Контрольный замер точности измерений сигнала от термопары. Особенности и технические решения. Продолжение, начало здесь

Данная статья касается всех вторичных приборов. Описанные результаты получены в процессе длительных дебатов и лабораторных исследований погрешности измерения температуры термопарой Реєстраторами R5. Полученные результаты верны и для R10L, R10M, B4, I4 и для других вторичных приборов какого либо производителя. А все началось с разницы между полученной погрешностью на входном контроле у заказчика с нашей заявленной паспортной. Вместо 0,5°С (осн.погр.) + 1°С (доп.погр.) = 1,5 °С, максимум, у заказчика получено до 3 °С и даже больше. Мы были уверены в своей правоте, что подтверждалось тестовыми замерами, а заказчик в своих. Истина оказалась по середине.

История.

Для начала несколько моментов из типичных методов контроля точности параметров, которые были заложены в Технические условия еще бумажных самописцев/регистраторов серий КС1, КС2, КС3, КС4, РП160, К140, и др. и на протяжении десятков лет использовались как производителями, так и метрологами:

1. Для подачи эквивалента входного сигнала термопары на вторичный прибор используются эталонные источники напряжения, которые генерируют напряжение в соответствии с значениями в контрольных точках, согласно ГОСТ, ДСТУ, пр..
2. Напряжение электродвижущей силы температуры  «холодных» концов (ТХК) термопары либо не учитывалось (принимается, как значение 0V для всех термопар при 0°С) либо принимается как значение, которое соответствует термо-ЭДС при 30 °С (для кожной термопары и в каждой точке диапазона разное). При этом разрабатываются технологические таблицы подачи напряжения с уже учтенными значениями ТХК в каждой точке контроля и по ним проводились регулировка и поверка/калибровка.
3. Реально используемые в приборах компенсаторы температуры холодных концов (термометры сопротивления) устанавливаются на заднюю стенку в зоне подсоединения термопары. Учитывая позитивные результаты предыдущих измерений по п.1 и п,2, считалось, что они в паре с схемой компенсации ТХС прибора работают с требуемой точностью в пределах суммарной погрешности кожного з этих элементов (погрешность входа прибора, погрешность компенсатора, погрешность измерения температуры компенсатора и погрешность функции компенсации).

Реальность

Но «не так сталось, как гадалось». Заказчик использовал метод измерения, который возможен при использовании современных высокоточних калибраторов.  Исследования с высокоточным калибратором Fluke 7526A и Регистраторами серий R5/10L/10M, B4, I4 выявили, что описанные методы контроля работают лишь со старыми, низкоточными приборами. В них не учитывается дополнительная погрешность, которая возникает при установке компенсатора ТХК на заднюю стенку прибора. Дело в том, что любой прибор нагревается и рассеивает тепло. При этом образовывается незначительный градиент температуры.  На расстоянии между контактами присоединения термопары и точкой установки компенсатора ТХК (даже на 0,5-1 см) разница температур может достичь от 0,5 до 2,5 °С (в зависимости от степени внутреннего перегрева прибора). А это уже превышает основную погрешность измерения. Наиболее неожиданным было то, что термоэкран, который часто устанавливают производители что бы закрыть заднюю стенку и уменьшить градиент температуры, оказался неэффективным и практически мало что, кроме дополнительного перегрева корпуса не изменил.

При этих экспериментах калибратор Fluke 7526A использовался в режиме имитации термопары (что было невозможным на старых советских калибраторах). Этот режим специфический, так как в нём калибратор генерирует сигнал термопары с учетом термо-ЭДС холодных концов. Для его подключения к прибору ОБЯЗАТЕЛЬНО должны использоваться и термопарные проводники и термопарный «правильный» коннектор (для ТХА (К) это коннектор «К» желтого цвета). Подсоединение калибратора к прибору медными проводниками недопустимо и фактически переносит точку холодного спая с места подсоединения к прибору на место подсоединения к калибратору. Это вызывает непредсказуемую дополнительную погрешность — в некоторых случаях до 8-10 °С.

Стала задача как избавиться от дополнительной погрешности, вызванной градиентом температуры у задней стенки прибора. Решение было найдено простое, банальное и очень эффективное — вынести соединение термопары  (или термопарных проводников) с медными проводниками входных каналов Регистратора на некоторое расстояние от задней стенки. Эксперименты с жгутами удлинения длинной до 20 см на Регистраторе R5 показали 100% позитивные результаты и полностью исключили влияние температурного градиента прибора.

Почему мы в тестовых замерах не выявили этого? Причина — скорость подключения и измерения: клемная колодка с термопарою не успевала нагрется от корпуса Регистратора.

При этом достигнутая суммарна погрешность измерения Реєстратора R5 в режиме «Автоматическая» компенсация ТХК с штатным компенсатором (кл. В) и жгутом для удаленного подсоединения для термопары ТХА (К) оставила 0,6-0,8 °С, что полностью соответствует заявленным величинам: 0,5 °С основной  плюс 1 °С дополнительной погрешности.

Выводы.

1. Использование одного, общего для всех каналов компенсатора ТХК удешевляет стоимость оборудования, но имеет достаточно большую дополнительную погрешность, вызванную влиянием градиента температуры в зоне установки на задней стенке прибора.
2. Использование удаленного компенсатора для каждого канала позволяет в разы уменьшить дополнительную погрешность, но несколько увеличивает стоимость оборудования.
3. Исходя из полученных результатов в дополнение к поставляемому компенсатору «К» нами разработан и предлагается к отдельной поставке удаленный компенсатор «Kr» (the compensator is remote) для установки на измерительные каналы термопар, требующие повышенной точности.
   
   

   The compensator is remote K

   

   The compensator K