Termopara

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Schemat termopary
Termoelement

Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) – element obwodu elektrycznego składający się z dwóch różnych materiałów i wykorzystujący zjawisko Seebecka zachodzące na ich styku. Termopara jest wykorzystywana jako czujnik temperatury.

Termopary odznaczają się dużą dokładnością (co jeszcze nie oznacza dokładności całego urządzenia pomiarowego opartego na termoparze) i elastycznością konstrukcji, co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Wadą jest mechaniczna nietrwałość złącza pomiarowego i możliwość przepływu prądu poza obwodem termopary, gdy złącze nie jest izolowane. Izolacja złącza eliminuje ten efekt, ale wydłuża czas reakcji termopary na zmianę temperatury. Dlatego w pomiarach o dużej dynamice zmian stosuje się termopary bez osłony.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Termopara składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia (np. mieszanina wody z lodem). W przypadkach, gdzie nie jest wymagana duża dokładność (dopuszczalny błąd rzędu kilku stopni), jako temperaturę odniesienia traktuje się np. temperaturę wnętrza szafy sterowniczej maszyny przemysłowej, określanej z pomocą czujnika innego niż termopara (jest to tzw. sztuczne zero). Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i „odniesienia”) powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

Spoina pomiarowa może znajdować się w obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Instaluje się ją w miejscu pomiaru temperatury. Złącze odniesienia może być umieszczane w ściśle określonej temperaturze odniesienia, np. topniejącym lodzie. Złącze to może nie być złączem bezpośrednim, a zamknięcie obwodu odbywa się poprzez zaciski miernika.

Zalety termopar[edytuj | edytuj kod]

Produkcja[edytuj | edytuj kod]

Pomimo bardzo prostej konstrukcji, przemysłowe wykonanie dokładnych termopar o powtarzalnych charakterystykach nie jest zadaniem łatwym. Własności metrologiczne termopary zależą przede wszystkim od jakości drutów użytych do wykonania termoelektrod (ich czystości). Istotny jest też dobór przyrządu użytego do pomiaru napięcia termoelektrycznego, gdyż napięcia powstające w termoparach nie przekraczają kilkudziesięciu miliwoltów. W przypadku termopar z metali szlachetnych wartości te są jeszcze mniejsze – kilka miliwoltów.

Termoparę można wykonać samodzielnie, nawet do bardzo zaawansowanych pomiarów. Wymaga ona jednak cechowania w zakresie temperatur, w jakim ma być użyta. Dokładnie przeprowadzone cechowanie umożliwia korzystanie z termopary w bardzo szerokim zakresie temperatur, nawet jeżeli zależność UT) przestaje już być liniowa. Uszkodzoną termoparę (spoinę) można z powodzeniem naprawić, ponownie tworząc spoinę na końcach przewodów (np. poprzez stopienie spawarką w osłonie gazu obojętnego, np. argonu – metoda TIG).

Materiały[edytuj | edytuj kod]

Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać:

  • wysoką temperaturę topnienia,
  • dużą odporność na czynniki zewnętrzne,
  • małą rezystywność,
  • wysoką temperaturę pracy ciągłej,
  • mały współczynnik cieplny rezystancji,
  • niezmienność parametrów w czasie.

Do budowy wykorzystuje się metale szlachetne: platyna i platynorod, wolfram i molibden, oraz nieszlachetne. Np.: żelazo i miedź-nikiel, miedź i miedź-nikiel, nikiel-chrom i nikiel-aluminium.

Typy termopar[edytuj | edytuj kod]

Termoelementy znormalizowane i ich charakterystyki przetwarzania opisuje PN-EN 60584-1.

Dotyczy:

  • arkusz 00 Podział i oznaczenia termoelementów
  • arkusz 01 Termoelement R (PtRh13-Pt)
  • arkusz 02 Termoelement S (PtRh10-Pt)
  • arkusz 03 Termoelement B (PtRh30-PtRh6)
  • arkusz 04 Termoelement J (Fe-CuNi)
  • arkusz 05 Termoelement T (Cu-CuNi)
  • arkusz 06 Termoelement K (NiCr-NiAl)
  • arkusz 08 Termoelement E (NiCr-CuNi)
  • arkusz 09 Termoelement N (NiCrSi-NiSi)

PN-EN 60584-2 opisuje tolerancje poszczególnych termoelementów.

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

  • Grupa I zakres temperatur od –200 do +1200 °C. Brak metali szlachetnych.
  • Grupa II zakres temperatur od 0 do +1600 °C. Platynowo-rodowe.
  • Grupa III zakres temperatur od 0 do +2200 °C. Wolframowo-renowe.

Grupa I[edytuj | edytuj kod]

Typ „K” – NiCr-NiAl
Stosowany w zakresie temperatur od –200 do +1200 °C. Zależność SEM od temperatury dla tego termoelementu jest prawie liniowa, a jego czułość wynosi 41µV/°C.
Typ „J” oraz „L” – Fe-CuNi
Ma on duże znaczenie w przemyśle przetwórstwa tworzyw sztucznych (wtryskarki i formy wtryskowe). Zakres mierzonych temperatur wynosi od –40 °C do +750 °C. Ich czułość wynosi 55µV/°C.
Typ „E” – NiCr-CuNi
Ze względu na wysoką czułość (68µV/°C), ten typ termoelementu stosowany jest przede wszystkim w zakresie niskich temperatur kriogenicznych od –200 do +900 °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 °C. Czułość wynosi 39µV/°C.
Typ „T” – Cu-CuNi
Jest to najrzadziej używany typ termoelementu. Jego zakres pomiarowy wynosi od –200 °C do +350 °C a czułość 30µV/°C.

Grupa II[edytuj | edytuj kod]

Typ „S” – PtRh10-Pt
Są one używane zazwyczaj w atmosferze silnie utleniającej w zakresie wysokich temperatur do +1600 °C. Czułość około 10µV/°C.
Typ „R” – PtRh13-Pt
Podobnie jak termoelement „S” używane w atmosferze silnie utleniającej, ale posiadają większą czułość – około 14µV/°C.
Typ „B” – PtRh30-PtRh6
Umożliwiają pomiar temperatury do +1800 °C. Bardzo stabilny termoelement, ale mało czuły zwłaszcza w zakresie niższych temperatur.

Grupa III[edytuj | edytuj kod]

Typ „C” – Wolfram-Ren / 5% Wolfram
Typ „D” – Wolfram- Ren / 25% Wolfram
Te termoelementy są używane do pomiaru bardzo wysokich temperatur do +2300 °C, w atmosferze redukującej, obojętnej lub w próżni.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]