верочной схемой. Разрядные образцовые средства хранятся и эксплуатируются в поверочных лабораюиних iосударственцон п ведомственной метрологических служб.

Рабочие эталоны н разрядные образцовые средства предназначены только для выпоЛ:е1П!я поверок нижестоящих по поверочным схемам средств измерении и не доличпы использоваться в качестве прецизионных средств измерений при выюлнеиии, например, научных исследований. Такое использование ))аГ;очн-\ эталонов и образцовых средств может привести к нарушению с1айил1>П!)сти нх показаний, а следовательно, н к нарушению правилыюй перед,1чи е.ипшць! измерения. Для выполиспня научных исследований Д0ЛЖ1И.1 применяться ипениальпые средства измсрсчшй нужной точности. Аттестацию образцовых средств и.чмерснпй и присвоение соответствующего разряда производят- органы государственной метро.тогп-ческой слунчбы.

Под поверкой средств измерения температур понимается онредслсш;е соответствия их метрологических характеристик (погренпюсть показаний или градуировочная характеристт1ка, вариация показаний, динамические характеристики) установленным значениям в утвержденной для дан1!ых средств измерения нормативно-технической документации. Допускаемые отклонения измеряемых значений метрологических характеристик устанавливаются по результатам испытаний нескольких образцов головной партии данного типа средств измерений, выполняемых по согласованной с органами государственной или ведомственной метрологических служб программе. Одновременно исследуется влияние различных факторов на данные средства mMepenuii (табл. 3.7).

ГЛАВА 4

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

4.1. Классификация погрешностей средств измерения температуры

Средства измерения температуры (измерительные преобразователи, приборы, установки или информационные измерительные системы), подобно средствам измерения других физических величин, не могут обеспечить определение действительного значения температуры исследуемого объекта, поскольку физические принципы и исходные условия проведения измерений в той или иной степени оказываются нарушенными. Результат измерения температуры 4 будет отличаться от ее действительного значения /д на величину

А = <э-д, (4-1)

называемую абсолютной погрешностью пз.мерения тедшературы. В соответствии с ГОСТ 16263-70 погрешность измерения может выражаться в долях действительного значения измеряемой величины - относительная погрепшость измерения б.

Положение МПТШ-68 предусматривает запись результата измерений в Кельвинах и градусах Цельсия. Относительная погрешность (%) изые-репли те>,шературы с целью однозначности нредставтяется в виде

V. (4.2)

- 273,15, 273,15;

Т-д = + 7 о =

Гэ=з+Г = /э+ 273,15; (4.3)

Тд и - значения температуры в Кельвинах (К), а и - в градусах

Цельсия СС).

Погрешность измерений определяется приближенно с той или иной точностью в зависи\юсти от условий проведения и применяемых средств измерений, количества наблюдений и методов обработки экспериментальных данных. Погрешности измерений с целью их детального изучения и учета классифицируют по ряду признаков [217, 769, 773, 791].

Измерение любой физической величины основано на определенном методе измерения, применяемом средстве измерения и способе фиксации результата. В зависимости от этого абсолютную погрешность измерения температуры Д можно разделить на три составляющие - методическую Д инструментальную Ди погрешности и погрешность наблюдения Д :

Д = Д + Д + Дн. (4.4)

Методическая погрешность измерения температуры Д, возникает из-за неточности выполнения принципа (метода) измерения, недостаточной изученности явлений теплообмена между исследуемым объектом и чувствительным элементом ИПТ и, как следствие этого, неточного знания ко.личе ственных взаимосвязей исследуемой температуры и регистрируемой

величины, в соответствующем масштабе отражающей результат измерения температуры.

Инструментальная, или приборная, погрешность измерения температуры А возникает из-за иесовертепства конкретных средств измерения температуры, использования этих средств в условиях, отличающихся от нормальнькх. 11нструмс1пальну1о пг)греппрость средства изме1КЧ111Я температуры разделяют иа две сосга1(,тя1ощие - основную и доиолмите.тьиую. Первая ха[)актеризует точностные вoзюжocти средства измерений в нормальных условиях, то);1я учитывает влияние отклопепнй от этих условий. Для удобства и одпозначности оценки 1югрс1Нносгей средств из\1ерений в известных рабочих условиях прово.хится регламентация метрологических характе1)истик средств из\;ерення. Номенклатура и определения no)Nni-руемых метрологических характеристик устанавливаются согласно ГОСТ 8.009-72.

Погрешность регистрации наблюдения А (личная погрешность) определяется квалификацией наблюдателя (неправильные отсчет и снятие показаний, расшифровка записей и результатов регистрации). Как правило, величина этой составляющей (при исключении про.махов со стороны экспериментатора) незначительна по сравнению с Ам и Aj,.

В зависимости от закономерности изменения (характера проявления)

погрешность Д разделяют на систематическую А и случайную А погрешности:

А=Ас + А. (4.5)

Систс.чатической погрешностью измерения температуры А,- называют составляющую погрешности измерения, которая остается пост ом иной или закономерно изменяется в процессе измерений (либо при их повторении). Систематическую погрешность оценивают расчетным путе.м и.ти экспериментально и в результат измерений вводят соответствующую поправку.

Случайной погреишоетью измерения тeшepaтypы А называют составляющую погрешности измерения А, которая заранее не предсказуема i[ изменяется случайным образом при повторных измерениях температуры теми же средствами измерения. Закономерности проявления случайной погрешности и оценка ее величины могут быть выявлены проведением многократных наблюдений температуры с последующей статистической обработ-ктй результатов измерений (ГОСТ 8.207-76). В полученное значение случайной погрешности Д вотщет н та часть систематической погрешности, которая из-за сложности и приближенности оценки Ас не могла быть ранее учтена при нахождении Ас. Эту неучтенную систематическую погрешность,

входящую в Д, называют также неисключенным остатком систематической погрешности.

Измеряемая температура может быть стационарной (постоянной) или нестационарной, т. е. изменяться с течением времени. В зависимости от этого погрешность измерения температуры подразделяют на статическую Д и динамическую А

дпн-

= Act + Адн

(4.6)

Динамическая составляющая погрешности Ад вызвана скоростью изменения исследуемой величины /д(т) от вре.мени т и невозможностью регистрации средствами измерения мгновенных значений нестационарной температуры из-за теплоинерционных свойств ИПТ.

Разделение погрешности измерения температуры А на те или иные составляющие в соответствии с выражениями (4.4), (4.5) или (4,6) проводят

в зависимости от конкретных условий, требований и возможностей оценки погрешности результатов измерений.

Согласно общим положениям информационной теории измерений и шт-формационно-измерительной техники процесс измерения температуры, выполняемый любым средство.м измерения, заключается в преобразовании входной информации - температуры нccлcдycюгo обт.скта - н велпчн-иу иа выходе измерительного устройства, колпчсе!ве1(ио П1,[ражаю;цую результат из\1е()ент;я в у.аобнон для дальнейшего использон.лния ((юрмс. Совокупность преобразований исходной информации поясняется структурной схемой, каждый элемент которой может хап;1ктспизовать оиродслси-ный вид преобразований 1145, 491, 675, 769].

Уп])0!п,снно, без детализации промежуточных npeoopasoBannii нзме-р.Цельной HihJKipMamin, сл])уктурпую схему из\:ереиня температуры можно

Рис. 4,1. Структурная схема средств измерения температуры

представить в виде последовательного соединения трех элементов - звеньев структурной схемы (рис. 4.1): ИПТ, одного.или нескольких ПП и измерительного (показывающего, регистрирующего на диагральме или в цифровой форме) прибора ИПр.

Входное воздействие х (исследуемое значение температуры) преобразуется чувствнтельны.м элементом ИПТ в температуру чувствнтелыюго элемента, которая зате.м преобразуется в вььходной сигнал ИПТ у (например, в термоЭДС для термопариого ИПТ или в электрическое сопротивление тep.юpeзиcтopнoгo ИПТ), поступающий на ПП. В завнсимостн от выбора конкретного средства измерения ПП выполняет фуикцци масштабных или функциопальных преобразоваинй, передачи и усиления по \ющности измерительной информации. Воздействие (/ преобразуется ИПр в выходную величину gyj, в форме, пригодной для анализа температурного режима исследуемого объекта. Результирующая погрешность измерения А = = i/вых - определяется вкладом каждого элемента измерительной цепи (рис. 4.1), который \южет иметь свои характерные значения погрешностей- методическо! или инструментальной, систематической или случайной. Оценка результирующей погрешности измерения температурыв общем случае является сложной задачей, требующей детального анализа всей измерительной цепи. Эта задача решается поэтапно с учетом специфики измерений и применяемых измерительных средств.

4.2. Источники методических погрешностей ИПТ

Контактные методы измерения температуры объектов, находящихся в твердом, жидком или газообразном состояниях, основаны на том, что чувствительный элемент измерительного преобразователя температуры должен находиться в условиях термодинамического равновесия с исследуемым объектом. Только в таком состоянии температура /3 чувствительного элемента равна температуре объекта в исследуемой его зоне. Несоблюдегке исходного принципа контактной термометрии, характерное для реальных условий измерений, приводит к возникновению методической погрешности

Дм = ?з-д- (4.7)

ИПТ, часто называемый также термоприемником или датчиком температуры, является чужеродным телом, в той или иной степени возмущающим

paiito .viurciпивавшее mac- revitcprnyn нзучасуого г-бъекта. У тъ это возмущение в общем случае можки ucii.ic- изучения всего i-d\i!-.ic чса яв.тсчип ! теплообмена, нропслчтдсвшнх до п п jctl- лошажа ИНГ на счлсмс. Определение погрешностей измерении темр.ературы является, такл.т пбр-ллаы, частню общей проблемы исолс,!с>а;11:11Я K-iijoo6\;ciia снпс.мн к-.т, nrriUH-щихся в контакте с окружающими средами или телами.

Формулировке T.-uact те/глсобмеиа нредиюстиует качгг1венны11 aiui.Tir., имеющий целью: а) выяснеипе nc.\(VUioro теплового сосм.янии Hi следуемо-го объекта; б) ;!а::;;по;И1-:> кчиь.В.н модели ИПТ а снош к i или г 11реда>-лaraeЦJMH \л liurvui его раз,\!е;цс1!ия ц обмкте; в) выяилпис luii.TCBbi.v но.действий (р ;,<;1.-.Ш1,1ч факторов), сатрсдс.т.чюнщх возпиы..а.-.шс -..смоди-ческой погреинюсти, т. е. определение источников метод,imvlku: iio;pcui-ностей.

ИПТ (его восприиимающая часгь) рассмагр!1вается как псччоiорая система, подверженная со CToj)OHbi исслсдуе\юго объекта и другп.к окружа-о-щих объектов различны. ! тепловым визденствням, которые он 1едетяют процесс теплообмена и характер изменения температур внутри ИГ Т и в зоне его расположения. Важнейшими из них являются следующие воздействия [1050].

1. Тепловое воздействие исследуе.чюго объекта - основное или полезное, информативное воздействие.

2. Теплооб.меп излучением между ИПТ и его окружением (для газообразных и других частично прозрачных объектов).

3. Теплопередача между отдельными элементами ИПТ (теплоотвод по ИПТ).

4. Влияние внешних иетепловых источников энергии (например, преобразование кинетической энергии потока газа в результате полного или частичного его торможения около Р1ПТ).

5. Влияние в:)утре1П1Их источников теплоты (например, нагрев чувствительного элеме1гта тер.мометра сопротивления измерительиы.м током).

Все перечислепиие воздействия, исключая тепловое воздепС1Вие ]ic-следуемого объекта, являются источниками возникновения нежелательных .методических погрешностей измерения reNniepaiypbi. Совместное влияние этих факторов служит причиной появления пеннфорлативпого пара-.метра в.ходного сигнала, приводящего к отклоиеипго температуры ИПТ от значения температуры исследуемого объекта.

