Typy termopar K, J, T i N — czym się różnią i którą wybrać do swojego pomiaru

Typ termopary określa parę różnych stopów metali oraz przypisaną im zależność napięcia od temperatury. Tor utworzony z tych stopów wytwarza bardzo małe napięcie pod wpływem różnicy temperatur między złączem pomiarowym i odniesieniem. Miernik przelicza sygnał właściwą funkcją i uwzględnia temperaturę wejścia.

Litera nie mówi natomiast, czy sonda jest wbijana, powierzchniowa, zanurzeniowa albo przeznaczona do pieca. Ten sam typ może występować w wielu osłonach i średnicach. Dlatego dwa czujniki K mogą mieć zupełnie inne dopuszczalne temperatury, czasy odpowiedzi i odporność na środowisko.

Podstawowa różnica leży w materiałach żył, a z niej wynikają odmienne funkcje napięcie–temperatura i przydatność środowiskowa. Poniższe granice pochodzą z funkcji odniesienia międzynarodowej skali temperatury z 1990 roku (ITS-90); nie są zakresem gwarantowanym dla dowolnej sondy handlowej.

Każdy typ starzeje się też inaczej. Typ K w atmosferze ubogiej w tlen podlega selektywnemu utlenianiu chromu, zwanemu zieloną zgnilizną, które trwale przesuwa charakterystykę. Żelazna żyła typu J koroduje w wilgoci i w atmosferze siarkowej. Typ N powstał właśnie po to, aby ograniczyć dryf typu K przy długiej pracy w wysokiej temperaturze. Żadne z tych zjawisk nie objawia się awarią — wskazanie nadal wygląda sensownie, tylko przestaje być prawdziwe.

Wybór warto zacząć od procesu, nie od samego zakresu w tabeli. Określ temperaturę roboczą i możliwe przekroczenia, atmosferę, sposób kontaktu oraz wymaganą szybkość. Dopiero potem dobierz typ, konstrukcję sondy i miernik jako jeden zgodny zestaw.

1. 1

   Zdefiniuj zakres procesu

   Zapisz temperaturę normalną, spodziewane minima i maksima oraz możliwe krótkie przekroczenia przy rozruchu lub awarii.

2. 2

   Opisz atmosferę

   Uwzględnij powietrze, wilgoć, gazy, próżnię, środki chemiczne i ciśnienie. Materiały żył oraz osłony różnie zachowują się w tych warunkach.

3. 3

   Dobierz konstrukcję

   Wybierz średnicę, długość, osłonę, izolację i rodzaj końcówki do powierzchni, cieczy, gazu albo wnętrza produktu.

4. 4

   Sprawdź wspólny zakres

   Porównaj limity czujnika, osłony, izolacji, przewodu, złącza i przyrządu. Użyj wyłącznie wspólnej części zakresów wszystkich elementów.

5. 5

   Dopasuj tor elektryczny

   Potwierdź typ wejścia, ustawienie miernika, polaryzację, złącza oraz każdy przewód pomiędzy sondą i przyrządem.

6. 6

   Zaplanuj sprawdzenie zestawu

   Dla ważnego procesu zweryfikuj kompletny tor w punktach odpowiadających pracy, zamiast oceniać osobno tylko miernik albo sam drut.

Jeśli priorytetem jest dokładność w węższym przedziale, porównaj termoparę z czujnikiem rezystancyjnym Pt100 i termistorem. Szeroki zakres nie jest automatycznie lepszy, gdy proces wymaga przede wszystkim małej niepewności i dobrej stabilności.

Nie, chyba że przyrząd jawnie obsługuje oba typy i zostanie prawidłowo przełączony. Termopary J i K wytwarzają inne napięcie dla tej samej temperatury. Nawet gdy wtyk fizycznie pasuje, pozostawienie ustawienia J dla sondy K lub odwrotnie daje błędne przeliczenie.

Jeżeli trzeba zwiększyć odległość między sondą i miernikiem, nie zastępuj przewodu dowolną żyłą miedzianą. Dobór przewodu przedłużającego lub kompensacyjnego i miejsca złączy opisuje osobny poradnik: jak prawidłowo przedłużyć przewód termopary.

Kolor pomaga tylko po ustaleniu systemu oznaczeń. W systemie Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) typy K, J, T i N mają odpowiednio barwy zieloną, czarną, brązową i różową, a żyła ujemna jest biała. Amerykański system oznaczeń stosuje inne zestawienie.

O wyniku nie decyduje jedna liczba z karty miernika ani sama klasa drutu. Każdy element dodaje ograniczenia: czujnik może zmieniać właściwości w czasie, złącza tworzą dodatkowe przejścia, a kompensacja temperatury odniesienia i sposób kontaktu wpływają na końcowy odczyt.

Tolerancje typów definiuje PN-EN 60584-1. Dla typu K klasa 1 to ±1,5 °C albo 0,004·|t| (większa z tych wartości) w zakresie od −40 do +1000 °C, a klasa 2 — ±2,5 °C albo 0,0075·|t| do +1200 °C. Typ T klasy 1 mieści się w ±0,5 °C do +125 °C, a typ J klasy 1 w ±1,5 °C do +375 °C. To jedyne liczby, które pozwalają porównać termopary między sobą oraz z czujnikiem Pt100, mającym w klasie A tolerancję ±(0,15 + 0,002·|t|) °C.

Tolerancje samych czujników omawia poradnik o klasach dokładności sond temperatury. Szybkość nie wynika natomiast z litery K, J, T czy N; zależy głównie od konstrukcji i warunków, co wyjaśnia poradnik o czasie odpowiedzi sondy T90.

Warto pamiętać o proporcjach: nawet starannie wykonany tor termoparowy jest zwykle wyraźnie mniej dokładny niż tor z czujnikiem Pt100, ponieważ do tolerancji drutu dochodzi błąd kompensacji złącza odniesienia w mierniku. Termoparę wybiera się za zakres, szybkość i odporność, a nie za ułamki stopnia.

Typ bywa wybierany wyłącznie według górnej temperatury z tabeli, z pominięciem konstrukcji sondy i zgodności toru. Druga grupa błędów pojawia się podczas podłączania: kolor zostaje odczytany w złym systemie, polaryzacja odwrócona albo miernik pozostaje na poprzednim ustawieniu.

• Traktowanie 1372 °C jako dopuszczalnej temperatury każdej sondy K — to górna granica funkcji odniesienia, nie każdej osłony i izolacji.
• Dobieranie typu bez oceny atmosfery — skład żył, osłony i izolacji musi pasować do procesu, nie tylko do temperatury.
• Podłączenie sondy J do miernika ustawionego na K — przyrząd zwykle pokaże liczbę, ale przeliczy ją niewłaściwie.
• Rozpoznawanie typu tylko po kolorze — barwy IEC i amerykańskiego systemu różnią się, a stare przewody mogą być zabrudzone lub naprawiane.
• Odwrócenie polaryzacji — reakcja odczytu może mieć nieprawidłowy kierunek albo dawać pozornie przesunięte wyniki.
• Przedłużenie przypadkowym przewodem — nowe połączenia materiałowe mogą wprowadzić błąd zależny od temperatury złączy.
• Przenoszenie tolerancji drutu na cały zestaw — miernik, złącza, konstrukcja i metoda również wpływają na wynik.
• Zakładanie, że typ o szerszej tabeli jest zawsze dokładniejszy — zakres funkcji nie jest miarą dokładności całego pomiaru.

Poniższe przyrządy to przykłady doboru do zadania opisanego w tym poradniku. Przed zamówieniem potwierdź zakres, sondę, dokładność, warunki pracy i wymagane dokumenty dla swojego procesu.