Charakterystyka i zastosowania termoparowych czujników temperatury.

Czujniki termoelektryczne, czyli termopary, należą do najczęściej stosowanych czujników temperatury w przemyśle i badaniach. Wykorzystują zjawisko termoelektryczne powstające w obwodzie zbudowanym z dwóch różnych materiałów przewodzących i mogą pracować w bardzo szerokim zakresie temperatur, zależnym od typu termoelektrod, konstrukcji sondy i warunków środowiskowych.

Termopary znajdują zastosowanie między innymi w przetwórstwie polimerów, energetyce, hutnictwie, lotnictwie, laboratoriach i aparaturze wysokotemperaturowej. O dokładności całego pomiaru decyduje nie tylko typ termopary, ale również konstrukcja spoiny, osłona, przewody, kompensacja zimnego złącza, elektronika pomiarowa i sposób montażu czujnika.

W artykule przedstawiamy zasadę działania termopar, kompensację złącza odniesienia, klasy tolerancji i charakterystyki typów K, J, T, E, N, R, S, B, C i A według IEC 60584-1, a także specjalistyczne kombinacje D i Platinel II. Omawiamy również dobór termopary do procesu wytłaczania oraz różnicę pomiędzy pomiarem temperatury cylindra i rzeczywistej temperatury stopu.

Termoparowe czujniki temperatury w procesie wytłaczania polimerów

Temperatura jest jednym z podstawowych parametrów procesu wytłaczania. Wpływa na lepkość stopu, przebieg uplastyczniania, homogenizację, stabilność przepływu, degradację termiczną materiału i jakość wyrobu. Sam odczyt temperatury strefy grzejnej nie opisuje jednak wprost temperatury tworzywa. Czujnik umieszczony w cylindrze, adapterze lub głowicy może mierzyć temperaturę ścianki, temperaturę elementu konstrukcyjnego albo – przy odpowiedniej konstrukcji i głębokości zanurzenia – temperaturę samego stopu.

Dlatego dobór czujnika należy rozpatrywać razem z miejscem montażu, geometrią sondy, czasem odpowiedzi oraz sposobem interpretacji sygnału. Szerszy kontekst diagnostyki procesu – obejmujący również ciśnienie, moment obrotowy, siłę osiową, wydajność i energię – opisano w artykule monitorowanie parametrów procesu wytłaczania.

W typowych zastosowaniach przetwórstwa polimerów najczęściej spotyka się termopary typu K i J, a w układach wymagających lepszej stabilności w podwyższonej temperaturze również typ N. Typ T jest bardzo dobrym rozwiązaniem dla niższych temperatur, natomiast termopary R, S i B stosuje się przede wszystkim w aplikacjach wysokotemperaturowych. Termopary wolframowo-renowe C, A oraz niestandardowe kombinacje określane handlowo jako typ D są rozwiązaniami specjalistycznymi i nie są przeznaczone do typowej pracy w powietrzu w klasycznych procesach wytłaczania.

Termopara czy Pt100/Pt1000?

Termopara i rezystancyjny czujnik temperatury RTD nie są rozwiązaniami zamiennymi w każdym zastosowaniu. Termopara wytwarza niewielkie napięcie termoelektryczne wynikające z różnicy temperatur, natomiast czujnik Pt100 lub Pt1000 zmienia swoją rezystancję wraz z temperaturą.

Tabela 1. Porównanie właściwości termopar i rezystancyjnych czujników Pt100/Pt1000.

Szczegółową charakterystykę czujników rezystancyjnych przedstawiono w osobnym opracowaniu: Pt100 i Pt1000 – charakterystyka, tabela i zastosowania.

Zasada działania termopary – efekt Seebecka i złącze odniesienia

Termopara jest układem dwóch różnych przewodników, nazywanych termoelektrodami. Gdy w przewodnikach występuje gradient temperatury, powstaje siła termoelektryczna wynikająca z efektu Seebecka. Wbrew często spotykanemu uproszczeniu napięcie nie jest „wytwarzane przez spoinę” jako pojedynczy punkt – powstaje w odcinkach termoelektrod znajdujących się w gradiencie temperatury. Złącze pomiarowe zapewnia elektryczne połączenie termoelektrod. Sygnał termopary nie jest liniowo proporcjonalny do jednej temperatury absolutnej. Jest funkcją temperatury złącza pomiarowego i temperatury złącza odniesienia, a zależność napięcia od temperatury jest nieliniowa i charakterystyczna dla danej pary materiałów.

