Czujniki termoelektryczne

CZUJNIKI TERMOMETRÓW TERMOELEKTRYCZNYCH

Termometry termoelektryczne są to przyrządy reagujące na zmianę  temperatury zmianą siły termoelektrycznej wbudowanego w nie termoelementu. W osłonie ochronnej, oprócz termoelementu znajdują się  ciski zewnętrzne do przyłączenia elektrycznych przyrządów pomiarowych. Mogą zawierać elementy montażowe lub głowicę przyłączeniowe.

Termoelementy

Termoelement są to dwa przewodniki/termoelektrody/ wykonane z różnych materiałów, połączone ze sobą na jednym końcu i tworzące część układu wykorzystującego zjawisko termoelektryczne do pomiaru temperatury(zjawisko Seebecka). Zjawisko ermoelektryczne polega na wytworzeniu siły termoelektrycznej (s.e.m.) na skutek różnicy temperatur między dwoma spoinami: pomiarową (połączone końce termoelementu), na którą oddziaływuje mierzona temperatura i odniesienia (niepołączone, wolne końce termoelektrod), która znajduje się w znanej (najczęściej 0°C) temperaturze.

1. TABELA OZNACZANIA TYPÓW TERMOELEMENTÓW.

W przypadku gdy temperatura spoin odniesienia t_so jest różna od 0°C, siłę termoelektryczną termoelementu w dowolnej temperaturze t oblicza się według wzoru :

E_t = E - E_so

w którym:

E_t - rzeczywista siła termoelektryczna w temperaturze t (zgodna z PN-EN 60584:1997 dla temp. t_so-t)

E - zmierzona siła termoelektryczna w temperaturze t

E_so - siła termoelektryczna spoiny odniesienia w temperaturze t_so (wg PN-EN 60584:1997)

2. TABELA WARTOŚCI SEM - DANE SKRÓCONE.

Wartość siły termoelektrycznej SME (mV) między spoinami, dla temperatury odniesienia 0°C wg PN-EN 60584-1:1997

3. TOLERANCJE DLA TERMOELEMENTÓW /WG PN - EN 60584 -2:1997/

4. TERMOELEMENTY PŁASZCZOWE.
Szczególne wymaganie techniczne oraz specjalne zastosowania np. medyczne, doprowadziły do opracowania termoelementów płaszczowych o niewielkich wymiarach, wysokiej rezystancji izolacji i dużej odporności na agresywne środowisko. Jednolity przewód termoelementu płaszczowego składa się z:

• dwóch przewodów (termoelektrod)
• warstwy izolacji - silnie sprasowanego proszku mineralnego (przeważnie tlenek magnezu)
• płaszcza metalowego zapewniającego osłonę mechaniczną i chemiczną spoiny pomiarowej i termoelektrod.

Na jednym końcu termoelektrody są zespawane tworząc spoinę pomiarową (gorący koniec termoelementu). Zaspawany jest również płaszcz termopary od strony spoiny, aby ją odizolować od wpływów zewnętrznych. Drugi koniec termoelementu jest podłączony do przewodu przedłużającego lub kompensacyjnego, bezpośrednio lub poprzez złącze, wtyczka - gniazdo. Dzięki bardzo silnemu sprasowaniu warstwy izolacji i odpowiedniej strukturze metalurgicznej zarówno termoelektrod jak i płaszcza, termoelementy płaszczowe są bardzo giętkie i mogą być wyginane z minimalnym promieniem krzywizny trzy razy większym od ich średnicy zewnętrznej. Przy zachowaniu pewnych środków ostrożności promień zgięcia może być jeszcze mniejszy. Małe średnice zewnętrzne termoelementów umożliwiają pomiar temperatury w miejscach niedostępnych dla czujników rurkowych.

Ewentualne błędy pomiaru termoelementami płaszczowymi:

1. Błędy niejednorodności.

Niejednorodność termoelementów może być spowodowana przez skład chemiczny lub zmianę w strukturze krystalicznej. Wewnątrz drutów termoelektrod pojawia się niepożądana s. e. m., która zawsze ma negatywny wpływ na dokładność pomiaru, jeśli ermoelement umieszczony jest w obszarze z gradientem temperatury. Błąd zależy wtedy tak od niejednorodności, jak i od gradientu temperatury. Zmiany w strukturze drutów termoelektrod mogą powstać w czasie ich zwijania, składania lub rozciągania. Mają ne charakter odwracalny. Powrót do pierwotnej struktury następuje w wyniku podgrzania termoelementu do temperatury 800°C. W celu wykrycia niejednorodności można przeprowadzić następujący eksperyment:

• spoina pomiarowa jest utrzymywana w stałej temperaturze i podłączona do miernika, źródło ciepła jest przemieszczane wzdłuż termoelementu - wskazania miernika nie powinny się znacząco zmieniać.

2. Błędy wynikające z niewłaściwego miejsca pomiaru.

Zasadniczo, spoina pomiarowa, która stanowi czujnik termoelementu, powinna być umieszczona w gorącej części obiektu, którego temperaturę mierzymy. Jeśli to nie jest spełnione, temperatura nie jest mierzona poprawnie. Dodatkowo, zakłócenia w polu temperatury mogą mieć ujemny wpływ na pomiar. Przewodność cieplna materiałów konstrukcyjnych takich, jak izolator, druty termoelektrod i płaszcz powoduje, że zachodzi przez nie wymiana ciepła. Jeżeli płaszcz jest w wyższej temperaturze niż spoina pomiarowa, następuje przepływ ciepła w kierunku spoiny. Tą samą drogą ciepło może odpływać od spoiny. Oba przypadki zakłócają pomiar temperatury. Poprawę można osiągnąć poprzez odpowiednią konstrukcję i zamocowanie termoelementu. Należy zapewnić tak dobrą, jak to jest możliwe, wymianę ciepła pomiędzy mierzonym obiektem a spoiną pomiarową.

