Co to jest termopara? Zasada działania, podstawowe typy i rodzaje

Termopara jest urządzeniem służącym do pomiaru temperatury we wszystkich dziedzinach nauki i techniki. W tym artykule przedstawiono ogólny przegląd termopar z podziałem na ich budowę i zasadę działania. Opisano odmiany termoelementów wraz z ich krótką charakterystyką oraz podano ocenę termoelementu jako przyrządu pomiarowego.

Budowa termoelementu

Zasada działania termoelementu. Efekt Seebecka

Termopara opiera się na efekcie termoelektrycznym odkrytym przez niemieckiego fizyka Tomasa Seebecka w 1821 roku.

Zjawisko to polega na występowaniu elektryczności w zamkniętym obwodzie elektrycznym pod wpływem określonej temperatury otoczenia. Prąd elektryczny jest wytwarzany, gdy występuje różnica temperatur pomiędzy dwoma przewodnikami (termoelementami) o różnym składzie (różne metale lub stopy) i jest utrzymywany poprzez utrzymywanie ich punktów styku (junctions). Urządzenie wyświetla mierzoną temperaturę na ekranie podłączonego urządzenia dodatkowego.

Napięcie wyjściowe i temperatura wykazują zależność liniową. Oznacza to, że wzrost mierzonej temperatury powoduje zwiększenie wartości miliwoltów na wolnych końcach termoelementu.

Połączenie w punkcie pomiaru temperatury jest nazywane "gorącym połączeniem", a połączenie przewodów z przetwornikiem - "zimnym połączeniem".

Kompensacja temperatury zimnego złącza (CJC)

Kompensacja zimnego złącza (CJC) to poprawka wprowadzona w formie korekty do odczytu końcowego podczas pomiaru temperatury w punkcie połączenia wolnych końców termopary. Wynika to z rozbieżności między rzeczywistą temperaturą zimnego złącza a odczytami obliczonymi na podstawie tabeli kalibracji dla temperatury zimnego złącza w temperaturze 0°C.

CHS jest metodą różnicową, w której odczyt temperatury bezwzględnej jest uzyskiwany na podstawie znanej wartości temperatury zimnego złącza (zwanego złączem odniesienia).

Konstrukcja termoelementu

W konstrukcji termopary uwzględnia się wpływ takich czynników, jak "agresywność" środowiska zewnętrznego, stan skupienia substancji, zakres mierzonych temperatur i inne.

Cechy konstrukcyjne termopary:

1) Pary żył są łączone ze sobą przez skręcanie lub splatanie, a następnie spawanie łukiem elektrycznym (rzadko lutowanie).

WAŻNE: Metoda skręcania nie jest zalecana ze względu na szybką utratę właściwości połączenia.

2) Elektrody termoelementów muszą być izolowane elektrycznie na całej długości, z wyjątkiem punktu styku.

3) Metoda izolacji jest dobierana w zależności od górnej granicy temperatury.

• Do 100-120°C - dowolna izolacja;
• Do 1300°C - rurki lub kulki porcelanowe;
• Do 1950°C - Al₂O₃;
• Powyżej 2000°C - MgO, BeO, ThO₂, ZrO₂.

4) Osłona ochronna.

Materiał musi być odporny termicznie i chemicznie, o dobrej przewodności cieplnej (metal, ceramika). Zastosowanie osłony zapobiega korozji w niektórych mediach.

Kable przedłużające (kompensacyjne)

Ten typ przewodu jest wymagany do przedłużenia końców termopary do urządzenia pomocniczego lub bariery. Przewody te nie są używane, jeśli termopara ma wbudowany nadajnik z jednolitym sygnałem wyjściowym. Najczęstszym zastosowaniem jest standardowy przetwornik umieszczony w głowicy zaciskowej czujnika zunifikowanego sygnału 4-20 mA, tzw. tablet.

Materiał drutu może być taki sam jak materiał termoelementu, ale najczęściej zastępuje się go tańszym, uwzględniając warunki zapobiegające powstawaniu pasożytniczych (indukowanych) termoelementów. Zastosowanie drutów przedłużających może również przyczynić się do optymalizacji produkcji.

Twoje wskazówki! Aby prawidłowo określić biegunowość przewodów kompensacyjnych i ich połączenie z termoelementem, należy pamiętać o zasadzie mnemotechnicznej MM - minus jest magnetyczny. Oznacza to, że jeśli weźmiemy dowolny magnes, to minus kompensacji będzie magnetyczny, w przeciwieństwie do plusa.

Typy i rodzaje termoelementów

Różnorodność termoelementów wynika z różnych kombinacji stosowanych stopów metali. Wybór termoelementu zależy od branży i wymaganego zakresu temperatur.

Termopara chromel-alumel (TXA)

Elektroda dodatnia: stop chromel (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda ujemna: stop Alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).

Materiał izolacyjny: porcelana, kwarc, tlenki metali itp.

Zakres temperatur od -200°C do 1300°C krótkoterminowo i 1100°C długoterminowo.

Środowisko pracy: obojętne, utleniające (O₂=2-3% lub całkowicie wyeliminowany), suchy wodór, krótkotrwała próżnia. W atmosferze redukującej lub redoksowej w obecności osłony ochronnej.

Wady: łatwość deformacji, odwracalna niestabilność EMF termicznego.

Możliwe przypadki korozji i kruchości stopu aluminium w obecności śladowych ilości siarki w atmosferze oraz chromu w atmosferze słabo utleniającej ("zielona glina").

Termopara chromowo-miedziana (CTC)

Elektroda dodatnia: stop chromel (90% Ni, 10% Cr).
Elektroda ujemna: stop Copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).

Zakres temperatur od -253°C do 800°C w trybie długotrwałym i 1100°C w trybie krótkotrwałym.

Czynnik roboczy: obojętny i utleniający, krótkotrwała próżnia.

Wady: odkształcanie się termopary.

Możliwe jest odparowanie chromu podczas długotrwałej próżni; reakcja z atmosferą zawierającą siarkę, chrom, fluor.

Termopara żelazo-stała (PCT)

Elektroda dodatnia: czyste żelazo (stal miękka).
Elektroda ujemna: stop konstantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).

Używane do pomiarów w środowisku redukcyjnym, obojętnym i próżniowym. Zakres temperatur od -203°C do 750°C w trybie długoterminowym i 1100°C w trybie krótkoterminowym.

Aplikacja opiera się na łącznym pomiarze temperatur dodatnich i ujemnych. Nie nadaje się do stosowania wyłącznie w temperaturach ujemnych.

Wady: deformacja termoelementu, niska odporność na korozję.

Zmiana właściwości fizykochemicznych żelaza w temperaturach 700°C i 900°C. Oddziałuje z parami siarki i wody, tworząc korozję.

Termopara wolframowo-renowa (TVR)

Elektroda dodatnia: stopy BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 z domieszką krzemionki i aluminium)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Elektroda ujemna: stopy BP20 (80% W, 20% Rh).

Izolacja: Ceramika z chemicznie czystych tlenków metali.

Charakteryzuje się wytrzymałością mechaniczną, odpornością na temperaturę, niską wrażliwością na zanieczyszczenia i łatwością wytwarzania.

Mierzy temperatury w zakresie od 1800°C do 3000°C, przy czym dolna granica wynosi 1300°C. Pomiar w warunkach gazu obojętnego, suchego wodoru lub próżni. Nadaje się tylko do pomiarów w środowiskach utleniających w przypadku szybkich procesów.

Wady: słaba powtarzalność EMF termicznego, niestabilność podczas napromieniowania, niestabilna czułość w zakresie temperatur.

Termopara wolframowo-molibdenowa (TM)

Elektroda dodatnia: wolfram (technicznie czysty).
Elektroda ujemna: molibden (technicznie czysty).

Izolacja: ceramika korundowa, zabezpieczona końcówkami kwarcowymi.

Środowisko obojętne, wodór lub próżnia. Krótkotrwałe pomiary w środowiskach utleniających możliwe w obecności izolacji. Zakres mierzonych temperatur wynosi od 1400 do 1800°C, a temperatura graniczna ok. 2400°C.

Wady: słaba powtarzalność i czułość termoEDC, odwracanie biegunowości, kruchość w wysokich temperaturach.

Termopary platynowo - rodowo - platynowe (PPT)

Elektroda dodatnia: platyna-Rh (Pt z 10% lub 13% Rh)
Elektroda ujemna: platyna.

Izolacja: Kwarc, porcelana (zwykła i ogniotrwała). Do 1400°C - ceramika z podwyższoną zawartością Al₂O₃O, powyżej 1400°C - chemicznie czysty Al₂O₃.

Maksymalna temperatura pracy długotrwałej 1400°C, krótkotrwałej 1600°C. Pomiary w niskich temperaturach nie są zwykle wykonywane.

Środowisko pracy: środowisko utleniające i obojętne, środowisko redukujące w obecności osłon.

Wady: wysoki koszt, niestabilność pod wpływem napromieniowania, duża wrażliwość na zanieczyszczenia (zwłaszcza elektrody platynowej), wzrost ziarna metalu w wysokich temperaturach.

Termopary platynowo - rodowo - platynowe (PRT)

Elektroda dodatnia: stop Pt z 30% Rh.
Elektroda ujemna: stop Pt z 6% Rh.

Czynniki: utleniające, obojętne i próżniowe. Stosować w środowiskach metalicznych i niemetalicznych zawierających reduktory i opary w obecności osłony.

Maksymalna temperatura robocza: 1600°C długotrwale, 1800°C krótkotrwale.

Izolacja: ceramika z Al₂O₃ Ceramika Al O o wysokiej czystości.

Mniejsza podatność na zanieczyszczenia chemiczne i wzrost ziarna niż w przypadku termopary platynowo-niklowej.

Schemat połączeń termoelementu

• Podłączenie potencjometru lub galwanometru bezpośrednio do przewodów.
• Połączenie za pomocą przewodów kompensacyjnych;
• Połączenie za pomocą konwencjonalnych przewodów miedzianych z termoparą o zunifikowanym wyjściu.

Standardy kolorów przewodów termoparowych

Kolorowa izolacja przewodów pomaga odróżnić elektrody termoelementów od siebie w celu prawidłowego podłączenia do zacisków. Normy różnią się w zależności od kraju, nie ma też określonych oznaczeń kolorystycznych żył.

WAŻNE: Aby uniknąć błędów, należy poznać standardy stosowane przez firmę.

Dokładność pomiaru

Dokładność zależy od typu termopary, zakresu mierzonej temperatury, czystości materiału, zakłóceń elektrycznych, korozji, właściwości złącza i procesu produkcyjnego.

Termopary mają przypisaną klasę tolerancji (standardowa lub specjalna), która określa przedział ufności pomiaru.

WAŻNE: Charakterystyki w momencie produkcji zmieniają się w trakcie eksploatacji.

Szybkość pomiaru

Szybkość zależy od zdolności przetwornika głównego do szybkiej reakcji na skoki temperatury i następującego po nich przepływu sygnałów wejściowych do przyrządu pomiarowego.

Czynniki zwiększające szybkość reakcji:

1. Prawidłowa instalacja i obliczenie długości przetwornika głównego;
2. W przypadku stosowania przetwornika z osłoną termometryczną należy zmniejszyć masę urządzenia, wybierając osłonę o mniejszej średnicy;
3. Zmniejszyć do minimum szczelinę powietrzną między przetwornikiem głównym a osłoną termometryczną;
4. Zastosowanie sprężynowego przetwornika głównego i wypełnienie pustych przestrzeni w osłonie termometrycznej wypełniaczem termoprzewodzącym;
5. Szybko poruszające się medium lub medium o większej gęstości (ciecz).

Badanie funkcjonalne termoelementu

Aby sprawdzić działanie, należy podłączyć specjalne urządzenie pomiarowe (tester, galwanometr lub potencjometr) albo zmierzyć napięcie wyjściowe miliwoltomierzem. Jeśli strzałka lub wyświetlacz cyfrowy zmieniają się, termopara jest sprawna, w przeciwnym razie należy wymienić urządzenie.

Przyczyny uszkodzeń termopar:

1. Niestosowanie ochronnego urządzenia ekranującego;
2. Zmiana składu chemicznego elektrod;
3. Procesy utleniania zachodzące w wysokich temperaturach;
4. Uszkodzenie przyrządu pomiarowego itp.

Zalety i wady stosowania termopar

Zalety stosowania tego urządzenia to m.in:

• Duży zakres pomiaru temperatury;
• Wysoka dokładność;
• Proste i niezawodne.

Wadami są:

• Stałe monitorowanie zimnego węzła, weryfikacja i kalibracja sprzętu kontrolnego;
• Zmiany strukturalne zachodzące w metalach podczas produkcji aparatury;
• Zależność od składu atmosfery, koszty uszczelnienia;
• Błędy pomiarowe wynikające z ekspozycji na fale elektromagnetyczne.

Powiązane artykuły: