Termopary i inne

skurwysyństwa

Marek Matwiejczyk

Czujniki termoelektryczne są to przyrządy reagujące na zmianę temperatury
zmianą siły termodynamicznej wbudowanego w nie termoelementu. Połączone
na jednym końcu dwa różne materiały; metale czyste, stopy metali lub
niemetali, tworzą, „termoelement” inaczej
popularną termoparę.

Miejsce łączenia nazywa się „spoiną pomiarową” zaś pozostałe końce
zimnymi końcami. Przewody termoelementu nazywamy „termoelektrodami”. W tak
utworzonym termoelemencie składającym się z różnych materiałów, powstaje siła
termoelektryczna wtedy, gdy spoina i zimne końce utrzymywane są w różnych
temperaturach. Czułość termoelementu zależy od siły termoelektrycznej materiałów, z
których wykonane są termoelementy.
Na termoelementy należy wybierać zestawy materiałów, które w szeregu
termoelektrycznym znajdują się możliwie daleko od siebie, co zapewnia
Występowanie możliwie dużych sił termoelektrycznych przy określonej

różnicy

temperatur.

Charakterystyki termoelementów są przedmiotem standaryzacji, a wartości siły
termoelektrycznej dla poszczególnych materiałów, oraz dopuszczalne odchyłki
zawarte są w międzynarodowej normie PN-EN 60584 oraz ITS 90.

Typy termopar

Termoelementy można podzielić na trzy grupy w
zależności od zakresu pomiarowego:

•Grupa I zakres temperatur od -200 do
+1200

o

C. Brak metali szlachetnych.

•Grupa II zakres temperatur od 0 do
+1600

o

C. Platynowo-rodowe.

•Grupa III zakres temperatur od 0 do
+2200

o

C. Wolframowo-renowe.

Grupa I: w zakresie temperatur od -200

o

C do +1200

o

C, w tych

termoelementach nie ma metali szlachetnych. W skład tej grupy wchodzą
termoelementy:
 
Typ „K” - NiCr-Ni
Stosowany w zakresie temperatur od -200 do +1200

o

C. Zależność SEM od temperatury

dla tego termoelementu jest prawie liniowa, a jego czułość wynosi 41µV/

o

C.

 
Typ „J” oraz „L” - Fe-CuNi
Ma on mniejsze znaczenie w przemyśle ze względu na ograniczony zakres mierzonych
temperatur (od -40

o

C do +750

o

C). Ich czułość wynosi 55µV/

o

C.

 
Typ „E” - NiCr-CuNi
Ze względu na wysoką czułość (68µV/oC), ten typ termoelementu stosowany jest
przede wszystkim w zakresie niskich temperatur kriogenicznych od -200  do +900

o

C.

Jest to materiał niemagnetyczny, co może być cenną zaletą w niektórych
zastosowaniach specjalnych.
 
Typ „N” - NiCrSi-NiSi
Ten termoelement ma bardzo dobrą stabilność termiczną, porównywalną z
termoparami platynowymi. Wykazuje także znakomitą odporność na utlenianie aż do
wysokich temperatur. Jest idealnym narzędziem do dokładnych pomiarów temperatury
w powietrzu do +1200

o

C. Czułość wynosi 39µV/

o

C.

 
Typ „T” - Cu-CuNi
Jest to najrzadziej używany typ termoelementu. Jego zakres pomiarowy wynosi od
-200

o

C do +350

o

C a czułość 30µV/

o

C.

Grupa II: termoelementy w zakresie od 0

o

C do +1600

o

C

(platynowo-rodowe). W skład tej grupy wchodzą
termoelementy:

•Typ „S” - PtRh10-Pt

Są one używane zazwyczaj w atmosferze silnie utleniającej w

zakresie

wysokich temperatur do +1600

o

C. Czułość około

10μV/

o

C.

•Typ „R” - PtRh13-Pt

Podobnie jak termoelement „S” używane w atmosferze silnie

utleniającej ale

posiadają większą czułość - około 14μV/

o

C.

•Typ „B” - PtRh30-PtRh6

Umożliwiają pomiar temperatury do +1800

o

C. Bardzo

stabilny

termoelement, ale mało czuły zwłaszcza w zakresie niższych

temperatur.

Grupa III: termoelementy w zakresie od 0

o

C do +2200

o

C

(wolframowo-renowe).

•Typ „C” - Wolfram-Ren / 5% Wolfram

•Typ „D” - Wolfram- Ren / 25% Wolfram

Te termoelementy są używane do pomiaru bardzo wysokich

temperatur do +2300

o

C, w atmosferze redukującej, obojętnej lub w

próżni.

Klasy dokładności

Norma PN-EN 60584 określa wzory obliczania
dopuszczalnych błędów pomiarowych.

Dopuszczalne tolerancje błędów dla termoelementów
wolframowo-renowych określa norma ASTME-988.

Termopary płaszczowe

Termopary płaszczowe wykonane są z
przewodu płaszczowego składającego
się z:

•

od dwóch do sześciu przewodów

termoelektrod

• warstwy izolacji silnie sprasowanego tlenku
MgO

• płaszcza metalowego zapewniającego
osłonę mechaniczną i chemiczną spoiny
pomiarowej i termoelektrod
Na jednym końcu termoelektrody są
zespawane tworząc spoinę pomiarową.
Zaspawany jest również płaszcz termopary,
aby
odizolować spoinę pomiarową od wpływów
zewnętrznych. Drugi koniec termoelementu
jest podłączony do przewodu
kompensacyjnego, bezpośrednio lub poprzez
złącze wtyczka-gniazdo.

Takie rozwiązanie ma wiele zalet, jak np.:

•

małą średnicę zewnętrzną i dużą elastyczność, co pozwala mierzyć

temperaturę w trudno dostępnych miejscach

• dużą odporność mechaniczną zabezpiecza druty termoelektrod przed
utlenianiem, korozją i zanieczyszczeniami chemicznymi

• bardzo krótki czas reakcji, co pozwala mierzyć szybkozmienne pola
temperatury.

Średnica osłony decyduje o sposobie montowania termoelementu
oraz o jego czasie reakcji. Generalnie można określić, że
zewnętrzna średnica Ø1.5mm stanowi najlepszy kompromis
pomiędzy:

• czasem reakcji

• elastycznością

• małymi wymiarami

• odpornością mechaniczną

• wytrzymałością na korozję

• stabilnością

Jeżeli trzy pierwsze wymienione cechy są najważniejsze, należy
wybrać termoelement o średnicy Ø0.5mm lub Ø1.0mm. Jezeli
najważniejsze są pozostałe trzy, średnica płaszcza powinna wynosić
Ø1.5mm lub więcej.

Spoina pomiarowa

Spoina pomiarowa jest to miejsce połączenia przewodów
termoelektrod. Jest to właściwy czujnik temperatury, który może być
wykonany na wiele różnych sposobów.

SPOINA ODIZOLOWANA OD PŁASZCZA

Spoina termopary jest w pełni odizolowana od płaszcza, który jest
szczelnie zaspawany. Jest to standardowy rodzaj spoiny ze
względu na możliwość stosowania termopar w pobliżu urządzeń
mogących wytwarzać pole elektromagnetyczne, które
powoduje zakłócenia przy innych rodzajach spoin pomiarowych.

SPOINA WYEKSPONOWANA Z PŁASZCZA
Spoina termopary jest szczelnie wyeksponowana od płaszcza,
zapewnia to bardzo szybki czas reakcji na zmianę temperatury.
Brak ochrony drutów termoparowych w kontakcie z cieczami i
gazami.

SPOINA UZIEMIONA DO PŁASZCZA
Spoina termopary połączona z denkiem, które jest szczelnie
zaspawane z płaszczem. Zapewnia to krótki czas reakcji na
zmianę temperatury, przy zachowaniu ochrony na zewnętrzne
czynniki środowiska (ciecze, gazy).

Rezystancja izolacji

Rezystancja izolacji w temperaturze otoczenia wg PN-EN
61515:
Ø < 1.5 mm 75 Vdc > 1000 MOhm
Ø > 1.5 mm 500 Vdc > 1000 MOhm

Średnie czasy reakcji na zmianę temperatury

Wzorcowanie

Celem wzorcowania jest ustalenie kondycji

metrologicznej wzorcowanego przyrządu,

określającej jego przydatność do wykonywania

pomiarów. Wzorcowanie termometru polega na

określeniu różnicy pomiędzy wskazaniem przyrządu

wzorcowego i termometru wzorcowanego z

równoczesnym oszacowaniem niepewności pomiaru,

dokonanego przy pomocy przyrządu wzorcowego.

Wzorcowanie termometrów wykonywane jest przez

laboratoria pomiarowe posiadające akredytację

Polskiego Centrum Akredytacji (PCA)

a wynik

wzorcowania

poświadczony jest świadectwem wzorcowania, które

gwarantuje, że wskazania danego termometru są

prawidłowe i wiarygodne.

Przy wzorcowaniu termometrów opieramy się na stałych

punktach

termodynamicznych (temperatura topniejącego lodu – 0oC

oraz

wrzenia wody pod ciśnieniem 760Tr – 100oC) i punktów

stałych

pomocniczych (temperatura krzepnięcia, topnienia, wrzenia

czy też

sublimacji ciał łatwych do otrzymania w stanie czystym). Przy
sprawdzaniu najczęściej porównujemy wskazania termometru
badanego ze wskazaniem termometru wzorcowego.

Wzorcowanie Pirometrów

Wszystkie obiekty emitują

promieniowanie podczerwone -

im temperatura ciała jest wyższa,

tym jego cząstki są bardziej aktywne

i tym wyższy jest poziom emitowanej

energii podczerwonej. Integralną

częścią pirometru jest układ

optyczny, który gromadzi energię

promieniowania podczerwonego

mierzonego obiektu i ogniskuje ją na

detektorze. Detektor zamienia

energię podczerwoną na sygnał

elektryczny, który jest wzmacniany,

zamieniany na postać cyfrową, a

następnie wyświetlany na wskaźniku

pirometru. Widać więc, że mierząc

moc promieniowanej przez ciało

energii podczerwonej możemy

określić jego temperaturę. Źródłem

promieniowania jest piec

kalibracyjny BR400 o znanym i

określonym współczynniku

emisyjności charakterystycznym dla

materiału radiatora. W tym

przypadku jest to 0.95.

Najlepsza możliwość

pomiarowa dla tych

wzorcowań wynosi 2°C.

• Jako wzorce stosowane są

termoelementy typu S i B lub
inny pirometr wzorcowy

.

- zakres pomiarowy: 150 ÷

1100°C

e = 0,998

- zakres pomiarowy: 300 ÷

1600°C

e = 0,998

• Poza obszarem akredytacji

istnieje możliwość

wzorcowania pirometrów o

szerszym zakresie nawet od

-20°C do 1600°C.

• W takim zakresie wzorcowane

są również kamery

termowizyjne

- Wzorcowanie

termometrów

szklanych odbywa

się poprzez użycie

termostatu

kalibrującego

- zakres pomiarowy:

-30 ÷ 110°C

- niepewność

pomiarowa: 0,05°C

- termometry szklane

o działce 0,1°C i

większej

Wzorcowy czujnik
termometru oporowego

• zakres pomiarowy: -189 ÷

660°C

• rezystancja 25W

• niepewność: 0,001°C

• Najlepsze możliwości

pomiarowe są zależne od
zastosowanego miernika i
wynoszą odpowiednio
0,05°C lub 0,6°C.

Wzorcowanie

Termoelementów

PIEC DO WZORCOWANIA
TERMOELEMENTÓW

PIEC RUROWY DWUSTREFOWY
- zakres pomiarowy: 200 ÷ 1300°C
- dokładność pomiarowa w piecu: 0,3°C

Termoelementy typu J, K,
S można wzorcować w
zakresie 200°C ÷ 1200°C.
Najlepsza możliwość
pomiarowa wynosi 0,6°C.
Pomiary wykonywane są
w piecu konstrukcji
polskiej, w którym
gradient jest na poziomie
0,3°C/1cm w strefie
pomiarowej.