Меню

Допустимая погрешность измерения температуры



2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Погрешность измерения температуры термопарой

Недавно возникла необходимость снять характеристики термистора NTC. Как известно, термисторы NTC имеют два важных параметра — значение сопротивления при 25C и коэффициент B. Первое проверяется просто, но для подсчета B необходимо иметь измерения сопротивления при разных температурах — обычно 25C и 85C, но не обязательно. И лучше знать эту константу заменяя термистор, чтоб позже измеренные температуры не были сильно разбросаны.

Мы взяли шесть разных электронных приборов, использующих термопару K, но с самого начала было ясно, что их показания различаются. Какому же именно из них доверять? Выбор был следующим: Aneng AN8009, Richmeters 409B, Sanwa PC510a, EnergyLab VC97, Chauvin Arnoux MAX2000, TM-902C — самый дешевый, из Китая, стоит копейки.

Измерения температуры термопарой K

Для контроля был взят точный лабораторный ртутный термометр с диапазоном от 0C до 50C, шаг 0,2C. Это и будет контрольная точка, относительно которой проведем измерения температуры термопары K — сравнение датчиков различных мультиметров.

Для опытов сделаем небольшую камеру из картонной коробки, укутанную пеной, в которой закрыли все термопары и ртутный термометр. В течение часа температура выровнялась и стабилизировалась, а затем пришло время сравнения показаний:

  • Ртутный 23,0C
  • AN8009 23,0C
  • 409B 21,0С
  • PC510a 23,0С
  • VC97 22,0C
  • MAX2000 23,0С
  • ТМ -902C 24,1C.

Выиграл MAX2000, потому что показал точно 23,0C. Каждый мультиметр измерял термопарой, которая поставлялась с ним от завода.

Измерения высокой температуры термопарой

В дальнейших измерениях больше нельзя было использовать ртуть ввиду высоких температур, поэтому эталонной точкой стал MAX2000.

Подготовим нагревательную плиту в виде перевернутого утюга и проверим тепловизором распределение температуры, чтоб правильно выбрать область измерения. Установим все термоэлементы и прижмём их куском жаростойкой пены сверху и грузом. Все это для обеспечения равных условий измерения для всех термопар.

Проверку делали в диапазоне температур до 160 градусов.

Результаты измерений сведены в электронную таблицу, но было очевидно сразу, что TM-902C и Richmeters 409B не могут обеспечить слишком высокую точность (мягко говоря).

Во время измерений также замечено, что термопара от Aneng обладает огромной тепловой инерцией и требует длительного времени для стабилизации показаний. Вот почему с ним пришлось повторить серию измерений, но на этот раз с другой термопарой. В таблице обозначена как «AN8009 2». На графике показана ошибка измерения, выраженная в процентах в отношении эталонного мультиметра, то есть MAX2000.

Сравнение термопары с термистором

Теперь возвращаемся к термистору NTC 10k с неизвестным B и попробуем выяснить, что с ним и как. При выполнении всех операций получена следующая диаграмма: Вертикальная ось — логарифмическая шкала. Где надпись «zm.» это эмпирические данные (реальные измерения). Вот почему всё выглядит так красиво линейно. Измерения проводились каждый 1 градус. Это красная линия и теоретически рассчитанная B = 3984. Было куплено несколько подобных, затем измерили их тоже.

Как видите — теория совпала с практикой. Красная линия совпадает с серой, которая показывает измерения купленного термистора с известным B = 3984, но отличается от измерений термистора, купленного с B = 3988, или теоретической кривой для B = 3430.

Таблица параметров термопар

И напоследок приведём ещё одну полезную таблицу — параметры самих термопар:

Источник

Допустимая погрешность измерения температуры

Примечание — Показатели надежности термометров и преобразователей, работающих в агрессивных средах, устанавливают в ТУ на конкретные термометры или преобразователи.

3.11 Циферблаты и шкалы — по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке.

3.12 Термометры допускается изготовлять со стопроцентными шкалами (диаграммными лентами, дисками и картограммами).

3.13 Самопишущее устройство

3.13.1 Самопишущее устройство термометров должно соответствовать:

диаграммные ленты и диски — ГОСТ 7826;

картограммы — ТУ на конкретные термометры;

синхронный микродвигатель для привода диаграммной ленты или диска на номинальное напряжение 220 В — ТУ на микродвигатель конкретного типа;

часовой механизм — ТУ на часовой механизм конкретного типа;

пневматический привод — ТУ на конкретные термометры.

3.14 Время одного оборота диаграммного диска выбирают из ряда: 8; 12; 16; 24 ч.

3.15 Скорость перемещения диаграммной ленты выбирают из ряда: 10; 20; 40; 120 мм/ч.

Скорость перемещения картограммы — по ТУ на конкретные термометры.

3.16 У многозаписных термометров с одним полем для записи показаний перья должны отстоять друг от друга на расстоянии, соответствующем цене деления или половине цены деления по времени.

Механизм для передвижения диаграммных лент, дисков и картограмм должен обеспечивать возможность ручной установки их на отсчетную линию времени.

Приспособление для крепления диаграммных дисков должно обеспечивать установку и смену диаграммных дисков и исключать сдвиг и коробление их при вращении.

Лентопротяжный механизм должен обеспечивать установку, смену рулонов и протяжку диаграммной ленты и картограммы без перекосов, морщин, вмятин и разрывов.

Механизм для передвижения диаграммных лент, дисков и картограмм должен быть снабжен устройством для пуска и остановки.

3.17 Погрешность хода привода диаграммных лент и дисков за 24 ч не должна превышать:

±3 мин — для термометров с часовым приводом;

±5 мин — для термометров с электрическим и пневматическим приводами.

Допускается погрешность хода привода диаграммных лент и дисков выражать в процентах, при этом она не должна превышать:

±0,2% заданной скорости — для термометров с часовым приводом;

±0,35% заданной скорости — для термометров с электрическим и пневматическим приводами.

Погрешность хода привода картограмм — по ТУ на конкретные термометры.

3.19 Стекло, предохраняющее шкалу (диаграммную ленту или диск) термометров, — по ГОСТ 10958.

Допускается применять другие материалы, не имеющие цветную окраску и дефекты, препятствующие правильному отсчету показаний.

3.20 В термометрах допускается наличие корректора нуля для установления стрелки (пера) на нулевую отметку шкалы (отсчетной линии) или выходного сигнала на номинальное значение.

3.21 Расход воздуха питания для термометров устанавливают в ТУ на конкретные термометры.

3.23 Потребляемую мощность для питания термометров с дополнительным электрическим устройством указывают в ТУ на конкретные термометры.

