Charakterystyka i zastosowania termoparowych czujników temperatury.

Czujniki termoelektryczne, czyli termopary to z grupa czujników temperatury, które służą do pomiaru temperatury w różnych procesach przemysłowych i badawczych. Termopary ze względu na swoje właściwości służą głównie do pomiaru temperatury w zakresie niskiej, średniej, wysokiej i bardzo wysokiej temperatury.

Termopary są często wykorzystywanymi czujnikami temperatury. Ze względu na prostą konstrukcję, odporność na ekstremalne warunki oraz szeroki zakres pomiarowy, termopary są powszechnie stosowane w wielu branżach. Termopary są standaryzowane i powszechnie wykorzystywane w przemyśle energetycznym, spożywczym, lotniczym, hutniczym oraz laboratoryjnym.

Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie danych technicznych i charakterystyk standardowych typów termopar: K, J, T, E, N, S, R i B, wraz z ich klasyfikacją dokładności (klasa 1 i 2) zgodnie z normą IEC 60584-2. Wybór termopary zależy od środowiska pracy, wymaganej dokładności i stabilności. Wybór odpowiedniego typu termopary ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia poprawności pomiarów temperatury w aplikacjach przemysłowych i naukowych.

Termoparowe czujniki temperatury w zakresie temperatur od - 200 ^oC do 2300 ^oC w procesie wytłaczania.

Termopara jest czujnikiem temperatury działającym na zasadzie efektu Seebecka - zjawiska termoelektrycznego generującego napięcie proporcjonalne do różnicy temperatur pomiędzy końcami dwóch różnych przewodników.

Zastosowania  termopar w procesie wytłaczania.

Zarówno termopary, jak i czujniki rezystancyjne odgrywają istotną rolę w procesie wytłaczania. Wybór odpowiedniego rodzaju czujnika zależy od konkretnego zastosowania, wymaganej precyzji oraz warunków pracy. Termopary są niezastąpione tam, gdzie liczy się szybka reakcja i odporność na wysoką temperaturę, natomiast czujniki RTD zapewniają wyjątkową dokładność w pomiarze temperatur w średnich zakresach.

W praktyce często stosuje się oba rodzaje czujników równolegle - termopary do  monitoringu i szybkiego wykrywania zmian, a czujniki rezystancyjne do dokładnej kontroli temperatury w krytycznych punktach procesu.

Zasada działania i budowa termopary.

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 dwóch różnych temperaturach. Powstające napięcie termoelektryczne termopary jest proporcjonalne do mierzonej temperatury oraz typu termoelementu pomiarowego. Napięcie termoelektryczne generowane przez termopary zmienia się proporcjonalnie wraz ze zmianą temperatury, im wyższa jest temperatura mierzona, tym napięcie termoelektryczne jest wyższe. Napięcie termoelektryczne generowane przez termopary zależy nie tylko od mierzonej temperatury, ale zależy również od rodzajów materiałów, z których wykonane są druty termopary. Termopara składa się z dwóch drutów termoparowych tzw. termoelektrod. Każdy z drutów termopary wykonany jest z innego metalu lub stopu metali. Miejsce połączenia dwu drutów termopary nazywa się „spoiną pomiarową” zaś wolne końce „zimnymi końcami”.

Rys.1. Spoiny pomiarowe czyjników termoelektrycznych (termopar).

• Spoina odizolowana od płaszcza: spoina pomiarowa termopary jest odizolowana galwanicznie od osłony czujnik, która jest szczelnie zamknięta. Jest to spoina, stosowana w ośrodkach przewodzących, gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne obwodu pomiarowego. Zalecana do stosowania, gdy termopara znajduje się w pobliżu urządzeń mogących wytwarzać pole elektromagnetyczne, które powoduje zakłócenia.
• Spoina uziemiona do płaszcza: spoina pomiarowa termopary jest połączona galwanicznie z płaszczem czujnika, która jest szczelna. Zapewnia to krótki czas reakcji na zmianę temperatury oraz zachowanie ochrony przed zewnętrznymi czynniki środowiska. Spoina uziemiona stosowana głównie w ośrodkach nieprzewodzących.
• Spoina wyeksponowana: spoina pomiarowa termopary jest wyeksponowana od osłony. Takie rozwiązanie zapewnia to bardzo szybki czas reakcji na zmianę temperatury. Wdą takiego rozwiązania jest brak ochrony drutów termopary na środowisko, w którym pracują.

W zastosowaniach przemysłowych najczęściej stosuje się termopary typu K, J, T, N, E, N oraz termopary platynowe typu S, R oraz B.
W zależności od zastosowanych materiałów termopary mogą generować różne napięcie termoelektryczne. Zależności pomiędzy napięciem generowanym przez termopary, a temperaturą opisują odpowiednie normy. W Polsce obowiązuje PN-EN60584-1: 2014-04, która opisuje wartości siły termoelektrycznej dla każdego typu termopary oraz ich dopuszczalne odchyłki.

Opis techniczny i charakterystyka termopar.

Norma IEC 60584-1 określa 8 głównych typów termopar, różniących się zakresem pracy, stabilnością oraz materiałami użytymi do ich budowy:

Typ K (Chromel-Alumel).

Termopara typu K- Wykonana jest ze stopu NiCr-Ni. Oferuje szeroki zakres temperatur (-100…+1000 ℃). Używana w atmosferze gazowej, gdzie występuje średnie lub zwiększone stężenie tlenu. W środowisku zbliżonym do próżni chrom migruje z połączenia, co sprawia, że odczyty temperatury są nieprecyzyjne. Podobnie, nie zaleca się używania typu K w zakresie +200…+500 ℃.

• Najpopularniejsza termopara uniwersalna.
• Wysoka odporność na utlenianie i długotrwałą eksploatację.
• Narażona na błędy EMF w atmosferach redukujących (np. próżni).

Rys.2. Klasy dokładności dla termopary typu K.

Typ J (Żelazo-Konstantan).

Termopara typu J - Wykonana jest z żelaza (Fe) w połączeniu konstantanem (CuNi). Ma niską cenę, zalecana do stosowania w rozrzedzonej atmosferze. Nie można używać w temperaturach poniżej 0 ℃ i powyżej +500 ℃. Niebezpiecznym elementem jest siarka, z którą kontakt prowadzi do zniszczenia przewodów.

• Starszy typ, obecnie wypierany przez typ K.
• Wysoka czułość, ale silna korozja żelaza w warunkach utleniających.
• Wrażliwa na błędy długoterminowe – wymaga regularnej kalibracji.

Rys.3. Klasy dokładności dla termopary typu J.

Typ T (Miedź-Konstantan).

Termopara typu T - Wykonana z Cu-CuNi. Można używać w temperaturach ujemnych, jednak +400˚ ℃ jest krytyczną temperaturą. Odporna na wilgoć, dobrze reaguje na składnik tlenowy. Przewody wyżarzane w celu zapewnienia jednorodności ich składu.

• Doskonała do pomiarów w niskich temperaturach (kriogenika).
• Bardzo stabilna i powtarzalna.
• Ograniczony zakres - nie nadaje się do wysokich temperatur.

Rys.4. Klasy dokładności dla termopary typu T.

Typ E (Chromel-Konstantan).

Termopara typu E – chromel i konstantan. Wykonana jest z ze stopu NiCr-CuNi. Znajduje zastosowanie w pomiarach niskich temperatur. Charakteryzuje się jednorodnością każdej elektrody. Pozwala na dokładne zmierzenie wartości temperaturowych.

• Najwyższa siła termoelektryczna spośród nieszlachetnych typów.
• Bardzo wysoka czułość, szczególnie w zakresie niskich temperatur.
• Mniej stabilna powyżej 900°C.

Rys.5. Klasy dokładności dla termopary typu E.

Typ N (Nicrosil-Nisil).

Termopara typu N - Wykonana jest ze stopów NiCrSi-NiSi. Prototypem była termopara K. Tutaj zastosowano dodatek krzemu, który zmniejsza zanieczyszczenie termopary w trakcie eksploatacji. Graniczna temperatura to +1200 ℃, jednak dokładny wskaźnik jest określany przez średnicę elektrod. Błąd w pomiarze wartości przy t= +200…+500 ℃ jest znacznie mniejszy niż w typie K. Jest to ulepszony typ termopary, uznawany za jeden z najlepszych wśród metali nieszlachetnych.

• Rozwinięcie typu K o wyższej odporności na dryf i utlenianie.
• Bardzo stabilna i odporna na wysokie temperatury.
• Zalecana do precyzyjnych aplikacji przemysłowych, np. w energetyce jądrowej.

Rys.6. Klasy dokładności dla termopary typu N.

Typ S, R, B (metale szlachetne).

• Czujnik temperatury Typu S (PtRh10-Pt): Termopary typu S, podobnie jak typ R, składają się z platyny (10% rodu) i platyny. Mają podobną czułość do termopar typu R i są również odporne na korozję. Są często stosowane w piecach przemysłowych z powodu ich stabilności w wysokich temperaturach. Może pracować w normalnym i utleniającym środowisku. Zalecany zakres pracy: +400…+1350 ℃, w okresie krótkoterminowym możliwe jest zwiększenie temperatury do +1750 ˚℃. Po osiągnięciu +900 ℃ zanieczyszcza się węglem, krzemem, wodorem. Elektrody umieszcza się w rurkach z tlenku glinu, bez domieszek.

Rys.7. Klasy dokładności dla termopary typu S.

• Czujnik temperatury typu R (PtRh13-Pt): Termopary typu R składają się z platyny (13% rodu) i platyny. Posiadają zakres pomiarowy aż to 1600°C. Mają wyższą czułość niż termopary typu B, szczególnie w niższych temperaturach. Są również odporne na korozję, ale nie tak bardzo jak termopary typu B. Termopara, podobna do opisanej wyżej, z maksymalną temperaturą eksploatacji do +1700 ℃, a średnią +1200…1400 ℃.

Rys.8. Klasy dokładności dla termopary typu R.

• Czujnik temperatury Typu B (PtRh30-PtRh6): Termopary typu B składają się z platyny (6% rodu) i platyny (30% rodu). Są one najbardziej odporne na wysokie temperatury, mogąc mierzyć do 1700°C. Są one również bardzo odporne na korozję. Jednak ich wada to niższa czułość, szczególnie w temperaturach poniżej 50°C. Daje nieprecyzyjne odczyty przy temp. < +600 ℃. Najbardziej precyzyjne odczyty w zakresie temperatur: +600…+900 ℃. W wyższych temperaturach zachodzi zanieczyszczenie krzemem, wodorem, żelazem i miedzią.

Rys.9. Klasy dokładności dla termopary typu B.

• B: Działają niezawodnie powyżej 1600°C – wybór do ekstremalnych warunków.
• Bardzo kosztowne, ale zapewniają największą stabilność długoterminową.
• S/R: Stosowane w aplikacjach wysokotemperaturowych (huty, piece).

Typ P (Platinel II).

Czujnik temperatury typu P (Pt65Rh15NI-PtNi). Termopary oznaczane także jako Platinel II to specjalistyczny typ termopar, które łączą w sobie właściwości metali szlachetnych z przystępniejszą ceną niż tradycyjne termopary platynowe, takie jak typy R, S czy B. Dzięki doborowi materiałów,dodatni przewodnik to stop niklu i platyny (ok. 65% platyny, 15% rod, reszta nikiel, ujemny przewodnik tostop niklu i platyny o innym składzie. Termopary typu P wykazują właściwości termiczne zbliżone do termopar typu K, ale są bardziej odporne na korozję i mają większą stabilność przy wysokich temperaturach. Zakres pomiarowy od około 0°C do 1390°C. Dokładność jest porównywalna z termoparą typu K, ale posiada lepszą długoterminową stabilność. Warto zauważyć, że choć zakres pomiarowy nie dorównuje termoparom typu B, to jednak termopary typu P mogą być bezpiecznie stosowane w większości zastosowań przemysłowych, gdzie temperatury nie przekraczają 1400°C. Termopary typu P są używane wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność na utlenianie, dobra stabilność długoterminowa, odporność chemiczna przy kontakcie z agresywnym środowiskiem, Termopary typu P są tańszą alternatywą dla termopar platynowo rodowych jednak mają wyższą cenę w porównaniu do typów K czy J. Termopary typu P są mniej dostępne i rozpoznawalne na rynku, wymagają oprzyrządowania i kalibracji. Termopary typu P, mimo że mniej popularne niż klasyczne typy, takie jak K czy S, stanowią interesującą alternatywę dla zastosowań wymagających stabilności i odporności w wysokich temperaturach. Ich unikalna kombinacja właściwości sprawia, że są cenione w niszowych, ale wymagających aplikacjach przemysłowych.

Rys.10. Klasy dokładności dla termopary typu P.

• Zakres pomiarowy: od około 0°C do 1390°C.
• Dokładność: porównywalna z termoparą typu K, ale lepsza długoterminowa stabilność.
• wysoka odporność na utlenianie.
• dobra stabilność długoterminowa.
• odporność chemiczna przy kontakcie z agresywnym środowiskiem.
• bardziej ekonomiczne rozwiązanie w porównaniu z typami R i S.

Wszystkie typy termopar są bardzo odporne na korozję i mogą mierzyć w wysokich zakresach temperatur. Wybór między nimi zależy od konkretnych wymagań w danych zastosowaniach laboratoryjnych lub przemysłowych, takich jak zakres temperatury, czułość i odporność na korozję. Termopary platynowe są znacznie droższe niż termopary typu E, J, K, L, T i N oraz łatwo można je uszkodzić. Nie zaleca się stosowanie termopar platynowych bez odpowiednich osłon ceramicznych, gdyż przy temperaturze powyżej 960°C do spoiny pomiarowej mogą dyfundować różne związki, które mogą zmieniać charakterystykę termometryczną termopary. Z podobnych przyczyn termopary platynowe nie powinny być umieszczane bezpośrednio w osłonach metalowych bez zastosowania odpowiednich osłon ceramicznych.

Termopary do bardzo wysokich temperatur wolframo-renowe.

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 wysokich temperatur nawet do 2300°C.

Czujnik temperatury typu C (W5%Re–W26%Re) oraz typu D (W3%Re–W25%Re). Są one idealne do pomiarów w atmosferze redukującej, obojętnej lub w próżni. Termopary typu C są wykonane z wolframu i renu (W5%Re–W26%Re) a typu D są wykonane z wolframu i renu (W3%Re–W25%Re). Mogą mierzyć temperatury od -200°C do +2300°C. Typ C jest nieco bardziej wrażliwy na utlenianie niż typ D, który ma lepszą odporność na utlenianie. Wartość pomiaru temperatury, która jest wykonywana przy użyciu termopar typu C i D, jest podobna.

Rys.11. Klasy dokładności dla termopary typu C.

Rys.12. Klasy dokładności dla termopary typu D.

Stosowane w procesach, gdzie wymagane są bardzo wysokie temperatury, np. w hutnictwie, produkcji szkła, czy też w urządzeniach przemysłowych z wysoką temperaturą pracy. Termopary typu D są odporne na korozję w atmosferze redukującej i obojętnej. Termopary D dostępne są w płaszczach wykonanych z tytanu lub molibdenu, co pozwala na osiągnięcie bardzo wysokich temperatur.

