Як підібрати обладнання для калібрування термопари
Термопари – один із найпоширеніших і водночас найскладніших у калібруванні типів температурних давачів. Їхні властивості, конструкція, матеріали та вимоги до калібрувального обладнання можуть суттєво відрізнятися залежно від задач та потреб користувача. Зібрали для вас структурований огляд ключових характеристик термопар, особливостей калібрування, типів еталонних зондів і вимог до джерел температури – усе, що допоможе впевнено зорієнтуватися у виборі методики та обладнання.
Зміст
Характеристики термопар
Термопари можуть бути виготовлені практично з будь-якого матеріалу з термоелектричними властивостями. Суміші матеріалів у термопарах підбираються з урахуванням конкретних характеристик і застосувань. Термопара створює зміну вихідної напруги під впливом зміни температури. На відміну від цього, термістори та платинові термометри опору (ПТО) створюють зміну опору, коли чутливий елемент зазнає впливу зміни температури. У таблиці 1 наведені порівняння основних характеристик термопар з термісторами та ПТО.
Порівняльні характеристики термопар, терморезисторів і платинових термометрів опору (ПТО)
| Термопара | Термістор | ПТО |
|---|---|---|
| Діапазон температур: від -200°C до 1700°C* | Діапазон температур: від 0°C до 100°C | Діапазон температур: від -200°C до 1000°C** |
| Похибка залежить від типу термопари та допусків дроту (стандартні або спеціальні обмеження)*** Приблизні діапазони похибки: Тип J: ±2,2°C або ±0,75% від показань (стандартний) Тип S: ±0,6°C або ±0,75% від показань (спеціальний) |
Похибка: від ±0,001°C до ±0,01°C | Похибка: від ±0,006°C до ±0,04°C |
| Стабільна | Дуже стабільний | Дуже стабільний |
| Міцна | Помірно вразливий | Дуже вразливий |
| Низька ціна | Помірна ціна | Висока ціна |
| * Відображає сукупний діапазон температур для поширених типів терморезисторів. Один терморезистор не може використовуватися в усьому зазначеному діапазоні. ** Відображає сукупний діапазон температур звичайних ПТО. Один ПТО не може використовуватися у всьому зазначеному діапазоні. *** Термопари зі стандартними межами похибки виготовляються з дроту стандартного класу, є більш поширеними і дешевшими. Термопари зі спеціальними межами похибки виготовляються з дроту вищого класу, що підвищує їхню точність, однак вони є дорожчими. |
||
Обладнання для калібрування термопар
Калібрування виконується шляхом вимірювання вихідної напруги випробуваної термопари. При цьому вимірювальний (гарячий) спай зазнає впливу джерела температури, а еталонний (холодний) спай утримується при контрольній температурі (зазвичай 0°C). Для цього необхідні такі прилади:
- Еталонний зонд
- Пристрій індикації для еталонного зонда та випробуваної термопари
- Джерело температури еталонного зонда, випробуваної термопари та еталонного спаю термопари
Еталонний зонд
Залежно від необхідної точності, еталонним зондом буде еталонний платиновий термометр опору (ЕПТО), платиновий термометр опору (ПТО) або термопара вищої якості та статусу калібрування порівняно з випробуваною термопарою. Оскільки цей прилад є еталоном для калібрування, його точність і стабільність є важливими.
Еталонні платинові термометри опору (ЕПТО)
На сьогодні ЕПТО є найточнішими та найбільш стабільними еталонними давачами. Зазвичай використовується версія зі скляною оболонкою. Ці прилади є стандартизованими, оскільки на них поширюються вимоги Міжнародної температурної шкали 1990 року (ITS-90), а саме мінімальні вимоги до чистоти платинового дроту та типу конструкції. Це дозволяє уникнути сумнівів щодо придатності приладу для конкретного застосування та забезпечує довіру до його функціонування за умови, що він відкалібрований і використовується правильно. Ці прилади є дуже стабільними та точними, однак вони дорогі та надзвичайно делікатні. Їх слід використовувати лише у випадках, які вимагають високої точності.
Платинові термометри опору (ПТО)
Коли вимоги до точності не є критичними, можна успішно використовувати ПТО. Ці прилади доступні в багатьох конфігураціях. Однак ПТО, які підходять для використання в якості калібрувальних еталонів, зазвичай доступні у вигляді зондів з нержавійної сталі або з оболонкою з легованих жароміцних нікель-хромових сплавів (Inconel). ПТО не такі точні, як ЕПТО, але, як правило, більш міцні та прості у використанні. На відміну від ЕПТО, конструкція ПТО відрізняється від виробника до виробника. Не всі конструкції функціонують на рівні, необхідному для використання в якості еталону. Тому до вибору ПТО слід підходити ретельно, щоб мати впевненість у тому, що вибраний тип підходить для використання в якості калібрувального еталону в діапазоні, який вас цікавить, і з необхідним рівнем точності.
