Точність вимірювання температури термопарами. Особливості і технічні рішення.
Продовження (початок тут)
Дана стаття стосується всіх вторинних приладів. Описані результати отримані в процесі тривалих дебатів та лабораторних досліджень похибки вимірювання температури термопарою Реєстраторами R5. Отримані результати вірні і для R10L, R10M, B4, I4 і для інших вторинних приладів будь-якого виробника. А все почалось з різниці між отриманою похибкою на вхідному контролі у замовника з нашою заявленою паспортною. Замість 0,5 °С (осн.пох.)+1 °С (дод.пох.)=1,5°С, максимум, у замовника отримано до 3 °С і навіть більше. Ми були впевнені в своїй правоті, що підтверджувалось тестовими замірами, а замовник в своїй. Істина виявилась посередині.
Історія.
Для початку декілька моментів з типових методів контролю точності параметрів, які були закладені в Технічні умови ще паперових самописців/реєстраторів серій КС1, КС2, КС3, КС4, РП160, К140, тощо і на протязі десятків років використовувались як виробниками, так і метрологами:
- Для подачі еквіваленту вхідного сигналу термопари на вторинний прилад використовуються еталонні джерела напруги, які генерують напругу у відповідності до її значення у точках контролю, згідно вимог ГОСТ, ДСТУ, тощо.
- Напруга електрорушійної сили (термо-ЕРС) температури “холодних” кінців (ТХК) термопари або не враховується (приймається, як значення 0V для всіх термопар при 0°С) або приймається як значення, що відповідає термо-ЕРС при 30 °С (для кожної термопари і в кожній точці діапазону різні). При цьому розробляються технологічні таблиці подачі напруги з вже врахованими значеннями напруги ТХК в кожній точці і по ним проводились регулювання і повірка/калібрування.
- Реальні компенсатори температури холодного спаю в приладах (термометри опору) встановлюються на задню стінку в зоні під’єднання термопари. Враховуючи позитивні результати попередніх замірів по п.1 та п,2, вважалось, що вони в парі з системою компенсації ТХС приладу працюють з необхідною точністю в межах сумарної похибки кожного з цих елементів (похибка входу приладу, похибка компенсатора, похибка вимірювання температури компенсатора і похибка функції компенсації).
Реальність
Але не так сталось, як гадалось. Замовник використав метод вимірювання, який можливий при використанні сучасних високоточних калібраторів. Дослідження з калібратором Fluke 7526A та Реєстраторами серій R5/10L/10M, B4, I4 виявили, що описані методи контролю працюють лише з старими, низькоточними приладами. В них не враховується одна додаткова похибка, яка виникає при встановленні компенсатора ТХК на задній стінці приладу. Справа в тому, що любий прилад нагрівається і розсіює тепло. При цьому утворюється незначний градієнт температури. На відстані між контактами під’єднання термопари та точкою встановлення компенсатора ТХК навіть 0,5-1 см різниця температур може досягати від 0,5 до 2,5 °С і навіть більше (в залежності від ступеню внутрішнього перегріву приладу). Найбільш несподіваним було те, що термоекран, який часто встановлюють виробники щоб закрити задню стінку і зменшити градієнт температури, виявився неефективним і практично нічого крім додаткового перегріву корпусу не змінив.
Чому ми в тестових замірах не виявили цього? Причина – швидкість підключення і вимірювання, клемна колодка з підключенною термопарою не встигла нагрітись від корпусу Реєстратора, отже температура холодних кінців практично точно відповідала температурі компенсатора – похибка нульова.
В цих експериментах калібратор Fluke 7526A використовувався в режимі імітації термопари (що було неможливо на старих радянських калібраторах). Цей режим специфічний, так як в ньому калібратор генерує сигнал термопари з врахуванням термо ЕРС холодних кінців. Для його підключення до приладу ОБОВ’ЯЗКОВО повинні використовуватись і термопарні провідники і термопарний “правильний”, як написано в описі калібратора, конектор (для ТХА (К) це конектор “К” жовтого кольору). Під’єднання калібратора до приладу мідними провідниками недопустиме і фактично переносить точку холодного спаю з місця під’єднання термопари до приладу (як повинно бути) на месце під’єднання до калібратора, де зовсім інша температура холодних кінців. Це призводить до непередбачуваної додаткової похибки – в деяких випадках до 8-10 °С.
Повстала задача як позбутись додаткової похибки, викликаної градієнтом температури на задній стінці приладу. Рішення було знайдене просте, банальне і дуже ефективне – винести з’єднання термопари (або термопарних провідників) і компенсатора з мідними провідниками вхідних каналів на деяку відстань від задньої стінки. Експерименти з джгутами подовження довжиною до 20 см на Реєстраторі R5 показали 100% позитивні результати і повністю виключили вплив температурного градієнту перегріву приладу.
При цьому досягнута сумарна похибка вимірювання Реєстратора R5 в режимі автоматичної компенсації ТХК з штатним компенсатором кл. В та джутом для віддаленого під’єднання для термопари ТХА (К) склала 0,6-0,8 °С, що повністю відповідає заявленим величинам: 0,5 °С основної плюс 1 °С додаткової похибки.
Висновки.
- Використання одного, загального для всіх каналів компенсатора ТХК здешевлює вартість обладнання, але має достатньо велику додаткову похибку, викликану впливом градієнту температури в зоні його встановлення на задній стінці приладу.
- Використання віддаленого компенсатора для кожного каналу дозволяє в рази зменшити додаткову похибку, але дещо збільшує вартість обладнання.
- Виходячи з отриманих результатів на додаток до звичного компенсатору “К” нами розроблено та пропонується для окремої поставки віддалений компенсатор “Kr” (the compensator is remote) для використання з термопарами у вимірювальних каналах, що потребують підвищеної точності.
The compensator is remote Kr
The compensator K