Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Drift a doba života termoelektrických článků při vysokých teplotách

Radek Strnad a kol.

 
V článku jsou uvedeny některé poznatky získané během řešení společného výzkumného projektu HiTeMS – High temperature metrology for industrial applications, financovaného v rámci programu European Metrology Research Programme (EMRP). Odborníci z národních metrologických laboratoří z celé Evropy podílejících se na projektu pomáhají partnerům v průmyslu vytvořit sadu dokonalejších měřicích prostředků a metod k měření vysokých teplot v pásmu nad 1 000 °C. Laboratoře tvořící pracovní skupinu č. 2 se v rámci projektu věnují stanovení postupů k ověřování chování termoelektrických článků z obecných i vzácných kovů při vysokých teplotách blízkých jmenovitým mezním hodnotám. Cílem je stanovit soubor metod umožňujících přesně a objektivně ověřit krátkodobou i dlouhodobou stabilitu termoelektrických článků a dobu jejich provozního života, které budou organizací Euramet publikována jako veřejně dostupná procedura. K ověřování byla shromážděna sada termoelektrických článků různých typů a rozměrů od různých výrobců. Ty byly rozeslány do zúčastněných národních laboratoří k ověření stability a doby života. Termoelektrické články byly dlouhodobě vystaveny působení vysokých teplot při nepřetržitém sledování jejich driftu porovnáním s velmi stabilním termočlánkem Pt-Pd. V článku jsou spolu s popisem metod a zařízení použitých ve zkušebních laboratořích uvedeny vybrané výsledky experimentů.
 
Findigs presented in the article have been obtained in course of solving the joint research project HiTeMS funded by EU in the frame of European Metrology Research Programme (EMRP). The European National Metrology Institutes (NMIs) participating in this project assist industrial partners in developing new techniques and solutions to be implemented in the processes or to be applied to sensors and devices for measurement of temperatures higher then 1 000 °C. The NMIs forming project Work Group 2 focusses on determination of procedures for testing the behaviour of base and noble metal thermocouples at high temperatures near their operational limits. The aim is to establish a set of rigorous traceable techniques to enable lifetime testing and stability evaluation of thermocouples at these high temperatures, which will be published as publicly available procedure by Euramet. A set of thermocouples has been collected from different manufacturers all around Europe and dispatched to the participating NMIs for lifetime and stability testing. The thermocouples were aged for long periods of time and their drifts assessed continuously by comparison to an ultra-stable Pt-Pd thermocouple. In the article, the methods and facilities used by the test laboratories as well as some results of tests are presented.
 

1. Úvod

V roce 2011 byl konsorciem partnerů z různých zemí EU konstituován projekt s názvem High temperature metrology for industrial applications, zkráceně HiTeMS [1], financovaný z prostředků EU v rámci Evropského programu pro výzkum v oboru metrologie (European Metrology Research Programme – EMRP). Účelem projektu je vytvořit soubor dokonalejších měřicích prostředků a metod pro měření vysokých teplot v průmyslu, do 2 500 °C, s návazností na definiční teplotní stupnici ITS-90. Projekt zahrnuje témata jednak z oboru bezkontaktního měření, kterými jsou:
  • zajištění in-situ metrologické návaznosti ve vztahu k emisivitě materiálů a záření z okolí,
  • korekce při měření teploty přes okénko při teplotách nad 2 000 °C,
  • metrologická návaznost při měření teploty při vysokých teplotách zpracovávaného materiálu (laser, svařování),
a jednak tato témata z oboru kontaktního měření teploty:
  • stanovení driftu a životnosti termoelektrických článků z obecných a drahých kovů při vysokých teplotách,
  • samovalidace a validace in-situ čidel teploty při teplotách nad 2 000 °C,
  • stanovení referenční funkce pro nestandardní termoelektrické články (např. Rh-Ir).
Další informace o projektu HiTeMS lze nalézt na http://projects.npl.co.uk/hitems/.
 
