Działanie termopar opiera się na efekcie Seebacka. Czujniki tego typu stanowią obwód zamknięty, powstały przez połączenie dwóch różnych metali w dwóch miejscach. Złącza te są utrzymywane w różnych temperaturach – jedno w temperaturze mierzonej, a drugie w znanej temperaturze odniesienia. W takich warunkach w obwodzie indukowana jest siła elektromotoryczna, która jest inna dla różnych kombinacji metali i zmienia się proporcjonalnie do różnicy temperatur między złączami termopary.
Można to wyjaśnić, opierając się na teorii swobodnych elektronów, czyli uproszczonym modelu opisującym przewodnictwo elektryczne w metalach. Jeżeli jeden koniec przewodnika znajduje się w wyższej temperaturze niż drugi, elektrony w cieplejszym obszarze mają wyższą energię kinetyczną i migrują w stronę chłodniejszego końca. Ruch ten prowadzi do lokalnej nierównowagi ładunków i powstania różnicy potencjałów. W obwodzie złożonym z dwóch różnych metali każdy z materiałów wytwarza inny potencjał w odpowiedzi na ten sam gradient temperatury. To skutkuje powstaniem mierzalnego napięcia termoelektrycznego.
Typów termopar na rynku jest wiele. Ich liczba rośnie, kiedy opracowywane i normalizowane są konstrukcje oparte na nowych kombinacjach metali, a maleje, gdy któreś z nich tracą popularność i stają się przestarzałe. Generalnie można wyróżnić dwie główne grupy termopar. Pierwsza z nich wykorzystuje takie materiały, jak żelazo, nikiel, miedź i chrom. Do drugiej zalicza się te wykonane z metali szlachetnych, jak rod i platyna. Dalej przedstawiamy charakterystyki wybranych typów tytułowych czujników z obu grup.
Termopary typu J
W termoparach typu J jedno ramię wykonane jest z żelaza, a drugie ze stopu miedzi (55%) z niklem (45%), czyli konstantanu. Ich czułość wynosi 55 μV/°C. Mają szeroki zakres pomiarowy, od –40°C do +750°C. Górna granica to maksymalna ciągła temperatura robocza. Krótkotrwale mogą mierzyć wyższe temperatury, nawet do +1000°C.
Długotrwałe użytkowanie termopar tego rodzaju w temperaturach powyżej +750°C nie jest jednak zalecane, ponieważ zachodzą wówczas przemiany w strukturze krystalicznej żelaza. To z kolei ma wpływ na jego właściwości termoelektryczne, a w efekcie na napięcie generowane w termoparze w odpowiedzi na różnicę temperatur, co prowadzi do nieliniowości charakterystyki i dużych błędów pomiarowych. W dodatku, jeśli do przemiany w strukturze krystalicznej żelaza dojdzie w atmosferze utleniającej, będzie ona nieodwracalna. Nie da się więc odtworzyć parametrów pomiarowych termopary, nawet po jej ostygnięciu.
Podczas użytkowania w niskich temperaturach trzeba natomiast unikać kondensacji, gdyż ramię z żelaza może w takich warunkach zardzewieć. Termopary typu J to jeden z nielicznych rodzajów czujników, z których można bezpiecznie korzystać w atmosferach redukujących, czyli w takich, w których brakuje tlenu, ale występują gazy redukujące, jak wodór i tlenek węgla. Takie warunki są charakterystyczne m.in. dla pieców przemysłowych. Można je też wykorzystać do pomiaru temperatury w próżni, np. w piecach próżniowych do obróbki cieplnej metali. Nie sprawdzą się jednak w atmosferze o dużej zawartości siarki.
Co wyróżnia termopary K?
Jedno ramię termopar typu K składa się w 90% z niklu i w 10% z chromu (stop chromel), a drugie w 95% z niklu, 2% z aluminium, 2% z manganu i 1% z krzemu (stop alumel). Są one jednymi z najpopularniejszych czujników temperatury. Mają szeroki zakres pomiarowy od –200°C do +1260°C (w praktyce typowo od 0°C do +1100°C) i czułość 41 μV/°C. Są tanie oraz powszechnie dostępne. Niestety, długotrwałe użytkowanie w wysokich temperaturach pogarsza ich dokładność.
Nadają się do użytku w atmosferach obojętnych i utleniających. Dobrze sprawdzą się w wodzie i w łagodnych chemikaliach. Jednym z mniej oczywistych, ale istotnych zastosowań termopar typu K są pomiary temperatury w warunkach narażenia na umiarkowanie wysoki poziom promieniowania jonizującego. Takie panują np. w reaktorach jądrowych i laboratoriach, w których prowadzi się badania nad zastosowaniami fizyki jądrowej. Wynika to z ich stosunkowo wysokiej odporności radiacyjnej w porównaniu z innymi rodzajami termopar. Zawdzięczają to przede wszystkim dużej zawartości niklu. Metal ten (i jego stopy) wykazują dużą odporność na promieniowanie jonizujące, dzięki właściwościom struktury krystalicznej odpornej na defekty spowodowane promieniowaniem. W rezultacie nie zmienia się ich charakterystyka, a wynik pomiaru pozostaje wiarygodny. Z drugiej strony, termopary typu K nie sprawdzą się w pomiarach temperatury w atmosferach redukujących, próżni ani w obecności siarki.
Termopary typu N, T i E
Ramiona termopar typu N wykonuje się z nicrosilu i nisilu. Materiały te zostały opracowane jako modyfikacje tradycyjnych stopów niklowych, o właściwościach poprawionych pod kątem wymagań pomiarów temperatury w trudnych warunkach. Dzięki nim termopary typu N stały się alternatywą dla popularnych termopar typu K.
Nicrosil jest stopem składającym się typowo w 84% z niklu, 14% z chromu i 2% z krzemu. Jego właściwości kluczowe w tym zastosowaniu to: odporność na utlenianie w wysokich temperaturach dzięki dodatkowi chromu, który tworzy ochronną warstwę tlenku, stabilność termoelektryczna, odporność na korozję oraz dyfuzję w próżni i w atmosferach obojętnych dzięki dodatkowi chromu i krzemu, a także dobre właściwości mechaniczne w podwyższonych temperaturach. Składniki drugiego stopu to z kolei zwykle: nikiel (95%), krzem (4,4%) i w śladowych ilościach także magnez (0,1%), który stabilizuje strukturę krystaliczną tego materiału i poprawia jego właściwości mechaniczne.
W efekcie termopary typu N mają szeroki zakres pomiarowy od –270°C do +1300°C, i czułość 39 μV/°C. Wyróżniają się dokładnością i stabilnością długoterminową w szerokim zakresie temperatur, również tych wysokich, co decyduje o ich przewadze w porównaniu z termoparami typu K. Ze względu na wykorzystanie specjalistycznych materiałów są jednak od nich droższe i nie tak powszechnie dostępne.
Warto również wspomnieć o dwóch typach termopar, które sprawdzają się w pomiarach temperatur bardzo niskich, dzięki czemu wykorzystuje się je m.in. w kriogenice i chłodnictwie. To czujniki typu T i E. Ramiona pierwszych są wykonane z miedzi i konstantanu, natomiast drugich – z chromelu i konstantanu.
Termopary z metali szlachetnych
Termopary typu S mają jedno ramię wykonane z platyny, a drugie z platyny z domieszką rodu (10%). Umożliwiają pomiar temperatur sięgających +1600°C. Są bardzo dokładne, nawet w bardzo wysokich temperaturach – ich czułość wynosi 10 μV/°C. Wyróżnia je długoterminowa stabilność. Sprawdzą się w pomiarach w różnych warunkach, w tym w atmosferach utleniających, obojętnych i próżni. Bez odpowiedniej osłony termopary typu S nie są jednak zalecane do użytku w atmosferach redukujących. Ze względu na wykorzystanie metali szlachetnych są też droższe.
Zbliżoną czułość do termopar typu S mają te typu R. Te drugie odróżnia wyższa zawartość rodu (13%) w ramieniu, które jest wykonane ze stopu tego metalu z platyną. Dzięki temu mają nieco szerszy zakres pomiarowy temperatur (maks. +1700°C). Są równie odporne na trudne warunki jak termopary typu S, w związku z czym wykorzystuje się je w podobnych zastosowaniach (obróbka cieplna metali, produkcja szkła, ceramiki).
Warto doprecyzować, że mimo podobieństw oba rodzaje czujników nie są zamiennikami. Co prawda napięcia termoelektryczne generowane przez termopary typu S i R – ze względu na to, że wykonuje się je z takich samych materiałów – są podobne, ale z powodu różnych proporcji składników stopu PtRh w jednym z ramion nie są identyczne. Wprawdzie różnice te pozostają w granicach rzędu ułamków miliwolta, ale w zastosowaniach wymagających bardzo dużej precyzji pomiaru, jak np. wzorcowanie, może to mieć znaczenie. Różnice te ponadto rosną, z tysięcznych do setnych części miliwolta, wraz ze wzrostem temperatury.
Termopary typu R i B
Termopary typu R, jak te typu S, nie nadają się do pomiarów w atmosferach redukujących, chyba że są chronione osłoną. Nie można ich jednak umieszczać bezpośrednio w metalowej obudowie, gdyż druty termopary mogą zostać przez materiał osłony zanieczyszczone (szczególnie w wysokiej temperaturze, która sprzyja dyfuzji). To prowadzi do błędów pomiarowych i ostatecznie uszkodzenia czujnika. Zresztą z tego samego powodu ani termopary S, ani R bez osłon nie nadają się do pracy w warunkach obecności par metali, które mogą dyfundować w platynie. W związku z tym zwykle umieszcza się je w ceramicznej tulei i dopiero wtedy zamyka w metalowej osłonie zewnętrznej.
Te same metale szlachetne wykorzystuje się także w konstrukcji termopar typu B. Ich proporcje są jednak inne. Jedno ich ramię jest wykonane ze stopu platyny z rodem o zawartości tego drugiego 30%, a drugie – ze stopu platyny z zaledwie 6% Rh. Są preferowane w pomiarach bardzo wysokich temperatur. Przykładowo, szeroko wykorzystuje się je w przemyśle stalowym, gdzie temperatury topnienia mogą przekraczać +1500°C. Nie sprawdzają się natomiast w pomiarach niższych temperatur, zwłaszcza poniżej +50°C, ponieważ w takich warunkach ich czułość drastycznie maleje.
Monika Jaworowska
