Тепловая инерция датчиков температуры

Что такое тепловая инерция?

Широкое применение при измерении температуры получили контактные методы, в которых датчики температуры находятся в непосредственном контакте с контролируемыми средами. В реальном мире стационарных тепловых потоков не существует, и на практике приходится сталкиваться с нестационарными потоками. У всех датчиков существует запаздывание выходного сигнала относительно изменения температуры измеряемой среды. Этот эффект называется “тепловая инерция”. Тепловая инерция возникает из-за заметного изменения теплового потока и температуры в разных точках потока в течение времени. Все датчики температуры реагируют на колебания температуры в пространстве, только одни это делают быстрее, другие медленнее.

От чего зависит тепловая инерция?

Рис. 1. Графики зависимости тепловой инерции для меди и платины от температуры.

По данным рис. 1 можно сказать, что инерция платинового чувствительного элемента (100П) примерно в 2 раза меньше, чем у медного чувствительного элемента (100М). Поэтому, если требуется получить наибольшую тепловую активность от датчика температуры, то следует выбирать платиновый чувствительный элемент.

Также тепловая инерция зависит от конструктивного исполнения датчика температуры. Например, защитная арматура всегда увеличивает тепловую инерцию датчика. Причем чем толще стенка арматуры, тем больше инерция. Например, при измерении высокотемпературных и агрессивных сред, а также расплавов солей и металлов, необходимо использовать термоэлектрические преобразователи в защитных толстостенных чехлах (с толщиной стенки вплоть до 20 мм).

Для обеспечения эффективного теплового контакта термометра сопротивления и трубопровода (уменьшения влияния тепловой инерции) рекомендуется применять термопасту и укрывать датчик теплоизоляционным материалом. Также конструкция датчиков термосопротивления уже часто включает в себя термопасту, которую наносит в месте контакта ЧЭ и внутренней поверхности арматуры сам производитель.

Датчиками с наименьшей инерцией являются термопары. Например, рассмотрим два исполнения с диаметрами ТЭ (термоэлектрод) d = 1,5 мм и d = 2,0 мм соответственно. Для d = 1,5 мм тепловая инерция составляет 0,4 с, а для d = 2,0 мм - 0,5 с. Различие небольшое, но для быстропротекающих процессов может оказать существенное влияние.

На что влияет тепловая инерция?

Два возможных исполнения термопар. Неизолированный спай уменьшает тепловую инерцию датчика, но сокращает его срок службы

Тепловая инерционность характеризуется постоянной времени. Знание значений постоянных времени термопар и возможных их отклонений необходимы для правильного подбора датчика. Если возможные отклонения постоянной времени для выбранного типа термопар превышают допустимый предел, то постоянную времени с необходимой степенью точности следует определять для каждой конкретной термопары. Углубиться в эту тему можно в данной работе.

Чем она больше, тем требуется больше времени датчику для достижения температуры контролируемой среды.

Чувствительность

Важнейшей характеристикой любого измерительного прибора является его чувствительность.

Увеличение чувствительности позволяет измерить температуру с большей точностью. Однако, существует предел увеличения чувствительности, связанный с тепловой инерцией термометра. По причине тепловой инерции все термометры обладают так называемой инерционной погрешностью. В тех случаях, когда эта погрешность превышает требуемую точность измерений, дальнейшее повышение точности становится лишенным смысла.

Следует учесть то, что тепловая инерция влияет не только на скорость процесса, но и на погрешность измерений соответственно. Тепловая инерция датчика, обусловленная сравнительно медленным нагревом термочувствительного элемента, приводит к запаздыванию показаний прибора, т.е при изменении измеряемой температуры до нового установившегося значения tи по­казание термометра tп постепенно достигает этого зна­чения рис. 3. Также на данном рисунке представлен ряд показателей времени переходного процесса: τп(время от начала реагирования, в течение которого показа­ние прибора достигнет 63% изменения измеряемой вели­чины); время переходного процесса Т (время, в течение которого показание прибора достигнет 95% изменения измеряемой величины); полное время установления пока­заний Тп (время, в течение которого показание прибора достигнет 100% изменения измеряемой величины).

Быстрые колебания температуры в контролируемой среде и минимальное реагирование датчика на эти изменения могут существенно снизить качество регулирования и привести к поломке всей системы.

Всегда ли оправдано брать датчики температуры с малой тепловой инерцией? В рассмотренном выше случае это является прямой необходимостью.

Но существует и обратная задача, когда не требуется контролировать точное значение температуры в пульсирующем процессе, а стоит задача просто поддерживать какое-то среднее значение температуры.

В таком случае правильно будет выбрать датчик с большим коэффициентом тепловой инерции, который позволит сгладить переходный процесс, следовательно, система не будет реагировать на резкие колебания температуры. Данное свойство проиллюстрировано на рис. 4.

Более того: для большинства термических процессов рабочий ресурс термопары и ее метрологическая стабильность значительно более важны, чем время срабатывания на плавное изменение температуры.

Для написания статьи были использованы материалы из работы Улановского А.А.

Автор статьи: Анастасия Разина