книги / Теплотехнические измерения и приборы

где ki = / 2//х — коэффициент трансформации трансформатора тока. В уравнение (5-12-3), связывающее измеряемое значение сопро­ тивления термометра с сопротивлением реохорда R„р и резистора Ru, входят не значения токов, а их отношение или коэффициент kj, который в достаточно широких пределах изменения намагничиваю­ щего тока имеет постоянное значение. Это позволяет считать, что колебания напряжения питания или изменения сопротивлений токо­ вых проводников термометра, вызывающие изменение тока Ilt на

результаты не влияют.

С другими вариантами автоматических компенсационных прибо­ ров, разработанных НПО «Термоприбор», для измерения и записи низких температур, а также для измерения разности температур с помощью термометров сопротивления можно познакомиться в [19].

Г Л А В А Ш Е С Т А Я

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТАКТНЫМИ МЕТОДАМИ, ПОГРЕШНОСТИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ И СПОСОБЫ ИХ УЧЕТА

И УМЕНЬШЕНИЯ

6-1. Общие методические указания

Рассмотренные выше контактные методы и средства измерения температуры широко применяются при контроле и автоматизации различных технологических процессов, а также при проведении исследований. Точность измерения температуры, так же как и других величин, зависит от выбранного метода измерения, от мет­ рологических и динамических характеристик средств измерения, от условий измерения и ряда других причин. Поэтому выбор метода и средств измерения температуры необходимо производить в зави­ симости от поставленной задачи, требуемой точности и условий измерения.

Под средствами измерения температуры мы будем понимать жид­ костные термометры, манометрические термометры и измерительные комплекты, состоящие из термометров сопротивления или термо­ электрических термометров с соответствующими вторичными при­ борами, нормирующими преобразователями и другими измеритель­ ными устройствами. При выборе средств измерения температуры необходимо иметь в виду не ту точность, которая свойственна им

при работе в нормальных условиях, а ту точность, которую приборы могут обеспечить в данных эксплуатационных условиях.

Одновременно с выбором средств измерении в зависимости от их метрологических и динамических характеристик должен стоять вопрос о минимальном и максимальном значениях измеряемой тем­ пературы, а следовательно, и о выборе шкалы прибора или диапа­ зона преобразования нормирующего преобразователя. Это связано с тем, что допускаемые погрешности манометрических термометров, вторичных приборов и нормирующих преобразователей выражены в виде приведенных погрешностей в процентах от диапазона изме­ рения (нормирующего значения). Вследствие этого для обеспечения наибольшей точности измерения желательно выбирать вторичный прибор по возможности с безнулевой шкалой, а нормирующий пре­ образователь — с безнулевым диапазоном преобразования, кроме того, максимальная измеряемая температура должна быть близка к верхнему пределу измерения или диапазона преобразования:

Условия работы вторичных приборов, нормирующих преобразо­ вателей и манометрических термометров бывают различны, а именно: при температуре выше или ниже нормальной области значений (например, 20 ± 5°С), при воздействии других влияющих величин (§ 1-5), в местах, подверженных вибрации или с наличием внеш­ них электрических и магнитных полей. Внешние условия, при кото­ рых должны работать приборы, могут сильно влиять на точность измерения, что необходимо учитывать при выборе места их уста­ новки.

Если вторичные приборы или нормирующие преобразователи работают при температуре окружающего воздуха ниже или выше нормальной области значений, то ввести поправку в их показания в большинстве случаев не представляется возможным. Это объясня­ ется тем, что ни знак, ни числовое значение дополнительных погреш­ ностей этих приборов, возникающих при отклонении влияющих величин от нормальных значений или нормальной области их зна­ чений, нам не известны, так как они нормируются со знаками плюс и минус (§ 1-5). В этом случае остается единственный путь — уве­ личивать на соответствующее 'значение погрешность измерения (§ 1-7). Следует также иметь в виду, что отклонение влияющих величин не должно превышать определенных — нормированных пределов расширенной области их значений, например, в эксплуа­ тационных условиях температура среды, окружающей вторичные приборы, не должна быть ниже + 5 или выше +50°С, среда не должна быть сильно запыленной и не должна разрушающе действо­ вать на приборы. В-противном случае необходимо применять спе­ циальные защитные устройства или какие-либо другие меры, обес­ печивающие удовлетворительные условия работы приборов. Если приборы монтируются на щитах управления, то последние должны устанавливаться в специальных помещениях. В тех случаях, когда приходится устанавливать приборы в таких местах, где вибрация неустранима, применяют амортизаторы или выбирают специальные

приборы. Если вторичный прибор устанавливается на амортизато­ рах, то провода к нему должны подводиться при помощи гибкого шлангового соединения.

Точность измерения стационарных температур зависит не только от предела допускаемых основной и дополнительных погрешностей применяемых средств измерения, а в равной мере и от условий измерения, от выбранного места, способа установки термоприем­ ника и ряда других причин. Это обусловлено тем, что при приме­ нении контактных методов измерения температуры первичный преобразователь (термоприемник) находится в непосредственном контакте со средой, температура которой измеряется. В этих усло­ виях термоприемник является для среды посторонним телом и в той или иной степени нарушает первоначальное температурное поле среды в месте его установки. Средства измерения темпера­ туры, на каком бы принципе действия они ни были основаны, пока­ зывают только собственную температуру термоприемника, или, точнее, температуру рабочей части (чувствительного элемента) термоприемника. При этом необходимо учитывать, что собствен­ ная температура термоприемника по ряду причин может отличаться от действительной температуры среды. При измерении стационарных температур такими причинами являются теплообмен излучением между термоприемником и окружающими его телами, отвод или подвод тепла по термоприемнику вследствие теплопроводности, торможение потока газа и другие причины.

Систематические погрешности измерения стационарных темпе­ ратур, обусловленные указанными причинами, относятся к мето­ дическим погрешностям измерения. Для устранения или уменьше­ ния методических погрешностей, происходящих вследствие тепло­ обмена излучением и теплопроводности, необходимо прежде всего обеспечить рациональную и правильную установку термоприем­ ника, а также осуществлять ряд других мероприятий, рассматри­ ваемых ниже.

При измерении стационарных температур в каком-либо месте внутри или на поверхности твердого тела, а также жидкости или газа (пара), движущегося с небольшой (умеренной) скоростью, собственную температуру термоприемника принимают за действи­ тельную температуру среды с некоторой методической погрешно­ стью, если ею нельзя пренебречь. Оценка же погрешности резуль­ тата измерения стационарных температур производится в соответ­ ствии с указаниями, сделанными в § 1-4 и 1-7.

При измерении температуры газовых потоков большой скорости, как будет показано ниже (§ 6-5), собственная температура термо­ приемника не равна действительной (термодинамической) темпера­ туре движущегося газа.

При измерении температуры, меняющейся во времени, могут иметь место, наряду с методическими погрешностями, также и динамические погрешности (§ 1-6). Измерению температуры газового потока, меняющейся во времени, при переменных коэффициентах

теплообмена посвящено большое количество работ [37, 38, 27, 39]. Однако до настоящего времени еще не разработана единая инже­ нерная методика оценки динамических погрешностей измерения температуры, меняющейся во времени при переменных коэффициен­ тах теплообмена. Причинами этого являются не столько сложности математического порядка, сколько недостаточность сведений о харак­ тере возможных изменений температуры среды, ее скорости, малая изученность процессов нестационарного конвективного теплооб­ мена.

Ниже рассматриваются возможные источники методических по­ грешностей при различных условиях измерения температуры, а так­ же мероприятия, реализация которых позволяет свести эти по1 грешности к минимуму. Следует отметить, что задача определения методических погрешностей измерения стационарных температур за счет теплообмена излучением и теплопроводности должна решаться путем совместного учета обоих факторов. Однако с целью упроще­ ния и наглядности ниже рассматриваются отдельно погрешности измерения, происходящие вследствие теплообмена излучением, и погрешности, обусловленные теплопроводностью.

6-2. Методические погрешности при измерении температур газа, обусловленные влиянием теплообмена излучением

При измерении температур газа контактными методами необхо­ димо иметь в виду, что методические погрешности, обусловленные влиянием теплообмена излучением между термоприемником и окру­ жающими его телами или стенкой трубы,

ством конвективного теплообмена, равно количеству тепла, отдаваемого поверхностью термоприемиика путем теплообмена излучением с поверхностью стенки трубы.

Количество тепла, полученное поверхностью термоприемника

Методическая погрешность измерения в большой степени зави­ сит также и от температуры стенки трубы. Чтобы приблизить температуру внутренней стенки трубы к температуре газового по­ тока, ее необходимо покрывать тепловой изоляцией 2 (см. рис. 6-2-1). При равных условиях погрешность измерения, обусловленная влия­ нием теплообмена излучением, тем больше, чем выше измеряемая

температура газового потока. Погрешность измерения, обусловленную лучистым теп­ лообменом, можно также зна­ чительно уменьшить посред­ ством экранирующих уст­

ройств.

В качестве примера на

Рис. 6-2-2. Схема установки экраниро­ рис. 6-2-2 показана схема ванного термоприемника в трубопроводе. установки экранированного

термоприемника в трубопро­ воде, через который протекает газовый поток. На этой схеме термо­ приемник U установленный вдоль оси трубопровода, находится внутри экрана 2, изготовленного из листового металла. В этом слу­ чае теплообмен излучением происходит между термоприемником и поверхностью экрана, имеющего температуру t3 более высокую, чем температура tBZ внутренней стенки трубы (/ж > /э > tÜC).

Пользуясь теми же уравнениями, которые применялись при выводе выражения (6-2-4), получим формулы для определения приб­ лиженных значений методической погрешности измерения и темпе­ ратуры экрана:

экрана и стенки трубы; аэ— коэффициент теплоотдачи от газа к эк­ рану, Вт/(м2-К); Тэ— температура экрана, К.

Остальные обозначения соответствуют принятым выше. Мно­ житель 2 в знаменателе появляется вследствие того, что газ омывает стенки экрана с двух сторон. При составлении баланса тепла для экрана не учитывалось тепло, которое он получает от термоприемника вследствие теплообмена излучением.

Выводы, сделанные при рассмотрении уравнения (6-2-4) отцосительно влияния на погрешность измерения коэффициентов и тем­ пературы стенки трубы, сохраняют свою силу и в случае приме­ нения экранирующих устройств. Подробные сведения о расчете экранирующих устройств приводятся в ряде работ, например [27].

Вследствие тйго что значения некоторых величин, входящих в (6-2-4) и (6-2-5), могут быть определены расчетным путем лишь

среды. Вследствие этого распределение температур по длине термо­ приемника будет неравномерным и из-за теплоотвода (или теплоподвода) температура рабочей части термоприемника может отли­ чаться от действительной температуры среды.

Следует иметь в виду, что методическую погрешность, обуслов­ ленную теплопроводностью, так же как и погрешность из-за лучи­ стого теплообмена, с достаточной степенью точности можно опреде­ лить только экспериментальным путем, Порядок возможной погреш­

идеализированного 'термоприемника распределение температур равномерное и температура t (х) термоприемника изменяется только вдоль его оси.

Уравнение, описывающее изменение температуры такого идеа­

здесь d — наружный диаметр термоприемника, м; а ■— коэффициент теплоотдачи от среды к термоприемнику, Вт/(м2-К); — коэффи­ циент теплопроводности материала термоприемника (трубки), Вт/(м2*К); / — площадь поперечного сечения термоприемника (/ = ndô, где б толщина стенки термоприемника, м), м8.

Количеством тепла, поступающего через торец термоприемника при х = 0, обычно пренебрегают. В этом случае

т_ 0