Yleistä tietoa termoelementeistä
Teollisuudessa tavallinen tapa mitata lämpötilaa on käyttää kahta eri materiaaleista valmistettua johdinta ja liittää ne yhteen toisesta päästä esim. hitsaamalla tai juottamalla. Tämä pää sijoitetaan paikkaan, jonka lämpötilaa halutaan mitata. Termoelementti tuottaa jännitteen (EMK), jonka suuruus riippuu lämpötilaerosta yhteen liitetyn pään Tmittaus ja avoimen pään Tref välillä, jonne mittauslaite kytketään.
Kansainvälisissä normeissa on määritelty erilaisia standardisoituja materiaaliyhdistelmiä. Näistä tavallisin on IEC 60584. Huomattavaa on, että standardeissa ilmoitetaan suhde lämpötilaeron (°C) ja lähtöviestin (mV) välillä, eikä siis yksityiskohtaista materiaalikoostumusta. Standardien taulukoissa edellytetään, että viitelämpötila Tref = 0 °C.
IEC 60584 sisältää 8 tavallisinta tyyppiä, joista tyypit J, K ja S ovat kaikkein yleisimmät. Uusissa asennuksissa tyyppi N on yhä suositumpi vaihtoehto tyypille K. Tyyppiä S käytetään korkeiden lämpötilojen yhteydessä. Maksimilämpötila riippuu langan halkaisijasta, ympäristöstä, odotettavissa olevasta kestoiästä jne.
Standardin IEC 60584 mukaiset termoelementit kattavat yhdessä alueen –270 °C …1820 °C. Lisäksi on olemassa tyyppejä vielä korkeammille lämpötiloille, kuten W5Re-W26Re, joille on määritelty taulukkoarvot aina 2315 °C:een saakka.
Katso täydelliset lämpötilataulukot erityyppisistä termoelementeistä sivun alapuolella.
Toimintatapa
Termoelementit perustuvat siihen, että myös johti¬mien (eikä pelkästään metallien) elektronitiheys on alhaisempi johtimen lämpimämmässä päässä. Läm¬pimän ja kylmän pään välillä vallitsee jännite-ero. Ero mitataan sopivan laitteen avulla ja näin saadaan mitta lämpötilaerolle (ks. kuva 2).
Ero mitataan sopivalla mittalaitteella, ja se kertoo lämpötilaeron. Lämpimän pään tavoittamiseen tarvitaan yksi lanka lisää. Kahdella samanlaisella langalla saadaan samat jännite-erot lankojen mitalta, mutta ei lähtö¬viestiä niiden kylmien päiden väliltä. Siksi termoele¬mentit tehdään kahdesta eri materiaalista, jotka yh¬distetään, jotta saadaan aikaan mahdollisimman suuri lähtöviesti ja pitkä kestoikä.
Nämä kaksi materiaalia liitetään yhteen toisesta päästä sopivalla tavalla, esimerkiksi hitsaamalla tai juottamalla. Alla olevassa kuvassa (kuva 3) on termopari, joka koostuu kahdesta eri johtimesta, jotka on juotettu yhteen päistään.
Toinen johdoista on katkaistu niin, että väliin voidaan kytkeä EMK-mittauslaite. Koska termoparit mittaavat lämpötilaeroa, on tarpeen tietää kylmä lämpötila, jotta kuuma lämpötila voidaan määrittää. Tämä tehdään yllä olevassa kuvassa (kuva 3) asettamalla toinen juottokohta, kylmä, tunnettuun lämpötilaan eli 0 °C:een. Mitattu EMK on tällöin suora mitta kuuman juotosliitoksen lämpötilasta. Tiettyä EMK- arvoa vastaava lämpötila löytyy termoparin EMK-taulukosta.
Yleisin teollisuudessa elektroniikkalaitteissa käytössä oleva tapa on mitata sen liitoksen lämpötila, jossa termopari on liitetty laitteeseen, eli kylmän pään lämpötila, Tref. Tämä mahdollistaa kylmän liitoskohdan kompensoinnin, jota tarvitaan, kun liitoksen lämpötila poikkeaa 0 °C:sta. Laitteessa suoritetaan puuttuvien mV:n lisääminen (EMK vertailulämpötilalle Tref taulukon mukaisesti). Tällöin voidaan luopua kuvassa 3 esitetystä lämpöparin oikeanpuoleisesta osasta ja saada aikaan alla olevassa kuvassa 4 esitetty yksinkertainen rakenne.