3. Błędy wynikające z dryftu.

Defekty termoelementów nie wynikają wyłącznie z mechanicznych uszkodzeń czy złamań, ale także stąd, że s. e. m. nie mieści się już w granicach tolerancji. To zjawisko, znane jako dryft, zachodzi bez żadnych zewnętrznych zmian w temperaturze i może stopniowo zmienić siłę termoelektryczną. Jedną z przyczyn dryftu jest zanieczyszczenie drutów termoelektrod zachodzące pod wpływem temperatury.

Przykład: w termoelementach typu K przyczyną dryftu jest fakt, że w wysokich temperaturach chrom w drucie (+) utlenia się łatwiej, niż nikiel. Następuje redukcja chromu i s. e. m. zmniejsza się. Błąd ten pojawia się często, także wtedy, gdy termopara jest używana w atmosferze beztlenowej. Brak tlenu przeszkadza w utlenianiu i uformowaniu się naturalnej osłony. Pojawiający się nalot niszczy druty termoelektrod. Pomiary temperatury termoelementem typu K w atmosferze bogatej w siarkę, powoduje jej oddziaływanie z drutem niklowym i jego kruchość. Inną przyczyną dryftu jest zbyt gwałtowne schłodzenie termoelementu od temperatury przekraczającej 700°C. Starzenie termoelementów jest skutkiem jeszcze innych procesów, nie  mających nic wspólnego z wyżej opisanymi. W tym miejscu zjawiska te nie są szczegółowo opisane, a jedynie wzmiankowane. Jako ogólną zasadę należy przyjąć, że termoelementy używane w obszarach o wysokich temperaturach winny być czasowo testowane pod kątem utrzymania s. e. m. w granicach tolerancji.

4. Błędy wynikające z niewłaściwego przewodu kompensacyjnego.

Przewód kompensacyjny jest potrzebny w celu przedłużenia termoelementu do urządzenia /stanowiska/ pomiarowego. Jego dołączenie może być przyczyną powstania błędu w pomiarach. Aby tego uniknąć należy pamiętać, że błędy s. e. m. często spowodowane są zamianą polaryzacji kabli przy łączeniu, zastosowaniem niewłaściwego przewodu kompensacyjnego, zbyt wysoką temperaturą otoczenia lub niewłaściwym uziemieniem ekranowania przewodów, jeśli przechodzą one przez pole magnetyczne. Jeśli stwierdza się występowanie błędów pomiarowych, zalecane jest najpierw sprawdzenie przewodu kompensacyjnego.

5. WŁASNOŚCI DYNAMICZNE TERMOELEMENTÓW PŁASZCZOWYCH (BEZ DODATKOWYCH OSŁON) /WG KATALOGÓW FIRMOWYCH

Oznaczenia:
P₂ - wyznaczony w przepływającym powietrzu V = 2 m/s

W_0,4 - wyznaczony w przepływającej wodzie V = 0,4 m/s

MW - wyzanczony w intensywnie mieszanej wodzie

O - spoina odizolowana

U - spoina uziemiona

6. SPOINY POMIAROWE TERMOELEMENTÓW

SO

Jedna spoina pomiarowa (pojedynczy termoelement), odizolowana od

osłony czujnika (od płaszcza). Długi czas odpowiedzi. Stosowana przy

pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie

elektryczne układu pomiarowego.

SOA

Wspólna spoina pomiarowa obu termoelementów, odizolowana od osłony

czujnika (od płaszcza). Długi czas odpowiedzi. Stosowana przy pomiarach w

przewodzącym ośrodku lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne

układu pomiarowego. Również w pomiarach wymagających zachowania

ciągłości pomiaru temperatury procesu (uszkodzenie jednego obwodu

pomiarowego nie przerywa pomiaru).

SOB

Dwie odizolowane od siebie spoiny pomiarowe (podwójny

termoelement), odizolowane od osłony czujnika (od płaszcza). Długi czas

odpowiedzi. Stosowane przy pomiarach w przewodzącym ośrodku lub gdy

wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego. Również w

pomiarach wymagających przesłania dwu niezależnych sygnałów do różnych

elementów wykonawczych.

SP

Jedna spoina pomiarowa (pojedynczy termoelement), połączona

(uziemiona) z osłoną czujnika (z płaszczem). Dobry czas odpowiedzi.

Spoina pomiarowa odizolowana od chemicznego i mechanicznego wpływu

ośrodka. Stosowana w ośrodkach nieprzewodzących.

SP

Wspólna spoina pomiarowa obydwu termoelementów, połączona

(uziemiona) z osłoną czujnika (z płaszczem). Dobry czas odpowiedzi.

Spoina pomiarowa odizolowana od chemicznego i mechanicznego wpływu

ośrodka. Stosowana w ośrodkach nieprzewodzących. Również w pomiarach

wymagających zachowania ciągłości pomiaru temperatury procesu

(uszkodzenie jednego obwodu pomiarowego nie przerywa pomiaru).

SE

Spoina pomiarowa eksponowana (nieosłonięta), wyprowadzona poza

osłonę czujnika. Najkrótszy czas odpowiedzi. Stosowana w pomiarach

szybkich zmian temperatury. Spoina narażona na urazy mechaniczne i

nieodporna na wpływy atmosfery korozyjnej.

SO2

Spoina pomiarowa odizolowana od osłony czujnika. Osłona czujnika

podwójna. Długi czas odpowiedzi. Stosowana przy pomiarach w

przewodzącym, agresywnym ośrodku.