Какие основные факторы влияют на точность измерений термопарой. Как правильно выбрать и подключить термопару. Каковы типичные ошибки при использовании термопар. Как минимизировать погрешность измерений термопарой.
Принцип работы термопары и источники погрешностей
Термопара представляет собой датчик температуры, состоящий из двух проводников из разнородных металлов, соединенных на одном конце. Принцип ее работы основан на эффекте Зеебека — возникновении термоЭДС при нагреве места соединения проводников. Величина термоЭДС зависит от разности температур между горячим и холодным спаями термопары.
Основные источники погрешностей при измерении температуры термопарой:
- Неоднородность материала термоэлектродов
- Нестабильность характеристик при длительной эксплуатации
- Погрешность компенсации температуры холодного спая
- Ошибки при подключении и монтаже
- Влияние электромагнитных помех
Выбор типа термопары для конкретной задачи
Существует несколько стандартных типов термопар, отличающихся материалами термоэлектродов, диапазоном измерений и чувствительностью. Наиболее распространены следующие типы:
- Тип K (хромель-алюмель): -200…+1300°C
- Тип J (железо-константан): -40…+750°C
- Тип T (медь-константан): -200…+350°C
- Тип E (хромель-константан): -200…+900°C
- Тип N (нихросил-нисил): -270…+1300°C
При выборе типа термопары следует учитывать:
- Требуемый диапазон измерений
- Необходимую точность
- Условия эксплуатации (агрессивные среды, вибрации)
- Стоимость
Правильное подключение и монтаж термопары
Для минимизации погрешностей при использовании термопар необходимо соблюдать следующие правила монтажа и подключения:
- Использовать удлинительные и компенсационные провода, соответствующие типу термопары
- Соблюдать полярность подключения термоэлектродов
- Обеспечить надежный тепловой контакт рабочего спая с измеряемым объектом
- Изолировать термоэлектроды друг от друга и от посторонних металлических поверхностей
- Защитить термопару от механических и химических воздействий
Компенсация температуры холодного спая
Для точного измерения абсолютной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. Существует несколько способов компенсации:
- Помещение холодного спая в среду с постоянной температурой (например, тающий лед)
- Использование встроенного датчика температуры в измерительном приборе
- Программная компенсация в цифровых системах
Выбор метода компенсации зависит от требуемой точности и условий эксплуатации измерительной системы.
Калибровка и поверка термопар
Для обеспечения точности измерений термопары необходимо периодически проводить их калибровку и поверку. Основные этапы процедуры калибровки:
- Определение фактической градуировочной характеристики термопары
- Сравнение с номинальной статической характеристикой
- Расчет поправочных коэффициентов
- Оценка погрешности измерений
Периодичность калибровки зависит от условий эксплуатации и требуемой точности измерений. Обычно она составляет от 6 месяцев до 2 лет.
Типичные ошибки при использовании термопар
При работе с термопарами часто допускаются следующие ошибки, приводящие к увеличению погрешности измерений:
- Неправильный выбор типа термопары для конкретной задачи
- Использование несоответствующих удлинительных проводов
- Нарушение полярности подключения
- Недостаточная защита от электромагнитных помех
- Игнорирование температуры холодного спая
- Превышение допустимого диапазона температур
Способы повышения точности измерений термопарой
Для минимизации погрешности при измерении температуры термопарой можно использовать следующие методы:
- Выбор термопары с меньшим классом допуска
- Использование термопар со специальными пределами отклонений
- Применение многоточечных калибровок
- Компенсация нелинейности характеристики
- Использование дифференциальных схем измерения
- Экранирование термопары и соединительных проводов
Выбор конкретных методов зависит от требуемой точности и условий эксплуатации измерительной системы.
Современные тенденции в технологии термопар
В настоящее время наблюдаются следующие тенденции в развитии технологии термопар:
- Разработка новых термоэлектродных материалов с улучшенными характеристиками
- Создание миниатюрных и быстродействующих термопар
- Интеграция термопар с цифровыми преобразователями сигнала
- Развитие методов беспроводной передачи данных от термопар
- Применение алгоритмов машинного обучения для повышения точности измерений
Эти инновации позволяют расширить области применения термопар и повысить точность измерений в сложных условиях.
Факторы, влияющие на срок службы термопар
Срок службы термопары зависит от нескольких факторов:
- Максимальная рабочая температура
- Термоциклирование
- Химическая агрессивность среды
- Механические нагрузки
- Качество изготовления
Для продления срока службы термопар рекомендуется:
- Не превышать максимально допустимую температуру
- Минимизировать число термоциклов
- Использовать защитные гильзы в агрессивных средах
- Обеспечить надежное крепление термопары
- Выбирать термопары от проверенных производителей
Как выбрать оптимальный диаметр термоэлектродов?
Выбор диаметра термоэлектродов термопары зависит от следующих факторов:
- Требуемое быстродействие
- Механическая прочность
- Электрическое сопротивление
- Стоимость
Тонкие термоэлектроды обеспечивают более быстрый отклик, но имеют меньшую механическую прочность и большее электрическое сопротивление. Толстые электроды более надежны, но имеют большую тепловую инерцию.
Оптимальный диаметр выбирается исходя из конкретных требований к измерительной системе и условий эксплуатации.
Влияние электромагнитных помех на точность измерений
Электромагнитные помехи могут существенно влиять на точность измерений термопарой. Основные источники помех:
- Силовые линии электропередач
- Электродвигатели
- Сварочное оборудование
- Радиопередающие устройства
Для минимизации влияния электромагнитных помех рекомендуется:
- Использовать экранированные термопары и соединительные провода
- Заземлять экраны только с одной стороны
- Применять дифференциальные схемы измерения
- Использовать фильтры низких частот
- Располагать термопары вдали от источников помех
При правильном применении этих мер влияние электромагнитных помех на точность измерений может быть значительно уменьшено.
Классы точности термопар
Таблица соответствует ГОСТ Р 8.585-2001 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования» (скачать текст (pdf))
| Обозначение промышленного термопреобразователя | Обозначение типа термопары | Класс допуска | Диапазон измерений | Пределы доп. отклонений ТЭДС от НСХ ± Dt (t — рабочая температура) | |
| от | до | ||||
| ТПП платнородий-платиновая | S, R | 2 | 0 | 600 | 1,5 |
| 600 | 1600 | 0,0025t | |||
| 1 | 0 | 1100 | 1.0 | ||
| 1100 | 1600 | 1,0+0,003(t-1100) | |||
| ТПР платнородий-платинородиевая | B | 3 | 600 | 800 | 4,0 |
| 800 | 1800 | 0,005t | |||
| 2 | 600 | 800 | 0,0025t | ||
| ТХК хромель-копелевая | L | 3 | -200 | -100 | 1,5+0. 01 | t | |
| -100 | 100 | 2,5 | |||
| 2 | -40 | 360 | 2,5 | ||
| 360 | 800 | 0,7+0,005t | |||
| ТХКн хромель-константановая | E | 3 | -200 | -167 | 0,015 | t | |
| -167 | 40 | 2,5 | |||
| 2 | -40 | 333 | 2,5 | ||
| 333 | 990 | 0,0075t | |||
| 1 | -40 | 375 | 1,5 | ||
| 375 | 800 | 0,004t | |||
| ТХА хромель-алюмелевая | K | 3 | -250 | -167 | 0,015 | t | |
| -167 | 40 | 2,5 | |||
| 2 | -40 | 333 | 2,5 | ||
| 333 | 1300 | 0,0075t | |||
| 1 | -40 | 375 | 1,5 | ||
| 375 | 1000 | 0,004t | |||
| ТНН нихросил-нисиловая | N | 3 | -250 | -167 | 0,015 | t | |
| -167 | 40 | 2,5 | |||
| 2 | -40 | 333 | 2,5 | ||
| 333 | 1300 | 0,0075t | |||
| 1 | -40 | 375 | 1,5 | ||
| 375 | 1000 | 0,004t | |||
| ТМК медь-константановая | T | 3 | -200 | -166 | 0,015 | t | |
| -66 | 40 | 1,0 | |||
| 2 | -40 | 135 | 1,0 | ||
| 135 | 350 | 0,0075t | |||
| 1 | -40 | 125 | 0,5 | ||
| 125 | 350 | 0,004t | |||
| ТЖК железо-константановая | J | 2 | 0 | 333 | 2,5 |
| 333 | 900 | 0,0075t | |||
| 1 | -40 | 375 | |||
| 375 | 750 | 0,004t | |||
| ТМК медь-копелевая | M | -200 | 0 | 1,3+0,001 | t | | |
| 0 | 100 | 1,0 | |||
| ТВР вольфрам-рениевая | A-1 A-2 A-3 | 3 | 1000 | 2500 | 0,007t |
| 2 | 100 | 2500 | 0,005t | ||
Дополнительные материалы на сайте о термопарах:
Поверка термопар
Неопределенность калибровки термопары
Кабельные термопары
Вольфрам-рениевые термопары
Неопределенность калибровки термопары: нужно ли учитывать вклад от неоднородности термоэлектродов?
Погрешность измерения температуры термопарой | 2 Схемы
Содержание
Недавно возникла необходимость снять характеристики термистора NTC.
Как известно, термисторы NTC имеют два важных параметра – значение сопротивления при 25C и коэффициент B. Первое проверяется просто, но для подсчета B необходимо иметь измерения сопротивления при разных температурах – обычно 25C и 85C, но не обязательно. И лучше знать эту константу заменяя термистор, чтоб позже измеренные температуры не были сильно разбросаны.
Мы взяли шесть разных электронных приборов, использующих термопару K, но с самого начала было ясно, что их показания различаются. Какому же именно из них доверять? Выбор был следующим: Aneng AN8009, Richmeters 409B, Sanwa PC510a, EnergyLab VC97, Chauvin Arnoux MAX2000, TM-902C – самый дешевый, из Китая, стоит копейки.
Измерения температуры термопарой K
Для контроля был взят точный лабораторный ртутный термометр с диапазоном от 0C до 50C, шаг 0,2C. Это и будет контрольная точка, относительно которой проведем измерения температуры термопары K – сравнение датчиков различных мультиметров.
Для опытов сделаем небольшую камеру из картонной коробки, укутанную пеной, в которой закрыли все термопары и ртутный термометр.
В течение часа температура выровнялась и стабилизировалась, а затем пришло время сравнения показаний:
- Ртутный 23,0C
- AN8009 23,0C
- 409B 21,0С
- PC510a 23,0С
- VC97 22,0C
- MAX2000 23,0С
- ТМ -902C 24,1C.
Выиграл MAX2000, потому что показал точно 23,0C. Каждый мультиметр измерял термопарой, которая поставлялась с ним от завода.
Измерения высокой температуры термопарой
В дальнейших измерениях больше нельзя было использовать ртуть ввиду высоких температур, поэтому эталонной точкой стал MAX2000.
Подготовим нагревательную плиту в виде перевернутого утюга и проверим тепловизором распределение температуры, чтоб правильно выбрать область измерения. Установим все термоэлементы и прижмём их куском жаростойкой пены сверху и грузом. Все это для обеспечения равных условий измерения для всех термопар.
Проверку делали в диапазоне температур до 160 градусов.
Результаты измерений сведены в электронную таблицу, но было очевидно сразу, что TM-902C и Richmeters 409B не могут обеспечить слишком высокую точность (мягко говоря).
Во время измерений также замечено, что термопара от Aneng обладает огромной тепловой инерцией и требует длительного времени для стабилизации показаний. Вот почему с ним пришлось повторить серию измерений, но на этот раз с другой термопарой. В таблице обозначена как «AN8009 2». На графике показана ошибка измерения, выраженная в процентах в отношении эталонного мультиметра, то есть MAX2000.
Сравнение термопары с термистором
Теперь возвращаемся к термистору NTC 10k с неизвестным B и попробуем выяснить, что с ним и как. При выполнении всех операций получена следующая диаграмма: Вертикальная ось – логарифмическая шкала. Где надпись «zm.» это эмпирические данные (реальные измерения). Вот почему всё выглядит так красиво линейно. Измерения проводились каждый 1 градус. Это красная линия и теоретически рассчитанная B = 3984. Было куплено несколько подобных, затем измерили их тоже.
Как видите – теория совпала с практикой. Красная линия совпадает с серой, которая показывает измерения купленного термистора с известным B = 3984, но отличается от измерений термистора, купленного с B = 3988, или теоретической кривой для B = 3430.
Таблица параметров термопар
И напоследок приведём ещё одну полезную таблицу – параметры самих термопар:
| Тип | Обозначение | Материал положительного электрода | Материал отрицательного электрода | Диапазон измерений, °С | Пределы отклонений, °С | Класс допуска |
| J | ТЖК | Железо, Fe | Константан, Cu-Ni (55% Cu) | 0…333 333…900 | ±2,5 ±0,0075Т | 2 |
| K | TXA | Хромель, Cr-Ni (90,5% Ni) | Алюмель, Ni-Al (94,5 % Ni) | -250…-167 -167…+40 | ±0,015|Т | ±2,5 | 3 |
| T | ТМК | Медь, Cu | Константан, Cu-Ni (55% Cu) | -200…-66 -66…+40 | ±0,015|Т | ±1,0 | 3 |
| E | ТХКн | Хромель, Cr-Ni (90,5% Ni) | Константан, Cu-Ni (55% Cu) | -200…-167 -167…+40 | ±0,015|Т | ±2,5 | 3 |
| N | ТНН | Никросил, Ni-Cr-Si-Fe-C-Mg | Нисил, Ni-Cr-Si -Fe-C-Mg | -250…-167 -167…+40 | ±0,015|Т | ±2,5 | 3 |
| R | ТПП | Платина-Родий (13% Rh) | Платина Pt | 0…600 600…1600 | ±1,5 ±0,0025Т | 2 |
| S | ТПП | Платина-Родий (10% Rh) | Платина Pt | 0…600 600…1600 | ±1,5 ±0,0025Т | 2 |
| B | ТПР | Платина-Родий (30% Rh) | Платина-Родий (6% Rh) | 600…800 800…1800 | ±4 ±0,005Т | 3 |
| L | TXK | Хромель, Cr-Ni (90,5% Ni | Копель, Cu- Ni (56% Cu, 44% Ni) | -200…-100 -100…+100 | ±1,5+0,01|Т | ±2,5 | 3 |
| M | ТМК | Медь Cu | Копель, Cu-Ni (56% Cu) | -200…0 0…100 | ±1,3+0,001|Т| ±2,5 | – |
| A1, A2, A3 | ТВР | Вольфрам-Рений, W-Re (5% Re) | Вольфрам-Рений, W-Re (20% Re) | 1000…2500 | ±0,0075Т | 3 |
Шесть распространенных причин ошибок измерения температуры термопарами
| Adam DeLanceyТермопары являются одними из самых популярных приборов для измерения температуры в промышленности благодаря их универсальности и простоте использования. Однако могут возникать ошибки измерения. В этой статье обсуждаются шесть наиболее распространенных причин ошибок термопары.
Термопары — это надежные устройства для измерения температуры, обладающие достаточной точностью для многих промышленных и научных применений. Относительно недорогие по сравнению с другими технологиями измерения температуры термопары ценятся за способность измерять широкий диапазон температур: от –200° до +1250°C (от –328° до +2282°F).
Термопары измеряют разность температур, а не абсолютную температуру. Две проволоки, каждая из которых изготовлена из разных металлов, соединены на конце. Это измерительный узел. На другом конце провода соединяются с телом с известной температурой, называемым эталонным спаем. Термопара работает, беря разницу в напряжении между двумя переходами, что объясняется эффектом Зеебека.
Измеренное напряжение преобразуется в единицу измерения температуры, при этом показания температуры отображаются на устройстве или передаются в удаленное место.
Хотя термопары надежны, ошибки измерения температуры могут возникать по разным причинам. Ниже приведены шесть наиболее распространенных причин ошибок измерения термопары, а также способы их устранения:
1. Выбор неправильного типа термопары на преобразователе
Вы можете столкнуться с проблемами, если при вводе данных выберете неправильный тип термопары. настройки в передатчик во время установки. Это распространенная ошибка, так как существует множество типов термопар — типы K, J, N, E, T, R, S и B — каждый с различным диапазоном, точностью и электрическим выходом.
Решение: Почти все термопары имеют цветовую маркировку по типу, поэтому обычно вам нужно только подтвердить цвет оболочки термопары и согласовать настройки на преобразователе.
2. Проблемы, связанные с удлинительным проводом термопары
Если вы случайно поменяете полярность проводов термопары, измеренная температура будет неверной из-за разницы температур двух концов проводов.
Проблема понятна, потому что красный цвет обычно соответствует положительному заряду, тогда как красный провод в кабелях термопары обычно содержит отрицательный сигнал. Эта окраска является стандартом ANSI для термопар, но это не то, что ожидает большинство людей.
Решение: Дважды проверьте соединение и, при необходимости, поменяйте местами выводы термопары.
3. Внутренние различия в сплавах
Нет двух абсолютно одинаковых партий проволоки. Поскольку процентное содержание сплава незначительно меняется в ходе каждого производственного процесса, некоторая ошибка в точности термопары неизбежна. Стандартные термопары имеют погрешность приблизительно 1 % от фактической температуры в точке измерения, что является достаточно точным для большинства применений.
Решение: Закажите термопары с проводами со специальным пределом, которые могут повысить точность в два раза. Эти проволоки изготавливаются с самыми высокими допусками, чтобы обеспечить наименьшее количество возможных примесей и максимальное постоянство соотношения сплавов.
4. Колебания температуры вокруг соединения холодного спая
Поскольку термопара измеряет разность температур, любые колебания температуры вокруг эталонного спая (холодного спая), температура которого известна, приводят к ошибочным показаниям температуры.
Решение: Убедитесь, что рядом с эталонным спаем нет вентиляторов или других источников охлаждения или нагрева. Простая изоляция также может защитить соединения от экстремальных температур.
5. Заземление термопары более чем в одном месте
Термопара должна быть заземлена только в одном месте. Если он заземлен более чем в одном месте, может образоваться «контур заземления», при котором ток будет течь через термопару от одного заземления к другому. Это может генерировать электромагнитные поля, что может привести к проблемам, связанным с радиочастотными помехами, которые могут повлиять на точность измерений.
Решение: Заземлите либо трансмиттер (соединительную головку), либо контроллер/регистратор, но не оба сразу.
Выбор преобразователей с внутренней изоляцией между входом, выходом и землей обычно обеспечивает достаточную изоляцию для устранения контура заземления. Также доступны изоляторы контуров, которые можно поместить в цепь проводки контура, чтобы предотвратить это.
6. Возраст термопары
Хотя термопары являются надежными устройствами для измерения температуры, их показания со временем дрейфуют. Максимальная температура воздействия, циклические измерения и частота циклов влияют на металлургию с результирующим дрейфом, обычно в сторону уменьшения. К сожалению, этот дрейф нельзя предсказать, но ошибки в 10-20°F встречаются часто.
Решение: Единственным решением является периодическая замена термопары в зависимости от опыта пользователя.
На этой справочной странице WIKA вы можете узнать больше о промышленном измерении температуры с использованием универсальных и не требующих особого обслуживания термопар.
