Научно-технический прогресс неразрывно связан с непрерывным совершенствованием измерительной техники. Это в полной мере относится и к термометрии, так и повышением точности в традиционных областях. По некоторым экспертным оценкам измерения температуры составляют около 30% всех измерении, выполняемых в народном хозяйстве, а число научных и технических публикаций на эту тему исчисляется многими тысячами в год.

Трудно назвать область техники или отрасль промышленности, где бы не требовалось измерять температуру твердых, жидких или газообразных тел. Наряду с этим следует отметить, что в каждой конкретной области выбор методов и средств измерения температуры определяется ее спецификой.

Термометрия - раздел технической физики, в котором изучаются методы и средства измерения температур, теоретические основы методов построения термодинамической и практических температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и образцовые средства измерения температуры.

Температура - один из параметров вещества: газа, жидкости или твердого тела. Температура определяет тепловое состояние тела и направление теплопередачи. Температурные зависимости физических свойств веществ можно положить в основу методов измерения температуры и построения температурной шкалы. Температурная шкала - это ряд последовательных значений температуры, образуемый в соответствии с выбранным знаком, определяющем взаимосвязь термометрического параметра и температуры.

Для измерения температуры в самых различных условиях очень широко применяются термопары. Термопара остается основным прибором для измерения температуры в промышленности, в частности в металлургии и в нефтехимическом производстве. Прогресс в электронике способствовал в последнее время росту числа применений термометров сопротивления, так что термопары уже нельзя считать единственным и важнейшим прибором промышленного применения. Термопара позволяет найти разность температур между горячим и холодным спаями, если измерена разность напряжений между двумя опорными спаями. Эта разность напряжений возникает в температурном поле между горячим и холодным спаям. Разность напряжений идеально термопары зависит только от разности температур двух спаев, однако для реальной термопары приходится учитывать неоднородность свойств электродов, находящихся в температурном поле; она и является основным фактором, ограничивающим точность измерения температуры термопарами.

В промышленности очень широко применяются термопары в герметичном металлическом чехле. Такая конструкция необходима для стандартных термопар, которые могут быть повреждены механически или агрессивными веществами. Термопары из сплава платины с 13% родия, помещенные в чехол из сплава 10% родия с платиной, применяются в производстве стекла, а термопары из хромеля с алюмелем, помещенные в инконелевый чехол, - в авиационной промышленности.

В ядерной энергетике до температуры 1100єС применяются стандартные термопары вольфрам-рений, помещенные в молибденовый чехол. Выдвигаемые промышленностью требования повышения точности и долговременной стабильности термопар стимулировали ряд исследований физических и химических процессов, происходящих внутри герметичного чехла термопары. Такая конструкция часто называется термопарой с неорганической изоляцией.

В промышленности термопары широко применяются совместно с «удлинительными» и «компенсационными» проводами. Эти провода разработаны с целью снижения стоимости больших заводских устройств, в которых многие сотни термопар на заводе подключены к центральной системе обработки информации. Удлинительный или компенсационный кабель включается между системой обработки и той точкой вблизи конкретной машины или работающей печи, где температура начинает заметно отличаться от комнатной.

Погрешность термоэлектрических термометров складывается из погрешности термоэлектрических преобразователей и погрешности измерительных приборов.

Погрешность термопреобразователей состоит из: погрешности градуировки термоэлектрического преобразователя; погрешности вызванной термоэлектрической неоднородностью преобразователя; погрешности в следствии отклонения градуировачной характеристики стандартных рабочих термопреобразователей от стандартной статистической номинальной характеристики; погрешности, обусловленной изменением температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей; погрешности возникшей из-за временной нестабильности термоэлектродов; погрешности обусловленной условиями измерения, например, теплоотводом по термопреобразователю, изменением условий теплообмена при установке термоэлектрического преобразователя на объект измерения за счет отличия коэффициентов черноты и т.п.

Погрешность градуировки (определение статической номинальной характеристики) термоэлектрического преобразователя определяются погрешностью средств поверки, например, термостата; образцового термометра, контролирующего температуру в термостате; потенциометра применяющемся при поверке.

Кроме того, к погрешности градуировки следует отнести погрешность интерполяции результатов определения статистической номинальной характеристики, значения нестабильности номинальной статической характеристики в период между поверками термоэлектрического преобразователя.

Погрешность измерения температуры термопреобразователем складывается из основной допускаемой погрешности и методической погрешности , обусловленными теплообменом между термопреобразователем и измеряемой средой.

Методические погрешности контактных термопреобразователей возникают за счет лучистого теплообмена между термопреобразователем и окружающими его телами, за счет отвода тепла теплопроводностью по арматуре и деталям термопреобразователя; за счет нагрева измерительным током чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления его инерционности. По исходным данным температура среды постоянная, поэтому инерционностью можно пренебречь.

,

где, - погрешность, вызванная теплоотводом по термопреобразователю, ^оС

- погрешность за счет лучистого теплообмена, ^оС.

погрешность термопреобразователя сопротивления за счет нагрева измерительным током, для термопар равна нулю, ^оС.

Погрешность, вызванная лучистым теплообменом между термопреобразователем и стенками печи или воздухоотвода, определяется по формуле:

где, t_т, t_ср, t_ст - соответственно температуры термопреобразователя, среды и стенки печи(воздуховода), ^оС;

С_о - постоянная Стефана - Больцмана, равная 5,67 Вт/м²К⁴;

б_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией между термопреобразователем и измеряемой средой Вт/мК;

е_пр. - приведенный коэффициент черноты, характеризующий теплообмен излучением между термопреобразователем и стенками. Так как поверхность стен печи значительно больше чехла термопреобразователя, можно принять е равным коэффициенту черноты чехла термопреобразователя е_Т.

Дt_изл = = -0,3 К

Погрешность, вызванную отводом тепла теплопроводностью по защитной арматуре термопреобразователя, определяют по формуле:

,

где L - глубина погружения термопреобразователя, м;

д - толщина стенки чехла термопреобразователя, м;

л - коэффициент теплопроводности материала чехла термопреобразователя, Вт/мК;

^оС

Погрешность мала, в дальнейших расчетах можно пренебречь.

Методические погрешности контактных термопреобразователей У?t_м возникают за счет лучистого теплообмена между термопреобразователем и окружающими его телами; за счет отвода тепла теплопроводностью по арматуре и деталям термопреобразователя; за счет нагрева измерительным током чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления его инерционности. По исходным данным температура среды постоянная, поэтому инерционностью можно пренебречь.

где ?t_то - погрешность, вызванная теплоотводом

?t_нт - погрешность термопреобразователя сопротивления за счет нагрева измерительным током, для термопар равна нулю, ^?С.

Погрешность измерения температуры термопреобразователем ?t_тп складывается из основной допускаемой погрешности ?t_отп и методической погрешности У?t_м, обусловленными теплообменом между термопреобразователем и измеряемой средой.

?t_тп=

[2,5]<[4]

Неравенство выполнено, следовательно термопара выбрана верно.

2. Выбор измерительного прибора

Основные источники погрешности автоматических мостов.

Погрешность автоматических мостов складывается из погрешности измерения и записи, подразделяется на основную и дополнительную.

Основная погрешность имеет место при нормальных условиях работы моста. Дополнительные погрешности вызваны влиянием внешних факторов при отклонении условий работы прибора от нормальных.

Источниками дополнительных погрешностей мостов, например, являются: отклонение температуры окружающей среды от нормальной, приводящее к изменению параметров электрической цепи моста и механических повреждений подвижных частей; отклонение моста от его рабочего положения, в каком либо направлении; влияния внешнего электрического и магнитного поля, нарушающего работу измерительной схемы, следящего устройства и т.д.; изменение частоты питающей сети и напряжения питания.

Источниками основной погрешности автоматических мостов являются: погрешность измерительных схем, в том числе: погрешность из-за неравномерности намотки реохордов, неодинаковых диаметров и сопротивления по всей длине проволоки; эта погрешность достигает в ряде случаев 0,13-0,15% сопротивления реохордного устройства; погрешность, вызываемая нестабильностью элементов измерительной схемы (реохорда, катушек, сопротивлений и т.д.); погрешность из-за вибрации деталей и элементов моста, особенно во входных трансформаторах; погрешность отсчета и записи показаний, в том числе, погрешность изготовления шкал, установки шкалы; погрешность отклонения указателя моста от необходимой формы и т.п.; погрешность записи, обусловленная несовпадением отметок шкалы с соответствующими делениями сетки диаграммной ленты; изменением размеров бумаги при изменении влажности окружающего воздуха; неточностью механизма перемещения бумаги; запаздываниям записывающего устройства, вызываемым инерцией следящей системы потенциометра.

Вариация показаний автоматических мостов - наибольшая разность показаний при прямом и обратном перемещениях показывающего устройства при одном и том же значении измеряемой величине и постоянных окружающих условиях.

Вариацию показаний ?_в определяют как разность отсчетов измеряемой величины при возрастающих и убывающих значениях по формуле

где R₁, R₂ - сопротивление на образцовом магазине при возрастающем и убывающем значениях измеряемой величины, Ом;

R_н, R_к, - табличные значения сопротивления, соответствующие началу и концу шкалы моста, Ом.

Вариация показаний выражается в процентах от пределов измерений прибора и не должна превышать 0,2% для приборов класса 0,25 и половины абсолютного значения допускаемой основной погрешности - для приборов остальных классов.

Суммарная инструментальная погрешность термометров сопротивления слагается из погрешности термопреобразователя сопротивления и измерительного прибора

где ?_гр - погрешность градуировки термопреобразователя сопротивления, К;

?_I - погрешность нагрева термопреобразователя измерительным током, К;

?_м - погрешность автоматического моста, К.

3. Поверка термоэлектрического термометра

Методы и средства поверки выбираем по методической инструкции МИ 456-84;

1. Установка для поверки электрической прочности изоляции, напряжение до 850 В, мощность на стороне высокого напряжения 0.25 квА

2. Мегоаметр кп. 2.5 с напряжением 100 В и 500 В.

3. Лупа измерительная ЛИЗ - 10 с ценой деления 0,1 км.

4. Колибратор измеритель стандартных сигналов КИСС - 03

5. Электрические часы синхронные (максимальная погрешность 2 минуты за сутки).

При поверке приборов, работающих с термоэлектрическими термопреобразователями, погрешность поверки рассчитывается по формуле:

,

где ?_{пов.пот.} - погрешность поверки потенциометра, мВ.

?_мн - предел основной допускаемой погрешности эталонного потенциометра, мВ.

g_мн - цена младшей декады образцового потенциометра, мВ.

?_{кт -} погрешность устройства температурной компенсации соответствующей НСХ термопреобразователя, мВ.

?_ц - погрешность измерительной цепи поверки потенциометра установки, мВ.

Верхний предел проверочного прибора Диск -250 400 ^оС.

g_мн = 1мкВ

=

Поверка расчета:

25.4

25.4

Неравенство выполняется, значит средства проверки выбраны верно.

Литература