarna ligger inom de förväntade gränsavvikelserna.

Gränsavvikelse typ K

Gränsavvikelse typ N

Gränsavvikelse typ R

Gränsavvikelse typ S

K-effekten hos termoelement av typ K

Termoelement av typ K, bestående av termobenen NiCr och NiAl, är vanliga inom industrin och erbjuder många fördelar tack vare sin förmåga att användas i ett extremt brett temperaturområde (-270 °C till 1372 °C) och sin höga känslighet vid industriellt relevanta temperaturer. De är dock inte felfria, särskilt inte i ett specifikt temperaturområde. Detta är den så kallade ”K-effekten”.

Bakgrund:
Även om typ K-termoelement kan användas i ett extremt brett temperaturområde, är de i vardagen endast tillförlitliga under 250 °C eller över 600 °C. Detta beror på ett speciellt fenomen, känt som K-effekten eller typ K-tillståndet.

K-effekten:
NiCr-benet på ett typ K-termoelement uppvisar en ordnad inriktning i kristallgittret under 400 °C. Om elementet värms upp över denna punkt sker en övergång till ett oordnat tillstånd mellan 400 °C och 600 °C. Först över 600 °C ordnar sig gittret igen.

En för snabb avkylning leder dock till problem. Vid avkylningshastigheter på mer än ca 100 °C per timme transformeras inte kristallgittret som önskat och förblir i ett oordnat tillstånd. Detta kan leda till ett termospänningsfel på upp till 0,8 mV, vilket motsvarar en avvikelse på ca 5 °C.

Intressant nog är denna K-effekt reversibel. Genom den så kallade anlöpningen vid temperaturer över 700 °C och efterföljande långsammare avkylning kan gittret till största delen återföras till sitt ursprungliga tillstånd.

Relevans för industrin:
På grund av denna K-effekt är typ K-termoelement olämpliga för mätningar mellan 250 °C och 600 °C, där temperaturen ändras snabbt. I detta område kan de uppvisa mycket stora och icke-reproducerbara fel, ofta i storleksordningen 2 °C till 10 °C.

Avslutande tankar:
Medan typ K-termoelement är vanliga inom industrin på grund av sina många fördelar, som ett stort driftstemperaturområde och deras ekonomiska fördelar, måste deras användningsområde beaktas noggrant. Särskilt otillförlitligheten i området från 250 °C till 600 °C på grund av K-effekten kan leda till betydande mätfel.

Det rekommenderas att överväga alternativ som typ N-termoelementet (NiCrSi-NiSi), som genom legeringen av båda benen med kisel är mindre känsligt för denna närordningseffekt.

Slutsats

Termoelement är enkla men kraftfulla instrument för temperaturmätning. De baseras på Seebeck-effekten och genererar en mätbar spänning som beror på temperaturen. Denna teknik har fått bred användning inom industrin och forskningen och erbjuder en tillförlitlig metod för temperaturmätning, särskilt vid höga temperaturer.

Källor:

• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatur“, Ausgabe 3