Tablice i funkcje odniesienia termopar według IEC 60584-1 są zdefiniowane dla złącza odniesienia o temperaturze 0°C. W rzeczywistym urządzeniu pomiarowym zaciski termopary zwykle znajdują się w temperaturze otoczenia, dlatego przyrząd musi znać temperaturę tych zacisków i matematycznie skorygować wynik. Proces ten nazywa się kompensacją zimnego złącza, kompensacją złącza odniesienia lub CJC – Cold Junction Compensation.

W nowoczesnych miernikach, regulatorach i modułach wejściowych temperaturę zacisków mierzy najczęściej dodatkowy czujnik temperatury umieszczony w możliwie izotermicznym obszarze terminala. Dokładność CJC jest składnikiem całkowitego błędu toru pomiarowego. Dlatego nawet termopara wykonana z przewodów o małej tolerancji nie zagwarantuje poprawnego wyniku, jeśli wejście pomiarowe jest nagrzewane nierównomiernie, występują niekontrolowane złącza różnych metali albo zastosowano niewłaściwy przewód przedłużający.

Kalkulator termopar: temperatura ↔ napięcie termoelektryczne

Poniższy kalkulator pozwala przeliczać temperaturę na siłę termoelektryczną oraz napięcie na temperaturę dla typów K, J, T, E, N, R, S i B. Można również podać rzeczywistą temperaturę złącza odniesienia, dzięki czemu narzędzie uwzględnia zasadę kompensacji zimnego złącza. Wynik należy traktować jako wartość wynikającą z funkcji referencyjnej ITS-90, a nie jako deklarację dokładności konkretnego czujnika.

Spoina pomiarowa: odizolowana, uziemiona i wyeksponowana

Konstrukcja spoiny pomiarowej ma bezpośredni wpływ na czas odpowiedzi, odporność mechaniczną, separację galwaniczną i podatność toru pomiarowego na zakłócenia.

Rys. 1. Przykładowe konstrukcje spoin pomiarowych czujników termoelektrycznych.

• Spoina odizolowana od płaszcza – termoelektrody są elektrycznie oddzielone od metalowej osłony. Rozwiązanie ogranicza ryzyko pętli masy i jest korzystne w układach o dużym poziomie zakłóceń elektrycznych. Zwykle reaguje nieco wolniej od spoiny uziemionej o podobnej geometrii.
• Spoina uziemiona do płaszcza – złącze pomiarowe ma kontakt elektryczny z osłoną. Pozwala zwykle uzyskać krótszy czas odpowiedzi, ale wymaga właściwego rozwiązania potencjałów i uziemienia całego toru.
• Spoina wyeksponowana – złącze znajduje się bezpośrednio w medium. Zapewnia bardzo małą bezwładność cieplną, lecz praktycznie nie chroni termoelektrod przed oddziaływaniem mechanicznym, chemicznym i ściernym. W przepływie stopionego polimeru jej zastosowanie jest zwykle ograniczone.

Zakres referencyjny a rzeczywisty zakres pracy sondy

Przy termoparach trzeba rozróżnić trzy różne pojęcia: zakres funkcji referencyjnej, zakres obowiązywania tolerancji oraz rzeczywisty zakres pracy gotowego czujnika. Nie są to wartości tożsame. Norma może definiować funkcję napięcie–temperatura dla bardzo szerokiego zakresu, lecz konkretna sonda może mieć znacznie niższą temperaturę graniczną ze względu na średnicę termoelektrod, materiał płaszcza, izolację mineralną, osłonę, atmosferę, drgania i wymagany czas eksploatacji.

W praktyce technologicznej temperaturę dopuszczalną należy więc dobierać z dokumentacji kompletnego czujnika, a nie tylko z litery oznaczającej typ termopary.

