MJERENJE TEMPERATURE

Termoelektrični senzori za standardne i specijalizirane primjene

Termoparovi: Termopar je jedan od najpopularnijih temperaturnih senzora koji se koriste u industriji. Prema definiciji termoelementa podrazumijevamo element sastavljen od dvije žice izrađene od različitih materijala. Jedan kraj spojen je na tzv mjerni spoj i slobodni krajevi s druge strane su stezaljke u kojima se mjeri napon koji proizlazi iz termoelektričnog efekta. Taj je napon proporcionalan temperaturnoj razlici mjernog spoja i stezaljki. Termoelektrični efekt koji se javlja u termoelementima je razlika potencijala – napon, nastao spajanjem dvaju različitih metala i njihovim postavljanjem na različite temperature. Taj napon ovisi o vrsti materijala i temperaturnoj razlici u kojoj su postavljeni.Termoparovi, također poznati kao termoelektrični temperaturni senzori, u većini slučajeva namijenjeni su uporabi pri visokim temperaturama koje prelaze tisuću stupnjeva Celzija. Zbog materijala koji se koristi za proizvodnju razlikuje se nekoliko tipova termoelemenata, poput termoelementa tipa K ili jednako popularnog termoelementa tipa J. Vrsta materijala koji se koristi također određuje radnu temperaturu za koju su određeni termoelementi namijenjeni.

Konstrukcija termoelementa

Tipično, termoelement je izrađen od kombinacije dvaju materijala promjera od 0,2 do 5 mm. Kada se koriste plemeniti materijali kao što su rodij ili platina, dimenzije variraju između 0,1 i 0,5 mm. Prilikom odabira materijala termoelementa treba voditi računa da on ima visok SEEBECK koeficijent i da temperatura ima najmanji utjecaj na njegovu vrijednost, što će omogućiti linearnu karakteristiku. Odgovarajući materijal termoelementa odabire se ovisno o rasponu mjerene temperature. Vanjski poklopac senzora je izložen vrlo visokim temperaturama, stoga je potrebno koristiti različite vrste čelika. Na najvišim temperaturama plašt termoelementa je izrađen od čelika otpornog na toplinu ili keramičkih materijala. Takav pokrov mora biti otporan na koroziju, toplinski udar i mehanička oštećenja. Poželjna značajka za izbjegavanje korozije termoelementa je nepropusnost plinova koja bi mogla značajno ubrzati proces starenja termoelementa. Postoje i otvorene izvedbe, koja se koriste za smanjenje dinamičkih pogrešaka. U slučaju posebnih mjerenja, kao što su temperatura tekućih metala, stakla ili tekućeg čelika, koriste se visokospecijalizirani termoelementi, koje također nudimo.


Vrste termoelemenata i temperaturni rasponi

Kao što je ranije spomenuto, termoelemente ili termoparove dijelimo na nekoliko tipova, prema materijalima koji se koriste u njihovoj konstrukciji. Upotrijebljeni metal ili njegova legura moraju ispunjavati određene zahtjeve, kao što su:

  • visoka točka taljenja i visoka otpornost na vanjske čimbenike zbog uvjeta u kojima senzor treba raditi,
  • niska otpornost,
  • nizak toplinski koeficijent otpora,
  • nepromjenjivost parametara tijekom vremena.

Vrste termoelemenata dodatno su dodijeljene odgovarajućim skupinama, koje se razlikuju po radnoj temperaturi senzora:

Grupa I.

  • Tip "K" - NiCr-NiAl
    Temperaturno područje od -200 do 1200 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 41 μV / ℃
  • Tip "J" i "L" - Fe-CuNi
    Raspon korištenih temperatura od -40 do 750 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 55 μV / ℃
  • Tip "E" - NiCr-CuNi
    Raspon temperature od -200 do 900 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 68 μV / ℃
  • "N" tip - NiCrSi-CuNi
    Raspon temperatura od -40 do 1200 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 39 μV / ℃
  • Tip "T" - Cu-CuNi
    Raspon korištenih temperatura od -200 do 350 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 30 μV / ℃

