Główne czynniki wpływające na błąd pomiarowy termopar

Do głównych czynników wpływających na błędy pomiaru zalicza się głębokość wprowadzenia termopary, czas reakcji, promieniowanie cieplne i impedancję cieplną.
1. Wpływ czasu reakcji
Podstawową zasadą kontaktowego pomiaru temperatury jest to, że element mierzący temperaturę musi osiągnąć równowagę termiczną z mierzonym przedmiotem. Dlatego konieczne jest zachowanie określonego czasu podczas pomiaru temperatury, aby osiągnąć równowagę termiczną między nimi. Długość czasu utrzymywania jest powiązana z czasem reakcji termicznej elementu mierzącego temperaturę. Czas odpowiedzi termicznej zależy głównie od budowy i warunków pomiaru czujnika, przy czym różnice są znaczne. W przypadku mediów gazowych, zwłaszcza gazów stacjonarnych, równowaga powinna być utrzymywana przez co najmniej 30 minut lub dłużej;
W przypadku płynów najszybszy czas powinien wynosić co najmniej 5 minut. W przypadku stale zmieniającej się temperatury w miejscu testowania, szczególnie w przypadku procesu natychmiastowej zmiany, jeśli cały proces trwa tylko 1 sekundę, wymagany jest czas reakcji czujnika na poziomie milisekund. Dlatego zwykłe czujniki temperatury nie tylko nie nadążają za szybkością zmian temperatury mierzonego obiektu, ale także powodują błędy pomiarowe ze względu na niemożność osiągnięcia równowagi termicznej. Najlepiej wybrać czujnik o szybkiej reakcji. W przypadku termopar, oprócz wpływu rurek ochronnych, głównym czynnikiem jest również średnica końca pomiarowego termopary, to znaczy im cieńszy drut termopary, tym mniejsza średnica końca pomiarowego i im krótsza jest jego wartość termiczna czas odpowiedzi. Błąd reakcji termicznej elementu pomiarowego temperatury można określić za pomocą następującego równania.
Δθ{{0}}Δθ 0exp (- t)/ τ)
We wzorze t - czas pomiaru S,
Δθ – błąd powodowany przez element pomiarowy temperatury w czasie t, K lub stopniu
Δθ Błąd spowodowany przez element mierzący temperaturę w czasie 0- „t=0”, K lub stopniu
τ- Stała czasowa S
E - Podstawa logarytmów naturalnych (2.718)
Dlatego gdy t{{0}} τ Kiedy, to Δθ=Δθ 0/e wynosi 0,368,
Jeśli t{{0}} τ Kiedy, to Δθ=Δθ 0/e2 wynosi 0,135.
Gdy temperatura badanego obiektu osiąga określoną prędkość (k/s lub stopień/s) rośnie lub spada, błąd reakcji wygenerowany po upływie odpowiedniego czasu można wyrazić w następujący sposób:
Δθ∞=- τ
We wzorze Δθ∞- Błąd spowodowany przez element mierzący temperaturę po upływie wystarczającego czasu.
Jak widać z powyższego, błąd odpowiedzi jest powiązany ze stałą czasową (τ) i jest wprost proporcjonalny. Aby poprawić efektywność kalibracji, wiele przedsiębiorstw korzysta z automatycznych urządzeń kalibracyjnych do kalibracji przychodzących termopar. Jednak to urządzenie nie jest bardzo kompletne. Warsztat obróbki cieplnej Drugiej Fabryki Przekładni Samochodowych odkrył, że jeśli stały czas utrzymywania temperatury w temperaturze 400 stopni nie jest wystarczający do osiągnięcia równowagi termicznej, łatwo jest dokonać błędnej oceny.

2. Wpływ głębokości wprowadzenia
Dobór punktów pomiaru temperatury
Głębokość wprowadzenia b
Po włożeniu termopary w badane miejsce, przepływ ciepła będzie generowany wzdłuż kierunku długości czujnika. Gdy temperatura otoczenia jest niska, nastąpi utrata ciepła. Powodowanie błędów pomiaru temperatury na skutek niezgodności temperatury pomiędzy termoparą a mierzonym obiektem. Krótko mówiąc, błędy spowodowane przewodzeniem ciepła są związane z głębokością wprowadzenia.
Głębokość wprowadzenia zależy od materiału rury ochronnej. Ze względu na dobrą przewodność cieplną, głębokość wprowadzenia metalowych rurek ochronnych powinna być większa (około 15-20-krotności średnicy). Materiały ceramiczne mają dobre właściwości izolacyjne i można je włożyć płytiej (około 10-15-krotności średnicy). W przypadku inżynieryjnych pomiarów temperatury głębokość włożenia jest również powiązana z tym, czy mierzony obiekt znajduje się w stanie statycznym, czy płynącym. Na przykład pomiar temperatury przepływającej cieczy lub przepływu powietrza o dużej prędkości nie będzie podlegał powyższym ograniczeniom. Głębokość wprowadzenia może być mniejsza, a konkretną wartość należy ustalić eksperymentalnie.
3. Wpływ promieniowania cieplnego
Termopara włożona do pieca w celu pomiaru temperatury będzie nagrzewana przez promieniowanie cieplne emitowane przez obiekty o wysokiej temperaturze. Zakładając, że gaz wewnątrz pieca jest przezroczysty i gdy różnica temperatur pomiędzy termoparą a ścianką pieca jest duża, wystąpią błędy pomiaru temperatury wynikające z wymiany energii.
Energia promieniowania wymieniana między nimi w jednostce czasu wynosi P, co można wyrazić w następujący sposób:
P= σε (Tw4 Tt4) (2-3)
We wzorze σ- stała Stefana Boltza
ε- Emisyjność
Tt - Temperatura termopary, K
Tw - Temperatura ścianki pieca, K
W jednostce czasu wymiana energii między termoparą a otaczającym gazem (temperatura T) poprzez konwekcję i przewodzenie ciepła wynosi P ′
P ′= A (T-Tt) (2-4)
We wzorze - Przewodność cieplna
A - Powierzchnia termopary
W normalnych warunkach P=P ′ z błędem:
Tt-T= σε (Tt4 Tw4)/ А (2-5)
W przypadku obszaru jednostkowego błąd wynosi
Tt-T= σε (Tt4 Tw4)/ (2-6)
Dlatego, aby zmniejszyć błędy promieniowania cieplnego, należy zwiększyć przewodzenie ciepła i doprowadzić temperaturę ścianki pieca Tw jak najbardziej do temperatury Tt termopary.