3.24 Маркировка, упаковка и транспортирование — по ТУ на конкретные термометры или преобразователи.

4 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

4.1 Общие требования безопасности к термометрам и преобразователям должны соответствовать ГОСТ 12.2.007.0.

4.2 Электрическая прочность и сопротивление изоляции электрических цепей термометров и преобразователей — по ГОСТ 12997.

5 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

5.1 Правила отбора термометров и преобразователей и выборки для государственных контрольных, приемосдаточных, периодических и типовых испытаний — по ГОСТ 18242*.
_______________
* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 50779.71-99**.

** На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ Р ИСО 2859-1-2007. — Примечание изготовителя базы данных.

Число термометров и преобразователей, предназначенных для испытаний, устанавливают в ТУ на конкретные термометры или преобразователи.

5.2 Условия испытаний устанавливают следующими:

рабочее положение — в соответствии с ТУ на конкретные термометры или преобразователи;

температура окружающего воздуха — (20±2) или (23±2) °С для термометров и преобразователей классов точности 0,4; 0,5; 0,6; 1 и (20±5) или (23±5) °С для термометров классов точности 1; 1,5; 2,5; 4 и преобразователей с пределом допускаемой основной погрешности ±1,5;

относительная влажность — от 30% до 80%;

атмосферное давление — (10000±3300) Па;

вибрация и тряска не должны достигать значений, вызывающих размах колебаний стрелки более 0,1, а пера более 0,2 предела допускаемой основной погрешности;

длина погружения термобаллона — в соответствии с указанной на термобаллоне.

5.3 Основную погрешность (3.1 и 3.2) и вариацию (3.3) показаний (записи) и выходных сигналов термометров и преобразователей определяют в соответствии с ГОСТ 8.305 и методикой, изложенной ниже.

Основную погрешность определяют сравнением показаний (записи) поверяемых термометров и выходных сигналов преобразователей с показаниями образцовых приборов не менее чем в пяти равномерно распределенных по температурному диапазону точках, включая нижний и верхний пределы измерений, сначала при повышении, а затем при понижении температуры.

Термобаллон термометра или преобразователя нагревают (охлаждают) до температуры, соответствующей установленной точке диапазона температур, и после достижения этой температуры и выдержки в течение 3 мин считывают показания (запись) и выходные сигналы поверяемого термометра или преобразователя и образцового термометра или манометра. Затем температуру термобаллона повышают до значения, соответствующего следующей поверяемой точке (или переносят термобаллон в течение 1-3 с в другой термостат). Поверку проводят по всем выбранным значениям при температуре, последовательно возрастающей до верхнего предела измерений (прямой ход).

После пятиминутной выдержки на верхнем пределе измерений считывают показания (запись) или выходной сигнал поверяемого термометра или преобразователя и образцового термометра или манометра при температуре, последовательно понижающейся до нижнего предела измерений (обратный ход).

Вариацию показаний определяют как разность показаний (записи) термометров или выходных сигналов преобразователей на одном и том же значении измеряемой температуры при прямом и обратном ходах.

При определении основной погрешности и вариации показаний термометров с конденсационным заполнителем, у которых температура окружающей среды находится в пределах измерений, время выдержки термобаллона в термостате перед снятием показаний устанавливают в ТУ на конкретные термометры.

5.4 Испытание термометров и преобразователей на влияние повышенной (пониженной) температуры окружающего воздуха (3.5) проводят по ГОСТ 12997.

Корпуса термометра и преобразователя и часть дистанционного капилляра выдерживают при предельных значениях диапазона температуры окружающего воздуха по группам, установленным ГОСТ 12997, не менее 2 ч.

5.5 Испытание термометров и преобразователей на воздействие повышенной влажности окружающего воздуха (3.4) проводят по ГОСТ 12997.

Термометры и преобразователи выдерживают при повышенной влажности не менее 2 сут.

После выдержки при температуре и влажности, соответствующих условиям по 5.2, не менее 2 сут термометры и преобразователи должны соответствовать требованиям 3.1 и 3.3, и при визуальном осмотре на поверхностях деталей не должно быть коррозии и ухудшения качества покрытий.

5.6 Испытание термометров и преобразователей на влияние вибрации (3.6) — по ГОСТ 12997.

где — фактический показатель тепловой инерции в условиях спокойной воздушной среды;

— показатель тепловой инерции в условиях движущегося воздуха и газа, а также в условиях спокойной и движущейся воды или жидкостей с близкими к ней коэффициентами тепловой передачи, определенной по таблице 3;

— показатель тепловой инерции в условиях спокойной воздушной среды, определенной по таблице 3.

5.8 Влияние изменения давления питания (3.6.1) проверяют на трех значениях выходного сигнала в интервале 20-25; 50-70; 95-100 кПа (0,2-0,25; 0,5-0,7; 0,95-1,0 кгс/см ).

Определив значения выходного сигнала при давлении 140 кПа (1,4 кгс/см ), определяют затем его значения при давлениях питания 126 и 154 кПа (1,26 и 1,54 кгс/см ).

Преобразователь считают выдержавшим испытание, если он соответствует требованиям 3.6.1.

5.9 Герметичность пневматических линий (3.22) проверяют до регулирования преобразователя. В линию питания преобразователя подают воздух под давлением 160 кПа (1,6 кгс/см ).

Отверстие сброса давления в пневмоусилителе и сопло закрывают. В местах соединений не должно быть течи, обнаруживаемой по образующимся пузырькам пенообразующего раствора.

Преобразователь считают выдержавшим испытание, если в течение 30 с не наблюдается образование пузырьков.

5.10 Методику проверки срока службы устанавливают в ТУ на конкретные термометры и преобразователи.

5.11 Методы испытаний термометров и преобразователей в упаковке для транспортирования на устойчивость к воздействию механико-динамических нагрузок, температуры и влажности (3.7 и 3.8) — по ГОСТ 12997.

5.12 Методы проверки термометров с дополнительными устройствами устанавливают в ТУ на конкретные термометры.

5.13 Перечень характеристик используемых средств измерений устанавливают в ТУ на конкретные термометры и преобразователи.

Источник

Измерение температуры и что такое температура.

В быту и на производстве мы часто обращаемся к «температуре» и «измерение температуры» «термометрами»:

— меряем температуру тела;

— смотрим на уличный термометр за окном, чтобы решить как одеться;

— контроль технологических или химических процессов.

Обычно под температурой мы понимаем просто степень нагретости тела: горячо — жарко, холодно — тепло.

