Dlaczego termopary są preferowanym wyborem dla precyzyjnego pomiaru temperatury?

Pytanie, w obecnej formie, zawiera założenie, które nie wytrzymuje porównania arkuszy danych. Termopara nie jest najdokładniejszym dostępnym czujnikiem temperatury i nie jest sprzedawana jako taki. Platynowy termometr oporowy osiąga tolerancję około ±0,15 °C w pobliżu temperatury pokojowej, a termistor działa lepiej w wąskim zakresie. Termopara typu K zaczyna od ±1,5 °C zgodnie z międzynarodową normą tolerancji, przed jakimkolwiek dryftem w eksploatacji.

To, co termopara robi lepiej niż którykolwiek z nich, to pokrycie zakresu, którego żaden pojedynczy czujnik oporowy nie jest w stanie osiągnąć, przetrwanie w trudnym środowisku, zmieszczenie się w przestrzeni o szerokości kilku milimetrów i reakcja w milisekundach. Ta kombinacja sprawia, że dominuje w pomiarach przemysłowych i jest to inne twierdzenie niż precyzja. Kupujący, który potrzebuje ±0,1 °C przy 40 °C, nie powinien kupować termopary, a kupujący, który potrzebuje odczytu przy 1300 °C wewnątrz pieca, nie ma innego wyjścia.

Ta strona przedstawia uczciwe porównanie, a następnie pokazuje, skąd bierze się dokładność termopary: klasa tolerancji drutu, dwa mechanizmy dryftu, które na nią działają w eksploatacji, złącze zimne i punkty kalibracji. Te cztery elementy decydują o wyniku, a żaden z nich nie jest korpusem czujnika.

Poniższe porównanie jest tym, od czego powinna zacząć się specyfikacja. Liczby są typowe dla każdej rodziny i zmieniają się wraz z konkretnym produktem, dlatego służą do umieszczenia rodzin, a nie do wyboru części.

Przeczytaj pierwszy wiersz w odniesieniu do drugiego. Rodzina o najszerszym zakresie ma najluźniejszą tolerancję, a rodzina o najciaśniejszej tolerancji ma najwęższy zakres. Nie jest to wada żadnego z produktów. Jest to powód, dla którego oba istnieją, a specyfikacja, która prosi o najszerszy zakres i najciaśniejszą tolerancję jednocześnie, prosi o kombinację, której żaden czujnik nie dostarcza.

Norma IEC 60584-1 określa tolerancję wyjściową termopary według typu i klasy, a tolerancja jest wyrażona jako stała liczba stopni lub jako ułamek mierzonej temperatury. Tabela podaje granice klasy 1 i klasy 2 dla powszechnych typów metali nieszlachetnych i szlachetnych, dla średnic drutu od około 0,1 mm do 3 mm.

Dwa wiersze w tej tabeli niosą więcej informacji niż pozostałe. Typ T jest najciaśniejszym typem metalu nieszlachetnego w niskiej temperaturze, z ±0,5 °C poniżej 125 °C, dlatego jest stosowany w kriogenice i medycynie. Typy S i R to typy metali szlachetnych, a ich tolerancja jest prawie niezależna od temperatury poniżej 1100 °C przy ±1,0 °C, co brzmi gorzej niż typ K, dopóki nie odczyta się zakresu: typ K przy 1000 °C ma dopuszczalne ±4 °C, a typ metalu szlachetnego nadal ma dopuszczalne ±1 °C.

Norma stanowi również, czego tolerancja nie obejmuje. Granice dotyczą drutu w stanie dostawy i nie uwzględniają dryftu kalibracji podczas użytkowania. To zdanie jest powodem istnienia następnej sekcji.

Termopara nie pozostaje na swojej certyfikowanej wartości. Termoelementy zmieniają się w eksploatacji, a zmiana objawia się przesunięciem napięcia, które para wytwarza przy danej temperaturze. W typie K obie zmiany działają w przeciwnych kierunkach, dlatego pojedynczy współczynnik korekcji nie może ich naprawić.