Typy termopar według IEC 60584-1

IEC 60584-1:2013 definiuje funkcje odniesienia i tolerancje dla dziesięciu typów literowych: R, S, B, J, T, E, K, N, C i A. W obecnej normie wymagania dotyczące funkcji EMF i tolerancji są połączone w części 1; dawne odwołanie do IEC 60584-2 nie jest już właściwym odniesieniem dla współczesnego opisu klas tolerancji.

Tabela 2. Typy termopar objęte IEC 60584-1:2013 i zakresy ich funkcji referencyjnych.

Uwaga: podane zakresy są zakresami funkcji referencyjnych IEC, a nie gwarantowanymi temperaturami ciągłej pracy kompletnej sondy. Klasy tolerancji i zakresy ich obowiązywania zestawiono osobno w tabeli 3.

Ważne dla typu K: IEC 60584-1:2013 ogranicza zakres wielomianu referencyjnego typu K do 1300°C. W starszych tablicach i niektórych materiałach można spotkać wartość 1372°C; nie należy jej automatycznie przenosić do tabeli opisanej jako zgodna z aktualnym IEC 60584-1.

Jak czytać poniższe wykresy: napięcie termoelektryczne odnosi się do złącza odniesienia utrzymywanego w temperaturze 0°C. W przypadku typów K, J, T, E i N zachowane wykresy pokazują przede wszystkim dodatnią część charakterystyki. Nie oznacza to, że funkcja referencyjna tych termopar zaczyna się od 0°C – ich pełne zakresy referencyjne podano w tabeli powyżej.

Termopara typu K – NiCr/NiAl

Typ K jest najczęściej stosowaną termoparą przemysłową. Łączy szeroki zakres temperatury, dobrą czułość, dużą dostępność i korzystny koszt. W wytłaczarkach występuje w pomiarze temperatury stref cylindra, adapterów, głowic, dysz oraz w sondach przeznaczonych do pomiaru stopu.

W wysokiej temperaturze i przy małej dostępności tlenu może występować zjawisko selektywnego utleniania chromu, określane jako green rot, prowadzące do dryftu i degradacji dodatniej termoelektrody. Typ K wykazuje także efekty uporządkowania krótkiego zasięgu stopu Ni-Cr podczas cykli cieplnych, które mogą powodować odwracalne zmiany charakterystyki. W zastosowaniach wymagających lepszej stabilności długoterminowej w podwyższonej temperaturze często korzystniejszy jest typ N.

Rys. 2. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu K – dodatnia część zakresu, złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu J – Fe/CuNi

Termopara J wykorzystuje żelazo jako termoelektrodę dodatnią i stop miedź–nikiel jako elektrodę ujemną. Jest rozwiązaniem ekonomicznym i charakteryzuje się stosunkowo wysoką czułością. Jej istotnym ograniczeniem jest żelazna elektroda dodatnia, podatna na utlenianie i oddziaływanie niektórych atmosfer procesowych.

Funkcja referencyjna IEC sięga do 1200°C, jednak nie oznacza to, że typowa przemysłowa sonda J powinna być stale eksploatowana w takiej temperaturze. IEC zwraca również uwagę, że po użyciu typu J powyżej 760°C jego późniejsza zgodność z dolną częścią funkcji odniesienia może ulec pogorszeniu. W przetwórstwie polimerów typ J pozostaje użyteczny przede wszystkim w umiarkowanych zakresach temperatury i w aplikacjach, w których jego ograniczenia materiałowe są akceptowalne.

Rys. 3. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu J – dodatnia część zakresu, złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu T – Cu/CuNi

Typ T wykorzystuje miedź jako termoelektrodę dodatnią. Jest szczególnie ceniony w niskich i umiarkowanych temperaturach, w tym w chłodnictwie, pomiarach laboratoryjnych oraz tam, gdzie istotna jest dobra powtarzalność w dolnej części zakresu. W przetwórstwie polimerów może być stosowany w układach chłodzenia, badaniach termicznych oraz procesach niewymagających temperatur przekraczających możliwości tej kombinacji materiałowej.

