Wyjaśnienie typów termopar: typ K, J, T, E, N, R, S i sposób wyboru właściwego

A termopara jest najczęściej stosowanym czujnikiem temperatury w kontroli procesów przemysłowych, elektrycznych systemach grzewczych i sprzęcie produkcyjnym. Zasada działania jest prosta: dwa różne metalowe druty połączone na jednym końcu (spoina pomiarowa) wytwarzają małe napięcie proporcjonalne do różnicy temperatur pomiędzy złączem pomiarowym a końcem odniesienia (spoina zimna). To napięcie termoelektryczne — efekt Seebecka — jest mierzone przez podłączony przyrząd, który przekształca odczyt napięcia na wartość temperatury w oparciu o znormalizowaną krzywą kalibracji termopary dla tego typu termopary.

Krytycznym praktycznym punktem dla inżynierów, projektantów sprzętu i zespołów zakupowych jest to, że „termopara” nie jest pojedynczym produktem — jest to rodzina znormalizowanych typów czujników, z których każdy jest zdefiniowany przez określoną parę drutów ze stopu i każdy ma inny zakres temperatur, czułość wyjściową, zgodność chemiczną i profil dokładności. Określenie termopary do zastosowań w ogrzewaniu przemysłowym oznacza wybranie prawidłowego typu dla zakresu temperatur, środowiska procesu i wymagań dotyczących dokładności — wybranie niewłaściwego typu powoduje niedokładne odczyty temperatury lub wczesną awarię czujnika, co pogarsza jakość procesu i zwiększa koszty konserwacji.

W tym przewodniku wyjaśniono główne znormalizowane typy termopar, porównano ich kluczowe parametry użytkowe i przedstawiono praktyczne ramy dopasowywania typu termopar do wymagań aplikacji.

Jak typy termopar są standaryzowane

Typy termopar są znormalizowane na szczeblu międzynarodowym — norma IEC 60584 definiuje tabele referencyjne (zależności pola elektromagnetycznego od temperatury) dla głównych typów termopar oznaczonych literami stosowanych na całym świecie. ANSI/ASTM E230 to równoważna norma amerykańska, a DIN EN 60584 to europejska norma zharmonizowana. Każdy typ termopary jest oznaczony jedną wielką literą (K, J, T, E, N, R, S, B, C), która identyfikuje konkretną parę stopów zastosowaną w jej dwóch przewodnikach. Ponieważ oznaczenia literowe i tabele referencyjne są znormalizowane na szczeblu międzynarodowym, termopara typu K od jednego producenta i termopara typu K od innego producenta są wymienne w tym samym przyrządzie do pomiaru temperatury – pod warunkiem, że obie są produkowane zgodnie ze standardową tabelą kalibracji.

W obrębie każdego typu termopary tolerancje dokładności są zdefiniowane w dwóch lub trzech klasach (klasa 1, klasa 2, klasa 3 zgodnie z IEC 60584-2), gdzie klasa 1 to najwęższa tolerancja, a klasa 3 dotyczy niższych zakresów temperatur. Wybrana klasa powinna odpowiadać wymaganiom dokładności procesu — określenie klasy 1 tam, gdzie odpowiednia jest klasa 2, powoduje niepotrzebne koszty; użycie klasy 2 w precyzyjnym procesie, w którym wymagana jest klasa 1, powoduje niedokładną kontrolę temperatury.

Główne typy termopar: właściwości i zastosowania

Typ K (Chromel / Alumel)

Typ K jest najczęściej stosowanym typem termopary na świecie — połączenie szerokiego zakresu temperatur, odpowiedniej dokładności, dobrej odporności na utlenianie i niskiego kosztu sprawia, że jest to domyślna specyfikacja dla większości przemysłowych zastosowań związanych z pomiarem temperatury, gdzie nie są wymagane żadne szczególne właściwości innego typu.

Zakres temperatur: –200°C do 1260°C (praca ciągła do 1100°C zalecana dla mierników drutu stosowanych zazwyczaj w termoparach przemysłowych). Czułość wyjściowa około 41 µV/°C przy 500°C.

Stopy drutu: Przewodnik dodatni — Chromel (około 90% niklu, 10% chromu); Przewodnik ujemny — Alumel (około 95% niklu, 2% manganu, 2% aluminium, 1% krzemu).

