Termopare

Seebeck efektua indar elektroeragileari egiten dio erreferentzia material eroale batean tenperatura gradiente bat dagoenean. Zirkuitu-irekiko baldintzetan, zeinetan barne korronte-fluxua ez dagoen, voltai gradientea (▽V) zuzenki proportzionala da tenperatura gradientearekiko (▽T):

▽V = -S(T)▽(T), zeinetan, S(T) tenperaturaren menpekoa den Seeback koefizientea den.

Formula garatuz, hurrengo ekuazioa lortzen da: V = , zeinetan S₊ eta S_- eroaleen Seebeck koefizienteak diren, voltimetroaren terminal positibo eta negatiboei lotuta daudenak, hurrenez hurren (irudian chromel eta alumel).

Ez da beharrezkoa integral bat egitea tenperatura neurketa bakoitzean. Aldiz, termoparearen jokaera funtzio karakteristiko baten bidez adierazten da, E(T):

V = E(T_sense) – E(T_ref).

Izan ere, Seebeck koefizienteak erabiliz, funtzio karakteristikoa horrela definitzen da:

E(T)=  + konst. Integral konstantea ez da adierazgarria, eta normalean, E(0 °C) = 0 moduan adierazten da.

T_sense neurtzeko, ez da nahikoa soilik neurketarekin. Erreferentzia junturetako tenperatura dagoeneko ezaguna izan behar da. Hori determinatzeko bi estrategia daude:

• “Izotz bainu” metodoa: Erreferentzia juntura blokea ur-izotz bainu batean murgiltzen da presio atmosferikopean. Fase-trantsizioaren urtze-puntuaren tenperatura zehatza termostato natural bat moduan jokatzen du, 0 °C-tan finkatuz.
• Erreferentzia juntura sentsorea: Erreferentzia juntura blokeak tenperatura alda dezake, eta tenperatura sentsore bat erabiliz neurtzen da.

Bi kasuetan, V eta E(T_ref) kalkulatzen da, eta ondoren, E(T) funtzioa bilatzen da, balio bateragarri bat emanez. Bateratzen den balioa T_sense izango da.

Termoparearen eraketan egiten den akats orokor bat erreferentzia juntura sentsorearekin erlazionatuta dago. T_ref–ren estimazioan errore bat egiten bada, errore hori igaroko da tenperaturaren neurketara ere.

Junturak modu fidagarri batean egin behar dira, horregatik, zenbait hurbilketa daude hau burutzeko. Tenperatura baxuetan, junturak soldatu daitezke, izan ere, zaila izan daiteke urgarri aproposa aurkitzea, soldaduraren urtze-puntu baxua dela eta. Hortaz, erreferentzia eta hedapen junturak orokorrean torloju bat erabiliz egiten dira. Torloju hau erabiltzen da kablea metal pieza batekin harrapatzeko.

Tenperatura altuetan, berriz, puntu bidezko soldadura erabiltzen da[3]. Termoparei buruzko mito ezagun bat junturak hirugarren metal bat erabili gabe egin behar direla da, eremu elektromagnetiko gehigarria saihesteko. Hau beste gaizki-ulertu arrunt batetik etor daiteke, zeinetan voltaia junturan eratzen dela uste den[4]. Egiatan, printzipioz, junturak barne tenperatura uniformea izan behar dute, hori dela eta, ez da voltairik eratzen junturan. Voltaia gradiente termalean eratzen da, alanbrearekin batera.

Termopare batek seinale txikiak sortzen ditu, normalean mikrovolt magnitudean. Seinalearen neurketa zehatzak egiteko voltai sarrera desbiderapen baxua duen anplifikatzaile bat behar da. Kontuz ibili behar da ere, eremu elektromagnetiko termalaren auto-beroketa saihesteko voltimetroaren barnean.

Termoparearen alanbreak erresistentzia altua badu (junturen kontaktu kaskarra dela eta edo oso alanbre meheak erabili direlako erantzun termal azkar batentzako), neurketa aparatuak inpendantzia-sarrera altua izan beharko du, neurtutako voltaian desbiderapenak saihesteko.