Rys. 4. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu T – dodatnia część zakresu, złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu E – NiCr/CuNi

Typ E ma jedną z największych sił termoelektrycznych spośród powszechnych termopar z metali nieszlachetnych. Dzięki temu przy tej samej zmianie temperatury generuje większą zmianę napięcia niż typ K czy N, co może być korzystne w układach pomiarowych o wymaganej dobrej rozdzielczości pomiaru małych zmian temperatury.

Stosuje się go zarówno w niskich, jak i umiarkowanie wysokich temperaturach. Ostateczna przydatność zależy jednak od materiału osłony, izolacji i środowiska pracy, a nie tylko od charakterystyki samych termoelektrod.

Rys. 5. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu E – dodatnia część zakresu, złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu N – Nicrosil/Nisil

Termopara N została opracowana jako stabilniejsza alternatywa do pracy w podwyższonej temperaturze dla typu K. Odpowiednio dobrany skład stopów oraz obecność krzemu zwiększają odporność na utlenianie i ograniczają niektóre mechanizmy dryftu charakterystyczne dla typu K.

W zastosowaniach, w których czujnik ma długo pracować przy wysokiej temperaturze, szczególnie w atmosferze utleniającej, typ N może być rozwiązaniem bardziej stabilnym niż K. Nie oznacza to jednak odporności na każde środowisko – w dalszym ciągu konieczny jest dobór odpowiedniej osłony i analiza wpływu atmosfery procesowej. Nie należy też zakładać, że każda dostępna handlowo odmiana typu N automatycznie przewyższy typ K: rzeczywista stabilność zależy od składu stopów, jakości drutu, konstrukcji i historii cieplnej czujnika.

Rys. 6. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu N – dodatnia część zakresu, złącze odniesienia 0°C.

Termopary typu R i S – platynowo-rodowe

Typy R i S należą do termopar z metali szlachetnych. W obu przypadkach jedną termoelektrodę stanowi platyna, a drugą stop platyny z rodem – odpowiednio około 13% Rh dla typu R i 10% Rh dla typu S. Ich zaletą jest dobra stabilność w wysokiej temperaturze, natomiast wadą są znaczny koszt i podatność na zanieczyszczenie w niewłaściwie dobranym środowisku.

Nie należy opisywać ich jako uniwersalnie „odpornych na korozję”. W wysokiej temperaturze wymagają czystych warunków pracy i odpowiednio dobranych osłon, najczęściej ceramicznych. Kontakt z metalami, krzemem, fosforem, niektórymi oparami i atmosferami redukującymi może prowadzić do zmian składu i dryftu charakterystyki.

Rys. 7. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu S, złącze odniesienia 0°C.

Rys. 8. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu R, złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu B – Pt30Rh/Pt6Rh

Typ B jest przeznaczony do bardzo wysokich temperatur. Obie termoelektrody są stopami platyny i rodu. Jego funkcja referencyjna rozpoczyna się od 0°C i sięga do 1820°C, jednak tolerancje IEC dla typu B są zdefiniowane dopiero od 600°C. Przy niskich temperaturach siła termoelektryczna typu B jest niewielka, dlatego nie jest to czujnik przeznaczony do precyzyjnych pomiarów w dolnym zakresie.

Typ B nie ma klasy 1 według IEC 60584-1. W aktualnej normie określono dla niego klasy 2 i 3 w zakresie 600…1700°C. Z tego powodu dotychczasowy wykres przedstawiający dla typu B klasy 1 i 2 nie powinien być traktowany jako wykres zgodny z aktualną klasyfikacją IEC.

Rys. 9. Charakterystyka termoelektryczna termopary typu B, złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu C – W5Re/W26Re

Typ C jest termoparą wolframowo-renową zdefiniowaną w IEC 60584-1. Funkcja referencyjna obejmuje zakres 0…2315°C, a tolerancja klasy 2 jest określona dla temperatur 426…2315°C. Jest to rozwiązanie do bardzo wysokich temperatur, ale jego zastosowanie wymaga odpowiednio kontrolowanej atmosfery.