Для точного измерения температуры в рамках какого-либо технологического процесса необходимо создать измерительную систему с учетом всех влияющих факторов. Тот же процесс инкубации яиц, чтобы вывести яйца в инкубаторе необходимо регулировать температуру.

Из четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века.

Но и сегодня не все , кто пользуется различными средствами измерения температуры, понимают , что же они измеряют .

То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину.

Теория (кратко).

В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так. Попробуйте взять в разогретой сауне в руку деревянный ковшик и металлический ковшик. Совершенно разные ощущения, хотя температура одна. Но если мы хотим сравнить температуру одинаковых по своей природе объектов, то можем сделать это с высокой точностью.

Рукой можно определить, повышена ли температура другого человека, фактически измерить её с точностью ±0,5⁰С. Также находясь в помещении можно с точностью до 1…2⁰С определить температуру воздуха. Человек хорошо чувствует этот физический параметр и в то же время мало кто сможет чётко сказать, что же это такое — температура.

Совершенно обратная ситуация с влажностью воздуха: очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. Однако эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении – это количество молекул воды в единице объёма.

Существуют несколько определений температуры. Одно из них наиболее близкое людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики:

если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру.

Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы.

Читайте также:  Таблица для лабораторной по физике измерение длины световой волны

Ну а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела.

Для корректного изложения вопросов измерения температуры необходимо дать ее точное физическое определение.

Температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Из определения температуры следует, что она не может быть колличественно измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.).

В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения:

  • контактные (собственно термометрия) — жидкостные, манометрические, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления и др.
  • безконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые в основном для измерения очень высоких температур — для измерения криогенных температур используются также газовые, акустические и магнитные термометры.

Кроме того, в системах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур широко используются полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.

Историческая справка.

Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.

Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки температуру тела человека (96°F — в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина.

Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°C) и температура кипения воды (100°C).

Наконец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры.

Перевести температуру из одной шкалы в другую можно с помощью следующих простых соотношений:

0°C соответствует 32°F и 273,15 К,

а 100°C — 212°F и 373,15 К.

Выбор между этими опорными точками 100 делений у шкалы Цельсия и 180 делений у шкалы Фаренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек).

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур.

Перечень основных фиксированных точек МПТШ68

Наименование Температура, К Образцовое средство измерения
Точка затвердевания золота 1337,58 свыше 1337,58 К — спектральный пирометр
Точка затвердевания серебра 1235,08 от 903,89 К до 1337,58 К — термопара платина/платина%родий (10% Rh)
Точка затвердевания цинка 692,73 от 13,81 К до 903,89 К — платиновый термометр сопротивления
Точка кипения воды 373,15
Тройная точка воды 273,16
Точка кипения кислорода 90,188
Тройная точка кислорода 54,361
Точка кипения неона 27,102
Точка кипения равновесного водорода 20,28

Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой – температура таяния льда -32 градуса. Ну а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К.

Температура — параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более.

В последнее время платиновые термосопротивления активно начали вытеснять медные и термопары . Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочувствительных элементов, которые в отличие от медных являются более стабильными и работают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечивают более высокую точность измерения и не требуют использования дорогого термокомпенсационного кабеля.

Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое применение. Одно из основных преимуществ меди — это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от минус 50 до + 200⁰С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200⁰С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180⁰С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопротивления с заданными параметрами становится проблематичным.

Также следует обращать внимание на максимальный измерительный ток. Например, для термометров сопротивления, изготовленных из проволоки диаметром 30 мкм уже при токе 0,2мА становится заметным явление саморазогрева от протекающего тока, а значит, использование таких термометров с большинством измерительных приборов становится невозможным. Обычно диаметр используемой проволоки определяется исходя из диаметра зонда, в который будет устанавливаться проволочный чувствительный элемент. Например, для зонда диаметром 2 мм используют проволоку диаметром 30 мкм, 4 мм – 40 мкм, 5…6 мм – 50 мкм, 8…10 мм- 80 мкм.

Большое значение имеет схема соединения проводников термосопротивления. Различают три основных схемы: 2-х, 3-х и 4-х проводную.

При двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавляется сопротивление внешних проводов, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерения. Ясно, что такой способ можно использовать только для ЧЭ с большим сопротивлением. Из наиболее употребляемых — это Pt1000. Легко подсчитать, что для обеспечения точности измерения 0,1⁰С общее сопротивление внешних проводников не должно быть больше 3,8 Ом.

В трёхпроводной схеме подключения автоматически из полного сопротивления вычитается сопротивление внешних проводов. Но это только в случае, если сопротивление проводников 1 и 2 трёхпроводной схемы равны между собой. Тем не менее, 3-х проводная схема подключения термосопротивлений на сегодняшний момент является самой популярной. Практически все вторичные приборы (измерители, регуляторы) имеют входные цепи, рассчитанные под эту схему. Трёхпроводная схема позволяет увеличить расстояние от датчика до прибора до 50…100 метров. При этом не обязательно, чтобы сам термометр сопротивления был изготовлен по 3-х проводной схеме. Можно использовать и датчики с двумя клеммами, подключив к одной клемме один провод, а ко второй – два.

Четырёхпроводная схема используется в основном только для точных измерений и в эталонных приборах. Данная схема позволяет автоматически компенсировать влияние на результат измерения не только сопротивления проводников, но и ЭДС в местах контактов.

Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления

Есть банальные истины, которыми нужно руководствоваться при выборе подходящего датчика температуры. Конечно же, нужно в первую очередь обратить внимание на диапазон измерения и точность. Во-вторых, нужно решить вопрос с основным конструктивным исполнением: в клеммной головке, или с кабельным выводом. Датчики с кабельным выводом более миниатюрны и менее инерционны. Они уже полностью готовы к подключению к вторичному прибору. Но вышеперечисленные преимущества одновременно являются и их недостатками. Миниатюрный корпус – следовательно, небольшой размер чувствительного элемента и малый измерительный ток. Жёстко присоединённый кабель несёт за собой худшую, чем для датчиков в клеммной головке степень защиты от воды. Эти датчики заведомо дороже из-за высокой стоимости применяемого высокотемпературного кабеля. Они менее надёжны при механических воздействиях опять-таки из-за наличия кабеля. С термосопротивлением в клеммной головке не обязательно использовать высокотемпературный кабель. Минус этих датчиков в одном – габаритных размерах, что бывает важно в ряде случаем.

При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключения. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глубина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина ЧЭ. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от ЧЭ датчика по кабелю. Ещё лучше, если и датчик и подводящий кабель будут закрыты хорошим теплоизолятором, например пенополиуретаном, или пенополиэтиленом.

Датчики температуры воздуха лучше устанавливать в тех местах помещения, которые наиболее важны для контроля. При плохой конвекции воздуха в помещении градиент температуры может составить до 5-ти и более градусов.

При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров.

По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи.

Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом, чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применяемых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объектов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления. Однако при увеличении длины стоимость её значительно возрастает. В то же время термопары значительно уступают термосопротивлениям в точности измерения. Связано это с рядом причин. Сигнал с термопары значительно более нелинеен. Для получения абсолютной измеренной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. А это означает, что общая погрешность измерения сложится из двух: погрешности измерения разности температур рабочего и холодного спая термопары и погрешности измерения температуры холодного спая. На практике же всё ещё сложнее. Очень непросто измерить с хорошей точностью температуру выводов термопары на входе вторичного прибора. На практике эта погрешность составляет около 1⁰С. При измерении высоких температур значение данной погрешности несколько нивелируется.

Советы по выбору и применению термопар

Для использования в диапазоне до +200⁰С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля температуры очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхностью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость.

Для диапазона до +800⁰С в России используется термопара ХК(L) хромель-копель. Данные термопары имеют очень высокую чувствительность в широком диапазоне начиная от -200⁰С. В других странах данный тип термопары не применяется. Самыми популярными в промышленности являются термопары типа ХА(К) хромель-алюмелевые. Теоретический диапазон их использования составляет от -200 до +1300⁰С. Термопары типа К замечательны хорошей линейностью характеристики от 0 до 1000⁰С. В реальности наиболее высокотемпературные термопары работают до 1100⁰С. Так как при высокой температуре от +800⁰С термоэлектродные проволоки начинают активно окисляться, то единственным путём увеличить срок службы термопары и температуру эксплуатации является увеличение диаметра термоэлектродных проволок до 2…3 мм. При температуре выше 800⁰С нержавеющую сталь кожуха меняют на специальную высокотемпературную сталь или керамику.

Для измерения температуры вплоть до +1700⁰С применяют термопары, изготовленные из драгоценных металлов платиновой группы. Они отличаются высокой стабильностью параметров, но имеют крайне низкую чувствительность при низких температурах и очень высокую стоимость. Наиболее высокотемпературные термопары – вольфрам-рениевые. Но они не могут работать в окислительной атмосфере при температуре уже выше 500⁰С. Оболочку этих датчиков необходимо наполнять инертным газом. Так как герметичный корпус для высоких температур изготовить проблематично, то для продолжительной работы по внутренней полости этих термопар постоянно пропускают инертный газ.

Для контроля температуры поверхности или воздуха лучше применять гибкую термопару без защитного чехла. Для контроля поверхности нужно обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью не только рабочего конца термопары, но и термоэлектродов на расстоянии не менее 50 мм, чтобы уменьшить теплоотвод от места контроля. При использовании термопары при высокой температуре в окислительной или агрессивной атмосфере может наблюдаться деградация параметров, связанная с окислением и изменением химического состава термоэлектродов. Необходимо периодически контролировать качество термопары хотя бы по её полному сопротивлению постоянному току. Для использования в экстремальных условиях в течение непродолжительного времени существуют ТП разового применения и ТП кратковременного применения.

Источник

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Погрешность измерения температуры термопарой

Недавно возникла необходимость снять характеристики термистора NTC. Как известно, термисторы NTC имеют два важных параметра — значение сопротивления при 25C и коэффициент B. Первое проверяется просто, но для подсчета B необходимо иметь измерения сопротивления при разных температурах — обычно 25C и 85C, но не обязательно. И лучше знать эту константу заменяя термистор, чтоб позже измеренные температуры не были сильно разбросаны.

Читайте также:  Датчик измерения теплового потока

Мы взяли шесть разных электронных приборов, использующих термопару K, но с самого начала было ясно, что их показания различаются. Какому же именно из них доверять? Выбор был следующим: Aneng AN8009, Richmeters 409B, Sanwa PC510a, EnergyLab VC97, Chauvin Arnoux MAX2000, TM-902C — самый дешевый, из Китая, стоит копейки.

Измерения температуры термопарой K

Для контроля был взят точный лабораторный ртутный термометр с диапазоном от 0C до 50C, шаг 0,2C. Это и будет контрольная точка, относительно которой проведем измерения температуры термопары K — сравнение датчиков различных мультиметров.

Для опытов сделаем небольшую камеру из картонной коробки, укутанную пеной, в которой закрыли все термопары и ртутный термометр. В течение часа температура выровнялась и стабилизировалась, а затем пришло время сравнения показаний:

  • Ртутный 23,0C
  • AN8009 23,0C
  • 409B 21,0С
  • PC510a 23,0С
  • VC97 22,0C
  • MAX2000 23,0С
  • ТМ -902C 24,1C.

Выиграл MAX2000, потому что показал точно 23,0C. Каждый мультиметр измерял термопарой, которая поставлялась с ним от завода.

Измерения высокой температуры термопарой

В дальнейших измерениях больше нельзя было использовать ртуть ввиду высоких температур, поэтому эталонной точкой стал MAX2000.

Подготовим нагревательную плиту в виде перевернутого утюга и проверим тепловизором распределение температуры, чтоб правильно выбрать область измерения. Установим все термоэлементы и прижмём их куском жаростойкой пены сверху и грузом. Все это для обеспечения равных условий измерения для всех термопар.

Проверку делали в диапазоне температур до 160 градусов.

Результаты измерений сведены в электронную таблицу, но было очевидно сразу, что TM-902C и Richmeters 409B не могут обеспечить слишком высокую точность (мягко говоря).

Во время измерений также замечено, что термопара от Aneng обладает огромной тепловой инерцией и требует длительного времени для стабилизации показаний. Вот почему с ним пришлось повторить серию измерений, но на этот раз с другой термопарой. В таблице обозначена как «AN8009 2». На графике показана ошибка измерения, выраженная в процентах в отношении эталонного мультиметра, то есть MAX2000.

Сравнение термопары с термистором

Теперь возвращаемся к термистору NTC 10k с неизвестным B и попробуем выяснить, что с ним и как. При выполнении всех операций получена следующая диаграмма: Вертикальная ось — логарифмическая шкала. Где надпись «zm.» это эмпирические данные (реальные измерения). Вот почему всё выглядит так красиво линейно. Измерения проводились каждый 1 градус. Это красная линия и теоретически рассчитанная B = 3984. Было куплено несколько подобных, затем измерили их тоже.

Как видите — теория совпала с практикой. Красная линия совпадает с серой, которая показывает измерения купленного термистора с известным B = 3984, но отличается от измерений термистора, купленного с B = 3988, или теоретической кривой для B = 3430.

Таблица параметров термопар

И напоследок приведём ещё одну полезную таблицу — параметры самих термопар:

Источник

Допустимая погрешность измерения температуры

ГОСТ Р 8.728-2010

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственная система обеспечения единства измерений

ОЦЕНИВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И МАССЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ВОДЯНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

State system for ensuring the uniformity of measurements. Estimation of errors of measurements of thermal energy and weight of the heat-carrier in water systems of the heat supply

Дата введения 2012-07-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им.Д.И.Менделеева»)

2 ВНЕСЕН Управлением метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Март 2019 г.

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации» . Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на водяные системы теплоснабжения и устанавливает методику оценивания погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя в этих системах.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.009 Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений

ГОСТ 8.632 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение измерительных систем узлов учета тепловой энергии. Основные положения

ГОСТ Р 51649 Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Основные термины и определения

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 водяная система теплоснабжения: Система теплоснабжения, в которой в качестве теплоносителя используется вода.

3.2 тепловая энергия [количество теплоты] в водяных системах теплоснабжения: Энергия, отдаваемая теплоносителем в виде теплоты в системах водяного теплоснабжения и/или затраченная на подогрев невозвращенной сетевой воды.

3.3 узел учета тепловой энергии; УУТЭ: Комплект приборов и устройств, обеспечивающий учет тепловой энергии, массы (объема) теплоносителя, а также контроль и регистрацию других параметров теплоносителя.

закрытая водяная система теплоснабжения: Водяная система теплоснабжения, в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, используется только как теплоноситель и из сети не отбирается.

[ГОСТ 26691-85, статья 40]

3.5 открытая водяная система теплоснабжения: Водяная система теплоснабжения, при которой вода частично или полностью отбирается из сети потребителями тепла.

3.6 однотрубная система: Полностью открытая водяная система теплоснабжения, не содержащая обратного трубопровода.

3.7 теплосчетчик: Средство измерений тепловой энергии, которую поглощает или отдает теплоноситель в водяных системах теплоснабжения, и параметров теплоносителя.

измерительный канал теплосчетчика: Совокупность измерительных преобразователей и/или средств измерений, линий связи, электронных (вычислительных) блоков, обеспечивающая измерение количества теплоты или других физических величин по данным об измеренных параметрах теплоносителя.

[ГОСТ Р 51649-2000, статья 3.9]

4 Общие положения

4.1 Тепловую энергию для водяных систем теплоснабжения определяют в соответствии с рекомендациями [1], [2], [3] и правилами [4] по следующим формулам:

— для открытых водяных систем теплоснабжения:

где , , , — массовые расходы сетевой воды в прямом, обратном трубопроводах и отбираемой в однотрубную систему горячего водоснабжения (далее — ГВС) ( при отсутствии утечек), а также в однотрубной системе холодной воды ( при отсутствии утечек), соответственно;

— время;

, и — удельные энтальпии сетевой воды в прямом, обратном трубопроводах и в однотрубной системе холодной воды, соответственно;

— масса теплоносителя, отбираемого из водяной системы теплоснабжения;

— для закрытых водяных систем теплоснабжения:

где — массовый расход сетевой воды в прямом и обратном трубопроводах;

— для однотрубной системы:

где и — массовый расход и энтальпия теплоносителя в трубопроводе.

4.2 Требования настоящего стандарта основаны на требованиях ГОСТ Р 51649 и ГОСТ 8.632.

По уровню погрешностей измерений количества теплоты, обеспечиваемых измерительным каналом, теплосчетчики в соответствии с ГОСТ Р 51649 подразделяют на классы А, В и С. Принадлежность теплосчетчиков к тому или иному классу определяют в процессе их испытаний в целях утверждения типа. В таблице 1 указаны значения погрешностей для теплосчетчиков классов А, В и С.

Формула для вычисления значения пределов допускаемой относительной погрешности, %

В формулах:

— наибольшее значение расхода теплоносителя, м /ч;
— измеряемый расход теплоносителя, м /ч;

— наименьшее значение разности температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, °С; выбирают из ряда: 1 °С, 2 °С, 3 °С для теплосчетчиков класса С; 2°С, 3°С, 5°С — для теплосчетчиков класса В; 3°С, 5°С, 10°С — для теплосчетчиков класса А;

— измеряемое значение разности температур, теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, °С.

5 Методика оценивания погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя

5.1 В настоящем стандарте при оценивании параметров точности измерений используют погрешности измерений по ГОСТ 8.009.

Допускается проводить это оценивание с помощью неопределенностей измерений. Порядок вычисления неопределенностей и сравнительный анализ двух указанных выше подходов к выражению характеристик точности измерений представлен в рекомендациях [5].

5.2 Оценивание погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя в УУТЭ в зависимости от схемы его построения проводят по нижеприведенным формулам (вывод формул представлен в приложении А, пример расчета — в приложении Б). При оценивании погрешностей оперируют неисключенными систематическими погрешностями измерений при доверительной вероятности 0,95.

5.2.1 Для УУТЭ с тремя расходомерами: в подводящем трубопроводе, в обратном трубопроводе и в трубопроводе ГВС — расчет тепловой энергии проводят по расходомерам и , а расходомер в обратном трубопроводе служит для контроля утечек теплоносителя, следовательно, наличие расходомера необязательно.

Доверительные границы относительной погрешности (как безразмерную величину) измерений тепловой энергии вычисляют по формуле

, и — объемные расходы теплоносителя в подающем трубопроводе, в однотрубной системе с энтальпией и в однотрубной системе холодной воды с энтальпией соответственно, м /ч;

— пределы допускаемой относительной погрешности, %, вычисляемые по формулам таблицы 1 в зависимости от класса теплосчетчика.

Погрешность измерений теплосчетчика для закрытой водяной системы теплоснабжения известна. Она определена при проведении испытаний в целях утверждения типа указанного средства измерений (далее — СИ) (см. раздел 4, таблица 1) и внесении его в Госреестр средств измерений Российской Федерации (далее — Госреестр СИ РФ). Погрешность измерений теплосчетчика для однотрубной системы с энтальпией определяют исходя из уравнения (11)

Погрешность измерений теплосчетчика для однотрубной системы холодной воды определяют исходя из уравнения (12)

Значения входящих в формулы (10), (11) и (12) энтальпии и плотности теплоносителя как функции его температуры и давления либо берут из таблиц ГССД [6], [7], либо вычисляют по формулам рекомендаций [1].