Mocne strony: Szeroki zakres temperatur; dobra odporność na atmosfery utleniające; stabilna kalibracja przez długie okresy użytkowania w czystym środowisku; dobra liniowość w większości zakresu; najniższy koszt popularnych typów; najszersza dostępność kompatybilnych instrumentów, złączy i przedłużaczy.

Ograniczenia: W atmosferze o niskiej zawartości tlenu i zawierającej siarkę występuje korozja typu „zielona zgnilizna” — chrom w przewodzie dodatnim selektywnie utlenia się w tych warunkach, powodując dryft kalibracyjny. Nie nadaje się do stosowania w środowiskach redukujących, siarkowych lub próżniowych bez zabezpieczenia. Wykazuje histerezę w zakresie 300–600°C (niewielki efekt cyklicznej kalibracji).

Najlepsze dla: Ogólny pomiar temperatury procesów przemysłowych; monitorowanie powierzchni elektrycznego elementu grzejnego i temperatury procesu; kontrola temperatury piekarnika i pieca; obróbka tworzyw sztucznych (wtrysk, wytłaczanie) temperatura beczki i gorącego kanału; sprzęt do przetwarzania i suszenia żywności; systemy HVAC i wentylacyjne; każde standardowe zastosowanie przemysłowe, w którym określone wymagania dotyczące właściwości nie wymagają innego typu.

Typ J (Żelazo / Konstantan)

Typ J był jednym z najwcześniejszych znormalizowanych typów termopar i pozostaje w powszechnym użyciu, szczególnie w istniejących urządzeniach przemysłowych, gdzie była to pierwotna specyfikacja, a zamiennik zapewnia zgodność kalibracji.

Zakres temperatur: –40°C do 750°C (ograniczony górny zakres w porównaniu z typem K; powyżej 760°C przewodnik żelazny szybko się utlenia). Czułość wyjściowa około 55 µV/°C przy 300°C — nieco wyższa czułość niż typ K w swoim zakresie roboczym.

Stopy drutu: Przewodnik dodatni — żelazo; Przewodnik ujemny — Konstantan (stop miedzi i niklu, około 55% miedzi, 45% niklu).

Mocne strony: Wyższa czułość wyjściowa niż typ K w zakresie temperatur od niskiej do średniej; nadaje się do stosowania w atmosferach redukujących lub próżniowych (gdzie problematyczny jest przewodnik chromowy typu K); szeroko wspierane przez starsze oprzyrządowanie przemysłowe; niższy koszt niż typy metali szlachetnych.

Ograniczenia: Przewodnik żelazny rdzewieje w wilgotnym środowisku — nie nadaje się do stosowania bez zabezpieczenia w wilgotnych lub mokrych warunkach bez osłony ochronnej ze stali nierdzewnej; utlenia się szybko powyżej 760°C; krótsza żywotność niż typ K w środowiskach utleniających w umiarkowanych temperaturach z powodu utleniania żelaza; w nowych zastosowaniach stopniowo zastępowane przez typ N.

Najlepsze dla: Procesy przemysłowe o niskiej i średniej temperaturze; zastosowania w atmosferze redukcyjnej lub próżniowej; zastąpienie istniejącego sprzętu pierwotnie określonego dla typu J; urządzenia do formowania wtryskowego tworzyw sztucznych (specyfikacja historyczna); piece do obróbki cieplnej i wyżarzania pracujące w temperaturze poniżej 750°C.

Typ T (miedź / Konstantan)

Typ T jest szczególnie przystosowany do pomiarów niskich i kriogenicznych temperatur — jego kombinacja stopu miedzi i Konstantanu działa niezawodnie w temperaturach do –270°C (kriogeniczna), a jednocześnie nadaje się do stosowania w temperaturach do 350°C w standardowych zastosowaniach przemysłowych.

Zakres temperatur: –270°C do 400°C. Czułość wyjściowa około 46 µV/°C przy 100°C.

Stopy drutu: Przewodnik dodatni — miedź; Przewodnik ujemny — Konstantan.

Mocne strony: Doskonała dokładność i stabilność w niskich temperaturach; nadaje się do zastosowań kriogenicznych; odporny na wilgoć i łagodną korozję; dobra stabilność zarówno w atmosferze utleniającej, jak i redukującej; najwyższa dokładność typów termopar z metali nieszlachetnych w zakresie od –200°C do 350°C.

Ograniczenia: Górna granica temperatury wynosząca 400°C ogranicza zastosowanie do zastosowań niskotemperaturowych; Przewodnik miedziany ma wysoką przewodność cieplną, co może powodować błędy przewodzenia w zastosowaniach o dużych gradientach temperatury.

Najlepsze dla: Pomiar kriogeniczny i niskotemperaturowy; monitorowanie temperatury chłodzenia i zamrażania żywności; monitorowanie łańcucha chłodniczego farmaceutycznego; zastosowania laboratoryjne i naukowe wymagające precyzji w niskich temperaturach; odporne na wilgoć czujniki temperatury w systemach HVAC i automatyce budynków.

Typ E (Chromel / Konstantan)

Typ E ma najwyższą czułość wyjściową (EMF na stopień) ze wszystkich popularnych, znormalizowanych typów termopar — około 68 µV/°C przy 300°C — co czyni go najlepszym wyborem do zastosowań, w których wymagana jest maksymalna siła sygnału, aby zminimalizować wymagania dotyczące czułości przyrządu lub gdzie należy dokładnie rozwiązać niewielkie różnice temperatur.

Zakres temperatur: –200°C do 900°C. Niemagnetyczne (oba przewodniki są stopami niemagnetycznymi).

Stopy drutu: Przewodnik dodatni — Chromel; Przewodnik ujemny — Konstantan.

Mocne strony: Najwyższa czułość standardowych typów metali nieszlachetnych; konstrukcja niemagnetyczna jest istotna w zastosowaniach w pobliżu silnych pól magnetycznych; dobra odporność na utlenianie; stabilna kalibracja.

Ograniczenia: Nie nadaje się do atmosfery redukcyjnej lub próżniowej (przewodnik chromowy); na niektórych rynkach mniej powszechnie dostępny niż typ K lub J; nieznacznie wyższy koszt niż typ K.

Najlepsze dla: Zastosowania wymagające maksymalnej czułości przy małych różnicach temperatur; środowiska pola magnetycznego, w których typy przewodników żelaznych są nieodpowiednie; Pomiar temperatury poniżej zera z dużą czułością.

Typ N (Nicrosil/Nisil)

Typ N został opracowany jako alternatywa o wyższej stabilności dla typu K, eliminując niektóre znane ograniczenia stabilności kalibracji typu K w podwyższonych temperaturach. Wykorzystuje stopy specjalnie opracowane w celu zminimalizowania mechanizmów dryftu kalibracyjnego (porządkowanie krótkiego zasięgu, selektywne utlenianie), które wpływają na typ K powyżej 300°C.

Zakres temperatur: –200°C do 1300°C. Czułość wyjściowa około 39 µV/°C przy 600°C.

Mocne strony: Lepsza długoterminowa stabilność kalibracji niż typ K w temperaturach powyżej 300°C; lepsza odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze niż typ K; bardziej odporny na histerezę w zakresie 300–600°C.

Najlepsze dla: Wysokotemperaturowe procesy przemysłowe, w których długoterminowa stabilność kalibracji ma kluczowe znaczenie; zastąpienie typu K w zastosowaniach, w których dryft jest powtarzającym się problemem konserwacyjnym; piece i wypalacze pracujące w zakresie temperatur 600–1200°C.

Typ R i Typ S (Platyna-Rod / Platyna)

Typy R i S to termopary z metali szlachetnych — w obu przypadkach zastosowano stopy na bazie platyny (Typ R: dodatni 13% rodu/platyny; Typ S: dodatni 10% rodu/platyny; w obu zastosowano przewodnik ujemny z czystej platyny). Ich konstrukcja z metalu szlachetnego zapewnia im stabilność i dokładność, których nie mogą dorównać typy z metali nieszlachetnych, przy znacznie wyższych kosztach.

Zakres temperatur: 0°C do 1600°C (typ R i S). Typ B (30% Rh/Pt / 6% Rh/Pt) rozciąga się do 1700°C.

Mocne strony: Możliwość pracy w wysokich temperaturach do 1600°C; doskonała stabilność kalibracji w podwyższonych temperaturach; wysoka dokładność (tolerancja klasy 1 ±1°C lub 0,25%); nadaje się do stosowania w atmosferze utleniającej i obojętnej; międzynarodowa skala temperatur ITS-90 wykorzystuje Typ S jako jeden z definiujących instrumentów interpolacyjnych w zakresie od 630,74°C do 1064,43°C.

Ograniczenia: Bardzo wysoki koszt (koszt stopu platyny i rodu); niska czułość wyjściowa (około 10 µV/°C przy 1000°C – wymaga czułego oprzyrządowania); podatny na zanieczyszczenia gazami redukującymi i oparami metali (w większości środowisk przemysłowych należy chronić osłonami ceramicznymi lub platynowymi); kruchy — nie można go używać bez zabezpieczenia w środowiskach wstrząsów mechanicznych lub wibracji.

Najlepsze dla: Piece do produkcji szkła; piece ceramiczne; obróbka metali szlachetnych; laboratoryjne wzorce kalibracyjne; dowolny proces wysokotemperaturowy przekraczający możliwości typów metali nieszlachetnych, w którym dokładność pomiaru uzasadnia wyższą cenę.

Tabela porównawcza typów termopar

Konstrukcja termopary: goły drut, izolacja mineralna i typy zmontowane

Oprócz rodzaju stopu, fizyczna konstrukcja zespołu termopary określa jego szybkość reakcji, wytrzymałość mechaniczną i przydatność do różnych środowisk instalacyjnych:

Termopary z gołego drutu są w najprostszej postaci — dwa przewody termopary są przyspawane do końcówki pomiarowej i biegną bez zabezpieczenia lub z podstawową izolacją ceramiczną. Charakteryzują się najszybszą odpowiedzią termiczną (brak masy ochronnej pomiędzy końcówką a mierzonym medium) i znajdują zastosowanie w zastosowaniach, w których szybkość reakcji jest krytyczna, a otoczenie nie wymaga zabezpieczeń mechanicznych – pomiar temperatury strumienia gazu, zastosowania badawcze i monitorowanie procesów krótkotrwałych.

Termopary w izolacji mineralnej w osłonie metalowej (MIMS). (zwane także termoparami MI lub kablami w izolacji mineralnej) składają się z drutów termopary zapakowanych w proszek mineralny z tlenku magnezu (MgO) wewnątrz bezszwowej metalowej osłony (stal nierdzewna, Inconel lub inne stopy). Izolacja MgO zapewnia izolację elektryczną pomiędzy przewodnikami a osłoną, natomiast metalowa osłona zapewnia ochronę mechaniczną i odporność chemiczną. Termopary MIMS to standardowa konstrukcja przemysłowa — są wytrzymałe, odporne na wibracje, dostępne w małych średnicach (OD 1–12 mm) i można je wyginać w celu uzyskania skomplikowanych geometrii instalacyjnych. Dostępne ze złączem pomiarowym uziemionym (przyspawanym do osłony w celu szybszej reakcji), nieuziemionym (odizolowanym od osłony w celu izolacji elektrycznej) lub odsłoniętym (wystającym poza osłonę w celu szybszej reakcji).

Termopary montowane w osłonie termometrycznej włożyć do oddzielnie zainstalowanej osłony termometrycznej (rury z zamkniętym końcem przymocowanej do naczynia procesowego lub rury), zamiast bezpośrednio kontaktować się z mierzonym medium. Osłona termometryczna chroni termoparę przed erozją przepływową, ciśnieniem i atakiem chemicznym oraz umożliwia wyjmowanie i wymianę termopary bez przerywania procesu. Nieco wolniejsza reakcja termiczna niż typy zanurzane bezpośrednio, ale niezbędna w zastosowaniach procesowych wymagających wysokiego ciśnienia i dużej prędkości.

Często zadawane pytania

Czy mogę wymienić termoparę typu K na termoparę typu N bez zmiany czegokolwiek innego?

