Οδηγοί

Θερμοστοιχεία (Thermocouples)

Θερμοστοιχεία

O πιο διαδεδομένος αισθητήρας θερμοκρασίας στη βιομηχανία

Τι είναι ένα θερμοστοιχείο;

Ένα θερμοστοιχείο (thermocouple) είναι ένας απλός αισθητήρας θερμοκρασίας. Στην ουσία είναι δύο σύρματα από διαφορετικά μέταλλα, ενωμένα στη μία άκρη τους. Όταν αυτή η ένωση ζεσταθεί ή κρυώσει, το θερμοστοιχείο παράγει μια πολύ μικρή ηλεκτρική τάση. Όσο μεγαλύτερη η διαφορά θερμοκρασίας, τόσο μεγαλύτερη η τάση. Μετρώντας αυτή την τάση, βρίσκουμε τη θερμοκρασία.

Η βασική ιδέα με απλά λόγια

Φαντάσου μια μεταλλική ράβδο όπου το ένα άκρο είναι ζεστό και το άλλο κρύο. Στο ζεστό άκρο, τα πιο μικρά σωματίδια μέσα στο μέταλλο (τα ηλεκτρόνια) «κουνιούνται» πιο έντονα και τείνουν να απομακρύνονται προς το κρύο άκρο. Αυτή η μικρή μετακίνηση δημιουργεί μια μικροσκοπική ηλεκτρική «πίεση» — μια τάση — από τη μία άκρη στην άλλη. Αυτό συμβαίνει σε κάθε μέταλλο που έχει θερμή και ψυχρή πλευρά.

Η καρδιά του φαινομένου

Το φαινόμενο Seebeck

Η εμφάνιση τάσης όταν ένα μέταλλο έχει διαφορά θερμοκρασίας στα δύο του άκρα ονομάζεται φαινόμενο Seebeck. Είναι η «καρδιά» της λειτουργίας του θερμοστοιχείου. Κάθε μέταλλο το εμφανίζει σε διαφορετικό βαθμό — κάποια παράγουν μεγαλύτερη τάση, κάποια μικρότερη, για την ίδια διαφορά θερμοκρασίας.

Γιατί χρειάζονται ΔΥΟ διαφορετικά μέταλλα;

Λογικά θα περίμενε κανείς ότι αρκεί ένα σύρμα. Όμως ένα μόνο σύρμα δεν δουλεύει: για να μετρήσουμε την τάση πρέπει να συνδέσουμε ένα όργανο, και τότε η τάση που δημιουργείται στο ένα σκέλος ακυρώνεται από την ίδια τάση στο άλλο — το αποτέλεσμα είναι μηδέν.

Η λύση είναι να χρησιμοποιήσουμε δύο διαφορετικά μέταλλα. Επειδή κάθε μέταλλο παράγει διαφορετική τάση για την ίδια θερμοκρασία, οι δύο τάσεις δεν ακυρώνονται πλήρως. Αυτό που μένει είναι μια καθαρή, μετρήσιμη τάση. Γι’ αυτό κάθε θερμοστοιχείο είναι πάντα ένα ζευγάρι από δύο διαφορετικά μέταλλα.

Διάγραμμα: η τάση (EMF) κάθε αγωγού — Οι δύο αγωγοί (A και B) παράγουν διαφορετική τάση. Η «μετρήσιμη τάση» είναι η διαφορά τους.

Θερμή ένωση και ψυχρή ένωση

Σε ένα θερμοστοιχείο υπάρχουν δύο σημεία που έχουν σημασία:

Θερμή ένωση

Το σημείο μέτρησης — εκεί που τα δύο μέταλλα είναι ενωμένα. Το τοποθετούμε εκεί που θέλουμε να μετρήσουμε, π.χ. μέσα σ’ έναν φούρνο.

Ψυχρή ένωση

Το σημείο αναφοράς — εκεί που τα σύρματα συνδέονται με το όργανο μέτρησης, σε γνωστή θερμοκρασία.

Τα δύο μέταλλα ενώνονται μεταξύ τους μόνο στη θερμή ένωση (ένα σημείο). Το θερμοστοιχείο στην πραγματικότητα μετρά τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στη θερμή και την ψυχρή ένωση. Γι’ αυτό η θερμοκρασία αναφοράς πρέπει να είναι γνωστή, ώστε το όργανο να βγάλει τη σωστή τιμή.

