Termopara wytwarza sygnał elektryczny zależny od różnicy temperatur pomiędzy spoiną pomiarową a miejscem odniesienia. Sygnał ten ma wartość rzędu miliwoltów, dlatego rodzaj przewodu, jego polaryzacja, materiał żył oraz sposób wykonania połączeń mają bezpośredni wpływ na wynik pomiaru.

Niewłaściwie dobrany przewód może spowodować dodatkowy błąd, niestabilność wskazań,
a w skrajnym przypadku całkowicie błędną interpretację temperatury procesu. Z tego powodu przewodu łączącego termoparę z urządzeniem pomiarowym nie należy traktować jak zwykłego przewodu elektrycznego.

W praktyce przemysłowej stosuje się przede wszystkim przewody termoparowe, przedłużające i kompensacyjne. Chociaż ich wygląd może być podobny, nie są one rozwiązaniami zamiennymi.

Drut termoparowy, przewód przedłużający i przewód kompensacyjny – czym się różnią?

Drut termoparowy

Drut termoparowy jest wykonany z materiałów odpowiadających danemu typowi termopary. Przykładowo termopara typu K wykorzystuje odpowiednią parę stopów niklu, natomiast termopara typu T – miedź i stop miedzi z niklem.

Z drutów termoparowych wykonuje się właściwą spoinę pomiarową czujnika. Materiał przeznaczony do budowy termopary powinien spełniać wymagania dotyczące charakterystyki siły termoelektrycznej i tolerancji określonych dla danego typu termopary, na przykład klasy 1 lub 2 zgodnie z IEC 60584-1.

Drut termoparowy może również pełnić funkcję przewodu łączącego czujnik z urządzeniem pomiarowym. Rozwiązanie takie bywa jednak kosztowne, szczególnie przy długich trasach kablowych lub termoparach wykonanych z metali szlachetnych.

Przewód termoelektryczny przedłużający

Przewód przedłużający, oznaczany literą X, na przykład KX, JX, TX lub NX, ma żyły wykonane z materiałów o nominalnie takiej samej charakterystyce termoelektrycznej jak odpowiadająca mu termopara.

Jego zadaniem jest przedłużenie obwodu pomiarowego pomiędzy termoparą a miernikiem, regulatorem, rejestratorem lub przetwornikiem temperatury. Przewód KX powinien być więc stosowany z termoparą typu K, przewód JX z termoparą typu J, a TX z termoparą typu T.

Nie oznacza to jednak, że każdy przewód KX lub JX może być wykorzystany do wykonania spoiny pomiarowej. Przewody przedłużające są kwalifikowane w ograniczonym zakresie temperatur i według wymagań dotyczących dodatkowego błędu wprowadzanego do obwodu. Ich tolerancje i oznaczenia określa IEC 60584-3, natomiast wymagania dotyczące właściwych termopar opisuje IEC 60584-1.

Przewód kompensacyjny

Przewód kompensacyjny, oznaczany literą C, jest wykonany z materiałów innych niż materiały właściwej termopary. Stopy jego żył dobiera się jednak w taki sposób, aby w określonym, ograniczonym zakresie temperatur wytwarzały charakterystykę termoelektryczną możliwie zbliżoną do charakterystyki danej termopary.

Przykładem mogą być przewody KCA lub KCB przeznaczone do współpracy z termoparami typu K albo przewody SCA, SCB, RCA i RCB stosowane z termoparami typu S i R.

Przewody kompensacyjne są szczególnie uzasadnione w przypadku termopar z metali szlachetnych. Wykonanie całej wielometrowej trasy z przewodów zawierających platynę i rod byłoby kosztowne, dlatego poza strefą wysokiej temperatury stosuje się znacznie tańszy przewód kompensacyjny.

Warunkiem prawidłowego działania jest jednak zachowanie dopuszczalnego zakresu temperatury przewodu oraz miejsca połączenia termopary z przewodem kompensacyjnym. Przykładowo niektóre przewody kompensacyjne typu KCB mogą być stosowane tylko wtedy, gdy temperatura miejsca połączenia nie przekracza około 100°C.

Zalety i ograniczenia przewodów przedłużających

Do najważniejszych zalet przewodów przedłużających należą:

• zgodność materiałowa z odpowiednim typem termopary,
• ograniczenie dodatkowego błędu na połączeniu termopary z przewodem,
• możliwość uzyskania mniejszych tolerancji niż w przypadku niektórych przewodów kompensacyjnych,
• przydatność w instalacjach wymagających dobrej stabilności i powtarzalności pomiarów.

Ich ograniczeniem jest zazwyczaj wyższa cena. Trzeba również pamiętać, że dopuszczalna temperatura pracy całego przewodu jest ograniczona zarówno charakterystyką materiału żył, jak
i odpornością zastosowanej izolacji.

Przewód przedłużający może mieć żyły wykonane z takich samych składników jak termopara, ale jest przeznaczony głównie do pracy pomiędzy czujnikiem a aparaturą pomiarową, a nie w strefie właściwego pomiaru wysokiej temperatury.

Zalety i ograniczenia przewodów kompensacyjnych

Największą zaletą przewodów kompensacyjnych jest możliwość obniżenia kosztu instalacji, szczególnie przy długich trasach oraz przy termoparach typu R, S i B.

Przewody kompensacyjne:

• są tańsze od przewodów wykonanych z właściwych materiałów termoparowych,
• umożliwiają prowadzenie długich linii pomiarowych,
• są dostępne w różnych wersjach izolacji,
• mogą być ekranowane
• wykonywane są również jako wieloparowe,
• pozwalają dopasować konstrukcję przewodu do warunków przemysłowych.

Ich ograniczeniem jest mniejszy lub bardziej restrykcyjny zakres temperatur pracy. Nieprawidłowe umieszczenie połączenia termopary z przewodem kompensacyjnym, na przykład zbyt blisko pieca, może spowodować dodatkowy błąd pomiaru.

Przewód kompensacyjny nie może być również wykorzystany do wykonania spoiny pomiarowej termopary. Materiały jego żył jedynie odwzorowują charakterystykę odpowiedniej termopary w określonym zakresie temperatur.

Izolacja przewodu a warunki pracy

Wybór pomiędzy przewodem przedłużającym i kompensacyjnym jest tylko jednym z etapów doboru. Równie ważny jest materiał izolacji. Temperatura procesu nie zawsze jest przy tym równa temperaturze, na którą narażony będzie przewód.

Czujnik może mierzyć temperaturę 1000°C, podczas gdy przewód wychodzący z głowicy pracuje w temperaturze 60°C. Z drugiej strony przewód prowadzony w pobliżu pieca, autoklawu lub instalacji kriogenicznej może być narażony na znacznie trudniejsze warunki niż sama aparatura pomiarowa.

PVC

Przewody w izolacji PVC są rozwiązaniem ekonomicznym i powszechnie stosowanym w warunkach przemysłowych. Typowy zakres pracy wynosi około od –30 do +105°C, chociaż ostateczne parametry zawsze zależą od konkretnej konstrukcji i danych producenta.

PVC sprawdza się w szafach sterowniczych, halach produkcyjnych i instalacjach, w których nie występują wysokie temperatury ani szczególnie agresywne substancje chemiczne.

Silikon

Izolacja silikonowa jest elastyczna i zachowuje dobre właściwości w szerokim zakresie temperatur. W zależności od konstrukcji przewody silikonowe mogą pracować od około –40 lub –50°C do +180–200°C.

Jest to dobre rozwiązanie w aplikacjach wymagających elastyczności przewodu, odporności na podwyższoną temperaturę oraz częstego układania lub przemieszczania przewodu.

PFA, FEP i PTFE

Materiały fluoropolimerowe, często określane potocznie jako „teflon”, są stosowane w szerokim zakresie temperatur oraz w środowiskach wymagających odporności chemicznej.

W zależności od rodzaju fluoropolimeru i konstrukcji przewodu zakres może sięgać od temperatur kriogenicznych do około +200–250°C. Przewody PFA są dobierane między innymi do instalacji chemicznych, laboratoryjnych, spożywczych oraz kriogenicznych.

