A kivezetéseken mérhető elektromos potenciálkülönbség arányos a felület hőmérsékleti potenciálkülönbségével. A termoelem modullal – a differenciál kimenetű piroelektromos elven működő piroszenzorokkal szemben – abszolút hőmérséklet mérhető. Az infravörös sugárzás érzékelésére szolgáló termoelem széles körben használható az érintkezésmentes hőmérsékletmérés területén, sugárzott hő mérésére.

A termoelemek szolgáltatta jelek feldolgozása azonban korántsem egyszerű feladat, hiszem precíz előerősítésre, kalibrációra és környezeti hőmérséklet kompenzációra van szükség. A bemutatásra kerülő hőelemek és modulok a Nippon Ceramic (Nicera) által gyártott termékek, tartalmazzák azokat a kiegészítéseket is, melyekkel konstruktőrök a fentieken kívül az autóiparban, a gyártásautomatizálásban és az irodatechnika területén is eredményesen alkalmazhatják ezeket a szenzorokat érintkezésmentes abszolút hőmérsékletmérésre.

Működés alapelve

A termoelemek működése a termoelektromos, vagy más néven Seebeck effektus elvén alapul. Ha két, különböző fémből vagy ötvözetből álló elektromos vezetőt egyik végükön összeforrasztanak, és a csatlakozás, valamint a vezetők másik vége eltérő hőmérsékleten van, akkor elektromos potenciálkülönbség keletkezik. Ez a termoelektromos feszültség arányos a hőmérsékletkülönbséggel, így az elektromos úton mérhető.

1. ábra

Mivel a termoelemmel hőmérséklet-különbséget lehet mérni, szükség van egy referencia hőmérsékletre is ahhoz, hogy a keresett abszolút hőmérséklet közvetlenül mérhető legyen. Ezért a termoelem modulok egyes típusaiba a saját hőmérséklet, mint referenciaérték mérésére termisztort építenek be. Természetesen a mérés pontosságának növelése érdekében optikai elemek is gyakran használatosak e szenzortípus esetén, különféle tükrök és lencsék is beépülhetnek a tokozásba, vagy a szenzort tartalmazó nyomtatott áramköri modulra is.

A szenzor alkalmazása

A legegyszerűbb kapcsolás blokk-diagrammját a 2. ábrán tekinthetjük át. A szenzorhoz jelerősítőt kell kapcsolni, és megfelelő stabilizált tápfeszültségre van szükség. Mivel a kimeneten DC feszültség jelenik meg, a működés és az érzékenység ellenőrzéséhez egyszerű feszültségmérésre van szükség. A céltárgy abszolút hőmérsékletméréséhez azonban a környezeti hőmérséklet kompenzálására szolgáló áramkörre és egy megfelelő összegző áramkörre is szükség van.

2. ábra

A szenzor távolsága és a látómezeje

A szenzor távolsága a célfelülettől nagyban befolyásolja a kimeneti szintet. Egy TO5 tokozású elemre vonatkozó tájékoztató jellegű távolság – kimeneti jelszint grafikon látható a 3. ábrán. Látható, hogy a széles látómezővel rendelkező szenzor érzékenysége a távolság függvényében csökken. Ha egy fekete falú csövet építünk a szenzor érzékelő nyílása elé, akkor a látószög jelentősen csökken, ezzel egyidejűleg a távolság hatása az érzékenységre is csökken.

3. ábra

Viszont a keskeny látószög miatt kevesebb energia jut a szenzorra, ami a felbontás csökkenése irányába hat. Tekintettel kell lenni a tervezés során arra is, hogy a cső hőmérséklete ne térjen el a szenzor hőmérsékletétől, mert a cső felületéről sugárzott hő abban az esetben nagyon rontaná a mérés pontosságát. Ezért a cső alkalmazásakor azt a szenzorral egybeépítve a külső hőmérséklettől lehetőség szerint szeparálva kell beépíteni.

Alacsony hőmérséklet mérése

Az alacsony hőmérsékletre tervezett szenzorok külső-hőmérséklet kompenzációja sokkal bonyolultabb és pontosabb megoldást kíván, mint a magas hőmérsékletmérésre alkalmazott változatoké. Egy lehetséges áramkört a 4. ábra mutat be. Bár a szenzor DC kimeneti feszültséget gerjeszt, mégsem biztosít elegendő áramot, így nagy bemeneti impedanciájú műveleti erősítőre, vagy FET-re van szükség a jelerősítéshez.

4. ábra

5. ábra

A szenzor hőmérsékletének mérésére szolgáló kompenzációs áramkör diódán alapul, melynek kimenő jelét egy összegző műveleti erősítő fokozatban adják hozzá a szenzor erősített jeléhez, és ezzel kompenzálják a külső hőmérsékletet. Egyes szenzorokban a környezeti hőmérséklet mérésére termisztort építenek be. Amennyiben több dimenziós hőmérsékletmérésre van szükség, egy tokba több szenzor kerül, melyek kimenetei multiplexeren keresztül kapcsolódnak az erősítő áramkörre, és a lekérdezni kívánt kimenet külső logikával címezhetően kérdezhető le. Az 5. ábrán különféle elrendezésű optikával felszerelt termoelemek és modulok láthatók a Nicera kínálatából.

Ipari alkalmazások

Fülhőmérők: A termoelemek klasszikus, nagy volumenű alkalmazása a fülhőmérők területe, ahol a fülkagylóban végzett azonnali, érintkezésmentes és kényelmes mérés pontos értéket ad a test hőmérsékletét illetően.

Lakás klímaszabályozás: A hagyományos légkondicionáló berendezésekben termisztorokat alkalmaznak a hőmérséklet mérésére, melyeket gyakran a készülék belsejében helyeznek el. Ezek nem képesek a szobában elhelyezkedő tárgyak hőmérsékletéről információt szerezni, míg termoelemek használatával a hőmérsékletszabályzás a lakás infravörös emissziójából nyert adatokkal végezhető. Így a klímaberendezések azonnal reagálhatnak a változásokra, mint például a hirtelen szobába sütő nap okozta felmelegedésre, de használhatjuk a helyiségben tartózkodó emberek, vagy azok hiányának detektálására is, amely készenléti üzemmódba való automatikus kapcsolásra ad lehetőséget, ezáltal energiatakarékos funkciókkal ruházható fel a készülék.

Mikrohullámú sütők: A korábban említett több dimenziós hőmérsékletmérésre alkalmazható szenzorok végzik az új generációs mikrohullámú sütők belsejében való hőeloszlás mérést. Ezáltal lehetőség nyílik az egyidejű felengedésre és melegítésre. Az innovatív hőmérséklet menedzsment hatékonyabb kihasználtságot és az étel minőségének megőrzését célozza.

Konyhai szellőztetők és egyéb berendezések: Az új generációs készülékek termoelemekkel érzékelik a főzőlapok bekapcsolt állapotát, és automatikusan kapcsolják be a szellőző funkciót. Hőmérséklet szabályzást biztosítanak az indukciós főzőlapokhoz, a kenyérpirítókhoz és egyéb konyhai eszközökhöz.

Gázérzékelés: Szénhidrogének detektálására is alkalmazhatók a termoelemek.

Autóipari alkalmazások:  A klímaberendezések mellett a termoelemeket egyéb célokra is használják az autóiparban. Ilyen például a szélvédő hőmérsékletének mérése, hogy az egyenletes meleg légfúvást biztosítsák a párásodás megszüntetésére. A vezetési biztonságot növelik az olyan termoelem alapú berendezések, amelyek az úttest, a kerekek és féktárcsák felületének hőmérsékletét mérik. Egyes projektekben termoelemeket használnak a légzsákok vezérlésére, hogy azok csak a foglalt ülések közelében aktivizálódjanak.