Termopare baten alanbre mota normalean deskribatzen da haren konposizio kimikoaren arabera. Izan ere, helburu nagusia kurba estandarizatu bat jarraitzen duten alanbre parea produzitzea da.

Ezpurutasunak metal sail bakoitzean eragina dute modu desberdinean, Seebeck koefiziente aldakorrak eratuz. Jokaera estandarra jarraitzeko, termopare alanbre ekoizleek ezpurutasun gehigarriak nahastuko dituzte nahita aleazioa “dopatzeko”; modu horretan, jatorrizko materialetan kontrolatu gabeko aldaketak konpentsatzeko[3]. Ondorioz, alanbreen gradu estandar eta espezializatuak daude, termoparearen jokaeran nahi den zehaztasun-mailaren arabera. Zehaztasun-graduak, orokorrean, soilik parekatutako alanbreetan eskuragarri egongo dira, zeintzuetan alanbre bat modifikatzen den beste alanbrearen hutsuneak orekatzeko.

Termopare alanbre baten kasu ezagun bat, “gradu-luzapen” moduan ezagutzen dena, diseinatuta dago zirkuitu termoelektrikoa distantzia luzean zehar garraiatzeko. Luzapen-alanbreek adierazitako kurba jarraitzen dute, baina zenbait arrazoi dela eta ez daude diseinatuta muturreko ingurunetan erabiltzeko[3].

Termopareak, normalean, tenperatura altuetan eta labe atmosfera erreaktiboetan erabiltzen dira. Kasu honetan, bizitza praktikoa termoparearen zahartzeak mugatzen du. Tenperatura oso altuak neurtzeko erabiltzen den termopare baten alanbreen koefiziente termoelektrikoek denborarekin alda dezakete, eta ondorioz, voltaiaren neurria jaisten da. Junturen tenperatura diferentzia eta voltaiaren neurriaren arteko erlazio sinplea soilik da zuzena alanbrea homogeneoa baldin bada (konposizio uniformea). Termopareak prozesuan zehar zahartzen direnez, haien eroaleek homogeneitatea gal dezakete aldaketa kimikoak zein metalurgikoak direla eta. Aldaketa hauek ematen dira denbora luzean zehar tenperatura altuak jasan behar dituztelako. Termoparearen zirkuituaren adin sekzioa tenperatura gradiente bat jasaten badu, neurtutako voltaia desberdina izango da; hau da, errorea izango da.

Zahartuta dauden termopareak soilik aldatzen dira hein batean; adibidez, labe kanpoko parteetan kaltetu gabe badaude. Arrazoi honengatik, zahartuta dauden termopareak ezin dira atera haien instalazio lokalizaziotik eta ezin dira birkalibratu. Honek ere azaltzen du zergatik batzuetan erroreak dauden zaharkitutako termopare bat labetik partzialki ateratzen denean. Izan ere, zaharkitutako termopare bat labean sakonago sartzen denean, zenbait kasutan irakurketa zehatzagoa eman dezake, tenperatura gradientea soilik alde hotzenean ematen bada[5].

*chromel: %90 Ni eta %10 Cr duen aleazioa

*Constantan: %55 Cu eta %45 Ni duen aleazioa)

* Alumel: %95 Ni, %2 Al, %2 Mn eta %1 Si duen aleazioa)

E motak (*chromel-constantan) sentikortasun (68 μV/°C) altua dauka zeinak erabilpen kriogenikoetan egokia den. Bestetik, ez da magnetikoa. Tarte zabala -50 °C-tik +740 °C-ra doa eta tarte estua -110 °C-tik +140 °C-ra.

Honen erabilera tartea -270/+1200 °C-koa da eta 50 μV/°C-ko sentikortasuna dauka[1]. Burdinaren Curie puntuak (770 °C)[6] ezaugarrietan aldaketa txikia eragiten du, zeinak goi-tenperatura muga zehazten duen. Bere ezaugarriak direla eta atmosfera geldoetan, erreduzitzaileetan edo hutsean erabiltzea komeni da, horrez gain, honen erabilera jarraitua 800 °C-tan ez ditu arazoak ekartzen, baina burdina oso erraz oxidatzen da 550 °C-tik gora eta 0 °C-tik behera neurriak hartu behar dira ur-lurrunaren kondentsazioagatik burdinaren gainean.

Erabilera-orokorra duen termopare arruntena da, zeinak 41 μV/°C-ko[7] sentikortasuna duen. Merkea da eta zunda asko erabilgarriak dira -200/1350 °C tartean. Mota hau osatzen duen metal nagusia (nikela) magnetikoa da. Material magnetikoekin eginda dauden termopareen ezaugarri bat materiala bere Curie tenperaturara iristen denean sentikortasunean desbideratzea jasaten duela da eta K termopareen kasuan hori 185 °C-tan gertatzen da.

Erresistentzia ona dauka atmosfera oxidatzaileen aurrean. Hala ere, atmosfera erreduzitzailea (hidrogenoa oxigeno kantitate txikiarekin) alanbrearekin kontaktuan jartzen bada, aleazioan dagoen kromoa oxidatuko litzateke. Honek sentikortasuna murrizten du eta termopareak irakurketa baxuak izango ditu. Fenomeno hau usteltasun berdea (green rot) deitzen da, aleazioaren koloreagatik. Kromatuta dagoen alanbreak zilarrezko azal orbandua garatuko du eta magnetiko bilakatuko da. Hau gertatu den konprobatzeko bi alanbreak magnetikoak diren behatu behar da (normalean, “Chromel-a” ez da magnetikoa).

Usteltasun berdearen jatorri ohikoena atmosferan dagoen hidrogenoa da. Tenperatura altuetan solido metalikoen barnean hedatu daiteke, nahiz eta termoparea magnesio oxidozko estalki batekin isolatu.[8]

Hutseko labeetan erabiltzen da. Goi-tenperatura 1400 °C-tara mugatzen da. Beste motak baino gutxiago erabiltzen da.

Tenperatura altuko (-270 °C-tik 1300 °C-ra) neurketarako egokia da bere egonkortasuna eta oxidazioarekiko erresistentziagatik. Sentikortasuna 39 μV/°C-koa da 900 °C-tan, pixka bat txikiagoa K motarekin konparatuz.[9]

T motatako termopareak egokiak dira -200 °C-tik 350 °C-ra neurketak egiteko. Sarritan neurri diferentzial moduan erabiltzen da kobrezko alanbreak zundak ukitzen dituen bakarra baita. Termoparea osatzen duten bi eroaleak magnetikoak ez direnez, ez dago Curie punturik eta horren ondorioz, ez dira aldaketarik egongo ezaugarrietan. Hauen sentikortasuna  43 μV/°C-koa da gutxi gorabehera. Kobreak termopareen eraikuntzarako erabiltzen diren aleazioak baino konduktibitate termiko altuagoa dauka eta horregatik beharrezkoa da ainguraketa termikoko T termopareekin arreta handia izatea.

Pt/Rh-aleazio termopare motak tenperatura eta E(T)-ren arabera.

B, R eta S motako termopareak platinozko edo platino/rodio aleazioak erabiltzen dituzte eroale bakoitzarentzat. Hauek termopare egonkorrenak dira, baina beste mota batzuk baino sentikortasun baxuagoa dute (gutxi gorabehera 10 µV/°C-koa). Normalean, tenperatura altuko neurketak egin behar direnean baino ez dira erabiltzen beraien kostu altua eta sentikortasun baxuagatik.

Termopare hauek 1800 °C-raino erabiltzeko egokiak dira. B motakoak sentikortasun bera dute 0 °C-tan eta 42 °C-tan, haien erabilera mugatuz 50 °C-tik behera.[10]

R motako termopareak 0 °C-tik 1600 °C-ra erabiltzen dira.

1600 °C-raino erabiltzen dira. 1990-eko Nazioarteko Tenperatura Eskala (ITS-90)  baino lehen, zehaztasuneko S motako termopareak 630 °C-tik 1064 °C-raino neurtzen zuten termometro gisa erabiltzen ziren, antimonio, zilarra eta urrearen hozte puntuen arteko interpolazio batean oinarrituz.[11]

Termopare mota hauek tenperatura nahiko altuak neurtzeko egokiak dira. Normalean, hidrogeno eta atmosfera inerteetan edota hutseko labeetan erabiltzen dira.  Ez dira tenperatura altuko ingurune oxidatzaileetan erabiltzen harikortasuna galtzen baitu hauskorrago bilakatuz.[12]

Mota honetako termopareak neurtuko duen tenperaturarik altuena 2329 °C-koa da.

