CC BY
6
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ПРАКТИКЕ
INTELLIGENT TECHNICAL SYSTEMS IN MANUFACTURING AND INDUSTRIAL PRACTICE
05.02.22 ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА (ПО ОТРАСЛЯМ)
INDUSTRIAL ENGINEERING
DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-145-153
Влияние поверхностного датчика и внешнего ссылочного узла на точность измерения температур технологических процессов
Н. Искандаров1, a ©, Э. Багишов1, b ©, Э. Искендерзаде2, c ©
1 Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Республика Азербайджан
2 Азербайджанский Технический Университет, г. Баку, Республика Азербайджан
a E-mail: nabi.iskandarov@engineer.com b E-mail:elmin.baghishovs@gmail.com c E-mail: elchin.isgenderzade@gmail.com
Аннотация. Как известно, одним из главных и существенных вопросов при проведении технологических процессов является точное и правильное измерение температуры. В ходе проведенного исследования было обращено внимание на погрешности измерения температуры технологических процессов с помощью термопар и способы минимизации этих погрешностей. Кроме того, были кратко обсуждены погрешности температур, измеренных с помощью термопар, а для температур, ограниченных определенным диапазоном, термопара Т-типа показывает погрешность в несколько раз меньшую, чем допустимая погрешность, указанная в нормативных документах. Известно, что при описании термопар в технической литературе в первую очередь рассматриваются промышленные приборы с высоким температурным коэффициентом и средним классом точности. Также, как известно, при внутреннем применении разница температур между измерительным и ссылочным узлом изменяется в основном в пределах минимального предельного диапазона. Поэтому, если основной источник погрешности заключается во внутренней ссылочной температурной компенсации измерительного прибора, определить долю погрешностей, связанных с самой термопарой, практически невозможно. В результате проведенного исследования установлено, что погрешность измерения может быть значительно снижена при определении температуры технологических процессов с использованием внешнего ссылочного узла. В то же время, поскольку специальное применение температурных измерений технологических процессов охватывает измерение температуры внутри и снаружи помещений, погрешности, связанные с воздействием на датчик излучения окружающих поверхностей, во много раз превышают допустимую погрешность. По этой причине были предложены инструменты для оценки воздействия излучения на типичные термопары, а также предложения по модификации датчиков термопар для снижения потенциального облучения и, таким образом, повышения точности измерений.
Ключевые слова: термодинамическая температура, датчик температуры, метрологическое обеспечение, метрология, термопара, погрешность
f -^
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Искандаров Н., Багишов Э., Искендерзаде Э. Влияние поверхностного датчика и внешнего ссылочного узла на точность измерения температур технологических процессов // Computational nanotechnology. 2022. Т. 9. № 1. С. 145-153. DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-145-153
i J
DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-145-153
Effect of Surface Sensor and External Reference Node on Process Temperature Measurement Accuracy
N. Iskandarov1, a ©, E. Bagishov1, b ©, E. Isgandarzada2, c ©
1 Azerbaijan State Oil and Industry University, Baku, Republic of Azerbaijan
2 Azerbaijan Technical University, Baku, Republic of Azerbaijan
a E-mail: nabi.iskandarov@engineer.com b E-mail:elmin.baghishovs@gmail.com c E-mail: elchin.isgenderzade@gmail.com
Abstract. As we know, one of the most important and important issues in the implementation of technological processes is the implementation of accurate and correct temperature measurements. During the research, attention was paid to the measurement errors in temperature measurements of technological processes using thermocouples and methods of minimizing those errors. In addition, errors in thermocouple temperature measurements were briefly discussed, and for temperatures limited to a certain range, the T-type thermocouple achieved several times less error than the allowable error specified in the normative documents. It is known that when describing thermocouples in the technical literature, first of all, industrial devices with high temperature coefficient and medium class accuracy are considered. Also, as we know, in domestic applications, the temperature difference between the measurement and the reference node varies mainly within the minimum threshold range. Therefore, if the main source of error is the internal reference temperature compensation in the measuring instrument, it is almost impossible to determine the proportion of errors due to the thermocouple itself. The study found that the measurement error can be significantly reduced when determining the temperature of technological processes using an external reference node. At the same time, since the special application of temperature measurements of technological processes covers the measurement of indoor and outdoor temperatures, the errors due to the effect of radiation on the sensor from the surrounding surfaces are many times higher than the allowable error. For this reason, tools have been proposed to assess the radiation effects on typical thermocouples, along with proposals for modification of thermocouple sensors to reduce the potential radiation exposure and thus increase measurement accuracy.
