Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Неопределенность калибровки термопары: нужно ли учитывать вклад от неоднородности термоэлектродов?

07.03.2017 | Автор: Моисеева Н.П. | Полемические заметки | Количество просмотров: 871 | Комментарии (0)

Вопрос остается спорным. Несмотря на то, что наличие термоэлектрический неоднородности (ТЭН) в термоэлектродной проволоке признается, как источник погрешности измерения температуры термопарой ещё с начала 20 века, при поверке и калибровке этот источник, как правило, игнорируется. В нашем стандарте ГОСТ 8.338 на поверку рабочих термопар нет проверки неоднородности. В стандартах ГОСТ 8.611 и ГОСТ 8.779  на поверку эталонных термопар проверяется только разность показаний при двух глубинах погружения в печь при высокой температуре и даются нормы на этот результат. Интересно, что и в европейском документе ЕА 4/02 “Evaluation of Uncertainty of Measurement in Calibration” (см Приложение S5 документа ЕА 4/02 – рус. перевод (.pdf)  ) также нет компонента неопределенности от термоэлектрической неоднородности. Правда в другом документе Еврамет EURAMET/cg-08/v.01 “Calibration of Thermocouples” неоднородность учитывается и дается метод ее определения.

Данная статья не претендует на полноту изложения проблемы термоэлектрической неоднородности. По этой проблеме написано не мало научных работ и диссертаций. В этой заметке я изложу свой взгляд на проблему учета ТЭН при калибровке термопар. Возможно, специалисты из центров стандартизации и предприятий, производящих и поверяющих термопары, будут со мной не согласны, возможно, смогут поспорить или дополнить мой материал своими данными. Буду благодарна всем за участие в дискуссии. Считаю, что обсуждения, которые основаны на научных данных, в частности дискуссия по данной проблеме учета ТЭН были бы очень полезны для дальнейшей переработки стандартов на поверку термопар и методик их калибровки.

Для специалистов метрологических институтов и центров стандартизации нет необходимости  объяснять, что такое термоэлектрическая неоднородность термоэлектродов. Но, как показывает мой опыт чтения лекций в энергетическом институте повышения квалификации, большинство людей, использующих термопары в промышленности, считают, что чувствительным элементом термоэлектрического термометра является спай, и не представляют, что такое термоэлектрическая неоднородность термоэлектродов. Поэтому совсем кратко опишу сущность проблемы (более подробно о принципе работы термопар см. раздел «Выбор датчика температуры/термопары»).  

Термопара, в отличие от термометра сопротивления, имеет не локализованный на конце чувствительный элемент, а распределенный по всей длине термоэлектродов. ТермоЭДС вырабатывается на всех ее участках, находящихся в зоне с перепадом температуры и зависит от коэффициента Зеебека, который может изменяться при изменении свойств проволоки на каждом из участков в процессе работы. При этом суммарный сигнал ТЭДС, который мы измеряем, также меняется, что приводит к погрешности. Изменение свойств термопарной проволоки на отдельных ее участках называют термоэлектрической неоднородностью (ТЭН). ТЭН не является каким-то редким, случайным явлением, она возникает практически всегда при эксплуатации термопар, особенно при температурах выше 500 °С, однако у каждой термопары места локализации неоднородности различны и зависят от условий эксплуатации и монтажа, прежде всего от глубины погружения в печь.

На рисунке упрощенно показано влияние возникшей на одном из участков термопары неоднородности на результат измерения ТЭДС. На участке 2-3 изменилось состояние проволоки, в результате изменился коэффициент Зеебека, что повлияло на суммарный результат измерения ТЭДС. 

Почему компонент, зависящий от  ТЭН, часто не включают бюджет неопределенности калибровки термопары? Аргументы обычно следующие. Неопределенность калибровки СИ определяют с целью дальнейшего учета ее в составе  бюджета неопределенности измерения температуры этим СИ.  И если, например, для термометра сопротивления неопределенность калибровки будет зависеть от измеряемой температуры, то для термопары она должна зависеть не только от температуры, но, при условии учета ТЭН, и от глубины погружения термопары в печь при измерениях. Если при изменении глубины погружения в печь участок с ТЭН не попадает в зону температурного градиента, то изменения ТЭДС не происходит, неопределенность от ТЭН равна нулю. Фактически получается, что в сертификате о калибровке термопары мы должны записывать неопределенность при разных температурах и при разных глубинах погружения. Определение ТЭН достаточно сложная задача. Кроме того, ТЭН не постоянна  и может сильно измениться за межповерочный интервал. Поэтому компонент ТЭН решают вообще не включать в бюджет неопределенности при калибровке.

Есть другой подход, не такой радикальный, который используется часто в метрологических документах других стран, в частности в EURAMET/cg-08/v.01. Он заключается в определении в процессе калибровки максимально возможной неоднородности термоэлектродов на всей длине термопары и включения этой составляющей в суммарную неопределенность калибровки. Это  так называемая «консервативная» оценка. Она может сильно завысить неопределенность измерений, если при рабочих измерениях зона неоднородности находилась на участке с равномерной температурой.

Если бы компонент неопределенности от ТЭН был незначительным по сравнению с другими составляющими, то я бы согласилась с первым подходом полного его игнорирования. Однако правда заключается в том, что часто именно вклад от ТЭН является в бюджете неопределенности измерения температуры термопарой максимальным. Изменение ТЭДС за счет развития ТЭН может достигать для термопар типа ТХА и ТХК нескольких градусов. Поэтому, на мой взгляд, проверка неоднородности нужна, особенно при периодической поверке термопар.