- Temperature
- temperature measurement
- Thermocouple
Leave a Reply
© 2023 WIKA Alexander Wiegand SE & Co.
KG
Thermocouple Temperature Measurement Errors — Inst Tools
by Editorial Staff
Каковы основные источники ошибок при измерении с помощью термопары (TC)?
В основном ТС ведет себя очень предсказуемо – либо работает, либо не работает. При этом есть несколько вещей, которые появляются снова и снова, и это не работает.
Вкратце, есть четыре основные причины, по которым вы получите ошибки при измерении TC:
1) Выбор неправильного типа TC –Выбор типа TC в преобразователе должен всегда соответствовать используемому TC. Такого рода ошибки случаются очень часто. Различные термопары имеют разные кривые, разные диапазоны и разные выходы в милливольтах, поэтому все должно совпадать. Наиболее распространенными типами являются J, K и T. 1 Поскольку термопары имеют цветовую маркировку, их легко проверить:
2) Погрешность перехода ТП – ТП имеют присущую погрешность из-за несовершенства сплавов.
Они немного отличаются от партии к партии производства. Поскольку вы имеете дело с микровольтами, не нужно много, чтобы немного отклониться. Стандартные термопары обычно составляют около 1% от измеренной температуры в месте соединения. Специальные пределы в два раза точнее, тройные пределы в 4 раза точнее. 1 Таким образом, ваша точность ограничивается точностью соединения ТС. Вы мало что можете сделать с этой ошибкой, кроме как указать специальные ограничения.
Обратите внимание, что красный провод показан выше. Если удлинительный провод TC установлен в обратном направлении, TC все равно будет работать. Это будет просто неправильно из-за разницы в температуре двух концов удлинительного провода. Не смейтесь. Мы видели это много раз.
Удлинительный провод ТП должен соответствовать типу ТП. Это должен быть соответствующий провод термопары, а не медный.
Не прокладывайте удлинительный провод термопары в слишком жарких или холодных условиях. Он рассчитан только от 0°C до 200°C (от -60° до + 100°C для типа T)
Еще одним источником ошибок является плохое тепловое соединение, использование некомпенсированных разделительных полос и проволочных гаек. Материал TC должен быть присоединен к материалу TC, а не к барьерной полосе. Если вы собираетесь использовать разделительную полосу, поместите провода термопары под тот же винт или закажите клеммные наконечники из материала термопары. Если вы используете проволочные гайки, сначала скрутите вместе провода термопары. Тип J часто ломается (рано или поздно), когда вы его крутите. Если вас не волнуют 2°-3°, вам не нужно беспокоиться о выступах TC.
Если вам нужна максимальная точность, не используйте удлинительный провод TC. Проложите по всей длине оригинальный провод TC. Удлинительный провод TC предназначен только для точности стандартного провода TC. Каждый раз, когда вы делаете переход на новый кусок провода TC, вы снова добавляете ошибку TC.
Будьте осторожны в лабораторных приложениях, чтобы использовать один отрезок провода.
Наконец, вы можете использовать передатчик TC. Эти ребята упали в цене до 150 долларов. Передатчик преобразует, компенсирует и линеаризует ТП в источнике, устраняя необходимость в удлинительном проводе ТП. Большинство трансмиттеров TC выдают 4–20 мА в интересующем диапазоне.
4) Другим существенным источником погрешности является компенсация холодного спая.Термопары измеряют разницу температур на двух концах. Таким образом, чем точнее вы сможете измерить холодный спай, тем точнее вы сможете измерить ТС. Холодные спаи часто указываются на 1° или 2°.
Несмотря на то, что характеристики холодного спая могут быть приемлемыми, то, как подключиться к холодному спаю, — это другой вопрос. Вы должны подвести ТС к счетчику с небольшой петлей провода рядом со счетчиком. Идея состоит в том, чтобы заставить TC быть близкой к температуре измерителя на холодном спае.