Принимая меры защиты, можно уменьшить неииформатнвный параметр до необходимого минимума. Если это удается, то единственным с()акто-ром оказывается тепловое воздействие исследу?:1гого объекта. И ест тепловое воздействие объекта изменяется во времени, то остается лишь одна составляющая методической погрешности, обусловленная теп.тоиоП инерционностью собственно ИПТ. Часто эту составляющую называют динамической погрешностью ИПТ. Однако вклад в динад1;ческую состав.тяющую погрешности может внести и любой нз перечислетщых выше источников, если интенсивность его воздействия достаточно велика н нз.меняется с течением времени.

Количественный анализ методических иогрешностен ИПТ в конечно.м счете заключается в формулировке математической модели, определяющей процесс теплового взаимодействия объекта исследования с ИПТ. Такие модели в первом .приближении классификационно могут быть сведены к следующим вариантам.

1. ИПТ оказывает относительно слабое влияние на температуру исследуемого объекта (при измерении температуры жидкостных и газовых сред), поэтому методическая погрешность определяется воздействиями основного (информативного) и помехосоздающих (неинформативных) факторов непосредственно на ИПТ. В этом случае наблюдается односторонне направленная передача тепловых воздействий,

? ИПТ окшывает обратное воздействие па тe lIepaтуру исследуемого обьекта, с;диако счю может быть непосредсibcllho выражено через температуру обт.екта (например, учет тормозящего де11ствня repMonpneNiHHKa,; помещенного в высокоскоростной поток газа).

3. ПИТ оказывает значительное возмущающее пооде1;с1В1(е па le.Mnepa-туру исследуемого объекта (при измерении те.\ц1ературы поверхностн твердых тел). Здесь требуется формулировка совместтюй задачи теплообмена и анализ нолей TCNHieparyp в системе объект - ИПТ.

4.3. Математические модели и характеристиЕи теплообмена ИПТ и исследуемых объектов

Математические модели теплообмена ИПТ с объектами исследования необходимы для оценки методических погрешностей измерения температуры и установления нормируемых метрологических характеристик 11Г!Т, Детализация и информативность моделей могут быть существенно различными и в значительной мере определяться требованиями к точности проводимых измерений. По степени уменьшения полноты информационных возможностей математические модели можно расположить в такой последовательности.

1. Дифференциальтюе уравнепне теплообмена или система дифференциальных уравнений в частных производных, отражающих передачу теплоты в объекте и ИПТ при учете всех существешю влияющих тепловых воздействий.

2. Обыкновенное дифференциальное уравнение пли их система, получаемые редук[тией (заменой) предыдущих уравнений или с}>ормулируемые независимо.

3. Ретпеиия уравиепнй при характерных закономерностях изменения тепловых воздействий.

4. Параметры (несколько или один из важнейших), входящие в предыдущие модели, знание структуры н числового значения которых позволяет установить тенденцию изменения или допускаемые значения методических погрешностей ИПТ.

В целях упрощения формулировки задачи и последующего ее решения уравнения теплообмена часто линеаризуют. Если эта операция выполнена, то дальнейший анализ удобно проводить, используя понятия передаточных функций ИПТ. Число таких передаточных функций соответствует числу независимых тепловых воздействий (основного и возмущающих), определяющих процесс теплообмена между ИПТ н объектом.

Взаимосвязь измеренных, зависящих в общем случае от времени т значений температуры 1 {%) чувствительного элемента, действительных значений температуры t (т) и значений других тепловых факторов /, (т), где i = I, 2, п (п - число факторов), выражается соотношением вида [I050J

Тз (S) = Y, (S) Г (S) + £ У. (s) F. {S) + (s), (4.8)

(=1 .

где Т (,s) н Тэ (s) - изображения (по Лапласу) действительной t (т) и измеренной /э (т) те1шератур объекта *; f( (s) - изображение /-го теплового воздействия (т); Yt (s) и Yi (s) - передаточные функции ИПТ по отношению к воздействию температуры исследуемого объекта и другим тепловым воздействиям; s- параметр преобразования Лапласа [248, 601]. (В руководствах по автоматическому управлению для обозначения параметра

* Не следует смешивать изображения воздействий Т (s), (s) и им подобные с абсолютными значениями температур (т), (т), обозначаемыми Т (т), Г, (т) или просто Т и Т.