Termoelement

Ett vanligt sätt för att mäta temperatur industriellt är att använda två ledare av olika material som sammanfogas i den ena änden genom t.ex. svetsning eller lödning. Denna ände placeras där man vill mäta temperaturen. Termoelementet genererar en spänning (EMK) som beror av skillnaden i temperatur mellan Tmät, den sammanfogade änden, och Tref, den öppna änden, där ett mätinstrument ansluts.

Det finns olika standardiserade kombinationer av material som definieras i internationella normer, den vanligaste normen är IEC 60584. Observera att standarderna ger förhållandet mellan temperaturskillnad i °C och utsignal i mV, och inte materialsammansättning i detalj. I standardernas tabeller förutsätts att Tref = 0 °C. IEC 60584 innehåller de 8 vanligaste typerna, varav typ J, K och S är de allra vanligaste. För nyinstallation blir typ N allt mer populär som alternativ till typ K. Typ S används för högre temperaturer. Maximal temperatur beror av tråddiameter, miljö, förväntad livslängd etc. Termoelement enligt IEC 60584 täcker tillsammans området -270 °C…1820 °C. Det finns typer för ännu högre temperaturer exempelvis sådana som W5%Re-W26%Re som finns tabellerad upp till 2315 °C.

Se komplett temperaturtabell för de olika typerna av termoelement längre ner på sidan.

EMK = EMK (Tmät) - EMK (Tref)
EMK = EMK (Tmät) - EMK (Tref)

Verkningssätt

Termoelement bygger på att ledare får lägre täthet av elektroner i sin varmare ände. Det ger en potentialskillnad mellan varm och kall ände (se fig 2).

Skillnaden mäts med ett lämpligt instrument och ger ett mått på temperaturskillnaden. För att nå den varma änden krävs en tråd till. Med två likadana trådar fås samma potentialskillnader längs trådarna och ingen utsignal mellan deras kalla ändar. Därför görs termoelement av två olika material, som kombineras för att ge så hög utsignal som möjligt och lång livslängd.

De två materialen sammanfogas i ena änden på lämpligt sätt, exempelvis genom svetsning eller lödning. I bilden nedan (Fig. 3) ses ett termoelement som gjorts av två olika trådar som lötts ihop i ändarna.

Tref = 0 °C exempelvis behållare med is
Tref = 0 °C exempelvis behållare med is

Den ena tråden har kapats så att man kan koppla in ett mätinstrument för EMKn. Eftersom termoelement mäter temperaturskillnad är det nödvändigt att känna till den kalla temperaturen för att kunna bestämma den varma. Detta görs i bilden (Fig. 3) ovan genom att det ena, det kalla, lödstället placerats i en känd temperatur, nämligen 0 °C. Den EMK som mäts är då ett direkt mått på temperaturen hos det varma lödstället. För en viss EMK kan nämligen motsvarande temperatur hittas i en EMK-tabell för termoelementet.

Elektroner i varm respektive kall ände.
Fig. 2: Elektroner i varm respektive kall ände.

Den vanligaste industriella metod som används i elektroniska instrument är att mäta temperaturen på kontakten där termoelementet är anslutet till instrumentet, den kalla ändens temperatur, Tref. Detta ger möjlighet för kompensation för kalla lödstället vilket krävs när anslutningen har en temperatur skild från 0 °C. I instrumentet görs ett tillägg för de mV som saknas (EMK för Tref enligt tabell). Man kan då avstå från den högra delen av termoelementet i bilden Fig.3 och får den enkla uppbyggnad som antyds i bilden nedan, Fig 4.

Termoelement kopplat till instrument
Fig. 4

Eftersom termoelementet ger utsignal beroende på temperaturskillnad så byggs utsignalen upp av alla de delar av tråden som utsätts för en temperaturskillnad. Det betyder att ett termoelement som ska mäta temperaturen i en ugn får största delen av signalen från passagen genom ugnsväggen. Det är där som den största skillnaden i temperatur finns, (t.ex. 933 °C till 70 °C). Det är också viktigt att termoelementet får fortsätta ända fram till anslutningskontakten på mätinstrumentet, då man annars går miste om den signal som genereras på grund av skillnaden mellan temperatur i givarens anslutnings-plint och kontakten på mätinstrumentet, (70-Tref). Detta görs av praktiska och kostnadsmässiga skäl oftast genom att använda förlängnings- eller kompensationskabel.

Fig. 5

Eftersom kabeln tillverkas av material som ska ha samma egenskaper som termoelementet kommer temperatur­skillnader längs kabeln också att ge en signal som läggs till den som termoelementet genererar.

Kompensationskablar kan endast användas i omgivnings-temperaturer upp till 200 °C. Över det sjunker noggrannheten dramatiskt. För högre omgivnings-temperaturer är det enda alternativet att använda en termoelektrisk kabel med temperaturbeständig isolering.

Val av termoelement

Metaller som används till termoelementet ska vara stabila och inte förändras över tid. Dessa material ska kunna framställas med god reproducerbarhet och tåla höga temperaturer. Därför väljer man gärna platina, guld eller speciella legeringar. Typ K (NiCr-Ni ) är sedan lång tid mycket populär då den är relativt billig, ger hög utsignal och tål höga temperaturer (cirka 1200 °C). Tyvärr finns det också några nackdelar med Typ K. I händelse av snabba temperaturväxlingar kan det uppstå en förändring i utsignalen på grund av hysteres. Vid höga temperaturer och låg syrehalt i den omgivande atmosfären, oxiderar krom i termoelementet, men inte nickelet. Detta minskar den termoelektriska spänningen. Så kallad ”grönröta” bildas, som senare förstör termoelementet.

