Termocuplurin ingineria electric, un termocuplu este un senzor utilizat pentru msurarea temperaturii.. El funcioneaz pe baza efectul Seebeck, care conduce la formarea unei diferene de potenial electric pe baza unei diferene de potenial termic. Termocuplurile sunt utile pentru c pot fi integrate n maini automate i pot msura o gam larg de temperaturi, limitarea lor principal reprezentnd-o precizia.

Principiul de funcionareMaterialele care puse mpreun manifest efect Seebeck formeaz un termocuplu. ntr-un fir metalic ale crui capete se afl la temperaturi diferite TA>TB apare o diferen de potenial electric UAB cauzat de faptul c electronii de conducie din captul cu temperatura mai mare au o energie cinetic mai mare i vor difuza ctre captul mai rece. n acest fel captul cald se va ncrca pozitiv, iar captul rece al firului se va ncrca negativ. De remercat c n cazul n care purttorii mobili de sarcin sunt golurile, sarcini pozitive, atunci captul cald se ncarc negativ, iar cel rece pozitiv. Din aceast cauz efectul termoelectric sau efectul Seebeck este folosit pentru determinarea tipului de purttori de sarcin liberi dintr-un semiconductor. Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.) care apare UAB este direct proporional cu diferena de temperatur dintre capetele firului: UAB = VA VB = S( TA TB ), unde S este coeficientul Seebeck, o proprietate a materialului din care este fcut firul. n cazul concret n care firul este din cupru i plecm din A i B tot cu fire din cupru ctre un instrument de msur sensibil, vom constata c tensiunea indicat va fi zero. Cauza este aceea c din tensiunea iniial UAB se scade tensiunea termoelectric a firelor de legtur, n cazul de fa identic cu tensiunea iniial. Este ca i cum am lega dou baterii identice cu bornele "+" mpreun i bornele "-" mpreun, oriunde ntrerupem circuitul i msurm tensiunea, aceasta va fi zero. Situaia se schimb dac ntre punctele A i B avem un fir de nichel, iar de la punctele A i B plecm ctre instrumentul de msur cu un fir din cupru, atunci voltmetrul va indica o diferen de potenial. n acest caz fiind vorba de metale diferite, cu coeficieni Seebeck diferii, diferena de potenial msurat va fi: U = UAB(Ni) UAB(Cu) = SNi(TA TB) SCu(TA TB) = (SNi SCu)(TA TB) (15) De regul se dau n tabele coeficienii Seebeck relativi, msurai pentru materialul respectiv fa de un material de referin (de cele mai multe ori platin). Coeficientul Seebeck al unui material nu rmne constant n funcie de temperatur.

Dou materiale pot fi folosite mpreun ntr-un termocuplu doar dac coeficientul Seebeck al cuplului este relativ constant pe domeniul de temperaturi n care se lucreaz. n aplicaiile practice este necesar cunoaterea urmtoarelor trei legi referitoare la utilizarea fenomenelor termoelectrice [3] pentru msurarea temperaturii: legea circuitului omogen, legea metalelor intermediare, legea temperaturilor succesive. 1. Legea circuitului omogen. ntr-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen nu se poate produce un curent electric numai prin crearea unei diferene de temperatur n circuit. Aceast lege se mai poate formula astfel: suma algebric a forei electromotoare ntr-un circuit constituit dintr-un singur metal omogen, cu sau fr variaii de seciune i temperatur, este zero. Rezult c n cazul unui circuit compus din dou metale diferite omogene, cu punctele de sudur la temperaturile T1 i T2 ,diferite, tensiunea electromotoare nu depinde de distribuia i gradientul de temperatur n lungul circuitului. 2. Legea metalelor intermediare. Suma algebric a tensiunii termoelectromotoare ntr-un circuit compus dintr-un numr oarecare de metale omogene i diferite este egal cu zero dac ntreg circuitul se afl la aceeai temperatur. Rezult c tensiunea termoelectromotoare a unui circuit compus dintr-un numr de metale diferite se obine din suma algebric a tensiunilor termoelectromotoare corespunztoare fiecrui metal fa de un metal de referin. n consecin, cnd se constituie un termocuplu sudura se poate realiza fie prin sudare direct, fie prin lipire cu un metal oarecare, care s nu se topeasc pn la temperatura de utilizare, deoarece elementele componente ale sudurii se gsesc la aceeai temperatur. Din acelai motiv cnd se msoar temperatura unei bi de metal topit, conductoarele metalice constituind sudura cald a termocuplului pot fi izolate electric ntre ele. n momentul msurrii prin imersare, metalul topit din baie realizeaz contactul electric jucnd rolul de metal de lipire a conductoarelor. Introducnd un al treilea conductor n circuitul unui termocuplu, fora termoelectromotoare nu se modific dac ambele capete ale celui de-al treilea conductor se gsesc la aceeai temperatur. 3. Legea temperaturilor succesive sau intermediare. Tensiunea termoelectromotoare produs de un termocuplu alctuit din metale omogene cu punctele sale de sudur la temperaturile T1 i T3 este egal cu suma tensiunilor termoelectromotoare ale aceluiai termocuplu cu punctele de sudur o dat la temperaturile T1 i T2 i o dat la temperaturile T2 i T3. Aceast lege i gsete aplicaii n utilizarea practic a termocuplurilor.

StructuraTermocuplul se compune din dou fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate la un capt 1. Captul sudat se numete sudur cald, iar celelalte capete 2 i 3, numite capete libere ale termocuplului, se leag prin conductoarele de legtur la aparatul electric pentru msurarea forei termoelectromotoare. Legturile dintre capetele libere i conductoarele de legtur constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie meninut la o valoare constant.

Deoarece termoelectrozii au o lungime maxim de 200 cm, din care dou treimi intr n cuptorul n care se msoar temperatura, sudura rece se va gsi totdeauna n apropierea cuptorului. Acesta fiind la temperatur ridicat, degaj cldur i creeaz n jurul lui o temperatur mai ridicat dect a camerei i variabil n timp. Din acest motiv, ct i pentru c este incomod s se realizeze sudura rece n imediata apropiere a cuptorului, s-a cutat s se deplaseze sudura rece n alt parte, unde se poate menine o temperatur constant. Rezolvarea problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare de aceeai natur, n general chiar din acelai material. n felul acesta la contactul dintre conductoarele de prelungire i firele termocuplului nu se formeaz un termocuplu, deci nu ia natere fora termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare i sunt complet separate de termocuplu, legtura executndu-se numai la montarea termocuplului. Cablul de compensare are rolul de a muta sudura rece din apropierea cuptorului ntr-un loc cu temperatura constant. Sudura rece se va forma acum la legtura dintre cablul de compensare i cablul de legtur. Termocuplurile se execut din diferite metale sau aliaje. Valoarea tensiunii termoelectromotoare a diferitelor termocupluri depinde att de materialul din care sunt executai termoelectrozii, ct i de temperatura sudurilor calde i reci. Relaia dintre temperatura i fora termoelectromotoare se poate exprima printr-o ecuaie de gradul al doilea de forma:

n care E este fora termoelectromotoare rezultant, atunci cnd t este temperatura sudurii calde, iar temperatura sudurii reci este constant (n general 0 C); a, b i c sunt trei constante ale cror valori se determin prin msurarea tensiunii termoelectromotoare la temperaturi fixe cunoscute (temperatura de solidificare a stibiului, a argintului i a aurului). Valoarea constantelor a, b i c depinde numai de materialul termoelectrozilor din care s-a executat termocuplul. Curbele care reprezint legtura dintre temperatura i tensiunea termoelectromotoare se numesc curbe internaionale. Fiecare tip de termocuplu are curb internaional proprie. Pentru a uura utilizarea acestor curbe internaionale valorile corespunztoare sunt tabelate.