Grupa II

  • Tip "S" - PtRh10-Pt
    Raspon temperature do 1600 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 10 μV / ℃
  • Tip "R" - PtRh13-Pt
    Raspon temperature do 1600 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 14 μV / ℃
  • Tip "B" - PtRh30-PtRh6
    Raspon temperature do 1800 ℃, osjetljivost takvih termoparova je 12 μV / ℃

Grupa III

  • koristi se za vrlo visoke temperature do 2300 ℃
  • Tip "C" - W-Re / 5% volframa
  • Tip "D" - W-Re / 25% volframa

Od velikog broja mogućih kombinacija metala odabrani su neki od njih i iskorištena njihova svojstva, posebice brojna naprezanja i dopuštena odstupanja. Sljedeći termoelementi standardizirani su u pogledu napona termoelementa i njegovih tolerancija u svjetskim (IEC) i europskim ili nacionalnim standardima.

Označavanje termoelementa bojama

Tip termoelementa

Maksimalna
temperatura

Definirano do max.

Pozitivni vodič

Negativni vodič

Fe-CuNi

"J"

750 °C

1200 °C

crni

bijeli

Ce-CuNi

"T"

350 °C

400 °C

smeđi

bijeli

NiCr-Ni

"K"

1200 °C

1370 °C

zeleni

bijeli

NiCr-CuNi

"E"

900 °C

1000 °C

ljubičasti

bijeli

NiCrSi-NiSi

"N"

1200 °C

1300 °C

ružičasti

bijeli

Pt10Rh-pet

"S"

1600 °C

1540 °C

narančasti

bijeli

Pt13Rh-pet

"R"

1600 °C

1760 °C

narančasti

bijeli

Pt30Rh-Pt6Rh

"B"

1700 °C

1820 °C

sivo

bijeli

Termoparovi prema DIN EN 60 584

 

Tip termoelementa

Maksimalna
temperatura

Definirano do max.

Pozitivni vodič

Negativni vodič

Fe-CuNi

"L"

700 °C

900 °C

crveni

plavi

Ce-CuNi

"NA"

400 °C

600 °C

crveni

smeđi

Termoparovi prema D IN 43 710


Označavanje u boji kompenzacijskih vodiča

Termopar

Tip

Izolacija

Pozitivni vodič

Negativni vodič

Cu-CuNi

"T"

smeđe

smeđi

bijeli

Fe-CuNi

"J"

crna

crni

bijeli

NiCr-Ni

"K"

zelena

zeleni

bijeli

NiCrSi-NiSi

"N"

ružičasta

ružičasti

bijeli

NiCr-CuNi

"E"

ljubičasta

ljubičasti

bijeli

Pt10Rh-pet

"S"

narančasta

narančasti

bijeli

Pt13Rh-pet

"R"

narančasto

narančasti

bijeli

Kompenzacijski kabeli za termoelemente prema D IN EN 60 584

 

Termopar

Tip

Izolacija

Pozitivni vodič

Negativni vodič

Fe-CuNi

"L"

plava

crveno

plavo

Ce-CuNi

"NA"

smeđa

crveno

smeđe

Kompenzacijski kabeli za termoelemente prema DIN 43 713

 

Termopar

Tip

Izolacija

Pozitivni vodič

Negativni vodič

NiCr-Ni

"K"

zelena

crveni

zeleni

Pt10Rh-pet

"S"

bijela

crveni

bijeli

Pt13Rh-pet

"R"

bijela

crveni

bijeli

Kompenzacijski kabeli za termoelemente prema DIN 43 714, Status 1979

Kako radi termopar?

Princip rada termopara, odnosno termoelementa rezultat je tzv Seebeck efekta. Taj se fenomen može objasniti teorijom slobodnih elektrona, prema kojoj različite vrste vodiča imaju različitu gustoću slobodnih elektrona. Na mjestu dodira dvaju različitih vodiča koji čine termoelement dolazi do međusobnog pomicanja elektrona s jednog vodiča na drugi. Više elektrona će prijeći iz vodiča veće gustoće u vodič manje gustoće. Intenzitet migracije elektrona ovisi o temperaturi kontaktne točke oba vodiča, te raste s porastom temperature. Elektromotorna sila koja nastaje u krugu termoelementa koji se sastoji od dva različita vodiča čiji su krajevi postavljeni na različite temperature dana je formulom:

V = (SB-SA) * (T2-T1)

Rezultirajuća elektromotorna sila je reda veličine od nekoliko mikrovolti do nekoliko desetaka mikrovolti po stupnju Celzijusa.

Primjena

Termoparovi su svoju popularnost stekli zahvaljujući visokoj točnosti, velikom mjernom rasponu i fleksibilnom dizajnu, što im omogućuje korištenje u raznim, pa i najzahtjevnijim uvjetima. Osnovni tipovi termoelektričnih senzora dostupni na tržištu odlikuju se velikom mehaničkom izdržljivošću, jednostavnom konstrukcijom i, što je važno s stajališta korisnika, niskom cijenom. U industriji se najčešće koriste termoelementi tipa K i termoelementi tipa J. Točnost mjerenja dobivena korištenjem termoelemenata je u rasponu od ± 1-2 °C, što u većini primjena premašuje potrebnu točnost. Dodatna prednost je što termoelement ne zahtijeva vanjsko napajanje. Ono što je posebno važno, u slučaju standardiziranih verzija, mjerni raspon je od -200 do 1800 °C, dok u nestandardiziranim verzijama termoelementi izrađeni od legura volframa i renija, grafita ili molibdena mogu podnijeti temperaturne raspone od 1800 do čak 2400 °C. Primjer ove vrste primjene je mjerenje temperature tekućeg aluminija.


Cu-CuNi

350 °C

Nisko širenje

Fe-CuNi

700 °C

Široko korišten, jeftin, sklon koroziji.

NiCr-CuNi

700 °C

Niska disperzija, visoki termoelektrični napon.


1000 °C

Često se koristi u rasponu od 800-1000 ° C, također je prikladan za niže temperaturno područje.

NiCrSi-NiSi

1300 °C

(Ipak) nije baš uobičajeno. Djelomično može zamijeniti dragocjene elemente.

Pt10Rh-pet

1500 °C (1300 °C)

Visoka cijena, vrlo dobra dugoročna stabilnost, striktno tolerirana.

Pt30Rh-Pt6Rh

1700 °C

Visoka cijena, najniži termoelektrični napon, visoka maksimalna temperatura.

Priključne glave

U praksi se, ovisno o primjeni, termoelektrični senzori koriste u izvedbama s različitim priključnim glavama. Ovisno o načinu ugradnje senzora, to su inačice s vijkom i utičnice.

Razlikujemo termoelemente s priključnim glavama A, B, BUZ, BUZH, BBK i J. Takve glave mogu se izraditi s jednim ili dvostrukim termoelementom.

Takva rješenja jamče ispravan rad na temperaturama okoline ne većim od 100˚C, a namijenjena su mjerenju temperature u tekućinama i plinovima. Kod utičnih termoelemenata materijal za uranjanje je od keramike ili čelika otpornog na toplinu, dok je uronjeni dio izrađen od čelika otpornog na kiseline za dijelove koji se uvijaju. Izbor ovisi o uvjetima u neposrednoj blizini elementa, a odgovarajući odabir jamči otpornost na utjecaj uvjeta okoline i mehanička naprezanja. Brtvljenje u glavama za vijke omogućuje njihovu upotrebu u aplikacijama s nadtlakom i podtlakom. U slučaju utičnih glava, sustav je dodatno zabrtvljen posebnim prirubnicama.

Standardni ili obloženi mjerni uložak je mineralno izoliran, izrađen od fleksibilnih žica u omotaču tankih stijenki, a žice su ugrađene u vatrootporni komprimirani magnezijev oksid. Kao rezultat, smanjuje se dinamička pogreška, što je posljedica kratkog vremena reakcije od 0,5 do 0,15 s. Dizajn osigurava otpornost na vibracije, što znači dug radni vijek takvog elementa. Osnovna primjena ovakvog rješenja su kemijska postrojenja, ali i mjerenja temperature u cjevovodima i sl. Na zahtjev kupca u glavu se ugrađuje temperaturni odašiljač.