Метрология и точность термопар
2 месяца назад
2 мин.
0
Метрология и точность термопар
Термопара является первичным измерительным преобразователем, реализующим прямое преобразование температурной разности в электрическое напряжение за счёт термоэлектрического эффекта. В отличие от параметрических датчиков (RTD, термисторы), термопара относится к генераторным преобразователям, что принципиально определяет её метрологические особенности, структуру погрешностей и требования к измерительному тракту.
Структура погрешности термопары
Полная погрешность измерения температуры термопарой формируется суммой следующих составляющих:
- основная погрешность термоэлектродов;
- погрешность аппроксимации термо-ЭДС в температурную шкалу;
- погрешность компенсации холодного спая;
- температурный дрейф характеристик;
- шумы и погрешности измерительного усилителя;
- погрешность аналого-цифрового преобразования;
- паразитные термо-ЭДС в соединениях;
- влияние тепловых градиентов вдоль электродов.
Таким образом, точность термопары всегда является системной характеристикой, а не только свойством чувствительного элемента.
Основная погрешность и классы допуска
Основная погрешность задаётся стандартами и определяется допустимым отклонением термо-ЭДС от номинальной температурной характеристики для конкретного типа термопары.
Класс допуска указывает:
- максимальное отклонение в фиксированных температурных точках;
- допустимую ошибку в процентах от измеряемой температуры.
Нелинейность термоэлектрической характеристики
Зависимость термо-ЭДС от температуры является существенно нелинейной для всех типов термопар.
Для преобразования сигнала применяются:
- полиномиальные аппроксимации;
- табличные зависимости;
- цифровая интерполяция в контроллерах.
Недостаточная разрядность АЦП и грубая аппроксимация приводят к дополнительной вычислительной погрешности даже при идеальном состоянии самой термопары.
Компенсация холодного спая как метрологически критический элемент
Термопара физически измеряет только разность температур между горячим и холодным спаями.
Температура холодного спая подлежит обязательному измерению внешним датчиком и алгебраическому учёту в вычислительной части системы.
Основные источники ошибок компенсации:
- температурная нестабильность клеммных соединений;
- тепловое влияние силовой электроники;
- неоднородность температурного поля в зоне подключения;
- погрешность датчика компенсации.
Ошибка компенсации напрямую суммируется с основной погрешностью термопары.
Дрейф и старение термоэлектродов
Долговременная нестабильность термопар обусловлена:
- диффузионным перераспределением легирующих компонентов;
- рекристаллизацией структуры сплавов;
- химическим взаимодействием с защитной оболочкой;
- окислением и науглероживанием;
- термоциклическими напряжениями.
Дрейф носит монотонный характер и не сопровождается отказом датчика, что делает его наиболее опасным типом ошибки.
Паразитные термо-ЭДС
Любой контакт разнородных металлов в условиях температурного градиента образует дополнительную термопару. Это приводит к:
- смещению нуля измерения;
- нестабильным показаниям;
- появлению блуждающих температурных ошибок.
Минимизация паразитных термо-ЭДС достигается:
- применением компенсационных и удлинительных проводов идентичного термоэлектродам состава;
- исключением переходов на медь вне зоны холодного спая;
- выравниванием температурных условий в соединительных узлах.
Измерительный тракт и его влияние на точность
Выходной сигнал термопары имеет уровень микровольт. Это предъявляет следующие требования:
- высокое входное сопротивление измерительного усилителя;
- низкий собственный шум;
- температурная стабильность входных каскадов;
- высокая разрядность АЦП;
- защита от синфазных и наведённых помех.
Погрешность преобразования сигнала на этом этапе часто превышает собственную погрешность термоэлектродов.
Поверка и калибровка
Поверка термопары представляет собой проверку соответствия её фактической характеристики установленным допускам.
Калибровка используется для:
- определения индивидуальной температурной характеристики;
- компенсации накопленного дрейфа;
- формирования поправочных коэффициентов для прецизионных измерений.
В высокоточных системах применяется индивидуальная калибровка каждой термопары, а не использование табличных данных.