ПОГРЕШНОСТИ

НЕКОТОРЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОГРЕШНОСТЬ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМОПАР С УДЛИНИТЕЛЬНЫМИ ПРОВОДАМИ.

Причины появления ошибок при измерении температуры термопарой с удлинительными проводами довольно широко изучены. При этом в основном рассматриваются два вида ошибок, из которых одна определяется погрешностью собственно термопары, а другая возникает из-за удлинительных проводов.

ПОГРЕШНОСТИ, ВНОСИМЫЕ ТЕРМОПАРАМИ

Погрешность при измерении температуры, возникающая при приме нении термоэлектродных проводов и кабелей в качестве термопар, определяется рядом факторов. Размер этой погрешности зависит от конструкции термопарных проводов и кабелей, типа и свойств материалов, использованных в их составе, условий эксплуатации термопар. Рассмотрим подробнее некоторые причины появления погрешности при измерении температуры.

1. Термоэлектрическая неоднородность термоэлектродных материалов. Погрешность при измерении температур, обусловленная термоэлектродными материалами, возникает в основном из-за термоэлектрической неоднородности проволоки по длине. Неоднородность термоэлектродного материала, как правило, появляется в процессе производства термоэлектродной проволоки и вызывается следующими факторами:

а) химической и физической неоднородностью;

б) посторонними включениями;

в) местным наклепом из-за неравномерной деформации термоэлектродного материала;

г) остаточными внутренними напряжениями;

д) местными дефектами (расслоениями, пленками, трещинами и тд.)

Термоэлектродные материалы могут претерпевать деформации в процессе изготовления термоэлектродных проводов при перемотке проволоки, наложении изоляционных материалов на токопроводящую жилу, при скрутке на крутильных машинах и других процессах кабельного производства. Это также может привести к появлению погрешности при измерении температуры.

Как показали исследования, термо-ЭДС термоэлектродной проволоки в процессе пластической деформации изменяется, причем весьма заметно. Наиболее чувствительным к деформациям оказался хромель. Даже небольшая (около 10%) деформация хромеля может быть причиной погрешности в несколько градусов при измерении температуры выше 400⁰ С.

Изменение термо-ЭДС алюмеля при деформации значительно меньше и колеблется от -40 до +100 мкВ. При малой деформации абсолютное значение отрицательной термо-ЭДС алюмеля становится больше, с увеличением степени деформации (свыше 40%) оно уменьшается.

Термо-ЭДС копеля также существенно меняется под влиянием деформации, причем отклонения достигают максимума при деформации, равной 40%. При дальнейшем увеличении степени деформации термо-ЭДС становится меньше.

Для устранения ошибок в процессе измерения термоэлектродную проволоку подвергают стабилизирующему температурному отжигу и проверяют ее однородность (на предприятиях изготовителях). Термоэлектродные материалы термопарных кабелей в стальной оболочке марки КТМС подвергают высокотемпературному отжигу в процессе изготовления кабеля. Высокотемпературный отжиг заметно выравнивает структуру материала (улучшается распределение составляющих и уменьшается разнозернистость), освобождает проволоку от внутренних напряжений и местного наклепа. Дефекты проволоки в виде трещин, плен, расслоений и другие устраняют путем ее отбраковки. При работе с термопарными проводами и кабелями (особенно в условиях длительного воздействия больших градиентов температуры) необходимо избегать значительных их деформаций (сильных изгибов и пр.). При производстве проволоки необходимо достигать как можно более равномерного отжига ее по длине, так как изменение режимов отжига (температуры или времени пребывания проволоки при температуре отжига) приводит к изменению градуировочных характеристик .

