Что называют тепловой инерционностью термометра

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Инерционность термометра сопротивления характеризуется показателем тепловой инерции. Показатель тепловой инерции представляет собой время, необходимое для того, чтобы при внесении термометра в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки внесенного в нее термометра стала равной 0 37 того значения, которое она имела в момент наступления регулярного теплового режима. [1]

Инерционность термометра сопротивления в арматуре не превышает 20 сек. [2]

Величина инерционности термометра сопротивления условно определяется временем, прошедшим с момента переноса термометра из воды при температуре 20 С в кипящую воду, до момента, начиная с которого разность температур кипящей воды и чувствительного элемента термометра сопротивления не превышает 10 % от полного интервала изменения температуры. [3]

Для уменьшения инерционности термометра сопротивления необходимо, чтобы материал защитного чехла обладал хорошей теплопроводностью, а рабочая часть термометра имела как можно меньшие массу и воздушную прослойку между чувствительным элементом и внутренними стенками защитной гильзы. Кроме того, чувствительный элемент термометра должен иметь хороший тепловой контакт с внутренней рабочей поверхностью защитной гильзы. [6]

В другом случае для снижения инерционности термометров сопротивления применяют их сстеклование. [8]

В другом случае для снижения инерционности термометров сопротивления их изготовляют стеклянными. [10]

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Показатель тепловой инерции термометров е определяется при коэффициенте теплоотдачи, практически равном бесконечности. [2]

Под тепловой инерцией термометра понимается время, в течение которого его измерительный механизм нагревается ( охлаждается) до температуры, примерно равной температуре окружающей среды. [5]

Отсюда, зная постоянную тепловой инерции термометра и определяя из показания термометра скорость изменения температуры его v, можно по уравнению ( 71) найти закон изменения температуры среды. [6]

Ввиду наличия теплообмена между калориметром и окружающей средой, температура жидкости после достижения своего максимального значения начинает быстро понижаться. Для того чтобы показания термометра успевали следовать за изменением температуры в калориметре, тепловая инерция термометра должна быть минимальной. Поэтому термометры сопротивления обычной конструкции не могут быть использованы з калориметрии и должны применяться специальные калориметрические термометры. [14]

При выборе термометров сопротивления и измерительного прибора для измерения температуры необходимо учитывать тепловую инерцию термометра. Неправильный выбор может привести к дополнительной погрешности измерения вследствие отставания показаний прибора от температуры измеряемой среды. Тепловая инерция термометра обусловлена тем, что переход термоприемника из первоначального теплового состояния в новое, соответствующее измеряемой температуре, происходит в течение некоторого промежутка времени, определяемого конструкцией термометра, свойствами среды, а также характером изменения ее температуры. Механическая инерция целиком определяется конструкцией измерительного прибора. [15]

Источник

Тепловая инерция

Тепловая инерция – это термин, используемый в основном в инженерном и научном моделировании теплопередачи, и обозначающий совокупность свойств материала, связанных с теплопроводностью и объёмной теплоёмкостью. Например, можно встретить выражения этот материал обладает большой тепловой инерцией, или Тепловая инерция играет важную роль в этой системе, которые обозначают то, что эффекты в динамике являются определяющими для данной модели, и расчёты в стационарном состоянии могут дать неточные результаты. Иными словами тепловая инерция характеризует способность сопротивляться изменению температуры за определённое время.

Этот термин отражает научную аналогию и не связан напрямую с термином инерция, используемым в механике.

Тепловая инерция материала может быть определена по формуле:

– теплопроводность (англ. bulk thermal conductivity), – плотность материала, – удельная теплоёмкость материала.

Произведение представляет собой объёмную теплоёмкость.

