Termopary: urządzenie i zasada działania

Nowoczesna produkcja opiera się o zautomatyzowane systemy, w których każdy proces jest monitorowany i korygowany w określonym zakresie. Użycie specjalnych czujników, nazywanych termoparami, jest niezbędne w procesach, gdzie konieczne jest dokładne monitorowanie wskaźników. Takie termopary sprawdzają się do użycia w szerokim zakresie temperatur w celu przekształcania energii wydobywającego się z ciepła w energię elektryczną.

Czym jest termopara?

Do stworzenia urządzenia wybiera się 2 druty z różnych metali (stopów). Dwa końce łączy się poprzez spawanie lub skręcanie. Tworzą one gorący koniec drutu. Pozostałe dwa końce, używając przewodów kompensacyjnych, łączą się z przyrządem pomiarowym lub urządzeniem sterującym. Z tej strony powstaje zimny koniec drutu.

Aby zapobiec szybkiemu uszkodzeniu elektrod, są one umieszczane w kapsule wypełnionej gazem lub cieczą. W celach ochronnych, na termoelementy mogą zostać nałożone ceramiczne koraliki.

Jak działa termopara?

Podstawą systemu jest zasada, obowiązująca w przypadku pojawienia się prądu w zamkniętym obwodzie elektrycznym, gdzie występują dwa różnych przewodniki i różnica temperatur między dwoma przeciwnymi spoinami.

Gdy w obwodzie jest podłączony woltomierz, jest on zamknięty. Jednakże, jeśli temperatury obu spoin są sobie równe, SEM jest zrównoważona, dlatego prąd nie występuje. Jeśli jednak dodać ciepło do gorącego końca drutu, powstanie różnica potencjałów, po której pojawi się prąd elektryczny.

Jakie termopary są często spotykane?

Materiały używane do produkcji mają różne temperatury topnienia, różnie reagują na środowisko utleniające i zmiany temperatur.

Metale nieszlachetne nadają się do pomiarów temperatury do +1400 ℃ a szlachetne – do +1900 ℃.

Metale nieszlachetne:

• J – żelazo i konstantan. Ma niską cenę, zalecany do stosowania w rozrzedzonej atmosferze. Nie można używać w temperaturach poniżej 0 ℃ i powyżej +500 ℃. Niebezpiecznym elementem jest siarka, z którą kontakt prowadzi do natychmiastowego zniszczenia przewodów.
• T – miedź i konstantan. Można używać w temperaturach ujemnych, jednak +400˚ ℃ jest krytycznym wskaźnikiem. Odporny na wilgoć, dobrze reaguje na składnik tlenowy. Przewody przeszły etap wyżarzania w celu zapewnienia jednorodności ich składu.
• K – chromel i alumel. Szeroki zakres temperatur (-100…+1000 ℃). Używany w atmosferze powietrznej, 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 ℃.
• E – chromel i konstantan. Uczestniczy w pomiarach niskich temperatur. Charakteryzuje się jednorodnością każdej elektrody. Pozwala na dokładne zmierzenie wartości temperaturowych.
• N – nicrosil i nisil. Prototypem była termopara K. Tutaj zastosowano ideę dodania krzemu, który zmniejsza kolejne 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.

Metale szlachetne:

• S – platyna w połączeniu z rodem oraz platyna. 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.
• R – termopara, podobna do opisanej wyżej, z maksymalną temperaturą eksploatacji do +1700 ℃, a średnią +1200…1400 ℃.
• B – platyna z rodem. Daje nieprecyzyjne odczyty przy temp. < +600 ℃. Najbardziej precyzyjne odczyty w zakresie temperatur: +600…+900 ℃. Następnie zachodzi zanieczyszczenie krzemem, wodorem, żelazem i miedzią.

Rodzaje spawów

Istnieje 6 wariantów spawów, które składają się z 1 lub 2 elementów.

• Jeden spaw, nie stykający się z obudową, oznaczony jest literą I.
• Jeśli spaw ma kontakt z obudową, oznacza się go jako N.
• Para spawów, nie stykających się ze sobą ani z wewnętrzną powierzchnią obudowy, nazywa się II.
• Spaw podwójny, mający wspólny wierzchołek, nie styka się z obudową – to 2I.
• Dwa oddzielne spawy, jeden ma kontakt z obudową i jest uziemiony – IN.
• Oba spawy bez izolacji, połączone z obudową – NN.

