59.Основные задачи температурных измерений. Физические основы температурных измерений.

Температура тела - есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам». Если в качестве «другого» тела рассматривать измеритель темпера­туры, то именно эта способность - «сообщать теплоту другим телам» и есть физическая основа температурных измерений. Если температура измеряемого тела меняется во времени, т. е. име­ются внутренние или внешние источники или стоки тепла, то в процессе измерения в общем случае возникает еще и динамическая погрешность, обусловленная тепловой инерцией термометра, тем большая, чем больше скорость изменения температуры. Измеряемый объект может иметь любое агрегатное состояние - твердое тело, газ, жидкость, плазма. Специфика теплового взаимодействия с измеряемым объектом в соответствующем агрегатном состоянии форми­рует специфические требования к конструкции датчика и реализованному в нем принципу преобразования (термометрическому свойству). Теплообмен осуществляется на основе трех взаимосвязанных и вме­сте с тем взаимодополняющих механизмов. Однако в каждом конкретном случае один из механизмов является превалирующим. Первый механизм теплопередачи - теплопроводность, или кондук- тивный теплообмен. В основе этого механизма - обмен кинетической энергией поступательного и колебательного движения молекул. Некоторые материалы, в особенности кристаллические полупровод­никовые, характеризуются явно выраженной анизотропией теплопровод­ности. Коэффициент температуропроводности представляет собой меру бы­строты выравнивания тепла в неравномерно нагретом теле, т.е. косвенно характеризует термическую инерцию тела. Вместе с тем кондуктивная теплопередача по элементам конструк­ции датчика, предназначенного для измерений температуры газовой или жидкой среды, может приводить к искажениям показаний датчика, тем большим, чем более сопоставим вклад кондуктивной теплопередачи с вкладом конвективного теплообмена изучаемой среды с чувствительным элементом датчика. Носителями энергии теплового излучения являются электромагнит­ные волны инфракрасного, видимого и даже ультрафиолетового и более коротковолнового спектра длин волн. Законы переноса излучения сформулированы для идеальной модели излучающего тела - абсолютно черного (его коэффициент поглощения во всем диапазоне длин волн ранен единице). Распределение энергии в спек­тре излучения абсолютно черного тела соответствует его термодинамиче­ски равновесному состоянию и зависит только от его температуры.

60.Погрешности температурных измерений контактными датчиками.

Погрешности температурных измерений разобраны во многих моно­графиях и публикациях, число которых исчисляется сотнями и даже тыся­чами [58,59,60]. Здесь рассмотрим эту проблему кратко, упрощенно, схе­матично на основе наиболее типичных измерительных ситуаций. Главная цель этого рассмотрения - ориентация на правильный выбор датчика, ос­мысленная, целесообразная организация измерительного эксперимента, обеспечивающая снижение; неизбежных погрешностей, а также возмож­ность приближенной их оценки. При измерении нестационарных температур добавляется погреш­ность, которую принято называть динамической, обусловленная термиче­ской инерцией датчика. И в эту погрешность вносят свой вклад побочные виды теплопередачи.

Как уже отмечалось, измерение температуры поверхностей элемен­тов конструкции осуществляется термометрами сопротивления и термопа­рами. Погрешности таких измерений тем меньше, чем меньше размеры датчика, чем меньше его собственная теплоемкость и термическое сопро­тивление, а также чем меньше влияние побочных видов теплопередачи (в данном случае основным процессом теплопередачи является кондуктив- ный теплообмен между измеряемой поверхностью и датчиком). Датчик рассматрива­ется как стержень с равномерным распределением теплофизических харак­теристик (для реальных конструкций должны быть приняты эффективные значения). Стержень и является измерителем температуры среды. В ста­ционарном случае, если бы отсутствовали теплопотери от стержня к более холодному корпусу (Яконд) и потери, обусловленные лучеиспусканием к бо­лее холодным стенкам (я_рал) и если бы при этом отсутствовали погрешно­сти, обусловленные торможением, то датчик измерял бы температуру сре­ды. Если температура среды меняется во времени, то имеет место и дина­мическая погрешность, обусловленная термической инерцией датчика. Общая погрешность при измерениях с ростом теплоотвода к корпусу растет, ибо при наличии теплоотвода установившееся значение температу­ры тем быстрее реализуется, чем больше оно искажено статической по­грешностью теплоотвода. Если стержень имеет неоднородную структуру - однородную обо­лочку (защитный кожух) с ядром с низкой теплопроводностью и заметным термическим сопротивлением, то предельное значение коэффициента тер­мической инерции определяется ядром стержня (е^ = ХФ), а статическая погрешность - теплопроводностью оболочки. При этом величина а₍ц легко рассчитывается при знании геометрических размеров оболочки и коэффи­циента теплопроводности материала кожуха. Погрешность, обусловленная радиационным теплообменом датчика со стенками магистрали, имеющими температуру ниже измеряемой темпе­ратуры среды, может быть оценена из следующего рассмотрения. Если газ, температура которого измеряется, прозрачен, то удельный тепловой поток от датчика к стенкам составляет: коэффициент лучистого теплообмена между датчиком и стенкой (s_s - ко­эффициент испускания абсолютно черного тела); s</ /s_cm- отношение пло­щадей поверхности датчика и стенки, находящихся в радиационном тепло­обмене. Эффективным способом снижения погрешностей, обусловленных радиационными потерями, (почти на порядок) является введение между датчиком и стенками антирадиационного экрана. Необходимо также иметь в виду, что при температурах срсды выше плюс 500°С появляется собст­венное излучение газа, которое само оказывает экранирующее действие. Для термометров сопротивления должна приниматься во внимание возможность нагрева чувствительного элемента термометра измеритель­ным током и связанная с этим погрешность, величина которой зависит как от интенсивности теплообмена термометра с окружающей средой, так и от термического сопротивления и теплоемкости армирующих чувствитель­ный элемент материалов.При измерениях температуры в полях проникающей радиации долж­ны учитываться погрешности, обусловленные как мгновенными, так и ин­тегральными эффектами, зависящими от величины излучения.