Термопари
Термопари еталонного класу доступні з похибками та стабільністю, що наближаються до рівня ПТО (або навіть ЕПТО) при високих температурах. Цей клас підходить для використання як калібрувальний еталон. Термопари еталонного класу стандартизовані за складом, але не за конструкцією. Обов’язково переконайтеся, що обрана модель функціонуватиме належним чином у необхідному діапазоні температур.
Додаткові фактори
На додаток до вимог до точності, необхідно враховувати й інші характеристики. Наприклад, еталонний спай термопари повинен бути достатньо довгим, щоб забезпечити належне занурення в джерело еталонної температури (зазвичай це крижана ванна). Крім того, деякі поширені матеріали оболонки, що використовуються в термопарах, не можна застосовувати за високих температур. Переконайтеся, що матеріал оболонки сумісний із процесом калібрування, для якого він призначений.
Пристрій індикації
Оскільки термопари генерують вихідну напругу, вимоги до пристрою індикації термопари відрізняються від вимог до пристрою індикації ЕПТО, ПТО або терморезистора. Якщо еталонний зонд також не є термопарою, знадобляться два пристрої індикації. При цьому необхідно враховувати еталонний холодний спай термопари. Більшість пристроїв індикації термопар мають «електронний еталонний спай», який часто називають «компенсацією холодного спаю». Мова йде про додаткову схему, яка вимірює температуру на з'єднанні пристрою індикації термопари при підключенні дроту термопари безпосередньо до пристрою індикації і компенсує ненульову опорну температуру. Цей тип компенсації дуже зручний, але зазвичай не такий точний, як власне крижана ванна або ж так званий нульовий термостат.
Найкращі результати можна отримані за допомогою пристроїв індикації, спеціально призначених для калібрування термопар. Цифрові мультиметри суттєво обмежують гнучкість, як правило, не забезпечуючи економії коштів або підвищення точності.
Вихідна напруга термопари є дуже низькою, тому навіть невелика похибка напруги призводить до значної похибки у визначенні температури. Вимірювання напруги повинні бути надзвичайно точними навіть для калібрування температурних давачів з помірною точністю. Крім цього, при низьких рівнях напруги, які вимірюються під час калібрування термопар, порогова похибка пристрою індикації (межа шуму або межа зсуву нуля) стає дуже значною. Переконайтеся, що пристрій індикації має діапазон напруги (зазвичай до 100 мВ) і похибки, що відповідають вимогам до калібрування термопар.
Розглянемо приклад з застосуванням високоточного 7,5-розрядного цифрового мультиметра для проведення вимірювань на термопарі типу S при температурі 500°C. Наступний приклад показує відносний вплив джерел похибки цифрового мультиметра.
У цьому прикладі похибка, що виникає внаслідок порогового значення цифрового мультиметра, є набагато більшою, ніж похибка, зумовлена точністю діапазону приладу. Ця ситуація є більш вираженою при нижчих температурах і менш вираженою при вищих температурах. Це ілюструє важливість порогової похибки пристрою індикації.
Джерело температури
Найпоширенішими джерелами температури для калібрування термопар є сухі блоки та печі. Якщо потрібна ще вища точність, можна використовувати калібрувальні ванни. Для найнижчих температур (нижче -100°C) потрібний пристрій для порівняння на рідкому азоті (LN2).
При виборі джерела температури слід враховувати стабільність і однорідність, оскільки ці фактори впливають на похибку калібрування термопари:
- Стабільність визначає, наскільки точно джерело температури підтримує задану температуру впродовж заданого проміжку часу.
- Однорідність визначає, наскільки температура є однаковою по всьому джерелу температури.
Термопари з оголеним дротом ніколи не слід занурювати безпосередньо в рідину ванни. Необхідно використовувати захисну трубку. Зонди термопари зазвичай не є масивними, але однаково слід враховувати глибину занурення. Недостатня глибина занурення призводить до помилок калібрування. При підвищених температурах необхідно вжити заходів для уникнення пошкодження еталонного зонда. Крім того, якщо планується використовувати зовнішній еталонний спай, переконайтеся, що вибране джерело температури достатньо ізольоване, щоб зовнішні поверхні не нагрівалися настільки, щоб пошкодити крижану ванну.