Termopare hauetan alanbre negatiboa urrea da burdinaren frakzio txiki batekin (0,03-0,15% atomo). Ezpurutasunak dituen urrezko alanbreak termopareari tenperatura baxuetan sentikortasun altua ematen dion bitartean, kromelezko alanbreak inguruko tenperaturatik gertu sentikortasuna konstante mantentzen du. Kriogenia aplikazioetarako erabili daiteke. Bai sentikortasuna bai tenperatura tartea burdinaren kontzentrazioaren araberakoak dira. Normalean, sentikortasuna 15 µV/°C-koa da tenperatura baxuetan eta erabili daitekeen tenperaturarik baxuena 1, 2 eta 4, 2 K-en artean doa.

Termopareak K mota imitatzen duen tentsio termoelektrikoa ematen du 500 °C-1400 °C-tan. Hala ere, metal nobleekin soilik eraikita daude eta horren ondorioz korrosioarekiko erresistentzia altuagoa erakusten dute. Konbinazio hau Platinel II izenarekin ere ezagutzen da.

Batzuetan erreaktore nuklearretan erabiltzen dira, neutroien irradiazioengatik induzitutako transmutazio nuklearrean deriba baxua erakusten baitute platino/rodio aleazioekin konparatuz[13]

Iridio/rodio aleazioko bi alanbreak erabiltzea ahalbidetzen du termopareak atmosfera geldo batean 2000 °C-raino erabili ahal izatea.[13]

Bi metal noble ezberdinez eginda dauden termopareak nahiz eta kalibraturik ez egon zehaztasun handia erakusten dute, baita maila baxuko deriba.

Erabiltzen diren bi konbinazioak urrea-platino eta platino-paladio dira. Hauen mugak erabiltzen diren metalen urtze puntu baxuak dira (1064 °C Au-rako eta 1555 °C Pd-rako). Termopare hauek S motatakoak baino zehatzagoak izan ohi dira eta hauen ekonomiagatik eta erraztasunagatik normalean termometro estandar gisa erabiltzen diren platino termometroen ordezkoak izan daitezke.

*Eskuterudita: Kobalto artseniuroa da zeinak nikel eta burdina kantitate aldakorrak dituen kobaltoa ordezkatuz.

NASAk Multi-Misio Radioisotopo Generagailu Termoelektrikoa garatzen ari da, zeinetan termopareak eskuteruditaz eginda dauden eta orain erabiltzen diren teluriozko diseinuak baino tenperatura aldaketa baxuagoarekin dabiltzatenak. Honek suposatuko luke RTG-ak %25 energia gehiago sortuko lukeela misioaren hasieran eta gutxienez %50-a hamazazpi urte geroago. NASAk espero du diseinu hau hurrengo New Frontiers programaren misioan erabiltzea.[14]

HTIR-TC-ak tenperatura altuko prozesuen neurketan aurrerapena eskaintzen dute. Honako ezaugarriak ditu: iraunkorra, fidagarria tenperatura altuetan (1700 °C-raino), irradiazioarekiko erresistentea, kostu ertaina, konfigurazio askotarako erabilgarria (aplikazio bakoitzarako moldagarria) eta erraz instala daiteke. Berez probatarako erreaktore nuklearretan erabiltzeko garatu da eta etorkizuneko erreaktoreen lanen segurtasuna hobe dezake.[15][16]

