Μεταλλάκτης θερμοκρασίας

Ο όρος μεταλλάκτης θερμοκρασίας αναφέρεται σε μια κατηγορία επιστημονικών οργάνων που χρησιμοποιούνται στην μέτρηση του φυσικού μεγέθους της θερμοκρασίας. Για την μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιούμε τις ιδιότητες των σωμάτων που μεταβάλλονται ανάλογα με αυτή, π.χ. μεταβολή όγκου υγρού, ηλεκτρική αντίσταση μετάλλου, ακτινοβολία μέλανος σώματος κτλ. Για το συνήθες όργανο μέτρησης της θερμοκρασίας, βλέπε Θερμόμετρο.

Θερμοζεύγη

Ένα θερμοζεύγος αποτελείται από δύο αγωγούς από διαφορετικά μέταλλα ή κράματα μετάλλων. Όταν δυο διαφορετικά μέταλλα έρθουν σε επαφή αναπτύσσεται μεταξύ τους μια διαφορά δυναμικού E(Seebeck) που εξαρτάται από την θερμοκρασία Τ και το είδος των μετάλλων. Για μικρές μεταβολές της θερμοκρασίας ΔΤ ισχύει ο τύπος Ε=αΔΤ, όπου α ο συντελεστής Seebeck σε μV/oC.

Πίνακας μετάλλων και κραμάτων για κατασκευή θερμοζεύγων (αλφαβητική σειρά)

Μέταλλο /Κράμα	Σύσταση	Συνδυάζεται με
Alumel	95% Ni, 2% Mn, 2% Al	Chromel
Chromel	90% Ni, 10% Cr	Alumel, Constantan
Constantan	55% Cu, 45% Ni	Fe, Cu, Chromel
Κράμα Βολφραμίου - Ρηνίου	74% W, 26% Re / 95% W, 5% Re / 97% W, 3% Re	W
Κράμα Λευκόχρυσου – Ροδίου	70% Pt, 30% Rh / 87% Pt, 13% Rh / 90% Pt, 10% Rh / 94% Pt, 6% Rh	Pt

Τυποποιημένα θερμοζεύγη που υπάρχουν στο εμπόριο (αλφαβητική σειρά)

Τύπος	Αποτελείται από	Θερμοκρασία λειτουργίας	Συντελεστής(Seebeck) / θερμοκρασία
B	(94%Pt / 6%Rh)(+) / (70%Pt / 30%Rh)(-)	0 - 1820 °C	6.0 μV/°C / 600 °C
C	(95%W / 5%Re)(+) / (74%W / 26%Re)(-)	0 - 2320 °C	19.5 μV/°C / 600 °C
D	(97%W / 3%Re)(+) / (75%W / 25%Re)(-)	0 - 2320 °C	19.5 μV/°C / 600 °C
E	Chromel(+) / Constantan(-)	270 - 1000 °C	58.5 μV/°C / 0 °C
G	W(+) / (74%W / 26%Re)(-)	0 - 2320 °C	19.5 μV/°C / 600 °C
J	Fe(+) / Consrantan(-)	210 - 760 °C	50.2 μV/°C / 0 °C
K	Chromel(+) / Alumel(-)	270 - 1370 °C	39.4 μV/°C / 0 °C
R	(87%Pt / 13%Rh)(+) / Pt(-)	50 - 1768 °C	11.5 μV/°C / 600 °C
S	(90%Pt / 10%Rh)(+) / Pt(-)	50 - 1768 °C	10.3 μV/°C / 600 °C
T	Cu(+) / Constantan(-)	270 - 400 °C	38.0 μV/°C / 0 °C

Η μέτρηση της θερμοκρασίας με το θερμοζεύγος γίνεται βάζοντας το στη περιοχή ή το σώμα που θέλουμε και μετράμε την τάση στα άκρα του. Οι επαφή των αγωγών της συσκευής μέτρησης της τάσης με τους αγωγούς του θερμοζεύγους δημιουργεί επιπλέον δυναμικά επαφής Ε.

