Что такое градуировочная характеристика термопары

Справочник

Градуировочные таблицы для термопар (НСХ)

Стандартная зависимость ТЭДС от температуры (которая в терминологии Российских стандартов называется НСХ) определяется экспериментально по результатам измерений в эталонной лаборатории, полученным для большого количества термопар. При переходе на новую международную шкалу зависимость должна быть пересмотрена. В 1992 г. после принятия шкалы МТШ-90 под руководством института НИСТ (National institute of standards and technology)(США), была проведена большая международная работа по определению функции ТЭДС-температура для эталонных термопар типа S, соответствующей новой международной температурной шкале. Работа проводилась в виде сличений термопар и эталонных высокотемпературных платиновых термометров сопротивления. Результаты, представленные разными странами, анализировались и обобщались. Итогом работы стала новая стандартная функция, принятая в настоящее время в международных и национальных стандартах. Исследование опубликовано в двух статьях:

NEW REFERENCE FUNCTIONS FOR PLATINUM-10% RHODIUM VERSUS PLATINUM (TYPE S) THERMOCOUPLES BASED ON THE ITS-90. PART I: EXPERIMENTAL PROCEDURES, G.W. Burns, G.F. Strouse, B.W. Magnum, M.C. Croarkin, and W.F. Guthrie, National Institute of Standards and Technology, Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, 1992.

NEW REFERENCE FUNCTIONS FOR PLATINUM-10% RHODIUM VERSUS PLATINUM (TYPE S) THERMOCOUPLES BASED ON THE ITS-90. PART II: RESULTS AND DISCUSSION, G.W. Burns, G.F. Strouse, B.W. Magnum, M.C. Croarkin, and W.F. Guthrie, National Institute of Standards and Technology, Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, 1992.

НИСТ явился также главным исполнителем по пересмотру таблиц для других типов термопар. Основополагающим источником, устанавливающим стандартные зависимости для термопар из благородных и неблагородных металлов, считается монография НИСТ:

NIST Monogragh 175 “Temperature-Electromotive Force Reference Functions and Tables for the Letter-Designated Thermocouple Types Based on the ITS-90”

На нашем сайте мы приводим НСХ термопар прямо из базы данных НИСТ:

База данных находится в свободном доступе на сайте НИСТ www.nist.gov

НСХ для хромель-копелевых и медь-копелевых, которые выпускаются только в России, приведены в ГОСТ Р 8.585-2001 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования» (скачать текст (pdf)). В 2013 г. вольфрам-рениевые термопары типов А и С были включены в новую редакцию стандарта МЭК 60584-1. Скачать таблицы НСХ для вольфрам-рениевых термопар>> Подробнее о стандартах МЭК см. раздел «Стандарты МЭК».

Удобная компьютерная программа TermoLab позволяет производить прямой и обратный расчет температуры по ТЭДС термопары для всех типов термопар. Программа аттестована в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». Подробно о программе в разделе «Аттестованное программное обеспечение».

Термопары из чистых металлов

Золото-платиновые и платино-палладиевые термопары являются термопарами повышенной точности и используются в основном в исследовательских лабораториях, а также в системах точного контроля температуры. Для них характерна значительно меньшая термоэлектрическая неоднородность и большая чувствительность по сравнению с платино-родиевыми термопарами. Основой для разработки стандартных функций для термопар стали две публикации НИСТ:

1. Burns G. W., Strouse G. F., Liu B. M., and Mangum B. W., TMCSI, Vol. 6, New York, AIP, 1992, pp. 531-536.

2. Burns G. W., Ripple D. C., Metrologia 1998, 35, pp. 761-780

Приводим таблицы и функции ТЭДС от температуры.

Подробнее о термопарах из чистых металлов см. публикацию Н. П. Моисеевой «Перспективы разработки эталонных термопар из чистых металлов» (Измерительная Техника 2004 г № 9, стр. 46-49)

Дополнительные материалы на сайте о термопарах:

Источник

О термопарах: что это такое, принцип действия, подключение, применение

В автоматизации технологических процессов очень часто приходится снимать показатели о температурных изменениях, для их загрузки в системы управления, с целью дальнейшей обработки. Для этого требуются высокоточные, малоинерционные датчики, способные выдерживать большие температурные нагрузки в определённом диапазоне измерений. В качестве термоэлектрического преобразователя широко используются термопары – дифференциальные устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Устройства также являются простым и удобным датчиком температуры для термоэлектрического термометра, предназначенного для осуществления точных измерений в пределах довольно широких температурных диапазонов. В частности, управляющая автоматика газовых котлов и других отопительных систем срабатывает от электрического сигнала, поступающего от сенсора на базе термопары. Конструкции датчика обеспечивают необходимую точность измерений в выбранном диапазоне температур.

