Как подобрать оборудование для калибровки термопары
Термопары – один из самых распространенных и одновременно самых сложных в калибровке типов температурных датчиков. Их свойства, конструкция, материалы и требования к калибровочному оборудованию могут существенно отличаться в зависимости от задач и потребностей пользователя. Мы собрали для вас структурированный обзор ключевых характеристик термопар, особенностей калибровки, типов эталонных зондов и требований к источникам температуры – все, что поможет уверенно сориентироваться в выборе методики и оборудования.
Содержание
Характеристики термопар
Термопары могут быть изготовлены практически из любого материала с термоэлектрическими свойствами. Смеси материалов в термопарах подбираются с учетом конкретных характеристик и применений. Термопара создает изменение выходного напряжения под воздействием изменения температуры. В отличие от этого, термисторы и платиновые термометры сопротивления (ПТС) создают изменение сопротивления, когда чувствительный элемент подвергается воздействию изменения температуры. В таблице 1 приведены сравнения основных характеристик термопар с термисторами и ПТС.
Сравнительные характеристики термопар, терморезисторов и платиновых термометров сопротивления (ПТС)
| Термопара | Термистор | ПТС |
|---|---|---|
| Диапазон температур: от -200°C до 1700°C* | Диапазон температур: от 0°C до 100°C | Диапазон температур: от -200°C до 1000°C** |
| Погрешность зависит от типа термопары и допусков проволоки (стандартные или специальные ограничения)*** Примерные диапазоны погрешности: Тип J: ±2,2°C или ±0,75% от показаний (стандартный) Тип S: ±0,6°C или ±0,75% от показаний (специальный) |
Погрешность: от ±0,001°C до ±0,01°C | Погрешность: от ±0,006°C до ±0,04°C |
| Стабильная | Очень стабильный | Очень стабильный |
| Прочная | Умеренно уязвимый | Очень уязвимый |
| Низкая цена | Умеренная цена | Высокая цена |
| * Отображает совокупный диапазон температур для распространенных типов терморезисторов. Один терморезистор не может использоваться во всем указанном диапазоне. ** Отображает совокупный диапазон температур обычных ПТС. Один ПТС не может использоваться во всем указанном диапазоне. *** Термопары со стандартными пределами погрешности изготавливаются из проволоки стандартного класса, являются более распространенными и дешевыми. Термопары со специальными пределами погрешности изготавливаются из проволоки более высокого класса, что повышает их точность, однако они являются более дорогостоящими. |
||
Оборудование для калибровки термопар
Калибровка выполняется путем измерения выходного напряжения испытуемой термопары. При этом измерительный (горячий) спай подвергается воздействию источника температуры, а эталонный (холодный) спай удерживается при контрольной температуре (обычно 0°C). Для этого необходимы следующие приборы:
- Эталонный зонд
- Устройство индикации для эталонного зонда и испытываемой термопары
- Источник температуры эталонного зонда, испытуемой термопары и эталонного спая термопары
Эталонный зонд
В зависимости от требуемой точности, эталонным зондом будет эталонный платиновый термометр сопротивления (ЭПТС), платиновый термометр сопротивления (ПТС) или термопара более высокого качества и статуса калибровки по сравнению с испытуемой термопарой. Поскольку этот прибор является эталоном для калибровки, его точность и стабильность имеют крайне важное значение.
Эталонные платиновые термометры сопротивления (ЭПТС)
На сегодняшний день ЭПТС являются самыми точными и стабильными эталонными датчиками. Обычно используется версия со стеклянной оболочкой. Эти приборы являются стандартизированными, поскольку на них распространяются требования Международной температурной шкалы 1990 года (ITS-90), а именно минимальные требования к чистоте платиновой проволоки и типу конструкции. Это позволяет избежать сомнений относительно пригодности прибора для конкретного применения и обеспечивает доверие к его функционированию при условии, что он откалиброван и используется надлежащим образом. Эти приборы являются очень стабильными и точными, однако они дорогие и чрезвычайно деликатные. Их следует использовать только в случаях, требующих высокой точности.
Платиновые термометры сопротивления (ПТС)
Когда требования к точности не являются критическими, можно успешно использовать ПТС. Эти приборы доступны во многих конфигурациях. Однако ПТС, которые подходят для использования в качестве калибровочных эталонов, обычно доступны в виде зондов из нержавеющей стали или с оболочкой из легированных жаропрочных никель-хромовых сплавов (Inconel). ПТС не так точны, как ЭПТС, однако, как правило, более прочные и простые в использовании. В отличие от ЭПТС, конструкция ПТС отличается от производителя к производителю. Не все конструкции функционируют на уровне, необходимом для использования в качестве эталона. Поэтому к выбору ПТС следует подходить особо тщательно, чтобы иметь уверенность в том, что выбранный тип подходит для использования в качестве калибровочного эталона в интересующем вас диапазоне и с необходимым уровнем точности.
