ОБОРУДОВАНИЕ
ПРИВЕТСТВИЕ

Рады приветствовать Вас в мире качественного оборудования, неограниченных возможностей и своевременной технической поддержки.

Контакты

 тел.: (057) 750-83-84 ,

 факс: (057) 719-47-25.

Рекомендации по расчету глубины погружения калибруемых/поверяемых термометров

Директор компании "Isotech"Доктор Джон П. Тавенер Основой измерения температуры является то, что температура, которую показывает термометр, есть его собственная температура. Отсюда следует, что для того, чтобы измерить температуру некоторой среды, термометр должен быть погружен в среду настолько, чтобы чувствительный элемент принял температуру среды. Целью данной статьи является представить простые и практичные рекомендации по определению глубины погружения. Данные рекомендации помогут Вам при выборе типа калибратора температуры.

Обзор существующей литературы

Данный текст взят из книги "Дополнительная информация по Международной температурной шкале 1990 г.", раздел 3.2.4: "… термометр достаточно погружен в том случае, если при его дополнительном погружении в среду с постоянной температурой нет изменений в показываемой им температуре. Глубина погружения, необходимая для использования для использования максимальной точности термометра, в значительной степени зависит как от измеряемой температуры, так и от конструкции термометра. Последняя должна облегчать радиальный теплообмен и препятствовать продольному тепловому потоку. … Хотя для температур выше комнатной требуемая глубина погружения изначально увеличивается с ростом температуры, максимум достигается при температуре 400 - 500 °С, после чего она незначительно уменьшается из-за резкого увеличения радиальной передачи тепла за счет излучения; это основывается на предположении о наличии адекватных радиационных экранов по длине термометра и отсутствием радиационных потерь".

Данный отрывок относится к практическому измерению температуры и авторы невероятно смелы, указывая цифры в статье. Они говорят следующее:

Общая проблема заключается в непрерывном тепловом потоке вдоль стержня термометра между измеряемой средой и средой за ее пределами. Так как поток тепла имеет место только при наличии разницы температур, то он является доказательством того, что чувствительный элемент (кончик) термометра имеет несколько отличную температуру от температуры измеряемой среды.

Тепловой поток вдоль стержня термометра является причиной того, что термометр показывает несколько более низкую температуру, чем температура среды. Простая модель этого явления позволяет получить соотношение между погрешностью в показаниях термометра и длины погружения:

 ?Tm = (Tamb - Tsys) k exp(-L/Deff)   (1)

Где:

Tsys и Tamb - температуры системы и окружающей среды соответственно;  

L - длина погружения термометра;

Deff - эффективный диаметр термометра; 

k - постоянная, которая приблизительно немного меньше 1.

Для k = 1, необходимо для определения минимальной глубины погружения, которая обеспечивает желаемую погрешность из-за теплоотвода стержня термометра. 

 1) для технических термометров глубина погружения, равная 5 диаметрам, обеспечивает точность 1% ;

2) для хороших лабораторных термометров рекомендуется глубина погружения, равная 10 диаметрам для достижения точности 0.01%;

3) для образцовой лабораторной практики рекомендуется глубина погружения, равная 15 диаметрам для достижения точности 0.0001%.

Данные значения глубины погружения могут соответствовать спаю термопары или миниатюрному термистору. Для термометра, содержащего чувствительный элемент Рt100, длина чувствительного элемента должна добавляться к глубине погружения, так как весь чувствительный элемент должен находиться вне зоны градиента по стержню термометра. Теперь у нас есть формула и графическое представление, которые обеспечат хорошие результаты в масляном термостате с интенсивным перемешиванием. В книге "Дополнительная информация по Международной температурной шкале 1990 г." говорится о температурной зависимости, которая нами не учитывается.  

После определения 3 глубин погружения для (1) технических, (2) лабораторных и (3) прецизионных измерений, можно детально описать каждую из них.

Промышленная термометрия

Типичным и наиболее часто используемым примером промышленного применения может быть термопара, помещенная в термокожух или в сухоблочный калибратор.

Термокожух предназначен как для защиты термометра от технологической среды, или для изоляции от окружающей среды, так чтобы его было возможно удалить из калибратора без остановки последнего. Термокожух может быть установлен в технологическом процессе любым возможным способом. Обычно соотношение диаметра к длине колодца равно 1 к 5 или более. При расчете глубины погружения необходимо учитывать внешний диаметр термокожуха, а не диаметр устанавливаемого термометра. 

Другим примером может быть работа с сухоблочным калибратором. Данный калибратор имеет цилиндрическую металлическую вставку с отверстиями под поверяемый термометр. Вставка помещается в контролируемую тепловую среду. Опять же нужно учитывать диаметр вставки, а не диаметр термометра. Обычно диаметр вставки 50 мм и в лучшем случае глубина погружения составит 250 мм, т.е. отношение 1 к 5. Обычно температура на дне колодца регулируется с погрешностью 1%, а радиальное распределение тепла должно быть однородно, градиент по оси может регулироваться несколько хуже. В этом случае диаметр термометра не имеет значения. Погрешность, связанная с глубиной погружения будет определяться плохими характеристиками вставки.

Эту погрешность можно в значительной степени уменьшить: 

(а) вам не следует обращать внимание на температуру, показываемую контроллером, а взять образцовый термометр, поместить во вставку на ту же глубину, что и поверяемый термометр, и определять исходную температуру по показаниям образцового термометра;

(б) образцовый термометр должен быть максимально приближен по конструкции и термодинамическим характеристикам к поверяемому. 

Вышеизложенные требования включены в стандарт ISO9000.

Термометр в термокожухе или в сухоблочном калибраторе не будет поглощать или терять тепло аналогично термометру в жидкостном термостате, и потому графики Николаса и Вайта (Nicholas & White) не применимо к этому случаю напрямую. Это связано с тем, что 

DEFF/DACTUAL = 1 (2)

правильно для жидкостных термостатов с перемешиванием жидкости. Для ситуации, где существует воздушный зазор, как в случае с термокожухом или с схоюлочным калибратором эта формула будет  

DEFF/DACTUAL > 1 (3)

Давайте рассмотрим следующий случай, когда нам требуется откалибровать термопару с диаметром 6 мм и температурой 500°С в металлоблочном калибраторе с точностью 0,5 °С: 

|?Тм/(Тsys - Tamb)| = 0.5/500 ~ 0.1% (4)

Глубина погружения DEFF = D = 1 равна 7 диаметрам или 42 мм. Но, если DEFF = 2D, то требуемая глубина погружения увеличится до 84 мм. Для технических платиновых термометров мы должны добавить еще 40 мм, учитывая длину чувствительного элемента термометра. Т.е. требуемая глубина погружения будет равна 120 мм. Кроме того, для термосопротивлений нам требуется большая точность, чем для термопар, скажем 0,05 °С, что потребует дополнительных 25 мм глубины, увеличивая ее до 145 мм. 

Николас и Вайт не делали расчетов для термоколодцев или сухоблочных калибраторов. К счастью, NTPL провела исследования многих сухоблочных калибраторов при различных температурах в течение нескольких лет. Используя значение точности 0,5 °С как критерий оценки, мы определили в качестве общей оценки, почти не зависящей от температуры (испытания проводились при 250, 450 и 650 °С), то, что для термопары типа N диаметром 6 мм необходимая глубина погружения должна составлять 80 мм, термометр при этом размещается в отверстии металлической вставки диаметром 6,5 мм для того, чтобы потери теплопроводности или вертикальный профиль вставки был менее 0,5 С. Это подтверждает расчеты, что DEFF / D = 2.

Спасибо за исследования их авторам. Теперь можно сделать некоторые общие выводы для практического применения.   

Лабораторная практика

Для лабораторных термометров требуется меньшая погрешность. Для примера, давайте определим глубину погружения термометра диаметром 4 мм с чувствительным элементом длиной 40 мм, расположенным внизу термометра. В качестве критерия используем погрешность не более 0,01 °С при температурах до 100 °С:

Tm / (Tsys - Tamb) = 0.01/(100-20) ~ 0.01% (5) 

Если быть консервативным, установим термометр на глубину 10 диаметров ниже чувствительного элемента, т.е. глубина погружения должна быть равна 80 мм. Так как глубина погружения, равная 5 диаметрам, - это минимум погружения для промышленных термометров (~±1%) , то глубину погружения, равную 10 диаметрам (~±0,01%), можно считать хорошим выбором для более точных термометров.

