Гранична температура для платинового термометра опору

Що використовувати для точного вимірювання температури: термометр опору або термопару? Це питання має, звичайно, не однозначну відповідь. Якщо ми подивимося на порівняльну таблицю контактних датчиків температури (див. Сторінку сайту Вибір датчика температури / порівняльна таблиця основних типів контактних датчиків температури ), То побачимо, що термометри опору виграють у термопар по стабільності і точності, але програють за діапазоном вимірюваних температур. У цій замітці ми будемо розглядати поточну ситуацію з робочими платиновими термометрами опору, що працюють на верхній межі температур. Який цю межу? Що заважає його продовжити? Хто випускає зараз високотемпературні робочі термометри?

В області температур вище 1000 ° С може працювати фактично лише один вид термометрів опору - еталонний платиновий термометр типу ВТС. Але цей термометр, як відомо, зовсім непридатний для вимірювань температури в промисловості, т.к має кварцовий корпус, який руйнується при тривалому контакті з металом. Крім того, практично вільно підвішена на спіральної кварцовому каркасі платинова спіраль чутливого елемента не витримує вібрацій. Треба також згадати, що цей термометр дуже дорогий.

Промислові термометри опору, що випускаються за стандартом ГОСТ 6651-2009 (МЕК 60751), відрізняються по конструкції від еталонних термометрів. Платинова спіраль чутливого елемента не підвішена вільно на каркасі, а навита на керн або покладена в канали керамічних трубок і засипана керамічним порошком або навіть залита склом. Такі термометри вібростійкі і механічно більш надійні, але вони програють в точності, крім того, мають обмежений температурний діапазон вимірювань. Згідно ГОСТ 6651-2009 термометри класу А можуть застосовуватися тільки до 450 ° С, класів В і С - до 660 ° С.

Цікаво відзначити, що в попередній версії стандарту нашого ГОСТ 6651-94 діапазони для робочих платинових термометрів були набагато ширше. Клас А - до 850 ° С, клас В - до 1100 ° С. Якщо простежити історію змін, то вже в ГОСТ 6651- 78 гранична температура для 100-омного ТСП дорівнювала 1000 ° С (для 1-омного - 1100 ° С), незалежно від класу точності. Різке зниження верхніх меж вимірюваної температури для ТСП в ГОСТ 6651-2009 було обумовлено необхідністю синхронізації російського і зарубіжного стандарту МЕК 60751 (2008).

Виникає питання, чому межі стандарту МЕК значно нижче колишніх вітчизняних? Можливо вчені та інженери в СРСР все-таки винайшли робочий платиновий термометр, здатний зберігати характеристики при температурах поблизу 1000 ° С? У нашій країні, аж до розвалу СРСР, основною науковою організацією з розробки температурних датчиків було НВО «Термоприлад» (точніше НВО «Термоприлад») у м.Львові. Виробнича база для дослідження нових моделей датчиків і їх серійного виробництва розміщувалася в м.Луцьку.

Спробуємо знайти більш детальну інформацію про розробку в Радянському Союзі платинових чутливих елементів і термометрів. Одним з основоположників вітчизняної промислової термометрії і винахідником безлічі приладів і датчиків для вимірювання температури був Володимир Іванович Лах, ім'я якого зараз носить НВО «Термоприлад» (http://www.thermo.lviv.ua/index.php/uk/).

У 1966 р В.І. Лах захистив в Київському політехнічному інституті дисертацію на тему «Термометри опору для вимірювання високих температур з платини і деяких інших матеріалів». Надалі він очолив роботу по вдосконаленню термометрів, термопар та інших приладів для вимірювання температури і отримав безліч патентів на винаходи. У базі даних http://patents.su/patents/lakh вдалося знайти 55 винаходів, зроблених В.І. Лахомов і його колегами з НВО «Термоприлад», пов'язаних з вимірюванням температури. Серед них нові конструкції термопар і термометрів опору, нові методи і способи вимірювання температури, способи з'єднання висновків, конструкції головок термометрів, способи стабілізації ТЕДС термопари і т.п. Дуже рекомендую нашим сучасникам винахідникам заглянути в старі патенти.

Серед винаходів є, наприклад, патент на високотемпературний промисловий датчик. Суть винаходу - в створенні перешкод для забруднення чутливого елемента термометра домішками з засипки і корпусу.

Є також винахід, яке описує метод вимірювання, який дозволяє знизити вплив шунтування платини ізоляцією при високих температурах.

В середині XX століття Радянський Союз був досить закритою країною. Розробки НВО «Термоприлад» не були широко відомі в світі. У фундаментальній праці Т. Куїнна «Температура», перекладеному в 1980 р на російську мову Ви не знайдете згадки робіт радянських вчених з технічних термометрів опору. В оглядовому документі ККТ «Техніка апроксимації МТШ-90» також немає посилань на роботи В.І. Лаха і його колег. У цій праці згадуються дослідні роботи кровину (L. Crovini), АКТІС (A. Actis), Мангума (B. Mangum) і ін. Причому в більшості зарубіжних робіт з дослідження стабільності технічних платинових термометрів робляться висновки про зниження стабільності і точності термометрів при температурах вище 660 ° С.

Цікаво відзначити, що навіть зараз, коли в Росії і на території СНД діє ГОСТ 6651-2009, НВО «Термоприлад» продовжує випускати технічні ТСП з межами вимірювання, набагато перевищують встановлені в ГОСТ 6651-2009 (МЕК 60751). В каталозі української фірми можна знайти ЕЧП-0183, класу А, які працюють до 750 ° С і класу В - до 1000 ° С. Не можна сказати, що це суперечить стандарту ДОСТ 6651, тому що виробник, згідно п. 5.7, має право встановлювати допуски поза діапазону вимірювань за своїми технічними умовами. (5.7 Допуски для платинових ТЗ при температурах поза діапазону вимірювань, зазначеного в таблиці 2, повинні бути встановлені технічними документами на ТЗ конкретного типу.) Наукові і технічні вітчизняні звіти і публікації середини 20 століття, на жаль, зараз практично недоступні в електронному вигляді, але віриться, що діапазони НВО «Термоприлад» були добре обгрунтовані.

У чому причина обмеження діапазонів ТСП в міжнародному стандарті МЕК 60751? Відомо, що в процесі переходу на нову міжнародну шкалу температур змінюються не тільки еталонні функції інтерполяції і значення реперних точок шкали. Виникає також необхідність перегляду стандартів на робочі засоби вимірювання температури, стандартних таблиць (званих у нас НСХ) для термометрів і термопар. У період підготовки переходу на МТШ-90 і розробки нової редакції МЕК 60751 було проведено кілька досліджень з вивчення стабільності промислових платинових термометрів і для втілення їх калібрування з метою розробки нової стандартної функції R (t).

У відомій праці кровину і його колег з інституту колонетти (L. Crovini, A. Actis, G. Coggiola and A. Mangano «Accurate thermometry by means of industrial platinum resistance thermometers.» Measurement Vo1.10 No. 1, Jan-Mar 1992 ) були узагальнені результати, отримані при дослідженні великої групи термометрів від 8 зарубіжних виробників. З них 15 тестувалися на стабільність до 630 ° С, 14 термометрів - до 850 ° С. Для всіх термометрів спостерігалася істотна нестабільність опору в 0 ° С, яка доходила до декількох десятих градуса, якщо робоча температура перевищувала 630 ° С. Авторами був запропонований метод відбору найбільш стабільних термометрів, і були відібрані кращі термометри, які потім калібрувати в декількох точках для отримання градуювальної функції для стандарту МЕК. Був зроблений висновок, що стандартна функція Каллендара Ван-Дюзена (КВД) другого ступеня добре описує градуювання робочих платинових термометрів до 500 ° С, але при більш високих температурах індивідуальна функція спотворюється і не відповідає КВД.

Малюнок з роботи кровину, що показує відхилення відносного опору термометра W від стандартної функції КВД Wr. Помітно різке відхилення кривої при температурах вище 550 ° С. (Чутливість W по температурі при 650 ° С близько 0,003 ° С -1).

Подібні висновки робилися і в інших роботах. Тому МЕК з обережністю призначив діапазони для різних класів ТСП. Навіть для класу В діапазон виміру був встановлений рівним 660 ° С.

Треба відзначити, що багато вчених спостерігали в ході своїх досліджень, що індивідуальна градуировочная функція в широкому діапазоні температур краще описується поліномами вищих ступенів - від 4 до 8 ступеня. У ряді робіт було запропоновано використовувати метод МТШ-90, тобто побудувати за результатами калібрування в точках діапазону вимірювань функцію відхилення від стандартного полінома МТШ-90 9-ої ступеня. Але яку б функцію ми не використовували, основне питання залишається: чи будуть робочі платинові термометри зберігати стабільність характеристики при роботі при високих температурах? Саме ця проблема дуже важлива при використанні робочих ЕЧП в еталонних термометрах 3-го розряду з індивідуальної градуювання, яких у нас в країні виробляється все більше і більше.

У дослідженнях, опублікованих в період розробки МТШ-90, основними причинами, що викликають втрату точності і стабільності платиновими термометрами при високих температурах називаються такі:

- виникнення напружень і деформацій в тонкій і м'якою платинової дроті при трясці і термоциклюванні,

- забруднення платини при високих температурах домішками з навколишнього засипки і корпусу,

- порушення герметичності капсули чутливого елемента, проникнення вологи в засипку ЧЕ і в результаті появу додаткового шунтирующего ЧЕ опору,

- падіння опору ізолюючого матеріалу між корпусом і висновками термометра і між парами висновків при високих температурах.

