Pomiar temperatury może być dokonywany się za pomocą różnych typów czujników temperatury, zarówno czujników rezystancyjnych (RTD), jak i czujników termoelektrycznych. Czujniki termoelektryczne (inaczej termopary) to jedna z grup czujników temperatury, które służą do pomiaru i kontroli temperatury. Termopary służą głównie do pomiaru temperatury w zakresie wysokiej i bardzo wysokiej temperatury. Termopary do pomiaru temperatury wykorzystują zjawisko Seebecka.
Zjawisko Seebecka to zjawisko termoelektryczne, które polega na powstawaniu siły elektromotorycznej (termoelektrycznej) w obwodzie składającym się z dwu różnych metali, stopów metali lub półprzewodników, gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Powstające napięcie termoelektryczne termopary jest proporcjonalne do mierzonej temperatury oraz typu termoelementu pomiarowego (termopary). Napięcie termoelektryczne generowane przez termopary zmienia się wraz ze zmianą temperatury, im wyższa jest temperatura mierzona, tym powstaje wyższe napięcie termoelektryczne. Napięcie termoelektryczne generowane przez termopary zależy nie tylko od mierzonej temperatury, ale zależy również od materiałów z jakich wykonane zostały druty termopary. Termopara składa się z dwóch drutów termoparowych (tzw. termoelektrod), każdy z drutów termopary wykonany jest z innego materiału (metalu lub stopu metali). Miejsce połączenia dwu drutów termopary nazywa się „spoiną pomiarową” zaś wolne końce „zimnymi końcami”. W zastosowaniach przemysłowych najczęściej stosuje się termopary typu: J, K, L, N, E, T oraz termopary platynowe typu: S, R oraz B.
W zależności od zastosowanych materiałów termopara może generować różne napięcie termoelektryczne. Zależności pomiędzy napięciem generowanym przez termoparę, a temperaturą opisują odpowiednie normy. W Polsce obowiązuje PN-EN60584-1: 2014-04, która opisuje wartości siły termoelektrycznej dla poszczególnych termopar oraz dopuszczalne odchyłki (patrz “Charakterystyki termometryczne dla czujników termoelektrycznych typu J, K, N, T, S, R i B)“).
Podstawową zaletą czujników termoelektrycznych jest ich prosta budowa, wysoka trwałość, szybki czas odpowiedzi oraz możliwość stosowania w znacznie wyższych temperaturach niż czujniki rezystancyjne. Termopary jednak wymagają do podłączenia specjalnych przewodów termoparowy, kompensacyjnych i przedłużających oraz specjalnych złącz skompensowanych (są to różnego typu wtyki i gniazda termoparowe). Przewody kompensacyjne, przedłużające i złącza skompensowane są wykonywane ze specjalnych materiałów, które są inne dla każdej termopary. Typowo czujniki termoelektryczne wykonywane są w dwóch klasach dokładności, w klasie 1 (wyższa) oraz klasie 2 (podstawowa). Dopuszczalne odchyłki opisane są w nomie PN-EN60584. Na życzenie produkowane są również termopary o specjalnej tolerancji (zgodnie z normą AMS2750F). Są to termopary, których maksymalny błąd pomiarowy pomiędzy poszczególnymi termoparami wynosi max +/-1,1°C (+/-0,4%) w całym zakresie pomiarowym. Termopary wykonane wg AMS2750F stosowane są głównie w urządzeniach i liniach produkcyjnych do obróbki cieplnej muszących spełniać wysokie wymagania jakościowe, co, do jakości produktu końcowego (NADCAP, CQI-9, TUS i inne). Głównym odbiorcą termopar wykonanych wg AMS2750F jest przemył lotniczy i motoryzacyjny.
Najczęściej używane typy czujników termoelektrycznych tej grupy to termopary typu: J, K, E, K, T i N, które wykorzystują powszechnie dostępne metale oraz ich stopy, takie jak: nikiel, miedź i żelazo (bez metali szlachetnych). Zakres stosowania standardowych czujników termoelektrycznych w zależności od typu termopary mieści się w przedziale -200…1200°C.
Drugą grupę czujników termoelektrycznych stanowią termopary wysokotemperaturowe (tzw. termopary platynowe). Termopary platynowe wykonane z metali szlachetnych, głównie platyny oraz stopu platyny i rodu. Termopary te to termopary typu B (PtRh30-PtRh6), R (PtRh13-Pt) i S (PtRh10-Pt), różnią się one głównie zawartością rodu, z co za tym idzie temperaturą pracy. Czujniki platynowe przeznaczone są głównie do pomiaru wysokiej temperatury, w zakresie do +1600°C (termopary typu R i S) oraz do +1800°C (termopary typu B).
Termopary platynowe są znacznie droższe niż standardowe termopary typu E, J, K, L, T i N oraz łatwo je można uszkodzić, ponieważ są umieszczane są w osłonach ceramicznych. Nie zaleca się stosowanie termopar platynowych bez odpowiednich osłon (zazwyczaj ceramicznych), gdyż powyżej 960°C do spoiny pomiarowej mogą dyfundować niektóre związki, które mogą zmieniać (zatruwać) charakterystykę termometryczną termopary. Ponadto termopary platynowe nie powinno się umieszczać bezpośrednio w osłonach metalowych (bez odpowiednich osłon 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 mogą służyć do pomiaru temperatury w zakresie nawet do 2300°C.
Osobną grupę termopar przemysłowych stanowią tak zwane termopary płaszczowe (tzw. płaszczowe czujniki temperatury), które różnią się od termopar standardowych tylko technologią wykonania.
Ze względu na budowę i cechy użytkowe osobną grupę czujników termoelektrycznych stanową termopary płaszczowe (tzw. czujniki płaszczowe). Szczególne wymaganie techniczne doprowadziły do opracowania czujników płaszczowych (tzw. termopar płaszczowych). Termopary płaszczowe charakteryzują się niewielkimi wymiarami, wysoką rezystancją izolacji oraz o dużą odpornością na agresywne środowisko. Posiadają ponadto możliwością swobodnego kształtowania osłony (płaszcza z którego są wykonane).
Termopary płaszczowe zbudowane są z:
Czujniki płaszczowe (termopary) posiadają na jednym końcu zespawane druty termoparowe, które tworzą spoinę pomiarową. Spoina pomiarowa może być odizolowana od płaszcza, zespawana z płaszczem lub też w ogóle nieosłonięta. Drugi koniec termopary płaszczowej jest zakończony odpowiednim przyłączem elektrycznym, które może być w postaci:
Termopary płaszczowe posiadają wiele zalet, które je charakteryzuje:
Dzięki odpowiedniej budowie i silnemu sprasowaniu izolacji, termopary płaszczowe są bardzo giętkie i mogą być dowolnie kształtowane przez użytkownika przy zachowaniu określonego promienia gięcia. Zalecany promień gięcia termopary płaszczowej to min. 3 średnice zewnętrzne płaszcza, z którego jest wykonana. Mała średnica zewnętrzna płaszcza termopary umożliwia pomiar temperatury w miejscach trudnodostępnych oraz wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba zastosowania czujników temperatury o dużej odporności na drgania i wstrząsy, a zarazem o krótkim czasie reakcji na zmianę temperatury.
Aby dobrać odpowiednie wykonanie termopary należy określić następujące elementy:
Średnica termopary płaszczowej:
Średnica płaszcza decyduje o żywotności termopary, odporności na temperaturę i warunki panujące w mierzonym środowisku oraz o jej czasie reakcji. Przy doborze średnicy należy wybrać kompromis pomiędzy:
| Typ termopary | Zakres [°C] Klasa 2 |
Odchyłki [°C] Klasa 1 |
Zakres [°C] Klasa 2 |
Odchyłki [°C] Klasa 2 |
| Cu-CuNi (T) | –40…+125 +125…+350 |
±0,5 ±0,004 |t| |
–40…+133 +133…+350 |
±1 ±0,0075 |t| |
| NiCr-CuNi (E) | –40…+375 +375…+800 |
±1,5 ±0,004 |t| |
–40…+333 +333…+900 |
±2,5 ±0,0075 |t| |
| Fe-CuNi (J) | –40…+375 +375…+750 |
±1,5 ±0,004 |t| |
–40…+333 +333…+750 |
±2,5 ±0,0075 |t| |
| NiCr-Ni (K) | –40…+375 +375…+1000 |
±1,5 ±0,004 |t| |
–40…+333 +333…+1200 |
±2,5 ±0,0075 |t| |
| NiCrSi-NiSi (N) | –40…+375 +375…+1000 |
±1,5 ±0,004 |t| |
–40…+333 +333…+1200 |
±2,5 ±0,0075 |t| |
| PtRh13-Pt (R), PtRh10-Pt (S) | 0…+1100 +1100…+1600 |
±1,0 ±(1+0,003 (|t|-1100)) |
0…+600 +600…+1600 |
±1,5 ±0,0025 |t| |
| PtRh30-PtRh6 (B) | — | — | +600…+1700 | ±0,0025 |t| |
Spoina pomiarowa termopary jest to miejsce połączenia (zespawania) drutów termoparowych, jest to właściwa cześć pomiarowa czujnika termoelektrycznego. Spoina pomiarowa termopary może być wykonana na wiele różnych sposobów. Najczęstsze wykonania spoiny pomiarowej termopary to:
Podłączenie termopary z różnymi urządzeniami pomiarowymi ( miernikami, regulatorami oraz rejestratorami temperatury) odbywa się tylko przy pomocą specjalnych przewodów kompensacyjnych lub przedłużających (termoparowych). Przewody kompensacyjne są to przewody wykonane zazwyczaj materiału zastępczego, co przynależny im termoelement i mogą być stosowane w zakresie temperatury do 200°C. Natomiast przewody przedłużające (termoelektryczne) to przewody wykonane z tego samego materiału, co termopary.