В системе СИ единицей измерения тепловой инерции является Дж м K с, иногда называемая Киффер (англ. Kieffer), [1] или более редко, тью (англ. tiu). [2]

Для материалов на поверхности планеты, тепловая инерция является ключевым свойством, определяющим сезонные и суточные колебания температур, и обычно зависит от физических свойств горных пород, находящихся возле поверхности. В дистанционном зондировании тепловая инерция зависит от сложного сочетания гранулометрического состава, богатства горных пород, выхода на поверхность тех или иных пластов и от степени отвердевания. Грубую оценку величины тепловой инерции иногда можно получить, исходя из амплитуды суточных колебаний температуры (то есть, из максимальной температуры вычесть минимальную температуру поверхности). Температура поверхностей с низкой тепловой инерцией значительно изменяется в течение дня, в то время как температура поверхностей с высокой тепловой инерцией не претерпевает радикальных изменений. В сочетании с другими данными тепловая инерция может помочь охарактеризовать материалы поверхности и геологические процессы, ответственные за формирование этих материалов.

Тепловая инерция океанов является основным фактором, влияющим на изменение климата в отдалённой перспективе (англ. climate commitment) и на степень глобального потепления.

Содержание

В строительстве

Тепловая инерция в строительстве — это свойство ограждения сохранять относительно постоянную температуру внутренней поверхности при периодических изменениях внешних тепловых воздействий (колебания температуры наружного воздуха и солнечной радиации). [3]

Характеристика тепловой инерции D определяется по формуле [4] :

,

где — сопротивление теплопередаче слоёв ограждения, a — ко­эффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоёв за период в 24 ч.

Источник

Тепловая инерция датчиков температуры

Тепловая инерционность – свойство любого контактного датчика температуры. В статье рассмотрен ряд вопросов: что такое тепловая инерция, из-за чего она возникает, как влияет на процесс измерений, всегда ли нужны датчики с низкой инерционностью. На примере кабельных термопар ОВЕН продемонстрированы решения, с помощью которых тепловую инерцию датчика можно снизить.

Что такое тепловая инерция?

Широкое применение при измерении температуры получили контактные методы, когда 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 «тепловой инерцией». Тепловая инерция возникает из-за заметного изменения теплового потока и температуры в разных точках потока жидкости и газа в течение времени. Все датчики температуры реагируют на колебания температуры в пространстве, только одни это делают быстрее, другие медленнее [1].

От чего зависит тепловая инерция?

Температуры различных материалов при одинаковых условиях нагревания и охлаждения изменяются с различной скоростью. Скорость изменения температуры характеризуется теплоемкостью вещества, а она в свою очередь зависит от его удельной теплоемкости и плотности. Тепловую инерцию любого материала можно найти, используя формулу:
, где
k – теплопроводность;
p – плотность материала:
c – удельная теплоемкость материала.

На рис. 1 представлены графики изменения тепловой инерции для меди и платины в зависимости от измеряемой температуры.

Рис. 1. Тепловая инерция меди и платины в зависимости от измеряемой температуры

Проволочные датчики температуры обладают некоторыми неоспоримыми преимуществами. Они нечувствительны к механическим нагрузкам, колебаниям и ударам, имеют высокое сопротивление ударной нагрузке и давлению. Это объясняется конструкцией самого датчика – платиновая проволочная спираль свободно двигается внутри керамического корпуса, заполненного алюминиевым порошком, и фиксируется только на его концах. Проволочные датчики позволяют использовать сразу два измерительных элемента – две платиновые спирали в одном керамическом корпусе для удобства эксплуатации и более широких функциональных возможностей. Проволочные терморезисторы будут правильным выбором для процессов, требующих высокой температурной стабильности, например в химической промышленности и энергетике, а также в связке с лабораторными измерительными приборами [2].

Что касается сравнения показателей тепловой инерции этих двух видов чувствительных элементов, то информации крайне мало, а экспериментальные данные фактически отсутствуют. Мы планируем провести исследования на этот счет и ответить на вопрос: у какого терморезистора, тонкопленочного или проволочного, меньше инерция?

Как конструкция датчика влияет на его инерционность?

