Correcting the errors due to drift and due to acquired thermoelectric inhomogeneity in the thermocouple with controlled profile of temperature field

: pp. 99-109
Lviv Polytechnic National University, Department of Measuring Information Technologies

Thermocouples are the most popular sensors of temperature used in measuring praxis for temperatures in the range 600–2500 ºC, in spite of their drawbacks. The most important among them is their error, which is often too big for many cases in industry and science. The total error of thermocouples is much greater than that of their measurement channels. The main errors proper for thermocouples are as follows: 1. Considerable initial deviation of their conversion characteristic (CC) from the nominal one. The likely deviation in CC for the most popular type of thermocouples (type K) may reach 5,5 °C at 600 °C and 8 °C at 1100 °C. 2. Considerable drift of CC during operation at high temperatures, that is a change of CC in time. It may vary in the range of 0,5 °C to 10 °C for the mentioned above type K of thermocouples during 1000 hours at 600 °C or at 1100 °C respectively. 3. Thermoelectric inhomogeneity of thermocouple legs acquired during operation at high temperatures. The error due to inhomogeneity may reach 10 °C when measuring 1100 °C during 1000 hours using type K thermocouples, or even more in some cases. The error due to acquired inhomogeneity stems from changes in thermocouple legs at high temperatures in time. These changes are caused by the effect of chemical and physical processes (such as oxidation, diffusion, recrystallization etc.) in legs. If a thermocouple is split into imaginative sections, each section operates at its own temperature. That is the reason why, during prolonged operation, CC of each section changes in time in accordance with its particular operating temperature. If the temperature field along the thermocouple legs changes, the temperatures of each section changes correspondingly. Therefore, the error of each section is not constant, so the total error of a thermocouple varies even when the temperatures of the measuring and the reference junctions remain constant. This is an appearance of the error due to thermoelectric inhomogeneity when the developed emf depends on the distribution of temperature along thermocouple legs. Many researchers consider that it is the main reason of thermocouple error. Sometimes the high thermocouple error after extended use is thought to be inevitable and impossible to correct. However, recent studies have discovered new methods for decreasing the influence of the error due to acquired inhomogeneity on measurements of temperature using thermocouples. There are three stages of understanding of the error due to inhomogeneity during the history of thermocouples. The first stage began in 1906, when the problem of the inhomogeneity in thermocouples was posted. Since then the problem has been studied by various researchers. In 1976 professor Kirenkov drawn conclusion that inhomogeneous thermocouples cannot be used in measuring praxis because of a big error which is impossible either to correct orcompensate. No methods how to deal with the error due to acquired during operation inhomogeneity were suggested.This is the second stage of the problem – direct prohibition of use of inhomogeneous thermocouples. The third stage began in 1984, when some methods of correction for the error due to inhomogeneity were suggested. The first of them was thermocouple calibration in situ, or in a temperature field similar to that of operation. Also the method for computation of the thermocouple error in an operating conditions based on the thermocouple calibration in a laboratory was suggested in the same year. However, the most effective method for compensating the error due to inhomogeneity was suggested in 2006. The idea of the method is to stabilize a temperature field along a thermocouple using additional subsystems for temperature control. Implementation of the method requires a new sensor which was suggested in 2006 and was called the thermocouple with controlled profile of temperature field. This is the third stage of the problem. At this stage some effective methods to compensate the error due to inhomogeneity were suggested. This paper suggest the next stage, that is the fourth one, which implies development of the method suggested in 2006 and the thermocouple with controlled profile of temperature field. The idea of the stage is to use thermoelectric inhomogeneity of thermocouples to assess the metrological properties of thermoelectric thermometers.


