Errores y precauciones en la medición del termopar

Resumen: Los termopares son uno de los sensores de temperatura más simples y comunes. Sin embargo, si no se toma en serio durante el uso, puede provocar errores de medición mayores. Teniendo en cuenta los problemas existentes, los principales factores que afectan los errores de medición incluyen la profundidad de inserción del termopar, el tiempo de respuesta, la radiación térmica y la impedancia térmica, así como cables de termopar desiguales, errores de flujo en termopares blindados, oxidación selectiva de termopares tipo K, estado K. , atmósfera operativa, resistencia de aislamiento y degradación de termopares. Se deben tomar precauciones durante el uso. Para mejorar la precisión de la medición y extender la vida útil de los termopares, resulta útil hasta cierto punto.
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En los sistemas de medición de temperatura existentes, el sensor de temperatura más utilizado: el termopar, debido a su estructura simple, a menudo se confunde con "termopar con dos cables conectados a un gabinete", pero en realidad no lo es. Aunque la estructura de los termopares es simple, todavía pueden surgir varios problemas durante su uso. Por ejemplo, la instalación o el uso incorrectos pueden causar mayores errores de medición, e incluso las pruebas calificadas de termopares pueden deberse a una operación incorrecta y fallas, como la carburación en una atmósfera reductora. Si no se toman en serio, los termopares tipo K también pueden exceder las tolerancias debido a la oxidación selectiva.
Para mejorar la precisión de las mediciones, reducir los errores de medición y extender la vida útil de los termopares, los usuarios no solo deben tener habilidades de operación de instrumentos, sino también conocimientos de física, química y materiales. Basado en años de práctica y referencias más detalladas a información relevante, los errores de medición de los termopares y sus medidas preventivas.
2. Efecto de heterogeneidad de los cables de termopar.
(1) El material del termopar en sí es desigual
Los termopares se prueban en la sala de medición y, según las reglas, la profundidad de inserción en el horno de prueba es de solo 300 mm. Por lo tanto, los resultados de la prueba de cada termopar solo pueden reflejar o reflejar el comportamiento a partir de la medición del cable del termopar de 300 mm de largo. Sin embargo, cuando la longitud del termopar es larga, la mayoría de los cables dobles se encuentran en la zona de alta temperatura. Si el cable del termopar es uniforme, según la regla del bucle uniforme, los resultados de la medición son independientes de la longitud. Sin embargo, los cables de termopar desiguales, especialmente los cables de termopar metálicos de baja calidad, pueden generar fuerzas electromotrices termoeléctricas locales bajo gradientes de temperatura, conocidas como fuerzas electromotrices parásitas. El error causado por el potencial parásito se llama error de heterogeneidad.
En los programas de validación existentes para metales preciosos y termopares de baja aleación, aún no se ha proporcionado la heterogeneidad de los termopares, y solo en los estándares de alambres para termopares los alambres para termopares tienen algunos requisitos desiguales. Calcule la fuerza electromotriz térmica utilizando el método de prueba de cabeza a cola. Las plantas de producción de cables para termopares convencionales generan fuerza electromotriz termoeléctrica desigual de acuerdo con los estándares nacionales para cumplir con los requisitos del producto.
(2) Los cables del termopar están hechos de diferentes materiales.
Para los termopares del nuevo sistema, incluso si la FEM térmica desigual puede cumplir con los requisitos, el procesamiento repetido puede provocar distorsión de los termopares doblados procesados, lo que perderá uniformidad. Además, debido al uso prolongado de cables pares a altas temperaturas, como los termopares insertados en hornos industriales, se degradarán o incluso se cablearán en la dirección del cable largo. A medida que aumenta la temperatura, aumentará la degradación. Cuando el componente se encuentra en un lugar donde el gradiente de temperatura disminuye, también puede generar una fuerza electromotriz superpuesta al EMF térmico total debido a errores de medición parásitos.

3. Error de derivación de termopares blindados.
(1) Error de desvío
El horno de carburación del Grupo Huaju equipado con termopares blindados solo está permitido durante una semana. Para explorar las razones, el autor fue al sitio para una inspección y no encontró anomalías, por lo que tuvieron que tomar los resultados de las pruebas de la sala de mediciones y descubrieron que estaban calificados. ¿Entonces, cuál es el problema? Finalmente, con base en las características en sitio de los termopares instalados, se encontró que el problema fue causado por una desviación incorrecta de los termopares blindados.
El llamado error de derivación se mide mediante termopares blindados. Cuando la temperatura de la parte media del termopar excede los 800 grados C, debido a la disminución de la resistencia de aislamiento, el termopar indica un fenómeno anormal, que se denomina error de derivación. Según el principio del circuito uniforme, la medición de la temperatura del termopar solo está relacionada con la temperatura en ambos extremos de la medición y de referencia, y es independiente de la distribución de temperatura en el medio. Sin embargo, debido al hecho de que el aislamiento de los termopares blindados es polvo de MgO, la temperatura aumenta 100 grados C y la resistencia del aislamiento disminuye en un orden de magnitud. Cuando la parte media está a alta temperatura, debe haber una corriente de fuga, lo que resulta en un error de bifurcación en el potencial de salida del termopar.
(2) Condiciones de error de desvío
Termopar blindado insertado en el horno, especificaciones y condiciones experimentales: diámetro ф 4,8 mm, 25 m de largo, con una longitud de zona de calefacción central de 20 my una temperatura de 1000 grados. En este experimento, la diferencia de temperatura entre la medición del termopar y la sección central es de 200 grados. Si la temperatura en el extremo de medición es mayor que la parte media, se producirá un error negativo; Por el contrario, se genera un error positivo. Si la diferencia de temperatura entre los dos es de 200 grados C, el error de desvío es de aproximadamente 100 grados C. Esto no se puede ignorar, ya que factores como las condiciones de error de derivación y el tipo y diámetro de los termopares blindados [2]
Los factores que influyen y las contramedidas del error de desvío
Es necesario comprender los factores que influyen en los errores de desvío y tomar las medidas adecuadas para reducir o eliminar el impacto de los errores de desvío. Los resultados indican que el error de derivación de los termopares blindados es causado por la alta temperatura.
(1) Diámetro del termopar blindado
Para termopares blindados tipo K con una longitud de 9 m (aislamiento de MgO), solo se calienta la parte media del termopar. Los resultados experimentales muestran que la magnitud del error de desvío es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su diámetro (el diámetro es demasiado pequeño para cumplir con esta regla), lo que significa que cuanto menor es el diámetro, mayor es el error de desvío.
Cuando la temperatura central supera los 800 grados, los termopares blindados de 3,2 mm pueden producir errores de derivación. Sin embargo, ф 6,4 mm y ф Cuando la temperatura media del termopar blindado de 8 mm es de 900 grados, el error de derivación aún no se ha detectado. aproximadamente ф 6,4 mm (diámetro de la línea directa de Φ 1,4 mm) y ф 8 mm (el diámetro del cable calefactor es ф Un termopar blindado de 2,0 mm genera un diámetro cuando la temperatura en la parte media es de 1100 grados ф termopar blindado de 8 mm. El error de desvío es solo ф La mitad de 6,4 mm. El valor (50 %) está cerca del cuadrado del diámetro del cable de dos termopares blindados (1,42/2,02), así como de la relación cuadrada del diámetro del cable del electrodo, que es la relación de resistencia del electrodo del cable. Por lo tanto, para reducir los errores de desvío, se debe seleccionar el diámetro del termopar blindado.

(2) Temperatura de la sección media
Si la temperatura en la parte media supera los 800 grados, puede haber un error de desvío y su tamaño aumentará exponencialmente con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, excepto el extremo de medición, se deben evitar otras partes por encima de 800 grados tanto como sea posible.
1) La longitud y posición de la zona de calentamiento en la sección media.
Cuando la temperatura en el medio de la zona de calentamiento es superior a 800 grados, cuanto más larga sea la zona de calentamiento y más lejos esté del extremo de medición, mayor será el error de desvío. Por lo tanto, la longitud de la tira calefactora debe ser lo más corta posible y no debe calentarse desde el extremo de medición para reducir los errores de desvío.
(3) Resistencia de los cables del termopar
Cuando el diámetro del termopar enfundado es el mismo, el error de derivación aumentará a medida que aumenta la resistencia del cable del termopar. Por lo tanto, es mejor utilizar cables de termopar de pequeña resistencia. Por ejemplo, en comparación con los termopares tipo K, los termopares blindados tipo S con el mismo diámetro reducirán el error de derivación en un 40 %. Por lo tanto, se pueden utilizar termopares tipo S para medir la distribución del campo de temperatura del horno, lo cual es costoso pero más preciso.
(4) Resistencia de aislamiento
A altas temperaturas, la resistividad de los óxidos disminuye exponencialmente al aumentar la temperatura. El error de derivación depende principalmente de las características de aislamiento de los componentes de alta temperatura. Cuanto menor sea la resistencia de aislamiento, más fácil será el error de derivación. Cuando la resistencia de aislamiento aumenta 10 veces o disminuye a 1/10, el error de derivación disminuirá a 1/10 o 10 veces. Para reducir los errores de desvío, se deben utilizar termopares blindados tanto como sea posible para aumentar el espesor del aislamiento. Si las medidas anteriores no resultan efectivas, se deben utilizar termopares ensamblados.
5. Cambios estructurales ordenados de corto alcance (estado K)
Los termopares tipo K, en el rango de temperatura de 250 grados -600 grados, forman estructuras ordenadas de corto alcance debido a cambios en su microestructura, que pueden afectar el potencial termoeléctrico y el error, conocido como estado K [3]. Se trata de un cambio de red único en la aleación de Ni Cr. Cuando el contenido de Cr está dentro del rango de 5-30%, hay una transición de desorden ordenada en la red atómica. Errores provocados por cambios en el contenido de Cr y la temperatura. Caliente el termopar tipo K de 300 grados a 800 grados y retírelo en un punto de 50 grados para medir el potencial. A 450 grados, la desviación máxima alcanza los 4 grados y, dentro del rango de 350-600 grados, es una desviación positiva. Debido a la presencia del estado K, los resultados de las pruebas de aumento de temperatura o enfriamiento de los termopares tipo K son inconsistentes. Por lo tanto, en el programa de verificación de termopares de bajo costo se especifica claramente que la secuencia de prueba es: prueba de temperatura punto por punto desde baja temperatura hasta alta temperatura. Además, en el punto de prueba de 400 grados, no sólo el efecto de transferencia de calor es pobre y es difícil lograr el equilibrio térmico, sino que también ocurre dentro del rango máximo de error del estado K. Por lo tanto, juzgue cuidadosamente si el punto está calificado.
El fenómeno de los cambios estructurales ordenados de corto alcance en las aleaciones de Ni Cr no sólo existe en los termopares tipo K sino también en el electrodo positivo de los termopares tipo E. Sin embargo, el termopar tipo E es solo 2/3 del tipo K como variación. En resumen, el estado K está relacionado con la temperatura y el tiempo, y la desviación cambiará mucho cuando cambie la distribución de temperatura o la posición del termopar. Es difícil evaluar con precisión la magnitud de la desviación.