Termočlánky jsou nejpopulárnějšími teplotními čidly. Jsou levné, zamněnitelné, mají standardní konektory a mohou měřit teploty v širokém rozsahu. Jejich hlavním omezením je přesnost, dosáhnout chyby menší než 1°C může být obtížné.

Estonský fyzik Thomas Seebeck objevil náhodně v roce 1822, že spojení mezi dvěmi kovy produkuje napětí, které je závislé na teplotě. Termočlánky využívají tento jev, známý jako Seebeckův efekt. Přestože většina dvou typů kovu může být použita jako termočlánek, prosadilo se několik standardů protože ty umožňují předpovědět výstupní napětí a mají široký rozsah pracovní teploty. Obrázek nahoře ukazuje termočlánek typu K, který je nejběžnější.

V katalozích lze najít tabulky ukazující napětí termočlánků pro jednotlivé teploty. Tak například termočlánek typu K v obrázku nahoře dává při 300°C napětí 12.2mV. Naneštěstí není možné jednoduše připojit voltmetr na termočlánek a měřit toto napětí, protože připojení vodičů voltmetru vytvoří další nežádoucí termočlánkové spojení. Aby bylo možno měřit přesně, je nutno tento nežádoucí termočlánkový spoj kompenzovat. Tato komenzace se dělá technikou známou jako kompenzace studeného konce (KSK). Jestliže jste překvapeni, že spojení termočlánku a voltmetru netvoří významný přídavný termočlánkový spoj (šňůry vedoucí k termočlánku, vodiče k měřícímu přístroji, uvnitř přístroje, atd.), pak zákon o spoji dvou kovů deklarující tento spoj jako třetí kov, vložený mezi dva různorodé kovy termočlánkového spojení, říká, že nedojde k žádnému jevu, jestliže dva spoje mají tutéž teplotu. Tento zákon je také důležitý při konstrukci termočlánků. Je přípustné vytvořit termočlánek pájením dvou kovů k sobě, protože pájka nebude mít vliv na spoj. V praxi se však termočlánky zhotovují svařením dvou kovů k sobě (obvykle kapacitním výbojem), protože tento způsob zaručí, že vlastnosti termočlánku nejsou omezeny tavným bodem pájecího kovu.

Všechny tabulky běžných termočlánků umožňují toto druhé termočlánkové spojení za předpokladu, že je dodržena přesně 0°C. Již tradičně se toto realizuje ledovou lázní (odtud kompenzace "studeného" konce). Ale udržování ledové lázně není pro mnoho měření příliš praktické. Namísto toho je zaznamenávána teplota spoje termočlánku s vodiči k měřícímu přístroji.

Správně je teplota studeného konce, spoje termočlánku a vodičů k měřícímu přístroji, měřena přesným termistorem s dobrým kontaktem k tomuto spoji. Toto druhé čtení teploty, souběžně s čtením z termočlánku se používá měřícím přístrojem k vypočtení skutečné teploty na měřícím hrotu termočlánku. Pro méně kritické aplikace, se KSK provádí pomocí polovodičového teplotního čidla. Kombinací signálu z tohoto polovodičového čidla a signálu z termočlánku lze získat korektní měření bez velkých nákladů pro zaznamenávání dvou teplot. Pochopení kompenzace studeného konce je důležité, protože každá chyba v měření teploty studeného konce povede k téže chybě měření teploty na hrotu termočlánku.

Linearizace

Stejně tak jako vyřešení KSK, je nutno řešit problém, že výstup termočlánku není lineární. Vztah mezi teplotou a výstupním napětím je souhrn polynomů (5. až 9. řádu podle typu termočlánku). U levných termočlánkových měřících přístrojů je linearizace řešena analogovou metodou. Přístroje s vysokou přesností, například Pico TC-08 si pamatují termočlánkové tabulky v počítačové paměti a tak omezují tento zdroj chyby.

Typy termočlánků

Termočlánky se nabízejí buďto v podobě holých drátů s perličkou, což poskytuje rychlou odezvu při nízké ceně, nebo jsou vestavěny do sond. Na trhu se nabízí celá škála sond, vhodných pro různá měření (v průmyslu, vědě, měření teplot potravin, lékařský výzkum, atd.). Jen několik slov varování: při výběru sondy dejte pozor na správný typ konektoru. Používají se dva typy konektorů: "standardní" s kulatými kolíčky a "miniaturní" s plochými kolíčky, což způsobuje zmatek, protože "miniaturní" jsou více používané než "standardní".

Při výběru termočlánku by také měla být brána v úvahu konstrukce, zda izolovaný typ nebo sonda. Toto vše má vliv na měřený teplotní rozsah, přesnost a spolehlivost měření. V následujícím přehledu uvádíme typy termočlánků.

Typ K (Chromel / Alumel)

Typ K je termočlánek pro všeobecné účely. Je levný a díky své popularitě je rozšířený v celé řadě typů sond. Termočlánky jsou k dispozici pro rozsah -200°C až +1200°C. Citlivost je přibližně 41µV/°C. Typická přesnost je ±2.2°C při 0°C. Používejte typ K pokud nemáte vážný důvod tak nečinit.

Typ E (Chromel / Constantan)

Typ E má velké výstupní napětí (68µV/°C), což je vhodné pro nízké teploty (v kryogenice). Jeho další vlastností je, že je nemagnetický. Typická přesnost je ±1.7°C při 0°C.

Typ J (Železo / Constantan)

Jeho omezený rozsah (-40 to +750°C) ho dělá méně populárním než typ K. Typická přesnost je ±2.2°C při 0°C. Hlavními aplikacemi jsou staré přístroje, které nemohou používat moderní typy termočlánků. Typ J nelze používat nad teploty 760°C protože magnetická transformace způsobí jeho trvalé znehodnocení.

Typ N (Nicrosil / Nisil)

Vysoce stabilní a odolný oxidaci při vysokách teplotách dělá tento typ vhodným pro měření vysokých teplot bez toho aby bylo nutno použít drahé platinové (B,R,S) typy. Je navržený jako "vylepšený" typ K a to jej dělá velmi populárním. Typická přesnost je ±2.2°C při 0°C.

Termočlánky typu B, R a S jsou termočlánky z drahých kovů a mají podobné charakteristiky. Jsou nejvíce stabilní ze všech typů, ale vzhledem k jejich malé citlivosti (cca 10µV/°C) jsou použitelné pouze pro měření vysokých teplot (>300°C).

Typ B (Platina / Rhodium)

Je vhodný pro měření vysokých teplot až do 1800°C. Typická přesnost je ±5°C při 1000°C. Naneštěstí má tento typ vzhledem k své teplotní křivce (závislost napětí na teplotě) stejné výstupní napětí při 0°C jako při 42°C. Pro tuto vlastnost je nepoužitelný pod 50°C.

Typ R (Platina / Rhodium)

Typická přesnost je ±1.5°C při 0°C. Je vhodný pro měření vysokých teplot až do 1600°C. Nízká citlivost (10µV/°C) a vysoká cena jej dělají nevhodným pro všeobecné použití.

Typ S (Platina / Rhodium)

Je navržen pro měření vysokých teplot až do 1600°C. Nízká citlivost (10µV/°C) a vysoká cena jej dělají nevhodným pro všeobecné použití. Ale díky své vysoké stabilitě je typ S používán jako standard pro kalibraci při tavení zlata (1064.43°C). Typická přesnost je ±1.5°C při 0°C.

Typ T (Měď / Konstantan)

Typická přesnost je ±1°C při 0°C a dosahuje tak nejlepší přesnosti z termočlánků. Často se používá při měření teploty v potravinářském průmyslu a monitorování životního prostředí.

Prevence a okolnosti použití termočlánků

Většina měřících problémů a chyb s termočlánky pochází z nepochopení, jak termočlánky pracují. V následujícím textu uvádím několik společných problémů a pastí, kterých je třeba se vyvarovat.

Problémy připojení

Mnoho chyb měření je způsobeno nežádoucími termočlánkovými spoji. Nezapomeňte, že každé spojení dvou různých kovů vytváří takovýto termočlánkový spoj. Potřebujete-li prodloužit vedení k termočlánku, musíte použít správný typ vodičů pro připojení (např. typ K pro termočlánek typu K). Použitím vodičů z jakéhokoliv jiného materiálu vytvoříte termočlánkový spoj. Každý konektor musí být udělán ze správného materiálu a musí být dodržena správná polarita.

Odpor vedení

Pro zmenšení odporu teplotního přestupu a zvětšení rychlosti odezvy jsou termočlánky zhotovovány z tenkých drátů (v případě platinových typů také z cenových důvodů). To však způsobuje, že termočlánky mají vysoký odpor který je dělá citlivým na šum a může také způsobit chybu vlivem vstupní impedance měřícího přístroje. Klasický vysunutý konec termočlánku s drátem 32AWG (0.25 mm v průměru) má odpor okolo 15 ohmů / metr. Přístroj Pico TC-08 má vstupní impedanci 2MOhm, takže pro 12 metrů takovéhoto kabelu dostaneme chybu menší než 0.01%. Je-li nutno použít tlustý nebo dlouhý přívod k termočlánku, pak nejlepší řešení je použít termočlánkové specielní prodloužení a přívodní kabely k měřícímu přístroji použít co nejkratší. Je také vhodné změřit odpor termočlánku před jeho použitím.

Dekalibrace

je proces nežádoucí změny v nastavení termočlánkových vodičů. Obvyklý případ je difuse atmosferických částic do kovu při extrémních teplotách. Jiný případ jsou nečistoty a chemikálie difundující do termočlánku z roztoku, jehož teplotu termočlánek měří. Při vyšších teplotách ověřte vždy specifikaci termočlánkové sondy.

Šum

Protože výstup z termočlánku je signál nízké úrovně, tak má velkou náklonost k zachytávání šumu. Většina měřících přístrojů (stejně tak i TC-08) odstraňuje společný šum (šum, který je tentýž na obou vodičích). To znamená, že šum může být omezen zkroucením kablíku čímž se napomůže, aby tentýž signál byl stejný na obou drátech. Navíc, TC-08 používá integrační AD konvertor který pomáhá průměrovat zbývající šum. Jestliže se pracuje v prostředí kde je extrémní šum (například v blízkosti motoru), je vhodné použít stíněný kabel. Máte-li podezření na šum, vypínejte postupně podezřelé zařízení, které mohou šum produkovat a pozorujte změny.

Společný napěťový režim

Přestože signál termočlánku má velmi malou úroveň, většinou mnohem vyšší napětí se nachází přímo na vstupu měřícího přístroje. Tato napětí mohou být způsobena buďto indukcí (problém při měření teploty vinutí motorů a transformátorů) nebo "uzemněným" spojem. Typický příklad "uzemněného spoje" je při měření teploty trubky s horkou vodou pomocí neizolovaného termočlánku. Je-li při tomto měření špatné uzemnění, pak mezi trubkou a zemí měřícího přístroje může být potenciál několika Voltů. Tyto signály mají opět společný režim (jsou týž na obou koncích drátů termočlánku) a tak pro většinu měřících přístrojů nepředstavují vážný problém, pokud signály nejsou příliš velké. Například, TC-08 má vstupní rozsah pro společný napěťový režim od -4V do +4V. Jestliže společné napětí je větší, pak dochází k chybě měření. Toto společné napětí může být minimalizováno stejně jako v případě šumu a také použitím izolovaného termočlánku.

Teplotní přenos

Všechny termočlánky mají určitou hmotu. Ohřívání této hmoty spotřebovává enerii, která ovlivňuje měřenou teplotou. Představte si například měření teploty kapaliny v rouře. Zde jsou dva potenciální problémy. Za prvé, tepelná energie putuje z kapaliny do termočlánku a dále vodiči termočlánku a rozptyluje se do okolí a tak snižuje teplotu kapaliny v okolí termočlánku. Podobný problém nastává, jestliže termočlánek není dostatečně ponořený do kapaliny. Vlivem chladnějšího okolního vzduchu dojde k tomu, že teplota termočlánkového spoje bude odlišná od teploty kapaliny. V uvedeném případě pomohou tenké dráty termočlánku. Je-li použit termočlánek s velmi tenkými dráty, musí být vzat v úvahu odpor vedení. Často nejlepším kompromisem je použití termočlánku s tenkými dráty a rozšíření termočlánku na tlusté vedení.