Termopari


Historia ja taustalla oleva fykaalinen ilmiö

Termopari on lämpötilan mittaamiseen tarkoitettu anturi, jonka toiminta perustuu Seebeckin ilmiöön. Virolainen Thomas Seebeck havaitsi vuonna 1822 termosähköisen ilmiön, joka nimettiin myöhemmin hänen mukaansa.[1] . Kun metallilangan eri kohdat ovat eri lämpötiloissa eli metallilangan yli on lämpötilagradientti dT/dl syntyy sähkömotorinen voima (smv). Tämä smv on riippuvainen paitsi lämpötilasta niin myös materiaalista. Kun kahta eri metallia olevat langat liitetään toisesta päästä yhteen muodostuu lankojen vapaiden päiden välille jännite, joka on verrannollinen liitoskohdan lämpötilaan.[2] . Kuvassa 1. on esitetty termoparijohdin ja erityisesti johtimen päässä oleva kahden eri metallin välinen liitos. Termopareja on useita eri tyyppejä. Yleisimmät käytössä olevat anturityypit ovat K- ja S-tyyppi. Nikkelin ja kromin muodostama termopari on K-tyypin anturi ja nikkelin ja alumiinin muodostama pari on S-tyypin anturi.
Mittapaa.jpg
Kuva 1. Termoparijohtimen päässä oleva liitoskohta.

Termopari mittausanturina


Kun termopareja käytetään lämpötilamittareina on mittaripään eli ns. kylmän pään aiheuttama systemaattinen virhe otettava huomioon. Ilmiössä syntyvä jännite on verrannollinen kylmän- ja kuumanpään (mittauspään) väliseen lämpötilaeroon, jos käytössä on esim celsius-asteikko ja kylmänpään lämpötila eroaa nollasta syntyy mittauksessa virhettä. Virheen korjaamiseksi termoparilla syntyvään jännitteeseen on lisättävä jännite, joka syntyy siitä, että kylmänpään lämpötila poikkeaa nollasta. Virheen korjaus toteutetaan yleensä sähköisellä korjausrasialla, jossa lämpötilasta riippuva jännite muodostetaan termistorilla, diodilla tai Pt-100 anturilla.[3] Kuvassa 2. termopari on liitetty yleismittariin, kylmänpään mittausvirheen kompensointi tapahtuu yleismittarin sisällä.Toinen huomioon otettava systemaattisen virheen aiheuttaja on Seebeckin ilmiölle käänteinen ilmiö jota kutsutaan Peltierin ilmiöksi. Peltierin ilmiössö kahden eri metallin liitoskohdan läpi kulkeva sähkövirta aiheuttaa liitoksen läpi lämpövirran. Tämän vuoksi mittaustilanteissa virta pyritään pitämään pienenä.
Mittarissa.jpg
Kuva 2. Yleismittariin kiinnitetty termoparijohdin.


Käyttökohteita ja käytännön ongelmia

Termopareja käytetään yleisesti prosessiteollisuudessa muita sovelluskohteita on esim ruuan valmistuksessa käytettävät paistomittarit.[4] Teollisuuskäytössä termoparien etuina on pitkällisestä standardisoinnista johtuva halpa hinta ja laaja lämpötila-alue. Vaikka termopareja pidetään epätarkkoina voidaan nillä päästä suhteellisen hyvään tarkkuuteen (0,5 °C), kunhan suunnittelu on tehty huolella. Kuten aikaisemmin mainittiin on termopareja useita eri tyyppejä. Valittavan anturin tyyppi riippuu mittauslämpötilan vaihtelualueesta. Termopareilla on mahdollista mitata lämpötilaa väliltä -270°C-1800°C.[5] Kunkin eri termoparityypin mittausalue selviää kansainvälisistä standardeista. Standardeissa on myös määritelty värikoodit eri termoparityypeille. Sekaannusta voi aiheuttaa se, että näitäkin standardeja, (kuten niin monia muitakin) on kaksi, eli amerikkalainen ja eurooppalainen..[6] Lisää sekaannusta saattaa syntyä valmistajan käyttämistä värikoodeista mitkä eivät ole standardien mukaisia, kuten kävi esimerkki termoparin kanssa.
  1. ^ Termopari[WWW].[Viitattu 3.2.2010]. Saatavissa:http://fi.wikipedia.org/wiki/Termopari.
  2. ^ Aumala O. Mittaustekniikan perusteet. 13. painos. 1989,Yliopistokustannus/Otatieto.223s
  3. ^ Termopari.pdf[WWW].[Viitattu 4.2.2010]. Saatavissa:http://www.pietiko.fi/mittarikirjallisuus/Termopari.pdf.
  4. ^ Aimtec Oy - Laatua mittauksiin[WWW].[Viitattu 3.2.2010]. Saatavissa:http://www.aimtec.fi/tuotteet.php?ryhmaid=132.
  5. ^ Termopari.pdf[WWW].[Viitattu 5.2.2010]. Saatavissa:http://www.pietiko.fi/mittarikirjallisuus/Termopari.pdf.
  6. ^ Thermocouple Color Code and Thermocouple Reference[WWW].[Viitattu 5.2.2010]. Saatavissa:http://www.omega.com/techref/thermcolorcodes.html.