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 t_э, будет отличаться от ее действительного значения t_д на величину называемую абсолютной погрешностью измерения температуры Δt = t_э- t_д.

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 Δt_м, инструментальную Δt_и, и погрешность на­блюдения Δt_н: Δt= Δt_м+ Δt_и+ Δt_н.

Методическая погрешность измерения температуры Δt_м 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 Δt_ивозникает 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 Δt_нопределяется 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 Δt_м и Δt_и.

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

Систематической погрешностью измерения температуры Δt_сист 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 Δt_слназывают 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 Δt_сл вой­дет и та часть систематической погрешности, которая из-за сложности и приближенности оценки Δt_сист 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 Δt_ст и динамическую Δt_дин. Погрешность измерения неста­ционарной температуры включает в себя статическую Δt_ст и динамическую составляющую Δt_дин: Δt= Δt_ст+ Δt_дин. Погрешность измерения стационарной температуры включает в себя только статиче­скую Δt_ст, а динамическая составляющая Δt_дин = 0.

Статическая составляющая погрешности Δt_стзависит 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 Δt_ст 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 Δt_стза­висит 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 Δt_динвызвана скоростью изменения исследуемой вели­чины (температуры) t_д 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 t_вхпреобразуется 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 u_вых 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 Δt_м 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 Δt_ст 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.