Termopary – termoelektryczne czujniki temperatury

Termoelektryczne czujniki temperatury – termopary: J, K, N, E, T, R, S, B

Czujniki temperatury - termopary

Drugą grupę czujników temperatury stanowią czujniki termoelektryczne (znane również pod nazwą jako termopary). Termopary mierzą temperaturę na podstawie zmiany napięcia termoelektrycznego wbudowanego w nie termoelementu (termopary). Napięcie generowane przez termopary zmienia się wraz ze zmianą temperatury (im temperatura wyższa tym generowane jest wyższe napięcie). Termopara składa się z dwóch drutów, każdy z drutów termopary wykonany jest z innego materiału (metalu lub stopu metalu). W zastosowaniach przemysłowych najczęściej stosuje się termopary typu J, K, N, S oraz B.

W zależności od zastosowanych materiałów termopary generują różne napięcie termoelektryczne. Zależności pomiędzy napięciem generowanym przez termoparę a temperaturą są unormowane. Wartości siły termoelektrycznej dla poszczególnych termopar oraz dopuszczalne odchyłki są opisane normą PN-EN60584-1: 2014-04 (patrz "Charakterystyki termoelektrycznych czujników temperatury").

Termoelektryczne czujniki temperatury - charakterystyka termopary:  J, K, N, T, R, S, B
Charakterystyka termoelementów J, K, N, T, R, S, B

Najczęściej używane typy termopar to termopary: E, J, K, T i N, które wykorzystują powszechnie dostępne metale takie jeak jak nikiel, miedź i żelazo (bez metali szlachetnych). Zakres pomiarowy tych czujników w zależności od typu termopary mieści się w przedziale -200…1200°C.

  • Termopara typu E (NiCr-CuNi) jeden biegun składa się z NiCr a drugi z konstantanu (CuNi). Zakres stosowania termopary typu E wynosi -200…+900°C, a czułość to 68µV/°C. Czułość termopary E jest największa w porównaniu do innych termopar. Termopary typu E mogą być używane w atmosferze obojętnej i utleniającej, natomiast nie należy ich używać w atmosferze redukującej i w próżni.
  • Termopara typu J (Fe-CuNi) wykonana jest z żelaza (Fe) w połączeniu konstantanem (CuNi). Zakres stosowania termopary typu J wynosi -40…+750°C, a czułość to – 55µV/°C. Termopary typu J (Fe-CuNi) przeznaczone są do pomiaru temperatury w atmosferze obojętnej, redukującej, utleniającej, jak i w próżni.
  • Termopara typu K (NiCr-Ni) wykonana jest z NiCr-Ni, zakres stosowania termopary typu K wynosi -200…+1200°C, a ich czułość to 41µV/°C. Termopary typu K charakteryzują się większą odporność na utlenianie, niż termopary typu E, J i T, nie jest zalecane używane termopar typu K w atmosferze redukującej i próżni.
  • Termopara typu N (NiCrSi-NiSi) wykonana jest ze stopów NiCrSi-NiSi, zakres pomiarowy temperatury termopary typu N wynosi -200… +1200°C, a czułość to 39µV/°C. Termopary typu N odporne są  na utlenianie, nawet w wysokich temperaturach.
  • Termopara typu T (Cu-CuNi) składa się z Cu-CuNi, termopary typu T przeznaczone są do pomiaru temperatury w zakresie -200…+350°C. Czułość termopary T wynosi 30µV/°C. Nadają się one do pomiarów temperatury w atmosferze utleniającej, redukującej, obojętnej i w próżni.

Termopary wysokotemperaturowe (termopary platynowe).

Termopary platynowe R, S, B

Drugą grupę czujników termoelektrycznych stanowią termopary wysokotemperaturowe (tzw. termopary platynowe). Termopary platynowe wykonane z metali szlachetnych, głównie platyny oraz platyny z domieszką rodu. Termopary te to termopary typu B (PtRh30-PtRh6), R (PtRh13-Pt) i S (PtRh10-Pt), różnią się one zawartością rodu. Termopary platynowe przeznaczone są głównie do pomiaru wysokich temperatur +1600°C (termopary typu R, S) i +1800°C (termopary typu B). Charakteryzuje je mała czułość 10µV/°C w przypadku czujników typu S oraz 14µV/°C w przypadku typu R. Termopary platynowe mogą pracować w atmosferze obojętnej, utleniającej oraz w próżni, natomiast nie powinny pracować w atmosferze redukującej. Termopary platynowe są znacznie droższe niż termopary typu E, J, K, T i N oraz łatwo je uszkodzić, ponieważ są umieszczane są w osłonach ceramicznych.