Найважливіше – ретельно оцініть вимоги перед вибором джерела температури, щоб переконатися, що прилад відповідатиме вашим потребам.
Обладнання Fluke Calibration, рекомендоване для калібрування термопар
| Еталонні зонди | |||
| Модель | Діапазон | Розміри | Основна похибка* |
| ЕПТО | |||
| 5698-25 | від -200°C до 670°C | кварц, 485 мм × 7 мм |
<0,006°C/100 год. при 670°C |
| Вторинні стандартні ПТО | |||
| 5626 | від -200°C до 661°C | 305 або 381 мм × 6,35 мм (12 або 15" × 0,25") |
±0,007°C при 0°C |
| Вторинні еталонні ПТО | |||
| 5615-9 | від -200°C до 420°C | 229 мм × 4,76 мм (9" × 0,19") |
±0,013°C при 0,010°C |
| 5615-12 | від -200°C до 420°C | 305 мм × 6,35 мм (12" × 0,25") |
±0,013°C при 0,010°C |
| Прецизійні промислові ПТО | |||
| 5627A-9 | від -200°C до 300°C | 229 мм × 4,7 мм (9" × 0,19") |
±0,05°C при 0°C |
| 5627A-12 | від -200°C до 420°C | 305 мм × 6,35 мм (12" × 0,25") |
±0,05°C при 0°C |
| Стандартні термопари типу R і S | |||
| 5649/5650-20 | від 0°C до 1450°C | 508 мм × 6,35 мм (20" × 0,25") |
±0,7°C при 1100°C |
| 5649/5650-25 | від 0°C до 1450°C | 635 мм × 6,35 мм (25" × 0,25") |
±0,7°C при 1100°C |
| Пристрої індикації | |||
| Модель | Типи зондів | Похибка | Особливості |
| 1523 | ПТО, термопари, термістори | ± 0,015°C при 0°C (ПТО) ± 0,24°C при 0°C (термопара типу K) |
Портативний еталонний термометр з живленням від батареї; роз'єм INFO-CON дозволяє зчитувати коефіцієнти без програмування; зберігає 25 показань за запитом; будує графіки трендів |
| 1524 | Портативний еталонний термометр, аналогічний моделі 1523, але з входами для двох термометрів; реєструє до 15 000 показань і зберігає ще 25 за запитом | ||
| 1529 | ± 0,006°C при 0°C (ПТО) ± 0,4°C при 600°C (термопара типу K, вбудований пристрій компенсації холодного спаю (CJC)) |
Можливість одночасного вимірювання 4 каналів; живлення від батареї; реєстрація до 8000 показань; гнучкий дисплей | |
| 1586A з мультиплексором DAQ-STAQ | ± 0,005°C при 0°C (ПТО) ± 0,29°C при 0°C (термопара типу K, вбудований пристрій компенсації холодного спаю (CJC)) |
40 каналів зі швидкістю сканування 10 каналів на секунду; автоматизує калібрування давача при підключенні до джерела температури Fluke Calibration | |
| Джерела температури | |||
| Модель | Діапазон | Похибка | |
| Польові метрологічні колодязі | |||
| 9142 | від -25°C до 150°C | ±0,2°C | |
| 9143 | від 33°C до 350°C | ±0,2°C | |
| 9144 | від 50°C до 660°C | ±0,35°C при 50°C ±0,35°C при 420°C ±0,5°C при 660°C |
|
| Метрологічні колодязі | |||
| 9170 | від -45°C до 140°C | ±0,1°C | |
| 9171 | від -30°C до 155°C | ±0,1°C | |
| 9172 | від 35°C до 425°C | ±0,1°C при 100°C ±0,15°C при 225°C ±0,2°C при 425°C |
|
| 9173 | від 50°C до 700°C | ±0,2°C при 425°C ±0,25 °C при 660°C |
|
| Термопарні печі | |||
| 9150 (вертикальна) | від 150°C до 1200°C | ±5°C | |
| 9118A (горизонтальна) | від 300°C до 1200°C | ±5°C | |
| * Основна похибка включає похибку повірки та короткочасну повторюваність. Вона не включає довгочасовий дрейф. | |||
Підсумки
Калібрування термопар вимагає точного підбору еталонних зондів, уважного ставлення до пристрою індикації та ретельного вибору джерела температури. Розуміння характеристик давачів і обмежень обладнання дозволяє досягати стабільних і відтворюваних результатів. Зрештою, саме поєднання коректної методики та відповідних еталонів забезпечує якість вимірювань, якій можна довіряти – від лабораторій до виробничих потужностей.