Key words: thermodynamic temperature, temperature sensor, metrological support, metrology, thermocouple, error
FOR CITATION: Iskandarov N., Bagishov E., Isgandarzada E. Effect of Surface Sensor and External Reference Node on Process Temperature Measurement Accuracy. Computational Nanotechnology. 2022. Vol. 9. No. 1. Pp. 145-153. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2022-9-1-145-153
ВВЕДЕНИЕ
Как мы уже упоминали, измерения температуры являются важнейшим параметром в более плотном диапазоне при технологических измерениях. Поэтому в связи с повышением точности измерения температуры в ходе технологических процессов, а также расширением использования методов компьютерного моделирования для разработки надежных программных моделей необходимы качественные данные испытаний. Также можно отметить, что термопары являются наиболее часто используемыми датчиками для измерения температуры в научных исследованиях. Они очень просты в установке и не имеют дополнительных проблем типа самонагрева [1].
Однако наиболее распространенной областью применения термопар сегодня является измерение высоких температур в тяжелой промышленности. Как известно, в технической литературе термопары описываются в основном как
малоточные средства измерения температуры, несмотря на то, что они очень прочны по конструкции и могут выдерживать высокие температуры. По этой причине коммерчески важные для термопар детали были оптимизированы в первую очередь для промышленного использования. По опыту можно сказать, что в наборе погрешностей измерений температуры, выполняемых в производственных процессах, преобладают погрешности в ссылочном узле. Это означает, что повышение точности отдельных термопар с помощью индивидуальной калибровки нецелесообразно [2].
Точное измерение температуры процесса предъявляет уникальные требования к датчикам. Однако простые шаги по замене датчиков и измерительных приборов могут значительно повысить точность измерений. По этой причине в проведенном исследовании подчеркивается возможность применения термопар для измерения температуры во время производственных процессов и рассматривается адаптация коммерческих регистраторов данных для таких приложений.
1. ПОГРЕШНОСТИ ТЕРМОПАРНЫХ ИЗМЕРЕНИИ
В целом погрешности измерения температуры делятся на три категории [3]:
1) погрешность датчика;
2) погрешность инструмента;
3) ошибки метода.
Неисправности датчика - это неисправности самой термопары, в основном вызванные примесями в металлах и неоднородностью проводов. Примеси на металлических проводах влияют на форму кривой температура-напряжение, поэтому погрешность изменяется в зависимости от разности температур между спаями. Ошибка из-за неоднородности считается ошибкой смещения. Тепловое напряжение, генерируемое термопарой, изготовленной из однородных проводов, будет основной функцией разницы температур между измерительным и ссылочным узлами, поскольку оно устраняет напряжения, генерируемые градиентами из-за любых горячих или холодных областей вдоль проводов. Однако если провода термопары неоднородны и имеется неоднородность в той части, где присутствует градиент температуры, то возникнет внешнее напряжение. Наличие неоднородности приведет к тому, что измеряемое напряжение будет характерно не только для разности температур между узлами, но и для неоднородного положения в градиенте температур. Хотя неоднородности, вызванные деформациями сеток, для металлических проволок малы, неоднородности, возникающие при высоких температурах, имеют тенденцию к периодическому увеличению. Кроме того, резкие изгибы металлических проводов могут увеличить неоднородность сети, вызывая деформацию. Таким образом, этот тип ошибки, которая выглядит как ошибка смещения, зависит от окружающей среды и метода измерения и не может быть устранен путем калибровки, поскольку перенос термопары в калибровочное устройство может привести к созданию среды, подверженной ошибкам. Неоднородность при температурах выше 200 °С может быть ограничивающим фактором для высокоточной калибровки термопары при температурах выше 200 °С, поэтому необходимо проводить проверку на неоднородность в процессе.
Термопары в основном производятся в двух классах допуска, называемых классом 1 и классом 2, также называемых классами премиум и стандарт. В соответствии с 1ЕС 60584-1:2013 допуск для термопар типа Т, работающих в диапазоне 0-350 °С, составляет ±1,0 К или ±0,75% от измеренного значения, выраженного в градусах Цельсия, как и для типа Т, ±0,5 К или ±0,4%. Указанные допуски относятся к новой проволоке и находятся в допустимом диапазоне. Цены, приведенные в нормативных документах, не предназначены для исчисления погрешностей измерений, а обеспечивают допуск, на который рассчитывают производители при контроле качества продукции. Как уже упоминалось, значения смещения относятся к неоднородным ошибкам. Поскольку большинство применений термопар включают температуры выше 200 °С, где может играть роль переменная неоднородность, необходимо включать компонент неопределенности для неоднородности в калибровки термопар в соответствии с общепринятым общим правилом. Однако приведенные значения не отражают реальной ситуации по измерению температуры в технологических процессах. В принципе и на практике термопара может работать значительно лучше, чем указано в нормативных
документах, если она используется значительно ниже номинального верхнего предела температуры и защищена от больших градиентов вдоль проводов термопары. Кроме того, контроль современного производственного процесса при изготовлении термопарной проволоки позволяет еще больше повысить точность за счет повышения качества металлов и сплавов.
Ошибки инструмента почти всегда доминируют над компенсацией опорного узла. Любая ошибка в показаниях температуры холодного спая сразу видна в окончательных показаниях термопары. Датчик ссылочной температуры в основном имеет низкую точность. Кроме того, слабая тепловая связь между ссылочным спаем и ссылочным датчиком может привести к температурному градиенту. Полученная ошибка считается значительной ошибкой и обычно имеет самый широкий разброс. В регистраторах данных с несколькими входами для термопар термопары в основном подключаются к обычным медным винтовым клеммам на микросхеме прибора, поэтому холодный спай фактически находится в винтовой клемме, а датчик холодного спая располагается в основном вплотную к микросхеме (рис. 1).
Инструмент/ регистратор данных [Instrument / Data logger]
Медь [Copper]
Медь [Copper]
___Измерительным
• переход
- [Measuring
Константан transition]
[Constantan]
ч/-
Ссылочный узел [Reference node]
Медь [Copper]
Датчик холодного спая
[Cold junction sensor]
Рис. 1. Стандартное подключение термопары типа T к прибору Fig. 1. Typical connection of a Type T thermocouple to the instrument
Выделение тепла в приборе может вызвать градиенты температуры в чипе и разницу температур между ссылочный датчиком и винтовыми клеммами. Чтобы предотвратить эти ошибки, прибор должен работать в измеряемой среде в течение определенного периода времени, прежде чем измерения достигнут постоянной температуры. Важно защитить прибор от теплового воздействия окружающей среды, даже от солнечной радиации. Следует отметить, что погрешности, связанные с тепловыми эффектами в ссылочном узле, обычно невозможно устранить калибровкой .
Ошибки метода - это систематические ошибки, которые зависят от физического состояния и связаны с любыми различиями между температурой наконечника термопары и температурой физического объекта, который мы собираемся измерять. Плохое тепловое соединение между датчиком и объектом и передача тепла от или к измерительному спаю через провода термопары являются распространенными причинами этого типа ошибки. Основным источником таких погрешностей измерения температуры в низкоскоростных потоках воздуха обычно является радиационный эффект.
INTELLIGENT TECHNICAL SYSTEMS IN MANUFACTURING AND INDUSTRIAL PRACTICE
2. СООБРАЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ, ПРИСУЩИЕ ИЗМЕРЕНИЮ ВНУТРЕННЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
В ходе исследования были изучены факторы погрешности, присущие измерению внутренней температуры, рассмотрены измерения неоднородных эффектов для термопар типа Т и погрешности холодного спая, возникающие в различных температурных диапазонах.
Известно, что измерение погрешностей термопар, связанных с градиентом, изучалось во многих исследованиях, но база данных для высоких градиентов в настоящее время составляет меньшинство. Поэтому было принято решение изучить влияние градиентов температуры в среде с большими градиентами градусов, что характерно для технологических процессов. Это исследование было выполнено путем поддержания одинаковой температуры обоих спаев термопары и применения температурного градиента путем погружения одного конца проволоки в ванну с горячей водой при температуре 60 °С (рис. 2).
Изотермический блок [Isothermal block]
Тестируемая термопара _/
[Thermocouple under test] =20°C
Вольтметр [Voltmeter]
Изотермический
блок [Isothermal block]
Узлы [Nodes]
a b
Рис. 2. Тест на однородность: а - соединение узлов; b - водяная баня
Fig. 2. Homogeneity test:
a - connection of nodes; b - water bath
Оба перехода осуществлялись при одинаковой температуре с использованием изотермического алюминиевого блока. Таким образом, в точках перехода провода через водовоздушную преграду в проводе на расстоянии около 0,15 м образуются два равных градиента примерно по 35 К. При измерении напряжения термопары вольтметром катушку перемещали по проводу с шагом 0,25 м. Были испытаны четыре различных отрезка длиной 3 м двух различных марок Т-образных термопар высшего сорта диаметром 0,15 и 0,25 мм. Здесь мы использовали устройства OMEGA TFCP-005-1000 и Labfacility XE-2342-050. В результате исследования ни на одном из протестированных проводов не наблюдалось измеряемого выходного напряжения. Уровень шума измерительного устройства находился в пределах ±0,25 мкВ при температуре ±0,006 К.
Градиенты по термопаре обычно имеют малые интервалы при измерениях температуры измерительного и ссылочного узлов, обычно выполняемых в ходе технологических процессов. Таким образом, хотя стандарт МЭК дает смещение ±0,5 К, можно сделать вывод, что ошибки из-за неоднородности для температур процесса незначительны. Это означает, что для высококачественной термопары
Т-типа, используемой для измерения температуры процесса, мы можем принять погрешность в качестве предела допуска максимум до ±0,4% от разницы температур между измерительным и ссылочным узлами.
Как отмечалось выше, во вторую очередь в исследовании рассматривались ошибки холодного спая, возникающие в различных диапазонах температур.
Как известно, погрешность компенсации ссылочной температуры может привести к большей процентной погрешности измерения температуры процесса, чем при более высоких температурах. Рассмотрим следующие примеры измерения температуры первоклассной термопарой Т-типа и прибором с точностью ±1 К относительно холодного спая.
Предположим, мы измеряем температуру в печи при 300 °С. Ссылочный спай находится в нормальных условиях окружающей среды (20 °С), а погрешность датчика (20-300) можно оценить как 0,4% от К = 1,1 К, что дает общую погрешность 2,1 К. Таким образом, примерно 50% общей ошибки происходит из-за ошибки ссылочного узла.
Сравнивая это с условиями окружающей среды, когда разница между температурами в измеряемом и ссылочном спаях невелика, мы видим, что основная часть погрешности исходит от ссылочного спая, а термопара лишь добавляет небольшую поправку к ссылочной температуре. Предположим, мы измеряем температуру процесса 25 °С при температуре ссылочного спая 20 °С. Основываясь на обсуждении в предыдущем разделе, мы видим, что ошибки смещения практически нет, поэтому мы оцениваем ошибку датчика (20-25) как 0,4% от К = 0,02 К и добавляем опорную ошибку перехода 1 К. Таким образом, делаем вывод, что суммарная ошибка составит 1,02 К. Здесь ошибка ссылочного узла составляет 98% от общей ошибки.
Очевидно, что меньшая погрешность холодного спая была бы очень полезна для измерения температуры процесса. Самый простой способ уменьшить ошибки при компенсации ссылочного спая - это отделить внутреннюю компенсацию ссылки в приборе и использовать вместо этого внешнее устройство компенсации ссылки, обеспечивающее более высокую точность.
3. ИЗМЕРЕНИЯ С ВНУТРЕННЕЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ССЫЛОЧНОГО УЗЛА -ПРАКТИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ
Известно, что высокоточное устройство холодного спая может быть легко подключено в лаборатории. Он состоит из алюминиевого блока, к которому присоединен холодный спай термопары вместе с высокоточным датчиком температуры. На рис. 3 показан пример схемы ссылочного спая для 19 термопар, предназначенных для использования с регистратором данных Agilent/Keysight 34972А.
Термопары подключаются к миниатюрным гнездам для термопар в верхней части коробки через разъемы для термопар. Кабель из коробки подключается к каналам ввода постоянного напряжения регистратора данных. Для обеспечения высокого теплового контакта ссылочные соединения для термопар устанавливаются в отверстия алюминиевого блока с помощью теплопроводящего клея. Кроме того, в блоке установлен ссылочный датчик температуры. Здесь мы использовали прецизионный термистор типа PR222J2 с точностью ±0,05 К. Устройство выполнено из алюминиевого блока размером около 80 х 40 х 15 мм3 и теплоизолировано полистироловой пластиной от наружной коробки для минимизации
воздействия окружающей температуры. Внизу коробки находятся ссылочные блоки в алюминиевом блоке. Сигналы от термопар и термисторов подключаются к самописцу Agilent/Keysight через модуль входного разъема, подключенный к задней части записывающего устройства. Каждый модуль имеет 20 аналоговых каналов, из которых 19 входных каналов настроены на измерение постоянного напряжения от термопар, а оставшийся вход подключен непосредственно к термистору. На основе температуры ссылочного спая и напряжения, измеренного соответствующей термопарой, выпрямленные температуры рассчитываются с использованием стандартных полиномов 7-й степени для термопар типа Т.
Рис. 3. Регистратор данных с блоком ссылочного узла Fig. 3. Data logger with reference node block
Дополнительным практическим преимуществом устройства внешнего холодного спая является то, что оно позволяет использовать более короткие провода термопары. В регистратор Agilent/Keysight можно установить три модуля входных разъемов, каждый из которых имеет
20 аналоговых каналов. Таким образом, три коробки холодного соединения могут быть объединены и размещены в разных местах. Это предотвращает путаницу, которая может возникнуть в зоне измерения с длинными проводами термопары.
Во время исследования температуру измеряли в регулируемой водяной бане для оценки точности. В качестве ссылки температуры использовали калиброванный платиновый термометр с точностью ±0,001 К. Измерения проводились четырьмя термопарами при четырех температурах в диапазоне нормальных условий окружающей среды. Термопары были более высокого качества, чем у лабораторного типа ХЕ-2322, диаметром 0,25 мм.
Результаты измерений, проведенных с использованием внешней ссылочной распределительной коробки, приведены в табл. 1. Идеальная совместимость обнаруживается между значениями, измеренными при разбросе не более 0,01 К между отдельными термопарами. Это то же самое, что и разрешение этих измерений, и показывает превосходную производительность компенсации ссылочного узла. Отметим, что разница между 0,01 и 0,05 К для термопар в измеряемом диапазоне температур равна ссылочному термометру, что следует отнести на счет нелинейности термопар. Термопары показывают более высокую температуру (-0,025 К), чем ссылочный термометр для всех измеренных значений. Максимальная разница между температурами, измеренными внешним ссылочным спаем и используемыми здесь термопарами и ссылочным термометром, составила 0,05 К. Это было меньше, чем точность, показанная для термистора ссылочного спая, и поэтому было невозможно определить вклад термопар в бюджет погрешностей с помощью этого теста. Затем были протестированы термопары марок Омега и ТС Ltd. показавшие одинаково низкие погрешности измерения, и таким образом этот результат считался приемлемым, поскольку вклад термопары в общую погрешность был мал.
Для сравнения были проведены измерения с использованием тех же четырех термопар и того же регистратора данных, но термопары были подключены непосредственно к модулю ввода данных с использованием компенсации внутреннего ссылочного узла (табл. 2).
Таблица 1
Температуры, измеренные с помощью внешнего ссылочного узла [Temperatures measured with an external reference node]
Ссылка [Reference] Измеренная температура [Measured temperature]
Термометр, °C [Thermometer, °C] Использование внешней ссылочной соединительной коробки, °C [Use of external reference junction box, °C]
TC1 TC2 TC3 TC4
9,54 9,57 (+0,03) 9,57 (+0,03) 9,57 (+0,03) 9,58 (+0,04)
17,72 17,75 (+0,03) 17,74 (+0,02) 17,74 (+0,02) 17,74 (+0,02)
25,66 25,68 (+0,02) 25,68 (+0,02) 25,68 (+0,02) 25,68 (+0,02)
36,55 36,56 (+0,01) 36,56 (+0,01) 36,56 (+0,01) 36,56 (+0,01)
Примечание. Числа в скобках указывают на разницу с ссылочным термометром. [Note. Numbers in brackets indicate difference with reference thermometer.]
Таблица 2
Температуры, измеренные с помощью внутреннего ссылочного узла [Temperatures measured with an internal reference node]
Ссылка [Reference] Измеренная температура [Measured temperature]
Термометр, °C [Thermometer, °C] Agilent/Keysight 34972A Использование внутреннего ссылочного узла, °C [Agilent/Keysight 34972A Internal reference node use, °C]
TC1 TC2 TC3 TC4
9,54 9,17 (-0,37) 9,28 (-0,26) 9,36 (-0,34) 8.73 (-0,81)
17,72 17,40 (-0,32) 17,47 (-0,25) 17,34 (-0,38) 16.87 (-0,85)
25,66 25,25 (-0,41) 25,39 (-0,27) 25,29 (-0,37) 24.84 (-0,82)
36,55 36,13 (-0,42) 36,29 (-0,26) 36,20 (-0,35) 35,75 (-0,80)
Примечание. Числа в скобках отличаются от ссылочного термометра. [Note. Numbers in brackets differ from the reference thermometer.]
