Wybór sondy temperaturowej

Czujniki termoelektryczne są niezbędną częścią toru pomiarowego w dotykowych pomiarach temperatury

Termometry cyfrowe stosowane w pomiarach dotykowych wyposażone są w dwa rodzaje czujników:

  • czujniki rezystancyjne,
  • czujniki wykorzystujące termoelementy.

Czujniki termoparowe są stosowane w szerokim zakresie temperatur, zapewniają większe możliwości konstrukcyjne, nie są zbyt dokładne.

Podstawową zaletą czujników rezystancyjnych jest mała nieliniowość, duża powtarzalność parametrów i stabilność w czasie. Wady to stosunkowo duża bezwładność i ograniczenia stosowania ich w wysokich temperaturach.

Czujniki rezystancyjne

W konstrukcji czujników rezystancyjnych wykorzystane jest zjawisko zmiany rezystancji przewodników lub półprzewodników funkcji temperatury. Opisując właściwości czujników rezystancyjnych ograniczymy się do czujników, gdzie podstawowym materiałem jest platyna. Tego typu czujniki nazywane są popularnie czujnikami typu PT-100 lub PT-1000.

Stosowanie platyny jako materiału zapewnia:

  • stosunkowo duży cieplny współczynnik zmian rezystancji,
  • stosunkowo dużą rezystywność,
  • wysoką temperaturę topnienia,
  • stałość własności fizycznych,
  • brak histerezy termicznej,
  • małą nieliniowość charakterystyki temperaturowej.

Najczęściej produkowanymi czujnikami są czujniki PT-100 charakteryzujące się rezystancją 100Ω w temperaturze 0°C. Spotyka się również wersje PT-1000 o rezystancji 1000Ω w temperaturze 0°C.

Konstrukcje czujników z wykorzystaniem rezystorów platynowych są zbliżone do konstrukcji czujników wykorzystujących termoelementy. Istnieją pewne ograniczenia w konstrukcji małych czujników o małej bezwładności temperaturowej. Z tego powodu trudno wykonać czujnik o dobrych właściwościach dynamicznych. Należy też pamiętać, że płynący prąd przez rezystor powoduje wydzielanie się ciepła i następuje samoogrzewanie termorezystora. W przypadku termometrów bateryjnych konieczność zasilania czujników przyczynia się do szybszego zużycia baterii. Sposobem eliminacji tego problemu jest rozwiązanie zastosowane w termometrze YC RTD-126C. W tym termometrze można zaprogramować załączanie zasilania sond pomiarowych na czas wykonywania pomiarów.

Podstawową zaletą stosowania czujników rezystancyjnych w stosunku do czujników z termoelementami jest łatwość połączenia czujnika z termometrem. Przy krótkich odległościach (1-2m) czujnik można łączyć zwykłym miedzianym przewodem dwużyłowym. Przy długich połączeniach stosuje się przewody miedziane trójprzewodowe i czteroprzewodowe w celu eliminacji wpływu rezystancji doprowadzeń. Sposób połączenia czujnika z termometrem przy użyciu linii czteroprzewodowej przedstawiono na rysunku:

Sposób połączenia czujnika z termometrem przy użyciu linii czteroprzewodowej

Czujniki termoparowe

Czujniki (sondy temperaturowe) wykorzystują zjawisko liniowej zależności siły termoelektrycznej funkcji temperatury. Termoelement powstaje przez połączenie na jednym końcu dwóch różnych materiałów (najczęściej stopów metali). Miejsce połączenia nazywa się spoiną pomiarową i umieszcza się ją w miejscu wykonywania pomiaru. Pozostałe dwa końce stanowią zaciski pomiarowe.

Materiały stosowane na termoelementy charakteryzują się:

wysoką temperaturą topnienia
odpornością na wpływy atmosferyczne
stałością własności w czasie                      
ciągłą i liniową zależnością siły termoelektrycznej od temperatury

Najczęściej stosowane termoelementy:

  • Typu J (Fu-CuNi) żelazo - konstantan. Ten typ termoelementu powinien być stosowany praktycznie do temperatur poniżej 600°C. Może być używany zarówno w atmosferze utleniającej jak i redukującej. Powinien być chroniony przed zetknięciem się z gazami zawierającymi wilgoć, tlen i siarkę. Charakteryzuje się stosunkowo dużą wartością siły termoelektrycznej.
  • Typu K (NiCr-NiAl) nikielchrom - nikielaluminium. Termoelement typu K jest najczęściej stosowanym elementem z powodu dużego zakresu temperatur pracy (do 1000-1100°C). Wykazuje dużą liniowość charakterystyki termoelektrycznej. Ten termoelement jest tani w produkcji, odporny na atmosferę utleniającą, w wyższych temperaturach jest wrażliwy na obecność związków siarki i atmosferę redukującą. Według informacji podawanych w literaturze:

