Amit a hőelemről tudni érdemes

Többször találkoztam már a következő tévhittel: "A termoelem nem más, mint két egymással összeforrasztott huzal, amelyek forrasztási pontjában a hőmérséklettel arányos termofeszültség keletkezik".

A két különböző anyagú huzal kötéspontjában nem keletkezik feszültség. Termofeszültség bármely vezető végpontjai között létrejön, ha ezek a végpontok különböző hőmérsékleten vannak - ez a Seebeck-effektus. Még két különböző huzal sem kell hozzá.

Az első ábránkon egy egyszerű réz huzalt láthatunk, amelynek az A végét melegítjük a B végét hűtjük, ekkor a hőmérséklet különbség hatására feszültség különbség jön létre a huzal két végpontja között. Mindig csak olyan pontok között mérhető feszültség, amik között hőmérséklet különbség is van. A jelenséget az elektronok különböző mozgékonyságával és ennek következtébeni diffúziójával szokták magyarázni, de a gyakorlat szempontjából felesleges lenne belemennünk az atomfizikába.

A következő ábrán egy olyan vezetéket láthatunk aminek az A és B végpontja azonos hőmérsékletűek és a vezeték közepét melegítjük (az eredmény szempontjából lényegtelen hogy hol melegítjük, csak az hogy A és B pontok azonos hőmérsékletűek).

Itt A és B pontok között nem mérhető feszültség, mert V1 és V2 olyan polaritással kapcsolódik sorba, hogy az erdőjük nulla lesz. V3=V1+V2=0. Mivel a huzal anyaga ugyanaz, a termikus részfeszültségek (V1 és V2) csak a hőmérséklet különbségtől függenek. Ha az A és B pontok azonos hőmérsékletűek, akkor nem mérhető közöttük feszültség. Bármilyen hőmérsékleten lehet a huzal többi része, ha az A és B pont azonos hőmérsékletű, akkor a termikus részfeszültségek eredője a két pont között mindig nulla lesz.

Ezért készülnek a hőelemek két különböző anyagú huzalból, ugyanis ezek Seebeck-együtthatója különbözik, és a termikus részfeszültségek eredője (V3=V1+V2) nem nulla lesz. Fontos megjegyezni, hogy a hőelem mindig hőmérséklet különbséget mér. A hőelem azon pontját ahol a két különböző anyagú huzal össze van hegesztve, melegpontnak hívjuk, ezt tesszük a mérni kívánt objektumhoz. A másik végét, ahol a feszültségmérést végezzük, hidegpontnak hívjuk. Azért hidegpont, mert ez általában (de nem mindig) hidegebb a melegpontnál.
Érdekesség még, hogy Thomas Seebeck 1821-ben úgy fedezte fel a termoelemet, hogy volt két különböző anyagú fémhuzalja aminek a két két vége össze volt tekerve, tehát egy hurkot alkotott. Amikor a két összetekert végpont különböző hőmérsékletű volt, eltérítette az iránytűt. Akkor ezt a jelenséget termomágneses effektusnak nevezte el, mivel még nem tudta hogy valójában a hurokban folyó áram és nem a hőmérséklet különbség a mágneses tér forrása. 

Vegyük példának az iparban széles körben alkalmazott K-típusú hőelemet.
Az ábrán mindhárom esetben a hideg- és a melegpont között a hőmérséklet különbség 100°C, a hidegponton mérhető feszültség pedig minden esetben 4.1mV.

Ebből is látszik, hogy nem abszolút hőmérsékletet, hanem relatív hőmérsékletet mér a hőelem (pontosabban vele arányos feszültséget ad a kimenetén).
Ha netalán mégsem az érdekelne bennünket, hogy a melegpont mennyivel melegebb (vagy hidegebb) a hidegpontnál, hanem helyette inkább abszolút hőmérsékletet mérnénk, akkor két dolgot tehetünk. Az egyik a régi módszer, ami szerint 0°C-os jégfürdőbe kell(ett) helyezni a hidegpontot, ahogy az alsó képen látható (ez is egy ok amiért a mai napig hidegpontnak nevezzük).

Ezzel kaptunk egy olyan hőmérő eszközt, ami 0°C-os melegponttal 0mV-ot szolgáltat és 100°C-onként 4.1mV-ot nő a kimenő feszültsége. Illetve, mivel a hőelem bipoláris eszköz, 0°C alatt megcserélődik a feszültség polaritása.
A mai "modern" idők módszere az, hogy elfelejtjük a jégfürdőt, helyette mérjük a hidegpont hőmérsékletét és az ezzel arányos (hőelemre vonatkoztatott) feszültséget hozzáadunk a hidegponton mért feszültséghez. A hidegpont hőmérsékletét abszolút hőmérséklet mérésre alkalmas szenzorral (RTD, termisztor, hőmérő IC) mérjük. Egy erre a célra fejlesztett IC pl. az LT1025.

Az IC-t hőcsatolásba kell hozni a hőelem hidegpontjával. Ha a hőelem hidegpontja 20°C-os, és a melegpontja 100°C-os, akkor a kimenetén (100°C-20°C)*41μV=3.28mV-ot ad. Ebből úgy lesz abszolút hőmérséklettel arányos feszültség, hogy hozzáadjuk azt a feszültséget amit a hőelem mérne, ha a hidegpontja 0°C-os lenne. Ezt a feszültséget adja ki az IC a K-kimenetén, és ezt a adjuk hozzá a hőelem feszültségéhez. Az összegzés egyszerű soros kapcsolással könnyen megoldható, amint az ábrán is látszik. Az áramkör a kimeneti feszültsége 10mV/°C, amit könnyen illeszthetünk akár egy μC AD konverteréhez is.

A hőelemek nagy előnye, hogy széles hőmérsékleti tartományban használhatók. Például a K-típusú -200...1350°C-ig. Ezen kívül még rengeteg típus létezik, mindegyiknek más és más az érzékenysége és más hőmérséklet tartományban használhatók amit a következő ábra is jól szemléltet. Fontos még megjegyezni, hogy az érzékenység természetesen hőmérséklet függő, tehát mint minden érzékelő esetében, itt is nemlinearitás mutatkozik. 

Feltehetjük a kérdést, hogy minek bajlódunk a hidegpont kompenzációval, miért nem használunk egyetlen egy szenzort, ami abszolút hőmérséklet mérésre alkalmas?
Azért, mert a hőelem sokkal nagyobb hőmérséklet tartományban használható (típustól függően akár -270...3000°C) mint bármely más szenzor típus.
Felvetődhet még az a kérdés is, hogy ha ennyi különböző anyagot használunk az áramköreinkben, mint például a rezet, nikkelt, aranyat a nyákon, ónt a forrasztásnál, alumíniumot az IC-k bondolásánál, szilíciumot a csipekben, akkor miért nem számolunk soha az így létrejött hőelemekkel?
A válasz az, hogy főleg azért, mert az ezekből létrejövő jelút szakaszok rövidek, jó hőcsatolásban vannak egymással és ezért közel azonos hőmérsékleten vannak. Tehát ha kicsi a hőmérséklet különbség, kicsi lesz a rajtuk létrejövő termofeszültség is. Ha egy áramkör minden pontja azonos hőmérsékletű, akkor akárhány parazita hőelem is van benne, termofeszültség nem mérhető egyiken sem.
Ha valaki jobban bele akarja ásni magát a hőelemek világába, az interneten minden megtalálható róla.