Przemysłowe termopary i termometry oporowe

Pojawiające się na rynku nowości są związane m.in. ze wzrostu wymagań odnośnie do czasu pracy urządzeń, co stanowi czasami duże wyzwanie dla producentów termometrów przemysłowych. Rozwija się także przemysł farmaceutyczny i biotechnologia, które również wpływają na zmiany na rynku mierników temperatury.

Nowości w technice czujnikowej

W ostatnim czasie poszerzony został zakres stosowania czujników klasycznych, tj. nawijanych drutem Pt. Obecnie dostępne są modele mogące pracować w temperaturach od -200°C do prawie 900°C. Jednakże nie ma czujników, które mogłyby funkcjonować w całym tym zakresie. Poza tym, dla temperatur powyżej 600°C możliwe jest tylko wykonanie w klasie B. Dla czujników klasy 1/3B zakres ten mieści się w temperaturach od 0°C do 150°C.

Wprowadzono do sprzedaży także czujniki cienkowarstwowe, które mogły się pojawić dzięki rozwojowi technologii produkcji układów scalonych i mikroprocesorów. Innym uwarunkowaniem jest konieczność stosowania znacznie mniejszego prądu pomiarowego – niewiększego niż 1mA, co jest już obecnie możliwe. Zaletą tych czujników są małe wymiary, dzięki czemu możliwe jest stosowanie mniejszych długości zanurzeniowych termometru oporowego i poprawienie własności dynamicznych. Maksymalna możliwa temperatura mierzona przy użyciu tych czujników wynosi 800°C, z tym że powyżej 600°C do dyspozycji są tylko czujniki klasy B.

Przez długi czas największą wadą czujników oporowych była ich niska odporność na drgania, które powodowały pęknięcia wyprowadzeń czujnika. Udało się to wyeliminować poprzez zastosowanie przewodów z izolacją mineralną w płaszczu ze stali nierdzewnej. Tulejka osłonowa czujnika i płaszczówka są spawane laserowo.

Trudne środowiska

W temperaturach powyżej 1000°C najpowszechniej stosowana termopara typu K może mieć duży dryft oraz znacznie skróconą żywotność. Wiąże się to m.in. z migracją materiału płaszcza termopary do jej złącza. Dla wyeliminowania tych wad termopar płaszczowych opracowano nową termoparę typu N (Nicrosil/Nisil). Z uwagi na migrację materiału płaszcza do złącza najkorzystniejsze byłoby zastosowanie płaszcza wykonanego z Nicrosilu ale okazało się że z uwagi na jego gorsze właściwości mechaniczne i mniejszą odporność na korozję w roztworach wodnych oraz podatność na zawęglanie nie warto go wykorzystywać. Na bazie Nicrosilu opracowano inne materiały z grupy Nicrobell, które powstały poprzez domieszkowanie magnezem i niobem.

Nicrobell B wykazuje własności mechaniczne lepsze od Inconelu dla temperatur do 1250°C i jest bardzo odporny na utlenianie. Poza tym, z uwagi na podobieństwo materiału płaszcza i termopary typu N, nie ma migracji materiału płaszcza do termopary, a więc nie ma dryftu temperaturowego. Dzięki temu obecnie najlepszym rozwiązaniem dla temperatur powyżej 900°C jest termopara typu N z płaszczem wykonanym z Nicrobell B. Charakteryzuje ją bardzo dobra odporność na utlenianie, wysoka wytrzymałość temperaturowa i duża stabilność siły termoelektrycznej do 1250°C. Dotyczy to jednak tylko zastosowań w środowisku utleniającym. Wadą jest mała dostępność odpowiednich płaszczówek.

Dla środowiska z dużą ilością siarki i węgla opracowano Nicrobell C, który ma nieco gorsze własności mechaniczne ale jest bardziej odporny na korozję. Takie środowisko występuje w piecach przemysłowych opalanych olejem opałowym lub węglem. W tym przypadku także optymalne będzie stosowanie termopary typu N z płaszczem Nicrobell C.

Przetworniki i osłony zewnętrzne

W ostatnich latach znacznie rozszerzył się zakres stosowania przetworników mikroprocesorowych, których zaletą, oprócz wyższej klasy dokładności i stabilności, jest możliwość zdalnego nastawiania zakresu pomiarowego oraz stosowania transmisji cyfrowej nałożonej na standardowy sygnał prądowy 4-20mA. Oczywiście oferowane są także przetworniki głowicowe z transmisją w pełni cyfrową np. w standardzie Profibus.

