Jak realizować pomiary temperatury w przemysłowych procesach produkcyjnych?

Wśród czujników kontaktowych różnego rodzaju w przemyśle największą popularnością cieszą się termometry elektryczne dwóch typów: sensory rezystancyjne (Resistance Temperature Detector, RTD) i termopary.

W czujnikach rezystancyjnych wykorzystywana jest zależność rezystancji metalu od temperatury. Podstawą działania termopar jest z kolei zjawisko generowania siły elektromotorycznej w obwodzie z przewodów z różnych metali, połączonych na obu końcach, które różnią się temperaturą.

JAKI JEST ZAKRES POMIAROWY RTD?

W czujnikach rezystancyjnych element pomiarowy wykonywany jest z różnych metali. Przykłady to: platyna, miedź oraz nikiel. RTD z dwoma ostatnimi ze względu na ograniczoną dokładność, liniowość oraz zakres pomiarowy są w przemyśle używane w mniej wymagających aplikacjach. W przypadku niklu charakterystyka rezystancji w funkcji temperatury jest silnie nieliniowa już powyżej +300°C.

Z kolei miedź ze względu na to, że ulega utlenieniu, nie może być używana do pomiaru temperatur większych niż +150°C. Wśród zalet czujników platynowych wymienia się natomiast dokładność, powtarzalność i liniowość w szerokim zakresie temperatur. Najczęściej używa się RTD Pt100 o znamionowej rezystancji 100Ω w 0°C.

Dostępne są czujniki rezystancyjne w postaci drutu nawiniętego na ceramiczny rdzeń i cienkowarstwowe. Te drugie napyla się na płytkę ceramiczną, którą zabezpiecza się szklaną powłoką. Zakres pomiarowy platynowych czujników nawijanych wynosi -200°C... +850°C. Z powodu trudności z dopasowaniem współczynników rozszerzalności cieplnej Pt i podłoża zakres pomiarowy sensorów cienkowarstwowych jest nieco węższy (-200°C... +800°C).

JAKIE SĄ TYPY TERMOPAR?

Teoretycznie termoparę można wykonać z dowolnych materiałów, byle były to różne metale, jak na przykład nikiel i żelazo. W praktyce jednak używa się tylko kilku wybranych typów par materiałów, z których można zbudować wytrzymałe czujniki, o powtarzalnych parametrach. Najczęściej używane są termopary typów: K, J, E, T, N, R, S oraz B.

Termoparę typu K stanowi para chromel-alumel. Pierwszy materiał jest stopem niklu (90%) z chromem (10%), zaś drugi niklu (95%), manganu (2%), aluminium (2%) i krzemu (1%). Czułość tych czujników wynosi około 41 µV/°C, natomiast zakres pomiarowy od -270°C do +1372°C. Można ich używać w atmosferach utleniającej i obojętnej. Nie powinny mieć kontaktu z siarką.

Termoparę typu J tworzy para żelazo-konstantan (stop miedzi z niklem w proporcjach 55/45). Teoretyczny zakres pomiarowy tych sensorów to -200°C... +1200°C. W praktyce ogranicza go temperatura Curie żelaza (+770°C) i kruchość w temperaturach poniżej 0°C. Czułość termopar typu J wynosi około 50 µV/°C.

Można ich używać w próżni, atmosferach redukcyjnej i obojętnej. Atmosfera utleniająca skraca ich żywotność. W temperaturach powyżej +538°C nie należy ich wystawiać na działanie siarki bez osłony. Termopary typów E, T i N przedstawiamy w ramce.

TERMOPARY TYPU R, S, B, C I D

Termoparę typu R stanowi para platyna-stop platyny z rodem (13%), a S para platyna - stop platyny z zawartością rodu 10%. Zakres pomiarowy tych czujników wynosi -50°C... +1768°C, a czułość około 10 µV/°C. Łatwo je uszkodzić, dlatego wymagają ceramicznych osłon. Długie używanie w wysokich temperaturach pogarsza ich parametry, a nawet może je zniszczyć, m.in. z powodu dyfuzji rodu do przewodu z czystej platyny.

Termopary typu R i S są kosztowne, dlatego są używane głównie poza górną granicą zakresów pomiarowych innych typów termopar. W przemyśle korzysta się przede wszystkim z termopar typu R, zaś te drugie są używane głównie w laboratoriach.

W termoparach typu B elementem pomiarowym jest para przewodów ze stopów platyny z rodem, o zawartości tego drugiego 30% i 6%. Górna granica ich zakresu pomiarowego wynosi +1820°C, a dolna 0°C. Nie można ich używać w atmosferze redukcyjnej.

W pomiarach bardzo wysokich temperatur, które przekraczają +2000°C, wykorzystywane są termopary wolframowo-renowe typu C i D. Można ich używać w atmosferze obojętnej i próżni.

TERMOPARA CZY CZUJNIK REZYSTANCYJNY?

Prawidłowość i dokładność pomiarów temperatury w wielu branżach wpływa na jakość, wydajność, koszty i bezpieczeństwo produkcji. Na przykład w przemyśle spożywczym albo farmaceutycznym nadmierna odchyłka temperatury może zmarnować cały wsad produktu. W branży chemicznej niekontrolowany wzrost temperatury niektórych substancji może z kolei doprowadzić nawet do wybuchu.

Na to, czy pomiary będą wykonywane prawidłowo i dokładnie, ma wpływ właściwa organizacja systemu pomiarowego. Podstawową decyzją, którą należy w tym zakresie podjąć, jest wybór czujnika - RTD lub termopary. Pomaga w tym zestawienie ich zalet i wad z wymogami aplikacji.

Do zalet RTD zalicza się lepszą powtarzalność. Ponadto mają określony długoterminowy dryft, który w przypadku termopar trudno przewidzieć, gdyż z czasem, zwłaszcza w wysokich temperaturach, złącze pomiarowe (gorące) niszczeje. RTD dzięki temu można rzadziej kalibrować.

CZYM MIERZYĆ TEMPERATURĘ POWYŻEJ +850°C?

Charakteryzują je też większa czułość i liniowość. W zestawie z przetwornikiem o odpowiedniej rozdzielczości są dokładniejsze od termopar. Na precyzję ostatnich duży wpływ ma także przetwornik, zwłaszcza dokładność, z jaką mierzy temperaturę drugiego (zimnego) złącza (Cold Junction Compensation). Jeśli wymagana jest dokładność lepsza niż ±2°C, RTD są zwykle najlepszym wyborem.

Jeżeli maksymalna temperatura do zmierzenia jest większa, niż +850°C, można użyć tylko termopar. Te z grubszymi przewodami są odporniejsze na wibracje, choć RTD w odpowiedniej osłonie też sprawdzą się w takich warunkach. Termopary są tańsze. Jeśli jednak uwzględni się różne koszty dodatkowe, jak wydatki na przewody kompensacyjne (rozszerzające) i częste kalibracje, oszczędność ta może się okazać pozorna.

Czas reakcji termopar na zmianę temperatury jest krótszy, niż RTD. Dotyczy to jednak tylko termopar bez osłon. Inaczej szybkość reakcji czujników obu typów jest porównywalna.

GDZIE PRZYDAJĄ SIĘ CZUJNIKI NADMIAROWE?

Elementy pomiarowe umieszcza się we wkładzie pomiarowym w postaci tulei z metalu, zwykle ze stali nierdzewnej, wypełnionej izolatorem. Ten ostatni separuje przewody od siebie nawzajem i od metalowej osłony. Izolatorem jest zazwyczaj tlenek magnezu lub tlenek aluminium.

Wkłady pomiarowe zawierają jeden czujnik albo dwa. Ten drugi zapewnia redundancję. Jest ona potrzebna, gdy z powodu trudnych warunków pracy element pomiarowy jest narażony na uszkodzenie, a jego wymiana jest kłopotliwa.

Przykłady to pomiar temperatury uzwojeń silników, generatorów i turbin. W razie zepsucia się czujnika w celu jego wymiany trzeba zdemontować całe urządzenie. Wyniki pomiarów z zapasowego sensora mogą również posłużyć do skompensowania dryftu pierwszego czujnika.

Wyprowadzenia wkładu pomiarowego mogą mieć postać swobodnych przewodów albo listwy z zaciskami. Dostępne są również wkłady zintegrowane z przetwornikiem pomiarowym.

ROLA OSŁON

Wkład pomiarowy umieszcza się w osłonie. Ma ona bezpośredni kontakt z medium, którego temperatura jest mierzona. Osłona jest używana w celu wydłużenia żywotności wkładu pomiarowego, chroni go bowiem przed oddziaływaniem otoczenia, na przykład naciskiem przepływającego medium albo jego żrącymi właściwościami. Dzięki osłonie wkład pomiarowy można również w razie potrzeby, w celu wymiany lub kalibracji, łatwo wyjąć, bez zakłócania mierzonego procesu.

Z osłon czasem trzeba zrezygnować. Najczęstsze tego przyczyny to ograniczenia przestrzenne i wymóg jak najkrótszej reakcji czujnika na zmianę temperatury.

Używa się osłon różnego typu. Klasyfikuje się je ze względu m.in. na rodzaj przyłącza, które umożliwia zamocowanie termometru w instalacji procesowej i kształt końcówki.

Ta ostatnia może mieć na przykład jednakową średnicę na całej długości zanurzonej w medium części. Wadą tej konstrukcji jest m.in. wydłużenie czasu reakcji czujnika na zmianę temperatury o czas, który jest potrzebny do nagrzania grubego zakończenia osłony.