Do pomiaru bardzo wysokich temperatury stosowane są termopary wolframo-renowe, są to termopary typu C(W5%Re–W26%Re) lub D (W3%Re–W25%Re). Termopary te służą do pomiaru temperatury w zakresie nawet do 2300°C.

Zaletą czujników termoelektrycznych jest ich prosta budowa, wysoka trwałość, szybki czas odpowiedzi i możliwość stosowania w wyższych temperaturach niż czujniki rezystancyjne. Termopary jednak wymagają do podłączenia specjalnych przewodów kompensacyjnych lub przedłużających oraz specjalnych złącz skompensowanych (wtyki i gniazda termoparowe), odpowiednich do zastosowanej termopary. Czujniki termoelektryczne wykonywane są w dwóch klasach dokładności, klasie 1 i klasie 2 (wg. PN-EN60584). Na życzenie wykonywane są również termopary w klasie wyżej niż klasa 1, są to termopary których maksymalny błąd pomiarowy wynosi w całym zakresie +/-1,1°C (+/-0,4%) wg AMS2750E. Stosowane są one w urządzeniach i liniach produkcyjnych muszących spełniać wysokie wymagania jakościowe, co, do jakości produktu końcowego (NADCAP, AMS2750 i inne), szczególnie w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.

Dopuszczalne odchyłki dla czujników termoelektrycznych wg PN-EN60584: 2014-04
Typ termopary Klasa dokładności 1 Klasa dokładności 2
Zakres [°C] Odchyłki [°C] Zakres [°C] Odchyłki [°C]
Cu-CuNi (T) –40…+125 ±0,5 –40…+133 ±1
+125…+350 ±0,004 |t| +133…+350 ±0,0075 |t|
NiCr-CuNi (E) –40…+375 ±1,5 –40…+333 ±2,5
+375…+800 ±0,004 |t| +333…+900 ±0,0075 |t|
Fe-CuNi (J) –40…+375 ±1,5 –40…+333 ±2,5
+375…+750 ±0,004 |t| +333…+750 ±0,0075 |t|
NiCr-Ni (K) –40…+375 ±1,5 –40…+333 ±2,5
+375…+1000 ±0,004 |t| +333…+1200 ±0,0075 |t|
NiCrSi-NiSi (N) –40…+375 ±1,5 –40…+333 ±2,5
+375…+1000 ±0,004 |t| +333…+1200 ±0,0075 |t|
PtRh13-Pt (R), PtRh10-Pt (S) 0…+1000 ±1,0 0…+600 ±1,5
+1100…+1600 ±(1+0,003 (|t|-1100)) +600…+1600 ±0,0025 |t|
PtRh30-PtRh6 (B)  — +600…+1700 ±0,0025 |t|

Najczęściej stosowane typy termopar i zakresy ich stosowania:

  • termopara typu J – Fe-CuNi: zakres temperatury -40…+750°C
  • termopara typu K – NiCr-Ni: zakres temperatury -200…+1200°C
  • termopara typu N – NiCrSi-NiSi: zakres temperatury do +1200°C (1350°C)
  • termopara typu T – Cu-CuNi: zakres temperatury -200…+350°C
  • termopara typu S – PtRh10-Pt: zakres temperatury do 1600°C
  • termopara typu R – PtRh13-Pt: zakres temperatury do 1600°C
  • termopara typu B – PtRh30-PtRh6: zakres temperatury do 1800°C
  • termopara typu C – W5%Re–W26%Re: zakres temperatury do 2200°C
  • termopara typu D – W3%Re–W25%Re: zakres temperatury do 2200°C

Zobacz termopary znajdujące się w naszej ofercie.

Ze  względu na budowę i cechy użytkowe osobną grupę termopar stanową termopary płaszczowe (tzw. czujniki płaszczowe).

Płaszczowe czujniki termoelektryczne (termopary płaszczowe).

Płaszczowe czujniki temperatury

Szczególne wymaganie techniczne doprowadziły do opracowania termoelementów płaszczowych (tzw. termopar płaszczowych). Termopary płaszczowe charakteryzują się niewielkimi wymiarami, wysoką rezystancją izolacji oraz o dużą odpornością na agresywne środowisko.

Termopary płaszczowe zbudowane są z:

Termopara płaszczowa - budowa

  • Dwóch zespawanych z sobą drutów termoparowych (termoelektrod).
  • Warstwy izolacji wykonanej z silnie sprasowanego tlenku magnezu (MgO) zapewniającej wysoką rezystancję izolacji.
  • Zewnętrznego płaszcza metalowego zapewniającego osłonę mechaniczną i chemiczną spoiny pomiarowej i drutów termoparowych.

Termoelektryczne czujniki płaszczowe posiadają na jednym końcu zespawane druty termoparowe tworzące spoinę pomiarową, która może być odizolowana od płaszcza lub też zespawana z płaszczem. Drugi koniec termopary płaszczowej jest zakończony odpowiednim przyłączem elektrycznym:

  • Głowicą aluminiową z kostką ceramiczną wyposażoną w zaciski  podłączeniowe
  • Złączem termoparowym (wtyczką lub gniazdem)
  • Przewodem kompensacyjnym lub termoparowym
  • Wolnymi drutami termoparowymi bez izolacji

Termopary płaszczowe posiadają wiele zalet i charakteryzują się:

  • Małą średnicę zewnętrzną i dużą elastyczność,
  • Dużą odporność mechaniczną
  • Zabezpieczeniem drutów termoparowych przed utlenianiem, korozją i zanieczyszczeniami chemicznymi
  • Krótkim czasem reakcji, co pozwala mierzyć szybkozmienne temperatury.

Dzięki odpowiedniej budowie i silnemu sprasowaniu izolacji, termopary płaszczowe są bardzo giętkie i mogą być dowolnie kształtowane przy zachowaniu minimalnego promienia gięcia. Zalecany promień gięcia termopary płaszczowej to 3 średnice zewnętrzne płaszcza. Małe średnice zewnętrzne termopar umożliwiają pomiar temperatury w miejscach trudnodostępnych oraz wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba zastosowania czujników temperatury o dużej odporności na drgania i wstrząsy oraz o krótkim czasie reakcji na zmianę temperatury.

Dobór termopary płaszczowej:

Aby dobrać odpowiednie wykonanie termopary płaszczowej należy określić następujące parametry:

  • Typ termoelementu (termopary)
  • Materiał osłony (płaszcza)
  • Średnicę osłony (płaszcza)
  • Rodzaj spoiny pomiarowej
  • Rodzaj przyłącza elektrycznego (głowica, przewód, wtyk itp.)

Średnica termopary płaszczowej:
Średnica płaszcza decyduje o żywotności termopary, odporności na temperaturę i warunki panujące w mierzonym ośrodku oraz o jej czasie reakcji. Przy doborze średnicy należy wybrać kompromis pomiędzy:

  • Czasem reakcji
  • Elastycznością
  • Małymi wymiarami
  • Odpornością na temperaturę
  • Odpornością mechaniczną
  • Wytrzymałością na korozję

Spoina pomiarowa czujników termoelektrycznych
Spoina pomiarowa termopary jest to miejsce połączenia drutów termoparowych, jest to właściwy czujnik temperatury. Spoina pomiarowa termopary może być wykonana na wiele różnych sposobów. Najczęściej są wykonywane spoiny pomiarowe termopary płaszczowej to:

  • Spoina odizolowana od płaszcza: spoina pomiarowa termopary jest odizolowana galwanicznie od osłony czujnika (płaszcza), która jest szczelnie zaspawana. Standardowy rodzaj spoiny, stosowany w ośrodkach przewodzących, gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne obwodu pomiarowego.
  • Spoina uziemiona do płaszcza: spoina pomiarowa termopary jest połączona galwanicznie z osłoną czujnika (płaszczem), która jest szczelnie zaspawana. Zapewnia to krótki czas reakcji na zmianę temperatury oraz zachowanie ochrony przed zewnętrznymi czynniki środowiska (ciecze, gazy). Stosowana głównie w ośrodkach nieprzewodzących.
Zobacz nasze termopary płaszczowe.
Przewody kompensacyjne i termoelektryczne (do łączenia termopar).

Termoelektryczne czujniki temperatury - oznaczenie przewodów kompensacyjnych i termoelektrycznychPodłączenie termopary z miernikami, regulatorami oraz rejestratorami temperatury odbywa się przy pomocą odpowiednich przewodów kompensacyjnych lub przedłużających. Przewody kompensacyjne są to przewody wykonane zazwyczaj materiału zastępczego, co przynależny im termoelement i mogą być stosowane w zakresie do 200°C. Natomiast przewody przedłużające (termoelektryczne) to przewody wykonane z tego samego materiału, co termopary.

