W przemyśle pomiar temperatury za pomocą termopary nie jest niczym nowym. Już ponad 160 lat temu termoelementów używał francuski chemik, Henri Victor Regnault, projektant termometrów i wilgotnościomierzy. To właśnie on jako pierwszy docenił prostotę i skuteczność termoogniw. Co warto wiedzieć na temat budowy i działania termopary? Poszukajmy odpowiedzi.
Termopara – co to jest?
Pojęcia, takie jak: termoogniwo i termopara, a także ogniwo termoelektryczne i termoelement, oznaczają to samo. Termopara jest rodzajem czujnika temperatury, przystosowanym do pomiarów bardzo wysokich temperatur, dochodzących do kilkuset stopni Celsjusza. Taki miernik wskazuje wartości szybko i z niewielkim marginesem błędu.
Prostej konstrukcji termopary znalazły szerokie zastosowania w przemyśle, laboratoriach i gospodarstwach domowych. Warto pamiętać o tym, że zastosowanie termoelementów jest bardzo szerokie. Ze względu na prostotę konstrukcji i wytrzymałość są one wykorzystywane jako element przetworników i generatorów termoelektrycznych.
Termopara: rodzaje
Szczegółową charakterystykę termopar zawiera norma PN-EN60584-1: 2014-04. Jak z niej wynika, istnieją różne rodzaje termopary. W zależności od zastosowanych materiałów termoogniwa mogą być metaliczne i niemetaliczne. Ze względu na zakres temperaturowy termopary dzielą się na 3 podstawowe kategorie: do +1200°C, +1800°C i +2200°C. Są to między innymi:
- termoelement typ S: przystosowana do pomiarów wysokich temperatur, dochodzących do +1600°C,
- termoelement J: pracuje w temperaturach od -40°C do +750°C,
- termopara typu R: mierzy temperatury do 1600°C,
- termopara T: wskazuje wartości w zakresie od -185°C do +300°C,
- termopara typu K: mierzy w zakresie 0 do 1100°C,
- termopara C: wolframowo-renowe, specjalistyczna termopara do pomiarów bardzo wysokich temperatur +2300°C.
W Polsce i na świecie można obecnie nabyć różne termopary. Działanie i precyzja pomiaru uzależnione są przede wszystkim od tak zwanej klasy dokładności. Termoelementy pierwszej klasy należą do najbardziej profesjonalnych i czułych przyrządów pomiarowych – mają one nieznaczny margines błędu pomiarowego. Ich zamiennikiem mogą być tańsze termopary klasy drugiej, w których zakres błędu pomiarowego jest większy.
Typ termopary | Skład |
Zakres roboczy | Klasa dokładności 1 | Klasa dokładności 2 |
K | +ve nikiel chrom (NiCr) -ve nikiel aluminium (NiAl) |
0 do 1100°C pomiar ciągły -180 do 1300°C pomiar okresowy |
±1.5°C w zakresie -40 do 375°C 0,004.|t| w zakresie 375 do 1000°C |
±2.5°C w zakresie -40 do 333°C 0,0075.|t| w zakresie 333 do 1200°C |
J |
+ve żelazo (Fe) -ve konstantan (CuNi) |
0 do 750°C pomiar ciągły -180 do 800°C pomiar okresowy |
±1.5°C w zakresie -40 do 375°C 0,004.|t| w zakresie 375 do 750°C |
±2.5°C w zakresie -40 do 333°C 0,0075.|t| w zakresie 333 do 750°C |
T |
+ve miedź (Cu) -ve konstantan (CuNi) |
-185 do 300°C pomiar ciągły -250 do 400°C pomiar okresowy |
±0.5°C w zakresie -40 do 125°C 0,004.|t| w zakresie 125 do 350°C |
±1.0°C w zakresie -40 do 133°C 0,0075.|t| w zakresie 133 do 350°C |
N |
+ve chromel (nicrosil) -ve alumel (nisil) |
0 do 1100°C pomiar ciągły -270 do 1300°C pomiar okresowy |
±1.5°C w zakresie -40 do 375°C 0,004.|t| w zakresie 375 do 1000°C |
±2.5°C w zakresie -40 do 333°C 0,0075.|t| w zakresie 333 do 1200°C |
E |
+ve nichrom (NiCr) -ve konstantan |
0 do 800°C pomiar ciągły -40 do 900°C pomiar okresowy |
±1.5°C w zakresie -40 do 375°C 0,004.|t| w zakresie 375 do 800°C |
±2.5°C w zakresie -40 do 333°C 0,0075.|t| w zakresie 333 do 900°C |
KCA/KCB (kompensacja dla typu K) |
+ve nichrom (NiCr) -ve konstantan |
0 do 100°C (złącze pomiarowe do 900°C) |
nie dotyczy | ±2.5°C |
RCA/SCA |
+ve miedź (Cu) -ve monel (Cu, Ni) |
0 do 100°C (złącze pomiarowe do 1000°C) |
nie dotyczy |
RCA ±2.5°C RCB ±5.0°C |
Termopara – budowa i zasada pomiaru temperatury
Gdy spojrzymy na schemat konstrukcyjny termopary, od razu zauważymy, że budowa termoelementu nie jest skomplikowana. Składa się ona bowiem z dwóch drucianych elementów, wykonanych z różnych rodzajów metalu, połączonych spoiną pomiarową. Do produkcji termopar, przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach, najczęściej wykorzystywane są metale szlachetne, jak: wolfram czy platyna. Termopara do pomiarów niższych temperatur może być wykonana z metali nieszlachetnych, na przykład: aluminium, niklu, miedzi (najczęściej są to połączenia typu: nikiel i aluminium, nikiel-miedź).
Część termopary wykorzystywanej jako czujnik temperatury znajduje się w specjalnej obudowie, która chroni miernik przed uszkodzeniami. Jedna końcówka termoogniwa spoczywa w temperaturze stałej, druga zaś powinna być osadzona bezpośrednio w punkcie pomiarowym. W celu przeprowadzenia pomiaru końcówki termopary powinny znaleźć się w punktach o zróżnicowanej temperaturze. Jeśli temperatura będzie jednakowa po obu stronach, nie dojdzie do wytworzenia różnicy potencjałów, a tym samym pomiar będzie niemożliwy lub nieprawidłowy.
Jak działa termopara?
Na czym polega praca termopary? Zasada działania tego miernika opiera się na tak zwanym zjawisku Seebecka. Opisał je już w 1821 roku niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck. To właśnie on odkrył, że w wyniku oddziaływania różnych temperatur na końcach drutów, wykonanych z różnych metali, powstaje różnica potencjałów i siła termoelektryczna.
Termoelement: zasada działania
Zjawisko Seebecka jest obecnie podstawą działania każdego termoelementu i aparatury pomiarowo-kontrolnej, służącej do badania niskiej i wysokiej temperatury. Aby wykonać pomiar termoparą, wystarczy zainstalować rejestrator temperatury w docelowym miejscu. Gdy temperatura zacznie wzrastać, napięcie termopary również wzrośnie. Warto też pamiętać o tym, że na tempo powstawania różnic potencjałów wpływa rodzaj materiału, zastosowanego do produkcji termoogniwa.