2. Termoelektrické snímače teploty

Měření teploty termočlánky je založeno na jevu, že v obvodu složeném ze dvou na konci spojených kovů z různých materiálů vzniká elektromotorická síla. Jestliže spojené konce, které se vkládají do měřené teploty, nazýváme měřící spoj, volné konce, na kterých měříme termoelektrické napětí, se nazývají srovnávací spoje. Tyto snímače teploty jsou určeny k měření vysokých teplot -600... +2 800°C.
 
 
 

Obr. 2.3. Schéma obvodu termoelektrického článku
 
Na obr. 2.3. jsou vyznačena jednotlivá funkční místa obvodu. Termoelektrické napětí Ut, jehož hodnota je úměrná rozdílu teploty Tm v místě měřícího spoje (teplý konec) a teploty To v místě srovnávacích spojů (studený konce) se přivádí kompenzačním vedením a měděným vedením na měřící přístroj. Aby bylo možno každé hodnotě termoelektrického napětí přiřadit určitou teplotu, je třeba udržovat srovnávací spoje na známé a konstantní teplotě, tzv. teplotě vztažné.
 
Teplota hlavice může dosahovat značně vysokých teplot, teplota svorkovnice dosahuje někdy až 200°C. Srovnávací spoje se proto posouvají kompenzačním vedením do míst s příznivou teplotou okolí, kde se srovnávací spoje udržují v konstantní teplotě, anebo se provádí kompenzace vlivu teploty okolí na srovnávacích spojích obvodem.
 
 

 Obr. 2.4. Schéma obvodu termoelektrického článku s elektrickou korekcí
 
kde je ts .... teplota v místě srovnávacích spojů
to .... vztažná teplota
tm ... teplota v místě měřícího spoje

2.1. Materiály termoelektrických snímačů

2.2. Termoelektrické snímače pro nízké teploty

Obr. 2.5. Závislost termoelektrického napětí                             Obr.2.6. Vliv přísady
na čase pro termoelektrický článek NiCr-Ni  rhodia na charakteristiku
                   termoelektrického článku PtRh-Pt
Na obr.2.5. je uvedena závislost termoelektrického napětí snímače NiCr-Ni na čase pro různé hodnoty měřené teploty. Z grafu je patrno, že odchylky se nemění ani při dlouhodobém provozu, nepřestoupí-li teplota snímače 900°C.
 
Pro prodloužení životnosti a zvýšení odolnosti je výhodná plynotěsná armatura s keramickou trubkou, popř. chránění obou větví termoelektrického článku silikátovou nebo fosfátovou vrstvou. Pro stejný rozsah jako snímač NiCr-Ni je určen termoelektrický článek ch-a (chromel - alumel).
Zajímavé z provozního hlediska jsou snímače s dvojicí NiCu 6 - NiCu 30 nebo termoelektrický článek NiCo-Ni. Jde o tzv. termoelektrické články s potlačenou nulou. Závislost termoelektrického napětí na teplotě má takový průběh, že téměř do 200°C je napětí nulové, teprve pak stoupá, přičemž v rozsahu 400 až 900°C je téměř lineární. Význam této skupiny termoelektrických článků spočívá v tom, že parazitní vliv srovnávacího spoje je minimální a nepotřebuje zvláštní řešení.
 
 

2.3. Termoelektrické snímače pro vyšší teploty

Pro vyšší teploty do 1 500°C, krátkodobě do 1 600°C, se používají termoelektrické články řady PtRh-Pt. Patří mezi nejstarší (dvojice PtRh 10-Pt, Le Chatelier - 1877). Tento termoelektický článek dosáhl největšího rozšíření. Pro správnou funkci je důležitá stálost složení slitin větví a především čistota platinové větve. Při trvalém používání při teplotě 1 200°C se však obě větve termoelektrického článku rozprašují. Snímač se musí pečlivě chránit před redukčním prostředím, před parami kovů a zvlášť před křemíkem, který lehce difunduje do materiálu termoelektrického článku a mění jeho složení, a tím i jeho charakteristiku, na což nesmíme zapomenout při volbě materiálu izolace pro měřící spoj termoelektrického článku. Na obr. 2.6. je graficky naznačen vliv přísady rhodia na termoelektrické napětí článku PtRh-Pt. Z grafu je též patrný průběh charakteristiky snímače PtRh 18, z něhož vyplývá, že pro většinu měření je parazitní vliv srovnávacího spoje potlačen.
 
Tabulka 2.7. Termoelektrická napětí některých termoelektrických dvojic platinové řady :                                                         

Při vyšších teplotách a delší době používání se též stává, že rhodium ze slitinové větve (např. PtRh 10) difunduje v místě spoje do čisté platiny, čímž se podstatně a nenávratně změní charakteristika snímače. Aby se potlačil uvedený jev a aby se zvětšila stabilita snímače, byl vyvinut termoelektrický článek s oběma větvemi slitinovými s různým procentem druhé složky. Tím se zmenší možnost přecházení rhodiové složky z jedné větve do druhé. V tab. 2.7. jsou uvedena termoelektrická napětí některých termoelektrických dvojic platinové řady. Závislost termoelektrických napětí pro některé další vysokoteplotní dvojice je na obr. 2.8. Hodnota napětí je podstatně nižší než termoelektrických článků z neušlechtilých kovů. Např. Dvojice IrRh 40-Ir se dá použít do 2 000°C, krátkodobě pro 2 100°C. Má dobrou stabilitu termoelektrického napětí v oxidačním a neutrálním prostředí. Jako ochranné trubky se používá slinutého korundu s kysličníkem thoria nebo hořčíku.
 
Pro měření v oxidačním prostředí jsou většinou vhodné slitiny platiny, rhenia a iridia. Termoelektrické články k měření v redukčním prostředí jsou většinou tvořeny z prvků nebo slitin molybdenu, wolframu, rhenia a tantalu. Termoelektrický článek wolfram-rhenium (do 2 200°C) se vyznačuje velkou hodnotou termoelektrického napětí. Určitou nevýhodou je křehkost jeho materiálu. Pro měření v interním plynu nebo ve vakuu je nejvhodnější termoelektrický článek W-Ir, který má velkou citlivost. Používá se do teplot 2 500°C. V redukční atmosféře se jím smí měřit pouze krátkodobě. Výhodou je, že v oblasti přes 1 000°C je jeho charakteristika téměř lineární. Termoelektrický článek W-W Re se používá pro nepřetržité měření do 2 500°C a krátkodobě do 2 800°C v redukční nebo interní atmosféře.
 

 Tab. 2.11. Vlastnosti termočlánků

1.Teplota                                                  3.Pyrometry