Pierwszy mechanizm to zmiana uporządkowania atomowego dodatniego termoelementu, stopu niklowo-chromowego. W temperaturach od około 200 °C do 600 °C stop rozwija krótkoterminowe uporządkowanie, co oznacza, że atomy przyjmują preferowane lokalnie ułożenie bez tworzenia nowej fazy. To uporządkowanie zwiększa współczynnik Seebecka stopu, więc termopara wskazuje za wysoki odczyt. Efekt jest zależny od czasu, rośnie do maksimum w danej temperaturze, a maksymalna zmiana występuje w okolicach 400 °C. Powyżej 600 °C dodatni termoelement jest całkowicie nieuporządkowany, a efekt się odwraca.

Drugi mechanizm to utlenianie. W stopie niklowo-chromowym chrom utlenia się preferencyjnie, a zawartość chromu w stopie nie jest wystarczająco wysoka, aby utworzyć ciągłą zewnętrzną warstwę tlenku chromu. Wynikiem jest zewnętrzny tlenek niklu nad warstwą tlenku bogatego w chrom, a chrom tworzący tę warstwę jest pobierany z metalu poniżej. Stop jest pozbawiony chromu, a niższa zawartość chromu oznacza niższy współczynnik Seebecka, więc termopara wskazuje za niski odczyt.

Praktyczną konsekwencją jest to, że termopara typu K, która doświadczyła obu zakresów, niesie ze sobą błąd netto, którego znak zależy od historii instalacji, a jedynym sposobem, aby go poznać, jest zmierzenie go. Kontrola kalibracji po eksploatacji jest narzędziem ujawniającym sumę, a sonda zwrócona do laboratorium kalibracyjnego po kampanii jest jedynym niezawodnym sposobem, aby dowiedzieć się, jak daleko się przesunęła.

Termopara mierzy różnicę, a nie temperaturę absolutną. Napięcie, które wytwarza, jest różnicą między efektem Seebecka na złączu gorącym a efektem Seebecka na zaciskach, więc instrument musi znać temperaturę zacisków, aby podać wynik. Jest to złącze zimne, a błąd w nim przechodzi bezpośrednio do odczytu bez tłumienia.

W powszechnym użyciu są trzy metody, które różnią się założeniami. Stałe odniesienie utrzymuje zaciski w znanej temperaturze, historycznie w kąpieli lodowej, a teraz w bloku termostatycznym. Kompensowane złącze mierzy temperaturę zacisków za pomocą oddzielnego czujnika i elektronicznie dodaje odpowiednie napięcie. Blok izotermiczny zakłada, że wszystkie zaciski mają tę samą temperaturę i mierzy tę jedną temperaturę raz.

Błąd, który jest najłatwiejszy do usunięcia, jest najczęściej pozostawiany na miejscu. Termopara zainstalowana ze zwykłym kablem miedzianym między głowicą sondy a instrumentem utworzyła dwa nowe złącza na przejściu, a te złącza mają temperaturę otoczenia szafy. Odczyt zależy wówczas od temperatury szafy, jak również od procesu, a zależność jest niewidoczna, chyba że szafa jest podgrzewana lub chłodzona.

Kabel kompensacyjny istnieje z tego powodu. Jest wykonany ze stopów, które pasują do zachowania termoelektrycznego termopary w ograniczonym zakresie temperatur, dzięki czemu przejście od sondy do instrumentu nie powoduje błędu. Kabel ma polaryzację, ma zakres temperatur, w którym dopasowanie jest utrzymywane, i musi być podłączony we właściwy sposób. Odwrócony kabel kompensacyjny powoduje błąd dwukrotnie większy od temperatury złącza, co jest znaczące i wygląda jak błąd instrumentu.

