3.3. Способы снижения метрологической погрешности контактных методов измерения температур.
Независимо от принципа действия прибора измерителя температуры контактным методам измерений свойственны общие метрологические погрешности, которые могут превосходить инструментальные погрешности самих термоизмерителей. Это объясняется тем, что собственная температура измерителя не совпадает с измеряемой температурой из – за искажения температурного поля объекта теплообменом с измерителем.
А). Измерение температуры неподвижной среды.
Рис. 24. Измерение температуры неподвижной среды
При измерении температуры газа, жидкости чувствительный элемент помещается в защитную трубку, изолирующую его от среды.
Т0 – температура внешней среды; Т – температура измеряемой среды; Тст – температура стенки защитной трубки. Т.к. Т>Т0, то по корпусу защитной трубки из – за разности температур будет происходить теплоотвод и температура стенки трубки Тст будет меньше температуры измеряемой среды Т. Эту разность можно определить
;
,
где ℓ - глубина погружения трубки в измеряемую среду; S – площадь кольцевого сечения стенок трубки; λ – теплопроводность материала трубки; αк – коэффициент конвективной теплоотдачи от трубки к окружающей среде. Из уравнения видно, что погрешность измерения уменьшается с увеличением ℓ, U, αk и уменьшением λ и S. Если выбор материала ограничен, то подбором формы и размеров трубки можно добиться снижения погрешности.
Б). Измерение температур поверхности твердой стенки, соприкасающейся с движущимся газом.
Рис.24. Измерение температур поверхности твердой стенки, соприкасающейся с движущимся газом
Чувствительный элемент термоприемника должен находиться в хорошем контакте со стенкой. Температура жидкости (газа) не должна оказывать на него влияния. Необходимо, чтобы он не создавал возмущений в точке, где измеряется температура, не подводил и не отводил от нее тепла и не изменял условий теплообмена вблизи поверхности.
При измерении температуры поверхности теплоизоляционных материалов снижение погрешности достигается установкой вставки из металла с высокой теплопроводностью (серебро, медь) малой толщины ~ 0,25мм. В этом случае пластинка быстро реагирует на изменение температуры.
При измерении температуры металлических тел горячий спай термопар зачеканивается в тело, припаивается или приваривается. Для снижения величины теплового потока, рассеиваемого спаем, применяют термопары из возможно более тонких термоэлектродов.
В). Измерение температур движущихся жидкостей и газов.
Состояние движущейся среды можно определить статической температурой Т0, регистрируемой термометром, движущимся вместе с газом и температурой торможения Тт, показываемой помещенным в поток неподвижным термометром, перед которым газ полностью тормозится и кинетическая энергия полностью преобразуется в повышение температуры.
При полном переходе энергии 0,5mW2=mCp(TT – T0). Связь между температурами следующая:
; 
,
где n – показатель адиабаты, М = w/a – число маха в потоке. Различие между ТТ и Т0 надо учитывать начиная с М≥0,3 (~50м/с).
Статическая температура Т0 контактным способом измерена быть не может, т.к. при обтекании премного преобразователя скорость газа всегда падает. Можно измерить некоторую температуру Тр, которая лежит в пределах Тт≤Тр≤Т0.
Термоприемник характеризуется коэффициентом восстановления r:
;
тогда термоприемник, у которого r=1 будет измерять температуру торможения. Экспериментально выяснено, что r это функция ряда параметров: r=ƒ(М, Re, Pr, n)
Задача конструктора – сконструировать такой термоприемник, у которого в широком диапазоне изменения М, Re, Pr, n обеспечивалась бы наибольшее значение r. Обычно наиболее существенна зависимость r=ƒ(M).
Рекомендации по конструкции термоприемников:
-
чувствительные элементы (ЧЭ)– термопары или терморезисторы с низкой теплоемкостью и малой инерционностью;
-
теплоотвод и излучение ЧЭ должны быть минимальны;
-
применение округлых форм ЧЭ ведет к образованию сильного скачка и уменьшению тепловых потерь;
-
в камере торможения необходимо наличие небольших вентиляционных отверстий. Движение газа увеличивает теплоотдачу к ЧЭ путем конвекции и приближает температуру ТР к ТТ.
Пример изготовления термоприемника r≈0,95 при М=1 – 3.
Рис. 25. Термоприемник.
Г). Измерения быстроменяющихся температур.
В случае измерения быстроменяющихся температур необходимо учитывать ряд особенностей измерительной системы. Это теплоемкость и температуропроводность термоприемника и инерционность датчика. Кроме того, необходимо, чтобы инерционность регистратора была меньше колебаний термо – ЭДС (для термопар).
Таблица 5.
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
|
Принципиальная схема |
пояснения |
|
|
Термометры расширения а –Жидкостной 1 - баллон, 2 - Жидкость 3 -капилляр 4 - запасной резервуар, б — дилатометрический 1 — патрон, 2 — шток, 3 — пружина, в — биметаллический |
|
|
Манометрический термометр 1 — патрон 2 — Жидкость, 3 — пары жидкости, 4 -капилляр 5 — манометрическая коробка
|
|
|
Термоэлектрический термометр R1,R2,R3,R4,R5—сопротивления подводящих проводов добавочного, термокомпенсации, токоподводов ТП — термопара
|
|
|
Термоэлектрический термометр R1,R2,R3,R4 — сопротивления моста для компенсации температуры холодного спая ТП — термопара |
|
|
Термоэлектрический термометр R1,R2,R3,R4 R5,R6,R7,R8 -сопротивления компенсационного моста, R1,R3— терморезисторы, R9,R10 - сопротивления делителя напряжения
|
|
|
Резистивный термометр R1,R2,R3,RΘ - сопротивления моста, R5’,R5’’, - сопротивления полудиагонали, Л — логометр
|
|
|
Резистивный термометр RΘ -терморезистор, R1,R2,R3,R4,R5 R6,R7,— сопротивления моста, Rg — добавочное сопротивление, Rk1,Rk2 - сопротивление рамок логометра
|
|
|
Резистивный термометр RΘ— терморезистор, R1,R2,R3, — сопротивления моста, R — балансировочное сопротивление, Д — двигатель уравновешивания |
|
|
Радиационный пирометр 1 — линза 2 — диафрагма, 3 — приемник излучения (термопары);4 — окуляр, 5 — фильтр |
|
|
Яркостный пирометр 1 — объектив 2 и 3 - диафрагмы, 4 — красный фильтр, 5 - модулирующая заслонка, 6 — вибратор 7 — лампа, АП — автоматический потенциометр
|
|
|
Цветовой пирометр. 1 - объектив; 2,- диафрагма, 3 - обтюратор, СК – синхронный коммутатор; Д - двигатель, АП – автоматический потенциометр |