Доверительные границы погрешности измерений массы теплоносителя вычисляют по формуле

Пределы относительной допускаемой погрешности измерений энтальпии теплоносителя вычисляют по формуле

В формулах (16) и (17):

, , , — частные производные плотности и энтальпии теплоносителя по температуре и давлению при и (определяют путем дифференцирования уравнений для плотности и энтальпии из рекомендаций [1] или используя таблицы ГСССД [6], [7], переходя от дифференцирования к конечным разностям);

и — абсолютные погрешности измерений температуры и давления теплоносителя.

5.2.2 Для УУТЭ с двумя расходомерами, в котором отсутствует расходомер и величину определяют как разность расходов в подающем и обратном трубопроводах, пределы допускаемой относительной погрешности измерений тепловой энергии вычисляют по формуле

— пределы допускаемой относительной погрешности, %, вычисляют по формулам таблицы 1 в зависимости от класса теплосчетчика:

Приложение А (справочное). Вывод формул для расчета погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя

Это уравнение описывает УУТЭ с тремя расходомерами: в подводящем трубопроводе — , в обратном трубопроводе — и в трубопроводе ГВС — . Причем расчет тепловой энергии проводят по расходомерам и , а расходомер в обратном трубопроводе служит для контроля утечек теплоносителя. Значения энтальпии холодной воды (как правило, среднее за месяц) сообщает поставщик тепловой энергии.

Правая часть уравнения (А.1) может быть представлена слагаемой из трех частей:

Очевидно, что эквивалентна тепловой энергии для закрытой системы водяного теплоснабжения при расходе теплоносителя и энтальпии на подающем и обратном трубопроводах и соответственно; эквивалентна тепловой энергии для однотрубной системы (трубопровода ГВС) при расходе теплоносителя и энтальпии , а эквивалентна тепловой энергии для однотрубной системы холодной воды при расходе теплоносителя и энтальпии .

Отсюда следует, что теплосчетчик в открытой системе водяного теплоснабжения виртуально может быть представлен как совокупность трех теплосчетчиков: для закрытой системы водяного теплоснабжения, для однотрубной системы ГВС и однотрубной системы холодной воды.

Исходя из изложенного выше следует, что абсолютная погрешность измерений тепловой энергии теплосчетчика для открытой системы

где — пределы допускаемой относительной погрешности измерений тепловой энергии с помощью теплосчетчика для закрытой водяной системы теплоснабжения;

— пределы допускаемой относительной погрешности измерений тепловой энергии с помощью теплосчетчика для однотрубной системы (трубопровода ГВС);

— пределы допускаемой относительной погрешности измерений тепловой энергии с помощью теплосчетчика для однотрубной системы холодной воды.

Погрешность измерений теплосчетчика для закрытого контура известна. Она определена при проведении испытаний в целях утверждения типа СИ и внесении его в Госреестр СИ РФ (см. таблицу 1).

Доверительные границы погрешности измерений для однотрубной системы (трубопровода ГВС) определяют исходя из уравнения (А.3)

Доверительные границы погрешности измерений для однотрубной системы холодной воды определяют исходя из уравнения (А.4)

А.2 Узел учета тепловой энергии с двумя расходомерами

Для УУТЭ, в котором отсутствует расходомер и величину определяют как разность расходов в подающем и обратном трубопроводах, следует воспользоваться уравнением (3), которое при конечном временном интервале имеет вид:

Правая часть уравнения (А.10) может быть представлена слагаемой из трех частей:

Очевидно, что эквивалентна тепловой энергии для закрытой системы водяного теплоснабжения при массе теплоносителя и энтальпии на подающем и обратном трубопроводах и соответственно, эквивалентна тепловой энергии для однотрубной системы при массе теплоносителя и энтальпии , а эквивалентна тепловой энергии для однотрубной системы холодной воды при расходе теплоносителя и энтальпии .

Читайте также:  Дайте определение измерениям прямым косвенным

Тогда доверительные границы погрешности измерений тепловой энергии вычисляют по формуле

где — берут из таблицы 1 в зависимости от класса теплосчетчика;

где 1, 2, 3;

и — плотность теплоносителя и его объемный расход в -м трубопроводе.

Доверительные границы погрешности измерений массы теплоносителя вычисляют по формуле

В формуле (А.20):

, — частные производные плотности по температуре и давлению теплоносителя при и (определяют, используя таблицы ГССД [6], [7], переходя от дифференцирования к конечным разностям);

и — абсолютные погрешности измерений температуры и давления теплоносителя.

В случае применения двух расходомеров доверительные границы погрешности измерений массы теплоносителя, поступающей в единицу времени по подводящему трубопроводу и уходящей по обратному трубопроводу , определяют по формуле (А.19).

Доверительные границы погрешности измерений массы теплоносителя, уходящей из открытой водяной системы теплоснабжения на нужды ГВС, определяют исходя из того, что :

Приложение Б (справочное). Примеры расчета погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя

Б.1 Узел учета тепловой энергии с тремя расходомерами

Расчет погрешностей измерений тепловой энергии и массы теплоносителя проведен для УУТЭ, на котором установлен теплосчетчик ТСК8 с тремя расходомерами: , и . Условный диаметр Ду трубопровода равен 50 мм.

Теплосчетчик ТСК8 относится к классу С по ГОСТ Р 51649 и включает в себя расходомеры типа ПРЭМ (17858-06)/Э), термометры типа КТПТР (14638-05) и преобразователи давления типа ПД (28697-05).

Примечание — В скобках указаны номера СИ в Госреестре СИ РФ.

Метрологические характеристики теплосчетчика для Ду=50 мм следующие:

Источник

Допустимая погрешность измерения температуры

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ГРАДУИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАТИНОВЫХ ТЕРМОМЕТРОВ.

Рассмотрены вопросы построения индивидуальной градуировочной шкалы платинового термометра сопротивления по результатам измерения R и R 100 и проведена оценка точности расчета. Представлен итерационный алгоритм расчета температуры по измеренному сопротивлению термометра Rt .

Как известно, ГОСТ 6651-94 ( Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний) нормирует погрешность технических термометров сопротивления по классам точности А, В и С, определяя максимальную погрешность для каждого класса в зависимости от измеряемой температуры. При необходимости, повышение точности измерения температуры может быть достигнуто с помощью индивидуальной градуировки — измеренных значений R 0 и R 100. Однако, построение индивидуальной температурной шкалы термометра требует дополнительных расчетов.

В ГОСТ 6651-94 приведены температурные зависимости относительного сопротивления W ( t )= Rt / R 0 для двух различных сортов платины ( W 100=1.391 и W 100=1.385). Заметим, что величина W 100 связана еще и с качеством отжига проволоки при изготовлении чувствительного элемента. Будем считать, что приведенные в ГОСТе зависимости точно соответствуют температурной шкале. Отклонения от приведенных зависимостей для конкретного чувствительного платинового элемента связаны только с отличием его R 0 от номинального значения (50, 100 или 500 Ом) и отличием W 100 от значения 1.391. Зависимости W ( t ) для различных сортов платины представляют собой семейство подобных кривых, по крайней мере, в интересующей нас области температур.

Рассмотрим источники погрешности и их влияние на точность измерения.

Погрешность определения температуры

П огрешность измерения температуры платиновыми термометрами сопротивления включает погрешность калибровки, временную нестабильность характеристик термометров и погрешность расчета температуры.

Данные представлены выпускной лабораторией «Термико».

1. Калибровка термометра

погрешности, вносимой ледяным термостатом D t 0=± 0.0025° С;

погрешности, вносимой стоградусным термостатом D t 100=± 0.01° С.

максимальная погрешность определения R 0 составляет D R 0=± 0.002 Ом (относительная d R 0=± 2*10-5), или в температурном эквиваленте ± 0.005° С;

максимальная погрешность определения R 100 (с учетом погрешности температуры отнесения) составляет D R 100=± 0.01 Ом ( d R 100=± 1*10-4 ), или в температурном эквиваленте ± 0.025° С;

максимальная относительная погрешность определения W 100= R 100/ R 0 для термометра:

d W 100=1*10 -4 +2*10 -5 =12*10 -5 , тогда абсолютная погрешность D W 100» 0.0002.

2. Стабильность термометрических характеристик

И сследования временной стабильности характеристик, проводившиеся в «Термико» на платиновых чувствительных элементах, отдельных платиновых термометрах, комплектах термометров в диапазоне температур до 200° С, а также результаты вторичной поверки термометров, поступающих от наших заказчиков показали, что практически все они подтверждают свой класс, определенный при калибровке.

Применительно к термометрам это означает, что за 3 года эксплуатации они, по крайней мере, не изменяют характеристик более, чем на 0.02¸ 0.03° С

Группа платиновых чувствительных элементов в составе поверочных устройств подвергалась ежедневному 5-кратному термоциклированию 0° С — 100° С. Изменение R 0 за год составило при этом не более 0.003 Ом (

В качестве примера приводим результаты измерений R t 4-х платиновых чувствительных элементов в процессе наработки при t =600° C (таблица 1) и 2-х термометров при t =200° C (таблица 2).

Наработка t ,час при t=600° C

Наработка t ,час при t=200° C

3. Расчет температуры

В ГОСТ 6651-94 приведены номинальные статические характеристики НСХ для платиновых термометров двух типов: для W 100 =1.391 и W 100 =1.385 в соответствии со шкалой МТШ-90. В интересующем нас диапазоне температур НСХ описывается интерполяционными уравнениями типа

Для W100=1.391, A1=3.9692*10 -3 ° C -1 , B1=-5.8290*10 -7 ° C -2 ;

Для W100=1.385, A2=3.9083*10 -3 ° C -1 , B2=-5.7750*10 -7 ° C -2 .

Для определения А и В коэффициентов уравнений, описывающих НСХ термометров, имеющих значение W 100 , отличающееся от приведенных в ГОСТе, необходимо использовать то, что отношение соответствующих коэффициентов для двух данных сортов платины с достаточной точностью совпадает с отношением значений их a из уравнения

A 2/ A 1=3.9083/3.9692=0.98465 (2); — отношения 1 и 2 равны между собой.

B 2/ B 1=5.7750/5.8290 = 0.990736; (4) отношения 3 и 4 совпадают с точностью 0,06%.

Т аким образом, мы обходимся без дополнительных измерений для определения индивидуальной статической характеристики термометра, используя имеющиеся в нашем распоряжении калибровочные характеристики R 0 и R 100 , сохраняя при этом ГОСТовскую зависимость W ( t ), то есть не добавляя новых ошибок, связанных с аппроксимацией экспериментальных данных.

Итак, для реальной платины (1.392> W 100> 1.385):

С точностью, определяемой ошибкой измерения W 100 мы можем составить интерполяционное уравнение (1) для платины, имеющей значение a ( a =( W 100-1)/100 — чувствительность термометра), отличающееся от стандартного 0.00391. Заметим, что экспериментальная ошибка определения (см. вы ше)

D W 100 » 0.2*10 -3 > 0.08*10 -3 (7)

Результаты измерения W 100 в нашей практике, как правило, дает нормальное распределение значений с максимумом при 1.3912¸ 1.3914.

4. Алгоритм расчета температуры

Расчет температуры по уравнению (1), которое описывает индивидуальную НСХ термометра с учетом калибровочных характеристик Ro и R 100 ,осуществляется итерационным методом по алгоритму:

Определяется значение W изм = R изм / Ro . ( R изм – измеренное значение сопротивления термометра при данной температуре, Ro –сопротивление термометра при 0 o С).

Измеренное значение W изм сравнивается с W рас , рассчитанным по температуре t рас , полученной в предыдущем приближении (или по стартовому значению, например 100 о С ). Определяется поправка D t = ( W рас – W изм )/ a ( a =( W 100-1)/100 — чувствительность термометра), которая вычитается из t рас : t изм = t рас — D t . При выполнении условия | D t | t рас значительно отличается от измеряемого.

Если расчет температуры ведется по индивидуальной шкале термометра, то погрешность измерения температуры состоит из погрешности градуировки, плюс погрешность измерения сопротивления, плюс погрешность, связанная с условиями применения термометра.

Погрешность определения разности температур

Проведен анализ погрешности измерения разности температур разностными комплектами термометров КТПТР. Сравнение с требованиями Европейского стандарта EN 1434

Измерения разности температур D t при помощи комплектов термометров КТПТР, кроме погрешности измерения температуры d t , характеризуются величиной погрешности определения разности температур d ( D t ).

Разностные комплекты термометров КТПТР составляются путем подбора пар термометров по результатам измерения R и R 100 . Разность показаний подобранных в пару термометров при температурах 0 о С и 100 о С не превышает 0.1 о С. По результатам статистических исследований около 2000 комплектов различных типов КТПТР установлено, что, с вероятностью 95%, показания пары термометров комплекта в температурных точках 0 о С и 100 о С различаются не более, чем на 0,075 о С. На диаграмме показано распределение относительного числа комплектов в зависимости от разности показаний dT термометров комплекта при температуре 100 оС.

На диаграмме изображена зависимость максимальной погрешности (доверительная вероятность 95%) определения разности температур от температуры «горячего» термометра. Граница области допустимых погрешностей достаточно хорошо описывается параболой:

d(dT) = 0.076 – 2.7*10 -4* T + 3.2*10 -6* T 2 , о С, (8)

г де t – показания «горячего» термометра.

В таблице 3 приведены значения наиболее вероятных (доверительная вероятность 95%) значений максимальной погрешности и максимально допустимой погрешности для различных температур .

В заключение приведу графики допустимых погрешностей d (D t) комплектов по Техническим Условиям «Термико» и те же требования Европейского стандарта EN 1434. При этом Технические Условия «Термико» не учитывают зависимость погрешности определения D t от значений температуры t1 и t2, измеряемых термометрами комплекта. В стандарте EN 1434 эта зависимость явно не выражена. Возможно, она учтена путем обеспечения гарантированного запаса максимально допустимой погрешности. Однако, допуск на максимальную погрешность EN 1434 в пять раз больше, чем принято в «Термико».

Моделирование тепловых процессов при измерениях температуры

Предложен метод математического моделирования развития во времени процесса установления теплового равновесия в системе термометр сопротивления — объект измерения. Рассчитывается распределение температур по конструкции термометра в любой момент времени, определяется показатель тепловой инерции термометра, дополнительная статическая погрешность измерения температуры в зависимости от способа контакта термометра с объектом измерения. Предложены рекомендации по доработке методики поверки термометров в условиях, отличающихся от рабочих условий применения. Получено совпадение расчетных данных с результатами измерений.

Главным критерием качества при измерении температуры объекта является наличие теплового равновесия между термометром и объектом. Однако, тепловое равновесие вовсе не гарантирует равенства температур термометра и объекта, поскольку всегда существует тепловой поток, проходящий через термометр от объекта в окружающую среду, который создает определенный перепад между температурой объекта и температурой чувствительного элемента ( ЧЭ ). Любой термометр имеет тепловую связь с окружающей средой через собственную арматуру и выводящие провода. Этот перепад температур представляет собой дополнительную погрешность измерения, величина которой определяется отношением теплового сопротивления между объектом и ЧЭ к тепловому сопротивлению между ЧЭ и окружающей средой.

Настоящая работа посвящена оценке дополнительной погрешности измерения температуры техническими термометрами сопротивления, связанной с условиями теплообмена между термометром и объектом измерения.

При выборе минимальной глубины погружения L min, обеспечивающей заданный уровень точности измерения температуры объекта, необходимо учитывать характер теплообмена термометра с измеряемой средой. Поскольку в большинстве случаев рабочей средой является водяной поток, а поверочные термостаты в качестве рабочей жидкости используют перемешиваемое силиконовое масло, то различие физических условий в рабочих условиях и при поверке приводит к заметной разнице в результатах измерений при одинаковой глубине погружения. Особенно это существенно для термометров, у которых монтажная длина не намного больше длины чувствительного элемента.

Обычно для оценки минимально необходимой глубины погружения L min используются эмпирические соотношения типа L min >n*d, где d — диаметр термометра, а число n (от 10 до 30) выбирается в зависимости от условий применения. Очевидно, что такая оценка может дать самые приблизительные результаты, поскольку при этом не учитывается влияние на теплообмен особенностей конкретной конструкции термометра, таких как толщина стенок корпуса термометра, теплопередача по выводящим проводам и.т.д., что, конечно, ведет к неверной оценке L min .

Наилучшим способом априори оценить качество взаимодействие термометра с объектом измерения является математическое моделирование тепловых процессов.

Рассчитать распределение температуры по термометру, путем решения дифференциальных уравнений теплопередачи невозможно, поскольку конструкция любого термометра содержит границы раздела между элементами с различными физическими свойствами, что исключает необходимую для решения неразрывность функций и производных. Остается численное моделирование, состоящее том, что объект исследования заменяется системой, состоящей из большого числа достаточно малых элементов, в пределах которых теплофизические свойства сохраняют однородность. Для каждого элемента определяется теплоемкость Cр(t). Тепловые связи между элементами рассчитываются как тепловые сопротивления, определяемые свойствами материалов и геометрией конструкции. Далее, для каждого элемента объекта составляется уравнение теплового баланса:

количество тепла, поглощенное элементом за время tau должно быть равно алгебраической сумме тепловых потоков, прошедших через элемент за то же время — Ср×dt=Sum(Qi)×tau, где Ср — теплоемкость элемента, dt оС — величина нагрева, tau — шаг расчета по времени, Qi, Вт — мощность теплового потока вдоль i-той тепловой связи.

Стартовое распределение температуры в системе «термометр-объект» выбирается таким же, как при измерении инерционности термометра ( t терм = idem объект = idem ), с тем, чтобы в качестве объективного контрольного параметра в процессе расчета получить еще и показатель тепловой инерции » k инерц « , значение которого легко может быть измерено экспериментально (ГОСТ Р 50353-92). Кроме того, Показатель термической инерции » k инерц « ,

Поскольку термометр обладает, как правило, цилиндрической симметрией, то элементы разбиения определяются как однородные кольцевые участки высотой dx (dx = 1 мм). Теплообмен с жидкой средой рассчитывается при скорости движения жидкости

0,1 м/с (типичное значение для термостатов). Теплообмен на участке вне термостата рассчитывается по модели свободной конвекции воздуха. Температурные зависимости теплофизических свойств рабочих веществ и материалов получены из справочной литературы, за исключением теплопроводности корундового порошка (размер зерна

40 мкм), для определения которой были проведены специальные экспериментальные исследования.

На диаграммах представлены результаты расчета для термометра ТПТ-15 (использующегося в разностных комплектах КТПТР-04) с монтажной длиной L м = 65 мм в защитной гильзе (начальная температура 20 оС), погруженного в воду с температурой 100 оС. Температура окружающего воздуха — 20 оС. Линии на графиках соответствуют распределению температуры по отдельным частям конструкции — выводящим проводам, засыпке из корундового порошка, трубке и гильзе, чувствительному элементу. Рассчитанный показатель термической инерции в воде k инерц =10 с не отличается от измеренного более, чем на 1 с. После достижения теплового равновесия среднеинтегральная температура чувствительного элемента равна 99,958 оС. То есть, при данной конфигурации дополнительная ошибка измерения составляет 0,042 оС.

В таблице 1 представлены результаты расчета для того же термометра в различных условиях применения, при температуре измеряемой среды 100 оС.

Источник