Pomiary z wykorzystaniem termopar bez tajemnic

Zakres pomiarowy, dokładność i łatwość użycia tych detektorów różnią się znacznie, dlatego zastanawiając się nad najlepszym wyborem detektora, należy kierować się głównie jego zastosowaniem i zakresem mierzonych temperatur. W artykule przedstawiamy technologię termopar i szczegóły dotyczące pomiarów temperatury z ich wykorzystaniem.

Termopary są prawdopodobnie najczęściej używanymi czujnikami do pomiaru temperatury. Wykorzystuje się je w przemyśle, laboratoriach, transporcie, aparaturze pomiarowo-kontrolnej. Są używane w bardzo wielu systemach akwizycji danych, w tym urządzeniach o dużej liczbie kanałów, automatycznie wpisujących dane i sterujących procesami przemysłowymi. Karty termopar stosuje się także w skanerach, systemach termowizyjnych i sprzęcie wojskowym.

Pomimo ich szerokiego rozpowszechnienia, termopary wydają się być najmniej zrozumiałymi czujnikami temperatury. Istnieje wiele różnych rodzajów termopar i aby uzyskać przy ich użyciu prawidłowe wyniki pomiarowe jest wymagana specjalna troska o prawidłowy dobór par metali, eliminację istniejących ograniczeń i odpowiednie traktowanie danych pomiarowych.

Zalety termopar

Termopary wyróżniają się wieloma zaletami w porównaniu do innych rodzajów czujników temperatury. Podstawowa termopara jest relatywnie tania, chociaż osłony ochronne, okablowanie i łącza mogą znacząco wpływać na całkowity koszt systemu pomiarowego, zwłaszcza gdy mierzone wielkości są ekstremalne. Termopary są również urządzeniami mechanicznie prostymi, trwałymi i niezawodnymi. Właściwości typowych metali stosowanych w termoparach dają przewidywalne napięcia wyjściowe. Pozwala to użytkownikom wykorzystywać termopary w wielu zastosowaniach, w tym w środowiskach agresywnych chemicznie.

Fizyczna konstrukcja termopary jest prosta – wszystko, co jest potrzebne do jej skonstruowania, to skręcone razem lub zespawane druty odpowiednich stopów. Termopary komercyjne są montowane poprzez spawanie, skręcanie lub lutowanie. Wszystkie metody dają podobny rezultat Czujniki te dobrze się nadają do różnorodnych technik obudowywania, które mogą być zaadaptowane do wielu rodzajów zastosowań.

Termopary pokrywają szeroki zakres mierzonych temperatur, rozciągający się od -100°C aż do ponad 2500°C. Typowa dokładność pomiaru wynosi ±1-2°C, co przekracza wymaganą dokładność w większości zastosowań przemysłowych.

Niestety istnieją również wady termopar

Mimo iż termopary mają relatywnie niewiele wad, to wpływają one znacząco na ich zastosowanie i na osprzęt potrzebny do ich odczytu. Do wad należy zaliczyć to, że napięcie wyjściowe termopary jest rzędu kilku mikrowoltów na stopień Celsjusza oraz że elementy te bywają one umieszczane z dala od sprzętu zbierającego dane. Aby skompensować wpływ tych negatywnych zjawisk stosuje się różnicowy tryb pomiarów, stosuje układy kondycjonujące o dużym wzmocnieniu, dodaje filtrację oraz inne techniki poprawy jakości sygnałów (signal conditioning) w celu maksymalizacji sygnału i minimalizacji szumów. Praktyki te powodują, że w rezultacie uzyskuje się małe prędkości pomiarów, typowo tylko do kilkuset odczytów na sekundę. Ponadto wyjście z termopary jest nieliniowe, więc w sprzęt lub oprogramowanie muszą być wbudowane procedury linearyzacyjne stosowane do konwersji napięć termopary na odczyty temperatury. Dotyczy to głównie programów pisanych przez użytkowników, gdyż oprogramowanie komercyjne zwykle zawiera procedury linearyzacyjne.

Dodatkowo pomiary z termoparami wymagają użycia styku odniesienia. Zamiast uciekać się do oddzielnego styku termopary i styku temperatury odniesienia dla każdego z kanałów, zaprojektowane dla termopar systemy akwizycji danych zwykle zawierają blok izotermiczny z wbudowanym czujnikiem temperatury odniesienia. Blok izotermiczny charakteryzuje się dużą masą termiczną, która zapewnia, że wszystkie wyprowadzenia termopary na płycie karty akwizycji danych mają taką samą temperaturę. Chociaż cechy te dają w efekcie większą złożoność i koszty sprzętu, to upraszczają korzystanie z termopar.