W aplikacjach kriogenicznych nie wystarczy jednak sprawdzić samej temperatury granicznej materiału. Należy również uwzględnić elastyczność przewodu w niskiej temperaturze, sposób uszczelnienia, odporność na cykle temperaturowe oraz zgodność pozostałych elementów, takich jak złącza i przepusty.

Włókno szklane

Izolacja z włókna szklanego jest stosowana w podwyższonych temperaturach. Typowe wykonania mogą pracować do około +400°C, a niektóre konstrukcje, zależnie od impregnacji i oplotu, w jeszcze wyższej temperaturze.

Ograniczeniem włókna szklanego jest mniejsza odporność na wilgoć, zabrudzenia i wielokrotne zginanie. Przewód taki powinien być stosowany przede wszystkim w miejscach suchych i odpowiednio zabezpieczonych mechanicznie.

Włókno ceramiczne

Przewody z izolacją z przędzy lub włókna ceramicznego są przeznaczone do ekstremalnie wysokich temperatur. Wybrane konstrukcje mogą być stosowane nawet do około +1200°C.

Nie oznacza to jednak, że standardowy przewód może być bezpośrednio prowadzony w dowolnej strefie pieca. Trzeba sprawdzić temperaturę dopuszczalną dla żył, oplotu, impregnacji, złączy i całego układu. Izolacje ceramiczne są również mniej odporne mechanicznie i mogą wymagać dodatkowych osłon.

Przekrój żył – czy większy przewód oznacza dokładniejszy pomiar?

W instalacjach termoparowych spotyka się przekroje żył od około 0,22 mm² do 1,5 mm². Większe przekroje są stosowane przede wszystkim przy długich trasach, w instalacjach wymagających większej wytrzymałości mechanicznej albo wtedy, gdy konieczne jest ograniczenie rezystancji pętli.

Większy przekrój przewodu nie poprawia jednak automatycznie charakterystyki termoelektrycznej. Termopara jest źródłem napięciowym, a współczesne urządzenia pomiarowe mają zazwyczaj wysoką rezystancję wejściową. Dlatego o dokładności w pierwszej kolejności decydują:

• zgodność rodzaju przewodu z typem termopary,
• klasa tolerancji przewodu,
• temperatura miejsc połączeń,
• właściwa polaryzacja,
• jednorodność materiału żył,
• jakość zacisków i złączy,
• odporność instalacji na zakłócenia.

Zwiększenie przekroju zmniejsza rezystancję pętli, co może mieć znaczenie przy bardzo długich liniach, w układach kontroli przerwania obwodu oraz w instalacjach szczególnie podatnych na zakłócenia. Nie zastępuje jednak prawidłowego doboru materiału przewodu.

Drut czy linka?

Przewody mogą mieć żyły wykonane jako pojedynczy drut albo jako linka składająca się z wielu cieńszych drucików. Żyła jednodrutowa jest zwykle stosowana w instalacjach stałych. Jest prostsza w zakończeniu, ale gorzej znosi wielokrotne zginanie. Linka jest bardziej elastyczna i lepiej sprawdza się przy czujnikach ruchomych, stanowiskach badawczych, przewodach przyłączeniowych oraz w miejscach narażonych na drgania. Wymaga jednak prawidłowego zakończenia, szczególnie w zaciskach śrubowych.

Ekranowanie i przewody wieloparowe

Przewody termoelektryczne i kompensacyjne mogą być wyposażone w ekran indywidualny, ekran wspólny, metalowy oplot albo pancerz.

Ekranowanie jest szczególnie istotne, gdy przewody termoparowe prowadzone są w pobliżu:

• silników,
• przemienników częstotliwości,
• styczników,
• przewodów zasilających,
• grzałek sterowanych impulsowo,
• urządzeń spawalniczych.

W rozbudowanych instalacjach stosuje się przewody wieloparowe, które umożliwiają przesyłanie sygnałów z kilku lub kilkunastu termopar jednym kablem. Każda para musi jednak odpowiadać właściwemu typowi termopary i być jednoznacznie oznaczona.

Kolory przewodów – dlaczego norma ma znaczenie?

Kolorystyka przewodów termoparowych nie jest wyłącznie kwestią estetyczną. Pozwala rozpoznać typ termopary, polaryzację żył oraz standard, według którego przewód został wykonany.

Według europejskiego systemu IEC 60584-3 żyła ujemna ma zazwyczaj kolor biały, natomiast kolor żyły dodatniej i płaszcza zależy od typu termopary:

• typ K – zielony,
• typ J – czarny,
• typ T – brązowy,
• typ E – fioletowy,
• typ N – różowy,
• typ R i S – pomarańczowy,
• typ B – szary.

W innych systemach, na przykład amerykańskim ANSI/ASTM, kolory mogą być inne. Przykładowo w systemie ANSI żyła ujemna jest często oznaczana kolorem czerwonym, podczas gdy w systemie IEC jest biała.

Dlatego przed podłączeniem przewodu należy ustalić nie tylko jego kolor, lecz także normę zastosowaną przez producenta. Podłączanie termopary wyłącznie „według koloru”, bez sprawdzenia standardu, może prowadzić do odwrócenia polaryzacji lub połączenia niezgodnych materiałów.

Najczęstsze błędy instalacyjne

W praktyce problemy z pomiarem temperatury często wynikają nie z uszkodzenia samej termopary, ale z błędów w instalacji.

Najczęściej spotykane nieprawidłowości to:

1. zastosowanie zwykłego przewodu miedzianego pomiędzy termoparą a urządzeniem pomiarowym;
2. połączenie termopary typu K z przewodem przeznaczonym do typu J, T lub N;
3. pomylenie przewodu przedłużającego z kompensacyjnym;
4. odwrócenie polaryzacji żył;
5. nieuwzględnienie różnic pomiędzy kolorystyką IEC i ANSI;
6. umieszczenie połączenia z przewodem kompensacyjnym w zbyt wysokiej temperaturze;
7. zastosowanie PVC w pobliżu gorącej części instalacji;
8. użycie włókna szklanego w miejscu stale narażonym na wilgoć;
9. prowadzenie nieekranowanego przewodu w pobliżu przewodów zasilających;
10. niekontrolowane łączenie przewodów różnych producentów, klas i partii materiałowych.

 

Jak prawidłowo dobrać przewód?

Przed wyborem przewodu należy określić:

• typ termopary,
• wymaganą dokładność całego toru pomiarowego,
• temperaturę otoczenia na całej długości przewodu,
• temperaturę miejsca połączenia termopary z przewodem,
• obecność wilgoci, olejów, kwasów lub innych substancji chemicznych,
• długość trasy kablowej,
• występowanie zakłóceń elektromagnetycznych,
• wymagania dotyczące elastyczności i odporności mechanicznej,
• liczbę punktów pomiarowych,
• normę kolorystyczną stosowaną w instalacji.

 

Dopiero na tej podstawie można właściwie dobrać rodzaj materiału żył, klasę tolerancji, przekrój, izolację, ekranowanie oraz konstrukcję jedno- lub wieloparową.

Podsumowanie

Przewód jest integralną częścią toru pomiarowego termopary. Jego niewłaściwy dobór może wprowadzić błąd nawet wtedy, gdy sam czujnik i urządzenie pomiarowe są sprawne oraz prawidłowo wzorcowane.

Przewód przedłużający wykorzystuje materiały odpowiadające danemu typowi termopary i jest właściwym wyborem tam, gdzie wymagana jest dobra zgodność charakterystyki termoelektrycznej.

Przewód kompensacyjny wykorzystuje materiały zastępcze i pozwala ograniczyć koszt instalacji, ale musi pracować w ściśle określonym zakresie temperatur.

O poprawności rozwiązania decyduje nie tylko rodzaj przewodu, lecz również jego izolacja, klasa tolerancji, temperatura miejsc połączeń, polaryzacja, ekranowanie i sposób prowadzenia instalacji.

Artykuł opracowany przez inżynierów CZAH-POMIAR na podstawie doświadczeń z projektowania i produkcji przemysłowych czujników temperatury.

Potrzebują Państwo pomocy w doborze przewodu, termopary lub kompletnego toru pomiarowego? Nasi inżynierowie pomagają dobrać rozwiązanie do konkretnej aplikacji – od pojedynczych czujników i przewodów przyłączeniowych po wykonania specjalne projektowane zgodnie z wymaganiami klienta.