Klasa tolerancji jest limitem produkcyjnym, a nie stwierdzeniem dotyczącym konkretnej sondy. Sposobem na poznanie odczytu sondy jest jej kalibracja, a wybór metody kalibracji decyduje o tym, jak duża część zakresu jest objęta.

Kalibracja porównawcza umieszcza sondę i termometr referencyjny w tej samej kąpieli lub piecu i rejestruje różnicę w zestawie punktów. Jest szybka, obejmuje zakres, który może osiągnąć kąpiel, a jej niepewność jest ograniczona przez odniesienie i jednorodność kąpieli. Kalibracja punktem stałym utrzymuje sondę w przejściu fazowym termodynamicznym, takim jak punkt zamarzania metalu, gdzie temperatura jest definiowana przez fizykę, a nie przez termometr referencyjny. Jest wolniejsza i droższa, i daje niższą niepewność w używanych punktach.

Żadna z metod nie usuwa dryftu, który występuje po kalibracji. Sonda skalibrowana przed instalacją i używana przez rok w temperaturze 400 °C ma certyfikat opisujący stan, którego już nie posiada. Praktyką, która to wyłapuje, jest okresowa kontrola w jednym lub dwóch punktach, z wynikiem porównanym z oryginalnym certyfikatem, a interwał ustalany jest na podstawie tego, jak szybko odczyty się przesunęły, a nie na podstawie kalendarza.

Przypadek termopary jest najsilniejszy tam, gdzie alternatywy nie mogą dotrzeć. Tabela przedstawia warunki i powód, dla którego każdy z nich wskazuje na tę rodzinę.

Cztery właściwości drutu decydują o wydajności gotowej termopary, a wszystkie cztery są ustalane przed złożeniem sondy.

Skład określa współczynnik Seebecka, a klasa tolerancji jest stwierdzeniem dotyczącym tego, jak ściśle przestrzegano składu i przetwarzania. Dryft zawartości chromu o ułamek procenta przesuwa wyjście pary typu K o ilość, która ma znaczenie na granicy tolerancji, dlatego specyfikacja stopu dla drutu termoparowego jest ciaśniejsza niż specyfikacja tego samego stopu używanego jako materiał oporowy lub konstrukcyjny.

Homogeniczność określa, jak bardzo odczyt zależy od tego, gdzie spada gradient temperatury. Drut, który był nierównomiernie obrabiany lub ma gradient składu wzdłuż swojej długości, wytwarza inne napięcie w zależności od tego, która jego część znajduje się w strefie gorącej. Dlatego termopara nie powinna być cięta z cewki i instalowana bez znajomości jej historii, i dlaczego używana sonda, która została skrócona, może wskazywać inaczej niż ta, którą zastąpiła.

Stan powierzchni określa, jak szybko postępuje mechanizm utleniania. Drut o czystej i jednorodnej powierzchni utlenia się w przewidywalny sposób, a drut z zadrapaniami ciągnącymi lub pozostałościami smaru utlenia się lokalnie i nierównomiernie odtłuszcza chrom wzdłuż swojej długości.

Średnica określa żywotność. Grubszy drut potrzebuje więcej czasu, aby stracić chrom, który zużywa warstwa tlenku, więc sonda o dużej grubości działa dłużej w tym samym piecu, kosztem wolniejszej reakcji. Tę wymianę dokonuje kupujący, wybierając między cienkim drutem dla reakcji a grubym drutem dla żywotności.

Drut termoparowy zamawia się według typu, klasy, średnicy i izolacji, a norma regulująca wyjście jest oddzielona od normy regulującej stop.

DLX dostarcza stopy termoparowe w Changzhou, Jiangsu, w postaci drutu od 0,025 mm, pręta okrągłego do 50 mm i taśmy od 0,50 mm do 2,5 mm grubości. Zakres obejmuje stopy niklowo-chromowe i niklowo-krzemowe dla typu K i N, stopy miedziowo-niklowe dla typu T i J, oraz stopy platynowo-rodowe dla typu S i R, wraz z pasującymi stopami kabli kompensacyjnych.

Drut jest dostarczany zgodnie ze specyfikacją stopu i klasą tolerancji podaną w zamówieniu, z certyfikatem EN 10204 3.1 na życzenie i numerem partii, który można prześledzić do wyników testów. Użyteczne pytanie brzmi nie, który typ jest najdokładniejszy w ogóle, ale który typ utrzymuje swoją tolerancję w zakresie i atmosferze instalacji.

Nie, a arkusze danych to potwierdzają. Platynowy termometr oporowy klasy A osiąga około ±0,15 °C w pobliżu temperatury pokojowej, podczas gdy termopara typu K klasy 1 ma dopuszczalne ±1,5 °C poniżej 375 °C. Termopara wygrywa pod względem zakresu, rozmiaru, szybkości reakcji i zdolności do przetrwania w trudnym środowisku. Termometr oporowy wygrywa pod względem dokładności i stabilności tam, gdzie może być używany.

Jest to tolerancja produkcyjna z IEC 60584-1: ±1,5 °C między -40 a 375 °C, i ±0,004 razy zmierzonej temperatury między 375 a 1000 °C, co wynosi ±4 °C przy 1000 °C. Norma stanowi, że granice dotyczą drutu w stanie dostawy i nie uwzględniają dryftu kalibracji podczas użytkowania, więc sonda klasy 1, która spędziła rok w temperaturze, może już nie mieścić się w klasie 1.

Ponieważ dwa mechanizmy działają w różnych zakresach temperatur i przesuwają odczyt w przeciwnych kierunkach. Między około 200 a 600 °C dodatnia noga rozwija krótkoterminowe uporządkowanie, co zwiększa jej współczynnik Seebecka i sprawia, że para wskazuje za wysoki odczyt, z największym efektem w okolicach 400 °C. Powyżej około 900 °C w powietrzu chrom utlenia się, a metal poniżej jest pozbawiany chromu, co obniża współczynnik Seebecka i sprawia, że para wskazuje za niski odczyt. Błąd netto zależy od historii instalacji.

Można ją podłączyć, a połączenie tworzy dwa nowe złącza w temperaturze otoczenia szafy. Odczyt zależy wówczas od tej temperatury otoczenia, jak również od procesu, a zależność jest niewidoczna, dopóki szafa nie zostanie podgrzana. Kabel kompensacyjny wykonany ze stopów pasujących do termopary w ograniczonym zakresie unika błędu, pod warunkiem, że jest to właściwy typ i jest podłączony z prawidłową polaryzacją.

Interwał powinien być zgodny z faktycznie obserwowanym dryftem, a nie z ustalonym kalendarzem. Sonda w czystym piecu w stałej temperaturze dryftuje mniej niż ta, która cyklicznie przechodzi przez zakres uporządkowania lub pracuje w powietrzu powyżej 900 °C. Okresowa kontrola w jednym lub dwóch punktach, porównana z oryginalnym certyfikatem, daje tempo dryftu, a tempo to ustala interwał.

Gdy temperatura przekracza praktyczny zakres typów metali nieszlachetnych, lub gdy tolerancja musi być utrzymana w wysokiej temperaturze. Typ K ma dopuszczalne ±4 °C przy 1000 °C w klasie 1, podczas gdy typ S lub R ma dopuszczalne ±1,0 °C do 1100 °C. Typy metali szlachetnych są droższe, są bardziej wrażliwe na zanieczyszczenia i są odpowiedzią tam, gdzie dokładność w temperaturze jest ważniejsza niż cena drutu.

Termopara jest preferowanym wyborem do przemysłowych pomiarów temperatury, ponieważ obejmuje zakres, którego żaden czujnik oporowy nie osiąga, przetrwa środowiska, które go niszczą, i reaguje w milisekundach. Nie jest to najdokładniejszy czujnik, a specyfikacja, która traktuje go jako taki, zaczyna się od fałszywego założenia.

Dostępna dokładność pochodzi z czterech elementów: klasy tolerancji drutu, dryftu generowanego przez instalację, złącza zimnego i kalibracji. Dryft ma dwa mechanizmy w typie K, które działają w przeciwnych kierunkach, dlatego współczynnik korekcji nie może zastąpić kontroli kalibracji. Błąd złącza zimnego przechodzi do odczytu bez tłumienia, dlatego kabel kompensacyjny i jednorodny blok zaciskowy są tak samo ważne jak sonda.

IEC 60584-1, termopary, funkcje referencyjne i tolerancje. Źródło tolerancji klasy 1 i klasy 2 według typu i zakresu temperatury, w tym limity ±1,5 °C i ±0,004 razy t dla typu K, limity ±0,5 °C i ±0,004 razy t dla typu T, oraz limity ±1,0 °C i ±(1 + 0,003 x (t - 1100)) dla typów S i R.

IEC 60584-2, termopary, tolerancje, jako dokument towarzyszący funkcjom referencyjnym.

Opublikowane dane techniczne drutu termoparowego typu K, podające przybliżoną zmianę siły elektromotorycznej generowanej o 42 mikrovolty na kelwin przy 100 °C i 39 przy 1000 °C, ciągły zakres od 0 do 1100 °C, krótkoterminowy zakres od -180 do 1350 °C, oraz stwierdzenie, że standardowe tolerancje nie uwzględniają dryftu kalibracji podczas użytkowania.

Opublikowane badania z Uniwersytetu Cambridge dotyczące dryftu w termoparach typu K z gołego drutu. Źródło transformacji krótkoterminowego uporządkowania w dodatnim termoelemencie między 200 a 600 °C, wzrostu współczynnika Seebecka, który powoduje, maksymalnego efektu w okolicach 400 °C, stanu nieuporządkowanego powyżej 600 °C, oraz mechanizmu depozycji chromu spowodowanego preferencyjnym utlenianiem powyżej 900 °C, który obniża współczynnik Seebecka.

IEC 60751, przemysłowe platynowe termometry oporowe i platynowe czujniki temperatury, jako źródło tolerancji klasy A wynoszącej około ±0,15 °C w pobliżu temperatury pokojowej używanej w porównaniu.

ASTM E230, standardowa specyfikacja i tabele siły elektromotorycznej temperatury dla znormalizowanych termopar, jako północnoamerykański odpowiednik funkcji referencyjnych IEC.

ASTM E220, standardowa metoda testowania kalibracji termopar technikami porównawczymi.

EN 10204, dokumenty kontrolne, dla definicji certyfikatu 3.1 jako dokumentu zawierającego rzeczywiste wyniki testów i zatwierdzonego przez niezależnego przedstawiciela inspekcji producenta.

Tolerancje i temperatury powyżej są standardowymi wartościami dla nazwanych typów i klas, i dotyczą drutu w stanie dostawy, a nie sondy w eksploatacji. Tolerancja jest limitem produkcyjnym, a nie niepewnością pomiaru, a niepewność konkretnego odczytu obejmuje złącze zimne, drut przedłużający, instrument i dryft, który spowodowała instalacja. Mechanizmy dryftu opisane dla typu K działają w czasie, a ich wielkość zależy od temperatury, atmosfery i ekspozycji, dlatego sonda powinna być sprawdzana, a nie zakładana. Wartości dokładności dla termometrów oporowych i termistorów są typowymi wartościami dla nazwanych klas i różnią się w zależności od konkretnego produktu. Specyfikacje produktów są aktualizowane, a wydanie nazwane w zamówieniu ma pierwszeństwo. Nic na tej stronie nie zastępuje wydania inżynieryjnego ani testów kwalifikacyjnych uzgodnionych między kupującym a dostawcą.