Przewody kompensacyjne składają się ze stopów metali, które mają taką samą charakterystykę, co dana termopara w zakresie dopuszczalnej temperatury pracy dla przewodów kompensacyjnych (DIN43722). Przewody kompensacyjne są stosowane do termopary typu K i N oraz 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 temperatury odpowiadają napięciom termoelektrycznym dla termopary dla której są przewidziane (według PN-EN60584-1). Dopuszczalna tolerancja błędów 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 (norma DIN43722). Dla termopary typu B mogą być stosowane przewody miedziane w zakresie temperatury zimnych końców 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.
Podczas doboru typu termopary należy zwrócić głównie uwagę na następujące aspekty:
Czujniki termoelektryczne (termopary) wykonywane są w różnych obudowach, z różnymi przyłączami procesowymi i elektrycznymi. Ze względu na budowę czujniki dzieli się na klika kategorii:
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 i 10mm | |
 | Dopuszczalna prędkość przepływu:
|
| Średnica osłon czujnika: 11, 12, 14 i 15mm | |
 | Dopuszczalna prędkość przepływu:
|
Czujniki temperatury należy montować w miejscach umożliwiających łatwy dostęp, obsługę oraz konserwację. Termopary należy montować w taki sposób aby miały odpowiedni kontakt z mierzonym medium. Zalecana długości montażowe termopar wynoszą:
Przykładowe sposoby montażu termopar w rurociągu zostały pokazane poniżej:
Podczas montażu w rurociągu zalecane jest aby element pomiarowy czujnika temperatury znajdował się w osi przepływu.
Czujniki temperatury z osłonami ceramicznymi (termopary platynowe) powinny być montowane w miarę możliwości w miejscach łatwo dostępnych, umożliwiających obsługę i konserwację. Podczas pomiaru wysokich temperatur przy użyciu czujników o dużych długościach, czujniki powinny być montowane w pozycji pionowej. W przypadku konieczności montażu w pozycji poziomej należy stosować podpórki osłon, chroniące je przed wygięciem pod wpływem własnego ciężaru. Podczas montażu czujników z osłonami ceramicznymi na obiekcie już pracującym, w celu uniknięcia gwałtownego nagrzania osłony mogącego powodować jej pęknięcie, czujnik należy wprowadzać w gniazdo pomiarowe stopniowo.
Zalecana szybkość wprowadzania czujników temperatury z osłonami ceramicznymi:
W celu eliminacji błędu pomiarowego wynikającego z rozkładu temperatury należy stosować czujniki o większych długościach dla uzyskania korzystnego stosunku długości części zanurzonej w ośrodku do długości całkowitej, zaleca się również izolowanie cieplne wystających poza miejsce pomiaru części osłony.
ACSE Sp. produkuje głównie: termopary wysokotemperaturowe w osłonach ze stali żaroodpornej, termopary do bardzo wysokich temperatur w osłonach ceramicznych, termopary do obróbki cieplnej (hartowania, odpuszczania, odprężania, wyżarzania, itp.), termopary do wytopu metali, termopary do płynnego aluminium, termopary do płynnego szkła oraz wypału ceramiki. Ponadto produkujemy także termopary do wtryskarek, termopary do wytłaczarek, maszyn pakujących oraz zgrzewających, itp.
Zobacz również szeroką ofertę urządzeń do pomiaru, kontroli, regulacji, rejestracji oraz monitoringu temperatury w tym różnego rodzaju: mierniki temperatury, termoregulatory, rejestratory temperatury, itp. na naszej stronie lub stronie producenta Shinko Technos.
