Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Предельная температура для термометра сопротивления

03.08.2016 | Автор: Моисеева Н.П. | Полемические заметки | Количество просмотров: 3660 | Комментарии (0)

Что использовать для точного измерения температуры: термометр сопротивления или термопару? Этот вопрос имеет, конечно, не однозначный ответ. Если мы посмотрим на сравнительную таблицу контактных датчиков температуры (см. страницу сайта Выбор датчика температуры/ сравнительная таблица основных типов контактных датчиков температуры), то увидим, что термометры сопротивления выигрывают у термопар по стабильности и точности, но проигрывают по диапазону измеряемых температур. В этой заметке мы будем рассматривать текущую ситуацию с рабочими платиновыми термометрами сопротивления, работающими на верхнем пределе температур. Каков этот предел? Что мешает его продлить? Кто выпускает сейчас высокотемпературные рабочие термометры? 

В области температур выше 1000 °С может работать фактически только один вид термометров сопротивления – эталонный платиновый термометр типа ВТС. Но этот термометр, как известно, совершенно непригоден для измерений температуры в промышленности, т.к имеет кварцевый корпус, который разрушается при длительном контакте с металлом. Кроме того, практически свободно подвешенная на геликоидальном кварцевом каркасе платиновая спираль чувствительного элемента не выдерживает вибраций. Надо также упомянуть, что этот термометр очень дорогой. 

Промышленные термометры сопротивления, выпускаемые по стандарту ГОСТ 6651-2009 (МЭК 60751), отличаются по конструкции от эталонных термометров. Платиновая спираль чувствительного элемента не подвешена свободно на каркасе, а навита на керн или уложена в каналы керамических трубок и засыпана керамическим порошком или даже залита стеклом. Такие термометры виброустойчивы и механически более надежны, но они проигрывают в точности, кроме того, имеют ограниченный температурный диапазон измерений. Согласно ГОСТ 6651-2009 термометры класса А  могут применяться только до 450 °С, классов В и С – до 660 °С.

Интересно отметить, что в предыдущей версии стандарта нашего ГОСТ 6651-94 диапазоны для рабочих платиновых термометров были намного шире. Класс А – до 850 °С, класс В – до 1100 °С. Если проследить историю изменений, то уже в ГОСТ 6651-78 предельная температура для 100-Омного ТСП была равна 1000 °С (для 1- Омного – 1100 °С), независимо от класса точности. Резкое снижение верхних пределов измеряемой температуры для ТСП в ГОСТ 6651-2009 было обусловлено необходимостью  синхронизации российского и зарубежного стандарта МЭК 60751 (2008)

Возникает вопрос, почему пределы стандарта МЭК значительно ниже бывших отечественных? Возможно ученые и инженеры в СССР все-таки изобрели рабочий платиновый термометр, способный сохранять характеристики при температурах вблизи 1000 °С? В нашей стране, вплоть до развала СССР, основной научной организацией по разработке температурных датчиков было НПО «Термоприбор» (точнее НПО «Термопрылад») в г. Львове. Производственная база для исследования новых моделей датчиков и их серийного производства размещалась в г. Луцке. 

Попробуем найти более подробную информацию о разработке в Советском Союзе платиновых чувствительных элементов и термометров. Одним из основоположников отечественной промышленной термометрии и изобретателем множества приборов и датчиков для измерения температуры являлся Владимир Иванович Лах, имя которого сейчас носит НПО «Термопрылад» (http://www.thermo.lviv.ua/index.php/uk/).

В 1966 г. В.И. Лах защитил в Киевском политехническом институте диссертацию на тему «Термометры сопротивления для измерения высоких температур из платины и некоторых других материалов». В последствии он возглавил работу по совершенствованию термометров, термопар и других приборов для измерения температуры и получил множество патентов на изобретения. В базе данных http://patents.su/patents/lakh  удалось найти 55 изобретений, сделанных В.И. Лахом и его коллегами из НПО «Термопрылад», связанных с измерением температуры. Среди них новые конструкции термопар и термометров сопротивления, новые методы и способы измерения температуры, способы соединения выводов, конструкции головок термометров, способы стабилизации ТЭДС термопары и т.п. Очень рекомендую нашим современникам изобретателям заглянуть в старые патенты. 

Среди изобретений есть, например, патент на высокотемпературный промышленный датчик. Суть изобретения – в создании препятствий для загрязнения чувствительного элемента термометра примесями из засыпки и корпуса. 

Есть также изобретение, описывающее метод измерения, позволяющий снизить влияние шунтирования платины изоляцией при высоких температурах. 