Typ N har bättre egenskaper i dessa avseenden och ersätter allt oftare typ K vid nyinstallation. De täcker ungefär samma temperaturområden, finns tillgängliga i samma dimensioner, samt har likartade samband mellan temperatur och utsignal. De flesta moderna mätinstrument är enkla att ändra från typ K till typ N. Typ N är något dyrare än typ K. I många fall är det bytet av kompensationskabel som ger den största kostnaden vid ändringen av en befintlig anläggning.

För mer information om olika typer av termoelement i vårt sortiment expandera temperaturtabellen nedan.

Typ Sammansättning Mätområde Applikation
Låga mätområden
T Koppar (+)
Konstantan (-)
-180…370 °C Användbar i oxiderande, reducerande eller inerta atmosfärer, samt vakuum. Ej föremål för korrosion i fuktiga miljöer.
Standard mätområde
K Chromel (+)
Alumel (-)
95…1260 °C Rekommenderas för syresatt eller neutral atmosfär. Används mestadels över 540 °C. Med förbehåll för fel om de utsätts för svavel. Oxidering av krom i den positiva tråden vid vissa låga syrehalter kan orsaka ”grönröta” och stora negativa fel. Ventilation eller inert försegling av skyddsfickan kan förhindra det.
J Järn (+)
Konstantan (-)
95…760 °C Lämplig för vakuum, reducerade eller inerta atmosfärer. Reducerad livslängd i oxiderande atmosfär. Järn oxiderar snabbt över 540 ° C/1000 ° F så kraftig tråd rekommenderas för höga temperaturer. Element bör inte utsättas för svavelhaltiga atmosfärer över 540 ° C.
N Nicrosil (+)
Nisil (-)
650…1260 °C Nicrosil / Nisil nickelbaserad termoelement legering som används främst vid höga temperaturer upp till 1260 ° C. Även om det inte är en direkt ersättning för typ K, ger typ N bättre beständighet mot oxidation vid höga temperaturer och längre livslängd i applikationer där svavel förekommer.
E Chromel (+)
Konstantan (-)
95…900 °C Rekommenderas för ständigt oxiderande eller inerta atmosfärer. Högsta termoelektrisk utgång.
Höga temperaturer
S Platina 10% Rodium (+)
Platina (-)
980…1480 °C Rekommenderas för höga temperaturer. Måste skyddas med icke metallisk skyddsficka och keramiska isolatorer. Kontinuerlig användning i höga temperaturer förorsakar korntillväxt som kan leda till mekaniska fel. Rodium diffusion och avdunstning leder på sikt till negativ temperaturdrift.
R Platina 13% Rodium (+)
Platina (-)
870…1480 °C Samma som för typ S
B Platina 30% Rodium (+)
Platina 6% Rodium (-)
1370…1800 °C Samma som för typ S och R, men utgången är lägre. Även mindre känsliga för korntillväxt och drift.
Mycket höga temperaturer
C Volfram 5% Rhenium (+)
Volfram 26% Rhenium (-)
1650…2300 °C Denna eldfasta metalltermoelement kan användas vid temperaturer upp till 2300 °C. Eftersom den inte har någon oxidationsbeständighet är dess användning begränsad till vakuum, väte eller inerta atmosfärer.
W Volfram 3% Rhenium (+)
Volfram 25% Rhenium (-)
1600…2300 °C Segheten för W3Re tråden är överlägsen ren volfram, men inte lika bra som W5Re. Denna kombination har den största termoelektriska spänning av Volfram Rhenium termoelementen.

Termoelementgivare

Eftersom termoelement måste vara i termisk kontakt med mediat vars temperatur man vill mäta ställs det många olika krav på dess utformning:

  • Termoelementet skall vara hållbart under en längre period.
  • Det får inte påverka processen eller dess temperatur.
  • Mätningen ska uppfylla alla krav på noggrannhet.
  • Givaren ska vara lätt att montera och underhålla.

Alla dessa krav är svåra att uppfylla samtidigt och det är därför mätteknikerns uppgift att välja en bra kompromiss.

Vid industriellt bruk skyddar man trådarna med skyddsrör av material som leder temperaturen från processen till termoelementet samtidigt som de håller skadlig påverkan från omgivningen utanför. Vanligaste materialen är metall och keramik men även andra material används då tillämpningen kräver det. Skyddet består nästan alltid av flera skikt utanpå varandra. Ofta har man en utbytbar mätinsats, diameter 6 mm, som innersta del och ett skyddsrör som yttersta del tillverkade av exempelvis syra­fast stål. Skyddsröret dimensioneras för de påfrestningar som givaren utsätts för, t.ex. temperatur, tryck och korrosion. För sådana givare som ska utsättas för tryck gäller tryckkärlsdirektivet, PED, som reglerar konstruktion, tillverkning och kontroll.

En speciell variant är manteltermoelement som består av termoelementtrådar som ligger i ett hölje, ett tunnväggigt rör, av värmetålig metall. Trådarna är separerade från varandra och från höljet med hjälp av ett fint keramiskt isolerande pulver, oftast magnesiumoxid. Genom tillverkningsprocessen blir pulvret mycket hårt packat och höljet kan därför böjas utan att trådarna kommer i kontakt med varandra eller höljet.

Uppbyggnad av mantelkabel

Eftersom termoelement används vid höga temperaturer spelar materialval en mycket stor roll då det gäller mätosäkerhet och förväntad livslängd. Kombinationer av material för mantel, trådar, isolation samt yttre diameter väljs för att optimera önskade parametrar.