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

OznaczenieRodzaj termoelementuZakres temperatur do
stosowania długotrwałego
[°C]
Zakres temperatur do
stosowania krótkotrwałego
[°C]
T Cu-CuNimiedź-miedź/nikiel lub miedź-konstantan-100 … +400-200 … +600
E NiCr-CuNinikiel/chrom-miedź/nikiel lub nikiel/chrom-konstantan-100 … +700-200 … +1000
J Fe-CuNiżelazo-miedź/nikiel lub żelazo-konstantan-100 … +700-200 … +900
K NiCr-NiAlnikiel/chrom-nikiel/aluminium-100 … +1000-200 … +1300
N NiCrSi-NiSinikiel/chrom/krzem-nikiel/krzem-100 … +1000-200 … +1300
S PtRh10-Ptplatyna/rod 10%-platyna0 … +13000 … +1600
R PtRh13-Ptplatyna/rod 13%-platyna0 … +13000 … +1600
B PtRh30-PtRh6platyna/rod 30%-platyna/rod 6%0 … +13000 … +1800

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

Napięcie termoelektryczne [mV]
T °CTJKNSRB
-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
-20-0.7570.995-0.778-0.518-0.103-0.100
00000000
200.7901.0190.7980.5250.1130.111-0.003
401.6122.0591.6121.0650.2350.2320
602.4683.1162.4361.6190.3650.3630.006
803.3584.1873.2672.1890.5020.5010.017
1004.2795.2694.0962.7740.6460.6470.033
1205.2286.3604.9203.3740.7950.8000.053
1406.2067.4595.7353.9890.9500.9590.078
1607.2098.5626.5404.6181.1101.1240.107
1808.2379.6697.3405.2591.2731.2940.141
2009.28810.7798.1385.9131.4411.4690.178
22010.36211.8898.9406.5791.6121.6480.220
24011.45813.0009.7477.2551.7861.8310.267
26012.57414.11010.5617.9411.9622.0170.317
28013.70915.21911.3828.6372.1412.2070.372
30014.86216.32712.2099.3412.3232.4010.431
32016.03217.43413.04010.0542.5072.5970.494
34017.21918.53813.87410.7742.6922.7960.561
36018.42219.64214.71311.5012.8802.9970.632
38019.64120.74515.59612.2343.0693.2010.707
40020.87221.84816.43912.9743.2593.4080.787
42022.95217.24313.7193.4513.6160.870
44024.05718.09114.4693.6453.8270.957
46025.16418.94115.2553.8404.0401.048
48026.27619.79215.9844.0364.2551.143
50027.39320.64416.7484.2334.4711.242
52028.51621.49717.5154.4324.6901.344
54029.64722.35018.2864.6324.9101.451
56030.78823.20319.0594.8335.1331.561
58031.93924.05519.8355.0355.3571.675
60033.10224.90520.6135.2395.5831.792
62034.27925.75521.3935.4435.8121.913
64035.47026.60222.1755.6496.0412.037
66036.67527.44722.9585.8576.2732.165
68037.89628.28923.7426.0656.5072.296
70039.13229.12924.5276.2756.7432.431
72040.38229.96525.3126.4866.9802.569
74041.64530.79826.0986.6997.2202.710
76042.91931.62826.8836.9137.4612.854
78044.20332.45327.6697.1287.7053.002
80045.49433.27528.4557.4867.9503.154
82046.78634.09329.2397.5638.1973.308
84048.07434.90830.0247.7838.4463.466
86049.35335.71830.8078.0038.6973.626
88050.62236.52431.5908.2268.9503.790
90051.87737.32632.3718.4499.2053.957
92053.11938.12433.1518.6749.4614.127
94054.34738.91833.9308.9009.7204.299
96055.56139.70834.7079.1289.9804.475
98056.76340.49435.4829.35710.2424.653
100057.95341.27636.2569.58710.5064.834
102059.13442.05337.0279.81910.7715.018
104060.30742.82637.79510.05111.0395.205
106061.47343.59538.56210.28511.3075.394
108062.63444.39739.32610.52011.5785.585
110063.79245.11940.08710.75711.8505.780
112064.94845.87340.84510.99412.1235.976
114066.10246.62341.60011.23212.3976.175
116067.25547.36742.35211.47112.6736.377
118068.40648.10543.10111.71012.9506.580
120069.55348.83843.84611.95113.2286.786
122049.56544.58812.19113.5076.995
124050.28645.32612.43313.7867.205
126051.00046.06012.55414.0667.417
128051.70846.78912.91714.3477.632
130052.41047.51313.15914.6297.848
132053.10613.40214.9118.066
134053.79513.64415.1938.286
136054.47913.88715.4758.508
138014.13015.7588.731
140014.37316.0408.956
142014.61516.3239.182
144014.85716.6059.410
146014.97816.8879.639
148015.34117.1699.868
150015.58217.45110.099
152015.82217.73210.331
154016.06218.01210.563
156016.30118.29210.796
158016.53918.57111.029
160016.77718.84911.263
162017.01319.12611.497
164017.24919.40211.731
166017.48319.66711.965
168017.71719.95112.199
170017.94720.22212.433

Tolerancje dla termoelementów (PN-EN 60584-2)

Dopuszczalne odchyłki termoelementu
typ K,Ntyp Jtyp S, Rtyp Ttyp B
Temperatura [°C]∆tTemperatura [°C]∆tTemperatura [°C]∆tTemperatura [°C]∆tTemperatura [°C]∆t
-40 do 3751,5ºC-40 do 3751,5ºC0 do 11001ºC-40 do 1250,5 ºC
375 do 10000,4%375 do 7500,4%1100 do 1600(*)125 do 3500,4%
-40 do 3332,5ºC-40 do 3332,5ºC0 do 6001,5ºC-44 do 1331ºC
333 do 12000,75%333 do 7500,75%600 do 16000,25%133 do 3500,75%600 do 17000,25%

(*) 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.

OznaczenieWłaściwości
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)
0,255 ms2 ms
0,514 ms8 ms
1,00,18 s0,14 s
1,50,2 s0,15 s
3,00,5 s0,4 s
4,51,2 s0,7 s
6,02,4 s1,2 s
8,03,9 s2,1 s

Spoiny pomiarowe termoelementów

1aSpoina 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.
1bSpoina pomiarowa pojedyncza, odizolowana galwanicznie od osłony czujnika (od płaszcza).
Dłuższa stała czasowa.
Stosowana w ośrodkach przewodzących lub gdy wymagane jest odizolowanie elektryczne układu pomiarowego.
2aSpoina 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).
2abSpoina 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.
2bSpoina 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.
1cSpoina pomiarowa pojedyncza nieosłonięta lub wyprowadzona poza osłonę czujnika, goła.
Najkrótsza stała czasowa.
Spoina pomiarowa narażona na urazy mechaniczne oraz nieodporna na wpływ atmosfery korozyjnej.
 

2cSpoina 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.