В середине XX века Советский Союз был довольно закрытой страной. Разработки НПО «Термопрылад» не были широко известны в мире. В фундаментальном труде Т. Куинна «Температура», переведенном в 1980 г. на русский язык Вы не найдете упоминания работ советских ученых по техническим термометрам сопротивления. В обзорном документе ККТ «Техника аппроксимации МТШ-90» также нет ссылок на работы В.И. Лаха и его коллег. В этом труде упоминаются исследовательские работы Кровини (L. Crovini), Актиса (A. Actis), Мангума (B. Mangum) и др. Причем в большинстве зарубежных работ по исследованию стабильности технических платиновых термометров делаются выводы о снижении стабильности и точности термометров при температурах выше 660 °С. 

Интересно отметить, что даже сейчас, когда в России и на территории СНГ действует ГОСТ 6651-2009, НПО «Термопрылад» продолжает выпускать технические ТСП с пределами измерения, намного превышающими установленные в ГОСТ 6651-2009 (МЭК 60751). В каталоге украинской фирмы можно найти  ЭЧП-0183, класса А, работающие до 750 °С и класса В – до 1000 °С. Нельзя сказать, что это противоречит стандарту ГОСТ 6651, т.к. производитель, согласно п. 5.7, имеет право устанавливать допуски вне диапазона измерений по своим ТУ. (5.7 Допуски для платиновых ТС при температурах вне диапазона измерений, указанного в таблице 2, должны быть установлены техническими документами  на ТС конкретного типа.) Научные и технические отечественные отчеты и  публикации середины 20 века, к сожалению, сейчас практически недоступны в электронном виде, но верится, что диапазоны НПО «Термопрылад» были хорошо обоснованы. 

В чем причина ограничения диапазонов ТСП в международном стандарте МЭК 60751? Известно, что в процессе перехода на новую международную шкалу температур изменяются не только эталонные функции интерполяции и значения реперных точек шкалы. Возникает также необходимость пересмотра стандартов на рабочие средства измерения температуры, стандартных таблиц (называемых у нас НСХ) для термометров и термопар. В период подготовки перехода на МТШ-90 и разработки новой редакции МЭК 60751 было проведено несколько исследовательских работ по изучению стабильности промышленных платиновых термометров и по проведению их калибровки с целью разработки новой стандартной функции R(t). 

В известной работе Кровини и его коллег из института Колонетти (L. Crovini, A. Actis, G. Coggiola and A. Mangano «Accurate thermometry by means of industrial platinum resistance thermometers.» Measurement Vo1.10 No. 1, Jan-Mar 1992) были обобщены результаты,  полученные при исследовании большой группы термометров от 8 зарубежных производителей. Из них 15 тестировались на стабильность до 630 °С, 14 термометров – до 850 °С. Для всех термометров наблюдалась существенная нестабильность сопротивления в 0 °С, доходящая до нескольких десятых градуса, если рабочая температура превышала 630 °С. Авторами был предложен метод отбора наиболее стабильных термометров, и были отобраны лучшие термометры, которые затем калибровались в нескольких точках для получения градуировочной функции для стандарта МЭК. Был сделан вывод, что стандартная функция Каллендара Ван-Дюзена (КВД) второй степени хорошо описывает градуировку рабочих платиновых термометров до 500 °С, но при более высоких температурах индивидуальная функция искажается и не соответствует КВД. 

Рисунок из работы Кровини, показывающий отклонение относительного сопротивления термометра W от стандартной функции КВД  Wr. Заметно резкое отклонение кривой при температурах выше 550 °С.(чувствительность W по температуре при 650 °С около 0,003 °С -1). 

Подобные выводы делались и в других работах. Поэтому МЭК с осторожностью назначил диапазоны для различных классов ТСП. Даже для класса В диапазон измерения был установлен равным 660 °С. 

Надо отметить, что многие ученые наблюдали в ходе своих исследований, что индивидуальная градуировочная функция в широком диапазоне температур лучше описывается полиномами более высоких степеней – от 4 до 8 степени. В ряде работ было предложено использовать метод МТШ-90, т.е. построить по результатам калибровки в точках диапазона измерений функцию отклонения от стандартного полинома МТШ-90 9-ой степени. Но какую бы функцию мы не использовали, основной вопрос остается: будут ли рабочие платиновые термометры сохранять стабильность характеристики при работе при высоких температурах? Именно эта проблема очень важна при использовании рабочих ЭЧП в эталонных термометрах 3-го разряда с индивидуальной градуировкой, которых у нас в стране производится все больше и больше.  

В исследовательских работах, опубликованных в период разработки МТШ-90, основными причинами, вызывающими потерю точности и стабильности платиновыми термометрами при высоких температурах называются следующие:

- возникновение напряжений и деформаций в тонкой и мягкой платиновой проволоке при тряске и термоциклировании,

- загрязнение платины при высоких температурах примесями из окружающей засыпки и корпуса,

-  нарушение герметичности капсулы чувствительного элемента, проникновение влаги в засыпку ЧЭ и в результате появление дополнительного шунтирующего ЧЭ сопротивления,

- падение сопротивления изолирующего материала между корпусом и выводами термометра и между парами выводов при высоких температурах.

