Исследование тепловой инерционности термопар и термометров сопротивления (Лабораторная работа № 4)

дополнительно трансформировать температуру объекта в зоне контакта с ним. Приемы снижения и учета стационарных и динамических погрешностей различны.

Для снижения стационарных систематических погрешностей важно выполнять ряд приемов. В частности, размеры чувствительного элемента датчика по возможности не должны нарушать пространственную конфигурацию температурного поля исследуемого объекта. В этом отношении термопары практически всегда предпочтительнее других контактных температурных датчиков, так как их чувствительным элементом является зона контакта термоэлектродов (спай термопары), размеры которой зависят от их диаметра и могут снижаться до долей миллиметра. Важно также, чтобы электроды термопар и термометров сопротивления выводились из зоны (точки) замера температуры в направлении ее минимального градиента, чтобы максимально снизить тепловые потоки вдоль электродов. Иначе они могут заметно искажать температуру объекта в измеряемой точке. Снижению стационарной погрешности помогает также хороший тепловой контакт чувствительного элемента датчика с исследуемым объектом. Более конкретные приемы снижения стационарных погрешностей контактных датчиков температуры можно найти в учебном пособии [1] и указанной в нем специальной литературе.

Динамическая погрешность контактных датчиков температуры всецело зависит от их тепловой инерционности, которая, в свою очередь, зависит от собственной теплоемкости чувствительного элемента датчика и от особенностей его теплового контакта с объектом. В исследовательской практике чувствительные элементы термопар, проволочных термометров сопротивления и полупроводниковых термисторов обычно армируются (покрываются) полимерной или керамической трубочкой и в таком виде вставляются в изотермическое отверстие объекта. Поэтому тепловой контакт датчика с объектом определяется тепловым сопротивлением армирующей трубочки.

Для грубой аналитической оценки проявления тепловой инерционности датчика, находящегося в отверстии исследуемого объекта, рассмотрим следующую упрощенную тепловую задачу. Пусть объект разогревается по линейному закону, сохраняя изотермическое температурное поле, а сам датчик разогревается только тем тепловым потоком, который поступает к нему от объекта через армирующую трубочку. Из физических соображений и теории теплопроводности следует, что в этих условиях датчик в установившемся режиме опыта будет разогреваться со скоростью объекта. Примем, что датчик в первом приближении остается изотермическим, имеет на активном участке длиной l теплоемкость С и радиус R, а стенка армирующей трубочки обладает удельным тепловым сопротивлением , где d – толщина стенки, а l – коэффициент теплопроводности трубочки. Уравнение теплового баланса рассматриваемой системы "объект – армирующая трубочка– датчик" приобретает простой вид

,                                  (4.1.1)

где Q – тепловой поток, проникающий через стенку трубочки и поглощаемый датчиком; – перепад температуры между объектом и датчиком (внутри стенки трубочки), b – скорость разогрева объекта