Wolfram i stopy wolframowo-renowe nie są przeznaczone do wysokotemperaturowej pracy w atmosferze utleniającej. Typ C stosuje się przede wszystkim w próżni, atmosferach obojętnych lub innych warunkach niepowodujących szybkiego utleniania termoelektrod. Dlatego zakres referencyjny nie może być utożsamiany z dopuszczalnym zakresem dowolnej sondy pracującej w powietrzu.

Rys. 10. Charakterystyka termoelektryczna W5Re/W26Re (typ C), złącze odniesienia 0°C.

Termopara typu A – W5Re/W20Re

Typ A jest drugą wolframowo-renową kombinacją ujętą w IEC 60584-1. Zgodnie z normą składa się z W-5%Re jako termoelektrody dodatniej i W-20%Re jako ujemnej. Funkcja referencyjna obejmuje 0…2500°C, natomiast tolerancja klasy 2 jest określona dla zakresu 1000…2500°C.

Podobnie jak typ C, typ A jest rozwiązaniem specjalistycznym i wymaga środowiska kompatybilnego z wolframem oraz stopami W-Re. Nie jest typową termoparą do standardowych wytłaczarek polimerowych, ale ma znaczenie w aparaturze wysokotemperaturowej i specjalnych stanowiskach badawczych.

Typ D – W3Re/W25Re jako kombinacja niestandardowa

Kombinacja W-3%Re/W-25%Re jest powszechnie określana przez dostawców jako typ D, jednak nie jest literowym typem zdefiniowanym w IEC 60584-1. Jest natomiast opisywana w dokumentach ASTM dotyczących wolframowo-renowych materiałów termoparowych. W zastosowaniach technicznych należy więc odróżniać handlową nazwę „D” od formalnej klasyfikacji IEC.

Podobnie jak inne termopary wolframowo-renowe, kombinacja W3Re/W25Re jest przeznaczona do pracy w bardzo wysokiej temperaturze w środowisku nieutleniającym. Dobór osłony i atmosfery jest krytyczny dla trwałości czujnika.

Rys. 11. Charakterystyka termoelektryczna W3Re/W25Re, powszechnie określanej jako typ D, złącze odniesienia 0°C.

Platinel II – specjalistyczna termopara niestandardowa

Platinel II jest specjalistycznym systemem termoparowym, który nie należy do literowych typów IEC 60584-1. W dokumentacji ASTM jest ujmowany wśród termopar nieposiadających oficjalnego symbolu literowego. Dodatnia termoelektroda Platinel II jest stopem zawierającym w przybliżeniu 55% palladu, 31% platyny i 14% złota, natomiast termoelektroda ujemna – około 65% złota i 35% palladu.

Historycznie Platinel II opracowano jako kombinację o charakterystyce zbliżonej do typu K, ale o większej odporności na utlenianie i dobrej stabilności wysokotemperaturowej. W materiałach handlowych bywa nazywany „typem P”, jednak oznaczenie to nie jest literowym typem zdefiniowanym w IEC 60584-1. ASTM E1751/E1751M podaje dla Platinel II tablice EMF w zakresie 0…1395°C, ale nie należy przypisywać mu klas tolerancji IEC przeznaczonych dla termopar literowych. Wymaga użycia charakterystyki i danych właściwych dla Platinel II, a nie automatycznego traktowania go jako termopary typu K.

Rys. 12. Charakterystyka termoelektryczna Platinel II, złącze odniesienia 0°C.

Klasy tolerancji termopar według IEC 60584-1

Dla przejrzystości klasy zestawiono w jednej tabeli zamiast powielać osobne wykresy dla każdego typu. Ma to znaczenie zwłaszcza dla typów B, C i A: typ B nie ma klasy 1, a typy C i A mają w IEC 60584-1 tylko klasę 2 w określonych zakresach temperatury.

Aktualne IEC 60584-1 definiuje klasy tolerancji 1, 2 i 3, ale nie każda klasa występuje dla każdego typu termopary. Tolerancje dotyczą nowych materiałów termoparowych. Nie obejmują dryftu powstającego podczas eksploatacji, zmian składu stopów, zanieczyszczeń, wpływu osłony ani błędów układu pomiarowego.