Саме в напрямку усунення цих причин нестабільності і має проводитися вдосконалення ТСП. І, як ми бачимо з патентів НВО «Термоприлад», саме ці проблеми і вирішувалися в їх винаходи.

У згаданій раніше роботі кровину, при повторній калібрування робочих термометрів з межею температур до 850 ° С спостерігався дрейф характеристики до декількох градусів, частина термометрів вийшла з ладу. Але не треба забувати, що ця робота відноситься до 1992 р Які сучасні досягнення? Зараз багато іноземні виробники заявляють для своїх платинових термометрів діапазон до 800 або навіть 1000 ° С. Дивіться, наприклад, доповідь Ядевіча А.І. про термометрах фірми Heraeus, опублікований на сторінці нашого сайту семінари / термометри опору . У цій доповіді для дротяних чутливих елементів серії КН сміливо заявлений діапазон до 1000 ° С. (Я зараз не говорю про плівкових термометрах, це інші технології і інша історія розвитку. Можливо, вони коли-небудь будуть конкурувати за верхньою межею з термопарами типу В. Але поки діапазон для дротяних термометрів ширше.) Однак заяви виробників не завжди підтверджуються на практиці . Періодично в журналах з'являються нові публікації про дослідження промислових ТСП різних фірм. Наприклад, з останніх робіт, в 2014 р в була опублікована стаття фінських дослідників під назвою «Калібрування промислових платинових термометрів опору до 700 ° С» (International Journal of Thermophysics (2014 року) 35: 668-680 O. Hahtela, M. Heinonen, H. Kajastie, M. Ojanen, K. Riski, R. Strnad «Calibration of Industrial Platinum Resistance Thermometers up to 700 ◦C»). У цій роботі досліджувалися як дротові, так і плівкові термометри. Були проведені тести на термоціклірованіе, на занурення і висновок термометрів з вимірюваного середовища, а також проведена калібрування і розрахунок індивідуальних функцій по методам КВД і МТШ-90. Які ж висновки? Термометри не підтвердили заявлену стабільність, зміна R (0) після випробувань було від 0,5 до 1,6 ° С, тобто всі термометри вийшли з класу допуску після випробувань.

Чи є зараз в Росії робочі платинові ЕЧП з діапазоном вище 660 ° С? Перегляд матеріалів останньої конференції «ТЕМПЕРАТУРА-2015» не дав результатів. Роботи по дослідженню ЕЧП і ТСП не доповідав. Якщо заглянути в каталоги виробників, то в каталозі НВО «Елемер» можна знайти робочі платинові термометри класу А до 450 ° С, В до 600 ° С, тобто все відповідно до ГОСТ 6651-2009 і не більше того. НВО «Вакууммаш» також чітко слід ГОСТу в призначенні діапазонів ТСП. Волгодонский «ЕТАЛОН» випускає термометри класів А, В, С з діапазоном до 500 ° С. Омський «ЕТАЛОН» також не перевищує межі 600 ° С для ТСП класу В. Виходить, що Україна (НВО «Термоприлад») нас сильно переганяє за діапазоном для робітників ТСП.

А чи потрібно боротися за підвищення межі температури для робітників ТЗ? Можливо, при температурах вище 650 ° С можна вже перейти до використання термопар? Наприклад, ніхросил-нісилові термопара першого класу при температурі 800 ° С має допуск 3,2 ° С. Для термопар це дуже хороша точність, але ймовірно це все, на що вони здатні через що виникає термоелектричної неоднорідності. У термометра опору потенціал по точності більше. Термометр опору може перевершити термопару по довговічності експлуатації і по довготривалої стабільності сигналу. Саме тому в згаданій вище роботі фінських дослідників була поставлена ​​мета використання ТСП з межею до 700 ° С на теплових вугільних електростанціях. Є й інші виробництва, де знадобилися б стабільні високотемпературні термометри опору.

Хто з наших виробників зможе продовжити роботи НВО «Термоприлад» і впровадити у виробництво ТСП до 1000 ° С? Такий дискусійне питання я хочу поставити в кінці цієї статті в рубриці «Полемічні нотатки».

Статті про термометрах опору на сайті:

Вибираємо електронний термометр на заміну ртутно-скляному

Вплив довжини термометра на результат перевірки в калібратори

За межами градуювання

Зразкову поведінку робочого термометра

Чи потрібно переплачувати за датчики температури і вологості?

Термопреобразователь проти термометра

Чи викликає довіру «довірча» похибка зразкових СІ?

Температура і різниця температур