Akademia Automatyki
Czujniki temperatury termoelektryczne – czy wiesz o nich wszystko?

Czujniki temperatury termoelektryczne – czy wiesz o nich wszystko?

Z uwagi na liczne niejasności, jakie pojawiają się w temacie wzorcowania czujników temperatury, a zwłaszcza w zakresie działania spoiny odniesienia i kompensacji, postanowiliśmy przyjrzeć się bliżej temu zagadnieniu. Dla osób pracujących przy pomiarach temperatury i wzorcowaniu czujników termoelektrycznych, znajdzie się na pewno kilka, cennych wskazówek.

Krótkie przypomnienie, czyli czym są termoelektryczne czujniki temperatury?

Czujniki termoelektryczne to popularne czujniki temperatury wykorzystywane w zakładach przemysłowych, nazywane również „termoelementami” lub „termoparami”. Ze względu na swoje cechy mają szeroki wachlarz zastosowań. Termoelektryczne czujniki temperatury są bardzo wytrzymałe i mogą być stosowane do pomiaru bardzo wysokich temperatur. Mimo, że nie są tak dokładne jak czujniki temperatury rezystancyjne, dla wielu aplikacji bywają wystarczające. Ponadto obwód pomiarowy nie wymaga do pomiaru prądu wzbudzenia, a czujniki są bardzo proste w użyciu. Czy w obliczu powyższych zalet jest jeszcze coś do wyjaśnienia? Pod uwagę należy wziąć spoinę odniesienia i spoinę pomiarową, które powodują, że obwód pomiarowy nie zawsze jest tak prosty, jak się wydaje.

Czujniki temperatury - schemat termoelementu

Uproszczony schemat termoelementu

Czujnik temperatury termoelektryczny składa się z dwóch przewodów wykonanych z różnych przewodników elektrycznych, które są połączone ze sobą na jednym końcu (spoina pomiarowa). Jeżeli dwa końce włożymy do różnych temperatur, pojawi się prąd termoelektryczny, który spowoduje niewielkie napięcie między przewodami. Napięcie to zależy od temperatury i zastosowanych materiałów drutów przewodzących. Różne materiały powodują różną czułość, różną wartość napięcia termoelektrycznego generowaną w tej samej temperaturze. Wpływa to na inne cechy takie jak np. maksymalna temperatura. Skoro termopary są wykonane z różnych materiałów, napięcie termoelektryczne jest również inne. Warto zaznaczyć, że występuje duża różnica w generowanym napięciu dla tej samej temperatury pomiędzy różnymi typami termoelementów.

 Siła elektromotoryczna vs temperatura

Siła elektromotoryczna vs temperatura

Przy niższej temperaturze lepiej używać czułych typów, dają wtedy niższe i dzięki temu łatwiejsze do zmierzenia, napięcie.  Dla wysokich temperatur, należy jednak wybrać niektóre z mniej czułych typów czujników temperatury, które można stosować w wysokich temperaturach.

Spoina odniesienia
Spoina odniesienia

Spoina odniesienia

Spoina pomiarowa to punkt, w którym połączone są ze sobą dwa materiały tworzące termoparę. Dochodzi tam do pomiaru  temperatury procesu, a także miejsca gdzie generowane jest napięcie U1. I tu dochodzimy do sedna – punt U1 jest tym, co chcemy zmierzyć.  W punktach spoiny odniesienia jest podłączony miernik napięcia, który ma połączenia wykonane z innego materiału – materiał 3. W tych połączeniach wytwarzane są niechciane napięcia termoelektryczne U2 i U3, których wartości należy wyeliminować. W jaki sposób to zrobić? Przedstawiamy kilka metod  kompensacji złącza odniesienia.

  •  Kąpiel spoiny odniesienia w punkcie topnienia lodu (0°C)

To metoda stosowana głównie w pomiarach laboratoryjnych, dokładność wynosi ±0,1 do ±0,01 K. Spoinę odniesienie należy umieścić w kąpieli lodowej lub termostacie o dokładnej temperaturze znamionowej 0°C. By uniknąć prądów upływowych powodujących błędy lub możliwą korozję, połączenia muszą być izolowane elektrycznie od wody w kąpieli lodowej. Końce przewodów kompensacyjnych umieszcza się w wypełnionych olejem probówkach umieszczonych w termosie wypełnionym drobno pokruszonym lodem, zalanym wodą destylowaną.

Kąpiel lodowa 0°C

Kąpiel lodowa 0°C

  •  Spoina pomiarowa w znanej, stałej temperaturze

To metoda, która w warunkach przemysłowych sprawdzi się zdecydowanie lepiej niż kąpiel lodowa. Tutaj złącze odniesienia umieszczamy w stałej temperaturze, na przykład w małej skrzynce połączeniowej, której temperatura będzie utrzymywana przez termostat na stałym poziomie. Kiedy znamy temperaturę w jakiej znajduje się złącze odniesienia, możemy obliczyć i skompensować napięcie termoelektryczne generowane przez to złącze. Jest wiele urządzeń pomiarowych, które wykona wszystkie obliczenia i dokona kompensacji. Obliczenia termopary muszą zawsze być wykonane w wartościach napięcia. Częstym błędem jest znalezienie w tabeli temperatury dla wartości zmierzonego napięcia i dodanie jej do wartości temperatury złącza odniesienia.

 Złącze odniesienia w stałej i znanej temperaturze

Złącze odniesienia w stałej i znanej temperaturze

  • Pomiar temperatury złącza odniesienia

Użycie osobnego czujnika do pomiaru temperatury to kolejny, sprawdzony sposób kompensacji złącza odniesienia. Jest to dość trudna metoda, wymaga ciągłego mierzenia temperatury zimnych końców.  Na rynku znaleźć można wiele kalibratorów, które posiadają funkcjonalność umożliwiającą pomiar temperatury zimnych końców przez zewnętrzną sondę.

Pomiar temperatury złącza odniesienia

Pomiar temperatury złącza odniesienia

  • Automatyczna kompensacja on-line w urządzeniu pomiarowym

To najłatwiejszy i najbardziej praktyczny sposób. Należy tylko odpowiednio podłączyć termoelement do urządzenia pomiarowego, na przykład do kalibratora wielofunkcyjnego MC6, który mierzy temperaturę zimnego złącza z niepewnością 0,15°C. Kalibrator będzie mierzył temperaturę złącza odniesienia automatycznie i wykonywał kompensację on-line.

Automatyczna kompensacja on-line

Automatyczna kompensacja on-line

Podsumowując, z przedstawionych powyżej metod spoiny kondensacji, w warunkach przemysłowych najczęściej stosowana jest ta metoda on-line, natomiast w warunkach laboratoryjnych ze względu na wysoką dokładność, nadal stosuje się kąpiel zerową spoiny odniesienia.  Mimo, że tematyka czujników termoelektrycznych jest powszechnie znana, problematyka spoiny odniesienia i kompensacji nieustannie spotyka się z niejasnościami. Mam nadzieję, że niniejszy post będzie pomocny w uniknięciu błędów w pomiarze i wzorcowaniu.

Po więcej szczegółów związanych z kompensacją spoiny odniesienia termoelektrycznych czujników temperatury , zapraszamy do naszego kwartalnika Pod Kontrolą:

Akademia automatyki: Kompensacja spoiny odniesienia czujników termoelektrycznych