Termočlánok - popis, zliatiny a napätie

Termočlánok alebo termočlánková sonda premieňa rozdiel teploty na napätie vďaka termoelektrickému javu - Seebeckov jav. Napätie vzniká gradientom teploty pozdĺž materiálu jednotlivých častí termočlánku. Veľkosť napätia je úmerná rozdielu teplôt a mení sa aj podľa typu termočlánku (použitého kovu alebo zliatiny). Teplomery ktoré merajú teplotu pomocou termočlánku merajú toto napätie a prevádzajú ho na teplotu. Veľkou výhodou termočlánkov je možnosť vytvoriť veľmi malú sondu s rýchlou odozvou prípadne tvarovať snímaciu časť podľa povrchu. Presnosť merania je nižšia ako pri odporových teplomeroch (termistory, platinové sondy, PT100, PTxx). Veľkou prekážkou pri používaní termočlánkov je problematické predlžovanie vedenia. Ako vyplýva z princípu, je nevyhnutné použiť rovnaký materiál (kov / zliatinu) ako na termočlánok aj na predlžovacie vedenie a konektory. To znamená že na každý typ termočlánku potrebujeme iné predlžovacie vedenie aj iné konektory. Spoje nesmú byť spájkované ale skrutkované alebo lisované prípadne zvárané aby nevznikal ďalší termočlánok. Pri platine je nezanedbateľná aj cena. Vedenia nad 10 metrov je zväčša potrebné kvalitne tieniť aby sme odstránili rušenie. Aj napriek pozornosti pri predlžovaní je potrebné rátať s chybou merania 1-4°C na každý ďalší spoj na trase.

Farba kábla je podľa normy IEC 60584-3 (EU) zhodná s farbou konektora. Záporný vodič je biely, kladný vodič je rovnakej farby ako konektor. ATEX termočlánky majú modrý obal, kladný vodič je podľa farby konektora, záporný je biely.

Typy a vlastnosti termočlánkov

konektor  typ  materiál / kov koeficient µV/°C rozsah
ANSI IEC  kladný záporný °C °C dočasne
    K chromel alumel 39,4  -200 +1350 −180..+1300
    J železo konštantán 50,3  -40 +750 -180..+800
    N nicrosil nisil 25,9  0 +1260 -270..+1300
    R Pt+13%Rh platina 5,2  0 +1600 -50..+1700
    S Pt+10%Rh platina 5,4  0 +1600 -50..+1750
    B Pt+30%Rh Pt+6%Rh 1,9  -200 +1700 0..+1820
    T meď konštantán 38,7  -200 +350 -250..+400
    E chromel konštantán 58,6  -200 +900 -40..+900
    U meď meď (+Ni) prepojovací      
  ? C W+5%Re W+26%Re  1,3  0 +2320  
  ? D W+3%Re W+25%Re 1,4  0 +2320  
  ? G wolfrám W+26%Re 1,1  0 +2320  
      platina paládium 5,42  0 +1500  

Zliatiny používané na výrobu termočlánkov

  • Alumel: 95% Ni, 2% Mg, 2% Al, 1% Si
  • Chromel: 90% Ni, 10% Cr
  • Konštantán (copel): 45%Ni, 55% Cu
  • Nicrosil: 84,1% Ni, 14,4% Cr, 1,4% Si, 0,1% Mg
  • Nisil: 95,6% Ni, 4,4% Si

Záporný pól termočlánku U niekedy obsahuje malé množstvo niklu.

Zapojenie termočlánku pri meraní

Pri meraní teploty pomocou termočlánkov meriame napätie ktoré je úmerné rozdielu teploty. Tabuľkové hodnoty sú vztiahnuté k trojnému bodu vody (ľadová drť v Dewarovej nádobe) pretože sa ľahko realizuje a udržiava.

Pre použitie v metrológii sú sondy riešené ako dvojica s paralelným vyvedením merania napätia. Napríklad Fluke Calibration 5649 R alebo Fluke Calibration 5650 S.

Pri meraní v priemysle sa používa jednoduchá sonda s jedným meracím koncom, spravidla "teplý koniec". Ako druhá strana sa používa elektronická kompenzácia "studeného konca". Pri tomto zapojení je najčastejšie v konektore zabudovaný ešte odporový teplomer. V tomto prípade namerané napätie 0V znamená že "teplý koniec" má rovnakú teplotu ako konektor.

Priebehy napätia pre rôzne druhy termočlánkov

termočlánok - termoelektrické napätie pri teplote

Graf zobrazuje celkové termoelektrické napätie termočlánkov v mV pri danej teplote v °C, spracované podľa NIST.

termočlánok - termoelektrické napätie na stupeň celzia

Graf zobrazuje ako sa mení termoelektrické napätie termočlánkov pri zmene o 1 °C, spracované podľa NIST.