Тепловая инерция зависит также от конструктивного исполнения датчика температуры. В частности, защитная арматура всегда увеличивает тепловую инерцию датчика (рис. 2). 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 (термопары) в защитных толстостенных чехлах (с толщиной стенки вплоть до 20 мм).

Рис. 2. Термоэлектрический термометр

Для снижения тепловой инерции термометров применяют засыпку между чувствительным элементом (измерительным узлом) и арматурой. В качестве засыпки служат кварцевый песок и мелкодисперсные порошки: периклаз (MgO) и электрокорунд (Al₂O₃). Такое решение позволяет уменьшить тепловую инерцию датчика на 50 %.

Для обеспечения эффективного теплового контакта термометра сопротивления и трубопровода (уменьшения влияния тепловой инерции) рекомендуется применять термопасту и укрывать датчик теплоизоляционным материалом. Конструкция термосопротивлений уже часто включает в себя термопасту, которую наносит в месте контакта ЧЭ и внутренней поверхности арматуры сам производитель. Эксплуатация термопасты допускается в среднем при температурах от –50 до 200 °C.

Следует отметить, что тепловая инерция зависит также от исполнения рабочего спая. Различают изолированный и неизолированный рабочий спай (рис. 3). Покажем это на примере кабельных термопар ОВЕН с диаметром погружной части 4,5 мм.

Рис. 3. Термоэлектрический преобразователь с изолированным и неизолированным спаем

Датчик, у которого спай не изолирован от оболочки КТМС, имеет тепловую инерцию 1 секунду, а у датчика с изолированным спаем инерция 2 секунды. Соответственно, датчик с наименьшей тепловой инерцией – датчик с неизолированным рабочим спаем.

На что влияет тепловая инерция?

Тепловая инерционность характеризуется постоянной времени. Знание значений постоянных времени термопар и возможных их отклонений необходимо 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 [3]. Чем она больше, тем больше времени требуется датчику для достижения температуры контролируемой среды.

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, 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, то есть при изменении измеряемой температуры до нового установившегося значения t_и показание термометра t_п постепенно достигает этого значения (рис. 4).

Рис. 4. Временные характеристики переходного процесса

Также на рис. 4 представлен ряд показателей времени переходного процесса: τ_п (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 Т_п (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 оправданно 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 нужно 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. 5.

Рис. 5. Переходные процессы с пульсацией температуры при различных постоянных времени датчиков

Более того, для большинства термических процессов рабочий ресурс термопары и ее метрологическая стабильность значительно более важны, чем время срабатывания на плавное изменение температуры [4].

1. Сорокин Д. И., Джусов О. П. Динамические характеристики термопар. М: Обнинск, 1973. С. 2.
2. Проволочные датчики температуры Heraeus // Сенсорика: [сайт]. URL: http://www.sensorica.ru/news/news113.shtml (дата обращения: 21.04.2020).
3. Сорокин Д. И., Джусов О. П. Динамические характеристики термопар. М: Обнинск, 1973. С. 3.
4. Улановский А. А. Метрологическая стабильность термоэлектрических преобразователей (термопар) для измерения высоких температур. М: Обнинск. С. 8.

Опубликовано в журнале ИСУП № 2(86)_2020

Источник

Лабораторная работа № 2 по дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. Исследование тепловой инерции термометров

Министерство образования Российской Федерации

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ИНЕРЦИИ ТЕРМОМЕТРОВ

Лабораторная работа № 2. Исследование тепловой инерции термометров. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерении”. – С.-Петербург.: РГГМУ, 2013, 17 с.

Лабораторная работа составлена на основе типовой программы дисциплины, читаемой студентам метеорологического факультета.

Работа содержит теоретические сведения, описание и порядок работы с используемыми приборами и перечень операций, выполняемых студентами. В приложении приводится метод наименьших квадратов для расчета коэффициента инерции термометра.

Издание дополнено в 2013 году для размещения в сети Интернет.

