Termoelement to element pomiarowy, który znajduje się wewnątrz czujników temperatury. Pomiar temperatury polega na generowaniu napięcia elektrycznego w złączu dwóch metali lub półprzewodników w odpowiedzi na różnicę temperatur lub zmianę oporności na oporniku.

Charakterystyka termoelementów

Poniżej przedstawiamy główne cechy charakterystyczne dla termoelementów używanych w przyrządach, jakimi są czujniki temperatury WIKA.

Zakres temperatury

Termoelementy posiadają bardzo szeroki zakres temperatur. Zazwyczaj jest to od -270°C do +1800°C w zależności od typu. Na przykład termopara typu K może mierzyć w zakresie od -200°C do +1350°C, co czyni ją idealnym rozwiązaniem do stosowania w wielu aplikacjach przemysłowych.

Czułość

Termoelementy generują napięcie, które jest funkcją różnicy temperatur pomiędzy złączem mierzonym a złączem odniesienia. Czułość urządzeń zależy od typu i może wahać się od około 5 µV/°C do 70 µV/°C.

Dokładność

Dokładność zależy od typu oraz od jakości wykonania. Termopary typu K mają dokładność około ±0,75% wartości mierzonej. Dla większości zastosowań przemysłowych taka dokładność jest wystarczająca.

Szybkość odpowiedzi

Termoelementy charakteryzują się szybką odpowiedzią na zmiany temperatury, co jest istotne w dynamicznych procesach przemysłowych. Czas reakcji może być bardzo krótki w zależności od konstrukcji złącza mierzonego oraz jego masy termicznej.

Wytrzymałość

Termoelementy są odpornymi na trudne warunki środowiskowe urządzeniami. Mogą one pracować w wysokich temperaturach, pod wysokim ciśnieniem, a także w agresywnych środowiskach chemicznych.

Typy

Najczęściej spotykane typy termopar to J, K, T, E, R, S, N. Każdy z nich ma różne metale i stopy, co przekłada się na ich zastosowanie w różnych warunkach i zakresach temperatur. Z kolei najpopularniejsze rezystory pomiarowe to czujniki PT100, PT500 oraz PT1000.

Koszt i dostępność

Termopary są zazwyczaj tańsze i bardziej dostępne niż inne zaawansowane czujniki temperatury, takie jak czujniki rezystancyjne (RTD) czy czujniki półprzewodnikowe.

Termopary - podział na typy

 

Typ J (Żelazo-Konstantan)

Opis: ma stosunkowo wysoką czułość (ok. 50 µV/°C). Jest podatny na utlenianie i korozję przy wyższych temperaturach, co ogranicza jego użyteczność w środowiskach utleniających.

Zakres temperatur: od -210°C do +760°C.

Zastosowanie: w aplikacjach przemysłowych, które nie wymagają bardzo wysokich temperatur, w trudnych warunkach przemysłowych.

Typ K (Chromel-Alumel)

Opis: jest jednym z najczęściej używanych termoelementów ze względu na dobrą odporność na utlenianie oraz dużą dokładność i stabilność w szerokim zakresie temperatur. Czułość wynosi około 41 µV/°C.

Zakres temperatur: od -200°C do +1350°C.

Zastosowanie: szerokie zastosowanie w przemyśle, w tym w piecach, silnikach i systemach HVAC.

Typ T (Miedź-Konstantan)

Opis: cechuje się bardzo dobrą stabilnością i odpornością na korozję w wilgotnych środowiskach, co czyni go idealnym do zastosowań w niskich temperaturach. Czułość wynosi około 43 µV/°C.

Zakres temperatur: od -270°C do +400°C.

Zastosowanie: w trudnych warunkach przemysłowych, idealny do niskotemperaturowych aplikacji kriogenicznych.

Typ E (Chromel-Konstantan)

Opis: posiada jedną z najwyższych czułości spośród wszystkich typów termoelementów (ok. 68 µV/°C), co zapewnia wysoką dokładność pomiaru. Jest odporny na korozję.

Zakres temperatur: od -270°C do +1000°C.

Zastosowanie: w aplikacjach wymagających wysokiej precyzji i stabilności, w trudnych warunkach przemysłowych.

Typ R (Platyna-Rod)

Opis: oferuje bardzo dobrą stabilność i dokładność przy wysokich temperaturach, jest jednak droższy niż większość innych typów termoelementów.

Zakres temperatur: od -50°C do +1760°C.

Zastosowanie: przemysł ceramiczny, szklarski, metalurgiczny i jako standard kalibracyjny.

Typ S (Platyna-Platyna/Rod)

Opis: podobnie jak typ R, jest bardzo dokładny i stabilny przy wysokich temperaturach.

Zakres temperatur: od -50°C do +1760°C.

Zastosowanie: przemysł metalurgiczny, szklarski, ceramiczny oraz jako standard kalibracyjny.

Typ N (Nicrosil-Nisil)

Opis: zaprojektowany jako alternatywa dla typu K, cechuje się lepszą odpornością na utlenianie i stabilnością termoelektryczną, co czyni go bardziej niezawodnym w ekstremalnych warunkach.

Zakres temperatur: od -270°C do +1300°C.

Zastosowanie: aplikacje przemysłowe wymagające wysokiej niezawodności  w ekstremalnych warunkach.

Najczęściej stosowane rezystory pomiarowe

 

PT100

Czujnik PT100 to dokładny termorezystor używany do pomiaru temperatury w zakresie od -200°C do +850°C. Nazwa PT100 pochodzi od cech charakterystycznych termorezystora. PT to platyna, z której wykonany jest czujnik, natomiast 100 odnosi się do rezystancji wynoszącej 100 omów przy 0°C. Jest to standardowa wartość dla platynowych termorezystorów umożliwiając ich wykorzystanie w różnych zakresach temperatur.

Czujnik PT100 działa na podstawie termicznej rezystancji, która polega na zmianie rezystancji w zależności od temperatury. PT100 zawiera cienki platynowy drut nawinięty na ceramiczną lub szklaną strukturę i umieszczony w metalowej bądź ceramicznej obudowie ochronnej. W przypadku platyny mówimy o zmianie liniowej, jest więc to właściwy materiał do dokładnych pomiarów temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury, rezystancja czujnika także rośnie. Wzrost ten jest stały i precyzyjny, co umożliwia dokładne określenie temperatury na podstawie zmierzonej rezystancji. Pomiar rezystancji jest przeprowadzany poprzez podłączenie czujnika do mostka Wheatstone’a, umożliwiając dokładny pomiar. Dzięki takiemu układowi, zmiany w rezystancji czujnika są ściśle monitorowane i przekształcane na łatwe do odczytu wartości temperatury.

Czujnik PT100 używany jest w wielu branżach i aplikacjach. Wykorzystuje się go w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym do produkcji leków, monitorowania temperatury w reaktorach chemicznych oraz podczas procesu destylacji. W przemyśle spożywczym czujnik PT100 służy do monitorowania i sprawdzania temperatury podczas gotowania, pieczenia, pasteryzacji czy fermentacji. Przemysł energetyczny wykorzystuje czujniki PT100 w elektrowniach do bezpiecznego  i precyzyjnego monitorowania temperatury w transformatorach, generatorach oraz turbinach. Czujniki PT100 stosuje się także w lotnictwie, a nawet kosmonautyce do śledzenia temperatury w silnikach lotniczych czy systemach klimatyzacji.

PT500

Czujnik PT500 to rezystancyjny miernik temperatury. Jego opór elektryczny wynosi 500 omów w temperaturze 0°C. Jest to dokładne urządzenie mające szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. Konstrukcyjnie czujnik PT500 jest podobny do czujników PT100 i PT1000, ponieważ wszystkie te urządzenia działają na tej samej zasadzie, która opiera się na zależności pomiędzy oporem elektrycznym a temperaturą. W czujniku PT500 rezystancja elementu pomiarowego, czyli platynowego sensora rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Zmiana rezystancji jest liniowa, dlatego klasyfikacja wartości zmiany temperatury do zmiany oporności jest stosunkowo prosta.

Czujniki PT500 są dokładniejsze od modeli PT100, ale nieco mniej dokładne niż PT1000. Warto jednak zauważyć, że dokładność pomiaru zależy nie tylko od samego sensora, ale także od typu układu połączeń czujnika z rejestratorem lub miernikiem. Najczęściej stosowane układy to 2-, 3- i 4-przewodowe. Zazwyczaj czujniki PT500 podłączone są za pomocą układu 2-przewodowego, ponieważ ma on minimalny wpływ rezystancji przewodów na dokładność pomiaru. Jednakże nie ma żadnych negatywnych skutków technicznych, aby użyć połączenia wieloprzewodowego.

