Spis treści:
- 1 Czym jest termopara?
- 2 Jak działa termopara?
- 3 Pomiary elektryczne termopary
- 4 Osłony termometryczne
- 5 Rodzaje termopar ze względu na typ złącza
- 6 Topologie termopar
- 7 Przewody przedłużeniowe do termopar
- 8 Izolacja termiczna termopary
- 9 Konstrukcje termopar ze względu na zastosowane uziemienie i osłonę
- 10 Podstawowe charakterystyki termopar do zastosowań praktycznych
- 11 Termopary z metali szlachetnych
- 12 Termopary – zastosowania w praktyce
Jedną z najważniejszych wielkości fizycznych nieelektrycznych, którą można zmierzyć metodami elektrycznymi, jest temperatura. Aby wykonać pomiary temperatury w sposób elektryczny, należy użyć termopary.
Czym jest termopara?
Termopara jest specjalnym przetwornikiem pomiarowym, w którym następuje zamiana energii cieplnej pochodzącej ze źródła zewnętrznego w energię elektryczną. Budowa termopary opiera się na połączeniu ze sobą dwóch przewodów wykonanych z różnych metali w celu utworzenia złącza. Na styku tych złączy pod wpływem zmian temperatury powstaje napięcie zwane siłą termoelektryczną.
Koncepcja termopary opiera się na efekcie Seebecka – jeśli różne metale zostaną ze sobą połączone w sposób punktowy, to wskutek zmiany temperatury na ich styku zostanie wygenerowane małe mierzalne napięcie. Wartość tego napięcia zależy od wielkości zmiany temperatury i właściwości metali.
Konstrukcja termopary składa się z dwóch izolowanych przewodów podłączonych do urządzenia pomiarowego. Termopary służą jako miernik bezpieczeństwa i czujnik do pomiaru temperatury w różnych procesach i urządzeniach. Są one odporne na trudne warunki środowiskowe. Wybór termopary zależy od zakresu temperatur, atmosfery otoczenia i rodzaju medium, w którym są dokonywane pomiary. Konkretny rozmiar i kształt termopary wynika z zastosowania oraz wymaganej dokładności i szybkości odpowiedzi.
Jak działa termopara?
Kiedy dwa przewody termopary są połączone, tworząc złącze, jeden z nich jest podłączony do korpusu termopary i mierzy temperaturę. Nazywa się to złączem gorącym lub pomiarowym. Drugie złącze jest przymocowane do korpusu o znanej temperaturze i jest złączem odniesienia lub zimnym złączem.
Termopara mierzy nieznaną temperaturę i porównuje ją ze znaną temperaturą wzorcową. Idea termopary opiera się na trzech zasadach działania odkrytych przez Seebecka, Peltiera i Thomsona. Efekt Seebecka występuje wtedy, kiedy dwa różne względem siebie metale są połączone ze sobą na dwóch złączach, a siła termoelektryczna jest generowana na dwóch złączach. W efekcie Peltiera zaś siła termoelektryczna jest generowana w obwodzie, gdy dwa różne metale są połączone, tworząc dwa złącza ze względu na różne temperatury. Natomiast efekt Thomsona polega na pochłanianiu ciepła wzdłuż pręta, którego końce mają różne temperatury.
Mierzona temperatura związana jest z przepływem prądu. Jego skutkiem ubocznym jest powstawanie zmian temperatury wzdłuż długości pręta.
Pomiary elektryczne termopary
W typowym obwodzie termopary wykorzystuje się dwa różne przewody, które są połączone, aby utworzyć złącze. Dwa złącza mają różne temperatury, aby wygenerować siłę termoelektryczną. Przepływ elektronów w obwodzie termopary przenosi energię cieplną i elektryczną. Jeśli kawałek drutu miedzianego zostanie podgrzany na jednym końcu, elektrony zostaną przeniesione wzdłuż drutu do chłodniejszego końca i wytworzą gradient temperatury na swojej drodze przepływu. W rezultacie ciepło zostanie zamienione w energię elektryczną.
Ta sama zasada odkryta przez Alessandra Voltę i Thomasa Seebecka dotyczy termopary. Sygnał elektryczny na poziomie miliwoltów jest generowany wtedy, kiedy złącza mają różne temperatury, co jest unikalne dla pary materiałów przewodnika i jest określone w normach Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IEC 1977. Termopary wyprodukowane zgodnie z tymi normami są wymienne niezależnie od ich producenta lub kraju pochodzenia.
Aby termopara prawidłowo spełniała swoją funkcję, musi mieć kompensację zimnego złącza w celu ustawienia prawidłowej temperatury odniesienia. Dwa końce termopary są utrzymywane w tej samej temperaturze, podczas gdy temperatura gorącego złącza jest porównywana z zimnym złączem.
Im grubszy jest przewód termopary, tym wyższe temperatury jest w stanie zmierzyć, ale z dłuższym czasem odpowiedzi. Jeśli temperatura złączy termopary jest taka sama, na złączach zostanie wygenerowana równa i przeciwna siła elektromotoryczna, przez co prąd elektryczny nie popłynie. Jeśli złącza mają różne temperatury, pole elektromagnetyczne nie będzie zerowe, a prąd będzie płynął przez obwód, podobnie jak ciepło przepływające przez drut miedziany.
Przepływ pola elektromagnetycznego przez obwód zależy od charakterystyk fizycznych metali i temperatury dwóch złączy, która jest mierzona przyrządem do pomiaru temperatury. Pole elektromagnetyczne w obwodzie termopary jest w porównaniu do pola elektromagnetycznego wytwarzanego nawet przez małe domowe urządzenia elektryczne bardzo słabe i wymaga czułego przyrządu do określania generowanego pola elektromagnetycznego. Potrzebny jest przyrząd pomiarowy lub odczytujący, aby wzmocnić sygnał na poziomie miliwoltów, zinterpretować napięcie jako odczyt temperatury i wyświetlić jego wartość.
Zwykle stosuje się galwanometry i potencjometry równoważące napięcie. Do tego celu najczęściej stosuje się potencjometry kalibracyjne. Za pomocą potencjometru, czyli nastawnego dzielnika napięcia, można pośrednio zmierzyć różnicę potencjałów, porównując nieznane napięcie z napięciem odniesienia. Można także skorzystać z galwanometru, który mierzy bardzo małe wartości prądu elektrycznego.
Aby termopara wykonała pomiar bezwzględny, musi być odniesiona do znanej wartości temperatury, takiej jak zamarzanie, na drugim końcu kabla czujnika. Spoina cieplna to zespół pomiarowy, podczas gdy spoina zimna jest punktem odniesienia, w którym znajduje się układ kompensacji spoiny zimnej. Temperatura zimnego złącza może się różnić, ale stanowi odniesienie. Zimne złącze można naprawić, zanurzając je w wodzie lub lodzie, aby utrzymać stałą temperaturę. Medium pomiarów, np. powietrze w otoczeniu, może wpływać na temperaturę odniesienia.
Osłony termometryczne
Osłona termometryczna służy do ochrony termopary przed medium pomiarów za pomocą zamkniętej rury lub litego pręta, które są umieszczone w medium pomiarów. Osłony termometryczne stosuje się do płynów i przewodów ciśnieniowych w rafineriach lub w zakładach chemicznych w celu przedłużenia żywotności termopar.
Zastosowanie osłon termometrycznych pozwala na wymianę termopary bez konieczności przerywania procesu pomiaru. W zależności od specyfiki aplikacji docelowej stosowane są różne typy osłon termometrycznych – należą do nich osłony termometryczne proste, osłony schodkowe, a także stożkowe osłony termometryczne. Osłony termometryczne są również klasyfikowane według sposobu, w jaki są połączone z termoparą lub termistorem. Te typy połączeń mogą obejmować połączenia spawane z gniazdem, połączenia kołnierzowe i gwintowane.
Rodzaje termopar ze względu na typ złącza
Różnica między termoparami zależy od rodzajów stopów użytych do produkcji ich przewodów. Wybór rodzaju drutu metalowego zależy od zakresu mierzonych temperatur, środowiska pracy i wytrzymałości mechanicznej.
Istnieją trzy rodzaje punktów połączeniowych dla termopar – odsłonięte, nieuziemione lub izolowane i uziemione.
W odsłoniętym złączu przewody znajdują się poza osłoną termopary. Bardzo szybko reagują na zmiany temperatury, ale łatwo ulegają uszkodzeniu. Najlepsze zastosowanie w przypadku termopar z odsłoniętym złączem jest tam, gdzie wymagana jest szybka reakcja i istnieje niskie ryzyko uszkodzenia czujnika pomiarowego.
Natomiast w uziemionym złączu przewody są połączone i przyspawane do zewnętrznej osłony, która tworzy szczelne połączenie. Ponieważ przewody są połączone z osłoną, nie są izolowane i mogą być podatne na pola elektromagnetyczne. Służą do pomiaru temperatur w środowiskach korozyjnych i są najczęściej wykorzystywanym rodzajem połączeń.
Izolowane złącze wykorzystuje materiał izolacyjny z tlenku magnezu, aby chronić czujnik przed polami elektromagnetycznymi. Czas odpowiedzi nieuziemionej termopary jest wolniejszy niż uziemionego lub odsłoniętego złącza.
Topologie termopar
Cztery najpopularniejsze typy obwodów termopar to standardowe pojedyncze, średnie, termoelektryczne i trójkątne.
W standardowym wykonaniu przeciętna termopara ma podłączone co najmniej dwie termopary, które są równoległe do zimnego złącza. Jeśli wszystkie rezystancje są równe, pole elektromagnetyczne będzie równe średniej temperaturze każdego złącza.
Termopara w układzie trójkąta jest znana jako termopara różnicowa i ma dwa podobne przewody połączone z innym przewodem ze złączami pomiarowymi w różnych temperaturach. Siła termoelektryczna to różnica napięć między dwoma złączami, która jest określana jako różnica temperatur. W tej konfiguracji jedno ze złączy termopary musi być nieuziemione i posiadać różnicowy przyrząd pomiarowy. W standardowym ujęciu pojedyncza termopara ma różne przewody i złącze pomiarowe.
Inną spotykaną topologią jest stos termoelektryczny, który ma szereg połączonych termopar, przy czym siła termoelektryczna jest sumą każdego ze złączy poszczególnych termopar.
Przewody przedłużeniowe do termopar
Przewody przedłużeniowe łączą przewód czujnika z przyrządem pomiarowym i są wykonane z tych samych metali co przewody termopary. Zwykle są to stopy miedzi i mają podobny współczynnik termiczny siły termoelektrycznej jak termopara.
Izolacja termiczna termopary
Stosowane są różne opcje izolacji termicznej czujników termoparowych. Jedną z nich jest izolacja wykonana z ceramiki – stosowana w komercyjnych piecach i monitorująca temperaturę otoczenia palenisk, pieców i grilli.
Jej zakres temperatur wynosi od -50°C do 1200°C. Stosuje się także osłony przewodów, które mogą być nałożone na izolację pierwotną i są niezbędne, gdy wymagana jest dodatkowa ochrona mechaniczna.
Płaszcz izolacji winylowej lub nylonowej jest wykonany z mieszanki nylonu z polietylenem. Płaszcz przewodnika działa jak bariera mechaniczna i zapobiega zwarciom.
Również włókno szklane doskonale nadaje się do zastosowań w wysokich temperaturach i jest odpowiednie do stosowania w temperaturach otoczenia, gdzie istnieje możliwość wystąpienia tzw. hotspotów – punktów o znacznie podwyższonej temperaturze o charakterze lokalnym. Natomiast kapton ma znakomite właściwości fizyczne, elektryczne i mechaniczne w szerokim zakresie temperatur i jest używany w zastosowaniach, w których występują ekstremalne temperatury i wibracje. Zachowuje swoje właściwości mechaniczne w najtrudniejszych warunkach.
Ze względu na niski koszt i doskonałe właściwości elektryczne stosuje się także polietylen, który oprócz tego wykazuje wysoką temperaturę zapłonu i jest sztywniejszy niż winyl – materiał o dobrej elastyczności i właściwościach elektroizolacyjnych ogólnego przeznaczenia.
Świetnym materiałem osłonowym jest również teflon, który wykazuje wysoką odporność na działanie agresywnych substancji chemicznych, zapewnia bardzo dobrą izolację elektryczną, ale jest drogi i ma słabą odporność na udary mechaniczne.
Konstrukcje termopar ze względu na zastosowane uziemienie i osłonę
Termopary występują w różnych typach do różnych zastosowań i wykorzystują system liter do identyfikacji każdego typu. Istnieje szeroka gama typów termopar o własnych charakterystykach i zakresach temperatur. Różnica między poszczególnymi typami zależy od ich trwałości, zakresu temperatur, odporności i zastosowań.
Najczęściej stosowany typ termopary ma konstrukcję uziemioną, wybraną przede wszystkim ze względu na szybkość odpowiedzi, która trwa nawet o połowę krócej względem termopary nieuziemionej. Dwa przewody są przyspawane z boku metalowej osłony sondy, a końcówka sondy zamyka obwód.
Termopary nieuziemione są zwykle wybierane jako drugie w kolejności i mają nieuziemione złącze izolowane od strony materiału osłony. Ze względu na metodę izolacji nieuziemione termopary są wolniejsze, ale trwalsze i zapewniają większą pewność przenoszenia sygnału pomiarowego do przyrządu pomiarowego, a za sprawą swojej konstrukcji nie mają problemów z pętlą uziemienia.
Natomiast najrzadziej używany rodzaj termopary to termopara odsłonięta, która wystaje z osłony i jest wystawiona na działanie środowiska. Ma ona najdłuższy czas odpowiedzi, a jej zakres zastosowań jest ograniczony do środowisk suchych o niskiej podatności na korozję i ciśnienie atmosferyczne, z uwagi na wzmożone ryzyko uszkodzenia przez te i podobne czynniki.
Podstawowe charakterystyki termopar do zastosowań praktycznych
Termopary są oznaczane pojedynczymi symbolami literowymi, za pomocą których można odczytać charakterystykę napięciową termopary w funkcji temperatury. Najczęściej wykorzystuje się termopary o charakterystykach C, E, T, N, J i K. Zawierają one metale nieszlachetne takie jak żelazo, miedź, nikiel, platyna, rod i chrom. Utworzenie termopary wymaga połączenia dwóch metali w celu utworzenia złącza elektrotermicznego o różnej temperaturze.
Termopara typu C
Termopary typu C wykonane są z wolframu jako odnoga dodatnia i z renu jako odnoga ujemna. Są używane w aplikacjach, w których temperatury sięgają 2315°C. Termopary typu C są używane w środowiskach obojętnych chemicznie lub w próżni, aby zapobiec awariom spowodowanym utlenianiem. Posiadają osłony ochronne z molibdenu, tantalu i inconelu z izolatorami z aluminium i tlenku magnezu.
Termopara typu E
Termopary typu E wykonane są ze stopu niklu i chromu jako odnoga dodatnia i z konstantanu jako odnoga ujemna. Mają zakres temperatur od -201°C do 900°C i mogą być używane w silnie ujemnych temperaturach, a ich zabarwienie jest czerwone lub fioletowe.
Termopara typu J
Termopary typu J wykorzystują żelazo dla odnogi dodatniej i konstantan dla odnogi ujemnej. Stosowane są w środowiskach o wysokim narażeniu na utlenianie, w próżni, a także w środowiskach obojętnych i redukujących chemicznie. Termopary typu J muszą być ściśle monitorowane, ponieważ ich żelazna odnoga może rdzewieć. Zakres temperatur roboczych dla termopary typu J wynosi od 0°C do 37°C, a jej barwa jest czerwona lub biała.
Termopara typu K
Termopary typu K są zbudowane ze stopu chromelu dla odnogi dodatniej i stopu alumelu dla odnogi ujemnej. Alumel to stop wykonany głównie z niklu z niewielką zawartością aluminium, krzemu i manganu. Termopary typu K są używane w środowiskach obojętnych lub utleniających w zakresie temperatur od -184°C do 1260°C. Kodowanie kolorowe dla termopary typu K wykorzystuje kolor czerwony lub żółty. Ten typ termopary jest często spotykany w lutownicach i stacjach lutowniczych przeznaczonych do montażu i napraw elektroniki.
Termopara typu N
Termopara typu N wykorzystuje nicrosil, czyli stop niklowo-chromowy, jako odnogę dodatnią i nisil, czyli stop niklu, krzemu i magnezu, jako odnogę ujemną. Tego typu termopary mają zakres temperatur od 0°C do 1260°C i są kodowane na kolor czerwonego lub pomarańczowy.
Termopara typu T
Termopary typu T wykorzystują miedź jako odnogę dodatnią i konstantan jako odnogę ujemną. Zakres temperatur dla termopary typu T wynosi od -201°C do 371°C, a jej kodowanie jest w kolorze czerwonym lub niebieskim.
Termopary z metali szlachetnych
Termopary z metali szlachetnych lub termopary platynowe to typy B, R, S i P. Charakteryzują się one dokładnością nawet w bardzo wysokich temperaturach i mają długą żywotność.
Termopara typu B jest używana w aplikacjach o wysokich temperaturach i ma najwyższy limit temperatury spośród wszystkich termopar z najwyższą dokładnością i stabilnością termiczną. Jej zakres temperatur wynosi od 1371°C do 1704°C.
Termopara typu R jest wykorzystywana do zastosowań wysokotemperaturowych i zawiera wyższy procent rodu niż termopara typu S, przez co jest ona droższa. Termopara typu R ma taką samą wydajność jak termopara typu S i może być używana w zastosowaniach niskotemperaturowych ze względu na swoją stabilność i wysoką dokładność. Ma zakres temperatur od -45°C do 1371°C.
Termopara typu S jest używana w bardzo wysokich temperaturach w przemyśle biotechnologicznym i farmaceutycznym. Może być także wykorzystywana do zastosowań niskotemperaturowych ze względu na swoją dokładność i stabilność. Jej zakres temperatur pracy wynosi od -50°C do 1482°C.
Natomiast termopara typu P ma taką samą krzywą w wysokich temperaturach jak termopara typu K i może być stosowana w środowiskach utleniających w zakresie temperatur sięgającym do 1260°C.
Termopary – zastosowania w praktyce
Termopary są rozmaicie stosowanymi czujnikami temperatury ze względu na szerokie zakresy pomiarów temperatury, wysoką wytrzymałość i niski koszt wykonania i zakupu. Można je znaleźć w urządzeniach domowych, instalacjach przemysłowych, w instalacjach elektrownianych do wytwarzania energii elektrycznej, w układach sterowania w piecach, w przemyśle spożywczym w przetwarzaniu żywności i napojów, w czujnikach samochodowych, silnikach lotniczych, rakietach i statkach kosmicznych. Niewielkie rozmiary termopar, krótki czas odpowiedzi, a także odporność na wstrząsy i wibracje sprawiają, że są idealne do kontroli i pomiaru temperatury.
Termopary w przemyśle spożywczym
Termopary są idealne do przemysłu spożywczego, ponieważ zapewniają dokładne odczyty w ciągu kilku sekund. Produkty spożywcze można sprawdzić w dowolnej fazie produkcji. Tego rodzaju termopary to dwuczęściowe urządzenia z ręcznym odczytem i odłączaną sondą. W końcówce sondy znajdują się dwa połączone ze sobą przewody. Sondy z płaską głowicą mierzą temperaturę powierzchni, a sondy igłowe wykonują pomiary wewnętrzne i mierzą temperaturę powietrza w piecach.
Termopary w ekstruderach drukarek 3D i produkcji wyrobów z materiałów termoplastycznych
Ekstrudery drukarek 3D i formy do wtryskarek wymagają wysokich temperatur i ciśnienia. Końcówkę czujnika należy umieścić w stopionym tworzywie w warunkach wysokiego ciśnienia.
Termopara mierzy temperaturę i jest bezpośrednio instalowana w procesie. Jednostki te charakteryzują się dokładnością, krótkim czasem odpowiedzi i mogą być wyposażone w sondę termopary typu K.
Termopary w piecach
Lampka kontrolna odpowiada za zapalanie palnika pieca. Termopara odcina dopływ gazu, gdy nie wykryje płomienia, i zapobiega przyjmowaniu gazu do pieca, gdy pilot jest wyłączony. Ogranicza gromadzenie się gazu w piecu i sprawia, że system jest znacznie bezpieczniejszy.
Termopara stopionego metalu może być używana w środowisku metali nieżelaznych do pomiaru temperatury do 1260°C. Za pomocą termopary można monitorować i kontrolować temperaturę ciekłych metali podczas operacji przygotowania stopu – utrzymywania, odgazowywania i odlewania.
Termopara w urządzeniach gazowych, takich jak piece i palniki, sygnalizuje zaworowi gazowemu, że płomień jest zapalony, więc pozostanie otwarty. Termopara jest umieszczona w środku płomienia pilotującego. Wykrywając ciepło płomienia, generuje napięcie, które utrzymuje przepływ gazu. Jeśli płomień zgaśnie, napięcie termopary znika i zamyka zawór gazowy.