1. Вимірювання температури: теорія та практика / Луцик Я. Т., Гук О. П., Лах О. І, Стадник Б. І. – Львів: Бескид Біт, 2006. – 560 с. 2. Kortvelyessy L. Thermoelement Praxis / Kortvelyessy L. – Vulkan-Verlag, Essen, 1981. – S. 498. 3. IEC 60584-2-am1 (1989-06) Amendment 1 – Thermocouples. Part 2: Tolerances Maintenance Result Date: 2012. 4. Саченко А. А. Совер- шенствование методов измерения температуры / А. А. Саченко, Е. Я. Твердый. – К.: Технiка, 1983. – 104 с. 5. Brignell J. Digital compensation of sensors / E. J. Brignell // Scientific Instruments. – 1987. – 20. Nо. 9. – P. 1097–1102. 6. Кочан О. В. Оцінка максимальної по- хибки неоднорідних термопар / О. В. Кочан, Р. В. Ко- чан, В. Я. Яскілка, Н. М. Васильків // Вісник Тер- нопільського державного технічного університету. – 2007. – № 1. – C. 122–129. 7. Рогельберг Н. А. Изменения термоэлектрической силы проволок из хро- меля и алюмеля при нагреве на воздухе при 800 °С про- должительностью до 10000 ч. Т. ІІІ / Рогельберг Н. А., Пигидина Э. Н., Покровская Г. Н. и др. // Исследование сплавов для термопар / Труды института Гипроцветметобработка. – М.: Металлургия, 1969. 8. Саченко А. А. Разработка методов повышения точности и создание систем прецизионного измерения температуры для промышленных технологий: дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.16 / Саченко Анатолий Алексеевич. – Ленинград, 1988. – 278 с. 9. Kochan V. Instrumentation for Data Gathering / V. Kochan, A. Sachenko, V. Turchenko // IEEE Instrumentation and Measurement Magazine. – 2003. – Vol. 6. – No. 3. – P. 34–40. 10. Саченко А. А. Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами / А. А. Саченко, В. Ю. Мильченко, В. В. Кочан. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 96 с. 11. Rudtsch S. Stray Thermal Influences in Zinc Fixed-Point Cells / S. Rudtsch, A. Aulich, C. Monte // Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, Volume 8, AIP Conf. Proc. – 2013. – No. 1552. – С. 265–270. 12. White W. P. The constancy of thermoelements / W. P. White // Physical review. – 1906. – No. 23. – С. 449–474. 13. Southworth D. J. Temperature Calibration with Isotech Block Baths / D. J. Southworth– Handbook of Isothermal Corporation Limited, 1999. 14. Датчики для измерения температуры в про- мышленности / Г. В. Самсонов, А. И. Киц, О. А. Кюздени и др. – К.: Наукова думка, 1972. – 223 с. 15. Yang Q. Investigation of Thermocouple’s Drift Speed Influence on Error of their Heterogeneity Correction / Q. Yang, R. Kochan // Sensors and Transducers. – 2013. – No. 160. – С. 514–521. 16. Васильків Н. М. Підвищення точності вимірювання температури термопарами в процесі експлуатації: дис. … канд. техн. наук: спец. 05.11.04 “Прилади та методи вимірювання теплових величин”/ Н. М. Васильків – Львів, 2010. – 158 с. 17. Su J. The mechanism of the occurrence of acquired thermoelectric inhomogeneity of thermocouples and its effect on the result of temperature measurement / J. Su, O. Kochan // Measurement techniques. – 2014. – No. 57. – С. 1160–1166. 18. Sloneker K. C. Thermocouple inhomogeneity / K. C. Sloneker // Ceramic industry. – Vol. 159. – Issue 4. – April 2009. P. 1318. 19. Бейлин В. М. Влияние термоэлектрической неоднородности на гра- дуировочную характеристику термопар / В. М. Бей- лин // Исследование сплавов для термопар. – М.: Металлургия, 1976. – С. 87–95. 20. Киренков И. И. Некоторые законы термоэлектрической неоднород- ности/ И. И. Киренков // Исследование в области температурных измерений: сб. трудов. – М.: ВНИИМ. – 1976. – С. 11–15. 21. Мильченко В. Ю. Исследование методов и разработка средств поверки термоэлектрических преобразователей из неблаго- родных металлов: автореф. дис. …канд. техн. наук : спец. 05.11.15 “Метрологическое обеспечение по отраслям”/ В. Ю. Мильченко. – М., 1984. – 25 с. 22. Чирка М. І. Підвищення точності вимірювання температури термоелектричними перетворювачами в нерівномірних теплових полях : автореф. дис. … канд. техн. наук: спец. 05.11.04 “Прилади та методи вимірювання теплових величин “/ М. І. Чирка. – Львів, 1997. – 20 с. 23. Чирка М. І. Метод підвищення точ- ності прогнозування нестабільності характеристик перетворення термоелектричних перетворювачів / М. І. Чирка, Н. М. Васильків, Р. В. Кочан. // Вісник ТАНГ. Економіко-математичне моделювання. – 1999. – № 6. – С. 37–42. 24. Su Jun, Kochan O. V., Vasylkiv N. M., Kochan R. V. A method of correcting the error of temperature measurements due to acquired inhomogeneity of the electrodes of thermocouples // Measurement Techniques, November. – 2015. – Vol. 58. – No. 8. 25. Пат. № 97464 Україна, МПК G01К 15/00. Термо- електричний перетворювач / Кочан О. В., Кочан Р. В. – заявл. 22.02.2007. 26. Кочан О. В. Термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля: автореф. дис.… канд. техн. наук: спец. 05.11.04 – прилади і методи вимірювання теплових величин / О. В. Кочан. – Львів, 2011. – 20 c. 27. Kochan O. Temperature Measurement System Based on Thermocouple With Controlled Temperature Field / O. Kochan, R. Kochan, O. Bojko, M. Chyrka // Proc. of the IEEE international workshop on Intelligent Data Acquisition and Advancing Computing Systems (IDAACS’2007). – Dortmund, Germany. – September 6–8, 2007. – P. 47–51. 28. Пат. № 105700 Україна, МПК G01К 15/00. Піч з керованим профілем температурного поля / Кочан О. В., Кочан Р. В., Кочан В. В. – заявл. 16.11.2012. 29. Su Jun, Kochan O., Kochan V., Chunzhi Wang. Development and Investigation of the Method for Compensating Thermoelectric Inhomogeneity Error // International journal of thermophysics. – 2016. – Vol. 37. – Issue 1. – P. 15–21. 30. Пат. № 102981 Україна, МПК G01К 15/00. Спосіб корекції похибки головної термопари / Кочан О. В., Кочан Р. В. – заявл. 21.11.2012. Lviv Polytechnic National University Institutional Repository Вимірювальна техніка та метрологія, №77, 2016 р. 109 31. Chang Shu, O. Kochan. Method of thermocouples self verification on operation place // Sensors & Transducers journal. – Vol. 160. – Issue 12. – Р. 55–61. 32. Пат. № 104952 Україна, МПК G01К 15/00. Спосіб самодіаг- ностики термопар на місці експлуатації та пристрій для його реалізації / О. В. Кочан. – заявл. 21.11.2012. 33. Su Jun, Kochan O., Kochan R. Thermocouples with Built- In Self-testing. International journal of thermophysics. – 2016. – Vol. 37. – Issue 4. – P. 1–14. 34. Кочан О. В. Оцінка тривалості самоперевірки термоелектричного перетво- рювача з керованим профілем температурного поля // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. Серія приладобудування. – 2013. – Вип. 46. – С. 70–80.