Termočlánky jsou založeny na principu termoelektrického jevu a sestávají ze dvou kovových vodičů z různých materiálů, které jsou na špičce svařeny. V závislosti na materiálovém párování mají různé úrovně termoelektrického napětí a jsou vhodné pro různé teplotní rozsahy. Nejčastěji se používají termočlánky typu K a termočlánky typu J.
Termočlánek obvykle sestává z kombinace dvou materiálů o průměrech v rozmezí od 0,2 do 5 mm. Při použití ušlechtilých materiálů jako je rhodium nebo platina se tyto rozměry pohybují od 0,1 do 0,5 mm. Při výběru materiálu termočlánku je třeba dbát na co nejvyšší Seebeckův koeficient, který bude co nejméně závislý na teplotě pro dosažení lineární charakteristiky. Podle rozsahu měřené teploty se volí vhodné materiály termočlánku.
Plášť snímače je vystaven velmi vysokým teplotám, proto je nutné použít různé druhy oceli. Při nejvyšších teplotách je ochranná trubka termočlánku vyrobena ze žáruvzdorné oceli nebo keramických materiálů. Jímka musí být odolná vůči korozi, teplotním šokům a mechanickému poškození. Žádoucí vlastností pro zamezení koroze termočlánku je nepropustnost plynů, která by mohla výrazně urychlit proces stárnutí termočlánku. K dispozici jsou také provedení bez pouzdra, která se používají ke snížení dynamických chyb. Pro speciální měření, jako je teplota tekutých kovů, skla nebo tekuté oceli, se používají vysoce specializované konstrukce termočlánků.
Ochranná jímka musí být odolná vůči korozi, teplotním šokům a mechanickému poškození. Žádoucí vlastností pro zamezení koroze termočlánku je nepropustnost plynů, která by mohla výrazně urychlit proces stárnutí termočlánku. Provedení bez pouzdra lze použít ke snížení dynamických chyb.
Při výběru materiálu termočlánku je třeba dbát na co nejvyšší Seebeckův koeficient, který bude co nejméně závislý na teplotě pro dosažení lineární charakteristiky.
Na rozdíl od odporového teploměru lze termočlánek použít v mnohem vyšším teplotním rozsahu. Termočlánky jsou navíc robustnější a odolnější vůči mechanickému namáhání.
Z velkého množství možných kombinací kovů jsou používány určité kombinace pro standardizování jejich vlastností, zejména napětí a dovolených mezních odchylek. Následující prvky jsou standardizovány celosvětově (IEC), v rámci Evropy nebo na národní úrovni s ohledem na termoelektrické napětí a jeho toleranci.
Barevné značení termočlánků
Princip termočlánků je výsledkem tzv. Seebeckova jevu. Tento jev lze vysvětlit teorií volných elektronů, podle které mají různé typy vodičů různou hustotu volných elektronů. V místě kontaktu dvou různých vodičů tvořících termočlánek se elektrony pohybují z jednoho vodiče na druhý. Větší počet elektronů se přesune z vodiče s vyšší hustotou do vodiče s nižší hustotou. Intenzita migrace elektronů závisí na teplotě kontaktního bodu dvou vodičů, je také tím vyšší, čím vyšší je teplota. Elektromotorická síla vytvořená v obvodu termočlánku sestávajícího ze dvou různých vodičů, jejichž konce byly umístěny při různých teplotách, je dána vzorcem:
V=(S-SA)⋅(T2-T1)
Výsledná elektromotorická síla je v řádu několika až několika desítek mikrovoltů na stupeň Celsia.
Volba typu termočlánku závisí především na provozní teplotě. Dále by měl být vybrán termočlánek s vysokým termoelektrickým napětím, aby se získal měřicí signál, který je pokud možno necitlivý na rušení. V následující tabulce s vlastnostmi termočlánků jsou uvedeny různé termočlánky spolu s krátkou charakteristikou. Doporučené maximální teploty lze předpokládat pouze jako základní hodnoty, protože silně závisí na podmínkách aplikace. Vztahují se k průměru drátu 3 mm pro základní a 0,5 mm pro ušlechtilé materiály.
Cu-CuNi
350°C
Málo používané.
Fe-CuNi
700°C
Široce používané, levné, náchylné ke korozi.
NiCr-CuNi
700°C
Málo používané, vysoké termoelektrické napětí.
NiCr-Ni
1000°C
Často se používá v rozmezí 800 - 1000°C, vhodné i pro nižší teplotní rozsahy.
NiCrSi-NiSi
1300°C
(Zatím) málo rozšířené. Dokáže částečně nahradit ušlechtilé materiály.
Pt10Rh-Pt
1500°C (1300°C)
Vysoké náklady, velmi dobrá dlouhodobá konzistence, dobře tolerováno.
Pt30Rh-Pt6Rh
1700°C
Vysoké náklady, nejnižší termoelektrické napětí, vysoká maximální teplota.
Délka termočlánku nebo kompenzačního vedení je vzhledem k nízkému vnitřnímu odporu druhořadá. U dlouhých vedení s malým průřezem však může odpor termočlánku nebo kompenzačního vedení nabývat poměrně vysokých hodnot. Aby nedocházelo k chybám zobrazení, musí být vnitřní odpor vstupního obvodu podřízených zařízení alespoň 1000krát větší než odpor připojeného termočlánku. Použít lze pouze kompenzační kabely ze stejného materiálu jako samotný měřicí prvek nebo se stejnými termoelektrickými vlastnostmi, jinak vznikne ve spoji nový termočlánek. Kompenzační vedení musí být vedeno až k referenčnímu spoji. Při připojování termočlánků je třeba dbát na polaritu.
Termočlánek neprodukuje napětí, pokud je měřená teplota rovna teplotě referenčního bodu. Při zkratu termočlánku nebo kompenzačního vedení je vytvořen nový měřicí bod v místě zkratu. Dojde-li k takovému zkratu, například v připojovací hlavici, již se nezobrazuje teplota skutečného místa měření, ale teplota připojovací hlavice. Pokud dojde k přerušení měřicího obvodu, zobrazí nadřazené zařízení teplotu referenčního spoje.