Регистратор включали за 3 часа до измерения стационарной температуры. Результаты этих измерений показали абсолютную погрешность до 0,85 К по сравнению с предыдущими измерениями и с противоположными знаками. Здесь соединения термопар расположены таким образом, что четыре термопары находятся на концах разъемов ТС1 и ТС4 и охватывают 20-канальную винтовую клеммную колодку в модуле входного разъема. Результат измерения четко показал градиент температуры вдоль клеммной колодки до 0,4 К с более высокими значениями на концах винтовой клемм-ной колодки. Поскольку в обоих измерениях использовались одни и те же термопары, здесь также наблюдалась линейная ошибка, наблюдаемая в предыдущих измерениях. Интересно, что во время исследования все термопары показывали температуры (в среднем на 0,4 К) ниже ссылочного термометра. Следует отметить, что поскольку в обоих измерениях использовались одни и те же термопары, погрешности термопар не повлияли на результаты данного теста. Отсюда можно сделать вывод, что измеренные разности температур, показанные в табл. 1 и 2, обусловлены неточностью температуры внутреннего ссылочного узла. Однако встречающиеся ошибки находятся в пределах спецификации производителя устройства регистрации данных Agilent/Keysight, где для термопар Т-типа определена максимальная погрешность 0,9 К в диапазоне от -100 до 300 °С.
4. УСТРАНЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОПАР
Как известно, измерение температуры окружающей среды при технологических процессах требует особого внимания. Измерения температуры в нормальных условиях окружающей среды подвержены значительным ошибкам из-за низкой теплопроводности воздуха. Показания датчика температуры могут отличаться от фактической температуры воздуха, поскольку датчик обменивается излучением с окружающими поверхностями, такими как стены помещения и окна. Если температура поверхностей, окружающих датчик, не равна температуре воздуха, датчик достигнет определен-
ного уровня между температурами воздуха и окружающей среды. Как правило, при относительно низкой скорости воздуха в помещении конвективный теплообмен между датчиком и воздухом достаточно низок, чтобы радиационный теплообмен был значительным. Как известно, погрешность измерения можно оценить путем расчетов теплового баланса датчика. Однако на практике сложно оценить факторы воздействия, лежащие в основе расчетов. Здесь необходимо эмпирическим методом определить величину радиационной чувствительности датчика температуры.
Температурный показатель датчика температуры является результатом баланса энергии в датчике. Для измерения температуры предпочтительнее конвекция в пограничном слое датчика и передача тепла за счет обмена излучением между датчиком и окружающими поверхностями. Таким образом, погрешность измерения в стационарных условиях зависит от отражательных свойств задействованных поверхностей, размера и формы датчика, а также площади потока, окружающей его. Для термически сбалансированного датчика температуры теплопередача за счет излучения должна быть уравновешена конвективной теплопередачей, таким образом:
г = г . (1)
рад конв ' '
При температуре процесса как излучение, так и конвективный теплообмен можно считать линейно значимыми с температурой, например, постоянный баланс энергии на датчике можно записать следующим образом:
X (Т - Т ) = X (Т - Т ), (2)
конв* датчик погода' рад* стена датчик'' ' '
где Хконв и Храд - коэффициенты теплопередачи при конвекции и излучении соответственно; Тпогода - температура воздуха; Т и Т - температуры поверхности датчика и окру-
датчик стена
жающих стен соответственно.
Уравнение (2) имеет ограниченное применение в практических условиях измерения из-за сложности оценки соответствующих значений коэффициентов теплопередачи. Однако в процессе теплопередачи могут участвовать провода, расположенные рядом с датчиками, а поскольку конвекционная теплопередача зависит от характеристик области
воздушного потока вокруг датчика, основной проблемой являются детали вовлеченной механики жидкости. В своих исследованиях Лундстрем и Маттссон показали, что влияние излучения на датчик температуры для практических измерений может быть выражено коэффициентом чувствительности к излучению (КРЧ), определяемым как КРЧ = Храд / Хконв, а уравнение (2) можно записать следующим образом [5]:
(T - T ) = КРЧ(Т - T )
х датчик погода7 х стена датчик7
(3)
КРЧ показывает взаимосвязь между излучением и конвекцией теплообмена в датчике путем измерения степени температурного воздействия окружающих поверхностей. КРЧ, которая должна быть определена измерениями, является функцией излучательной способности датчика, размера и формы, а также площади потока, окружающей его. Например, малый размер сенсора и низкая эмиссионная способность создают низкую чувствительность к излучению [7].
Поскольку в измерениях участвуют части проводов термопары, расположенные рядом с измерительным спаем, снятие изоляции на самой внешней части проводов термопары и, таким образом, обнажение металлической поверхности является простым средством уменьшения излучения датчика (рис. 4).
Рис. 4. Термопары с двумя разными измерительными спаями: а - обычная термопара; b - термопара без изоляции на кончике
Fig. 4. Thermocouples with two different measuring junctions: a - conventional thermocouple; b - thermocouple without insulation at the tip
Удаление изоляции на несколько сантиметров ближе к концу изоляции снизит значение КРЧ более чем на 65% по сравнению с термопарой, изолированной от спая. На рис. 5 показаны измеренные значения КРЧ для термопары диаметром 0,3 мм в обычном исполнении и без изоляции на кончике.
КРЧ [RSC]
0,12
0,10 0,08 0,06 0,04 0,02
0,00
В обычном исполнении [In a conventional design]
С удаленной изоляцией [With a remote insulation]
0,0
0,2
0,4 0,6
U, м/c [m/c]
1,0
Рис. 5. Коэффициент радиационной чувствительности для термопары диаметром 0,3 мм в обычном исполнении и с удаленной изоляцией для различных скоростей воздушного потока
Fig. 5. Radiation sensitivity coefficient for a 0.3 mm diameter thermocouple in a conventional design and with a remote insulation for various air flow rates
Когда известна приблизительная средняя температура луча и скорость воздуха вокруг датчика температуры, данные на рис. 5 позволяют рассчитать погрешности излучения для этого датчика. Средняя температура излучения может быть оценена на основе приблизительных температур и факторов внешнего вида окружающих поверхностей.
Как видно из рис. 5, чувствительность к излучению больше зависит от направления потока воздуха, чем от датчика. Это связано с изменением пограничного слоя воздушного потока и, следовательно, с конвективным теплообменом на поверхности датчика. Как для зачищенных, так и для спиральных термопар различные части проводов вблизи измерительного спая участвуют в передаче тепла, из-за чего датчик термопары фактически кажется более цилиндрическим, чем сферическим. Следовательно, конвекционная теплопередача для термопары плоской формы зависит от направления датчика в воздушном потоке. Указывает максимум коэффициента конвективной теплопередачи, когда ось датчика перпендикулярна потоку, и минимум для потока вдоль оси датчика. Кривые на рис. 5 показывают средние значения с разбросом между минимумом и максимумом при 0 и 90°, показанные на диаграммах ошибок [8].
При малых скоростях технологических процессов может оказаться невозможным простое определение направления потока, и в этом случае равномерный конвективный теплообмен был бы еще полезнее. Этого можно добиться, изменив форму датчика. Например, как показано на рис. 6, зигзагообразный изгиб зачищенной части термопары значительно снижает направленную чувствительность.
Рис. 6. Очищенная и зигзагообразная термопара Fig 6. Cleaned and zigzag thermocouple
ВЫВОДЫ
Термопары для измерения температуры в диапазоне температур внутри помещений показывают более высокую точность, чем указанные в различных нормативно-
Литература
1. Искендерзаде Э.Б., Асланов З.Ю. Методы и средства измерения и контроля. Баку, 2017. 290 с.
2. Фарзана Н. Технологические измерения и приборы. Баку, 1986. 132 c.
3. Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для вузов. 3-е изд. СПб.: Питер, 2010. 245 c.
4. Чистофорова Н.В., Колмогоров А.Г. Технические измерения и приборы. Ч. 1. Измерение теплоэнергетических параметров: учеб. пособие. Ангарск, 2008. 200 c.
5. Nilsson H, Sandberg M., Lundstrom H., Stimne H. Experimental methods of ventilation // Add. Build. Res. Energy. 2008. Pp. 159-210.
6. Srebrik J., Chen K. Procedure for verification, validation and reporting of CFD analyzes of the internal environment // HVAC&R Res. 2002. Pp. 201-21.
7. Hoff T., Blocken B. Field measurements of natural ventilation in a large semi-enclosed stadium: Suitability for CFD testing // Proceedings of the 10th International Conference on Healthy Buildings, Brisbane, Australia, 8-12 July 2012. Vol. 2. Pp. 1346-1351.
8. Childs PR., Greenwood J.R., Long C.A. Overview of temperature measurement // Reverend Sciences. Tool. 2000. No. 71. Pp. 2959-2978.
9. Международный стандарт IEC 60584-1:2013 «Термопары». Ч. 1. Спецификации и допуски ЭДС // Международная электрохимическая комиссия. 2013. С. 14.
технических документах и широко освещенные в литературе. Слабым местом является компенсация холодного спая, которая обычно имеет низкую точность в большинстве коммерческих термопарных устройств. Эта ошибка не может быть устранена индивидуальной калибровкой термопар. Однако с внешним ссылочным компенсационным устройством точность измерения ±0,05 К может быть достигнута с помощью термопары Т-типа без вышеуказанной калибровки.
Кроме того, в ходе исследования изучалось влияние радиации на датчики температуры. Было обнаружено, что воздействие излучения от окружающих поверхностей может вызывать значительные ошибки при измерении температуры воздуха в помещении.
Последовательность ошибок, связанных с излучением, можно оценить по рис. 5. Например, предположим, что термопара диаметром 0,3 мм с припаянным наконечником используется для измерения температуры процесса в помещении с низкой скоростью, а разница температур между окружающими поверхностями и температурой датчика составляет 4 К. В этом случае могут возникнуть погрешности измерения в 0,9 К. Эффект излучения может быть уменьшен до 65% за счет снятия изоляции на самой внешней части проводов термопары, что позволяет более точно соединить металлическую поверхность проводов с измерительным спаем.
References
1. Isgandarzada E.B., Aslanov Z.Y. Methods and means of measurement and control. Baku, 2017. 290 p.
2. Farzana N. Technological measurements and devices. Baku, 1986. 132 p.
3. Dimov Y.V. Metrology, standardization and certification: Textbook for universities. 3rd ed. St. Petersburg: Piter, 2010. 245 p.
4. Chistoforova N.V., Kolmogorov A.G. Technical measurements and instruments. Part 1. Measurement of heat and power parameters. Tutorial, Angarsk, 2008. 200 p.
5. Nilsson H., Sandberg M., Lundstrom H., Stimne H. Experimental methods of ventilation. Add. Build. Res. Energy. 2008. Pp. 159-210.
6. Srebrik J., Chen K. Procedure for verification, validation and reporting of CFD analyzes of the internal environment. HVAC&R Res. 2002. Pp. 201-21.
7. Hoff T., Blocken B. Field measurements of natural ventilation in a large semi-enclosed stadium: Suitability for CFD testing. Proceedings of the 10th International Conference on Healthy Buildings, Brisbane, Australia, 8-12 July 2012. Vol. 2. Pp. 1346-1351.
8. Childs P.R., GreenwoodJ.R., Long C.A. Overview of temperature measurement. Reverend Sciences. Tool. 2000. No. 71. Pp. 2959-2978.
9. International standard IEC 60584-1:2013 "Thermocouples". Part 1. EMF specifications and tolerances. International Electrochemical Commission. 2013. P. 14.
Статья проверена программой Антиплагиат. Оригинальность - 99,55%
Рецензент: Лысенко В.Г., доктор технических наук; главный научный сотрудник ФГБУ «ВНИИМС»
Статья поступила в редакцию 06.02.2022, принята к публикации 09.03.2022 The article was received on 06.02.2022, accepted for publication 09.03.2022
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Искандаров Наби, докторант Азербайджанского государственного университета нефти и промышленности. Баку, Республика Азербайджан. ORCID: https://orcid. org/0000-0001-5241-5513; E-mail: nabi.iskandarov@ engineer.com
ABOUT THE AUTHORS
Nabi Iskandarov, doctoral student at the Azerbaijan State Oil and Industry University. Baku, Republic of Azerbaijan. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5241-5513; E-mail: nabi.iskandarov@engineer.com
Багишов Эльмин, диссертант Азербайджанского государственного университета нефти и промышленности. Баку, Республика Азербайджан. E-mail: elmin. baghishovs@gmail.com
Искендерзаде Эльчин, доктор технических наук, профессор; Лауреат Государственной Премии по литературе «Кызыл Келме», Заслуженный педагог Азербайджанской Республики, Почетный деятель культуры Азербайджанской Республики, Почетный ученый Европы, посол культуры UNESCO; заведующий кафедрой «Метрологии и стандартизации» Азербайджанского технического университета. Баку, Республика Азербайджан. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2822-1000; E-mail: isgenderzadeh@rambler.ru
Elmin Bagishov, dissertation student at the Azerbaijan State Oil and Industry University. Baku, Republic of Azerbaijan. E-mail: elmin.baghishovs@gmail.com ElchinIsgandarzada, Dr. Sci. (Eng.), Dr. Sci. (Phil.), professor; Head at the Department "Metrology and Standardization" of the Azerbaijan Technical University. Baku, Republic of Azerbaijan. ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2822-1000; E-mail: elchin.isgenderzade@gmail.com