Sledování vlivu doby vystavení termoelektrických článků z obecných i drahých kovů vysokým teplotám na jejich chování je důležitou součástí péče o měřicí zařízení v laboratořích i průmyslové praxi. Existuje mnoho analýz, které jsou proprietární (nedostupné k veřejnému použití) nebo poplatné jednomu typu, výrobci apod. Jednotlivé výsledky je obtížné porovnávat, protože neexistuje obecně platný dokument, který by harmonizoval zkušební metody zaměřené na zjišťování doby provozního života a driftu termoelektrických článků. Proto je jedním z plánovaných výstupů projektu HiTeMS veřejně dostupný dokument na úrovni organizace Euramet (European Association of National Metrology Institutes), který bude popisovat doporučené zkušební metody společně s návodem k jejich použití.
 
Mechanismus změn vlastností materiálů vodičů termoelektrických článků lze v jistých ohledech popsat pomocí chemických a mechanických zákonitostí, celkově však dosud nebyl uspokojivě vysvětlen. Jednotlivé vodiče termoelektrických článků jsou z čistého kovu (Pt, Au, Pd) nebo ze slitin kovů (při použití kovů jako Pt, Rh, Fe, Ni, Al, Cr atd.). Nacházejí se v oxidační atmosféře (obvykle vzduch) a jsou umístěny v keramické kapiláře, často obklopeny ochranným materiálem (různé oxidy kovů) a jako celek instalovány v ochranné trubici z kovových nebo keramických materiálů. Při vystavení uvedeného materiálu vyšším teplotám se tvoří oxidy a dochází k jejich rozkladu a k migraci jednotlivých iontů z vodičů termoelektrických článků a do nich. Ke změnám lokálního rozložení hodnot Seebeckova koeficientu, a tím ke změnám v chování termoelektrického článku přispívá také mechanické namáhání materiálu (pnutí v důsledku rozdílné teplotní roztažnosti apod.).
 
Proto je důležité o tato čidla, popř. snímače teploty náležitým způsobem pečovat, zejména při jejich expozici teplotám blízkým jejich jmenovitým mezním hodnotám.
 

2. Zkoušené termoelektrické články a zkušební zařízení

Ke zkouškám byly vybrány termoelektrické články z obecných, popř. drahých kovů podle tab. 1.
 
Jednotlivé termoelektrické články byly rozděleny mezi partnery sdružené v pracovní skupině č. 2, jimiž jsou:
  • Český metrologický institut, jmenovitě jeho Oblastní inspektorát Praha (ČMI OI Praha),
  • Laboratoire National de métrologie et d‘Essais – L‘Institut National de Métrologie/Conservatoire national des arts et métiers (LNE-INM/Cnam), Francie,
  • Slovenský metrologický ústav (SMÚ),
  • Ulusal Metroloji Enstitüsü – Tübitak (Tübitak UME), Turecko.
V každém institutu byla pro jednotlivé zkoušky použita různá zařízení. Například v ČMI OI Praha byla pro tento účel použita třízónová horizontální pec, zobrazená na obr. 1. Ve francouzském institutu zvolili speciální žíhací pec s větším počtem zón a s velmi dobrou axiální homogenitou teplotního pole θx(obr. 2). Přístrojové vybavení použité jednotlivými partnery je podrobněji popsáno v [2].
 

3. Metodika zkoušek

 

3.1 Rámec postupu

Na počátku práce byly sestaveny plány postupu při jednotlivých zkouškách. Jednotlivé metodiky byly postupně upravovány až do stadia, kdy byly přijaty širší skupinou partnerů a daly základ pro vznik dokumentu organizace Euramet o zkouškách termoelektrických článků. Ten je přístupný u vedoucího autora článku nebo, po zveřejnění dokumentu, na webových stránkách www.euramet.org.
 

3.2 Ověřování doby provozního života

K ověření doby provozního života je používán nový termoelektrický článek, který není kalibrovaný ani vyžíhaný. Ten se vloží do kalibrační pece se známým teplotním profilem vyhřáté na požadovanou teplotu, jež je volena na základě požadavků uživatele, popř. jako maximální možná teplota deklarovaná pro termoelektrický článek výrobcem zvýšená o 5 %. Hodnoty termoelektrického napětí článku a teploty v peci jsou periodicky měřeny. Měření je ukončeno, nastane-li některá z těchto událostí:
a) je přerušeno vedení termoelektrického článku,
b) odchylka od údajů v normě EN IEC 60584 překročí toleranční limit pro danou třídu termoelektrického článku [3].
 