Jeżeli norma podaje dwie wartości tolerancji – wartość stałą i wartość proporcjonalną do temperatury – obowiązuje większa z nich.

Tabela 3. Klasy tolerancji i zakresy ich obowiązywania według IEC 60584-1:2013.

Jak czytać tabelę: dla pozycji zapisanych jako wartość stała „lub” składnik proporcjonalny obowiązuje większa z tych dwóch wartości. Temperatura t jest wyrażona w °C według ITS-90. Tolerancje odnoszą się do nowych materiałów termoparowych i nie obejmują dryftu powstającego podczas eksploatacji.

Dodatkowe zastrzeżenia IEC: dla typów E, K i N spełnienie klasy 3 równocześnie z klasą 1 lub 2 może wymagać selekcji materiału. Dla typu T jeden materiał może nie spełniać jednocześnie wymagań klasy 2 i 3 w całych podanych zakresach. Zakres klasy tolerancji nie jest rekomendowanym zakresem ciągłej pracy gotowej sondy.

Przewody przedłużające i kompensacyjne – IEC 60584-3

Termopary nie należy po prostu przedłużać przypadkowym przewodem miedzianym od czujnika do wejścia regulatora. Przejście z materiałów termoparowych na miedź jest poprawne dopiero wtedy, gdy zostało celowo zaprojektowane w obszarze odniesienia o znanej, możliwie jednorodnej temperaturze i uwzględnione przez układ kompensacji złącza odniesienia. Niekontrolowane połączenie różnych metali w gradiencie temperatury może wprowadzić dodatkową siłę termoelektryczną i błąd pomiaru.

W praktyce stosuje się dwa podstawowe rodzaje przewodów:

• przewody przedłużające – wykonane z materiałów o zasadniczo tej samej charakterystyce termoelektrycznej jak odpowiadające im termoelektrody; oznaczenia często zawierają literę X,
• przewody kompensacyjne – wykonane z innych, tańszych stopów, których charakterystyka w określonym zakresie temperatury odpowiada charakterystyce wymaganej dla danej termopary; oznaczenia zawierają zwykle literę C.

Aktualnym głównym odniesieniem dla tolerancji i systemu identyfikacji przewodów przedłużających i kompensacyjnych jest IEC 60584-3:2021. Norma ta określa wymagania dla przewodów stosowanych w przemysłowych układach pomiarowych w odniesieniu do charakterystyk IEC 60584-1.

Przy prowadzeniu przewodów należy zachować poprawną polaryzację, unikać przypadkowych przejść na inne materiały, kontrolować temperaturę złączy i ograniczać sprzęganie zakłóceń elektromagnetycznych. W otoczeniu falowników, silników, grzałek sterowanych impulsowo i przewodów mocy znaczenie ma również ekranowanie, sposób uziemienia ekranu i separacja trasy sygnałowej.

Oznaczenia kolorystyczne przewodów według IEC 60584-3:2021

W aktualnym systemie IEC przewód ujemny jest oznaczany kolorem białym dla wszystkich typów termopar. Kolor izolacji żyły dodatniej oraz – jeżeli występuje – płaszcza zewnętrznego identyfikuje typ termopary. Wydanie IEC 60584-3:2021 obejmuje również typy C i A, których nie było w starszym wydaniu z 2007 r.

Tabela 4. Oznaczenia kolorystyczne przewodów przedłużających i kompensacyjnych według IEC 60584-3:2021.

* Jeżeli przewód ma płaszcz zewnętrzny, IEC przewiduje dla niego kolor odpowiadający typowi termopary. Gdy mogłoby to powodować konflikt z innym systemem oznaczeń kabli, norma dopuszcza oznaczenie koloru innym sposobem, np. etykietą lub znacznikiem.

Jak czytać oznaczenia: litera X oznacza przewód przedłużający o tym samym nominalnym składzie przewodników co odpowiadająca mu termopara. Litera C oznacza przewód kompensacyjny wykonany z innych materiałów. Dodatkowe litery, np. A lub B w oznaczeniach RCA/RCB, KCA/KCB i ACA/ACB, rozróżniają warianty o innych zakresach temperatury i/lub tolerancjach.