О проверке ТЭН в последнее время написано немало исследовательских работ. Ссылки на статьи привожу в конце заметки. Основной метод исследования неоднородности термоэлектродов – сканирование термопары в жидкостном термостате при температуре 200-250 °С. Глубина погружения в термостат изменяется небольшими шагами и при этом отслеживается изменение ТЭДС термопары. Так можно получить примерный профиль неоднородности на длине от 100 до 500 мм. Точность оценки зависит от того, насколько резкий скачок температуры удается получить на границе раздела жидкости и окружающей среды.  Поэтому для охлаждения выходящего из термостата корпуса термопары, часто используют вентилятор.

На рисунке показан профиль температуры и ТЭДС по длине термопары, погруженной в жидкостный термостат. ТЭДС на участках с постоянной температурой равна нулю. Измеряемая ТЭДС формируется в зоне температурного градиента.

Отметим, что если использовать не жидкостной термостат, а сухоблочный или печь, то получить резкий переход от однородной  высокой температуры к однородной низкой не удается, и результат измерения ТЭДС будет зависеть свойств термоэлектродов не только на исследуемом участке термопары, но и на всех других участках, находящихся в зоне неравномерной температуры.

На равномерность температуры по длине термоэлектродов также влияет тепловой поток по корпусу термопары. Для его учета учеными предлагаются теоретические модели расчета поправки на теплоотвод и корректировки полученных графиков.

Итак, как должна определяться неоднородность термоэлектродов, для того, чтобы включить ее в бюджет неопределенности калибровки термопары? Можно предложить несколько методов. Первый, и самый точный – сканирование ТЭДС при погружении в масленый термостат. Предварительно следует с помощью миниатюрного термометра измерить температурное поле термостата. При сканировании можно получить несколько значений ТЭДС при разных глубинах погружения и выявить локализацию максимальной неоднородности и ее максимальное значение. В сертификате о калибровке указать, что расширенная неопределенность была рассчитана с учетом ТЭН. Полезной информацией также будут сведения о глубине погружения, на которой обнаружена неоднородность. Такая калибровка, однако, будет несколько дороже стандартной поверки, поэтому целесообразна при поверке (или калибровке) эталонных термопар или термопар и индивидуальной градуировкой.

Как упростить процедуру проверки  неоднородности для рабочих термопар, чтобы  ее полностью не игнорировать, но и не усложнять стандартную поверку (калибровку) на соответствие классу точности? Можно предложить, например, во время поверки провести контроль ТЭДС в жидкостном  термостате хотя бы при двух глубинах погружения – рабочей и возможной максимальной. Рабочая глубина либо задается заказчиком поверки либо, если она не задана, берется минимальная глубина по ТУ. Оценка будет грубая, но, тем не менее, полезная для потребителя. Некоторые термопары могут выйти из класса допуска именно при рабочей глубине.

Сейчас в российских стандартах только для эталонных термопар типа ППО и ПРО предусмотрена проверка неоднородности термоэлектродов. При проверке термопара ПРО сличается методом поэлектродного сличения с эталонной термопарой в печи при температуре 1450 °С на глубинах погружения 250 и 350 мм. Можно ли считать такую проверку адекватной? Нет. Результат может быть ложным. Сама печь при этих температурах и глубинах не обеспечит равномерное поле. Эталонная термопара тоже может быть неоднородной (хотя в стандарте и говорится, что она должна быть исследована на неоднородность, но как это делается, не говорится).  Велика вероятность возникновения ТЭН при высоких температурах непосредственно во время поверки. Выбор высоких температур при проверке неоднородности не обоснован. Замечу, что в новом стандарте ГОСТ Р 8.779 – 2012 на поверку ПРО, предлагается проверить неоднородность еще и в точке палладия (9.3.4), но процедура совсем не понятна, т.к. эта точка реализуется методом навесок. 

В ГОСТ Р 8.779 – 2012 компонент ТЭН включен в таблицу составляющих погрешности (на неопределенности пока так и не перешли). Как ее рассчитывать, не написано. Когда мы обсуждали проект этого нового стандарта на ПРО, проблема определения неоднородности поднималась ( см. раздел "Проекты стандартов"). Также были высказаны пожелания разработать новый объединенный стандарт на поверку ПРО и ППО. Но, к сожалению, исполнители стандарта эти пожелания игнорировали. Возможно, стоит еще раз инициировать дискуссию о переработке российских стандартов на поверку и калибровку термопар и обсудить вопрос об учете ТЭН?

В заключении хочу еще раз сказать, что стандартизация – это не просто проверка всяких регистрационных бумаг и журналов поверителей, это, прежде всего продуманные методики измерений и оценки неопределенности измерений, дающие возможность с наилучшей точностью  обеспечивать метрологическую прослеживаемость.

Статьи по теме исследования ТЭН:

Kenneth D. Hill and Douglas J. Gee “Quantifying The Calibration Uncertainty Attributable To Thermocouple Inhomogeneity” Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, Volume 8 AIP Conf. Proc. 1552 (2013)

Ballico, M., “Numerical post-correction of thermocouple inhomogeneity scan data to improve spatial resolution and reduce conduction errors” in TEMPMEKO 2004, 9th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science, Vol. 2, edited by D. Zvizdic, Zagreb: LPM/FSB, 2005, pp. 801-806.

Reed, R. P., “The effect of Interrogating Temperature profile in the Seebeck Inhomogeneity Method of test (SIMOT)” in Temperature, Its Measurement and Control in Science and Industry, Vol. 7, edited by D. C. Ripple, AIP Conference Proceedings 684, New York: American Institute of Physics, 2002, pp. 491-496. 

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Полемические заметки"

Добавить комментарий: