Przemysłowe termopary i termometry oporowe

Technika pomiarów temperatury termometrami oporowymi i termoparami jest
dobrze ugruntowana i powszechnie znana. W artykule omówiono najczęstsze
problemy spotykane przez ich producentów oraz omówiono nowości w tej
dziedzinie.

Pojawiające się na rynku nowości są związane m.in. ze wzrostu wymagań
odnośnie do czasu pracy urządzeń, co stanowi czasami duże wyzwanie dla
producentów termometrów przemysłowych. Rozwija się także przemysł
farmaceutyczny i biotechnologia, które również wpływają na zmiany na rynku

mierników temperatury.

Nowości w technice czujnikowej

W ostatnim czasie poszerzony został zakres stosowania czujników klasycznych, tj. nawijanych
drutem Pt. Obecnie dostępne są modele mogące pracować w temperaturach od -200°C do
prawie 900°C. Jednakże nie ma czujników, które mogłyby funkcjonować w całym tym zakresie.
Poza tym, dla temperatur powyżej 600°C możliwe jest tylko wykonanie w klasie B. Dla
czujników klasy 1/3B zakres ten mieści się w temperaturach od 0°C do 150°C.

Wprowadzono do sprzedaży także czujniki cienkowarstwowe, które mogły się pojawić dzięki
rozwojowi technologii produkcji układów scalonych i mikroprocesorów. Innym uwarunkowaniem
jest konieczność stosowania znacznie mniejszego prądu pomiarowego – niewiększego niż 1mA,
co jest już obecnie możliwe. Zaletą tych czujników są małe wymiary, dzięki czemu możliwe jest
stosowanie mniejszych długości zanurzeniowych termometru oporowego i poprawienie własności
dynamicznych. Maksymalna możliwa temperatura mierzona przy użyciu tych czujników wynosi 800°C,
z tym że powyżej 600°C do dyspozycji są tylko czujniki klasy B.

Przez długi czas największą wadą czujników oporowych była ich niska odporność na drgania, które
powodowały pęknięcia wyprowadzeń czujnika. Udało się to wyeliminować poprzez zastosowanie
przewodów z izolacją mineralną w płaszczu ze stali nierdzewnej. Tulejka osłonowa czujnika i
płaszczówka są spawane

laserowo

Trudne środowiska

W temperaturach powyżej 1000°C najpowszechniej stosowana termopara typu K może mieć duży
dryft oraz znacznie skróconą żywotność. Wiąże się to m.in. z migracją materiału płaszcza

termopary

do jej złącza. Dla wyeliminowania tych wad termopar płaszczowych opracowano nową termoparę typu
N (Nicrosil/Nisil). Z uwagi na migrację materiału płaszcza do złącza najkorzystniejsze byłoby
zastosowanie płaszcza wykonanego z Nicrosilu ale okazało się że z uwagi na jego gorsze właściwości
mechaniczne i mniejszą odporność na korozję w roztworach wodnych oraz podatność na zawęglanie
nie warto go wykorzystywać. Na bazie Nicrosilu opracowano inne materiały z grupy Nicrobell, które
powstały poprzez domieszkowanie magnezem i niobem.

Nicrobell B wykazuje własności mechaniczne lepsze od Inconelu dla temperatur do 1250°C i jest
bardzo odporny na utlenianie. Poza tym, z uwagi na podobieństwo materiału płaszcza i termopary
typu N, nie ma migracji materiału płaszcza do termopary, a więc nie ma dryftu temperaturowego.
Dzięki temu obecnie najlepszym rozwiązaniem dla temperatur powyżej 900°C jest termopara typu N z
płaszczem wykonanym z Nicrobell B. Charakteryzuje ją bardzo dobra odporność na utlenianie,
wysoka wytrzymałość temperaturowa i duża stabilność siły termoelektrycznej do 1250°C. Dotyczy to
jednak tylko zastosowań w środowisku utleniającym. Wadą jest mała dostępność odpowiednich
płaszczówek.

Dla środowiska z dużą ilością siarki i węgla opracowano Nicrobell C, który ma nieco gorsze własności
mechaniczne ale jest bardziej odporny na korozję. Takie środowisko występuje w piecach
przemysłowych opalanych olejem opałowym lub węglem. W tym przypadku także optymalne będzie
stosowanie termopary typu N z płaszczem Nicrobell C.

Przetworniki i osłony zewnętrzne

http://www.automatykab2b.pl/content/view/1259/33/

Terminarz wydawniczy

Polecamy

W ostatnich latach znacznie rozszerzył się zakres stosowania przetworników

mikroprocesorowych

których zaletą, oprócz wyższej klasy dokładności i stabilności, jest możliwość zdalnego nastawiania
zakresu pomiarowego oraz stosowania transmisji cyfrowej nałożonej na standardowy sygnał prądowy
4-20mA. Oczywiście oferowane są także przetworniki głowicowe z transmisją w pełni cyfrową np. w
standardzie Profibus.

Postęp w dziedzinie mechaniki jest wolniejszy, co wynika z tego, że jest to starsza i bardziej dojrzała
dziedzina techniki. Postęp dotyczy więc nie konstrukcji mechanicznej ale doboru materiałów, co jest
szczególnie ważne dla przemysłu chemicznego. Dla wydłużenia żywotności osłon, oprócz materiału,
znaczenie ma odporność zmęczeniowa, ujawniająca się gdy występują wibracje. Odpowiednie
wymagania są określone w normie ASME PTC 19.3. Podstawowe wymaganie sprowadza się do tego,
by stosunek częstotliwości drgań wymuszonych przez zawirowania płynącego medium do
częstotliwości drgań własnych był mniejszy od 0,8. Poza tym konieczne jest sprawdzenie odporności
osłony na projektowe ciśnienie statyczne. Odpowiednie obliczenia wykonują specjalistyczne
programy komputerowe.

Dobór konstrukcji osłony

O doborze konstrukcji, oprócz czynników czysto technicznych, decydują
często także standardy obowiązujące u konkretnego użytkownika lub po
prostu jego przyzwyczajenia. Warto zwrócić uwagę na ważne aspekty
techniczne, które wymagają wyważenia, gdyż poprawienie jednej
własności może pogorszyć inną.

Osłony rurowe są oczywiście tańsze i można je wykonywać w
dowolnych długościach. Wadą jest ich niższa wytrzymałość mechaniczna.
Osłony wiercone w pręcie można wykonywać w dowolnej grubości ale
długość jest ograniczona możliwością głębokiego wiercenia prostego
otworu o małej tolerancji średnicy. W praktyce ograniczenie to wynosi
około 1m. Osłony te wykonuje się najczęściej jako stożkowe lub
stopniowane ponieważ godzi to w pewnym stopniu wytrzymałość i przewodzenie ciepła do czujnika.

Osłona spawana do rurociągu jest stosowana szczególnie w energetyce zawodowej. Jej zalety to
mniejsza długość wibrująca i najniższa cena, a wady to konieczność starannego doboru materiałów i
technologii spawania na obiekcie. Optymalne jest stosowanie na osłony materiałów identycznych jak
materiał rurociągu.

Osłony rurowe kołnierzowym są najdroższe ale mogą być stosowane do najwyższych ciśnień i
zapewniają swobodę montażową, także przy ich wymianie. Ważnym aspektem jest także klarowny
podział na branże zastosowania pomiędzy mechaniką i automatyką, co zmniejsza możliwość pomyłek.
Ich długość musi być większa o wysokość króćca przyłączeniowego, co czasami wymaga stosowania
pierścienia na wysokości nasady króćca dla zmniejszenia długości wibrującej.

Przyłącze gwintowane stosowane jest głównie do czujników nie mierzących mediów
technologicznych, a zamiast tego np. do pomiaru temperatury łożysk. Ponadto wykorzystuje się je w
przemyśle, np. tam gdzie potrzebne jest złącze przesuwne z uwagi na stałą strefę aktywnej
katalizatora w trakcie eksploatacji. Mogą być stosowane do niższych ciśnień niż przyłącza
kołnierzowe. Ich pozostałe cechy sa zbliżone do parametrów przyłączeń kołnierzowych. Przyłącza
specjalne to przede wszystkim złącza sanitarne wykonane zgodnie z normami PN-ISO 2852 i PN-ISO
2852.

Skin T/C, czyli termopary do pomiaru temperatury powierzchni mają często dwa przyłącza: jedno dla
przepustu w ścianie pieca i drugie dla zamocowania końcówki termopary do rury. Pierwsze wynika z
konstrukcji pieca, zaś spoina pomiarowa jest przyspawana do bloczka metalowego, który jest
przykręcony lub przyspawany do płaszcza.

