Методические погрешности контактных методов измерения температуры, погрешности за счет теплоотвода и лучистого теплообмена.

Условием правильного измерения температуры является равен­ство температур термопреобразователя и измеряемой среды или измеряемого тела. Влияние тех или иных факторов определяется конкретным мето­дом измерения. В установившемся режиме, когда имеет место тепло­вое равновесие, термопреобразователь будет иметь статическую погрешность измерения. В нестационарном режиме, когда либо сам измеряемый параметр, либо другие параметры измеряемой среды меняются, может иметь место динамическая погрешность измерения, определяемая конструкцией, теплофизическими свойствами термо­преобразователя и условиями теплообмена с измеряемой средой.

При измерении температур жидкости, газа или пара термопреоб­разователь устанавливается в трубопроводе, газоходе, в других мес­тах технологического оборудования. При этом в общем случае имеет место сложный теплообмен между термопреобразователем, изме­ряемой и окружающей средами и частями технологического обору­дования.

Если считать, что передача теплоты по термопреобразователю осуществляется только за счет теплопроводности, то можно оценить погрешность измерения для термопреобразователя, который представляет собой однородный стержень, заделанный одним концом в стенку трубопровода. Для такого полуограниченного стержня отклонение температуры термопреобразователя t_T от температуры измеряемой среды t_c определяется уравнением

где t_CT — температура стенки трубопровода в месте заделки термо­преобразователя (стержня) длиной l, °С, периметром Р, м и сече­нием S, м²; α_к — коэффициент конвективной теплоотдачи между измеряемой средой и термопреобразователем, Вт/(м² • К); λ, — коэф­фициент теплопроводности его чехла, Вт/(м² • К).

Зная температуры термопреобразователя и стенки, можно опре­делить температуру измеряемой среды t_c или по температуре среды и температуре стенки t_CT оценить температуру термопреобразова­теля t_T. Эти расчеты носят приближенный, оценочный характер, так как реальные термопреобразователи имеют конструкцию более сложную, чем полуограниченный стержень.

Кроме того, учитывается только передача теплоты теплопровод­ностью. Можно приближенно считать, что передача теплоты по тер­мопреобразователю только за счет теплопроводности имеет место при измерении температуры жидкостей, полностью заполняющих пространство, в котором он расположен.

Чем меньше теплоты будет передаваться через термопреобразо­ватель, тем меньше будет погрешность, обусловленная теплообме­ном. Рассмотрим способы уменьшения этой погрешности, анализи­руя выражение. Увеличение длины / повышает термическое со­противление и уменьшает погрешность. В связи с тем, что размеры трубопровода часто ограничены, то увеличивают длину термопреоб­разователя, устанавливая его наклонно, в колене трубо­провода, либо в расширителе, представляющем вставку ограниченного участка трубы большего диаметра.

Увеличение конвективного коэффициента теплоотдачи а_к умень­шает погрешность измерения. Однако увеличение а_к за счет увели­чения скорости потока не всегда может быть осуществлено на кон­кретном технологическом оборудовании. Иногда применяются специально изготовленные отсасывающие термопреобразователи. Измеряемый газ с большой скоростью просасывается через специ­альный керамический фильтр, омывая термопреобразователь. Все это расположено в водоохлаждаемом устройстве. Таким образом, с одной стороны, увеличивается а_к, а с другой — уменьшается теплоотдача за счет излучения.

Возможность уменьшения сечения S или увеличения периметра Р определяется механической и термической прочностью материала чехла термопреобразователя. Аналогичные замечания относятся и к увеличению теплопроводности λ материала его чехла.

Приближение температуры стенки t_CT к температуре среды t_c уменьшает теплопередачу теплопроводностью.

При измерении высоких температур газового потока можно счи­тать, что определяющее влияние имеет передача теплоты излуче­нием. Если предположить, что термопреобразователь отдает (вос­принимает) теплоту только за счет конвективного Q_K и лучистого Q_a теплообмена,

где С₀ = σ10⁸; σ — постоянная Стефана—Больцмана;

С₀ = 5,67 Вт/(м² • К⁴); ε — приведенный коэффициент теплового излу­чения термопреобразователь — стенка при S_Т << S_СТ; S_Т и S_CT — пло­щади поверхности термопреобразователя и стенки, м²; T- температуры термопреобразователя и стенки, К.

По температуре термопреобразователя и температуре стенки, зная а_к и s , можно определить температуру измеряе­мой среды t₀. Расчет дает возможность оценить порядок погрешности за счет излучения.

Теплообмен излучением может быть уменьшен в результате уменьшения s Для этого поверхность термопреобразователя поли­руют, делая зеркальной. Однако в реальных условиях эта поверх­ность быстро окисляется и ε увеличивается. Поэтому этот путь мо­жет быть использован только в отдельных случаях.

Повышение температуры стенки за счет ее внешней изоляции также приводит к снижению погрешности за счет лучистого тепло­обмена. Однако не всегда можно осуществить такую изоляцию. Поэтому одним из способов приближения температуры окружаю­щей термопреобразователь поверхности к температуре среды явля­ется применение экранов. Для уменьшения лучистого теплообмена вокруг термопреобразователя располагается двух- или трехслойный экран. Поскольку его температура практически совпадает с темпера­турой газов, то существенно снижается теплообмен излучением.