Ó Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), 2013.

Основные уравнения, характеризующие тепловую инерцию термометра, приведены в книге [1], а также в курсе лекций по данной дисциплине. При подготовке к работе студенты должны изучить раздел 2.1 книги [1] и содержание лекции №1 [2].

Предположим, что термометр, имеющий температуру Т0, внесен в среду, имеющую температуру Θ. При постоянной температуре среды термометр в дальнейшем будет показывать температуру, изменяющуюся о закону:

Коэффициент λ зависит как от конструкции термометра, так и от свойств среды, в которой проводится измерение. Эта зависимость выражается формулой:

В свою очередь, коэффициент конвективного теплообмена зависит от свойств среды:

Таким образом, коэффициент инерции обратно пропорционален корню квадратному из произведения скорости потока на плотность среды.

Следовательно, в более плотной среде, например, при измерении температуры воды, коэффициент инерции уменьшается.

Если известна начальная разность температур T0 — Θ, то для оценки коэффициента инерции термометра достаточно определить время τ*, в течение которого эта разность уменьшится в n раз. В самом деле, из уравнения (1) следует:

Удобно взять n целым числом (n =2; 3 и т. п.). Это число n следует выбрать так, чтобы время τ* можно было бы легко определить по секундомеру (10-20 секунд).

Задачей данной работы является определение коэффициента тепловой инерции нескольких стеклянных термометров при различных характеристиках окружающей среды и двух термометров сопротивления. В последнем случае работа выполняется с помощью двухкоординатного самописца, на котором записывается изменение температуры термометра во времени.

Для выполнения работы необходимы: исследуемые термометры, нагреватель для термометров, сосуд с водой комнатной температуры, секундомер, аэродинамическая труба, двухкоординатный самописец с блоком линейной временной развертки по оси абсцисс.

Затем постройте график зависимости Т(τ). Нанесите на график температуру окружающего воздуха. Определите с помощью графика коэффициент инерции термометра, пользуясь данным выше определением. Нанесите на ось абсцисс графика значение коэффициента тепловой инерции. Примерный вид такого графика показан на рис.1.

2. Повторите тот же опыт с тем же термометром, но теперь определите время, в течение которого разность температур между термометром и средой уменьшается в 2 раза. Для этого заранее отметьте и запишите температуру воздух в комнате θ, температуру, с которой предполагается начать отсчет T0 и температуру Tx, которую будет иметь термометр в тот момент, когда разность температур уменьшится в 2 раза.

Вычислите λ по уравнению (4) и сравните с результатами, полученными в п.1. Повторите опыт для 2-3 стеклянных термометров по указанию преподавателя.

ВНИМАНИЕ! При подготовке опыта установите определенное напряжение и заранее определите по графику скорость ветра! Во время проведения опыта изменять скорость потока нельзя!

Как и раньше, запишите температуру воздуха, температуру, с которой предполагается начать отсчет и температуру t‘ термометра в момент изменения разности в n раз. При большой скорости ветра температура меняется быстро, поэтому целесообразно выбрать значение n = 3 или n = 4.

При обработке результатов составьте таблицу λ(V) и постройте графическую зависимость.

4. Определите коэффициент инерции того же термометра, поместив его в воду. Для этого приготовьте второй сосуд, в котором должна находиться вода комнатной температуры. Нагрейте термометр в сосуде с теплой водой до желаемой точки, затем быстро перенесите его в холодную воду и определите время, в течение которого разность температур между термометром и средой (водой!) уменьшится в n = 4 раза. Разумеется, это значение температуры необходимо рассчитать заранее, так же как описано в п.2. Температура термометра в воде изменяется очень быстро, поэтому значение n целесообразно взять большим, чтобы измеряемое время составило хотя бы несколько секунд.

Сравните результаты экспериментов п. пОбъясните различие в полученных величинах λ.

5. Определите коэффициент инерции резисторного термометра. Для этой цели используется электронный термометр с выводом данных на компьютер.

Порядок выполнения этой части работы следующий.

5.1. Включите компьютер. Включите тумблером электронный блок резисторного термометра, должна загореться лампочка.

5.2 При загрузки автоматически запускается программа работы с термометром (рис). Если этого не произошло, запустите иконку “Исследование инерции термометра”, которая находится на рабочем столе.

5.3 Не нагревая резисторного термометра запишите температуру окружающей среды по его показаниям. Проведите опыт без обдува датчика.

5.4 Опустите датчик в термостат с теплой водой, имеющей температуруС. И наблюдайте изменение показаний термометра.

5.5 Когда показания перестанут сильно изменяться вытащите датчик из термостата, протрите его сухой тряпкой и установите во втулку аэродинамической трубы. Затем нажмите кнопку “Начать измерения”. На графике будет отражаться изменение температуры. Измерения будут автоматически производится в течении 150 секунд. По окончании которых появится табличка с изменением температуры термометра от времени. Перепишите её в рабочую тетрадь. Примечание : Данные в таблице изменяются только по окончании очередного измерения, поэтому данные можно переписывать в процессе подготовки и проведения следующих измерений. Если по какой либо причине нужно прервать измерения без получения результатов можно нажать кнопку “Прервать измерения”.

5.6 Повторите опыт (п. п. 5в движущемся воздухе при 4-5 значениях скорости ветра, устанавливаемой перед проведением опыта с помощью ЛАТРа и измеряемой по графику (см. п.3). Таким образом, у Вас будет несколько кривых, характеризующих изменение температуры датчика при различных скоростях аспирации.

5.7. Определите коэффициент инерции датчика в каждом из опытов, пользуясь кривыми t(τ). Для этого определите время, в течение которого разность температур уменьшается в n раз (в данном случае допускается взять как n = 2, так и любое другое число), а затем рассчитайте коэффициент инерции λ по формуле (4).

1. По имеющимся у Вас данным п.1, постройте график зависимости t(τ) для ртутного термометра (аналогично графику рис.1) и определите его коэффициент инерции λ, как время, в течение которого разность температур между термометром и средой уменьшается в е раз.

2. По тем же данным рассчитайте коэффициент инерции термометра по методу наименьших квадратов, изложенному в приложении. Рассчитайте средний квадрат ошибки определения λ.

3. Сравните результаты вычислений со значением λ, полученным по методике п.2 раздела «Выполнение работы». Совпадают ли они? Находится ли разность между ними в пределах вычисленной ошибки?

4. Составьте таблицу λ(V) и постройте график, пользуясь результатами п.3 раздела «Выполнение работы».

5. Определите значение коэффициента инерции ртутного термометра в воде по результатам, полученным в п. 4 раздела «Выполнение работы». Сравните его значение со значением коэффициента инерции в воздухе. Объясните разницу. Определите, выполняется ли формула (3), для чего узнайте по справочным таблицам значение плотности воды и воздуха.

6. По графикам, полученным при выполнении п. п., определите значение λ для каждого опыта и постройте график λ(V) для резисторного датчика температуры. Укажите также значение коэффициента инерции датчика в воде. Объясните ход кривой λ(V) и различие в значениях коэффициента инерции датчика в воздухе и в воде.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать:

1. Краткое изложение сведений из теории.

3. Рабочие формулы для вычисления коэффициента инерции и среднего квадрата ошибки для всех случаев. Формулы должны быть написаны как в буквенном выражении, так и с применением конкретных величин, полученных в работе.

4. Вычисленные значения всех коэффициентов инерции и среднего квадрата ошибки.

5. Графическую зависимость λ(V) для ртутного и резисторного термометров.

6. Результаты сравнения зависимости λ(V) с теоретической зависимостью (формула 3).

7. Анализ и обсуждение результатов.

Использование метода наименьших квадратов для расчета

коэффициента тепловой инерции термометра

Источник