Koska termoelementti antaa lähtöviestin, joka on riippuvainen lämpötilaerosta, lähtöviesti muodostuu kaikista langan osista, jotka ovat alttiina lämpötilaerolle. Tämä tarkoittaa, että uunin lämpötilaa mittaava termoelementti saa suurimman osan signaalista uuninseinämän läpimenosta. Juuri tässä kohdenhan lämpötilaero on suurimmillaan (933-70°C). On myöskin tärkeää, että termoelementti viedään mittauslaitteen liitäntäkoskettimelle saakka, koska muuten menetetään signaali, joka syntyy anturin kytkentälevyn ja mittauslaitteen koskettimen lämpötilojen välillä (70-Tref). Tämä tehdään käytännön- ja kustannussyistä yleensä käyttäen jatko- tai tasausjohtoa.
Koska johto valmis¬tetaan materiaalista, jolla on samat ominaisuudet kuin termoelementillä, kaapelin pituudella syntyvät lämpö¬tilaerot antavat signaalin, joka lisätään termoelementin luomaan signaaliin.
Tasauskaapeleita voidaan käyttää vain enintään 200 ° C: n lämpötiloissa. Tämän yläpuolella tarkkuus laskee dramaattisesti. Korkeammissa ympäristölämpötiloissa ainoa vaihtoehto on käyttää kaapeleita, jossa on lämmönkestävä eristys.
Termoelementin valinta
Metallien, joita käytetään termoelementissä, tulee olla stabiileja ja ne eivät saa muuttua jälkikäteen. Näitä materiaaleja pitää pystyä valmistamaan samankal¬taisina ja niiden tulee kestää korkeaa lämpötilaa. Siksi valitaan mielellään platinaa, kultaa tai erityisiä metal¬liseoksia. Tyyppi K on pitkään ollut hyvin suosittu.
Se on melko halpa, antaa korkean lähtöviestin ja sietää korkeaa lämpötilaa (noin 1200 °C). Valitetta¬vasti tyyppiin liittyy joitakin haittapuolia. Se saa aikaan erilaisia lähtöviestejä lämpötilan noustessa ja laskiessa (hystereesi) ja siihen voi muodostua vihertävää syö¬pymää, (alhainen happipitoisuus langoilla aiheuttaa kromioksidin muodostumista).
Tyypillä N on paremmat ominaisuudet näiden suhteen ja uusissa asennuksissa se yhä useammin korvaa tyypin K. Ne kattavat suurin piirtein samat lämpötila-alueet, niitä on saatavana samoilla mitoilla ja niillä on samankaltainen yhteys lämpötilan ja lähtöviestin suhteen. Useimmat nykyaikaiset mittalaitteet on helppo muuttaa tyypistä K tyypiksi N. Tyyppi N on hiukan kalliimpi kuin tyyppi K. Monissa tapauksissa jatkojohdon vaihto aiheuttaa suurimmat kustannukset, kun muutos tehdään olemassa olevaan laitokseen.
Lisätietoa valikoimamme erityyppisistä termoelementeistä alla olevassa taulukossa
| Tyyppi | Koostumus | Mittausalue | Sovellutus |
| Matalat lämpötilat | |||
| T | Kupari (+) Konstantaani (-) | -180…370 °C | Käyttökelpoinen hapettavassa, pelkistävässä tai inertissä ilmakehässä sekä tyhjiössä. Ei korroosioaltis kosteissa ympäristöissä. |
| Standardi mittausalue | |||
| K | Chromel (+) Alumel (-) | 95…1260 °C | Suositellaan happipitoiseen tai neutraaliin ilmakehään. Käytetään enimmäkseen yli 540 ° C. Mahdolliset virheet altistettaessa rikille. Kromin hapettuminen positiivisessa johtimessa tietyillä matalilla happitasoilla voi aiheuttaa “vihreää mätää” ja suuria negatiivisia virheitä. Suojatasku, ilmanvaihto tai inertti tiivistys voi estää tämän. |
| J | Rauta(+) Konstantaani (-) | 95…760 °C | Soveltuu tyhjiö-, alennetuissa tai inertissä ilmakehässä. Pienempi käyttöikä hapettavissa ilmakehissä. Rauta hapettuu nopeasti yli 540 ° C / 1000 ° F: n lämpötilassa, joten korkeita lämpötiloja varten suositellaan vahvaa lankaa. Elementtejä ei saa altistaa rikkiä sisältävälle ilmakehälle, joka on yli 540 ° C. |
| N | Nicrosil (+) Nisil (-) | 650…1260 °C | Nicrosil / Nisil-nikkelipohjaista termoelementtiseosta, jota käytetään pääasiassa korkeissa lämpötiloissa 1260 ° C:een saakka. Vaikka tyyppi N ei ole suora korvaava tyyppi K:lle, se tarjoaa paremman hapettumisenkestävyyden korkeissa lämpötiloissa ja pidemmän käyttöiän sovelluksissa, joissa on rikkiä. |