Materiały

Dobór materiału osłony ma wyjątkowo duże znaczenie dla jej żywotności. Dotyczy to w szczególności
procesów chemicznych, gdzie medium jest najczęściej mieszaniną wielu związków chemicznych, przy
czym ciśnienie, temperatura i przepływ wielofazowy środowiska mogą być w różne w poszczególnych
punktach instalacji. Bardzo trudny jest dobór materiału do pracy w wysokiej temperaturze i
korozyjnej atmosferze, np. w piecach przemysłowych. W takich przypadkach dobór materiałów
wykonuje licencjodawca procesu technologicznego. Należy także brać pod uwagę żarowytrzymałość, a
nie tylko żaroodporność. Poza tym zawsze korzystniejsze jest pionowe ustawienie osłony gdyż
zmniejsza wymagania odnośnie żarowytrzymałości materiału. Dla zapewnienia wysokiej jakości
konieczne jest stosowanie materiałów atestowanych zgodnie z PN EN 10204 atest 3.1

Materiały osłon

Większość materiałów stosowanych do produkcji osłon wytwarzana
jest w Niemczech. Z tego względu poniższe oznaczenia bazują na
niemieckiej nomenklaturze:

●

Stale węglowe stosowane są głównie w energetyce.

Przykładowo jest to stal 15NiCuMoNb5, a jej odpowiednik to
1.6368. Mogą być stosowane do w ciśnieniach do 400bar. Stal C22.8, której odpowiednik to
1.046, stosowana jest do średnich ciśnień do 100 bar.

Pokrycia antykorozyjne

W szczególnych przypadkach, dla mediów bardzo agresywnych, stosuje się pokrycie powierzchni
zwilżanych warstwą materiału odpornego na korozję w danym medium. Przykładowo wykorzystywany
jest teflon, który ma bardzo dobre własności antykorozyjne ale bardzo trudno uzyskać warstwę
nieporowatą co praktycznie utrudnia jego stosowanie jako zabezpieczenia osłon przed korozją. Hallar
ma własności antykorozyjne podobne do PTFE i tworzy warstwy nieporowate. W wersji DA
stabilizowanej ma dopuszczenie do stosowania w przemyśle spożywczym ale nie do tłuszczów. Zaleca
się go do stosowania szczególnie z produktami kwaśnymi, owocami i przy produkcji soków. Wersje
dopuszczone dla przemysłu spożywczego maja atesty amerykańskiej agencji FDA.

Tantal jest stosowany w postaci dodatkowej, cienkiej pochwy nakładanej na osłonę i przylgę
kołnierza. Tantal stosuje się na wyraźne żądanie klientów.

Technologia wykonania mechanicznego i spawania

Stosowanie na osłony bardzo różnorodnych materiałów, z których tylko
część opisano w tym artykule, wymaga spełnienia szeregu ścisłych
procedur technologicznych, w szczególności technologii spawania i
obróbki termicznej. Podstawą, szczególnie w odniesieniu do materiałów
bardziej egzotycznych, takich jak Hastelloy, są informacje licencjodawców
danych materiałów. Opracowanie technologii powierza się często
specjalistom z Instytutu Spawalnictwa.

Innym ważnym elementem wykonania osłon wierconych jest zachowanie
współosiowości otworu i jego średnicy na dużej głębokości. Wymaga to
specjalistycznego parku maszynowego dostosowanego do takich prac. Wymagania odnośnie
mechanicznego wykonawstwa wynikają m.in. z normy ASME PTC 19.3.

Na trwałość osłon duży wpływ ma sposób zabudowy kompletu termometr/osłona. Przy wyższych
temperaturach i dużej długości zanurzeniowej stosować należy zabudowę pionową, szczególnie gdy
konieczna jest żarowytrzymałość.

Błędy użytkowników

Wielu użytkowników często źle rozumie niektóre parametry czujników, co w efekcie powoduje
różnego rodzaju problemy. Szereg czynników istotnych dla pomiaru określono w normie PN-EN 60751
przy specyfikacji warunków kalibracyjnych. W praktyce przemysłowej problemem jest najczęściej
niedostateczna głębokość zanurzeniowa czujnika. Przy kalibracji, czyli podczas pomiaru stałej
czasowej, wymagane są następujące zanurzenia minimalne:

●

dla gazów: długość czułej części termometru + 15 średnic termometru,

●

dla cieczy: długość czułej części termometru + 5 średnic termometru.

W zastosowaniach wielkoprzemysłowych takie problemy pojawiają się rzadko ale są one istotne przy
pomiarach w mniejszych zbiornikach, np. w reaktorach, autoklawach w przemyśle farmaceutycznym i
spożywczym. Zbyt mała głębokość zanurzeniowa ma ujemny wpływ na pomiar, szczególnie przy

●

Stal nierdzewna 1.4571 jest odpowiednikiem stali SS 316Ti. W stosunku do stali AISI 316

ma lepszą odporność na korozję międzykrystaliczną. Charakteryzuje się najlepszą
odpornością korozyjną spośród stali austenitycznych. Jest szeroko stosowana w przemyśle
chemicznym, ma dość dobrą odporność na H2S. Maksymalna temperatura jej stosowania to
900°C.

●

Stal 1.4541 jest odpowiednikiem stali 321 wg ASTM oraz polskiej stali 1H18N9T. Jest

podobna do stali SS 304 ale dzięki stabilizacji tytanem jest bardziej odporna na korozję
międzykrystaliczną.

●

Stal 1.4404 jest odpowiednikiem AISI 316L i ma własności podobne do 316 ale zapewnia

lepszą spawalność. Nie wymaga wyżarzania po spawaniu. Temperatura stosowania powinna
być jednak ograniczona do 426°C. Podstawową zaletą tego materiału jest jednak
dopuszczenie do stosowania w przemyśle spożywczym.

●

Stal 1.4462 jest odpowiednikiem Duplex SS i charakteryzuje się bardzo dobrą

odpornością korozyjną na chlorki. Zakres jej stosowania należy jednak ograniczyć do co
najwyżej 315°C.

●

Inconel 600, odpowiednik 2.4816, ma bardzo dobrą odporność na utlenianie i dobrą

żarowytrzymałość do temperatury 1212°C ale nie jest odporny na korozję siarkową w
temperaturze powyżej 500°C.

●

Stal 2.4602 jest odpowiednikiem Hastelloy C-22 i charakteryzuje się wyjątkową

odpornością korozyjną na bardzo wiele substancji, takie jak np. chlorki, gorące roztwory
chemikaliów, chlor, kwas octowy, woda morska, solanka. Bardzo dobrze się spawa a jej
jedyną wadą jest wysoka cena.

●

Haynes 214 Alloy jest opracowany przez firmę Haynes International z USA, która

opracowała wszystkie materiały typu Hastelloy. Materiał praktycznie nie ma europejskiego
odpowiednika. Ma wyśmienitą żarowytrzymałość ale jest bardzo drogi i trudno dostępny w
asortymencie potrzebnym na wykonanie osłon.

dużym odprowadzaniu ciepła poprzez przyłącze. Aby temu zapobiec można izolować części
termometru wystające ze zbiornika lub rurociągu. Jest to praktyką np. w energetyce zawodowej.

Często popełnianym przez użytkowników błędem jest oczekiwanie zachowania wysokiej klasy
dokładności w całym zakresie stosowania czujników Pt100. Nie bierze się też pod uwagę zmian
charakterystyki termopar w czasie ich eksploatacji. Podczas użytkowania bardzo popularnej

termopary

typu K, przy eksploatacji w temperaturze 1000°C w ciągu 9 miesięcy błąd dodatkowy

wynosi +12°C, zaś przy temperaturze 1100°C taki sam błąd występuje już po 1 miesiącu pracy
termopary.

Niedoceniany przez użytkowników czynnik dotyczy własności dynamicznych. Może on powodować
błędy pomiarowe uznawane za błędy podstawowe czujników. W przypadku stosowania
grubościennych osłon zewnętrznych czasy podane w tabeli 2. są znacznie większe. Przy
szybkozmiennych procesach lepiej jest stosować termopary, szczególnie z uziemioną spoiną. W
nowoczesnych głowicowych przetwornikach temperatury nie ma praktycznie problemów ze
stosowaniem takiego rozwiązania a daje ono radykalne zmniejszenia stałej czasowej. Przykładowo
termopara w osłonie φ24 ma T0,5 = 15s, T0,9 = 42s w powietrzu.

Jerzy Mikołajczyk, AlfSensor

Tabele

●

TABELA 1.

Wpływ czynników technologicznych na dokładność pomiaru i wytrzymałość

urządzenia

●

TABELA 2.

Przykładowe stałe czasowe dla termometrów oporowych, zmierzone zgodnie z

normą PN-EN 60751

« poprzedni artykuł

następny artykuł »