Βασικό θερμοστοιχείο — Το βασικό θερμοστοιχείο: δύο μέταλλα (A, B), θερμή ένωση στο T₁, ψυχρά άκρα στο T₀, και το βολτόμετρο (V) που μετρά την τάση.

Πώς γίνεται τάση → θερμοκρασία

Το θερμοστοιχείο δίνει μια τάση (σε χιλιοστά του βολτ). Το όργανο μέτρησης διαβάζει αυτή την τάση και, με βάση γνωστούς πίνακες για το συγκεκριμένο ζεύγος μετάλλων, τη μετατρέπει αυτόματα σε βαθμούς θερμοκρασίας που βλέπουμε στην οθόνη. Κάθε τύπος θερμοστοιχείου έχει τον δικό του πίνακα μετατροπής.

Θερμοκρασία αναφοράς και αντιστάθμιση ψυχρής επαφής

Όπως είδαμε, το θερμοστοιχείο μετρά στην πραγματικότητα τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στη θερμή και την ψυχρή ένωση — άρα το όργανο πρέπει να γνωρίζει συνεχώς τη θερμοκρασία της ψυχρής ένωσης (το σημείο όπου τα σύρματα καταλήγουν στους ακροδέκτες). Αυτή η συνεχής μέτρηση και διόρθωση ονομάζεται αντιστάθμιση ψυχρής επαφής (cold junction compensation) και απαιτεί έναν δεύτερο, ακριβή αισθητήρα τοποθετημένο πάνω στους ακροδέκτες. Εδώ μπαίνει το θερμίστορ (thermistor): ένα μικρό ημιαγωγικό εξάρτημα του οποίου η ηλεκτρική αντίσταση μεταβάλλεται έντονα και με γνωστό, προβλέψιμο τρόπο με τη θερμοκρασία (συνήθως τύπου NTC — η αντίσταση πέφτει καθώς ανεβαίνει η θερμοκρασία). Το όργανο μετρά την αντίσταση του θερμίστορ, υπολογίζει τη θερμοκρασία των ακροδεκτών και την «προσθέτει» στο σήμα του θερμοστοιχείου, ώστε η τελική ένδειξη να αντιστοιχεί στην πραγματική θερμοκρασία της θερμής ένωσης. Επιλέγουμε θερμίστορ γι’ αυτή τη δουλειά γιατί ακριβώς στην περιοχή της θερμοκρασίας περιβάλλοντος — εκεί δηλαδή που βρίσκονται οι ακροδέκτες — προσφέρει πολύ μεγάλη ευαισθησία και ανάλυση (πολύ μεγαλύτερη μεταβολή ανά βαθμό από ένα θερμοστοιχείο ή ακόμη κι ένα Pt100), ενώ ταυτόχρονα είναι φθηνό, μικρό, με γρήγορη απόκριση και επαρκή ακρίβεια σε αυτό το στενό εύρος — δηλαδή ό,τι ακριβώς χρειάζεται για να «ξέρει» το όργανο τη θερμοκρασία αναφοράς του.

(Πηγή: Kerlin & Johnson, «Practical Thermocouple Thermometry» (ISA, 2012), αντιστάθμιση ψυχρής ένωσης· ASTM, «Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement» (MNL 12), ενότητα αναφοράς ψυχρής ένωσης.)

Τύποι θερμοστοιχείων

Θεωρητικά οποιαδήποτε δύο διαφορετικά μέταλλα κάνουν θερμοστοιχείο. Στην πράξη όμως χρησιμοποιούνται λίγοι τυποποιημένοι τύποι, ο καθένας με γράμμα (K, J, κλπ). Ο πίνακας δίνει μια γρήγορη σύγκριση· πιο κάτω θα βρεις αναλυτική περιγραφή για κάθε τύπο. Η χρωματική κουκκίδα ακολουθεί τον κώδικα IEC 60584.

Τύπος	Μέταλλα	Εύρος	Καλύτερο για
K	Nickel-Chromium (Chromel) / Nickel-Aluminum (Alumel)	−200…1260 °C	Γενική χρήση, οξειδωτικές ατμόσφαιρες
J	Iron / Constantan (Copper-Nickel)	0…760 °C	Οικονομικός, αναγωγικές ατμόσφαιρες
T	Copper / Constantan (Copper-Nickel)	−200…370 °C	Χαμηλές / κρυογονικές, υγρασία
E	Nickel-Chromium (Chromel) / Constantan (Copper-Nickel)	−200…900 °C	Μέγιστη ευαισθησία (μεγαλύτερο σήμα)
N	Nicrosil (Ni-Cr-Si) / Nisil (Ni-Si)	−200…1300 °C	Υψηλές θερμοκρασίες, σταθερότερος από K
S	Platinum-10% Rhodium / Platinum	0…1480 °C	Υψηλή ακρίβεια, πρότυπο αναφοράς
R	Platinum-13% Rhodium / Platinum	0…1480 °C	Υψηλή ακρίβεια σε πολύ υψηλές
B	Platinum-30% Rhodium / Platinum-6% Rhodium	870…1700 °C	Οι πιο υψηλές θερμοκρασίες

Τα εύρη είναι τα συνιστώμενα για προστατευμένα θερμοστοιχεία και εξαρτώνται από τη διάμετρο του σύρματος και την ατμόσφαιρα. (Πηγή: ASTM, «The Use of Thermocouples in Temperature Measurement», Κεφ. 3.)

Ο χρωματικός κώδικας ακολουθεί το IEC 60584-3 (χρώμα θετικού αγωγού· ο αρνητικός είναι πάντα λευκός). Οι τύποι R και S μοιράζονται το ίδιο πορτοκαλί στο πρότυπο — εδώ ξεχωρίζουν ελαφρώς για ευκρίνεια· ο τύπος B δεν έχει καθιερωμένο χρώμα (γκρι ως σύμβαση).

Αναλυτικά ανά τύπο

Πάτα σε έναν τύπο για να δεις περισσότερες λεπτομέρειες.

KΤύπος K — ο πιο κοινός, γενικής χρήσης›

Ο πιο διαδεδομένος τύπος γενικής χρήσης: φθηνός, ανθεκτικός και με σχετικά υψηλό, σχεδόν γραμμικό σήμα (~41 µV/°C). Δίνει τον καλύτερο συνδυασμό κόστους και απόδοσης σε οξειδωτικές ή αδρανείς ατμόσφαιρες. Πρόσεξε δύο πράγματα: σε αναγωγικές ή φτωχές σε οξυγόνο ατμόσφαιρες κινδυνεύει από διάβρωση τύπου «green-rot» (περίπου 800–1050 °C), ενώ γύρω στους 250–550 °C εμφανίζει μια μικρή αναστρέψιμη απόκλιση λίγων βαθμών (φαινόμενο «K-state»). Πρώτη επιλογή όταν δεν υπάρχει ειδική απαίτηση.

JΤύπος J — οικονομικός, υψηλό σήμα›

Οικονομικός και με υψηλό σήμα (~50–55 µV/°C), δηλαδή καλή ευαισθησία. Δουλεύει σε οξειδωτικές, αναγωγικές και αδρανείς ατμόσφαιρες, ακόμη και σε κενό — ευέλικτος για βιομηχανική χρήση μέχρι τους ~760 °C. Το αδύναμο σημείο του είναι το σκέλος του iron: οξειδώνεται γρήγορα πάνω από ~540 °C και σκουριάζει με υγρασία. Γι’ αυτό δεν συνιστάται κάτω από 0 °C ούτε για μακροχρόνια χρήση κοντά στο άνω όριό του.

TΤύπος T — χαμηλές θερμοκρασίες και υγρασία›

Η καλύτερη επιλογή για χαμηλές και κρυογονικές θερμοκρασίες, υγρασία και υγρά περιβάλλοντα, καθώς το copper αντέχει στη διάβρωση. Έχει εξαιρετική ακρίβεια και επαναληψιμότητα στο εύρος του και μπορεί να λειτουργήσει σε οξειδωτικές, αναγωγικές, αδρανείς ή κενού ατμόσφαιρες. Το άνω όριο των ~370 °C οφείλεται στο ότι πάνω από εκεί το copper οξειδώνεται γρήγορα· πρόσεξε επίσης ότι η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του χαλκού μπορεί να «τραβήξει» θερμότητα από το σημείο μέτρησης σε λεπτές εγκαταστάσεις.

