Termoelementy - budowa i sposób funkcjonowania

W 1821 r. Seebeck odkrył pewien efekt termoelektryczny: jeśli połączyć dwa przewody z różnego materiału, istnieje możliwość zmierzenia na ich wolnych końcach napięcia elektrycznego, jeśli temperatura w jakiej znajduje się połączenie tych przewodów jest inna niż temperatura, w jakiej umieszczone są wolne końce tych przewodów.

Pomiar obejmuje zatem zawsze różnicę pomiędzy temperaturą punktu połączenia przewodów z temperaturą na końcówkach przyłączeniowych (klemach) urządzenia pomiarowego.

Nowsze badania wyjaśniły, iż efekt ten wynika z własności materiałów będących przewodnikami elektrycznymi wykorzystywanych do produkcji przewodów. Wewnątrz przewodu następuje przesunięcie gęstości elektronów (efekt dyfuzji objętości) w chwili wystąpienia zmiany temperatury przewodu (spadku lub wzrostu temperatury).  Z matematycznego punktu widzenia zmiana ta określana jest gradientem temperatury. Na cieplejszym końcu, w wyniku występowania wyższej energii kinetycznej, notowany jest wzrost temperatury, by na zimniejszym końcu odnotowano wzrost ładunku elektrycznego. Każdy przewód jest sam w sobie źródłem ładunku.

Rys. 1 Efekt termoelektryczny

Rys. 1 Efekt termoelektryczny

Każdy kawałek przewodnika dl przekazuje napięcie częściowe zgodnie z jego gradientem temperatury dl/dd i współczynnikiem materiałowym s. Napięcie całkowite przechodzące przez przewodnik wyliczane jest jako suma napięć częściowych tworzących się między jednym końcem przewodnika (1 - punkt ciepły) a drugim jego końcem (2 – punkt zimny).

Układ z dwoma przewodami połączonymi na różny sposób, na przykład poprzez zespawanie, zlutowanie lub przewiercenie połączonych przewodów nazywa się termoelementem lub termoparą. Różnica napięcia pomiędzy przewodami wykonanymi z różnych materiałów daje możliwe do zmienienia napięcie, stanowiące podstawę do obliczenia różnicy temperatur pomiędzy punktem połączenia przewodów a zaciskami miernika. Gdyby użyć dwóch przewodów z tego samego materiału, wówczas na każdym z przewodów napięcie byłoby takie samo I niemożliwe byłoby zmierzenie napięcia różnicowego.

Dzięki połączeniu dwóch termoprzewodów nie dokonuje się pomiaru napięcia termoelektrycznego, a raczej dokonuje się powiązania dwóch biegunów dodatnich z dwóch baterii i mierzy się różnicę napięcia tych baterii. Napięcie termoelektryczne jako funkcja temperatury jest zatem niczym innym, tylko zależną od temperatury różnicą napięć między tymi dwoma bateriami. Zależnie od kombinacji materiałów, możliwe jest uzyskanie możliwej do powtórzenia zależności pomiędzy napięciem termoelektrycznym różnicy temperature między wskazaną temperaturą a punktem referencyjnym.

Rys. 2 Punkt porównawczy

Rys. 2 Punkt porównawczy

Na podstawie napięcia termoelektrycznego ( mV) wskazanego w tabelach normy DIN EN 60584-1 oraz po uwzględnieniu temperatury porównawczej możliwe jest ustalenie temperatury T1. W praktyce punkt porównawczy znajduje się albo w konwerterze albo w panelu sterowania.

Wskazana tam temperatura otoczenia zapisywana jest jako wartość stała i na podstawie następującego wzoru

T1 = mV - (mVT0)

Uwzględniona jest w obliczeniach.

Powrót do góry