Zasada działania termopar

W początkach XIX wieku niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck odkrył, że styk pomiędzy dwoma metalami generuje napięcie będące funkcją temperatury. Termopara to po prostu praktyczne wykorzystanie zjawiska Seebecka. Jest to czujnik temperatury złożony z dwóch drutów zbudowanych z różnych metali, połączonych razem z jednego końca. Metale te na rysunku 1 są oznaczone jako „stop 1” i „stop 2” i tworzą styki J1 i J4.

Rys. 1. Zasada działania termopary

Historycznie rzecz ujmując, pomiary temperatury z wykorzystaniem termopar były oparte na drugim termoelemencie służącym do mierzenia znanej temperatury jako temperatury odniesienia. Najłatwiejszym i najbardziej precyzyjnym sposobem uzyskania temperatury odniesienia było zanurzenie styku odniesienia (J4) w kąpieli lodowej, co spowodowało nadanie mu nazwy „styku zimnego”. Wielkość generowanego w ten sposób napięcia zależy teraz od różnicy temperatur pomiędzy stykami J1 i J4 oraz od rodzajów metali użytych w stopie 1 i stopie 2. Wynik można opisać następującym równaniem:

V=α(T_NIEZNANA-T_ODN)

gdzie α jest współczynnikiem Seebecka. Różne termopary mają różne współczynniki, których wartości są publikowane w większości notek informacyjnych termopar. Przy takiej konfiguracji wystarczyło jedynie odczytać napięcie, następnie odnaleźć odpowiadającą mu temperaturę w tabeli dla stopu 1/stopu 2 termopary w odniesieniu do temperatury 0°C.

Zauważmy, że podłączenie termopary do woltomierza tworzy dodatkowe, potencjalnie niechciane styki J2 i J3. W efekcie styki te także są termoparami, ale mają one podobny skład i przeciwną polaryzację. Jeśli temperatury styków J2 i J3 są takie same (warunek, który może być osiągnięty stosunkowo łatwo poprzez odpowiednie zaprojektowanie sprzętu), to styki te nie będą miały wpływu na pomiar. Uzyskaliśmy właśnie model podstawowy, który może posłużyć do rozwinięcia go w bardziej wymyślny system odczytu termopar.

Uproszczenie systemu pomiarowego z termoparami

Wyeliminowanie kąpieli lodowej i odpowiadającego jej styku odniesienia było pożądane dla większości zastosowań, a w szczególności dla aplikacji przemysłowych. Nie tylko upraszcza to użycie termopar, ale także eliminuje konieczność posługiwania się potencjalnie dużą liczbą dodatkowych kanałów wejściowych zbierania danych oraz odczytywania czujników odniesienia.

Pierwszym założeniem, jakie można w tym procesie zrobić, jest to, że termoparowy przyrząd pomiarowy lub płyta zbierania danych zostały zaprojektowane i zbudowane w taki sposób, że ich wewnętrzne obwody dokonują odpowiedniej kompensacji termoelektrycznych pól elektromagnetycznych. Jest to, w rzeczywistości, przypadek z dobrze zaprojektowanymi układami, a nawet prawdziwszy dla tych, które zaprojektowano do odczytu napięć o małych wartościach.

Następnie można się skoncentrować na tym, co dzieje się pomiędzy końcówkami wejściowymi a termoparą. Głównym powodem zanurzenia styku odniesienia w kąpieli lodowej było wymuszenie na styku znanej temperatury (0°C). Jednak każda temperatura byłaby dobra, jeśli tylko byłaby znana. Z rysunku 1 wynika, że podłączenie termopary do wejść woltomierza powoduje powstanie dodatkowych styków w obwodzie w punktach połączeń, a każde z nich może również generować termoelektryczne pole elektromagnetyczne. W przypadku idealnym końcówki te (J2 i J3) będą miały taką samą temperaturę. Można to uzyskać przez zamontowanie ich na „bloku izotermicznym”, który będzie miał odpowiednią masę mogącą zamortyzować fluktuacje temperatury otoczenia podczas utrzymywania styków w takiej samej temperaturze (rys. 2a).

Rys. 2. Rozwój typowego wejścia termopary

Z kolei możemy przesunąć styk odniesienia poza kąpiel lodową, na blok izotermiczny, tworząc obwód z rysunku 2b. Dzięki temu końcówki przyrządu i styk odniesienia (J2, J3 i J4) mają taką samą temperaturę. Temperatura ta może być odczytywana przez czujnik, który nie potrzebuje styku odniesienia, taki jak termistor czy półprzewodnikowy czujnik temperatury, będący w kontakcie z blokiem izotermicznym. Udało się nam tym sposobem wyeliminować konieczność zastosowania oddzielnego źródła temperatury odniesienia oraz możemy mierzyć temperaturę końcówek i styków odniesienia.