2. Термоэлектрическая стабильность. Как показали исследования, в процессе длительной эксплуатации (длительного воздействия высоких температур) термо-ЭДС термопарных кабелей заметно изменяется, вызывая погрешность измерения температуры. Эта погрешность зависит от глубины теплового воздействия (времени воздействия и температуры окружающей среды). Так, в процессе нагрева термопарных кабелей марки КТМС-ХА при температурах 300—450С термо-ЭДС хромель-алюмелевых кабелей почти не изменяется. Отклонения показаний после 1000 ч нагрева от первоначальных не превышают, как правило, ошибки измерений, которая при 300—400C равна ±16мкВ. Изменения термо-ЭДС хромель-алюмелевых кабелей при 500С также невелики. Выборочное среднее отклонение за 1000 ч колеблется в интервале - 27 ± -2 мкВ, что составляет -0,7÷-0,05С. После нагрева при 600—800⁰ С термо-ЭДС кабелей заметно растет.

Значение выборочных средних отклонений термо-ЭДС кабелей за 1000 ч нагрева при 700С не превышает 40 мкВ (1С), за 10000 ч-199 мкв.

Кроме того, в самых распространенных термопарах типа ХА можно выделить два вида нестабильности термо-ЭДС: обратимая циклическая нестабильность и необратимая нестабильность, постепенно накапливающаяся со временем.

Первый вид нестабильности обусловлен протеканием в хромеле превращений по типу ближнего упорядочения раствора атомов хрома в атомной решетке никеля в интервале температур 250-550°С. Атомы хрома выстраиваются в решетке никеля в определенной последовательности. В результате этих превращений термопары ТХА в состоянии поставки после нагрева при 250-550°С увеличивают термоЭДС относительно номинальных значений. Этот рост исчезает (структура решетки разупорядочивается) после нагрева при более высоких температурах. Величина обратимого дрейфа термоЭДС зависит от предыдущей истории термоэлектродов, температур градуировки, скорости охлаждения, а также от градиента температурного поля, в котором находится термопара. Дрейф может достигать 3-4°С. Для уменьшения обратимого дрейфа полезно использовать хромель, подвергнутый предварительной термообработке «на упорядочение» при 425-475°С в течение 6 ч, однако исключить его полностью не представляется возможным, если термопарой измеряют температуру в широком диапазоне.

Второй вид нестабильности обусловлен взаимодействием термоэлектродов с окружающей средой. Рабочий ресурс термопар ХА в окислительной среде при температуре менее 850С лимитируется только величиной дрейфа термоЭДС, а при 1000-1200С – жаростойкостью термоэлектродов.

Дополнительное влияние на стабильность термопары оказывает состав окружающей среды. Так, длительное пребывание в вакууме при высоких температурах значительно уменьшает термо-ЭДС хромеля вследствие испарения хрома. В атмосфере, содержащей серу, интеркристаллитная коррозия охрупчивает термоэлектроды, в первую очередь алюмель, уже при температурах 650-800°С Кроме того, взаимодействие SO2 с хромелем является причиной большого отрицательного дрейфа термо-ЭДС. В восстановительных средах дрейф термоЭДС всегда отрицателен, а его величина намного больше, чем дрейф, наблюдаемый в окислительных средах. Нестабильность увеличивается с увеличением углеродного потенциала атмосферы и при повышении концентрации паров воды. Вследствие вышеописанных причин, применять один и тот же преобразователь ТХА во всем диапазоне измеряемых температур нецелесообразно, т.к. это ухудшает точность измерений. Термопарой, которую используют для точного измерения температур до 500С, не следует измерять более высокие температуры и, наоборот, термопарой, использовавшейся при температурах выше 900С, нельзя измерять температуры 300-600С. Кроме того, нельзя уменьшать глубину погружения термопары в рабочую среду, т.к. возникающие при высоких температурах локальные неоднородности материала термоэлектродов могут попасть в зону градиента температур, что приведет к дополнительному изменению термоЭДС и, соответственно, к дополнительной ошибке измерений. Согласно законам термоэлектрических цепей увеличение глубины погружения в зону равномерного температурного поля частично приводит к восстановлению первоначальных показаний термопреобразователя, т.к. в этом случае термоЭДС возникает на участках электродов ранее не подвергавшихся воздействию температуры или подвергавшихся в меньшей степени. Надо отметить, что резкое погружение или извлечение термопары из высокотемпературной среды приводит к значительному дрейфу ее термо-ЭДС вследствие остаточных термических напряжение в металле термоэлектродов, это особенно заметно с уменьшением их диаметра. Самой удачной попыткой преодолеть недостатки термопары ХА стала разработка и стандартизация ведущими промышленными странами, в том числе и Россией, термопары нихросил-нисил (тип N или НН). Материалы термоэлектродов нихросил и нисил демонстрируют существенно лучшую стабильность термоЭДС по сравнению с термопарой ТХА. Это достигнуто увеличением концентрации хрома и кремния в никеле, а также введением в нисил магния, которые перевели процесс окисления материала термоэлектродов из внутреннего межкристаллитного в поверхностный. При этом на термоэлектродах образуется защитная пленка окислов, подавляющих дальнейшее окисление. Увеличение содержания хрома в нихросиле до 14.2% фактически устранило обратимую нестабильность, характерную для хромеля. Отжиг термоэлектродов при 1100°С в течение 1-2 ч с последующим резким охлаждением на воздухе снимает все обратимые изменения. Абсолютная величина обратимой нестабильности, в целом, меньше, чем в хромеле-алюмеле. Долговременная стабильность проволочной термопары НН, как отмечается всеми исследователями, существенно лучше, чем у термопары ТХА. Дрейф термопары ТНН с термоэлектродами диаметром 3.2 мм за 1100 ч на воздухе при температуре 1200°С не превышает 100 мкВ, тогда как дрейф такой же термопары ТХА за 300 ч достиг 300 мкВ (рис. 6). Напротив, термопара ТНН при диаметре термоэлектродов не менее 2.5 мм и температуре до 1200С имеет дрейф термоЭДС, не превышающий дрейф термопар из драгоценных металлов (ПП, ПР). Новые термопарные сплавы показали также высокую радиационную стойкость, т.к. в них отсутствуют активирующиеся примеси Mn, Co, Fe. Автор-разработчик термопары ТНН, д-р Ноэл Берли (Австралия), показывает перспективность ее применения в качестве универсального средства измерения температур в диапазоне температур 0÷1230°С, это повысит точность промышленных измерений, качество конечного продукта и, в конечном счете, эффективность всего производства.

З. Влияние изоляционных материалов и защитных покровов. Термопары, изготовленные из термопарных кабелей и проводов, рассчитаны на эксплуатацию в условиях воздействия различных сред (окислитель ной, восстановительной, нейтральной или в вакууме) при разных температурах. Плохая защита термоэлектродов ведет к их деградации, изменению исходного состава, а следовательно, и термо-ЭДС. Поэтому защитные и изоляционные покровы термопарных кабелей должны длительно сохранять (кроме термопар разового действия) свои изолирующие и защитные свойства.

При выходе из строя (повреждении) защитных оболочек или изоляции термопары появляется систематическая погрешность, возрастающая с течением времени. Это явление может быть результатом прямого воздействия внешней среды на термоэлектроды. Так, в окислительной среде термо-ЭДС хромель-алюмелевых термопар при температуре 1000С относительно быстро увеличивается по сравнению с первоначальной (до 80—120 мкВ).

При выходе из строя изоляции при высокой температуре возможно значительное снижение ее сопротивления, что приводит к резкому увеличению токов утечки между термоэлектродными проводниками. Возможно также прямое замыкание термоэлектродов в точке, удаленной от места горячего спая термопары. Как в первом, так и во втором случае показания термопар будут занижены. Поэтому при выборе термопарного провода или кабеля для изготовления термопары необходимо учитывать условия его эксплуатации.

Для повышения надежности термопар и уменьшения погрешности при измерении температуры в качестве защитных покровов используются материалы, устойчивые к различным химически агрессивным средам и высоким температурам. Так, в термопарных кабелях марки КТМС в качестве защитной оболочки применяется нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т, а в термопарных проводах — стекловолокно (кремнеземное, кварцевое или алюмоборосиликатное) и экраны из жаростойкой стальной проволоки.

4. Влияние внешнего электромагнитного поля на точность измерения температуры. В практике промышленных измерений температур нередко приходится применять термопары в пространстве с мощным переменным электрическим полем (при измерении температуры в электродуговых печах). Наиболее существенные помехи в этих условиях возникают при использовании в качестве измерительного прибора электронного потенциометра. Наличие переменного тока в цепи термопары и удлинительных проводов вызывает снижение чувствительности усилителя, а это в свою очередь приводит к сильному уменьшению чувствительности электронного потенциометра. Прибор перестает реагировать на изменение температуры, и его показания не соответствуют температуре рабочего конца термопары.

Наиболее эффективной защитой от воздействия внешнего переменного электрического поля при измерениях температур является экранирование как самого измерительного прибора, так и удлинительных проводов, термопары и ее рабочего спая. Для этой цели выпускаются термопарные и удлинительные термо электродные провода с экранами, выполненными в виде сплошной металлической оболочки или оплетки из стальных либо медных проволок.

5. Действие радиационного облучения. Развитие атомной энергетики поставило задачу создания надежных средств измерения температур в атомных реакторах. Трудность решения проблемы заключается в сочетании следующих факторов :

а) высокие значения измеряемых температур, что обусловливает повышенные требования к теплостойкости применяемых материалов и уровню диэлектрических свойств изоляции;

б) необратимость изменений физических свойств материалов, происходящих под действием мощных потоков нейтронов в атомных реакторах, что необходимо упитывать при выборе термоэлектродных проводов для термопар.

В связи с тем, что удлинительные провода, как правило, находятся вне зоны высоких температур и воздействия потоков нейтронов, для измерения температур в атомных реакторах необходимо в основном решать вопрос о выборе типов термопар, а соответственно и термоэлектродных проводов. Прежде всего материалы, используемые в этих условиях в качестве термоэлектродов, под действием потоков нейтронов должны содержать стабильные изотопы. Наиболее стойким материалом в условиях воздействия потока нейтронов является хромель. Это объясняется значительным содержанием в  нем никеля – элемента с большим количеством стабильных изотопов. Так, за 20 лет состав этого сплава изменяется менее чем на 1%. Стоек в нейтронном потоке также алюмель. Содержание марганца и кобальта в нем за 20 лет несколько уменьшается, а железа увеличивается с 0,02 до 2%. Константан менее устойчив в нейтронном потоке. В нем за 20 лет пребывания потоке нейтронов содержание никеля возрастает на 5%. Неустойчива в нейтронном потоке и медь. За 20 лет около 20% меди превращается в никель и цинк.

Вследствие ядерных превращений элементов изменения термо-ЭДС медленно накапливаются со временем и носят необратимый характер. Поэтому при достаточно длительном облучении изменение градуировки термопар может происходить даже в полях сравнительно малой интенсивности радиации.

Изменение термо-ЭДС термопары может быть результатом радиаци онного повреждения термоэлектродных материалов: появления в облученных термопарах дефектов — вакансий и промежуточных ато мов. Увеличение концентрации вакансий и промежуточных атомов приводит к изменению явлений переноса зарядов и, таким образом, к изменению термо-ЭДС. Изменение термо-ЭДС, вызванное накоплением дефектов, зависит от плотности потока нейтронов. Изменения термо-ЭДС возникают сразу же при воздействии радиационного поля. Этот процесс обратим, т. е. после прекращения действия радиационного поля это явление исчезает. Проведенные работы по исследованию термопарных кабелей марки КТМС ХА показали, что в потоке 6,3 х 10 ¹² нейтр/см² термо-ЭДС хромель-алюмелевой термопары (при температуре 100С) сначала увеличивается на 0,03 мВ, а затем в течение; 120 мин уменьшается на 0,42 МР

Высокая термо- и химическая стойкость различных окислов предопределяет возможность их применения в качестве диэлектриков термоэлектродных проводов при воздействии интенсивных потоков ядерных излучений. В связи с этим необходимо учитывать некоторые ядерные характеристики таких материалов, так как энерговыделение в них будет зависеть от поглощенной дозы излучения того или иного вида; кроме того, введение материала, сильно поглощающего нейтроны, в активную зону реактора может существенно изменить его радиоактивность и в значительной степени повлиять на режим его работы. С этой зрения наиболее пригодны для работы в активной зоне атомного реактора окиси бериллия и магния, так как они слабо поглощают нейтроны и незначительно влияют на режим работы реактора.

ПОГРЕШНОСТИ, ВНОСИМЫЕ УДЛИНИТЕЛЬНЫМИ ПРОВОДАМИ

Применение удлинительных проводов, изготовленных из тех же материалов, что и термопары, и из других термоэлектродных материалов, вносит погрешность при измерении температуры. Причиной возникновения погрешности является разница термо-ЭДС электродов термопары и удлинительных проводов в ее холодных спаях.

Наибольшая погрешность определена с учетом максимального несоответствия термо-ЭДС удлинительных проводов и термоэлектродов, значения которых нормированы ГОСТ или ТУ, и чувствительности термопар в области рабочих температур.

При оценке погрешностей не учитывалась термоэлектрическая неоднородность термоэлектродного провода, предполагалось равенство температур холодных спаев термопары. Не учитывалось также, что термо-ЭДС удлинительных проводов нормируется при одной или нескольких температурах; при промежуточных температурах она может отклоняться больше, чем установлено. Так, термо-ЭДС сплава ТП нормируется при температуре 100⁰ С. В то время как при этой температуре термо-ЭДС пары сплав ТП — медь практически та же, что платинородий-платиновой термопары ПП-1 , при промежутожых температурах, особенно при 50⁰ С, термо-ЭДС удлинительного провода отличается от термо-ЭДС термопары на 0,013 мВ.

Для хромель-алюмелевых термопар используются медь-константа новые удлинительные провода, рассчитанные на эксплуатацию при температуре до 120⁰С. При температурах холодных спаев выше 120⁰ С и в диапазоне 50—70⁰С термо-ЭДС термопары и медь-константанового провода различны,. С целью уменьшения погрешности удлинительных медь-константановых проводов можно нормировать их термо-ЭДС при пониженной температуре, например при 70⁰С. При этих условиях удлинительные провода можно применять только в диапазоне температур 0—80⁰С, При более высокой температуре такие провода использовать нельзя из-за быстро увеличивающейся погрешности.

Малую погрешность дают термоэлектродные удлинительные провода из сплавов МТ и НМ, применяемые с хромель-алюмелевыми термопарами в диапазоне температур 0—300⁰С, причем во всем диапазоне температур термо-ЭДС пары МТ — НМ отличается от термо-ЭДС пары хромель-алюмель меньше, чем пары медь — константан в диапазоне температур 0—100С. Для вольфрам-рениевых термопар ВР 5/20 используются удлинительные провода на основе сплава МН 2,4 в паре с медью МТ (в интервале температур 0—100С) .

Наименьшее отклонение термо-ЭДС от номинала термопары при температуре 100С, наибольшее — при 50С (0,03 мВ). При температуре выше 100С разница термо-ЭДС удлинительного провода и термопары резко возрастает (при 200С она составляет 0,18 мВ).

Для термопары ВР 10/20 применяются удлинительные провода на базе сплава МН 1,2 и меди М1. Наибольшее отклонение термо-ЭДС термопары и удлинительного провода в диапазоне температур 0—1000С при 50С составляет 0,02 мВ. Таким образом, применение компенсационных проводов оправданно лишь в случае применения термопары в ограниченном диапазоне температур.

Использованные материалы

И.Ф. Рыбаков, И.М.Шепелев «Термоэлектродные провода и кабели» (Москва, Энергия, 1980)

А.А.Улановский «Метрологическая стабильность термоэлектрических преобразователей (термопар) для измерения высоких температур»  (ОТК, Обнинск)