Погрешности измерения температуры

Для измерений температуры среды, веществ и определения теплофизических свойств материалов и изделий необходимо иметь измерительный комплекс, обобщенная или функциональная схема которого включает следующие элементы:

1 Датчики, находящиеся в контакте с исследуемой средой (телом) и являющиеся своего рода "пре­образователями" температуры в иную физическую величину, подлежащую измерению. Для измерения температур используют термопары (типа ТХК, ТХА) или термопреобразователи сопротивления (типа ТСП, ТСМ). Термопары с термочувствительным элементом (определенной градуировки), термоэлектри­ческие преобразователи или термоприемники (ТП) подключают к входам прибора - блока обработки данных.

2 Блок обработки данных может включать в себя регистрирующие или показывающие приборы, цифровые фильтры, вычислители или логические устройства, аналого-цифровые преобразователи, ана­логовые модули входа, адаптеры интерфейса, а также ЭВМ.

3 Термоэлектродные или компенсационные провода, которые передают сигналы от термопар к прибору и изготовлены из тех же материалов (либо с аналогичными термоэлектрическими характери­стиками), что и термопара.

При определении и исследовании теплофизических свойств материалов и изделий, основными па­раметрами измерений являются: температура, текущее время, геометрические размеры образца и рас­стояние между фиксированными точками тела, где установлены датчики температур.

Любые измерительные системы не могут обеспечить определение действительного значения темпе­ратуры элементарного объема исследуемого объекта, поскольку физические принципы и исходные ус­ловия проведения измерений в той или иной степени оказываются нарушенными. Результат экспериментального измерения температуры tэ, будет отличаться от ее действительного значения tд на величину называемую абсолютной погрешностью измерения температуры Δt = tэ- tд.

Любая погрешность измерения может выражаться в долях действительного значения измеряемой величины и называется относительной погрешностью измерения.

Погрешность измерения определяется приближенно с определенной точностью в зависимости от метода, условий и применяемых средств измерений, способа фиксации результата, числа наблюдений и методов обработки экспериментальных данных. Абсолютную погрешность измерения температуры Δtможно разделить на три составляющие: методическую Δtм, инструментальную Δtи, и погрешность на­блюдения Δtн: Δt= Δtм+ Δtи+ Δtн.

Методическая погрешность измерения температуры Δtм возникает из-за неточности выполнения методики измерений, недостаточной изученности явлений теплообмена между исследуемым объектом и термоприемником. Методические погрешности при исследовании теплофизических свойств материалов (температуропроводности, теплоемкости, теплопроводности), связанные с неточностью реализации теоретических предпосылок, могут быть вызваны следующими условиями: временем наступления упо­рядоченного теплового режима, неодномерностью температурного поля, изменением теплофизических свойств веществ от температуры и др.

Инструментальная (приборная) погрешность измерения температуры Δtивозникает из-за несовер­шенства средств измерения температуры и использования этих средств в условиях, отличающихся от нормальных. Инструментальную погрешность разделяют на две составляющие: основную и дополни­тельную. Первая характеризует возможности средств измерений в нормальных условиях, а вторая учи­тывает влияние отклонений от этих условий. Паспорт или сертификат каждого прибора должен норми­ровать и регламентировать метрологические характеристики измерений в известных рабочих условиях. Приборную погрешность снижают путем применения современных контрольно-измерительных прибо­ров и средств автоматизации, а также ЭВМ.

Погрешность регистрации наблюдения Δtнопределяется квалификацией и особенностями наблюда­теля и возникает в результате неправильного отсчета и снятия показаний, расшифровки записей и результатов регистрации. Как правило, эта составляющая погрешности при исключении ошибок экспериментатора незначительна, по сравнению с Δtм и Δtи.

В зависимости от закономерности теплового режима погрешность Δtразделяют на систематическую Δtсист и случайную Δtсл:Δt = Δtсист+ Δtсл.

Систематической погрешностью измерения температуры Δtсист называют составляющую погрешно­сти измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется в процессе измерений (либо при их повторении). Систематическую погрешность оценивают расчетным путем или эксперименталь­но, а затем вводят соответствующую поправку в результат измерения температуры, либо самого метода.

Случайной погрешностью измерения температуры Δtслназывают составляющую погрешности из­мерения Δt, которая заранее не предсказуема и изменяется случайным образом при повторных измере­ниях температуры теми же средствами измерения. Закономерности проявления случайной погрешности и оценка ее могут быть выявлены при многократных наблюдениях температуры с последующей стати­стической обработкой результатов измерений. В полученное значение случайной погрешности Δtсл вой­дет и та часть систематической погрешности, которая из-за сложности и приближенности оценки Δtсист не могла быть ранее учтена.

Измеряемая температура среды, веществ, материалов и изделий может быть стационарной (посто­янной) или нестационарной (изменяться во времени). В зависимости от этого погрешность измерения температуры подразделяют на статическую Δtст и динамическую Δtдин. Погрешность измерения неста­ционарной температуры включает в себя статическую Δtст и динамическую составляющую Δtдин: Δt= Δtст+ Δtдин. Погрешность измерения стационарной температуры включает в себя только статиче­скую Δtст, а динамическая составляющая Δtдин = 0.

Статическая составляющая погрешности Δtстзависит от многих факторов: измерения температуры твердых тел, жидкостей, газов, движущихся сред или высокоскоростных потоков, монтажа ТП на по­верхности или внутри тела (материала, изделия, массива), с высокой или низкой теплопроводностью, при установке ТП в пазу, цилиндрическом канале или с использованием защитных экранов, применения непогружаемых ТП контактным или бесконтактным способом. Существенно влияют на статическую составляющую погрешности Δtст направление теплового воздействия на исследуемый объект (нагрев или охлаждение), теплообмен между отдельными элементами ТП, теплоотдача излучением ТП и его ок­ружением в газообразных, частично прозрачных и других объектах, влияние внутренних источников теплоты, характер изменения температуры внутри ТП и в зоне его расположения.

Для непогружаемых контактных термоприемников статическая составляющая погрешности Δtстза­висит от процесса переноса тепла через зону механического контакта двух твердых тел или деталей. На эффективность передачи тепла в зоне контакта оказывают влияние такие факторы, как физи­ческие свойства материалов, из которых выполнены термопара и исследуемый материал, свойства сре­ды, заполняющей пространство между соприкасающимися поверхностями, чистота обработки и харак­тер микрорельефа указанных поверхностей, сила сжатия и температура в зоне контакта. Так, термиче­ское сопротивление контакта понижается с увеличением нагрузки на соприкасающиеся поверхности, увеличением частоты обработки контактных поверхностей, повышением температуры в зоне раздела.

Динамическая составляющая погрешности Δtдинвызвана скоростью изменения исследуемой вели­чины (температуры) tд от времени τ и невозможностью из-за инерционных свойств ТП, регистрации мгновенных значений нестационарной температуры средствами измерения.

Упрощенно структурная схема измерения температуры имеет вид последовательного соединения нескольких элементов – звеньев структурной схемы: датчика или первичного преобразователя темпера­туры ТП, или нескольких промежуточных вторичных преобразователей ПП и измерительного прибора ИП.

Исследуемое значение температуры или входное воздействие tвхпреобразуется чувствительным элементом ТП в выходной сигнал u1, а именно, в термоэлектродвижущую силу, для термопарного ТП, или в электрическое сопротивление терморезисторного ТП, который поступает на ПП. В зависимости от выбора средства измерения, ПП выполняют функции масштабных или функциональных преобразо­ваний, передачи и усиления по мощности измерительной информации. Воздействие u2преобразуется ИП в выходную величину uвых в форме, пригодной для анализа температурного режима исследуемого объекта.

Каждый из применяемых приборов вносит в результат измерения дополнительную инструменталь­ную погрешность, зависящую от особенностей конструкции и принципа действия. Результирующая по­грешность всего измерительного комплекса определяется суммой погрешностей каждою элемента, ко­торый может иметь свои ногрешности. Суммирование всех составляющих погрешностей определяет методическую погрешность Δtм измерительного комплекса.

Принимая меры защиты (хороший тепловой контакт термопар с телом, установка ТП в изотермиче­ской поверхности, увеличение числа измерений, применение совершенных контрольно-измерительных приборов), можно уменьшить инструментальную, случайную и статическую погрешности до необходи­мого минимальною значения. Если это удается сделать, то единственным фактором оказывается тепло­вое воздействие исследуемою объекта. Если тепловое воздействие объекта изменяется во времени (не­стационарные процессы), то остается лишь одна составляющая методической погрешности, обуслов­ленная тепловой инерционностью или динамической погрешностью ТП. Для непогружаемых контакт­ных термоприемников статическая составляющая погреешности Δtст учитывается независимо от харак­тера теплового режима (стационарный или нестационарный).

Однако внести дополнительную динамическую составляющую погрешности может и любой из пе­речисленных выше источников измерительного комплекса, если интенсивность ею воздействия с тече­нием времени достаточно велика. Искажение показаний, обусловленное нестационарными тепловыми процессами в ТП и между ТП и окружающей средой, принято объяснять тепловой или термической инерцией, а искажение, вызываемое механическими и электромеханическими особенностями измери­тельного прибора и передающего элемента - механической или электромеханической инерцией изме­рительного комплекса.

Анализ источников погрешностей показывает, что ос­новные погрешности имеют тепловую природу. Быстродействие современных регистрирующих прибо­ров, особенно электронных, исчисляется долями секунд, а процесс теплообмена между ТП и средой может занимать значительно большее время. Количественный анализ методических погрешностей в ко­нечном итоге заключается в обосновании и выборе математической модели, определяющей процесс теплового взаимодействия объекта исследования с ТП./3/

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе описаны методы измерения температуры, рассмотрен физический принцип контактного метода измерения температуры при помощи терморезистивных преобразователей, а также рассмотрены методические и инструментальные погрешности измерения температуры.


Наши рекомендации