Погрешности измерений температуры поверхности и внутри тела.

Рассмотрим измерение температуры на поверхности и внутри твердого тела и жидкости (газа). Измерения этого рода могут порождать большие методические погрешности. Как сказано ранее, они, в основном, связаны с искажением температурного поля объекта измерения при расположении в нем (или на нем) СИ вследствие оттока или притока тепла по элементам преобразователя. Поэтому таким измерениям должен предшествовать тщательный анализ возможных погрешностей.

Расчеты температурных полей композиций из объекта измерений и преобразователя температуры часто бывают затруднительными и не всегда удобны для решения конкретных инженерных задач. Поэтому для уменьшения такой погрешности целесообразно соблюдать следующие требования [17]:

• • размеры преобразователя температуры должны быть минимально возможными;
• • теплофизические свойства (теплопроводность, температуропроводность) преобразователя и объекта измерений должны быть по возможности близки;
• • преобразователь надо стараться располагать в изотермической зоне объекта измерений;
• • термическое сопротивление между объектом и преобразователем должно быть минимальным.

Эти требования направлены на то, чтобы свести к минимуму возможное искажение температурного поля объекта при установке на нем или в нем преобразователя и уменьшить разность температуры между преобразователем и объектом измерения. Теория измерения температуры в этих условиях рассмотрена в монографиях [17, 24]. Далее будут рассмотрены примеры взаиморасположения преобразователя и объекта измерения температуры [17].

На рис. 3.2, а показан распространенный способ расположения преобразователей температуры для измерения температуры, когда преобразователь (в данном случае термопара) касается поверхности только рабочим (горячим) спаем. При этом температуры поверхности объекта и остальной части преобразователя в большинстве случаев существенно различаются. Источником методической погрешности в этом случае является отток или приток тепла от поверхности по термоэлектродам, приводящий к неравенству температуры спая и поверхности. Если спай отделен от поверхности электроизолирующей прокладкой, погрешность может многократно возрасти и достичь при неблагоприятных условиях десятков градусов. Рекомендуется по возможности избегать такого положения преобразователя па поверхности. Погрешность может быть практически сведена к нулю, если на проводах преобразователя поместить нагреватель, с

Рис. 3.2. Примеры расположения преобразователей температуры на контрольном объекте:

1,5 — контрольный объект; 2 — измерительный прибор; 3 — чувствительный элемент; 4 — термоэлектрический кабельный преобразователь; 6 — планка

помощью которого поддерживать равенство температур спая и зоны нагревателя. Отток тепла в этом случае будет отсутствовать.

На рис. 3.2, б показано расположение термопреобразователя сопротивления на поверхности объекта. Минимальная погрешность будет достигнута, если термическое сопротивление между поверхностью и преобразователем будет отсутствовать, а внешняя поверхность преобразователя будет покрыта эффективной тепловой изоляцией. Как сказано ранее, при несоблюдении этих условий при температуре поверхности 650 °С наблюдалась погрешность, превышающая 50 °С.

На рис. 3.2, в термопреобразователь зачеканен внутри специальной канавки в теле объекта. Это наиболее благоприятный способ для достижения минимальной погрешности измерения. Однако и в этом случае необходимо, чтобы протяженность размещенного в канавке преобразователя составляла не менее 5—7 его диаметров с тем, чтобы свести к минимуму влияние оттока или притока тепла по термоэлектродам. При точных измерениях температуры следует учитывать, что возникает погрешность, составляющая десятые доли градуса, из-за разницы в теплопроводности основного тела объекта измерения и «начинки» канавки. Аналогичных результатов можно добиться, помещая преобразователь внутри глухого отверстия, имеющего глубину 5—7 его диаметров. Необходимо, чтобы при этом температурное поле в пределах канавки и отверстия было изотермичным.

Погрешность, возникающая при расположении преобразователя внутри трубопровода с жидкостью или газом, также определяется оттоком или притоком тепла вдоль выступающей части чехла в окружающую среду. Значение погрешности зависит от теплопроводности жидкости или газа, от скорости их течения. Она минимальна для жидкого металла и максимальна для газа. Считается, что при протяженности чехла внутри трубопровода более пяти диаметров чехла эта погрешность практически отсутствует.