Устройство и принцип действия

Термопара конструктивно состоит из двух проволок, каждая из которых изготовлена из разных сплавов. Концы этих проводников образуют контакт (горячий спай) выполненный путём скручивания, с помощью узкого сварочного шва либо сваркой встык. Свободные концы термопары замыкаются с помощью компенсационных проводов на контакты измерительного прибора или соединяются с автоматическим устройством управления. В точках соединения образуется другой, так называемый, холодный спай. Схематически устройство изображено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема строения термопары

Красным цветом выделено зону горячего спая, синим – холодный спай.

Электроды состоят из разных металлов (металл А и металл В), которые на схеме окрашены в разные цвета. С целью защиты термоэлектродов от агрессивной горячей среды их помещают в герметичную капсулу, заполненную инертным газом или жидкостью. Иногда на электроды надевают керамические бусы, как показано на рис. 2).

Рис. 2. Термопара с керамическими бусами

Принцип действия основан на термоэлектрическом эффекте. При замыкании цепи, например милливольтметром (см. рис. 3) в точках спаек возникает термо-ЭДС. Но если контакты электродов находятся при одинаковой температуре, то эти ЭДС компенсируют друг друга и ток не возникает. Однако, стоит нагреть место горячей спайки горелкой, то согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.

Примечательно, что напряжение на холодных концах электродов пропорционально зависит от температуры в области горячей спайки. Другими словами, в определённом диапазоне температур мы наблюдаем линейную термоэлектрическую характеристику, отображающую зависимость напряжения от величины разности температур между точками горячей и холодной спайки. Строго говоря, о линейности показателей можно говорить лишь в том случае, когда температура в области холодной спайки постоянна. Это следует учитывать при выполнении градуировок термопар. Если на холодных концах электродов температура будет изменяться, то погрешность измерения может оказаться довольно значительной.

В тех случаях, когда необходимо добиться высокой точности показателей, холодные спайки измерительных преобразователей помещают даже в специальные камеры, в которых температурная среда поддерживается на одном уровне специальными электронными устройствами, использующими данные термометра сопротивления (схема показана на рис. 4). При таком подходе можно добиться точности измерений с погрешностью до ± 0,01 °С. Правда, такая высокая точность нужна лишь в немногих технологических процессах. В ряде случаев требования не такие жёсткие и погрешность может быть на порядок ниже.

Рис. 4. Решение вопроса точности показаний термопар

На погрешность влияют не только перепады температуры в среде, окружающей холодную спайку. Точность показаний зависит от типа конструкции, схемы подключения проводников, и некоторых других параметров.

Типы термопар и их характеристики

Различные сплавы, используемые для изготовления термопар, обладают разными коэффициентами термо-ЭДС. В зависимости от того, из каких металлов изготовлены термоэлектроды, различают следующие основные типы термопар:

Технические требования к термопарам задаются параметрами определёнными ГОСТ 6616-94, а их НСХ (номинальные статические характеристики преобразования), оптимальные диапазоны измерений, установленные классы допуска регулируются стандартами МЭК 62460, и определены ГОСТ Р 8.585-2001. Заметим, также, что НСХ в вольфрам-рениевых термопарах отсутствовали в таблицах МЭК до 2008 г. На сегодняшний день указанными стандартами не определены характеристики термопары хромель-копель, но их параметры по прежнему регулируются ГОСТ Р 8.585-2001. Поэтому импортные термопары типа L не являются полным аналогом отечественного изделия ТХК.

Классификацию термодатчиков можно провести и по другим признакам: по типу спаев, количеству чувствительных элементов.

Типы спаев

В зависимости от назначения термодатчика спаи термопар могут иметь различную конфигурацию. Существуют одноэлементные и двухэлементные спаи. Они могут быть как заземлёнными на корпус колбы, так и незаземленными. Понять схемы таких конструкций можно из рисунка 5.

Буквами обозначено:

Заземление на корпус снижает инерционность термопары, что, в свою очередь, повышает быстродействие датчика и увеличивает точность измерений в режиме реального времени.

С целью уменьшения инерционности в некоторых моделях термоэлектрических преобразователей оставляют горячий спай снаружи защитной колбы.

Многоточечные термопары

Часто требуется измерение температуры в различных точках одновременно. Многоточечные термопары решают эту проблему: они фиксируют данные о температуре вдоль оси преобразователя. Такая необходимость возникает в химических и нефтехимических отраслях, где требуется получать информацию о распределении температуры в реакторах, колоннах фракционирования и в других ёмкостях, предназначенных для переработки жидкостей химическим способом.

Многоточечные измерительные преобразователи температуры повышают экономичность, не требуют сложного обслуживания. Количество точек сбора данных может достигать до 60. При этом используется только одна колба и одна точка ввода в установку.

Таблица сравнения термопар

Выше мы рассмотрели типы термоэлектрических преобразователей. У читателя, скорее всего, резонно возник вопрос: Почему так много типов термопар существует?

Дело в том, что заявленная производителем точность измерений возможна только в определённом интервале температур. Именно в этом диапазоне производитель гарантирует линейную характеристику своего изделия. В других диапазонах зависимость напряжения от температуры может быть нелинейной, а это обязательно отобразится на точности. Следует учитывать, что материалы обладают разной степенью плавкости, поэтому для них существует предельное значение рабочих температур.

Для сравнения термопар составлены таблицы, в которых отображены основные параметры измерительных преобразователей. В качестве примера приводим один из вариантов таблицы для сравнения распространённых термопар.

Способы подключения

Каждая новая точка соединения проводов из разнородных металлов образует холодный спай, что может повлиять на точность показаний. Поэтому подключения термопары выполняют, по возможности, проводами из того же материала, что и электроды. Обычно производители поставляют изделия с подсоединёнными компенсационными проводами.

Некоторые измерительные приборы содержат схемы корректировки показаний на основе встроенного термистора. К таким приборам просто подключаются провода, соблюдая их полярность (см. рис. 6).

Рис. 6. Компенсационные провода

Часто используют схему подключения «на разрыв». Измерительный прибор, подключают через проводник того же типа что и клеммы (чаще всего медь). Таким образом, в местах соединения отсутствует холодный спай. Он образуется лишь в одном месте: в точке присоединения провода к электроду термопары. На рисунке 7 показана схема такого подключения.

Рис. 7. Схема подключения на разрыв

При подключении термопары следует как можно ближе размещать измерительные системы, чтобы избежать использования слишком длинных проводов. Во всяком проводе возможны помехи, которые усиливаются с увеличением длины проволоки. Если от радиопомех можно избавиться путём экранирования проводки, то бороться с токами наводки гораздо сложнее.

В некоторых схемах используют компенсирующий терморезистор между контактом измерительного прибора и точкой холодного спая. Поскольку внешняя температура одинаково влияет на резистор и на свободный спай, то данный элемент будет корректировать такие воздействия.

И напоследок: подключив термопару к измерительному прибору, необходимо, пользуясь градуировочными таблицами, выполнить процедуру калибровки.

Применение

Термопары используются везде, где требуется измерение температуры в технологической среде. Они применяются в автоматизированных системах управления в качестве датчиков температуры. Термопары типа ТВР, у которых внушительный диаметр термоэлектрода, незаменимы там, где требуется получать данные о слишком высокой температуре, в частности в металлургии.

Газовые котлы, конвекторы, водонагревательные колонки также оборудованы термоэлектрическими преобразователями.

Преимущества

Недостатки

Недостатками изделий являются факторы:

Благодаря тому, что проблемы связанные с недостатками решаемы, применение термопар более чем оправдано.

Источник

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на зависимости термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), развиваемой термопарой от температуры ее рабочего конца. ТермоЭДС возникает в цепи, составленной из двух разнородных проводников (электродов) А и В (рис. 1, а), если значения температуры мест соединения t и t0 не равны (при равенстве температур термоЭДС равна нулю). Возникающая в цепи термопары ЭДС является результатом действия эффектов Зеебека и Томпсона. Первый связан с появлением ЭДС в месте спая двух разнородных проводников, причем величина ЭДС зависит от температуры спая. Эффект Томпсона связан с возникновением ЭДС в однородном проводнике при наличии разности температур на его концах.

Рис. 1. Цепи термопар :

а — соединение двух проводников; б, в — варианты включения третьего проводника; г, д варианты включения измерительного прибора ИП

• рабочий конец термопары поместить в контролируемую среду, а температуру другого спая (свободных концов) стабилизировать;

• измерить термоЭДС, развиваемую термопарой;

• иметь градуировочную характеристику E(t, t0) термопары — зависимость термоЭДС от температуры рабочего конца (т.е. измеряемой температуры) при определенном значении t0.

Для понимания дальнейшего материала обратимся к «теореме о третьем проводнике». Суть ее (без доказательства) следующая: включение в цепь термопары третьего проводника из любого материала «С» (на всех схемах он изображен волнистой линией) не вызывает искажения термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Поэтому термоЭДС, развиваемые в схемах (рис. 1, б, в), будут одинаковыми, если только будут равны между собой температуры t’ и t», т.е. при соблюдении условия t’ = t». На основании изложенного можно представить два способа включения измерительного прибора (ИП) в цепь термопары: в разрыв свободных концов (рис. 1, г) или в разрыв электрода (рис. 1, д).

Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры.

Теперь обратимся к терминологии. Термопара — это соединение двух разнородных проводников — электродов. Для практического использования термопары ее электроды должны быть изолированы и помещены в защитную арматуру. Такая конструкция называется термоэлектрическим преобразователем. По определению « термоэлектрический преобразователь » (ТЭП) — это термопреобразователь, действие которого основано на зависимости термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Термопара является основным элементом средств измерения температуры — термоэлектрических преобразователей (ТЭП).

В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в табл. 1 приведены пределы длительного (кратковременного) применения для различных термопар ТЭП, имеющих следующие обозначения:

ТВР (А) — вольфрамрений-вольфрамрениевые;

ТПР (В) — платинородий-платинородиевые;

ТПП (S, R) — платинородий платиновые;

ТХА (К) — хромель-алюмелевые;

TXK (L) — хромель-копелевые;

ТХК (Е) — хромель-константановые;

THH (N) — никросил-нисиловые;

ТМК (T) — медь-константановые;

ТЖК (J) — железо-константановые.

Подгруппа ТЭП (термопары)

Условное обозначение НСХ

Диапазон длительного (кратковременного) применения, °С

Коэффициент преобразования мВ/°С * 10 3

Зависимость развиваемой термопреобразователем термоЭДС от температуры рабочего спая t при нулевой температуре свободных концов t0 = 0 °С (т.е. E(t,0) = f(t)) называется номинальной статической характеристикой преобразования (НСХ). Она задается в виде таблиц (градуировочных) или формул и обозначается условным символом в русском и международном обозначении.

В соответствии с ГОСТ Р50431-92 в настоящее время для обозначения НСХ должны использоваться только латинские буквы (приведены в скобках).

В обозначениях преобразователей первым указывается положительный электрод (например, у преобразователя термопары ТХК положительный электрод — хромелевый, отрицательный — копелевый). На условных графических изображениях положительный электрод обозначается тонкой линией, отрицательный — толстой. При небольших диаметрах электродов верхний предел измерения может быть уменьшен. Термопреобразователь (термопара) ТПР (В) не развивает термоЭДС, если температура рабочего спая не превышает 300 °С (при температуре свободных концов 0 °С). Зависимости термоЭДС от температуры для термопар нелинейны, поэтому в пределах диапазона применения изменяется их коэффициент преобразования (чувствительность). В табл. 1 приведены округленные значения чувствительности в начале и конце диапазона применения.

Существуют другие разновидности термопреобразователей, статические характеристики которых могут быть не стандартизованы: например, сплав молибдена с рением MP 5/20, термопары на основе неметаллических материалов — графита и тугоплавких соединений (карбидов, нитридов и т.п.)

В табл. 2 и на рис. 2, а приведены статические характеристики термопар ХА, ХК, ПП. Из графиков видно, что наибольшую термоЭДС развивает термопара ХК, наименьшую (из этих трех) термопара ПП. Поэтому при невысоких температурах целесообразнее использовать термопреобразователи типа ТХК.

Номинальные статические характеристики термоэлектрических преобразователей (термопар)

Рис. 2. Номинальные статические характеристики преобразователей (я), схема изготовления рабочего спая (б) и способы измерения температуры пластины (в)

Коэффициентом преобразования (чувствительностью) термопары называется отношение изменения термоЭДС, вызванной изменением температуры рабочего конца к значению этого изменения S = ΔE/Δt (мВ/град) при небольших значениях Δt.

Вернемся к «теореме о третьем проводнике» — включение в цепь термопары «АВ» третьего проводника «С» из любого материала не вызовет искажений термоЭДС, если температуры мест присоединения этого проводника одинаковы. Из этой теоремы вытекает ряд важных практических положений. Рабочий спай термопары может быть образован сваркой любым материалом, если только температура во всех точках сварного слоя будет одинаковой (рис. 2, б).

Пределы допускаемых отклонений для температуры t

Подгруппа ТП термопар

Диапазон измеряемых температур, °С

Метран 281 выход 4. 20 мА, HART протокол

0,75 % по аналоговому сигналу 0,5 % по цифро­вому (приведенные)

Теорема о третьем проводнике имеет ряд практических выводов (рис. 2, в). Температуру массивного металлического бруска можно измерить по схеме 1 — прикрепив к металлу каждый электрод в отдельности, если температура во всех точках поверхности бруска одинакова, или по схеме 2 — прикрепив к металлу рабочий спай термопары.

ТермоЭДС термопары E(t, t0) зависит от температуры рабочего t и свободных t0 концов термопреобразователя. Поэтому, чтобы отградуировать шкалу вторичного прибора в единицах температуры, не-обходимо задаться каким-то определенным значением t0. Например, для автоматических потенциометров задаются расчетным значением t0 = 20 °С, для милливольтметров t0 = 0 °С. Номинальные статические характеристики задаются при t0 = 0 °С, поэтому в дальнейшем примем в качестве исходной t0 = 0 °С. Что делать, если реальное значение t0 отличается от нуля? Предположим t0 > 0 °С. Существует общая формула учета зависимости термоЭДС от значения t0:

E(t, t0) = E(t, 0) – E(t0, 0), т.е. при t0 > 0 °C термоЭДС термопары уменьшается на значение, равное значению термоЭДС, которое развивает термопара при температуре рабочих концов t0 и температуре свободных концов 0 °С.

Таким образом, если при известном значении t0, известна (например, измеряется прибором) развиваемая термопарой термоЭДС E(t, t0), то порядок использования номинальной статической характеристики для определения значения t следующий (рис. 3, а):

• находится значение E(t0, 0) (по нижней штриховой линии);

• прибавить к E(t0, 0) измеренное значение E(t, t0);

• суммарная ордината соответствует E(t, 0), по которой можно определить t (верхняя штриховая линия).

Каким образом практически вводится поправка на отличие температуры свободных концов от нуля? Если значение t0 постоянно, то такую поправку можно ввести простым смещением указателя вторичного прибора. Но в реальных условиях (0 — это температура концов термопары, находящихся вне контролируемого объекта, при температуре окружающей среды, которая изменяется. В таком случае поправка вводится автоматическим устройством, выполненным либо в виде отдельного блока, либо встроенным в измерительную схему прибора. Чтобы измерять температуры свободных концов автоматические компенсаторы содержат термочувствительный элемент, температура которого равна t0. Для обеспечения этого компенсатор располагается рядом со свободными концами термопреобразователя.

Теперь представим ситуацию: температура в трубе измеряется термопреобразователем длиной 1 м (т.е. длина электродов термопары 1 м), причем головка термопреобразователя (и концы электродов термопары) имеет температуру 60 °С. Компенсатор встроен во вторичный прибор, где температура 20 °С. В данном случае компенсатор вырабатывает напряжение U = E(20) (поскольку его термочувствительный элемент имеет температуру 20 °С), а поправку нужно вводить на 60 °С, т.е. иметь U = E(60). Что делать? В этом случае термопреобразователь необходимо подключать к компенсатору специальными проводами, называемыми термоэлектродными удлиняющими проводами (ТЭ-проводами). По своим свойствам ТЭ-провода должны быть термоидентичными удлиняемым электродам, т.е. каждый электрод должен удлиняться своим проводом.

Таким образом, подключение к термоэлектрическому преобразователю (термопаре) удлиняющих проводов аналогично удлинению электродов, т.е. концы ТЭ-проводов становятся свободными, и их температура — той температурой t0 свободных концов, которая определяет действующую в цепи ЭДС E(t, t0).

Если к электродам подключены два одинаковых монтажных провода, то температурой свободных концов будет температура концов электродов термопары. Например, если на участке I (рис. 3, б) проложить удлиняющие провода, то температура свободных концов будет равной 40 °С, если на участке I будут проложены два одинаковых монтажных провода, то температура свободных концов будет равной 30 °С.

Рис. 3. График введения поправки на изменение температуры свободных концов (а) и схемы цепи термопары (б)

При использовании удлиняющих проводов очень важно соблюдать правило подключения (полярность подключения). Например, нельзя хромелевый электрод удлинять константановым, а алюмелевый медным.

Рис. 4. Характеристики термоэлектродных удлиняющих проводов

Из-за неполного совпадения градуировочных характеристик термопары и удлиняющих ее проводов возникает дополнительная погрешность (табл. 4). Эту погрешность следует учитывать при оценке общей погрешности измерения температуры.?

Источник