Przewody kompensacyjne składają się ze stopów, które mają taką samą charakterystykę, co termopary w zakresie dopuszczalnej temperatury pracy dla przewodów kompensacyjnych (DIN43722). Przewody kompensacyjne są stosowane do termopar typu K i N oraz do termopar z metali szlachetnych typu R, S i B, ponieważ w tych przypadkach termopary składają się z materiałów bardzo drogich.

Napięcia termoelektryczne dla przewodów kompensacyjnych w określonym zakresie temperatur odpowiadają napięciom termoelektrycznym dla termopar według PN-EN60584-1. Odchylenia dla przewodów przedłużających i kompensacyjnych są określone normą DIN43722. Dostępne są dwie klasy dokładności dla przewodów, wyższa klasa dokładności (1) jest dostępna tylko dla przewodów przedłużających (termoelektrycznych), są to przewody z materiałów identycznych jak termopary. Klasa dokładności (2) dostępna jest zarówno dla przewodów termoelektrycznych jak i kompensacyjnych.

Oznaczenia barwne przewodów termoelektrycznych i kompensacyjnych jest unormowane. Dla termopary typu B mogą być stosowane przewody miedziane w zakresie temperatur do 100°C. Dlatego dla przewodów kompensacyjnych do termopary typu B nie przewidziano żadnych odchyleń granicznych. Jeśli przewody kompensacyjne dla termopary typu B będą stosowane w wyższych temperaturach, konieczne jest zastosowanie specjalnego przewodu kompensacyjnego.

Zobacz termoelektryczne czujniki temperatury znajdujące się w naszej ofercie.

Sposób doboru termoelektrycznych czujników temperatury.

Podczas doboru termoelektrycznych czujników temperatury należy zwrócić głównie uwagę na następujące aspekty:

  1. Mierzona temperatura: Czujniki termoelektryczne mogą mierzyć temperatury sięgające nawet 1800°C (termopary platynowe). Czujniki termoelektryczne poosiadają krótszy czas odpowiedzi i wyższą odporność mechaniczną niż czujniki rezystancyjne. Mierzona temperatura ma również wpływ na materiał z którego jest wykonana osłona czujnika. Czujniki pracujące w temperaturze powyżej 800°C powinny mieć osłony wykonane ze stali żaroodpornej, natomiast powyżej 1200°C należy stosować termopary wyposażone w osłony ceramiczne lub osłony ze specjalnych stopów lub czystej platyny.
  2. Mierzone medium: W zależności od mierzonego medium należy dobrać odpowiedni materiał osłony czujnika temperatury. Np. czujniki temperatury przeznaczone do pomiaru płynnego aluminium powinny mieć osłonę odporną na zwilżanie i korozję wywołaną działaniem płynnego aluminium (najczęściej z węglika krzemu lub azotku krzemu).
  3. Miejsce montażu: Miejsce montażu czujnika temperatury ma znaczenie przy doborze średnicy i długości osłony. Osłona czujnika temperatury powinna być z jednej strony o możliwie małej średnicy, im mniejsza średnica tym szybszy czas odpowiedzi czujnika. Natomiast z drugiej strony osłona powinna mieć średnicę odpowiednią do przenoszonego obciążenia, mierzonego medium, długości i sposobu montażu. Zalecana długość zanurzeniowa osłony czujnika powinna wynosić  min. 6-15 średnic w zależności od mierzonego medium. Tam gdzie nie mogą być montowane tak długie osłony (rurociągi o małej średnicy), zalecany jest montaż czujnika pod kątem do kierunku przepływu lub w kolanie rurociągu. W taki sposób aby jak największa powierzchnia osłony czujnika miała kontakt z mierzonym medium. Długość osłony czujnika również nie powinna być zbyt duża ze względu na możliwość jej ugięcia, zwłaszcza podczas montażu czujnika poziomo. Nie zalecany jest montaż poziomy czujników temperatury pracujących w wysokich temperaturach, ze względu na to że mogą ulec ugięciu pod własnym ciężarem.

