Termoelementer er baseret på princippet om komparativ måling og består af to metalliske ledere af forskellige materialer, der er svejset sammen i spidsen. Afhængigt af materialekombinationen har de forskellige niveauer af termoelektrisk spænding og er velegnede til forskellige temperaturområder. De mest almindeligt anvendte er termoelementer af type K og termoelementer af type J.
Normalt består termoelementet af en kombination af to materialer med diametre fra 0,2 til 5 mm. Når der anvendes ædle materialer som rhodium eller platin, varierer disse dimensioner fra 0,1 til 0,5 mm. Ved valg af termoelementmateriale skal man sikre sig, at det har en høj Seebeck-faktor, og at temperaturen påvirker dets værdi så lidt som muligt for at opnå en lineær karakteristik. Det passende termoelementmateriale vælges i henhold til det målte temperaturområde.
Følerens kabinet udsættes for meget høje temperaturer, så det er nødvendigt at bruge forskellige typer stål. Ved de højeste temperaturer er termoelementets beskyttelsesrør lavet af varmebestandigt stål eller keramiske materialer. Termorøret skal være modstandsdygtigt over for korrosion, termisk chok og mekaniske skader. En ønskelig egenskab for at forhindre korrosion af termoelementet er uigennemtrængelighed for gasser, der kan fremskynde termoelementets aldringsproces betydeligt. Der findes også designs uden dæksel, der bruges til at reducere dynamiske fejl. Til specielle målinger, såsom temperaturen af flydende metaller, glas eller flydende stål, anvendes højt specialiserede termoelementdesign.
Termobrønden skal være modstandsdygtig over for korrosion, termisk chok og mekaniske skader. En ønskelig egenskab for at forhindre korrosion af termoelementet er uigennemtrængelighed for gasser, der kan fremskynde termoelementets aldringsproces betydeligt. Design uden dæksel kan bruges til at reducere dynamiske fejl.
Når man vælger et termoelementmateriale, skal man også være opmærksom på, at det har en høj Seebeck-faktor, og at temperaturen påvirker dets værdi så lidt som muligt for at opnå en lineær karakteristik.
I modsætning til et modstandstermometer kan et termoelement anvendes i et meget højere temperaturområde. Derudover er termoelementer mere robuste og modstandsdygtige over for mekanisk belastning.
Ud af det store antal mulige metalkombinationer er visse blevet udvalgt, og deres egenskaber er blevet standardiseret, især spændingsserien og de tilladte grænseafvigelser. Følgende elementer er standardiseret på verdensplan (IEC) samt på europæisk eller nationalt plan med hensyn til den termoelektriske spænding og dens tolerance.
Farvekodning for termoelementer
Princippet bag termoelementer er resultatet af den såkaldte Seebeck-effekt. Dette fænomen kan forklares ved teorien om frie elektroner, ifølge hvilken forskellige typer ledere har en forskellig tæthed af frie elektroner. Ved kontaktpunktet mellem to forskellige ledere, der danner et termoelement, vil elektroner bevæge sig fra den ene leder til den anden. Et større antal elektroner vil bevæge sig fra en leder med højere tæthed til en leder med lavere tæthed. Intensiteten af elektronmigrationen afhænger af temperaturen ved kontaktpunktet mellem de to ledere, og den er også højere, jo højere temperaturen er. Den elektromotoriske kraft, der dannes i et termoelementkredsløb bestående af to forskellige ledere, hvis ender er placeret ved forskellige temperaturer, er givet ved formlen:
V=(S-SA)⋅(T2-T1)
Den resulterende elektromotoriske kraft er i størrelsesordenen fra nogle få til flere dusin mikrovolt pr. grad Celsius.
Valget af termoelementtype afhænger primært af driftstemperaturen. Desuden bør der vælges et element med en høj termoelektrisk spænding for at opnå et målesignal, der er så ufølsomt over for interferens som muligt. I nedenstående tabel: Egenskaber ved termoelementer er de forskellige elementer angivet sammen med en kort beskrivelse. De anbefalede maksimale temperaturer kan kun betragtes som grundlæggende værdier, da de i høj grad afhænger af anvendelsesforholdene. De refererer til en tråddiameter på 3 mm for basen og 0,5 mm for ædle elementer.
Længden af termoelementet eller kompensationskablet er af sekundær betydning på grund af den lave interne modstand. Ved længere kabellængder med et lille tværsnit kan modstanden i termoelementet eller kompensationskablet dog antage forholdsvis høje værdier. For at undgå visningsfejl skal den interne modstand i slaveenhedernes indgangskredsløb være mindst 1000 gange større end modstanden i det tilsluttede termoelement. Der må kun anvendes kompensationskabler af samme materiale som selve elementet eller med samme termoelektriske egenskaber, da der ellers opstår et nyt element ved forbindelsespunktet. Kompensationskablet skal lægges op til referenceforbindelsespunktet. Ved tilslutning af termoelementer skal polariteten overholdes.
Et termoelement leverer ikke spænding, hvis måletemperaturen er lig med referencetemperaturen. Hvis et termoelement eller kompensationskablet kortsluttes, oprettes det nye målepunkt på det sted, hvor kortslutningen er opstået. Hvis en sådan kortslutning opstår, f.eks. i tilslutningshovedet, vises ikke længere temperaturen på det faktiske målepunkt, men temperaturen på tilslutningshovedet. Hvis der er en afbrydelse i målekredsløbet, viser den efterfølgende enhed referencetemperaturen.