3.3 Ověřování driftu a stability

 
3.3.1 Požadavky na termoelektrický článek
Drift a stabilita s časem jsou ověřovány u termoelektrického článku řádně kalibrovaného a vyžíhaného. Sledována
je stabilita krátkodobá i dlouhodobá.
 
3.3.2 Ověření krátkodobé stability
Při ověřování krátkodobé stability termoelektrického článku je postupováno takto:
  1. Je kalibrován termoelektrický článek při maximální teplotě jeho použití a je změřena jeho homogenita.
  2. Termoelektrický článek je vložen do kalibrační pece se známým teplotním profilem vyhřáté na požadovanou teplotou volenou podle požadavků uživatele, popř. jako maximální možná teplota deklarovaná výrobcem pro krátkodobé použití termoelektrického článku.
  3. Doba trvání zkoušky je nejdéle osm hodin.
  4. Je kalibrován termoelektrický článek při maximální teplotě jeho použití (ad 1).
  5. Kroky ad 3 a 4 jsou opakovány třikrát.
3.3.3 Ověření dlouhodobé stability
Postup při ověřování dlouhodobé stability termoelektrického článku je tento:
 
1. a 2. První dva kroky jsou provedeny stejně jako při ověřování krátkodobé stability
3. Doba trvání zkoušky je minimálně čtyři měsíce.
4. Termoelektrický článek je kalibrován při maximální teplotě jeho použití: první měsíc každý týden a následně každé
dva týdny.
5. Měření je ukončeno, jestliže:
a) vypršela stanovená doba,
b) je přerušeno vedení termoelektrického článku,
c) odchylka překročila toleranční limit pro danou třídu termoelektrického článku podle normy EN IEC 60584.
 

4. Výsledky měření

Každá ze spolupracujících laboratoří má k dispozici velké množství údajů, které jsou v současné době intenzivně analyzovány. S ohledem na omezený rozsah článku jsou v dalším textu uvedeny pouze některé typické výsledky. Další informace lze získat u vedoucího autora článku, popř. v materiálech ze závěrečného workshopu projektu, který se uskutečnil 15. května 2014 v Paříži (www.euramet.org/index.php?id=emrp_events).
 
Výsledky měření doby provozního života termoelektrických článků ukázaly silnou korelaci doby života s maximální teplotou a s průměrem termoelektrického článku. Typický časový drift čtyř termoelektrických článků je uveden na obr. 3.
 
Trochu zajímavější proces lze sledovat na obr. 4, kde je ukázáno chování dvou termoelektrických článků typu N v okamžiku přerušení vodivého spojení. V tomto konkrétním případě se pravděpodobně svařily dva články dohromady a byl vytvořen nový článek. Různý charakter mechanického poškození termoelektrických článků po ukončení zkoušek doby jejich provozního života je patrný z fotografií na obr. 5.
 
Při zjišťování krátkodobého i dlouhodobého chování jednotlivých termoelektrických článků bylo nashromážděno mnoho údajů a informací, které jsou postupně podrobně analyzovány, jak dokládají dále uvedené příklady.
 
Typický průběh driftu termoelektrických článků v čase je ukázán na obr. 6. Z naměřených údajů lze zjistit a matematicky vyjádřit drift ověřovaných termoelektrických článků vzhledem k referenčnímu velmi stabilnímu termočlánku Pt-Pd (obr. 7). Pro jednotlivé typy termoelektrických článků byla určena závislost driftu na průměru termočlánku a působící teplotě (obr. 8).
 
U termoelektrických článků z drahých kovů byly zjištěny drifty výrazně menší, jak např. ukazuje výsledek měření krátkodobého driftu při teplotě 1 720 °C (obr. 9). Výsledek dlouhodobého ověřování čtyř termoelektrických článků typu B je ukázán na obr. 10.
 

