Материал: U10sUZIsoo

Все бесконтактные методы (методы пирометрии) основываются на использовании того или иного свойства теплового излучения объекта. Тем самым передача информации о температурном состоянии объекта осуществляется лучистой энергией, испытывающей в ряде случаев искажения по пути от объекта к приемнику.

Основные методы пирометрии излучения для тел со сплошным спектром излучения, характерным для большинства твердых тел и их расплавов, приведены в табл. 2.2.

2.2. Классификация погрешностей измерений температур

Всякое измерение температуры, как и любой физической величины, является экспериментальным процессом и поэтому неизбежно сопровождается возникновением погрешности измерения. Под погрешностью t понимается разность между измеренным t и истинным tи значениями. Так как истинное значение не известно, то его принято заменять «действительным» tд, опреде-

ляемым либо расчетным путем, если это возможно, либо с помощью более точного прибора. Таким образом, t = t – t д.

Величина t является результатом наложения двух принципиально различных погрешностей измерений температур: одна из них называется инструментальной погрешностью, а другая – методической.

Инструментальная погрешность определяется точностной характеристикой средства измерения. Причины этой погрешности в неточности настройки каждого элемента измерительного тракта (первичного преобразователя, линии связи, усилителя, вторичного преобразователя, прибора для измерения сигнала), а также в погрешностях градуировки элементов.

Измеренная в нормальных условиях работы, регламентированных соответствующими нормативными документами, инструментальная погрешность средства измерения называется его основной погрешностью. Максимальное (предельное) значение основной погрешности, разрешенное для средств измерений, называется допускаемой погрешностью. Для многих средств измерений (например электроизмерительных) предел допускаемой погрешности,

16

выраженный в процентах диапазона рабочей шкалы прибора, определяет его класс точности. Поэтому, зная класс точности прибора и его диапазон измерения, можно найти абсолютное значение предела допускаемой погрешности для любой отметки рабочего участка шкалы.

Класс точности прибора нормирует и случайную составляющую его инструментальной погрешности, характеризуемую вариацией прибора. Максимальная вариация (полуразность разброса показаний), выраженная в процентах диапазона рабочего участка шкалы, не должна превышать его класс точности.

Методическая погрешность зависит от выбранного метода измерений и обуславливается теплообменом между первичным преобразователем и элементами объекта или средой. Эта погрешность зачастую превышает инструментальную, и правильная ее оценка и учет определяют правильность результата измерения.

Для контактных методов измерения температур методическая погрешность складывается из воздействия следующих факторов:

а) нарушения температурного поля объекта; б) теплоотвода по линиям связи, в результате чего из-за теплового со-

противления между чувствительным элементом первичного преобразователя и объектом возникает разность температур;

в) теплообмена первичного преобразователя с окружающей средой или элементами конструкции объекта (при измерении температур поверхностей твердых тел);

г) лучистого теплообмена с окружающими телами (при измерении температур газов);

д) запаздывания установления показаний, вызванного термической инерцией преобразователя и наличием теплового сопротивления между чувствительным элементом преобразователя и объектом.

В зависимости от характера объекта и условий измерений некоторые из перечисленных факторов не всегда будут оказывать влияние, но на других объектах именно эти факторы могут оказаться определяющими.

Для бесконтактных методов измерения температур методическая погрешность возникает от воздействия следующих факторов:

а) влияния коэффициента излучения объекта и его непостоянства в процессе измерения;

б) влияния внешних источников излучения; в) влияния промежуточной среды между объектом и первичным преоб-

разователем.

17

Очевидно, что погрешность результата измерения складывается из систематических и случайных инструментальных и методических погрешностей. Систематическая погрешность должна быть исключена введением в среднее измеренное значение температуры Тср соответствующей поправки. Суммарная случайная составляющая погрешности sΣ, определяющая степень достоверно-

сти результата измерений, используется при написании результата в форме

T = Tср ± t (α2, n) sΣ,

где t – коэффициент Стьюдента, выбираемый из таблиц в зависимости от уровня значимости α (связанного с доверительной вероятностью p как

α = (1 – p)) и объема выборки n.

Результаты измерений без оценки их погрешности не могут считаться достоверными.

2.3.Вопросы для самопроверки

1.Какие методы измерения температур называют косвенными, а какие прямыми?

2.Какие методы измерения температур называют контактными, а какие бесконтактными?

3.Что понимают под погрешностью измерения температуры?

4.Какие погрешности измерения температур существуют?

5.Что называют основной погрешностью средства измерения температуры?

6.Что называют допускаемой погрешностью средства измерения температуры?

7.Что называют классом точности средства измерения температуры?

8.Какие факторы определяют методическую погрешность средства измерения температуры?

9.Какие составляющие имеют методическая погрешность?

18

3.ТЕРМОМЕТРИЯ РАСШИРЕНИЯ

3.1.Биметаллические термометры

Биметаллические пластины, используемые в качестве чувствительного элемента биметаллического термометра, состоят из двух примерно одинаковых по толщине пластинок металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры такая пластина изгибается в сторону материала с меньшим коэффициентом линейного расширения. При жестком креплении одного конца пластины перемещение ее другого конца вследствие изгиба передается на указатель и служит мерой изменения температуры.

Для закрепленной с одного конца биметаллической пластины длиной l и толщиной s перемещение A ее ненагруженного конца при изменении температуры от t1 до t2 определяется выражением

A = γl2 (t2 − t1), s

где γ – удельный изгиб пластины, зависящий от разности коэффициентов линейного расширения использованных металлов. Таким образом, перемещение ненагруженного конца пластины не зависит от ее ширины. Очевидно, что приведенное выражение справедливо только в том интервале температур, в котором оба используемых металла обладают упругой деформацией. Это обстоятельство определяет принципиальные температурные границы применимости биметаллических термометров. Подбором специальных сплавов удается создать биметаллические термометры с рабочим

19

рения, так и для автоматического регулирования. В последнем варианте чувствительный элемент приводит в действие систему управления исполнительными механизмами.

Основная погрешность биметаллических термометров составляет от 1,0 до 1,5 %, а в области повышенных температур – до 3 % диапазона измерения.

3.2.Жидкостно-стеклянные термометры

Вжидкостно-стеклянных термометрах (ЖСТ) для измерения температуры используется преобразование изменения объема рабочей жидкости в зависимости от температуры чувствительного элемента (резервуара с рабочей жидкостью) в перемещение мениска жидкости в капилляре, отсчитываемое по шкале и обусловленное разностью коэффициентов объемного расширения жидкости и стенок резервуара.

Термометрические жидкости. В табл. 3.1 дан перечень основных термометрических жидкостей и значения их средних действительных и видимых коэффициентов объемного расширения, причем термин «видимый коэффициент» обозначает разность коэффициентов объемного расширения данной жидкости и термометрического стекла.

Наиболее распространенной термометрической жидкостью является ртуть. Она не смачивает стекло, легко получается в чистом виде, находится в жидком состоянии в широком интервале температур.

Основные погрешности ЖСТ. Значения предела допускаемых основных погрешностей (в кельвинах) ЖСТ в зависимости от цены деления шкал приведены в табл. 3.2.

Распространено мнение, что инструментальная погрешность ЖСТ может быть принята равной его цене деления. В действительности инструментальная погрешность существенно превышает цену деления, что наглядно показано в табл. 3.2. Особенно это характерно для малой цены деления.

Следует иметь в виду, что у ртутных термометров с тонким капилляром имеет место неравномерное, скачкообразное движения мениска ртути при мед-

20