Ostatnim krokiem upraszczania wejściowego obwodu termopary jest usunięcie odcinka drutu stopu 2 od styku odniesienia (J4) do wejścia do przyrządu (J3). Prawo o metalach pośrednich mówi, że umieszczenie trzeciego metalu pomiędzy dwoma różnymi metalami styku termopary nie będzie miało wpływu na napięcie wyjściowe dopóki dwa styki uformowane przez dodatkowy metal mają identyczną temperaturę. Ponieważ styki te są przymocowane do bloku izotermicznego, to ich temperatury są jednakowe. W tym przypadku styk termopary trzeba wyobrazić sobie jako utworzony przez miedź i stop 1, ze stopem 2 jako metalem pośrednim.

Usuwając stop 2 uzyskuje się obwód wejściowy powszechnie wykorzystywany we współczesnych wejściach przyrządów termoparowych (rys. 2d). Ustalona temperatura odniesienia i termopara nie są już potrzebne, gdyż do odczytu temperatury bloku izotermicznego i końcówek wejściowych jest teraz używany nietermoparowy czujnik odniesienia. Na bloku izotermicznym może być umieszczonych kilka wejść termoparowych, a czujnik temperatury odniesienia używany do kompensowania ich wszystkich.

Linearyzacja w pomiarach termoparami

W użytkowym zakresie temperatur każdej termopary można wyodrębnić proporcjonalną zależność pomiędzy napięciem termopary a temperaturą. I nie ma żadnych wątpliwości co do tego, że zależność ta jestliniowa . W rzeczywistości większość termopar jest skrajnie nieliniowa w zakresie ich temperatury pracy. Aby uzyskać dane o temperaturze konieczne jest przekształcenie nieliniowego napięcia termopary na jednostki temperatury. Proces ten jest nazywany linearyzacją.

Do linearyzacji termopar powszechnie stosuje się kilka metod. W spektrum rozwiązań od strony niskich kosztów metodą taką jest ograniczenie zakresu pracy do miejsca, w którym termopara jest nieomal liniowa. Z drugiego końca spektrum znajdują się specjalne elementy interfejsowe termopar (układy zintegrowane lub moduły), służące do realizacji zarówno linearyzacji, jak i kompensacji styku odniesienia w dziedzinie analogowej. Generalnie żadna z tych metod nie jest odpowiednio dopasowana do efektywnych kosztowo wielopunktowych systemów zbierania danych.

Oprócz linearyzacji termopar w dziedzinie analogowej możliwe jest dokonywanie takiej operacji także w dziedzinie cyfrowej. Jest to realizowane albo przez przybliżenia liniowe (z zastosowaniem tablic), albo przybliżenia arytmetyczne, albo, w niektórych przypadkach, kombinację obu metod. Aby zademonstrować, w jaki sposób jest przeprowadzana typowa linearyzacja termopary w dziedzinie cyfrowej przyjrzyjmy się prostemu przykładowi. Załóżmy, że gorący styk termopary typu 1 jest umieszczony w gorącej wodzie o temperaturze 100°C, a styk zimny, znajdujący się w pobliżu przyrządu pomiarowego, ma temperaturę pokojową 25°C. Oczywiście system powinien ostatecznie jako wynik pomiaru podawać wartość 100°C. Poniżej są opisane kroki, które prowadzą do uzyskania takiego rezultatu.

Następujące równanie określa mierzoną wielkość wyjściową termopary:

V_zmierzone = V_gorące - V_zimne

gdzie: V_zmierzone jest napięciem zmierzonym przez system zbierania danych, V_gorące jest napięciem styku gorącego wynikającym z tablicy przeszukiwania, a V_zimne jest napięciem styku zimnego odczytanym z tablicy przeszukiwania.

Zgodnie z tablicami przeszukiwania termopary typu J, które zawsze zakładają odniesienie do 0°C:

V_gorące (100°C) = 5,278mV

V_zimne (25°C) = 1,019mV

Zatem napięcie odczytane przez przyrząd zbierania danych będzie wynosiło:

V_zmierzone = 5,268 - 1,019 = 4,249mV

W rzeczywistości, gdy nie znamy temperatury złącza gorącego (100°C), jest przeprowadzany proces odwrotny. Urządzenie zbierania danych dokonuje dwóch pomiarów napięcia: jednego z termopary (4,249mV) a drugiego z zimnego styku odniesienia V_nowe (zwróćmy uwagę, że V_nowe różni się od V_zimne). Teraz obliczenia przejmie na siebie oprogramowanie. Zamieni ono V_nowe na aktualną wartość temperatury styku zimnego, T_zimne (25°C), opartą na właściwościach czujnika styku zimnego. Mając T_zimne program wyliczy równoważne jej napięcie (1,019mV) stosownie do tablic przeszukiwania typu J. Doda później to napięcie do napięcia zmierzonego (1,019 + 4,249 = 5,268mV), aby uzyskać wynikowe napięcie styku gorącego. Ostatnim krokiem będzie zamiana napięcia styku gorącego (5,268mV) na bieżącą temperaturę (100°C) przy zastosowaniu tej samej tablicy przeszukiwania typu J.

Stopy termopar, przedłużacze, końcówki i inne przyłącza

Gdy termopary zostaną podłączone do końcówek płyt zbierania danych lub innych przyrządów odczytujących, to powstają połączenia z dodatkowymi stykami, które mogą generować niepożądane napięcia termoelektryczne. Miedziana końcówka wyjściowa włożona do miedzianego gniazda nie będzie generować napięcia. Jednak konstantanowa końcówka lub gniazdo owinięte wokół miedzianego drutu spowoduje powstanie styku termopary typu J, które wygeneruje napięcie termoelektryczne. Drut przedłużający i złączka wykonane z metali termoparowych są w stanie uformować połączenie podobne do metalowego. Trzeba jedynie zwrócić uwagę na każdy przewodnik i końcówkę wzdłuż całego obwodu termopary, aby mieć pewność, że w obwodzie nie powstają niepożądane styki.

Zwróćmy również uwagę na fakt, że czystość stopów wpływa bezpośrednio na dokładność temperatur wyliczanych z napięcia styku. Drut stosowany do produkcji czujników ma większą dokładność niż „klasa przedłużaczy” służących do okablowania termopar używanych do pomiarów odległych. Ważne jest, aby o tym pamiętać podczas konstruowania obwodów termopar.

Na dopasowanie termopary do danego zastosowania oprócz wyboru stopu drutu może mieć wpływ także i obudowa. Pracująca termopara może być zbudowana ze skręconych razem odsłoniętych końcówek pary drutów. Jednak najbardziej niezawodnym i logicznym sposobem wykonania termopary jest zespawanie drutów. Realne zastosowania często wymagają, aby termopary były zamknięte i zabezpieczone przed wpływami środowiska lub zaopatrzone w oprawę, sondy lub inne elementy najlepiej pasujące do specyficznych zastosowań. Bardzo ważna jest osłona, ponieważ zabezpiecza termoparę przed zabrudzeniem i fizycznym uszkodzeniem powodowanym przez materiały żrące, płyny i inne wpływy środowiskowe. Powszechnie stosowanymi materiałami osłonowymi są żelazo, stal, stal nierdzewna, ceramika i porcelana. Rysunek 3 prezentuje jeden z kilku typowych projektów przemysłowych termopary:

Rys. 3. Typowa termopara przemysłowa

Element termopary - dwa druty zbudowane z różnych stopów wytwarzające napięcie, gdy wystawi się je na działanie gradientu temperatury,

Osłona - tuba metalowa lub z innego materiału, zwykle zamknięta z jednego końca, która chroni element termopary przed wpływami środowiska,

Blok wyprowadzeń - zbiór złączy (opcjonalny) ułatwiający podłączanie termopary do urządzenia pomiarowego lub przedłużaczy. Fizyczny projekt wyprowadzeń powinien być taki, aby zabezpieczał przed odwrotnym podłączeniem,

Przedłużacze termopary - drut przedłużający, wyprodukowany z takiego samego stopu metali jak element termopary.

Podczas dokonywania wyboru materiału osłonowego musi być brany pod uwagę także zakres temperatur. Niektóre z nich lepiej pasują do wysokich temperatur lub zapewniają dłuższy czas użytkowania w nieprzyjaznym środowisku. Podobnie izolacja, umieszczona na termoparze i przedłużaczu, musi zostać oceniona pod kątem wytrzymałości na temperatury i fizyczne uszkodzenia występujące w konkretnym zastosowaniu. Kolejnym ważnym punktem, który koniecznie trzeba rozważyć, jest mechaniczny i elektryczny interfejs pomiędzy elementem termopary a światem zewnętrznym:

Styk odsłonięty - druty termopary są niezabezpieczone. W tym przypadku czujniki mają małą masę termiczną i są wystawiane na bezpośrednie działanie czynników zewnętrznych, co daje najszybszą reakcję na zmiany temperatur,

Styk uziemiony - druty termopary są całkowicie zakryte osłoną i połączone z nią. Styk uziemiony daje średni czas reakcji oraz elektryczne połączenie z osłoną,

Styk nieuziemiony - druty termopary są całkowicie zakryte osłoną, ale są od niej elektrycznie odizolowane. Styk nieuziemiony daje najwolniejsze reakcje na zmiany temperatury.

Całkowity czas reakcji termopary zależy nie tylko od projektu końcówki, lecz również od średnicy obudowy oraz rodzaju materiału użytego do jej wykonania i od otaczającego środowiska. Czas reakcji może wahać się od dziesiątych części sekundy do kilku sekund.

Rodzaje termopar i ich zastosowania

Do budowy termopar wykorzystuje się kilka rodzajów stopów metali. Każdy stop oferuje charakterystyki przeznaczone do specyficznych zastosowań. Jak pokazano w tabeli 1, do stopów tych przypisano standardowe kody literowe. Każdy rodzaj drutu termopary można zidentyfikować za pomocą barwnego kodu dla poszczególnych przewodników. Istnieje kilka systemów barwnego kodowania stosowanych na całym świecie, ale w większości z nich ujemne wyprowadzenie jest oznaczane kolorem czerwonym. Jednak kolory przewodnika dodatniego, koszulki drutu termopary i drutu przedłużacza mogą się różnić. System barw stosowany w Stanach Zjednoczonych jest przedstawiony w tabeli 2. Termopary rodzaju J, K, N, E i T są ekonomiczne, niezawodne i stosunkowo dokładne. Z tego typu wywodzi się ponad 90% wszystkich termopar. Zakres ich zastosowań rozciąga się od -200°C do 1700°C.

Typ E - stopy odpowiednie dla temperatur od -200°C do 871°C. Dają się stosować w atmosferze od próżni do łagodnie utleniającej oraz w bardzo niskich temperaturach. Rodzaj E daje największe napięcie wyjściowe spośród wszystkich termopar zbudowanych z metali podstawowych.

Typ J - stopy odpowiednie dla niższych temperatur (0°C do 600°C). Nie powinny być używane powyżej 760°C. Ekonomiczne i niezawodne. Popularne w przemyśle chemicznym (produkcja plastiku), ale używane również jako termopary ogólnego zastosowania w określonym zakresie temperatur.

Typ K - standard przemysłowy dla temperatur do 1250°C. Termopary typu K mogą korodować w środowiskach odtłuszczanych chemicznie.

Typ N - podobne do termopar typu K, ale bardziej odporne na utlenianie.

Typ T - stopy odpowiednie dla temperatur od -200°C do 350°C. Powszechnie używane w przemyśle spożywczym.

Metale szlachetne w termoparach

Termopary typu R, S i B są zbudowane z platyny i rodu, są więc określane mianem „termopar szlachetnych”. Jako klasa są one bardziej dokładne i stabilne niż typy metali podstawowych, ale również i droższe. Są stosowane do mierzenia temperatur do 1700°C oraz jako źródła odniesienia do testowania innych typów. Aby uniknąć możliwości zanieczyszczenia w wyższych temperaturach oparami innych metali, powinny być używane wewnątrz niemetalowych osłon.

Typ R - standard przemysłowy dla wysokich temperatur (do 1450°C). Mają skłonność do zanieczyszczania się, gdy kontaktują się z innymi metalami. Stabilne w atmosferze utleniającej, ale ulegają degradacji w próżni lub atmosferze rozrzedzonej.

Typ S - podobne do typu R. Nie są zbyt często używane jako standard przemysłowy.

Typ B - podobne do typów R i S, ale użyteczne do 1700°C. Najlepiej stosować w temperaturach powyżej 250°C. Słabe, nieliniowe wyjście przy niskich temperaturach oraz złe zachowanie napięcia wyjściowego dla temperatur od 0°C do 50°C czynią termopary typu B bezużytecznymi dla temperatur mniejszych od 50°C.

Inne rodzaje termopar

Termopary typu C, D i E są trudniejsze do stosowania z powodu ich kruchości oraz możliwości utleniania i łamliwości. Typy te muszą być używane w atmosferze obojętnej i są użyteczne do 2315°C.

Typ C - wolfram/5% rodu kontra wolfram/26% rodu.

Typ D - wolfram/5% rodu kontra wolfram/26% rodu.

Typ G - wolfram kontra wolfram/26% rodu.

Arkadiusz Chłopik