Mota	Tenperatura tartea (°C)				Tolerantzia mota (°C)		Kode kolorea
	Etengabekoak		Epe laburrekoak		Bat	Bi	IEC[17]	BS	ANSI
	Baxua	Altua	Baxua	Altua
K	0	+1100	−180	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
J	0	+750	−180	+800	−40 – 375: ±1.5 375 – 750: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 750: ±0.0075×T
N	0	+1100	−270	+1300	−40 – 375: ±1.5 375 – 1000: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 1200: ±0.0075×T
R	0	+1600	−50	+1700	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×T			Not defined
S	0	+1600	−50	+1750	0 – 1100: ±1.0 1100 – 1600: ±0.003×(T − 767)	0 – 600: ±1.5 600 – 1600: ±0.0025×T			Not defined
B	+200	+1700	0	+1820	Not available	600 – 1700: ±0.0025×T	No standard	No standard	Not defined
T	−185	+300	−250	+400	−40 – 125: ±0.5 125 – 350: ±0.004×T	−40 – 133: ±1.0 133 – 350: ±0.0075×T
E	0	+800	−40	+900	−40 – 375: ±1.5 375 – 800: ±0.004×T	−40 – 333: ±2.5 333 – 900: ±0.0075×T
Kromel/AuFe	−272	+300	N/A	N/A	Errepikakortasuna tentsioaren %0.2. Sentsore bakoitzak kalibrazio indibiduala behar du.

Termopare bat (eskuinarago dagoen hodia) ur berogailua baten erregailuaren barruan.

B, S, R eta K motatako termopareak altzairua eta burdin industrietan asko erabiltzen dira tenperatura eta prozesu osoaren kimika kontrolatzeko altzairuaren ekoizpenenean. Murgilgarri eta erabiltzeko eta botatzeko termopareak, normalean S motatakoak dira arku elektrikoko labeen prozesuan, altzairuaren tenperatura zehaztasunez neurtzeko kolpekatu aurretik. Altzairuaren hozte kurbaren lagin txiki bat, analizatu eta erabili daiteke karbonoaren edukia determinatzeko urtutako altzairutik.

Termoparearen konexio gas aparatuetan. Ezkerrealdean dagoen azken bola (kontaktua) isolatuta dago arandela isolatzaile baten bitartez. Termoparearen marrak kobrezko alanbreaz, isolatzailez eta kanpoko geruza metalikoz (normalean kobrea) osatuta dago[19].

Gasarekin hornitutako berogailu aparatuak, hala nola, labeak eta ur berogailuak, gar argi bat erabiltzen dute sugarra pizteko. Gar argiko sugarra itzaltzen bada, erre gabeko gasa askatu daiteke, eta horrek, lehergarria eta osasunerako arriskutsua izan daiteke. Hau ekiditzeko, etxetresna elektriko asko termopareak erabiltzen dituzte beraien zirkuituetan, akats horiek detektatzeko eta gar argia pizteko. Termoparearen punta gar argian kokatzen da, era horretan, tentsio bat  sortzen du gar argiaren balbula hornitzeko. Gar argia piztuta dagoen bitartean, termoparearen punta bero egongo da eta gasen balbula irekita egongo da. Gar argia itzaltzen bada, termoparea hozten da, voltaia gutxiago sortuz, ondorioz balbula ixten da.

Zunda sugarraren gainetik erraz koka daitekeenean, sarritan sentsore zuzentzaile bat erabili daiteke. Zeramika partzialez eginda daude, gar barra bezala edo gar elektrodo detektagailu bezala ezagutzen dira.

Termopilak erradiazio erasotzailearen intentsitatea neurtzeko erabiltzen dira, batez ere argi ikuskorra edo infragorria, loturak berotzen dituen bitartean, lotura hotzak bero-disipadorean aurkitzen dira. Komertzialki dauden termopilen sentsore batzuekin µW/cm²-ko intentsitate erradiaktiboak neurtzea posible da. Adibidez, laserren potentzia neurtzeko horrelako sentsoreetan oinarritzen dira. Hauek laser termopilen sentsore gisa ezagutzen dira.

Termopilen sentsore baten funtzionamendu printzipioa bolometroarekin bereizgarria da, azken honek erresistentzia aldaketan oinarritzen delarik.

Termopareak normalean gailu elektrikoen eta mekanikoen prototipoak probatzeko erabili daiteke. Adibidez, termopareak erabiliz gailu batean, beroaren funtzionamendua monitorizatu daiteke, ikusteko tenperatura igoera ez duela gainditzen diseinatutako mugetatik.

Termopare batek korrontea sor dezake zenbait prozesu zuzenean bultzatzeko, zirkuitu eta energia iturri gehiagorik behar gabe. Adibidez, termoparean lortutako potentzia balbula bat aktibatu daiteke tenperatura diferentzia bat sortzen denean. Termopare batetik lortutako energia elektrikoa beroan bihurtzen da alde beroa hornitzeko potentzial elektrikoa mantentzeko. Beharrezkoa da beroaren transferentzia jarraitua izatea; izan ere, termoparetik jarraitzen den korrontea alde beroa eta alde hotza hozteko joera du (Peltier efektua).

Termopareak seriean konektatu daitezke termopila bat osatzeko, eta, bertan, bero loturak, tenperatura altuetan babesgabe daude, eta lotura-hotzak tenperatura hotzagoetan. Irteera, voltaien batuketa da banakako loturen zehar, voltaia eta potentzia handiagoa emanez. Sorgailu termoelektriko erradioisotopiko batean, elementu transuranikoen desintegrazio erradiaktiboa bero iturri bezala erabili dira espazio-ontziak elikatzeko eguzkitik oso urrun zegoen zereginetan eguzki energia erabiltzeko.

Kerosenozko lanparaz berotutako termopilak bateria gabe zegoen irrati-hargailua funtzionaraztea lortu zen toki isolatuetan[20]. Linterna komertzialak daude kandela baten beroa erabiltzen dituztenak argia emititzen diren diodoak funtzionarazteko eta haizagailu termoelektrikoak erabiliz airearen zirkulazioa eta beroaren banaketa egurrezko-estufetan hobea da.

Produkzio kimikoa eta petrolio-findegiak normalean ordenagailuak erabiliko dituzte erregistratzeko eta prozesu batekin lotutako tenperatura ugarien mugak probatzeko, normalean ehunka dira. Kasu hauetarako, termoparezko kable batzuk eraman zen erreferentziazko blokera (kobrezko bloke handia) bigarren termoparea zituen zirkuitu bakoitzera. Blokearen tenperatura termistor batekin neurtu egiten da. Horretarako, kalkulu sinpleak erabiltzen dira neurtutako kokapen bakoitzaren tenperatura determinatzeko.

Termoparea hutsa neurtzeko ere erabili daiteke 0,001-1 torr-eko presio absolutuan. Presio tarte horretan, gasaren batez besteko bide librea hutsezko ganberaren dimentsioekin konparagarria da, eta emariaren erregimena ez da ez likatsua ezta molekular hutsa[21]. Konfigurazio honetan, termoparea kable zentral batera lotuta dago, hau normalean 5 mA inguruko korronte konstante baten bidez elikatzen da, eta beroa gasaren eroankortasun termikoarekin erlazionatutako abiadurarekin kentzen da.

Termoparearen loturan detektatutako tenperatura jariatzen den gasaren konduktibitate termikoaren menpe dago, eta honek gasaren presioaren menpe dago. Termoparean neurtutako potentzial diferentzia presio karratuarekiko proportzionala da hutsa tarte baxu eta ertainekoa denean. Presio altuetan (fluxu likatsua) eta baxuetan (fluxu molekularra), presioa independentea da airearen konduktibitate termikoa edo beste edozein gasetatik.

Termoparea Voege 1906-an lehen aldiz erabili zuen huts-neurgailu bezala[22]. Huts-neurgailu gisaren eredu matematikoa nahiko konplexua da Van Atta azaltzen duen bezala[23]; hala ere, horrela sinplifikatu daiteke:

${\displaystyle P=(B(V^{2}-V_{0}^{2}))/(V_{0}^{2})}$,

non P gasen presio den, B konstante bat den, termoparearen tenperaturaren, gasen konposizioaren eta hutsezko ganbararen menpekoa, V₀ termoparearen tentsioa den presio absolutuan eta V termopareak adierazten duen tentsioa den.

Beste alternatiba bat Pirani neurgailua da, antzeko modu batean funtzionatzen duena, gutxi-gorabehera presi-tartea berdinean, baina bi terminaleko gailua da. Termoparea erabili beharrean, elektrikoki berotutako kable baten erresistentzia diferentzia neurtzen du tenperaturarekiko.