научная статья по теме ПАДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТЕРМОПАР ТИПА N В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ВЫШЕ 800 °C Метрология

Текст научной статьи на тему «ПАДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТЕРМОПАР ТИПА N В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКЕ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ВЫШЕ 800 °C»

Падение электрического сопротивления изоляции термопар типа N в металлической оболочке при температурах выше 800 X

М. У. ХАСТИНГС, ДЖ. В. ПИАРС, Г. МАЧИН

Национальная физическая лаборатория, Теддингтон, Великобритания,

e-mail: jonathan.pearce@npl. co. uk

Приведены результаты исследования уменьшения электрического сопротивления изоляции двух термопар типа N диаметрами 1,5 и 3 мм, вложенных в металлический чехол с неорганической изоляцией, в диапазоне температур 850—1100 °C.

Ключевые слова: термопара, электрическое сопротивление изоляции.

The result of study of drop of insulation electrical resistance of two type N thermocouples with diameters 1,5 and 3 mm placed in metal case with inorganic insulation at temperatures 850—1100 °C are presented. Key words: thermocouple, insulation electrical resistance.

Термопары — устройства, которые хорошо подходят для измерения высокой температуры, но при температуре ниже приблизительно 600 °С их часто заменяют платиновыми термопреобразователями сопротивления из-за превосходящих точности и воспроизводимости последних. Термопара состоит из двух термоэлектродов разнородных металлов, соединенных на одном конце в измерительный спай, который погружают в горячую среду, а другие два конца находятся при известной постоянной температуре. Электродвижущую силу (ЭДС) Зеебека, возникающую из-за температурного градиента, измеряют между свободными концами; она будет соответствовать отсчету температуры. Термопары типа N широко используются в промышленности и постепенно становятся доминирующими по сравнению с термопарами типа К в диапазоне температур от -270 до 1300 °С. В термопарах типа N положительный термоэлектрод представляет собой соединение нихросил (никель-хром-кремниевый сплав) и отрицательный термоэлектрод — нисил (никель-кремний-магниевый сплав); в термопарах типа К положительный термоэлектрод — сплав никель-хром и отрицательный — сплав никель-алюминий. Термопары типа N имеют преимущество, поскольку используемые в них соединения более стойкие к окислению и кристаллографическим изменениям и, следовательно, менее подвержены дрейфу [1—3]. Для большей степени защиты электроды термопары обычно вставляют в металлический чехол с неорганической изоляцией (МЧНИ) преимущественно в виде порошка МдО (или А1203 для температуры выше примерно 1100 °С).

Иногда пользователи термопар в промышленности прикладывают напряжение смещения между термоэлектродами и чехлом, как показано на рис. 1, чтобы предотвратить или подавить движение ионов металла к термоэлектродам и, следовательно, поддержать чистоту термоэлектродов и качество термопары [4]. Однако эта практика спорна, поскольку известно и было показано в [5, 6] для высокотемпературных платиновых термопреобразователей сопротивления, что при высоких температурах и в термопарах происхо-

дит утечка по изоляции. Этот эффект требует тщательного рассмотрения на огнеупорных термопарах, например, воль-фрам-рениевого типа [7]. Цель настоящего исследования — описать эффект утечки при приложении напряжения смещения и, таким образом, непосредственно проверить, становится ли изоляция проводящей. В таком случае подача напряжения смещения нецелесообразна, так как из-за ухудшения изоляции усугубляются многие погрешности.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Для получения необходимой высокой температуры использовали печь типа TSV 18/15/100 фирмы Elite Thermal Systems Ltd. Ее максимальная температура 1800 °C, длина горячей зоны 100 мм. Рабочая труба выполнена из Al203 и имеет внутренний диаметр 15 мм. Применяли две термопары типа N фирмы TC Ltd. с изоляцией из MgO и чехлами из нержавеющей стали диаметрами 1,5 и 3 мм. Использование чехлов разных диаметров позволяет исследовать влияние различной толщины изоляции. Глубина погружения термопар в рабочую трубу 240 мм. Устанавливали шесть значений температуры в диапазоне 850 — 1100 °C с шагом 50 °C. Напряжение смещения задавали и изменяли при помощи источника питания модели PL310QMD фирмы Thurlby Thandar. Его клеммы соединяли медными проводами, изолированными поливинилхлоридом, с чехлом термопары и одним из термоэлектродов, что создавало электрическую цепь с изоляцией MgO, представляющей основную нагрузку, тогда как термоэлектроды, медные провода и эталонный резистор в плече сравнения имеют незначительные сопротивления.

При каждой температуре появляющуюся на термопаре ЭДС измеряли нановольтметром Keithley 2182A, а силу тока смещения в цепи находили по падению напряжения, измеренному цифровым мультиметром Keithley 195A на эталонном резисторе сопротивлением 1 0м. По результатам этих измерений вычисляли сопротивление изоляции. Свободные концы термопары были удлинены медными проводами в тонких кварцевых трубках, которые погружали в смесь воды

со льдом в сосуде Дьюара и поддерживали при 0 °С. Программа, регистрирующая данные, записывала ЭДС термопары, а силу тока фиксировали вручную.

Различие между ЭДС термопары с приложенным напряжением смещения исм и без него назовем «погрешность изоляции». Чтобы исследовать влияние исм, на термопару подавали ряд напряжений в пределах ± 20 В. Положительное напряжение вызывало положительную погрешность изоляции (увеличение ЭДС), а отрицательное — отрицательную (уменьшение ЭДС).

При каждой температуре к каждой термопаре прикладывали исм, начиная с +20 В, и давали отсчету стабилизироваться. Напряжение смещения уменьшали через интервал 2 В до нуля. Затем подводящие провода переключали, при этом исм изменялось на -20 В. После того, как сигнал термопары становился стабильным, напряжение изменяли через интервал 2 В до нуля. Результаты записывали, когда исчезало изменение регистрируемого сигнала, т. е. когда происходила стабилизация. Эта процедура была выполнена для обеих термопар при шести температурах: 850, 900, 950, 1000, 1050 и 1100 °С.

Каждое новое значение исм прикладывали в течение, по крайней мере, 2 мин. Если оказывалось, что сигнал термопары был устойчив, измерение считалось выполненным, и подавали следующее значение исм. В течение этих 2 мин три раза снимали по три последовательных отсчета. Для сигнала при отсутствии исм вычисляли среднее из трех серий данных: в начале и конце эксперимента, между приложением положительных и отрицательных значений исм. После того, как были рассчитаны средние значения результатов, для преобразования ЭДС в температуру использовали номинальную статическую характеристику термопары типа N [8]. Вычисляли отклонение отсчитываемой температуры от температуры при нулевом смещении (т. е. погрешность изоляции), а сопротивление цепи утечки определяли по закону Ома, поскольку напряжение и сила тока были известны.

На рис. 3, 4 показано, как сдвиг температуры ЛТ, обусловленный погрешностью изоляции, меняется в зависимости от исм для термопар диаметрами 3 и 1,5 мм при разных температурах печи Тп. На рис. 5 продемонстрировано изменение сопротивления изоляции для этих двух термопар при изменении температуры печи.

Как следует из рис. 3, а—г, с ростом исм при данной температуре печи погрешность изоляции увеличивается, причем значительно больше для тонкой термопары. Эти зависимости можно считать приблизительно линейными, лишь в кривой на рис. 3, а проявляется измерительный шум, превышающий погрешность изоляции. Причина отклонения от неизменного сигнала состоит в том, что, когда температура увеличивается, сопротивление изоляции экспоненциально уменьшается, как следует из рис. 5. Нарушения неорганической изоляции объясняются тем, что ее электроны при высокой температуре переходят в зону проводимости, таким образом создавая проводящую среду.

Сдвиг температуры ЛТ при Тп < 850 °С практически отсутствует независимо от поданного исм (см. рис. 4).

Рис. 1. Поперечное сечение термопары. Пунктиром показано размытие локализации измерительного спая, когда изоляция становится проводящей

Однако с ростом Тп он существенно увеличивается, особенно для термопар меньшего диаметра. Форма кривых на рис. 4, б хорошо описывается полиномом третьей степени.

Первоначально было отмечено, что, когда исм = +20 В, стабилизация отсчета требовала некоторого времени. Приблизительно через полчаса сила тока и ЭДС термопары увеличивались или уменьшались, приходя к устойчивым значениям. Такую временную зависимость трудно объяснить, но, возможно, в этом участвуют поляризация или емкостные эффекты. Из рис. 6 следует, что сопротивление изоляции зависит от полярности исм.

Теперь рассмотрим простую модель оценки возможного влияния этого явления на погрешность измерения термо-

Рис. 2. Экспериментальная установка: ПК — персональный компьютер; МЧНИ — металлический чехол с неорганической изоляцией

Рис. 3. Зависимости сдвига температуры ЛТ, обусловленного погрешностью изоляции, от исм для термопар диаметрами 3 мм (а, е) и 1,5 мм (б, г) при температурах печи

850 °С (а, б) и 1100 °С (е, г)

пары. Когда термопара помещена в печь, наблюдается температурный градиент вдоль проводов, который вызывает разность потенциалов между ними. Если известны зависимости тока утечки от исм, то можно оценить погрешность изоляции термопары и даже предсказать поправку к ее ЭДС.

Это возможно аппроксимацией полиномиальной функцией зависимости погрешности изоляции от температуры печи Тп для данного напряжения исм (с целью экстраполяции к максимальной температуре термопары типа N в диапазоне 1100 — 1300 °С) и последующим линейным масштабированием погрешности изоляции (в предположении линейной зависимости от исм) к тому значению ЭДС термопары типа N. какое было бы при той же Тп. Другими словами, изменение исм в пределах ± 20 В дает погрешность изоляции порядка десятков градусов, тогда как поправка к ЭДС

термопары при Тп > 850 °С составляет около 20 мВ. Можно ожидать и пропорционального уменьшения погрешности изоляции.

Предполагаемые неопределенности результатов измерений температуры из-за утечек через изоляцию термопар разных диаметров приведены на рис. 7. Для термопары диаметром 3 мм предсказанное влияние утечек весьма незначительно (менее 1,2 °С). Отметим, что полученные результаты вполне согласуются с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.