Starzenie się elementu typu K powoduje wzrost siły termoelektrycznej przy pracy w powietrzu. W temperaturze ok. 500°C (szczególnie niestarzony) wykazuje zmiany charakterystyki termoelektrycznej o charakterze histerezy.
Eckersdorf K., Michalski L. Pomiary temperatury

  • Typu S (PtRh10-Pt) platynarod-platyna. Ten termoelement jest stosowany do temperatury 1300°C dla pracy ciągłej i do 1600°C dla pracy dorywczej. Odporność na korozje umożliwia stosowanie cienkich drutów, jednak z uwagi na rodzaj materiału cena takiego termoelementu jest wysoka. Oprócz wymienionych typów termopar można spotkać szereg ich odmian różniących się nieznacznie właściwościami i charakterystykami temperaturowymi.
  • Typu T (Cu-CuNi) miedź-nikielmiedź. Termoelement najbardziej odpowiedni dla niskich (ujemnych) temperatur. Zakres stosowania od -200 do 350°C. Niska cena powoduje, że jest dość powszechnie stosowana w przemyśle spożywczym.

Konstrukcje czujników wykorzystujących termoelementy

Spoinę pomiarową wykonuje się poprzez spawanie, zgrzewanie, skręcanie i lutowanie. Średnicę drutu dobiera się w zależności od oczekiwanych warunków wytrzymałościowych, bezwładności temperaturowej, itp. W celu ochrony termoelementu umieszcza się go w osłonach metalowych lub ceramicznych. Takie rozwiązania zwiększają bezwładność temperaturową.

Element termoparowy umieszczony w odpowiedniej osłonie z wyprowadzeniami elektrycznymi nazywany jest czujnikiem temperatury.

Osłony o różnej konstrukcji zapewniają wykorzystanie takich czujników w różnych warunkach otoczenia. Obecnie na dużą skalę wykonuje się czujniki wykorzystujące termoelementy płaszczowe.

Prawidłowe łączenie czujników termoelektrycznych z termometrami cyfrowymi

Podstawowym warunkiem poprawnego wykonywania pomiarów przy użyciu termoelementu jest zapewnienie prawidłowej biegunowości i stałości temperatury wolnych końców termoelementu. Jeżeli odległość końcówek termoelementu jest niewielka od urządzeń będących źródłem zmieniającej się temperatury, to należy przedłużyć ,,elektrycznie'' tę odległość. Można w tym celu stosować przewody termoparowe. Korzystniej jest użyć tzw. przewodów kompensacyjnych, których charakterystyki termoelektryczne (w zawężonym zakresie temperatur) są zbliżone do charakterystyk stosowanych termoelementów. Przy dużych odległościach można istotnie zmniejszyć koszty tego typu rozwiązań.

Zgodnie z normami europejskimi dodatni biegun przewodu (+) oznacza się odpowiednio:

  • przewód kompensacyjny typu K - kolor zielony,
  • przewód kompensacyjny typu J - kolor czarny,
  • przewód kompensacyjny typu T - kolor brązowy,
  • przewód kompensacyjny typu R,S - kolor żółty.

Biegun ujemny przewodu (-) oznaczony jest kolorem białym.

Zalety i wady termopar

Prosta konstrukcja, duża trwałość i niezawodność, a także niska cena, to podstawowe zalety termopar. Przy ich użyciu można wykonywać czujniki pracujące w warunkach ekstremalnych, np. w środowiskach agresywnych. Stosując odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne można uzyskać czujniki o małej bezwładności pomiaru. Podstawową wadą są stosunkowo małe sygnały użyteczne. Współpracujące z sondami termometry muszą być odpowiednio konstruowane, by eliminować sygnały zakłócające. Nieliniowość charakterystyki temperaturowej termopar powinna być kompensowana przy użyciu wbudowanych procedur linearyzacyjnych.

Temperatura odniesienia termoelementów powinna być stabilizowana lub korygowana układem korekcyjnym. Przy dużych odległościach pomiędzy termoparą a termometrem należy przestrzegać odpowiednich zasad:

  • stosować przewody kompensacyjne w ekranie,
  • zachować prawidłową biegunowość,
  • stosować jak najmniej elementów stykowych.
Copyright © 2013-2015 by pomiarytemperatury.pl