В соответствии с поставленными задачами и требуемой точностью при измерении температуры среды должен быть сделан соответствующий выбор термометра расширения, электрического термометра, термоэлектрического термометра и др. Допустимые погрешности при измерении температуры определяют те требования, которые должны быть предъявлены к термометру по точности. При этом, в первую очередь, необходимо иметь в виду погрешность, которую термометр обеспечивает в конкретных рабочих условиях.
Одновременно с выбором термометра по его точности необходимо решать вопрос и о предельном значении его шкалы. Это связано с тем, что для стационарных термометров основная погрешность связана с предельным значением его шкалы. Вследствие этого для обеспечения наибольшей точности измерения желательно, чтобы измеряемая температура была близка к предельному допустимому значению для данного термометра.
Внешние условия работы вторичных приборов, входящих в комплект термометра, могут быть различны (окружающая температура, вибрации и т.д.
Эти условия могут значительно влиять на результаты измерения, поэтому при выборе термометра их необходимо также учитывать.
Если вторичный прибор термометра работает при температуре окружающей среды ниже или выше нормальной, то исключить полностью влияние температуры на прибор практически невозможно. В таких случаях необходимо вводить соответствующие поправки. Необходимо также отметить, что температура среды для вторичных приборов не должна быть ниже - 4 °С или выше + 40 °С и, кроме того, среда не должна быть сильно запыленной, влажной и агрессивной. В противном случае следует применять специальные защитные устройства либо другие меры, обеспечивающие удовлетворительные условия работы прибора. Если вторичный прибор термометра приходится устанавливать в местах, где имеют место и неустранимы вибрации, применяют амортизаторы.
Точность измерения температуры зависит не только от точности применяемого термометра, но и от правильной установки его термоприемника (термометра сопротивления, термопары, термобаллона манометрического термометра).
Термометр, на каком бы принципе он ни был основан, показывает только свою собственную температуру. Эта равновесная температура, или так называемая собственная температура термоприемника, и рассматривается как температура измеряемой среды. Поэтому для обеспечения надлежащей точности измерения температуры необходимо прежде всего обеспечить правильную установку чувствительной части термометра.
Так, например, если стеклянный термометр, служащий для измерения температуры наружного воздуха, выставить на солнце, то ртуть в термометре нагреется за счет лучистой теплоты, и термометр будет показывать температуру более высокую, чем температура окружающего воздуха. В этом случае, для того, чтобы термометр показывал правильную температуру, необходимо защитить его от воздействия лучистой теплоты.
Термоприемник, установленный в измеряемую среду, представляете ней постороннее тело, которое в той или иной мере подводит или отводит тепло и тем самым вызывает нарушение первоначального температурного поля в месте измерения. Это обстоятельство также может быть источником погрешностей. Например, при измерении температуры в каком-либо месте твердого тела после установки термопары температура в этом месте может изменяться вследствие отвода или подвода тепла от него по электродам термопары.
Идеальным способом установки термоприемника термометра является такой, при котором отсутствовали бы приток или утечка тепла от места измерения. Осуществить это условие практически невозможно. Однако путем ряда мероприятий всегда можно свести погрешности измерения к минимуму.
Следует отметить, что при измерении температуры среды необходимо также учитывать погрешности, обусловленные тепловой инерцией термоприемника, т.к. вследствие инерции температура его не всегда будет изменяться так же, как и температура среды.
При измерении температуры жидких и газообразных сред контактными методами необходимо учитывать погрешности, вызываемые влиянием теплообмена между измеряемой средой и датчиком, стенками сосуда, где находится измеряемая среда, теплопроводности арматуры самого датчика и т.д.
Рассмотрим процесс теплообмена при установке термоприемника в трубопроводе (см. рис. 2.36).
Если допустить, что утечка тепла через арматуру терм о приемника 1 отсутствует, то при установившемся тепловом режиме количество тепла, получаемого от газа поверхностью погруженной части термоприемника посредством конвективного теплообмена, равно количеству тепла, отдаваемого поверхностью термоприемника путем лучистого теплообмена с поверхностью стенки трубы
При измерении температуры окружающей среды в помещениях или на открытом воздухе экран для зашиты от лучистого теплообмена обычно изготавливается в виде круглого отполированного или никелированного чехла с отверстиями (см.рис. 2.38).
На рис. 2.39 представлена схема установки экрана и термоприемника для измерения температуры газа в газоходе котла. Здесь термоприемник 1 устанавливается перпендикулярно к направлению потока и защищен экраном 2 от холодных трубок и барабана котла. Для обеспечения свободного прохода газа экран не имеет стенок со стороны входа и выхода газов.
На рис. 2.40 показано устройство, способствующее уменьшению тепловой утечки по арматуре термоприемника Это устройство представляет собой стальную пластинку 2, нагреваемую газом, которая подводит тепло к
защитному чехлу, за счет чего уменьшается отток тепла от погруженной части защитной трубки и помещенного в ней термоэлемента.
При измерении температуры газов или пара, протекающего в трубопроводах, следует считать образцовой установку термоприемника, показанную на рис. 2.41-а. Этот способ установки может быть рекомендован для всех типов термоприемников.