Прецизионная лабораторная практика

Прецизионной лабораторной практикой мы считаем наиболее точные измерения, например, эталонные платиновые термометры сопротивления (ЭПТС), отградуированные по реперным точкам. Глубина погружения термометра ниже поверхности металла в капсюле реперной точки обычно составляет от 160 до 200 мм, т.е. термометр может требовать глубины погружения до 300 мм. Как это может быть, чтобы наиболее точные измерения в мире происходили на очевидно недостаточной глубине?

Ответом является то, что температура над капсюлем реперной точки на протяжении 200 мм обычно находится в пределах 0,5 °С относительно температуры самого капсюля, и более того используется изоляция для предотвращения потерь тепла от конвекции и проводимости; наличием радиационных экранов, которые уменьшают градиент температуры и, следовательно, требуемую глубину погружения. Например, рассмотрим капсюль цинка с глубиной погружения 200 мм ниже поверхности расплава и условия, при которых получается сбалансированная температура жидкости - твердого состояния (температура, при которой снимаются измерения) 419 °С. 

Если ?Тм равна 0,0001 °С, то нам требуется глубина погружения, равная 32 диаметрам термометра плюс длина чувствительного элемента. |?Тм / (Тsys - Tamb)| = |0.0001/400| = 0.00002% (6) 

Но учтем, что на протяжении 200 мм над капсюлем температурный градиент вдоль стержня термометра только 0.5°С. Тогда получаемое значение становится 0.0001/0.5=0.0002 или только 15 диаметров плюс длина чувствительного элемента. Для эталонного платинового термометра сопротивления диаметром 8 мм сохраняется глубина погружения 128 мм! Это означает, что глубина погружения в капсюль может быть уменьшена на 130 мм, т.е. требуется глубина погружения только 170 мм.

Вышеприведенный пример подсказывает способы, с помощью которых, при определенных условиях, погрешности, связанные с глубиной погружения, могут контролироваться. Предположим, что термометр вставляется в металлическую вставку сухоблочного калибратора, и вставка короче, чем длина рабочей зоны калибратора, а также существует воздушный зазор в области горловины. Возможно использовать крышку с теплоизоляцией над этим воздушным зазором, чтобы уменьшить тепловые потери, связанные с конвекцией. Тепловые потери по стержню термометра сокращаются за счет температуры закрытого воздушного пространства, которая определенно выше температуры окружающей среды. 

Мы можем использовать эти знания для улучшения функциональных характеристик металлических вставок и термококожухов, которые упоминаются в разделе "Промышленная термометрия". Если вставка (как капсюль реперной точки в только что приведенном примере) расположена ниже верхней части нагретой горловины сухоблочного калибратора, тогда термометр, расположенный в ней, не подвергается такому влиянию теплоотвода по стержню, как в случае его расположения непосредственно при температуре окружающей среды.

Показания температурных датчиков, размещенных в такой вставке, имеют погрешность от теплоотвода только после того, как их вынимают из устройства для градуировки. В этой статье дается обзор возможных способов предсказать глубину погружения, требуемую для различных температурных датчиков в различных конфигурациях и областях применения. Приведенные иллюстрации должны помочь пользователю лучше планировать и внедрять калибровочное оборудование. Но будьте осторожны: все вышесказанное - только руководство. Всегда существуют исключения, поэтому следуйте совету Николаса и Вайта:

 "Во всех случаях, когда подозреваете, что погрешность измерения от недостаточной глубины погружения, просто измените глубину погружения на 1-2 диаметра, чтобы увидеть, существует ли изменение показаний. В качестве грубого приближения: каждый раз при увеличении глубины погружения на один эффективный диаметр, погрешность уменьшается приблизительно на 60% полной погрешности"

НПП "Интертек" г. Харьков, Украина