Typ B: IEC 60584-3:2021 dopuszcza zastosowanie kabla z dwiema żyłami miedzianymi. W zakresie temperatury kabla 0…100°C oczekiwane maksymalne dodatkowe odchylenie wynosi 40 µV, co odpowiada około 3,5°C przy temperaturze złącza pomiarowego 1400°C.

Nie należy identyfikować termopary wyłącznie na podstawie kolorów bez ustalenia zastosowanej normy. Systemy IEC, ANSI/ASTM i inne standardy krajowe stosują odmienne oznaczenia barwne, dlatego kolor przewodu ma znaczenie tylko razem z informacją o zastosowanym standardzie.

Budowa termopary płaszczowej i materiał osłony

W przemyśle bardzo często stosuje się termopary płaszczowe z izolacją mineralną. Termoelektrody są prowadzone wewnątrz metalowej osłony i oddzielone od siebie oraz od płaszcza zagęszczonym materiałem izolacyjnym, najczęściej tlenkiem magnezu. Konstrukcja taka pozwala uzyskać małą średnicę, dobrą odporność na drgania i możliwość wykonania sond o różnej długości.

Materiał osłony należy dobierać do temperatury, składu chemicznego medium, obecności ściernych napełniaczy, ciśnienia, wymagań higienicznych i przewidywanej trwałości. Stal nierdzewna jest typowym rozwiązaniem dla umiarkowanych warunków, ale w wysokiej temperaturze lub agresywnym środowisku mogą być potrzebne stopy niklu, odpowiednie ceramiki albo inne materiały specjalne.

Osłony metalowe

Zapewniają dobrą odporność mechaniczną i łatwy montaż. W procesach wytłaczania istotne są odporność na ścieranie, kontakt z dodatkami chemicznymi i możliwość okresowego demontażu sondy.

Osłony ceramiczne

Stosuje się je przede wszystkim przy bardzo wysokich temperaturach i w czujnikach z termoelektrodami szlachetnymi. Dobra czystość materiału ceramicznego ogranicza ryzyko zanieczyszczenia termoelementów.

Materiały wysokotemperaturowe

W aplikacjach specjalnych stosuje się osłony z materiałów ogniotrwałych i wysokotemperaturowych, jednak ich dobór musi uwzględniać zgodność chemiczną z atmosferą. Sam wysoki punkt topnienia materiału nie oznacza automatycznie odporności na utlenianie lub korozję w danym procesie.

Rys. 13. Przykładowa budowa termopary płaszczowej.

Najczęstsze źródła błędów pomiaru termoparą

Całkowity błąd układu pomiarowego jest szerszym pojęciem niż tolerancja samego drutu termoparowego. W praktyce należy uwzględnić co najmniej:

• błąd kompensacji zimnego złącza – szczególnie gdy terminal ma duży gradient temperatury,
• niewłaściwy przewód przedłużający lub kompensacyjny albo odwróconą polaryzację,
• dodatkowe złącza różnych metali znajdujące się w niekontrolowanej temperaturze,
• dryft termoelektrod wskutek starzenia, utleniania, redukcji, zanieczyszczenia i cykli cieplnych,
• przewodzenie ciepła wzdłuż osłony, które może przesuwać temperaturę spoiny w kierunku temperatury elementów montażowych,
• zbyt małą głębokość zanurzenia lub niewłaściwe położenie końcówki względem strumienia stopu,
• bezwładność cieplną osłony powodującą opóźnienie względem rzeczywistej zmiany procesu,
• zakłócenia elektryczne i pętle masy, szczególnie w układach z napędami falownikowymi i sterowaniem grzałek,
• niejednorodność termoelektrod powstającą podczas długiej pracy w gradientach temperatury.

Pomiar temperatury cylindra i pomiar temperatury stopu to dwa różne pomiary

W wytłaczarce czujnik umieszczony w otworze cylindra najczęściej informuje o temperaturze strefy konstrukcyjnej, która jest wynikiem bilansu pomiędzy grzaniem, chłodzeniem, przewodzeniem ciepła i energią generowaną przez ścinanie materiału. Nie należy automatycznie interpretować tej wartości jako temperatury całej objętości stopu.