Именно в направлении устранения этих причин нестабильности и должно проводиться совершенствование ТСП. И, как мы видим из патентов НПО «Термопрылад», именно эти проблемы и решались в их изобретениях. 

В упомянутой ранее работе Кровини, при повторной калибровке рабочих термометров с пределом температур до 850 °С наблюдался дрейф характеристики до нескольких градусов, часть термометров вышла из строя. Но не надо забывать, что эта работа относится к 1992 г. Каковы современные достижения? Сейчас многие иностранные производители заявляют для своих платиновых термометров диапазон до 800 или даже 1000°С. Смотрите, например, доклад Ядевича А.И. о термометрах фирмы Heraeus, опубликованный на странице нашего сайтасеминары/термометры сопротивления. В данном докладе для проволочных чувствительных элементов серии КН смело заявлен диапазон до 1000 °С. (Я сейчас не говорю о пленочных термометрах, это другие технологии и другая история развития. Возможно, они когда-нибудь будут конкурировать по верхнему пределу с термопарами типа В. Но пока диапазон для проволочных термометров шире.)   Однако заявления производителей не всегда подтверждаются на практике. Периодически в журналах появляются новые публикации об исследовании промышленных ТСП различных фирм. Например, из последних работ, в 2014 г. в была опубликована статья финских исследователей под названием «Калибровка промышленных платиновых термометров сопротивления до 700 °С» (International Journal of Thermophysics (2014) 35:668–680 O. Hahtela, M. Heinonen, H. Kajastie, M. Ojanen, K. Riski, R. Strnad «Calibration of Industrial Platinum Resistance Thermometers up to 700 ◦C»). В этой работе исследовались как проволочные, так и пленочные термометры. Были проведены тесты на термоциклирование, на погружение и вывод термометров из измеряемой среды, а также проведена калибровка и расчет индивидуальных функций по методам КВД и МТШ-90. Каковы же выводы? Термометры не подтвердили заявленную стабильность, изменение  R(0) после испытаний было от 0,5 до 1,6 °С, т.е. все термометры вышли из класса допуска после испытаний. 

Есть ли сейчас в России рабочие платиновые ЭЧП с диапазоном выше 660 °С? Просмотр материалов последней конференции «ТЕМПЕРАТУРА 2015» не дал результатов. Работы по исследованию ЭЧП и ТСП не докладывались. Если заглянуть в каталоги производителей, то в каталоге НПО «Элемер» можно найти рабочие платиновые термометры класса А до 450 °С, В до 600 °С, т.е все согласно ГОСТ 6651-2009 и не более того. НПО «Вакууммаш» также четко следует ГОСТу в назначении диапазонов ТСП. Волгодонский «ЭТАЛОН» выпускает термометры классов А, В, С с диапазоном до 500 °С. Омский «ЭТАЛОН» также не превышает предела 600 °С для ТСП класса В. Получается, что Украина (НПО «Термопрылад») нас сильно перегоняет по диапазону для рабочих ТСП. 

А нужно ли бороться за повышение предела температуры для рабочих ТС? Возможно, при температурах выше 650 °С можно уже перейти к использованию термопар? Например, нихросил-нисиловая термопара первого класса при температуре 800 °С имеет допуск 3,2 °С. Для термопар это очень хорошая точность, но вероятно это все, на что они способны из-за возникающей термоэлектрической неоднородности. У термометра сопротивления потенциал по точности больше. Термометр сопротивления может превзойти термопару по долговечности эксплуатации и по долговременной стабильности сигнала. Именно поэтому в упомянутой выше работе финских исследователей была поставлена цель использования ТСП с пределом до 700 °С на тепловых угольных электростанциях.  Есть и другие производства, где пригодились бы стабильные высокотемпературные термометры сопротивления. 

Кто из наших производителей сможет продолжить работы НПО «Термопрылад» и внедрить в производство ТСП до 1000 °С? Такой дискуссионный вопрос я хочу поставить в конце этой статьи в рубрике «Полемические заметки».

Статьи о термометрах сопротивления на сайте: 

Выбираем электронный термометр на замену ртутно-стеклянному

 Влияние длины термометра на результат поверки в калибраторе 

За пределами градуировки

Образцовое поведение рабочего термометра 

Нужно ли переплачивать за датчики температуры и влажности? 

Термопреобразователь против термометра 

Вызывает ли доверие «доверительная» погрешность образцовых СИ? 

Температура и разность температур

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Полемические заметки"

Добавить комментарий: