1. Zasada działania i budowa termopary

Jak działają termopary? Termopary działają dzięki różnicom w właściwościach termoelektrycznych różnych metali, co umożliwia pomiar temperatury na podstawie zmian napięcia. Te urządzenia pomiarowe składają się z dwóch metalowych przewodów, połączonych na jednym końcu, z których każdy ma inne właściwości termoelektryczne. Gdy temperatura złącza wzrasta, nośniki ładunku przyspieszają i przemieszczają się w kierunku chłodniejszego końca. Ten ruch generuje napięcie, które rośnie wraz ze wzrostem temperatury i przewodnictwa zastosowanych metali. To zjawisko termoelektryczne, znane jako efekt Seebecka, powoduje różne przewodnictwo w każdym z metali, co prowadzi do powstania różnych napięć na obu "nogach". Różnica między tymi napięciami (oznaczona jako UT1) umożliwia pomiar temperatury w punkcie złącza lub bezpośrednio w punkcie pomiarowym.

Na drugim końcu, gdzie termopara łączy się z urządzeniem pomiarowym, powstają dwa napięcia częściowe (UT2a i UT2b). Ich suma, która wystąpiłaby również w przypadku zwarcia termopary przy danej temperaturze, odzwierciedla temperaturę w punkcie połączenia, zwanym zimnym złączem. To zmierzone napięcie pozwala określić różnicę temperatur – różnicę między gorącym punktem pomiarowym a chłodniejszym zimnym złączem.

2. Przewody kompensacyjne i złącza wolne od napięcia termoelektrycznego

Drugie napięcie (UT2) przy zimnym złączu:

W termoparach powstaje napięcie, gdy dwa różne metale są połączone i wystawione na różne temperatury. Jedno z tych napięć, zwane UT2, powstaje w miejscu, gdzie termopara jest połączona z przewodami (to miejsce nazywa się zimnym złączem).

Przewody kompensacyjne:

Termopary są często używane z przewodami kompensacyjnymi. Te przewody są zrobione z materiałów, które mają podobne właściwości termoelektryczne do tych w termoparach. Dzięki temu można je przedłużyć aż do urządzenia pomiarowego bez zniekształcania pomiarów temperatury.

Złącza wolne od napięcia termoelektrycznego:

Złącza, które nie generują dodatkowego napięcia termoelektrycznego, są bardzo ważne. Dlaczego? Jeśli złącza generowałyby dodatkowe napięcie, mogłoby to zaburzyć dokładność pomiarów temperatury. Używanie takich specjalnych złączy pomaga uzyskać bardziej precyzyjne i wiarygodne wyniki pomiarów.

3. Wewnętrzna kompensacja temperatury czujnika termoelektrycznego

Urządzenie polowe oblicza różnicę temperatur, wykorzystując różnicę napięć między UT1 a UT2. Jak mierzy się temperaturę zimnego złącza (T2)? Temperaturę zimnego złącza, oznaczoną jako T2, mierzy się dodatkowym czujnikiem temperatury, co jest kluczowe dla dokładności pomiaru. Dlaczego to jest ważne? Ta temperatura (T2) jest potem dodawana z powrotem do wyliczonej różnicy temperatur (T1 - T2 + T2), co daje nam końcową wartość temperatury w miejscu pomiaru, oznaczoną jako T1.

Co to jest wewnętrzna kompensacja temperatury? To proces, który zapewnia dokładne i niezawodne ustalenie temperatury w punkcie pomiarowym. Kluczowym elementem tej metody jest temperatura odniesienia, która pozwala na precyzyjne obliczenia i kompensację ewentualnych różnic.

4. Rozpatrywanie zwarć w układach z termoparami

Co się dzieje, gdy wystąpi zwarcie w przewodzie kompensacyjnym? Zwarcie w przewodzie kompensacyjnym prowadzi do powstania dodatkowej termopary działającej równolegle z oryginalną. Innymi słowy, tworzy się nowa, niepożądana termopara w miejscu zwarcia. To powoduje, że mierzona temperatura staje się średnią wartością temperatury w miejscu rzeczywistego pomiaru oraz temperatury w miejscu zwarcia.

Dla przykładu, jeśli rzeczywista temperatura w punkcie pomiarowym wynosi 200°C, a temperatura w miejscu zwarcia wynosi 100°C, to urządzenie może pokazywać temperaturę wynoszącą około 150°C. Oznacza to, że wynik pomiaru jest zafałszowany i nieodpowiedni do rzeczywistych warunków.

Niestety, urządzenie polowe (czyli urządzenie, które przetwarza sygnał z termopary) nie jest w stanie wykryć tego typu zwarcia. Dlaczego tak się dzieje? Urządzenia te są zaprojektowane do odczytu sygnałów napięciowych generowanych przez termopary i nie mają funkcji diagnostycznych, które mogłyby wskazać, że powstała dodatkowa termopara w wyniku zwarcia.

W rezultacie, pomiary temperatury w systemach z termoparami mogą być niewiarygodne, jeśli wystąpią zwarcia w przewodach kompensacyjnych. Dlatego ważne jest regularne sprawdzanie stanu przewodów kompensacyjnych i zapewnienie, że są one wolne od zwarć, aby uzyskać dokładne i wiarygodne pomiary temperatury.

5. Izolacja galwaniczna w obwodzie pomiarowym termopary

W układach z termoparami może dochodzić do zwarć, czyli niepożądanego połączenia elektrycznego, między drutami termopary a masą zakładu. Czym jest masa zakładu? To punkt odniesienia w systemach elektrycznych, który jest połączony z ziemią w celu zapewnienia bezpieczeństwa i poprawnego działania urządzeń. Takie zwarcie może wystąpić w kilku przypadkach. Na przykład, zwarcie może pojawić się między połączeniem złącza a rurą ochronną. Tego typu połączenie jest czasem celowo stosowane, aby uzyskać szybszą reakcję na zmiany temperatury. Innym przypadkiem jest zmniejszenie rezystancji rur ceramicznych, co może się zdarzyć przy wysokich temperaturach pomiarowych. Zmniejszona rezystancja oznacza, że prąd elektryczny łatwiej przepływa przez te rury, co zwiększa ryzyko zwarcia.

Aby zapobiec takim zwarciom i związanym z nimi problemom, należy stosować izolację galwaniczną. Izolacja galwaniczna oddziela obwód pomiarowy termopary od reszty systemu elektrycznego, zapobiegając niepożądanym przepływom prądu, które mogą zakłócać pomiary.

Jak można osiągnąć izolację galwaniczną? Istnieje kilka metod:

• Nadajnik: Użycie nadajnika, który przekazuje sygnał pomiarowy bez bezpośredniego połączenia elektrycznego.
• Izolator zasilania: Urządzenie, które dostarcza energię do obwodu pomiarowego, jednocześnie oddzielając go galwanicznie od reszty systemu.
• Jednostka analizująca: Niektóre zaawansowane jednostki pomiarowe mają wbudowaną izolację galwaniczną, co eliminuje konieczność stosowania dodatkowych urządzeń.

Stosowanie izolacji galwanicznej jest kluczowe dla zapewnienia dokładnych i niezawodnych pomiarów temperatury, szczególnie w trudnych warunkach przemysłowych, gdzie ryzyko zwarć jest wysokie. Dzięki izolacji galwanicznej obwód pomiarowy jest chroniony przed niepożądanymi zakłóceniami, co pozwala na uzyskanie precyzyjnych wyników.

6. Standaryzacja termopar

Termopary są znormalizowane zgodnie z międzynarodową normą DIN EN 60584-1, co zapewnia ich zgodność pod kątem zachowania elektrycznego.   W zależności od zastosowanych materiałów termopara  może mierzyć temperaturę w zakresie od –200°C do nawet 2500°C. Najpopularniejsze typy termopar to J, K i N, które nie zawierają metali szlachetnych. W przeciwieństwie do nich, typy S i B są wykonane z drogich metali szlachetnych i są przeznaczone do pracy w bardzo wysokich temperaturach. Termopara typu B umożliwia pomiar najwyższych temperatur, przy czym norma określa maksymalną wartość na 1700 stopni Celsjusza. Po wyborze odpowiedniego rodzaju termopary, urządzenia polowe automatycznie przeliczają zmierzoną wartość na odpowiednią skalę temperatur.