Wybierając czujniki PT500 należy wziąć pod uwagę te same kwestie, co w przypadku innych urządzeń tego rodzaju. Rodzaj medium, kąt montażu, temperatura czy kształt przyłącza - to kilka z podstawowych kwestii.  Zastosowanie czujników PT500 jest bardzo wszechstronne. Używane są w szklarniach, wędzarniach, wykorzystuje się je w silnikach lokomotyw czy ciepłomierzach. Najważniejsze, aby PT500 spełniały wszystkie konieczne warunki techniczne i były przystosowane do określonych warunków eksploatacyjnych.

PT1000

Czujniki PT1000 często są wybierane tam, gdzie wymagany jest precyzyjny pomiar temperatury. Ich popularność wynika ze względu na dokładność i szeroki zakres pomiarowy. Stosowane są w badaniach laboratoryjnych oraz w przemyśle. Najczęściej używane są w takich branżach jak medycyna, motoryzacja, podczas budowy maszyn, a także w dziedzinach związanych z wentylacją, ogrzewaniem i chłodzeniem.

Nominalna rezystancja czujników PT1000 wynosi 1000 omów przy temperaturze 0°C. Mają one podobny zakres temperaturowy jak czujniki PT100, co oznacza, że ich rezystancja zmienia się liniowo wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury. Czujniki PT1000 dostępne są w szerokim zakresie temperatur w zależności od zastosowania. Gwarantują wysoką precyzję pomiaru z dokładnością wynoszącą +/- 0,1°C lub lepszą. Mogą działać w zakresie od -200°C do +600°C, a nawet wyżej.

Czujniki PT1000 są dostępne w konfiguracji  2-, 3- i 4-przewodowej, co pozwala na ich wszechstronne zastosowanie w wielu aplikacjach i systemach pomiarowych. Podłączenie w konfiguracji 2-przewodowej jest korzystne ze względu na minimalny wpływ rezystancji przewodów na pomiar. Czujniki PT1000 są również lepszym rozwiązaniem przy dłuższych przewodach, ponieważ ich mniejsza rezystancja wyrównuje błędy wynikające z większej rezystancji przewodów. Ponadto są idealne do zastosowań z zasilaniem bateryjnym, gdyż zużywają mniej energii, co wydłuża żywotność baterii i zmniejsza częstotliwość konserwacji, a także obniża koszty. Mniejsze samonagrzewanie tych czujników oznacza również mniej błędów związanych z temperaturą otoczenia.

Co jeszcze znajdziemy na rynku

 

Termoelementy mineralnie izolowane

Są to termoelementy, które mają przewody pokryte izolacją z tlenku magnezu. Zapewnia to lepszą ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz negatywnym wpływem środowiska. Są bardziej elastyczne i mogą być stosowane w trudno dostępnych miejscach.

Termoelementy wielopunktowe

Zawierają wiele punktów pomiarowych wzdłuż jednego przewodu, co umożliwia jednoczesny pomiar temperatur w różnych miejscach. Są idealne do monitorowania procesów, gdzie temperatura musi być śledzona na wielu poziomach jednocześnie.

Termoelementy z wbudowanym przetwornikiem

Takie termoelementy zostały wyposażone w przetworniki sygnałów, które mogą przekształcać napięcie termoelektryczne bezpośrednio na bardziej użyteczne sygnały cyfrowe. Rozwiązanie to ułatwia integrację z nowoczesnymi systemami automatyzacji przemysłowej.

Termoelementy do specjalnych zastosowań

 Są to termoelementy zaprojektowane do bardzo specyficznych i wymagających aplikacji.

• Wysokotemperaturowe termoelementy - zazwyczaj wykonane z platyny lub jej stopów, które mogą mierzyć temperatury powyżej 1600°C. Odpowiednie dla przemysłu ceramicznego lub metalurgicznego.
• Termoelementy o wysokiej odporności na korozję i ścieranie - używane w trudnych warunkach przemysłowych, gdzie występują agresywne chemikalia lub duże wahania temperatur.