Термопары
Термопары эталонного класса доступны с погрешностями и стабильностью, приближающимися при высоких температурах к уровню ПТС (или даже ЭПТС). Этот класс подходит для использования в качестве калибровочного эталона. Термопары эталонного класса стандартизированы по составу, но не по конструкции. Обязательно убедитесь, что выбранная модель будет функционировать надлежащим образом в необходимом диапазоне температур.
Дополнительные аспекты
В дополнение к требованиям к точности необходимо учитывать и другие характеристики. Например, эталонный спай термопары должен быть достаточно длинным, чтобы обеспечить надлежащее погружение в источник эталонной температуры (обычно это ледяная баня). Кроме того, некоторые распространенные материалы оболочки, используемые в термопарах, нельзя применять при высоких температурах. Убедитесь, что материал оболочки совместим с процессом калибровки, для которого он предназначен.
Устройство индикации
Поскольку термопары генерируют выходное напряжение, требования к устройству индикации термопары отличаются от требований к устройству индикации ЭПТС, ПТС или терморезистора. Если эталонный зонд также не является термопарой, понадобятся два устройства индикации. При этом необходимо учитывать эталонный холодный спай термопары. Большинство устройств индикации термопар имеют «электронный эталонный спай», который часто называют «компенсацией холодного спая». Речь идет о дополнительной схеме, которая измеряет температуру на соединении устройства индикации термопары при подключении провода термопары непосредственно к устройству индикации и компенсирует ненулевую опорную температуру. Этот тип компенсации очень удобен, но обычно не так точен, как собственно ледяная баня или так называемый нулевой термостат.
Наилучшие результаты можно получить с помощью устройств индикации, специально предназначенных для калибровки термопар. Цифровые мультиметры существенно ограничивают гибкость, как правило, не обеспечивая экономии средств или повышения точности.
Выходное напряжение термопары очень низкое, поэтому даже небольшая погрешность напряжения приводит к значительной погрешности в определении температуры. Измерения напряжения должны быть чрезвычайно точными даже для калибровки температурных датчиков с умеренной точностью. Кроме того, при низких уровнях напряжения, которые измеряются во время калибровки термопар, пороговая погрешность устройства индикации (предел шума или предел смещения нуля) становится очень значительной. Убедитесь, что устройство индикации имеет диапазон напряжения (обычно до 100 мВ) и погрешности, соответствующий требованиям к калибровке термопар.
Рассмотрим пример с применением высокоточного 7,5-разрядного цифрового мультиметра для проведения измерений на термопаре типа S при температуре 500°C. Следующий пример показывает относительное влияние источников погрешности цифрового мультиметра.
В этом примере погрешность, возникающая вследствие порогового значения цифрового мультиметра, намного больше, чем погрешность, обусловленная точностью диапазона прибора. Эта ситуация более выражена при низких температурах и менее выражена при высоких температурах. Это иллюстрирует важность пороговой погрешности устройства индикации.
Источник температуры
Наиболее распространенными источниками температуры для калибровки термопар являются сухие блоки и печи. Если требуется еще более высокая точность, можно использовать калибровочные ванны. Для самых низких температур (ниже -100 °C) требуется устройство сравнения на жидком азоте (LN2).
При выборе источника температуры следует учитывать стабильность и однородность, поскольку эти факторы влияют на погрешность калибровки термопары:
- Стабильность определяет, насколько точно источник температуры поддерживает заданную температуру в течение заданного промежутка времени.
- Однородность определяет, насколько температура одинакова по всему источнику температуры.
Термопары с оголенной проводкой никогда не следует погружать непосредственно в жидкость бани. Необходимо использовать защитную трубку. Зонды термопары обычно не являются массивными, но все равно следует учитывать глубину погружения. Недостаточная глубина погружения приводит к ошибкам калибровки. При повышенных температурах необходимо принять меры для предотвращения повреждения эталонного зонда. Кроме того, если планируется использовать внешний эталонный спай, убедитесь, что выбранный источник температуры достаточно изолирован, чтобы внешние поверхности не нагревались настолько, чтобы повредить ледяную баню.
Самое важное – тщательно оцените требования перед выбором источника температуры, чтобы убедиться, что прибор будет соответствовать вашим потребностям.
Оборудование Fluke Calibration, рекомендованное для калибровки термопар
| Эталонные зонды | |||
| Модель | Диапазон | Размеры | Основная погрешность* |
| ЭПТС | |||
| 5698-25 | от -200°C до 670°C | кварц, 485 мм × 7 мм |
<0,006°C/100 ч при 670°C |
| Вторичные стандартные ПТС | |||
| 5626 | от -200°C до 661°C | 305 или 381 мм × 6,35 мм (12 или 15" × 0,25") |
±0,007°C при 0°C |
| Вторичные эталонные ПТС | |||
| 5615-9 | от -200°C до 420°C | 229 мм × 4,76 мм (9" × 0,19") |
±0,013°C при 0,010°C |
| 5615-12 | от -200°C до 420°C | 305 мм × 6,35 мм (12" × 0,25") |
±0,013°C при 0,010°C |
| Прецизионные промышленные ПТС | |||
| 5627A-9 | от -200°C до 300°C | 229 мм × 4,7 мм (9" × 0,19") |
±0,05°C при 0°C |
| 5627A-12 | от -200°C до 420°C | 305 мм × 6,35 мм (12" × 0,25") |
±0,05°C при 0°C |
| Стандартные термопары типа R и S | |||
| 5649/5650-20 | от 0°C до 1450°C | 508 мм × 6,35 мм (20" × 0,25") |
±0,7°C при 1100°C |
| 5649/5650-25 | от 0°C до 1450°C | 635 мм × 6,35 мм (25" × 0,25") |
±0,7°C при 1100°C |
| Устройства индикации | |||
| Модель | Типы зондов | Погрешность | Особенности |
| 1523 | ПТС, термопары, термисторы | ± 0,015°C при 0°C (ПТО) ± 0,24°C при 0°C (термопара типа K) |
Портативный эталонный термометр с питанием от батареи; разъем INFO-CON позволяет считывать коэффициенты без программирования; сохраняет 25 показаний по запросу; строит графики трендов |
| 1524 | Портативный эталонный термометр, аналогичный модели 1523, но с входами для двух термометров; регистрирует до 15 000 показаний и сохраняет еще 25 по запросу | ||
| 1529 | ± 0,006°C при 0°C (ПТО) ± 0,4°C при 600°C (термопара типа K, встроенное устройство компенсации холодного спая (CJC)) |
Возможность одновременного измерения 4 каналов; питание от батареи; регистрация до 8000 показаний; гибкий дисплей | |
| 1586A с мультиплексором DAQ-STAQ | ± 0,005°C при 0°C (ПТО) ± 0,29°C при 0°C (термопара типа K, встроенное устройство компенсации холодного спая (CJC)) |
40 каналов со скоростью сканирования 10 каналов в секунду; автоматизирует калибровку датчика при подключении к источнику температуры Fluke Calibration | |
| Источники температуры | |||
| Модель | Диапазон | Погрешность | |
| Полевые метрологические колодцы | |||
| 9142 | от -25°C до 150°C | ±0,2°C | |
| 9143 | от 33°C до 350°C | ±0,2°C | |
| 9144 | от 50°C до 660°C | ±0,35°C при 50°C ±0,35°C при 420°C ±0,5°C при 660°C |
|
| Метрологические колодцы | |||
| 9170 | от -45°C до 140°C | ±0,1°C | |
| 9171 | от -30°C до 155°C | ±0,1°C | |
| 9172 | от 35°C до 425°C | ±0,1°C при 100°C ±0,15°C при 225°C ±0,2°C при 425°C |
|
| 9173 | от 50°C до 700°C | ±0,2°C при 425°C ±0,25 °C при 660°C |
|
| Термопарные печи | |||
| 9150 (вертикальная) | от 150°C до 1200°C | ±5°C | |
| 9118A (горизонтальная) | от 300°C до 1200°C | ±5°C | |
| * Основная погрешность включает погрешность поверки и кратковременную повторяемость. Она не включает долгосрочный дрейф. | |||
Итоги
Калибровка термопар требует точного подбора эталонных зондов, внимательного отношения к устройству индикации и тщательного выбора источника температуры. Понимание характеристик датчиков и ограничений оборудования позволяет достигать стабильных и воспроизводимых результатов. В конечном итоге, именно сочетание корректной методики и соответствующих эталонов обеспечивает качество измерений, которому можно доверять – от лабораторий до производственных мощностей.