Podział czujników temperatury termoelektrycznych ze względu na budowę:

Czujniki termoelektryczne (termopary) wykonywane są w różnych obudowach, z różnymi przyłączami procesowymi i elektrycznymi. Ze względu na budowę czujniki dzieli się na klika kategorii:

  • Czujniki kablowe (przewodowe) – są to termoelektryczne czujniki temperatury (termopary), których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci odpowiedniego przewodu.
  • Czujniki głowicowe – są to termoelektryczne czujniki temperatury (termopary), których przyłącze elektryczne wykonane jest w postaci głowicy. Głowica wykonana jest aluminium, w głowicy czujnika znajduje się ceramiczna kostka z zaciskami elektrycznymi do podłączenia przewodu kompensacyjnego lub przetwornika temperatury.
  • Czujniki płaszczowe – są to termoelektryczne czujniki temperatury (termopary) wykonywane są ze specjalnego płaszcza, który można dowolnie formować zachowując minimalny promień gięcia.
  • Czujniki ze złączami termoparowymi – są to termoelektryczne czujniki temperatury (termopary), których przyłącze elektryczne w postaci złącza skompensowanego (wtyk i gniazdo termoparowe)
Własności dynamiczne czujników temperatury wg PN-EN 60751: 2009.

Czas odpowiedzi jest to czas, który potrzebuje czujnik termoelektryczny po skokowej zmianie temperatury, aby wskazać określoną część wartość skoku temperatury.

  • Stała czasowa [t05]: jest to czas, po którym czujnik temperatury wskaże 50% wartości wymuszonego skoku temperatury.
  • Stała czasowa [t09]: jest to czas, po którym czujnik temperatury wskaże 90% wartości wymuszonego skoku temperatury.

Czasy odpowiedzi wyznaczane są dla następujących warunków:

Stała czasowa czujników temperatury
Stała czasowa czujników temperatury

w powietrzu:

  • prędkość przepływu: V = 3 ± 0,3m/s
  • temperatura powietrza: To = 10÷30°C
  • skok temperatury: ∆T = 10÷20°C
  • min. zanurzenie = (długość + 15 średnic części czułej czujnika)

w wodzie:

  • prędkość przepływu: V = 0,4 ± 0,05 m/s
  • temperatura początkowa: To = 5÷30°C
  • skok temperatury: ∆T = 10°C
  • min. zanurzenie = (długość + 5 średnic części czułej czujnika)
Obciążalność typowych osłon termometrycznych.

Dopuszczalne obciążenia osłon w warunkach pracy czujników temperatury zależą od ciśnienia mierzonego ośrodka, temperatury, prędkości przepływu, średnicy osłony, długości osłony [L], materiału z jakiego są wykonane. Wartości podane na wykresach obliczono dla wody i pary wodnej przy zamocowaniu osłon prostopadłym do osi rurociągu.

  • Średnica osłon czujnika: ∅6, ∅8, ∅9, ∅10mm
Czujniki temperatury - obciążalność osłon o średnicy: ∅6, ∅8, ∅9, ∅10mm
Obciążalność osłon o średnicy: ∅6, ∅8, ∅9, ∅10mm

Dopuszczalna prędkość przepływu:
– para – 25m/s
– woda – 3m/s
Dopuszczalny moment dokręcenia łącznika – 49Nm

  • Średnica osłon czujnika: ∅11, ∅12, ∅15mm
Czujniki temperatury  - obciążalność osłon o średnicy: ∅11, ∅12, ∅15mm
Obciążalność osłon o średnicy: ∅11, ∅12, ∅15mm

Dopuszczalna prędkość przepływu:
– para – 40m/s
– woda – 5m/s
Dopuszczalny moment dokręcenia łącznika – 98Nm

  • Montaż czujników temperatury.

Czujniki temperatury należy montować w miejscach umożliwiających łatwą obsługę i konserwację. Czujniki należy montować w taki sposób aby miały odpowiedni kontakt z mierzonym medium.
Zalecana długość montażowa czujników:

  • w przepływającej wodzie: min. 6-8 średnic osłony zewnętrznej czujnika,
  • w przepływającym powietrzu: min. 10-15 średnic osłony zewnętrznej czujnika.

Przykładowe sposoby montażu czujnika temperatury zostały pokazane poniżej:

  • montaż prostopadły do kierunku przepływu,
  • montaż pod kątem do kierunku przepływu,
  • montaż w kolanie.
Czujniki temperatury  - zalecane sposoby montażu
Zalecane sposoby montażu czujników temperatury

Podczas montażu w rurociągu zalecane jest aby element pomiarowy czujnika temperatury znajdował się w osi przepływu.