Klasy dokładności termopar wg JEC 60584-2.

Norma IEC definiuje dopuszczalne błędy pomiarowe dla dwóch klas:

Termopary klasy 1 powinny być stosowane tam, gdzie istotna jest dokładność – np. w przemyśle farmaceutycznym, w kalibracji wzorców temperatury lub procesach cieplnych o krytycznym profilu.

Przewody kompensacyjne i termoelektryczne do łączenia termopar z przetwornikami.

Przewody kompensacyjne i termoparowe stosowane są do podłączenia czujników temperatury (termopary typu: J, K, L, N, E, T, R, S i B).
.
Podłączenie termopary z urządzeniami pomiarowymi odbywa się tylko przy pomocą specjalnych przewodów kompensacyjnych lub przedłużających (termoparowych). Przewody kompensacyjne są to przewody wykonane zazwyczaj materiału zastępczego, innego niż 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 zbudowane są ze stopów metali, które mają taką samą charakterystykę, co dana termopara w zakresie dopuszczalnej temperatury pracy dla przewodów kompensacyjnych. Przewody kompensacyjne są stosowane do termopary typu K i N oraz termopar z metali szlachetnych typu R, S i B, ponieważ składają się one z materiałów bardzo drogich.

Napięcia termoelektryczne dla przewodów kompensacyjnych w określonym zakresie temperatury odpowiadają napięciom termoelektrycznym dla termopary, dla której są przewidziane. Dopuszczalna tolerancja błędów dla przewodów przedłużających i kompensacyjnych są określone normą DIN43722. Dostępne są dwie klasy dokładności dla przewodów, wyższa klasa dokładności (klasa 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 kolorystyczne termopar, przewodów termoparowych przedłużających i kompensacyjnych jest określone normami. 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

Kolorystyka oznaczeń termopar i przewodów kompensacyjnych i termoparowych w zależności od normy została przedstawiona w tabeli.

Rys.13. Kolorystyka oznaczeń termopar i przewodów kompensacyjnych i termoparowych.

Rodzaje obudów termopar.

Termopara, w zależności od potrzeb, może mieć różne typy obudów. Obudowa jest zazwyczaj wykonana z materiału odpornego na wysoką temperaturę i różne warunki środowiskowe. Najważniejsze typy to obudowa z metalu, takie jak stal nierdzewna oraz obudowy ceramiczne.

Obudowa metalowa.

Zazwyczaj wykonana ze stali nierdzewnej, odpowiednia do większości zastosowań przemysłowych. Może być również wykonana z innych stopów metali, w zależności od wymaganych parametrów pracy termopary.

Obudowa ceramiczna.

Odporna na wysokie temperatury i chemiczne działanie, często stosowana w środowiskach agresywnych. Materiały ceramiczne zapewniają izolację termoelementów i ochronę przed uszkodzeniami.

Obudowa z materiałów odpornych na wysokie temperatury.

W zależności od potrzeb, obudowa może być wykonana z materiałów takich jak wolfram, molibden lub ich stopy, które są odporne na bardzo wysokie temperatury.

Obciążenia mechaniczne.

Obudowa musi wytrzymywać wibracje, drgania, czy inne obciążenia mechaniczne, jeśli termopara jest stosowana w takim środowisku.

Rys.14. Przykładowa obudowa termopary płaszczowej.

Podsumowanie.

Wybór odpowiedniego typu termopary ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia poprawności pomiarów temperatury w aplikacjach przemysłowych i naukowych. Typ K pozostaje najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem, jednak w warunkach ekstremalnych (np. wysoka temperatura, agresywne środowiska) preferowane są typy S, R, B lub nowoczesny typ N. Wysoka stabilność i dokładność termopar szlachetnych uzasadnia ich wysoką cenę w aplikacjach krytycznych.