Tartalom
A hőelem olyan eszköz, amely hőt villamos energiává alakít. Ez méri a két pont közötti hőmérsékleti különbséget. A hőelem a legszélesebb körben alkalmazott hőmérséklet-érzékelő, mivel széles körben elérhető és nagyon alacsony költségek. Sajnos azonban nem a legpontosabb hőmérsékleti leolvasók.
A Seebeck-effektus
A Seebeck-effektus kulcsszerepet játszik a hőelem működésében. Azt állítja, hogy a két fémvezeték közötti hőmérsékleti különbség villamos energiát eredményez. Amikor ezek a félvezetők hurkot képeznek, akkor áramot generálnak. A hőelem erre a hatásra támaszkodik a hőmérséklet mérésére. Ha egy hőelem két hőmérsékleti gradiens között helyezkedik el két félvezető között, akkor a Seebeck-effektus által létrehozott áramkör részévé válik. Ez lehetővé teszi a feszültség mérését, és ezt a feszültséget olvasható hőmérsékleti gradienssé alakíthatja, a használt fém típusától függően.
A hőelem működése
Amikor egy hőelem méri a hőmérsékleti gradienst, akkor két félvezető közötti hőmérsékleti különbséget mér. Ez azt jelenti, hogy egy hőelemnek csatlakoztatva kell lennie egy multiméterhez, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy leolvassa a két érintett félvezető feszültségét. A hőmérséklet és a feszültség közötti különbség közvetlenül összefügg. Ezért ha ki tudja olvasni az áramkörön átmenő feszültséget, akkor kiszámolhatja a két félvezető közötti hőmérsékleti különbséget. Ezt a hőmérsékleti különbséget a feszültség mérésével lehet elérni; mert a feszültség közvetlenül megfelel a hőelem félvezetők két csomópontja közötti hőmérsékleti különbségnek.
A hőelem típusai
A hőelemeknek sokféle típusa létezik, amelyek mindegyike változik a szonda fémötvözetében. A leggyakoribb, K típusú hőelemek (króm-alumílek) nagyon olcsók és széles hőmérsékleti tartományban vannak, amelyeket mérni lehet. Az ilyen típusú olcsóság azonban azt mutatja, hogy nem nagyon pontos, és érzékenységben változhat, ha hőmérséklete 354 Celsius fok felett van, amely a króm alkotórészének nikkelnek Curie-pontja. Az E típusú hőelemek (króm-állandó) nagyobb érzékenységűek, mint a K típusú, és nem mágnesesek. Számos más típusú hőelem is létezik, és a teljes lista megtalálható az Erőforrások részben.
Alkalmazások
A hőelemeket acélgyártásban használják az acél hőmérsékletének mérésére az acél széntartalmának az olvadási hőmérséklet alapján történő meghatározása céljából. A pilótafényekben is használják. Ennek az alkalmazásnak a megkötése érdekében a hőelem szonda legyen a próba lángjában annak megállapítása érdekében, hogy a láng be van-e kapcsolva. Amikor a láng be van kapcsolva, áram keletkezik a hőelemben, és az leolvassa a láng által termelt hőt. Ha a láng kialszik, az elektronikus érzékelők tudják, hogy lezárják a gázt, hogy elkerüljék a lehetséges gázszivárgásokat.
A hőelem használatának törvényei
A hőelemek működés közben három törvénynek felelnek meg. Először, a homogén anyagok törvénye kimondja, hogy a hőelem csomópontjain nem alkalmazott hőmérsékletek nem befolyásolják a termelt feszültséget, mivel ezek nem hoznak létre több hőmérsékleti gradienst. Másodszor, a közbenső anyagok törvénye kimondja, hogy az áramkörbe befecskendezett új anyagok nem fogják megváltoztatni a feszültséget, mindaddig, amíg az új anyag által létrehozott csomópontok nem élnek hőmérsékleti gradienssel. Az egymást követő hőmérsékletek törvénye szerint a három vagy több csomópont közötti feszültségek összeadhatók.