Pomiar temperatury stopu wymaga kontaktu części pomiarowej ze strumieniem materiału lub konstrukcji, która możliwie dobrze reprezentuje jego temperaturę. W takim przypadku trzeba uwzględnić głębokość zanurzenia, prędkość przepływu, czas odpowiedzi, ścieranie powierzchni czujnika oraz możliwość zaburzania przepływu przez samą sondę.

W badaniach laboratoryjnych szczególnie wartościowe jest porównywanie temperatury ustawionej, temperatury ścianki i rzeczywistej temperatury stopu. Pozwala to rozdzielić wpływ grzałek od ogrzewania mechanicznego generowanego przez ścinanie. Ma to znaczenie m.in. podczas badań materiałów technicznych, kompozytów, biopolimerów, koncentratów oraz materiałów do produkcji filamentu. Z tego powodu odpowiednio zaprojektowany tor pomiarowy jest istotnym elementem wyposażenia wytłaczarek laboratoryjnych.

Jak dobrać termoparę do procesu?

Dobór powinien zaczynać się od procesu, a nie od samej litery typu termopary. Należy określić:

• oczekiwany zakres temperatury roboczej i temperatury awaryjnej,
• rodzaj mierzonego obiektu – ścianka, powierzchnia, gaz, ciecz, stop polimerowy lub element grzejny,
• wymagany czas odpowiedzi,
• atmosferę i możliwość występowania składników utleniających, redukujących, siarki, wodoru albo zanieczyszczeń,
• obciążenie mechaniczne, wibracje i ścieranie,
• średnicę, długość i materiał osłony,
• rodzaj spoiny – izolowana, uziemiona lub wyeksponowana,
• wymaganą klasę tolerancji i potrzebę okresowej kalibracji,
• rodzaj przewodu przedłużającego lub kompensacyjnego,
• dokładność wejścia pomiarowego oraz kompensacji zimnego złącza.

Dopiero po zdefiniowaniu tych warunków można właściwie wybrać typ termoelektrod. W typowym przetwórstwie polimerów wybór często kończy się na typie K, J lub N, ale w precyzyjnym stanowisku laboratoryjnym równie ważne mogą być konstrukcja sondy i jakość toru pomiarowego jak sam typ termopary.

Podsumowanie

Termopara jest prostym konstrukcyjnie, ale metrologicznie złożonym czujnikiem temperatury. Poprawny pomiar wymaga nie tylko właściwego zestawu termoelektrod, lecz także odpowiedniej spoiny, osłony, przewodu, kompensacji zimnego złącza i właściwego umieszczenia sondy w procesie.

IEC 60584-1 definiuje obecnie typy R, S, B, J, T, E, K, N, C i A oraz ich funkcje odniesienia i tolerancje. Typ D i Platinel II są natomiast kombinacjami specjalistycznymi opisanymi poza systemem literowym IEC i nie powinny być przedstawiane jako równorzędne standardowe typy tej normy.

W procesie wytłaczania najważniejsze jest rozróżnienie temperatury elementu konstrukcyjnego od rzeczywistej temperatury stopu. Dopiero zestawienie temperatury z ciśnieniem, momentem obrotowym, wydajnością i innymi parametrami pozwala pełniej ocenić stan procesu i powtarzalność warunków przetwarzania.

Normy i źródła techniczne

• IEC 60584-1:2013 – Thermocouples – Part 1: EMF specifications and tolerances.
• IEC 60584-3:2021 – Thermocouples – Part 3: Extension and compensating cables – Tolerances and identification system.
• BIPM, Guide on Secondary Thermometry – Thermocouple Thermometry: 1. General Usage, wersja 2.0 (2025).
• NIST Monograph 175 – Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90.
• ASTM E696-23 – Standard Specification for Tungsten-Rhenium Alloy Thermocouple Wire.
• ASTM E1751/E1751M-20 – Standard Guide for Temperature-Electromotive Force (EMF) Tables for Non-Letter Designated Thermocouple Combinations.