| E | Chromel (+) Konstantan (-) | 95…900 °C | Suositellaan jatkuvasti hapettuville tai inertille ilmakehille. Suurin lämpösähköteho. |
| Korkeat lämpötilat | |||
| S | Platina 10% Rodium (+) Platina (-) | 980…1480 °C | Suositellaan korkeisiin lämpötiloihin. On suojattava ei-metallisella suojataskulla ja keraamisilla eristeillä. Jatkuva käyttö korkeissa lämpötiloissa aiheuttaa rakeiden kasvua, mikä voi johtaa mekaaniseen vikaantumiseen. Rodiumin diffuusio ja haihtuminen johtavat lopulta negatiiviseen lämpötilan vaihteluun. |
| R | Platina 13% Rodium (+) Platina (-) | 870…1480 °C | Sama kuin tyypillä S |
| B | Platina 30% Rodium (+) Platina 6% Rodium (-) | 1370…1800 °C | Sama kuin tyyppien S ja R kohdalla, mutta lähtö on pienempi. Myös vähemmän herkkä rakeiden kasvulle ja ajelehtimiselle. |
| Erittäin korkeat lämpötilat | |||
| C | Volfram 5% Rhenium (+) Volfram 26% Rhenium (-) | 1650…2300 °C | Tätä tulenkestävästä metallista valmistettua lämpöparia voidaan käyttää jopa 2300 °C:n lämpötiloissa. Koska se ei kestä hapettumista, sen käyttö on rajoitettu tyhjiö-, vety- tai inerttiolosuhteisiin. |
| W | Volfram 3% Rhenium (+) Volfram 25% Rhenium (-) | 1600…2300 °C | W3Re-langan sitkeys on parempi kuin puhtaan volframin, mutta ei niin hyvä kuin W5Re. Tällä yhdistelmällä on volframi-rhenium-lämpöparien suurin lämpöjännite. |
Termoelementtianturit
Koska termoelementin täytyy olla lämpökosketuksessa väliaineeseen, jonka lämpötilaa halutaan mitata, sille asetetaan lukuisia erilaisia vaatimuksia.
• Termoelementin tulee kestää mahdollisimman pitkään.
• Se ei saa vaikuttaa prosessiin eikä sen lämpötilaan.
• Mittaus tulee suorittaa riittävän suurella tarkkuudella, jotta se olisi merkityksellinen.
• Anturin tulee olla helposti asennettava ja huollettava.
• Anturin hinnan tulee olla kohtuullinen.
Kaikkia näitä vaatimuksia ei voida täyttää samanaikaisesti ja siksi mittausteknikon tehtävä on valita paras kompromissi. Pelkkä kahdesta langasta koostuva termoelementti reagoi nopeasti, mutta on alttiina ympäristön vaikutukselle. Sellaisia termoelementtejä käytetään useimmin laboratorioympäristössä.
Teollisuuskäyttöä varten langat suojataan suojaputkilla, jotka on valmistettu materiaaleista, jotka johtavat lämmön prosessista termoelementille, mutta jotka pitävät haittavaikutukset ulkopuolella. Tavallisimmat materiaalit ovat metallit ja keramiikka, mutta muitakin materiaaleja käy¬tetään, kun sovellutus sitä vaatii. Pinnalle voidaan laittaa useita kerroksia päällekkäin. Usein käytetään sisäosana vaihdettavaa, halkaisijaltaan 6 mm:n mittaussauvaa ja ul¬koisena osana suojaputkea, joka on valmistettu esimerkiksi haponkestävästä teräksestä. Suojaputki mitoitetaan niihin rasituksiin, joille anturi altistuu, esim. lämpötilalle, paineelle ja korroosiolle. Niille antureille, jotka altistuvat paineelle, on voimassa painelaitedirektiivi, PED, joka säätelee rakennetta, valmistusta ja valvontaa.
Eräs erikoinen variantti on vaippatermoelementti, joka koostuu termoelementtilangoista; ne on sijoitettu
suojukseen, ohutseinämäiseen lämmönkestävästä metallista valmistettuun putkeen. Langat on eristetty toisistaan ja suojuksesta hienon kemiallisesti eristävän jauheen avulla, useimmiten kyseessä on magnesiumoksidi. Valmistusprosessissa jauhe pakataan hyvin lujaksi ja siksi suojusta voidaan taivuttaa ilman, että langat joutuvat kosketuksiin toistensa tai suojuksen kanssa.
Koska termoelementtejä käytetään korkeissa lämpötiloissa, materiaalivalinnalla on erittäin suuri merkitys mittauksen epävarmuuden ja elinajanodotteen suhteen.