Termoparę typu K można zastąpić mechanicznie termoparą typu N — fizyczne wymiary termopary mogą być identyczne. Jednakże tabele kalibracyjne dla typu K i typu N są różne (generują różne wartości pola elektromagnetycznego w tej samej temperaturze), co oznacza, że ​​przyrząd temperaturowy podłączony do termopary musi zostać ponownie skonfigurowany dla wejścia typu N, aby wyświetlał prawidłową temperaturę. Jeśli przyrząd jest ustawiony na typ K i podłączona jest termopara typu N, wyświetlana temperatura będzie błędna i zazwyczaj będzie o kilka stopni niższa niż rzeczywista przy wysokich temperaturach. Przy zmianie typu termopary należy zawsze ponownie skonfigurować przyrząd i przedłużacz (w przypadku termopar typu N wymagany jest przedłużacz typu N).

Jaka jest różnica między przewodem termopary a przedłużaczem termopary?

Drut termopary to właściwie stop stosowany na końcówce pomiarowej — musi to być para stopów właściwa dla określonego typu termopary (Chromel/Alumel dla typu K itp.) i musi rozciągać się w sposób ciągły od złącza pomiarowego do złącza odniesienia (zacisk przyrządu) bez wprowadzania pomiędzy nimi złącza z innego metalu. Przedłużacz (zwany także kablem kompensacyjnym w przypadku typów niższej klasy) służy do przesyłania sygnału termopary z głowicy termopary do przyrządu na duże odległości przy niższych kosztach — wykorzystuje stopy wybrane tak, aby ściśle odpowiadały właściwościom termoelektrycznym oryginalnych stopów termopar w zakresie temperatury otoczenia przebiegu okablowania (zwykle 0–200°C). Użycie zwykłego przewodu miedzianego lub niewłaściwego typu przedłużacza pomiędzy termoparą a przyrządem powoduje błąd pomiaru w punkcie połączenia i powoduje nieprawidłowe odczyty temperatury.

Skąd mam wiedzieć, że termopara wymaga wymiany?

Awaria i degradacja termopary mają kilka możliwych do zidentyfikowania wskaźników: nagła awaria obwodu otwartego (przyrząd wyświetla odczyt błędu, zwykle maksymalną skalę lub kod błędu – przewód termopary pękł w skorodowanym lub naprężonym mechanicznie miejscu); stopniowy dryft kalibracyjny (odczyt przyrządu coraz bardziej różni się od pomiaru referencyjnego – skład stopów termopar zmienił się w wyniku utleniania, zanieczyszczenia lub wzrostu ziaren w podwyższonej temperaturze); sporadyczne odczyty, które zmieniają się nieregularnie (częściowe przerwanie przewodu termopary, które powoduje i przerywa kontakt z ruchem — powoduje przeskoki lub oscylacje odczytów przyrządu). Zaplanowana wymiana oparta na zalecanym przez producenta okresie użytkowania dla temperatury instalacji i środowiska, a nie do awarii, zapobiega nieoczekiwanym zakłóceniom kontroli procesu spowodowanym awarią termopary podczas produkcji.

Termopary firmy Xinghua Yading Electric Element grzejny

Xinghua Yading Electric Element grzewczy Co., Ltd. , Xinghua, Jiangsu, produkuje termopary przemysłowe typu K, typu J, typu T, typu E, typu N oraz typu z metali szlachetnych, w izolacji mineralnej (MIMS) i konfiguracjach zmontowanych. Materiały osłonowe obejmują stal nierdzewną 304/316, Inconel 600/601 i inne stopy do zastosowań w wysokich temperaturach i środowiskach korozyjnych. Dostępne są standardowe i niestandardowe konfiguracje końcówek, średnice osłony od 1 mm do 12 mm oraz typy głowic przyłączeniowych. Zespoły termopar do elektrycznych systemów grzewczych, urządzeń do formowania wtryskowego, pieców przemysłowych i kontroli temperatury procesu. Produkcja OEM dla niestandardowych specyfikacji i konfiguracji specyficznych dla aplikacji.

Skontaktuj się z nami, podając zakres temperatur zastosowania, atmosferę procesową, wymaganą klasę dokładności, materiał osłony i konfigurację mechaniczną, aby otrzymać zalecenia i wycenę specyfikacji termopary.

Powiązane produkty: Termopara | Grzałka kasetowa | Grzejnik taśmowy | Grzejnik gorącokanałowy | Grzałka zanurzeniowa