В тех случаях, когда по тем или иным причинам указанный способ установки термо приемника не может быть осуществлен, термоприемник рекомендуется устанавливать не радиально (рис.2.41-в), а наклонно к оси трубопровода (рис.2.41-б). При этом при установке термометра сопротивления необходимо, чтобы середина его тепло чувствительного элемента совпадала с осью трубопровода.
При измерении температуры жидкостей необходимо соблюдать те же правила, что и при измерении температуры пара и газов. Однако условия при измерении температуры жидкостей более благоприятны, чем при измерении температуры пара или газа, т.к. для жидкостей влияние лучистого теплообмена отсутствует, а коэффициент теплоотдачи для жидкостей значительно больше, чем для газов, поэтому отток тепла от термометра к стенке трубопровода незначителен.
При измерении же температуры твердых тел влияние лучистого теплообмена исключается вообще. Однако, несмотря на эти благоприятные условия, при измерении температуры твердых тел возможны заметные погрешности, особенно в тех случаях, когда тело обладает незначительным коэффициентом теплопроводности.
Если объем измеряемого тела большой, то достаточная глубина погружения термо приемника (термопары, термометра сопротивления и т. д.) вполне обеспечивает равенство температур измеряемого тела и те плочу вствительной части термоприемника. Значительные затруднения могут возникнуть при измерении температур в телах с небольшим объемом, особенно при больших температурных перепадах, когда температура в отдельных их точках заметно изменяется. Применяемые для этой цели термоприемники должны иметь малые размеры.
Для того, чтобы термоприемники могли измерять действительную температуру в определенном месте тела, они не должны нарушать температурного поля вследствие утечки тепла по термоприемнику. Между термо прием ником и твердым телом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт.
Наиболее пригодным для таких измерений является только термопара, теплочувствительная часть которой может быть сделана очень маленькой, чтобы обеспечить измерение температуры в данном месте. Если же требуется измерить среднюю температуру тела, то с успехом может быть также применен термометр сопротивления.
Для уменьшения отвода тепла по электродам термопары от места измерения следует электроды вблизи горячего спая располагать так, чтобы часть их находилась в области с постоянной температурой.
При измерении температуры поверхности твердого тела, омываемого жидкостью или газом, необходимо считаться с тем, что температура ее резко отличается от температуры окружающей среды даже на незначительном расстоянии от поверхности вследствие конвективного теплообмена между
твердым телом и средой. Это обстоятельство предъявляет ряд специфических требований к термоприемникам.
Термоприемник должен иметь хороший контакт с измеряемой поверхностью, он не должен подвергаться воздействию температуры окружающей среды и не должен вызывать в местах измерения изменений температуры вследствие подвода к нему или отвода от него тепла.
Этим требованиям совершенно не удовлетворяют все типы жидкостных термометров, так как чрезвычайно трудно придать их теплочувствительной части форму, которая бы обеспечивала ему хорошее соприкосновение с поверхностью и в то же время не подвергалась воздействию окружающей среды. Кроме того, в жидкостных термометрах рабочее вещество обычно отделено от исследуемой поверхности стеклом, являющимся, как известно, плохим проводником тепла.
Наиболее неблагоприятный вариант установки термоэлемента показан на рис. 2.42-а В этом случае термоэлектроды термопары отводят много тепла как от горячего спая, так и от той части поверхности, температура которой должна быть измерена.
Иногда в целях уменьшения влияния утечки тепла увеличивают поверхность соприкосновения горячего спая, припаивая к нему тонкую металлическую (обычно медную) пластинку. Если в этом случае термопара
будет установлена перпендикулярно к поверхности (рис. 2.42-6), то утечка тепла будет такой же, как и в первом случае. Однако количество тепла, отдаваемое каждой отдельной точкой поверхности соприкосновения, уменьшится вследствие наличия медной пластинки, увеличивающей плошадь соприкосновения. Благодаря этому и охлаждение в месте соприкосновения горячего спая с поверхностью значительно уменьшится по сравнению с первым случаем, но все же точность измерения будет недостаточной.
Приемлемый способ установки термоэлемента, совершенно устраняющий утечку тепла от места измерения, показан на рис. 2.42-в. Здесь термоэлектроды термопары лежат на некотором протяжении на измеряемой поверхности.
В этом случае также имеет место частичная утечка тепла по термоэлектродам термопары. Но здесь тепло поступает в них по всей длине соприкосновения проволок с поверхностью, вследствие этого отвод от горячего спая уменьшится.
При больших коэффициентах теплоотдачи от газа или жидкости к поверхности (например, при большой скорости газа, омывающего стенку) увеличение поверхности, вызываемое прокладкой термопары, повышает теплоотдачу и тем самым искажает температуру места измерения. В таком случае термопару целесообразно поместить в специально сделанной канавке, закрытой пластинкой из того же материала или же заделанной специальной замазкой.
В некоторых случаях горячий спай термопары, расположенный в канавке, для более надежного соприкосновения припаивают к стенке поверхности.
Рассмотренные способы измерения температуры поверхностей применяются преимущественно при проведении исследовательских работ. В промышленности же для технических целей применяются специальные поверхностные термопары.