EΤύπος E — μέγιστη ευαισθησία›

Δίνει το μεγαλύτερο σήμα (~68 µV/°C) απ’ όλους τους κοινούς τύπους, άρα τη μέγιστη ευαισθησία και ανάλυση — ιδανικός όταν θέλεις να ανιχνεύσεις πολύ μικρές μεταβολές θερμοκρασίας. Και τα δύο σκέλη είναι μη μαγνητικά, κάτι που βοηθά τη σταθερότητα. Αποδίδει άριστα σε οξειδωτικές και αδρανείς ατμόσφαιρες καθώς και σε χαμηλές θερμοκρασίες· απόφυγέ τον σε αναγωγικές ή φτωχές σε οξυγόνο ατμόσφαιρες, όπου το σκέλος Chromel παθαίνει «green-rot».

NΤύπος N — βελτιωμένος K για υψηλές θερμοκρασίες›

Σχεδιάστηκε ως βελτιωμένη εκδοχή του K: η προσθήκη πυριτίου (Si) σχηματίζει ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου, που του δίνει μεγαλύτερη μακροχρόνια σταθερότητα, μικρότερη απόκλιση (drift) γύρω στους 1000 °C και αυξημένη αντοχή τόσο στο «green-rot» όσο και στο φαινόμενο «K-state». Διάλεξέ τον για υψηλές θερμοκρασίες όταν χρειάζεσαι μεγαλύτερη σταθερότητα και διάρκεια ζωής από τον K, με παρόμοιο κόστος (μη ευγενή μέταλλα).

SΤύπος S — ευγενών μετάλλων, πρότυπο αναφοράς›

Θερμοστοιχείο ευγενών μετάλλων (platinum) με κορυφαία ακρίβεια και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, σε οξειδωτικές ή αδρανείς ατμόσφαιρες — τόσο αξιόπιστο που χρησιμοποιείται και ως πρότυπο αναφοράς θερμοκρασίας. Το σήμα του είναι όμως πολύ χαμηλό (~10 µV/°C), οπότε απαιτεί όργανο υψηλής ανάλυσης. Είναι ευαίσθητο στη μόλυνση από ατμούς μετάλλων, υδρογόνο και αναγωγικές ατμόσφαιρες, γι’ αυτό χρειάζεται κεραμική προστασία. Ακριβός — τον διαλέγεις όταν προέχει η ακρίβεια στις υψηλές θερμοκρασίες.

RΤύπος R — σαν τον S, για πολύ υψηλές›

Πολύ κοντινός στον S (επίσης platinum), με ελαφρώς υψηλότερο σήμα και λίγο καλύτερη συμπεριφορά στις πολύ υψηλές θερμοκρασίες, χάρη στη μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε rhodium. Έχει τις ίδιες απαιτήσεις με τον S: οξειδωτική ή αδρανής ατμόσφαιρα, κεραμική προστασία από μολύνσεις και όργανο υψηλής ανάλυσης για το χαμηλό σήμα. Υψηλή ακρίβεια και αντίστοιχα υψηλό κόστος.

BΤύπος B — για τις πιο υψηλές θερμοκρασίες›

Φτιαγμένος για τις πιο υψηλές θερμοκρασίες. Και τα δύο σκέλη περιέχουν rhodium, κάτι που του δίνει μεγαλύτερη σταθερότητα και μικρότερη απόκλιση από τους R/S στα άκρα του εύρους. Ιδιαιτερότητά του: το σήμα είναι σχεδόν μηδενικό κάτω από ~50 °C, οπότε συχνά δεν χρειάζεται καν αντιστάθμιση ψυχρής ένωσης — για τον ίδιο όμως λόγο είναι εντελώς ακατάλληλος για χαμηλές θερμοκρασίες. Επιλογή για κλιβάνους και διεργασίες πάνω από ~1500 °C.