Postęp w dziedzinie mechaniki jest wolniejszy, co wynika z tego, że jest to starsza i bardziej dojrzała dziedzina techniki. Postęp dotyczy więc nie konstrukcji mechanicznej ale doboru materiałów, co jest szczególnie ważne dla przemysłu chemicznego. Dla wydłużenia żywotności osłon, oprócz materiału, znaczenie ma odporność zmęczeniowa, ujawniająca się gdy występują wibracje. Odpowiednie wymagania są określone w normie ASME PTC 19.3. Podstawowe wymaganie sprowadza się do tego, by stosunek częstotliwości drgań wymuszonych przez zawirowania płynącego medium do częstotliwości drgań własnych był mniejszy od 0,8. Poza tym konieczne jest sprawdzenie odporności osłony na projektowe ciśnienie statyczne. Odpowiednie obliczenia wykonują specjalistyczne programy komputerowe.

Dobór konstrukcji osłony

O doborze konstrukcji, oprócz czynników czysto technicznych, decydują często także standardy obowiązujące u konkretnego użytkownika lub po prostu jego przyzwyczajenia. Warto zwrócić uwagę na ważne aspekty techniczne, które wymagają wyważenia, gdyż poprawienie jednej własności może pogorszyć inną.

Osłony rurowe są oczywiście tańsze i można je wykonywać w dowolnych długościach. Wadą jest ich niższa wytrzymałość mechaniczna. Osłony wiercone w pręcie można wykonywać w dowolnej grubości ale długość jest ograniczona możliwością głębokiego wiercenia prostego otworu o małej tolerancji średnicy. W praktyce ograniczenie to wynosi około 1m. Osłony te wykonuje się najczęściej jako stożkowe lub stopniowane ponieważ godzi to w pewnym stopniu wytrzymałość i przewodzenie ciepła do czujnika.

Osłona spawana do rurociągu jest stosowana szczególnie w energetyce zawodowej. Jej zalety to mniejsza długość wibrująca i najniższa cena, a wady to konieczność starannego doboru materiałów i technologii spawania na obiekcie. Optymalne jest stosowanie na osłony materiałów identycznych jak materiał rurociągu.

Osłony rurowe kołnierzowym są najdroższe ale mogą być stosowane do najwyższych ciśnień i zapewniają swobodę montażową, także przy ich wymianie. Ważnym aspektem jest także klarowny podział na branże zastosowania pomiędzy mechaniką i automatyką, co zmniejsza możliwość pomyłek. Ich długość musi być większa o wysokość króćca przyłączeniowego, co czasami wymaga stosowania pierścienia na wysokości nasady króćca dla zmniejszenia długości wibrującej.

Przyłącze gwintowane stosowane jest głównie do czujników nie mierzących mediów technologicznych, a zamiast tego np. do pomiaru temperatury łożysk. Ponadto wykorzystuje się je w przemyśle, np. tam gdzie potrzebne jest złącze przesuwne z uwagi na stałą strefę aktywnej katalizatora w trakcie eksploatacji. Mogą być stosowane do niższych ciśnień niż przyłącza kołnierzowe. Ich pozostałe cechy sa zbliżone do parametrów przyłączeń kołnierzowych. Przyłącza specjalne to przede wszystkim złącza sanitarne wykonane zgodnie z normami PN-ISO 2852 i PN-ISO 2852.

Skin T/C, czyli termopary do pomiaru temperatury powierzchni mają często dwa przyłącza: jedno dla przepustu w ścianie pieca i drugie dla zamocowania końcówki termopary do rury. Pierwsze wynika z konstrukcji pieca, zaś spoina pomiarowa jest przyspawana do bloczka metalowego, który jest przykręcony lub przyspawany do płaszcza.

Materiały

Dobór materiału osłony ma wyjątkowo duże znaczenie dla jej żywotności. Dotyczy to w szczególności procesów chemicznych, gdzie medium jest najczęściej mieszaniną wielu związków chemicznych, przy czym ciśnienie, temperatura i przepływ wielofazowy środowiska mogą być w różne w poszczególnych punktach instalacji. Bardzo trudny jest dobór materiału do pracy w wysokiej temperaturze i korozyjnej atmosferze, np. w piecach przemysłowych. W takich przypadkach dobór materiałów wykonuje licencjodawca procesu technologicznego. Należy także brać pod uwagę żarowytrzymałość, a nie tylko żaroodporność. Poza tym zawsze korzystniejsze jest pionowe ustawienie osłony gdyż zmniejsza wymagania odnośnie żarowytrzymałości materiału. Dla zapewnienia wysokiej jakości konieczne jest stosowanie materiałów atestowanych zgodnie z PN EN 10204 atest 3.1

Pokrycia antykorozyjne

W szczególnych przypadkach, dla mediów bardzo agresywnych, stosuje się pokrycie powierzchni zwilżanych warstwą materiału odpornego na korozję w danym medium. Przykładowo wykorzystywany jest teflon, który ma bardzo dobre własności antykorozyjne ale bardzo trudno uzyskać warstwę nieporowatą co praktycznie utrudnia jego stosowanie jako zabezpieczenia osłon przed korozją. Hallar ma własności antykorozyjne podobne do PTFE i tworzy warstwy nieporowate. W wersji DA stabilizowanej ma dopuszczenie do stosowania w przemyśle spożywczym ale nie do tłuszczów. Zaleca się go do stosowania szczególnie z produktami kwaśnymi, owocami i przy produkcji soków. Wersje dopuszczone dla przemysłu spożywczego maja atesty amerykańskiej agencji FDA.

Tantal jest stosowany w postaci dodatkowej, cienkiej pochwy nakładanej na osłonę i przylgę kołnierza. Tantal stosuje się na wyraźne żądanie klientów.

Technologia wykonania mechanicznego i spawania

Stosowanie na osłony bardzo różnorodnych materiałów, z których tylko część opisano w tym artykule, wymaga spełnienia szeregu ścisłych procedur technologicznych, w szczególności technologii spawania i obróbki termicznej. Podstawą, szczególnie w odniesieniu do materiałów bardziej egzotycznych, takich jak Hastelloy, są informacje licencjodawców danych materiałów. Opracowanie technologii powierza się często specjalistom z Instytutu Spawalnictwa.

Innym ważnym elementem wykonania osłon wierconych jest zachowanie współosiowości otworu i jego średnicy na dużej głębokości. Wymaga to specjalistycznego parku maszynowego dostosowanego do takich prac. Wymagania odnośnie mechanicznego wykonawstwa wynikają m.in. z normy ASME PTC 19.3.

Na trwałość osłon duży wpływ ma sposób zabudowy kompletu termometr/osłona. Przy wyższych temperaturach i dużej długości zanurzeniowej stosować należy zabudowę pionową, szczególnie gdy konieczna jest żarowytrzymałość.

Błędy użytkowników

Wielu użytkowników często źle rozumie niektóre parametry czujników, co w efekcie powoduje różnego rodzaju problemy. Szereg czynników istotnych dla pomiaru określono w normie PN-EN 60751 przy specyfikacji warunków kalibracyjnych. W praktyce przemysłowej problemem jest najczęściej niedostateczna głębokość zanurzeniowa czujnika. Przy kalibracji, czyli podczas pomiaru stałej czasowej, wymagane są następujące zanurzenia minimalne:

• dla gazów: długość czułej części termometru + 15 średnic termometru,
• dla cieczy: długość czułej części termometru + 5 średnic termometru.

W zastosowaniach wielkoprzemysłowych takie problemy pojawiają się rzadko ale są one istotne przy pomiarach w mniejszych zbiornikach, np. w reaktorach, autoklawach w przemyśle farmaceutycznym i spożywczym. Zbyt mała głębokość zanurzeniowa ma ujemny wpływ na pomiar, szczególnie przy dużym odprowadzaniu ciepła poprzez przyłącze. Aby temu zapobiec można izolować części termometru wystające ze zbiornika lub rurociągu. Jest to praktyką np. w energetyce zawodowej.

Często popełnianym przez użytkowników błędem jest oczekiwanie zachowania wysokiej klasy dokładności w całym zakresie stosowania czujników Pt100. Nie bierze się też pod uwagę zmian charakterystyki termopar w czasie ich eksploatacji. Podczas użytkowania bardzo popularnej termopary typu K, przy eksploatacji w temperaturze 1000°C w ciągu 9 miesięcy błąd dodatkowy wynosi +12°C, zaś przy temperaturze 1100°C taki sam błąd występuje już po 1 miesiącu pracy termopary.

Niedoceniany przez użytkowników czynnik dotyczy własności dynamicznych. Może on powodować błędy pomiarowe uznawane za błędy podstawowe czujników. W przypadku stosowania grubościennych osłon zewnętrznych czasy podane w tabeli 2. są znacznie większe. Przy szybkozmiennych procesach lepiej jest stosować termopary, szczególnie z uziemioną spoiną. W nowoczesnych głowicowych przetwornikach temperatury nie ma praktycznie problemów ze stosowaniem takiego rozwiązania a daje ono radykalne zmniejszenia stałej czasowej. Przykładowo termopara w osłonie φ24 ma T0,5 = 15s, T0,9 = 42s w powietrzu.

Jerzy Mikołajczyk, Alf-Sensor