5. Závěr

V článku jsou představeny vybrané výsledky společného projektu HiTeMS několika národních metrologických institutů, jehož účelem je určit harmonizovanou sadu metod pro zjišťování vlastností termoelektrických článků z obecných a drahých kovů od různých výrobců. Jednotlivé šarže termoelektrických článků byly distribuovány do zúčastněných laboratoří a podle předem dohodnutého algoritmu byla ověřována jejich krátkodobá a dlouhodobá stabilita (drift v čase). Byly shromážděny údaje o stabilitách termoelektrických článků různých typů a různých průměrů od různých výrobců a určeny příslušné regresní
závislosti. Uvedený algoritmus byl použit jako základ obecného postupu (Euramet Guide), určeného k použití širokou technickou veřejností. Při použití tohoto postupu bude možné porovnávat výsledky měření vykonaných jednotlivými uživateli a výrobci a vybírat vhodné velikosti a typy termoelektrických článků v závislosti na způsobu jejich použití.
 
Poděkování
Tato práce je součástí evropského výzkumného programu v oboru metrologie (EMRP), společně financovaného zúčastněnými zeměmi v rámci organizace Euramet a EU.
 
Literatura:
[1] (rs): Projekt HiTeMS. Automa, 2011, ročník 17, č. 11, s. 49.
[2] FAILLEAU, G. et al.: Investigation of the drift of a batch of base metal thermocouples at high temperature. In: Sborník z konference Symposium on temperature and thermal measurements in industry and science – Tempmeko 2013, 14–18. October 2013, Madeira, Portugal, Abstracts book. ISBN 978-972-8574-15-4.
[3] EN 60584-1 Thermocouples. Part 1: Reference tables (1995). Ref. No. EN 60584-1:1995.
 
Radek Strnad (rstrnad@cmi.cz),
Michal Jelínek,
oddělení primární metrologie tepelně-technických
veličin – FM, ČMI OI Praha;
Guillaume Failleau, Thierry Deuzé Mohamed
Sadli, LNE-INM/Cnam, Francie;
Narcisa Arifovic, Ahmet Diril, Tübitak
UME, Turecko;
Peter Pavlasek, SMÚ, Slovensko;
Mark Langley, Meggit, Velká Británie;
Jonathan V. Pearce, NPL, Velká Británie
 
Obr. 1. Horizontální třízónová trubková pec pro zkoušky termoelektrických článků v laboratoři ČMI OI Praha
Obr. 2. Horizontální žíhací pec LNE-INM/Cnam: a) schéma uspořádání pece (x – osová vzdálenost od středu pece), b) typický
teplotní profil při jmenovité teplotě θ0= 1 200 °C (převzato z [2])
Obr. 3. Časový záznam stability čtyř vybraných termoelektrických článků při měření doby jejich provozního života (vertikální
čáry vymezují dobu po jednotlivých dnech)
Obr. 4. Detailní pohled na proces ukončení doby života dvou termoelektrických článků typu N, průměr 3 mm (teplota 1 250 °C)
Obr. 5. Fotografie termoelektrických článků po ukončení zkoušek doby provozního života z důvodu mechanického poškození
Obr. 6. Stabilita termoelektrických článků typu K při teplotě 1 100 °C (vodorovné linie reprezentují hladiny referenčních
odchylek podle normy; obvod termoelektrického článku SN 21 byl přerušen 13. 5.)
Obr. 7. Drift termoelektrických článků z obecných kovů vzhledem k referenčnímu termočlánku Pt-Pd při určité teplotě a jeho lineární regrese (převzato z [2])
Obr. 8. Závislost driftu termoelektrického článku typu N na jeho průměru při teplotě 1 300 °C (převzato z [2])
Obr. 9. Krátkodobý drift termoelektrického článku typu B při 1 720 °C, společně s jeho homogenitou (TC – termoelektrický článek)
Obr. 10. Drift termoelektrických článků typu B v čase při teplotě 1 600 °C (TC – termoelektrický článek)
Tab. 1. Projekt HiTeMS: prováděné zkoušky (při teplotě/teplotách) a použitá provedení a počty termoelektrických článků