Η λύση του προβλήματος της δημιουργίας νέων δυναμικών επαφής λύνεται με ένα από τους παρακάτω τρόπους:

1. Διατηρώντας τη θερμοκρασία στις άλλες επαφές σταθερή(συνήθως στους 0οC), ώστε να έχουμε σταθερό σφάλμα. Τις επαφές σε σταθερή γνωστή θερμοκρασία τις ονομάζουμε επαφές αναφοράς.
2. Με λογισμική αντιστάθμιση. Μετράμε την θερμοκρασία στις επαφές αναφοράς με ένα θερμίστορ, υπολογίζουμε την τάση Ε1 στις επαφές αναφοράς μέσο πινάκων, μετράμε την τάση Ε2 στο θερμοζεύγος και αφαιρώντας την τάση Ε2 από την Ε1, παίρνουμε την τάση Ε3, μέσο της οποίας υπολογίζουμε την θερμοκρασία που μας ενδιαφέρει.
3. Με ηλεκτρονική αντιστάθμιση. Ένας τελεστικός ενισχυτής σε συνδυασμό με ένα θερμίστορ στις επαφές αναφοράς λειτουργεί ως πηγή τάσης που αντισταθμίζει την τάση των πηγών αναφοράς στη θερμοκρασία 0οC.

Για να αυξήσουμε την ευαισθησία συνήθως συνδέουμε πολλά θερμοζεύγη σε σειρά.

Μεταλλικές αντιστάσεις

Η ηλεκτρική αντίσταση των μετάλλων είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας. Ο θερμικός συντελεστής είναι συνήθως θετικός και δεν μεταβάλλεται σημαντικά. Τα μέταλλα ή κράματα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή θερμόμετρων αντίστασης πρέπει να είναι χημικά αδρανή, να έχουν σχετικά μεγάλο θερμικό συντελεστή αντίστασης α, καλή μηχανική αντοχή και μεγάλη ειδική αντίσταση ρ.

Τα θερμόμετρα αντίστασης κατασκευάζονται σε δυο κυρίως τύπους, σε μορφή σύρματος ή λεπτού μεταλλικού φιλμ:

• Στη μορφή σύρματος χρησιμοποιείται σύρμα σε διπλή περιέλιξη, για να αποφεύγονται τα ηλεκτρομαγνητικά παράσιτα, σε πυρήνα από κεραμικό υλικό, με ίδιο συντελεστή διαστολής με το σύρμα.
• Στη μορφή λεπτού φιλμ το μέταλλο στερεώνεται σε μορφή λεπτού φιλμ επάνω σε κεραμικό υλικό και είναι σφραγισμένο.

Χαρακτηριστικά μετάλλων που χρησιμοποιούνται για κατασκευή θερμοαντιστάσεων

Μέταλλο	ρ(μΩ/cm) σε 20 °C	α(Κ-1)(0-100 °C)
Χρυσός (Au)	2.44	0.0040
Άργυρος (Ag)	1.59	0.0041
Χαλκός (Cu)	1.72	0.0043
Λευκόχρυσος (Pt)	10.00	0.00393
Βολφράμιο (W)	5.60	0.0048
Νικέλιο (Ni)	7.80	0.0068

• Ο χαλκός σπάνια χρησιμοποιείται για κατασκευή αντιστάσεων γιατί έχει χαμηλή τιμή ειδικής αγωγιμότητας. Η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας των αντιστάσεων χαλκού είναι 120 °C. Έχει καλή γραμμικότητα και είναι φτηνός.
• Το νικέλιο έχει μεγάλο θερμικό συντελεστή, δεν είναι χημικά αδρανές, έχει μη γραμμική απόκριση και παρουσιάζει ολίσθηση. Χρησιμοποιείται σε κράματα.
• Το βολφράμιο έχει καλές ιδιότητες, είναι εύθραυστο και η κατασκευή αντιστάσεων από αυτό είναι δύσκολη.
• Ο χρυσός και ο άργυρος έχουν μικρή τιμή ειδικής αντίστασης και μεγάλο κόστος.
• Ο λευκόχρυσος είναι ευγενές μέταλλο, χημικά αδρανές, με μηχανική αντοχή και σχετικά μεγάλη τιμή ειδικής αντίστασης. Χρησιμοποιείτε ως πρότυπο στοιχείο μέτρησης της θερμοκρασίας στην περιοχή -182οC έως 630οC.

Οι θερμοαντιστάσεις είναι πιο γραμμικοί μετατροπείς από τα θερμοζεύγη.

Η μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία, για μικρή περιοχή θερμοκρασιών είναι:

• Rθ: αντίσταση σε θερμοκρασία °θ
• R0: αντίσταση σε θερμοκρασία 0 °C

Οι θερμοαντιστάσεις είναι παθητικοί μετατροπείς, όταν διαρρέονται από ρεύμα, η θερμοκρασία τους αυξάνεται ανάλογα με την θερμική αγωγιμότητα αντίστασης-περιβάλλοντος, οπότε δίνουν σφάλματα λόγο αυτοθέρμανσης. Για να μειωθούν τα σφάλματα χρησιμοποιείται το μικρότερο δυνατό ρεύμα μέτρησης, η μεγαλύτερη σε μέγεθος αντίσταση, με αποδεκτό χρόνο απόκρισης και γίνεται συχνά βαθμομονόμηση. Οι συνδέσεις με αγωγούς χαλκού δημιουργούν διαφορά δυναμικού, που διορθώνεται με ηλεκτρονική αντιστάθμιση. Ακόμα επειδή συνήθως ο συντελεστής α και η απόλυτη τιμή της αντίστασης είναι μικροί αριθμοί, οδηγούν σε σφάλματα εξαιτίας της αντίστασης των αγωγών σύνδεσης. Αυτό το πρόβλημα λύνεται με χρήση γέφυρας whetstone και μεταλλάκτη τριών αγωγών ή με την τεχνική των τεσσάρων αγωγών, στην οποία μετράμε την πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης.

Θερμίστορ

Τα θερμίστορ κατασκευάζονται από ημιαγωγά υλικά, έχουν μεγάλο συντελεστή θερμοκρασίας, είναι χημικά σταθερά, δεν επηρεάζονται από την γήρανση του υλικού, ισχυρά πεδία και την ραδιενέργεια, έχουν μικρή μηχανική αντοχή. Έχουν μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας τους 150 °C. Τα θερμίστορ με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας ονομάζονται τύπου PTC και με αρνητικό NTC.

Τα θερμίστορ είναι μη γραμμικά στοιχεία. Η μεταβολή της αντίστασης τους, συναρτήσει της θερμοκρασίας δίνεται από τον τύπο:

RT= A • e^(-ΔΕ/RT)

όπου:

• RT: η αντίσταση του θερμίστορ σε θερμοκρασία Τ
• Α: συντελεστής ανάλογος του είδους του ημιαγωγού
• ΔΕ: ενεργειακό χάσμα μεταξύ μιας ζώνης που είναι πλήρης σε ηλεκτρόνια και της ζώνης στην οποία πρέπει να διεγερθούν τα ηλεκτρόνια για να προκληθεί αγωγιμότηα.
• R: παγκόσμιος σταθερά των αερίων(8,314Jmol-1K-1)
• Τ: η απόλυτη θερμοκρασία σε Κ

Για θερμοκρασίες ~50 °C από την μέση θερμοκρασία λειτουργίας έχει ακρίβεια ~0.02 °C. Για να μετατραπεί η μη γραμμική συμπεριφορά των θερμίστορ σε γραμμική χρησιμοποιούμε δύο ή περισσότερα στοιχεία με αντισταθμιστικές αντιστάσεις ή χρησιμοποιούμε μικροεπεξεργαστή. Τα θερμίστορ λειτουργούν σε περιορισμένη περιοχή θερμοκρασιών, έχουν μικρή θερμική μάζα γι’ αυτό έχουν ταχεία απόκριση, παρουσιάζοντας σφάλματα αυτοθέρμανσης. Τα θερμίστορ είναι παθητικά στοιχεία για αυτό έχουν ανάγκη από σταθεροποιημένη πηγή τάσης.