Czujniki termoelektryczne reagują na zmianę temperatury zmianą siły termoelektrycznej wbudowanego w nie termoelementu.
Termoelement – to dwa przewodniki wykonane z różnych materiałów, połączone ze sobą na jednym końcu i tworzące część układu wykorzystującego zjawisko termoelektryczne do pomiaru temperatury (zjawisko Seebecka).
Zjawisko termoelektryczne polega na wytworzeniu siły termoelektrycznej na skutek różnicy temperatur między dwoma spoinami: pomiarową (połączone końce termoelementu), na którą działa w mierzona temperatura i odniesienia (wolne końce termoelementów), która znajduje się w znanej temperaturze (najczęściej 0°C).

Typy termoelementów

Oznaczenie Rodzaj termoelementu Zakres temperatur do
stosowania długotrwałego
[°C]
Zakres temperatur do
stosowania krótkotrwałego
[°C]
T Cu-CuNi miedź-miedź/nikiel lub miedź-konstantan -100 … +400 -200 … +600
E NiCr-CuNi nikiel/chrom-miedź/nikiel lub nikiel/chrom-konstantan -100 … +700 -200 … +1000
J Fe-CuNi żelazo-miedź/nikiel lub żelazo-konstantan -100 … +700 -200 … +900
K NiCr-NiAl nikiel/chrom-nikiel/aluminium -100 … +1000 -200 … +1300
N NiCrSi-NiSi nikiel/chrom/krzem-nikiel/krzem -100 … +1000 -200 … +1300
S PtRh10-Pt platyna/rod 10%-platyna 0 … +1300 0 … +1600
R PtRh13-Pt platyna/rod 13%-platyna 0 … +1300 0 … +1600
B PtRh30-PtRh6 platyna/rod 30%-platyna/rod 6% 0 … +1300 0 … +1800

Charakterystyki termoelektryczne termoelementów (dane skrócone) /PN-EN 60584-1/

Napięcie termoelektryczne [mV]
T °C T J K N S R B
-100 -3.379 -4.633 -3.554 -2.407
-80 -2.788 -3.786 -2.920 -1.972
-60 -2.153 -2.893 -2.243 -1.509
-40 -1.475 -1.961 -1.527 -1.023 -0.194 -0.188
-20 -0.757 0.995 -0.778 -0.518 -0.103 -0.100
0 0 0 0 0 0 0 0
20 0.790 1.019 0.798 0.525 0.113 0.111 -0.003
40 1.612 2.059 1.612 1.065 0.235 0.232 0
60 2.468 3.116 2.436 1.619 0.365 0.363 0.006
80 3.358 4.187 3.267 2.189 0.502 0.501 0.017
100 4.279 5.269 4.096 2.774 0.646 0.647 0.033
120 5.228 6.360 4.920 3.374 0.795 0.800 0.053
140 6.206 7.459 5.735 3.989 0.950 0.959 0.078
160 7.209 8.562 6.540 4.618 1.110 1.124 0.107
180 8.237 9.669 7.340 5.259 1.273 1.294 0.141
200 9.288 10.779 8.138 5.913 1.441 1.469 0.178
220 10.362 11.889 8.940 6.579 1.612 1.648 0.220
240 11.458 13.000 9.747 7.255 1.786 1.831 0.267
260 12.574 14.110 10.561 7.941 1.962 2.017 0.317
280 13.709 15.219 11.382 8.637 2.141 2.207 0.372
300 14.862 16.327 12.209 9.341 2.323 2.401 0.431
320 16.032 17.434 13.040 10.054 2.507 2.597 0.494
340 17.219 18.538 13.874 10.774 2.692 2.796 0.561
360 18.422 19.642 14.713 11.501 2.880 2.997 0.632
380 19.641 20.745 15.596 12.234 3.069 3.201 0.707
400 20.872 21.848 16.439 12.974 3.259 3.408 0.787
420 22.952 17.243 13.719 3.451 3.616 0.870
440 24.057 18.091 14.469 3.645 3.827 0.957
460 25.164 18.941 15.255 3.840 4.040 1.048
480 26.276 19.792 15.984 4.036 4.255 1.143
500 27.393 20.644 16.748 4.233 4.471 1.242
520 28.516 21.497 17.515 4.432 4.690 1.344
540 29.647 22.350 18.286 4.632 4.910 1.451
560 30.788 23.203 19.059 4.833 5.133 1.561
580 31.939 24.055 19.835 5.035 5.357 1.675
600 33.102 24.905 20.613 5.239 5.583 1.792
620 34.279 25.755 21.393 5.443 5.812 1.913
640 35.470 26.602 22.175 5.649 6.041 2.037
660 36.675 27.447 22.958 5.857 6.273 2.165
680 37.896 28.289 23.742 6.065 6.507 2.296
700 39.132 29.129 24.527 6.275 6.743 2.431
720 40.382 29.965 25.312 6.486 6.980 2.569
740 41.645 30.798 26.098 6.699 7.220 2.710
760 42.919 31.628 26.883 6.913 7.461 2.854
780 44.203 32.453 27.669 7.128 7.705 3.002
800 45.494 33.275 28.455 7.486 7.950 3.154
820 46.786 34.093 29.239 7.563 8.197 3.308
840 48.074 34.908 30.024 7.783 8.446 3.466
860 49.353 35.718 30.807 8.003 8.697 3.626
880 50.622 36.524 31.590 8.226 8.950 3.790
900 51.877 37.326 32.371 8.449 9.205 3.957
920 53.119 38.124 33.151 8.674 9.461 4.127
940 54.347 38.918 33.930 8.900 9.720 4.299
960 55.561 39.708 34.707 9.128 9.980 4.475
980 56.763 40.494 35.482 9.357 10.242 4.653
1000 57.953 41.276 36.256 9.587 10.506 4.834
1020 59.134 42.053 37.027 9.819 10.771 5.018
1040 60.307 42.826 37.795 10.051 11.039 5.205
1060 61.473 43.595 38.562 10.285 11.307 5.394
1080 62.634 44.397 39.326 10.520 11.578 5.585
1100 63.792 45.119 40.087 10.757 11.850 5.780
1120 64.948 45.873 40.845 10.994 12.123 5.976
1140 66.102 46.623 41.600 11.232 12.397 6.175
1160 67.255 47.367 42.352 11.471 12.673 6.377
1180 68.406 48.105 43.101 11.710 12.950 6.580
1200 69.553 48.838 43.846 11.951 13.228 6.786
1220 49.565 44.588 12.191 13.507 6.995
1240 50.286 45.326 12.433 13.786 7.205
1260 51.000 46.060 12.554 14.066 7.417
1280 51.708 46.789 12.917 14.347 7.632
1300 52.410 47.513 13.159 14.629 7.848
1320 53.106 13.402 14.911 8.066
1340 53.795 13.644 15.193 8.286
1360 54.479 13.887 15.475 8.508
1380 14.130 15.758 8.731
1400 14.373 16.040 8.956
1420 14.615 16.323 9.182
1440 14.857 16.605 9.410
1460 14.978 16.887 9.639
1480 15.341 17.169 9.868
1500 15.582 17.451 10.099
1520 15.822 17.732 10.331
1540 16.062 18.012 10.563
1560 16.301 18.292 10.796
1580 16.539 18.571 11.029
1600 16.777 18.849 11.263
1620 17.013 19.126 11.497
1640 17.249 19.402 11.731
1660 17.483 19.667 11.965
1680 17.717 19.951 12.199
1700 17.947 20.222 12.433

Tolerancje dla termoelementów (PN-EN 60584-2)

Dopuszczalne odchyłki termoelementu
typ K,N typ J typ S, R typ T typ B
Temperatura [°C] ∆t Temperatura [°C] ∆t Temperatura [°C] ∆t Temperatura [°C] ∆t Temperatura [°C] ∆t
-40 do 375 1,5ºC -40 do 375 1,5ºC 0 do 1100 1ºC -40 do 125 0,5 ºC
375 do 1000 0,4% 375 do 750 0,4% 1100 do 1600 (*) 125 do 350 0,4%
-40 do 333 2,5ºC -40 do 333 2,5ºC 0 do 600 1,5ºC -44 do 133 1ºC
333 do 1200 0,75% 333 do 750 0,75% 600 do 1600 0,25% 133 do 350 0,75% 600 do 1700 0,25%

(*) dla termoelementu typu S i R dopuszczalna odchyłka obliczana jest wg wzoru: $[1+(t-1100)·0,003]°C$

Termoelementy płaszczowe

Termoelementy płaszczowe posiadają osłony wykonane w postaci rurek ze stali niklowo-chromowej wewnątrz których znajdują się druty
termoelektryczne oraz materiał izolacyjny w postaci silnie sprasowanego tlenku magnezu (MgO).
Materiał płaszcza zapewnia osłonę mechaniczną i chemiczną spoiny pomiarowej oraz dużą odporność w wielu środowiskach agresywnych.
Na jednym końcu termoelektrody są zaspawane tworząc spoinę pomiarową. Osłona zewnętrzna-płaszcz jest szczelnie zamknięta poprzez
zaspawanie. Drugi koniec termoelementu jest podłączony do przewodu kompensacyjnego, złącza wtyk-gniazdo lub kostki zaciskowej w
głowicy czujnikowej.
Dzięki silnie sprasowanej warstwie izolacji i odpowiedniej strukturze metalurgicznej termoelektrod i płaszcza, termoelementy są
giętkie i mogą być wyginane z promieniem (minimalnym) pięć razy większym od ich średnicy zewnętrznej.
Główne zalety termoelementów płaszczowych to: małe średnice zewnętrzne, trwałość i giętkość umożliwiająca ich wyginanie i
skręcanie, duża odporność na drgania i wibracje oraz mała bezwładność cieplna.
W tabeli poniżej wykaz najczęściej stosowanych materiałów z których wykonywane są płaszcze termoelementów.

Oznaczenie Właściwości
INCONEL 600
(75%Ni, 16%Cr, 8%Fe)
dobra ogólna odporność na korozję,
bardzo dobra odporność na utlenianie,
nie zalecany do atmosfery zawierającej CO$_2$ i siarkę, powyżej 550°C,
nie zalecany do atmosfery zawierającej sód, powyżej 750°C,
maksymalna temperatura pracy w powietrzu do 1150°C
NICROBELL
(73%Ni, 22%Cr, 3%Mo, 1,4%Si)
znakomita odporność na utlenianie,
maksymalna temperatura pracy w powietrzu do 1250°C,
pozostałe parametry jak Inconel 600
PtRh10
(90%Pt, 10%Rh)
bardzo dobra odporność na kolageny, kwasy octowe, roztwory Na-HCl,
wysoka odporność na utlenianie do 1300°C,
w atmosferze zawierającej siarkę i krzem odporny do 1200°C,
nie zalecany do atmosfery zawierającej fosfor,
maksymalna temperatura pracy do 1600°C.
TANTAL (Ta) bardzo wrażliwy na utlenianie powyżej 300°C,
bardzo odporny na korozję,
odporność na działanie większości kwasów i zasad,
na zimno reaguje z fluorem i kwasem fluorowodorowym,
w wyższych temperaturach reaguje z chlorem,
bardzo wysoka odporność termiczna w próżni, środowisku neutralnym i redukującym,
maksymalna temperatura pracy do 2200°C
WOLFRAM (W) mało aktywny chemicznie,
duża wytrzymałość mechaniczna i twardość,
odporność na działanie kwasu siarkowego i solnego,
w wysokich temperaturach reaguje z tlenem, wodorem,
azotem, węglem i parą wodną,
maksymalna temperatura pracy do 3300°C

Własności dynamiczne termoelementów płaszczowych

Stałe czasowe dla różnych średnic termopar płaszczowych
(czas do osiągnięcia 63% rzeczywistej temperatury termopary przy skokowej zmianie temperatury gazu lub cieczy)
średnica
płaszcza [mm]
spoina pomiarowa
izolowana (typ b)
spoina pomiarowa
uziemiona (typ a)
0,25 5 ms 2 ms
0,5 14 ms 8 ms
1,0 0,18 s 0,14 s
1,5 0,2 s 0,15 s
3,0 0,5 s 0,4 s
4,5 1,2 s 0,7 s
6,0 2,4 s 1,2 s
8,0 3,9 s 2,1 s

Spoiny pomiarowe termoelementów

1a Spoina pomiarowa pojedyncza (pojedynczy termoelement), połączona (uziemiona) galwanicznie z osłoną czujnika
(z płaszczem).
Krótka stała czasowa.
Spoina pomiarowa odizolowana od chemicznego i mechanicznego wpływu ośrodka.
Stosowana w ośrodkach nie przewodzących.
1b Spoina pomiarowa pojedyncza, odizolowana galwanicznie od osłony czujnika (od płaszcza).
Dłuższa stała czasowa.
Stosowana w ośrodkach przewodzących lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego.
2a Spoina pomiarowa podwójna (podwójny termoelement), połączona (uziemiona) galwanicznie z osłoną czujnika
(z płaszczem).
Krótka stała czasowa.
Spoina pomiarowa odizolowana od chemicznego i mechanicznego wpływu ośrodka.
Stosowana w ośrodkach nie przewodzących.
Może być stosowana w pomiarach wymagających zachowania
ciągłości pomiaru temperatury procesu (uszkodzenie jednego obwodu pomiarowego nie przerywa pomiaru).
2ab Spoina pomiarowa podwójna, odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza) i zwarte pomiędzy sobą.
Dłuższa stała czasowa.
Stosowana w ośrodkach przewodzących lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego.
2b Spoina pomiarowa podwójna, odizolowana od osłony czujnika (od płaszcza) i pomiędzy sobą.
Dłuższa stała czasowa.
Stosowana w ośrodkach przewodzących lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego.
1c Spoina pomiarowa pojedyncza nieosłonięta lub wyprowadzona poza osłonę czujnika, goła.
Najkrótsza stała czasowa.
Spoina pomiarowa narażona na urazy mechaniczne oraz nieodporna na wpływ atmosfery korozyjnej.
 

2c Spoina pomiarowa podwójna nieosłonięta lub wyprowadzona poza osłonę czujnika, goła.
Najkrótsza stała czasowa.
Spoina narażona na urazy mechaniczne oraz nieodporna na wpływ atmosfery korozyjnej.
Może być stosowana pomiarach wymagających zachowania ciągłości pomiaru temperatury procesu (uszkodzenie jednego obwodu pomiarowego nie przerywa pomiaru).

Przewody kompensacyjne (PN-EN 60584-3)

Przewody kompensacyjne wykonywane są z takich samych materiałów co termoelement lub ze stopów zastępczych,
które nie są identyczne z termoelementem, mają jednak takie same własności termoelektryczne jak termopara.
Materiały zastępcze są stosowane do termopar typu K i N oraz do termopar z metali szlachetnych typu R i S (dla termopar typu B stosowane są przewody miedziane w zakresie temperatur do +100°C).
Przewody kompensacyjne mogą być stosowane do temperatur +200°C .
Druty do przewodów kompensacyjnych są znormalizowane w PN-EN 60584-3.
Napięcia termoelektryczne w dopuszczalnym zakresie temperatur odpowiadają napięciom termoelektrycznym dla termopar według
PN-EN 60584-1. Odchylenia graniczne dla przewodów kompensacyjnych ustalone są w PN-EN 60584-3.
Przewody kompensacyjne produkowane są w dwóch klasach.
Klasa 1 – przewody kompensacyjne wykonane z takich samych materiałów co termoelement.
Klasa 2 przewody kompensacyjne wykonane z takich samych materiałów co termoelement lub z materiałów zastępczych.
Przewody kompensacyjne odpowiadają pod względem oznaczeń barwnych normie PN-EN 60584-3.
Dostarczamy przewody w klasie 1.

Przewodowe czujniki temperatury termoelektryczne

Przewodowy czujnik temperatury termoelektryczny składa się z przewodu termoparowego w rurce-osłonie ochronnej.
Maksymalna temperatura pracy takiego czujnika ograniczona jest rodzajem izolacji przewodu termoparowego.
Czujniki termoparowe wykonywane są z przewodami w izolacjach:

Materiał
izolacji
Temperatura
maksymalna
przewodu
PCV +80°C
silikon +180°C
PTFE (teflon) +260°C
włókno szklane +400°C

Izolacja zewnętrzna przewodu może być pokryta kwasoodpornym ekranem stalowym (plecionką) lub kwasoodpornym pancerzem stalowym (peszlem).
W przewodowych czujnikach temperatury stosujemy przewody termoparowe drutowe (druty o średnicy 0,5mm) lub przewody termoparowe z linki 0,22mm2, 0,35mm2 lub 0,50mm2.

Głowicowe czujniki temperatury termoelektryczne

Głowicowy czujnik temperatury termoelektryczny składa się z rury ochronnej, wkładu pomiarowego i głowicy przyłączeniowej z kostką zaciskową wewnątrz głowicy. Wkład pomiarowy może być elementem wymiennym lub niewymiennym czujnika. Czujniki dostępne są z głowicami przyłączeniowymi w kilku wykonaniach, różniących się formą, materiałem i wymiarami.

Przyłączenia głowicowych czujników termoelektrycznych

Własności dynamiczne czujników temperatury

Stała czasowa (t) jest to czas, którego potrzebuje czujnik po skokowej zmianie temperatury, aby osiągnąć jej określoną część.
Stała czasowa (t05), jest to czas po którym czujnik osiągnie 50% wartości skoku temperatury.
Stała czasowa (t09), jest to czas po którym czujnik osiągnie 90% wartości skoku temperatury.
Stałe czasowe podawane są dla przepływającego powietrza lub przepływającej wody.