7. Długoterminowe zachowanie termopar

Zalecane maksymalne temperatury pracy dla termopar, określone w normach, są przeznaczone do typowych zastosowań w czystym powietrzu. Oznacza to, że termopary działają najefektywniej i najdokładniej w kontrolowanych warunkach, gdzie powietrze nie zawiera zanieczyszczeń ani wilgoci. Jednak, jeśli termopary są eksploatowane w wyższych temperaturach niż zalecane, może to prowadzić do zwiększonego dryftu sygnału. Dryft sygnału oznacza stopniowe odchylenie wskazywanej temperatury od rzeczywistej wartości, co wpływa na dokładność pomiarów.

Dodatkowo, sygnał wyjściowy termopar może ulec zmianie, gdy w ich strukturę wnika obca materia. Może to nastąpić, na przykład, gdy termopary są używane w atmosferach pieców przemysłowych, gdzie mogą być narażone na różne gazy i zanieczyszczenia, lub w rurach ochronnych, które mogą z czasem przepuszczać substancje obce. Te obce materiały mogą reagować z metalami termopary, zmieniając jej właściwości i powodując błędne odczyty temperatury.

Z tego powodu kluczowe jest regularne kalibrowanie termopar oraz odpowiednie dostosowywanie urządzeń polowych, które przetwarzają sygnały z termopar. Kalibracja polega na sprawdzaniu i korygowaniu wskazań termopary, aby upewnić się, że nadal mierzy ona temperaturę dokładnie. Częstotliwość kalibracji i konserwacji powinna być ustalana przez użytkownika na podstawie specyfiki aplikacji i warunków pracy.

Ostatecznie, to użytkownik musi podjąć decyzję, jak długo dany przyrząd pomiarowy może być efektywnie wykorzystywany w danej instalacji. Regularne monitorowanie, kalibracja i konserwacja termopar są niezbędne, aby zapewnić dokładność i niezawodność pomiarów temperatury przez cały okres eksploatacji urządzenia. Dzięki temu można uniknąć kosztownych błędów i utrzymać wysoką jakość procesów przemysłowych.

Precyzja pomiaru z użyciem termopar – podsumowanie

Podsumowując, termopary to kluczowe narzędzia w pomiarach temperatury, stosowane w wielu branżach ze względu na ich szeroki zakres pomiarowy i dobrą dokładność. Działają one na zasadzie efektu Seebecka, generując napięcie w odpowiedzi na różnice temperatur między dwoma różnymi metalami. Kluczowe dla precyzji pomiarów jest właściwe podłączenie termopary oraz użycie przewodów kompensacyjnych, które minimalizują zakłócenia. Wewnętrzna kompensacja temperatury zimnego złącza jest niezbędna dla dokładnych odczytów, a izolacja galwaniczna pomaga uniknąć problemów z zwarciami. Standaryzacja zgodnie z normą DIN EN 60584-1 zapewnia spójność pomiarów, a regularna kalibracja jest konieczna, aby utrzymać dokładność i niezawodność termopar w długim okresie czasu.

Sprawdź nasze inne wpisy blogowe m.in. o typach termopar, w tym termoparze typu K i termoparze typu J

O autorze

Nazywam się Ewelina Szmit i od kilku lat działam w dziedzinie content marketingu, łącząc moje umiejętności zawodowe z pasją do pisania. Wierzę, że nawet najbardziej techniczne tematy mogą być przedstawione w sposób ciekawy i dostępny dla każdego. Poza pracą, moją kreatywność rozwijam tworząc kolaże z gazet. Czas wolny najchętniej spędzam aktywnie, spacerując z psem lub biegając.

Komentarze

Zachęcamy do pozostawienia swoich komentarzy poprzez formularz znajdujący się poniżej. Zostaną umieszczone w sieci po ich zatwierdzeniu w naszym procesie weryfikacji.