Czym są termopary i do czego służą?

Idea termopary bazuje na tzw. efekcie Seebecka. Fizyk Thomas Johann Seebeck już w XIX w. odkrył, iż łącząc ze sobą różne metale w sposób punktowy, zmiany temperatury na styku wywołują powstanie niewielkiego, ale mierzalnego napięcia. Obecnie, dzięki szerokiemu zakresowi pomiarów temperatur, wysokiej wytrzymałości, a przy tym przyjaznemu kosztowi, termopary są nieodzowne w wielu dziedzinach – od urządzeń domowych, przez przemysł, aż po kosmonautykę.
Jeśli chcecie poznać więcej szczegółów na temat jednego z głównych czujników wykorzystywanych do pomiaru temperatury, zapraszamy do przeczytania poniższego artykułu!

Spis treści:

1. Jak działa termopara?
2. Jak wygląda budowa termopary?
3. Klasyfikacja termopar
4. Jakie są zastosowania termopary?

Jak działa termopara?

Jak właściwie działa termopara? Termopara stanowi specjalne narzędzie pomiarowe, przekształcające energię cieplną zewnętrznego źródła w energię elektryczną. Jej struktura opiera się na połączeniu dwóch przewodów wykonanych z różnych metali w celu utworzenia złącza. Na punkcie styku tych złączy, w wyniku zmian temperatury, generuje się napięcie termoelektryczne, które da się zmierzyć. Jego wartość zależy od skali zmian temperatury oraz właściwości materiałów użytych do budowy termopary, która obejmuje dwa izolowane przewody podłączone do urządzenia pomiarowego.
Aby termopara mogła dokładnie mierzyć temperaturę, konieczna jest kompensacja zimnego złącza. Oba końce termopary są utrzymywane w tej samej temperaturze. Temperatura gorącego złącza jest porównywana z temperaturą zimnego złącza.

Jeśli chodzi o termoparę i zasadę jej działania, grubość przewodu wpływa na jej zdolność pomiarową. Im grubszy przewód, tym wyższe temperatury może mierzyć, ale dłuższy jest z kolei czas reakcji. Kiedy temperatura złączy termopary jest identyczna, siły elektromotoryczne na obu złączach są sobie równe i przeciwnie skierowane, co powoduje brak przepływu prądu elektrycznego. Jednakże, jeśli złącza mają różne temperatury, powstaje pole elektromagnetyczne, skutkując przepływem prądu przez obwód. Pole to jest bardzo słabe, dlatego wymaga czułego przyrządu do określania generowanego pola elektromagnetycznego. Zwykle stosuje się do tego celu galwanometry i potencjometry kalibracyjne.

Jak wygląda budowa termopary?

Tradycyjnie termopary składają się z dwóch różnych materiałów o średnicach wahających się od 0,2 do 5 mm. Gdy używa się materiałów szlachetnych, takich jak platyna czy rod, średnice te mogą być mniejsze, oscylując między 0,1 a 0,5 mm. Odpowiedni komponent jest wybierany w zależności od zakresu temperatury, którą przyrząd ma mierzyć.

Zewnętrzna powłoka czujnika jest narażona na oddziaływanie bardzo wysokich temperatur, dlatego w konstrukcji stosuje się różne rodzaje stali. W przypadku skrajnie wysokich temperatur osłona termopary jest wykonana z żaroodpornej stali lub materiałów ceramicznych. Musi ona wykazywać odporność na korozję, nagłe zmiany temperatury oraz uszkodzenia mechaniczne i być nieprzepuszczalna dla gazów, które mogłyby przyspieszyć proces jej starzenia się. W niektórych przypadkach stosuje się termopary bez osłony, aby zminimalizować błędy dynamiczne. Wykonania specjalizowane służą do pomiaru temperatury płynnych metali, szkła czy płynnej stali.

Klasyfikacja termopar ze względu na temperaturę pracy czujników

• Termopara typu K to najczęściej wybierany rodzaj termopary. Pomiar temperatury z jej użyciem sięga od -200°C do +1200°C; urządzenie charakteryzuje się przy tym korzystną ceną. Stosowana jest przykładowo w lutownicach i stacjach lutowniczych przeznaczonych do montażu i napraw elektroniki.
• Termopara typu J ma nieco mniejszy zakres temperatur niż typ K i krótszą żywotność przy wyższych temperaturach, ale pod względem kosztów i niezawodności jest porównywalna. Jej zakres temperatur obejmuje od -40°C do +750°C.
• Termopara typu T jest stabilnym czujnikiem często wykorzystywanym w aplikacjach o bardzo niskich temperaturach, takich jak kriogenika. Pracuje w temperaturach od -200°C do +350°C.
• Termopara typu E charakteryzuje się mocniejszym sygnałem i wyższą dokładnością w porównaniu z typem K lub J w umiarkowanych zakresach temperatur, głównie poniżej 1000°C. Jej zakres temperatur to od -200°C do +900°C.
• Termopara typu N jest podobna do typu K pod względem dokładności i zakresu temperatur, jest jednak bardziej odporna na utlenianie. Pomiar wysokich temperatur termoparą N jest możliwy nawet do 1350°C.
• Termopara typu S stosowana jest w aplikacjach o bardzo wysokich temperaturach, osiągając zakres do 1600°C. Jest bardzo precyzyjna i stabilna, co sprawia, że powszechnie stosuje się ją w branży pieców przemysłowych.
• Termopara typu R również jest przeznaczona do bardzo wysokich temperatur, ale ma wyższy procent rodu niż typ S, co implikuje wyższą cenę. Sięga zakresu temperatur do 1600°C.
• Termopara typu B jest używana w aplikacjach o ekstremalnie wysokich temperaturach. Osiąga aż 1800°C, przy zachowaniu wysokiej dokładności i stabilności. Pomiaru temperatury za pomocą termopary typu B dokonuje się m.in. w przypadku rozpuszczonego szkła w hutach.
• Termopary typu C są stosowane w aplikacjach, gdzie temperatury mogą osiągać aż 2315°C. Wykorzystuje się je w chemicznie obojętnych środowiskach lub w próżni, aby uniknąć awarii wynikających z utleniania.

Jakie są zastosowania termopary?

Termopary, dzięki temu, że pozostają odporne na różnorodne warunki środowiskowe, wykorzystuje się jako przyrządy do monitorowania temperatury w różnych procesach i urządzeniach, a jednocześnie jako czujniki bezpieczeństwa.
Wybór konkretnego typu termopary zależy od zakresu temperatur, otoczenia i medium, w którym ma być używana. Warto zauważyć, że rozmiar i kształt przyrządu są dostosowane do specyfiki zastosowania oraz wymaganej dokładności i czasu reakcji.

Termopary odgrywają istotną rolę w przemyśle spożywczym, gdzie precyzja i szybkość pomiaru są wyjątkowo ważne dla jakości żywności. Dzięki możliwościom dokładnego i szybkiego odczytu są idealne do kontroli temperatury w różnych fazach produkcji. Sondy termoparowe, wyposażone w płaskie głowice lub igłowe końcówki, umożliwiają pomiary zarówno powierzchniowe, jak i wewnętrzne, a nawet temperaturę otoczenia w piecach. Ich zastosowanie nie ogranicza się jedynie do monitorowania temperatury, ale również do kontroli procesów, takich jak zapalanie palników czy kontrola dopływu gazu. W ten sposób przyczyniają się do zwiększenia efektywności i bezpieczeństwa wytwarzania artykułów spożywczych.

W środowisku przemysłowym, zwłaszcza w obróbce metali nieżelaznych, termopary stopionego metalu są niezastąpione w pomiarze temperatury w ekstremalnych warunkach. To niezbędne narzędzie do monitorowania i kontrolowania procesów takich jak utrzymywanie, odgazowywanie i odlewanie stopów metalicznych.

W urządzeniach gazowych, takich jak piece czy palniki, termopary umieszczone w płomieniu pilotującym reagują na jego obecność generując napięcie, które utrzymuje przepływ gazu. Jeśli płomień zgaśnie, termopara wykrywa ten brak i sygnalizuje zamknięcie zaworu gazowego, co zapobiega niepożądanym wyciekom gazu i potencjalnym zagrożeniom.

Wszystkie te zastosowania podkreślają uniwersalność i nieodzowność termopar w szerokim spektrum dziedzin, od produkcji przemysłowej po eksplorację kosmosu. Ich precyzja, wytrzymałość i szybkość reakcji czynią je nieodłącznym elementem wielu procesów technologicznych oraz produkcyjnych.