Materialele folositeCondiiiMateriale ntrebuinate la construcia termocuplurilor Ca electrozi se utilizeaz n special metale i aliaje, care n afar de faptul c satisfac unele condiii impuse acestora

dezvolt n acelai timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale sau aliaje care satisfac urmtoarele condiii: - s aib o compoziie omogen i constant; s dezvolte o tensiune termoelectromotoare stabil la temperaturi ridicate; curba tensiunii termoelectromotoare n funcie de temperatur s fie ct se poate de liniar; s aib o bun conductivitate electric; proprietile electrice ale metalului sau aliajului s nu se modifice n urma oxidrii; fora electromotoare s fie constant n timp; s fie posibil fabricarea unor materiale identice care s asigure intersanjabilitatea termocuplurilor. Cele mai bune termocupluri se caut pe cale experimental. Se studiaz proprietile electrice ale diferitelor metale sau aliaje i se selecioneaz acelea care satisfac cel mai mult condiiile de mai sus. Pentru a gsi combinaia cea mai bun din punctul de vedere al tensiunii termoelectromotoare dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare n funcie de temperatura pentru o serie de metale i aliaje care formeaz termocupluri cu platin. S-a ales platina ca metal de referin deoarece ea se poate obine n stare foarte pur i are o mare stabilitate electric i chimic. Cele mai rspndite materiale care se ntrebuineaz la executarea conductoarelor pentru termocupluri sunt prezentate n continuare. Platina. Datorit calitilor chimice i electrice, platina (Pt) mpreun cu aliajele de platin cu rhodiu PtRh (10% Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina avnd o mare stabilitate chimic i o temperatur de topire ridicat (1769 oC) se ntrebuineaz la msurarea temperaturilor nalte, devenind chiar un instrument etalon pentru msurarea acestor temperaturi. Termocuplul platin-platin rhodiu msoar temperaturi ntre 0 i 1600 C. Se mai obinuiete formarea termocuplului platin cu platin-iridiu (10% Ir). Platina trebuie ferit ns de carbon, hidrogen i vapori de metale, care au efecte duntoare asupra ei. n mod special trebuie evitat utilizarea platinei n atmosfer oxidant sau reductoare n care se gsesc oxizi metalici.

Aliaje folositeConstantanul este un aliaj care conine 40% Ni i 60% Cu. El se ntrebuineaz n combinaie cu fierul pur pentru termocuplul Fe-Constantan care poate msura temperaturi de la - 200 C pn la 900 C, iar cu cuprul pur termocuplul Cu-Constantan pentru temperaturi de la 200 C pn la 600 C. Constantanul se poate obine destul de uor i are proprieti electrice suficient de stabile. Cromelul este un aliaj avnd compoziia 89,0% Ni, 9,8% Cr, 1,0% Fe i 0,2 % Mn. Se utilizeaz n combinaie cu alumelul (94%Ni, 0,5% Fe, 2% Al, 2,5 % Mn i 1 % Si) formnd un termocuplu tehnic pentru domeniul de la 0 C la 1 200 C, foarte des folosit. Copelul (45% Ni, 55% Cu) i cromelul realizeaz un termocuplu care servete la msurarea temperaturii ntre 0 i 900 C. Termocuplul cromel-copel are avantajul c dezvolt o for electromotoare mare, ceea ce este uneori o calitate foarte preioas. Nichelul este unul dintre cele mai vechi metale utilizate la formarea termocuplului, mai ales cu nichelcrom (84,6% Ni, 12,4% Cr, 3% Fe) sau cu grafit

(crbune). Termocuplurile formate n ambele cazuri msoar temperatura n domeniul 0 1200 C. Nichelul are avantajul c se poate obine sub form de fire foarte omogene. Nicrosil este un aliaj de Ni 84%, Cr 14,2%, Si 1,4% folosit ca electrod pozitiv la termocuplele moderne n combinaie cu nisil (Ni 95%, Si 4,3%) ca electrod negativ n termocuplul de tip N.