Aby zmniejszyć bezwładność, w niektórych przetwornikach gorący spaw jest wyprowadzany poza obszar ochronnej kolby. W rozwiązaniu tego problemu pomaga uziemienie na obudowie: w efekcie czujnik mierzy parametry szybciej i dokładniej.

Rodzaje termopar ze względu na parametry pracy

1. Ze względu na kontakt z medium: standardowe, chronione przed wilgocią, pracujące w agresywnym środowisku, zdolne do dokonywania pomiarów w mieszankach wybuchowych.
2. Ze względu na lokalizację: montowane na powierzchni, zanurzane w medium.
3. Ze względu na miejsce montażu: przeznaczone do stałego montażu bez przemieszczania się i odporne na wibracje.
4. Ze względu na wskaźnik bezwładności: od 10 s do wartości nieregulowanej.
5. Ze względu na liczbę stref: do wykorzystania w jednym medium oraz wielostrefowe termopary.
6. Ze względu na cechy zastosowania:
   1. do montażu i przenośne;
   2. do tymczasowego montażu i stałego użycia.
7. Ze względu na typ termopar na jednym obiekcie: pojedyncze, podwójne i potrójne.
8. Ze względu na typ spawu: izolowany od metalu, nieizolowany.
9. Ze względu na kontakt z medium: hermetyczne, niehermetyczne.

Co to są wielopunktowe termopary?

Termopary wielopunktowe są przydatne, gdy istnieje potrzeba jednoczesnego pomiaru w różnych miejscach tego samego medium. Ich zadaniem jest określenie wartości termicznych wzdłuż osi przetwornika.
Nie ma procesu bez wahań temperatury podczas ogrzewania. Pomiar parametrów w jednym miejscu nie gwarantuje ich stabilności w innym. W celu zapewnienia kontroli parametrów stosuje się termopary z maksymalnie 60 punktami pomiarowymi. Konstrukcja ma tylko 1 metalową bańkę i 1 punkt wejściowy.

Co można powiedzieć o wadach i zaletach termopar?

Zalety

• Stosowanie urządzeń w różnych środowiskach, w tym agresywnych.
• Znaczący zakres temperatur: od -250˚C do +1900˚C wyżej (wartość krytyczna osiąga +2500˚C).
• Dokładność pomiarów, błąd może wynosić od 0.01-2˚C.
• Dogodna cena.
• Niezawodność w użyciu.

Wady

• Im więcej dodatkowych opcji i złączy, tym wyższa cena termopary.
• Wyskalowanie w warunkach fabrycznych
• Konieczność instalacji osłony ekranującej i precyzyjnych czujników.
• Niemożność usunięcia i korekty nieliniowej zależności SEM podczas zwiększania temperatury, gdy przekracza ona ograniczenia.

Porady od producenta dotyczące termopar

• Używaj miniaturowego urządzenia wykonanego z cienkiego drutu. Zamontuj drut w obszarze pomiaru wskaźników, a na zewnątrz dodaj przedłużające przewody.
• Drut termopary nie powinien być narażony na naprężenia i skutki wibracji.
• Należy unikać znaczących skoków temperaturowych wzdłuż termopary.
• Nie wolno używać skrajnych temperatur jako roboczych na stałe. Wybieraj termopary z 10-15% zapasem wskaźnika termicznego.
• Przy wyborze drutu o dużym przekroju upewnij się, że nie wpłynie on na temperaturę środowiska pomiarowego.
• Przy znacznej długości przewodów i termopary, łączone przewody dodatkowo skręca się w miejscu wyprowadzeń.
• W obecności agresywnego środowiska używaj odpornego materiału kolby, w której są umieszczane przewody.
• Użycie złożonych termopar z wieloma elektrodami jest wygodne do jednoczesnego pomiaru kilku parametrów: temperatury, zakłóceń w przepływie prądu, pomiaru napięcia, sprawdzania szczelności kolby.