Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Температура и разность температур

14.08.2009 | Колонка редактора | Количество просмотров: 10974 | Комментарии (0)

Знания о температуре нужны всем. И многие хотят знать температуру как можно точнее. «Подскажите, какой прибор приобрести для измерения температуры с точностью 0,001 °С?» - этот вопрос мы в нашем Информационном центре «ТЕМПЕРАТУРА» и в метрологическом институте слышим часто. Если ответить резко, не вдаваясь в подробности, то ответ будет – никакой! Даже эталонный термометр первого разряда имеет погрешность 0,002 °С при 0 °С. К тому же он очень неудобный для измерений, хрупкий и не терпит никаких вибраций. Используется в основном для поверки термометров низших разрядов.

Если отнестись к заказчику с вниманием и задать наводящие вопросы, то скорее всего окажется, что он и не имел намерения получить 0,001 °С для абсолютного значения температуры. Ему хотелось бы точно измерять разность температур, во времени или пространстве. Недавно я видела в телевизионной передаче «фабрика мысли», что один изобретатель, который, кстати, и победил в конкурсе, разработал прибор, который может лучше, чем ультразвуковые аппараты осуществлять медицинскую диагностику молочных желез, измеряя точное распределение температуры внутри тела. Что за самодельные датчики он использовал озвучено не было, но звучала фраза: «Измерение температуры проводится с точностью 0,0005 °С». Это не корректно. Конечно, он измерял пространственную разность температур. Могу утверждать, что более 80% измерений температуры в науке и промышленности – это именно разность температур, или чувствительность к изменению температуры. А это уже большая разница с измерением абсолютного значения температуры. И погрешности здесь совершенно другие. И методы поверки должны быть другие.

Учитывая, что это всего лишь заметка, а не научная статья, постараюсь как можно популярнее объяснить в чем же разница между температурой и разностью температур.

Что же ограничивает наше знание точного значения температуры? Точное значение, это то значение, которое существует не зависимо от нас и наших измерительных инструментов, которое является характеристикой термодинамического равновесия системы и входит в термодинамические формулы. Привязка к реальному миру в нашей области измерений осуществляется, используя такое физическое явление, как изменение фазового состояния вещества (плавление, затвердевание), при котором отмечается стабилизация температуры. Для точек плавления и затвердевания были определены термодинамические температуры, но не очень точно, конечно. И для того, чтобы обеспечить единство измерений в мире, по международному соглашению (МТШ-90) фазовым переходам ряда веществ были приписаны определенные значения температур. Они то и играют роль истинного значения, когда мы говорим о точности измерения температуры. Если Вы с помощью своего измерительного прибора получаете значение фазового перехода, соответствующее МТШ-90, то Ваш прибор точен. Но для этого надо измерять эталонную ампулу с максимально чистым веществом и при давлении в точности равном 1 атм. Ни один рабочий прибор к эталонной ампуле не допустят. Эталон температуры хранят в эталонной лаборатории института метрологии. В эталонных ампулах градуируют только эталонные термометры, которые затем используют для передачи размера единицы температуры образцовым и рабочим СИ. Измерение значения температуры предполагает непрерывную цепь калибровок от Государственного первичного эталона, и каждое звено в цепи вносит свой вклад в погрешность. Даже если сам датчик сверхстабильный, передача размера единицы температуры при переходе от эталона, через образцовый термометр первого разряда к рабочему термометру посредством сличений термометров в термостатах даст несколько сотых градуса. Если датчик не очень стабильный, к тому же короткий, и контакт с объектом плохой, то речь может идти только о десятых градуса или даже градусах.

Другое дело - разность температур. Разность можно измерять одним датчиком, передвигая его по объекту, или фиксируя его показания в разные моменты времени. Можно использовать два или несколько однотипных датчиков, установленных в разных точках объекта. Иногда используют специальные устройства, типа дифференциальных термопар, которые по сути тоже являются набором соединенных вместе датчиков. В первом случае, когда для измерения разности температур используют один и тот же термометр, на первый план выходит чувствительность самого термометра, чувствительность измерительной аппаратуры, а также стабильность термометра и стабильность электрического сигнала за тот короткий промежуток времени, который проходит от измерения в одной точке объекта до перемещения датчика в другую точку. Предположим, что измерения сопротивления проводятся с помощью среднего по точности моста с чувствительностью 0,001 Ом. ( это зависит уже только от нас самих, более точные мосты уже доступны и в России и за рубежом). Тогда при температуре в районе 50 °С для стандартного платинового чувствительного элемента с коэффициентом 0,00385 °С-1 получим на каждые 0,001 Ом соответствующую разность температур в 0,00258 °С. Возникает вопрос: а нужно ли поверять датчик, которым будут измерять разность температур, в том объеме, в котором поверяются обычные прецизионные термометры и термопары? Нужна ли индивидуальная градуировка в поверочной лаборатории, если мы хотим получить погрешность измерения разности, скажем в одну сотую градуса? Тем более, что при градуировке стабильность датчика, как правило, не проверяется. Вопрос о градуировке фактически сводится к определению индивидуальной чувствительности термометра. Задумаемся, а на сколько она, эта чувствительность индивидуальна? Очень короткий расчет. Термометр 100 Ом. Возьмем два крайних случая. Стандартная проволока с коэффициентом 0,00385 °С-1, либо эталонная проволока 0,003925 °С-1. В первом случае на 0,001 Ом получаем 0,00258 °С, в втором – 0,00264 °С. Т.е. при измерении малых разностей температур не существенно даже какой платиновый термометр Вы используете. Однако при измерении разностей температур более 10 °С чувствительность имеет важное значение. Ошибка от незнания типа достигает уже 0,8 °С. Хотя, если Вы используете типовой термометр, а не самодельный, то данных первичной градуировки, приведенных в паспорте, вполне достаточно, для определения чувствительности термометра. При эксплуатации чувствительность термометров меняется очень мало, а изменение сопротивления R(0) не сказывается на измерении разности температур. Фактически, периодическая поверка не нужна.

Наверное такая же ситуация наблюдается и для других СИ. Требования к поверке СИ для измерения абсолютной величины и разности величин должны быть разными.

Не могу не упомянуть один очень распространенный тип датчиков температуры, измеряющих разность температур, это комплекты платиновых термометров для измерения разности КТСПР, которые используются в составе теплосчетчиков для измерения разности температур входящего и выходящего потока теплоносителя в трубопроводе системы теплоснабжения. Термометры одного типа, но разные по сопротивлению R(0) и по коэффициентам индивидуальной зависимости сопротивления от температуры (ИСХ). Обычно термометры подбирают в пары таким образом, чтобы получить минимальное расхождение результатов вычисления температуры по показаниям входного и выходного датчика с использованием стандартной НСХ и ИСХ. Требования к точности измерения разности температур с помощью КТСПР значительно выше, чем допустимые погрешности платиновых ТС в стандарте ГОСТ Р 8.625 именно за счет подбора комплектов. Здесь необходимо понимать, что хотя подбор пар (по двум или трем точкам градуировки) может снизить погрешность измерения разности температур, эта погрешность ограничивается существенно неопределенностью градуировки обоих термометров. Вопросу оценивания неопределенности подбора пар не уделяется должного внимания в документации на поверку КТСПР. Однако этот вопрос не простой. Простое суммирование неопределенностей градуировок двух термометров не является правильным решением. Необходимо учесть, что суммарная неопределенность разности температур может быть снижена за счет учета идентичных условий калибровки термометров, так называемой корреляции стандартных неопределенностей. Проблема корреляции, наверное, самая сложная в теории неопределенностей. Частично эта проблема, а также многие другие интересные вопросы обсуждались на научно-практическом семинаре во ВНИИМ в ноябре 2009 г. Материалы семинара публикуются по ссылке>>>.

Гл. редактор Temperatures.ru
Моисеева Наталия Павловна

Статьи, связной тематики:

Предельная температура для термометра сопротивления

Выбираем электронный термометр на замену ртутно-стеклянному

Альтернативный подход к построению Государственной поверочной схемы

 

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Колонка редактора"

Добавить комментарий: