Введение 3
1 Методы измерения температуры воздуха 5
1.1 Основные параметры, описывающие тепловую инерцию термометра . 6
1.2 Основные характеристики измерительных приборов 7
2 Минимизация погрешностей шарообразного термометра 10
2.1 Определение коэффициента конвективного теплообмена для ртутного
термометра с шарообразным резервуаром 10
3 Минимизация погрешностей шарообразного термометра 13
Глава 4.Минимизация погрешностей цилиндрического термометра 29
Выводы 40
Литература 42
Примечание 44
Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел. Каждый день люди сталкиваются с этим понятием в течение долгого времени. Для метеорологии измерение температуры является основополагающим фактором и точность этих измерений должна быть высока. Для этого необходимо соблюдать правила измерения температуры: это быстрота, аккуратность, и своевременность.
Одним из важнейших критериев работы термометров является инерция датчика. Датчики с малой тепловой инерцией способны измерять температуру, которая быстро изменяется. Легко понять, что чем выше требования к точности измерения температуры, тем выше требования к инерции датчика.
При измерении температуры чрезвычайно важным аспектом является тепловая инерция. Это свойство термометра воспринимать температуру окружающей среды с задержкой во времени. Оно характеризуется коэффициентом тепловой инерции термометров, который численно равен времени, в течение которого разность температур уменьшается в e раз.
Коэффициент тепловой инерции термометра зависит от интенсивности конвективного теплообмена между датчиком и средой.
Целью моей работы было определение радиусов резервуаров термометров для точности измерения температуры, повышение чувствительности термометров и минимизация инерционных и шкаловых погрешностей.
Главной задачей этой работы является определение оптимальных значений радиуса для шарообразной и цилиндрической формы термометров. Для решения данной задачи необходимо определить погрешности: шкаловую и инерционную.
В данной работе представлены результаты расчета погрешностей термометров, обладающего шарообразным и цилиндрическим резервуарами. Для примера был выбран ртутный термометр, однако методика расчета может быть применена к любому типу термометров.
1. Предложена методика расчета погрешностей термометра в зависимости от размеров его чувствительного элемента. Проведенные расчеты для ртутного шарообразного термометра свидетельствуют о возрастании минимальной возможной погрешности при увеличении размеров датчика. Это возрастание обуславливается прежде всего инерционной погрешностью.
2. Инерционная погрешность в значительной степени зависит от скорости ветра и от скорости изменения температуры воздуха. При увеличении скорости ветра она уменьшается, а при увеличении скорости изменения температуры воздуха - возрастает.
3. Для скорости ветра 0,8 м/с, принятой для термометров в психрометрической будке, суммарная погрешность шарообразного датчика минимальна и равна 0,09 градуса при радиусе резервуара, равном 0,004 м (4 мм). При значениях внешнего радиуса от 0,0032 до 0,0053м погрешность не превышает 0,1 градуса.
4. При увеличении скорости ветра до 6 м/с минимальная погрешность не превышает 0,05 градуса и достигается при радиусе, равном 5 мм. Возможные значения радиуса резервуара, при которых погрешность не превышает 0,1 градуса, теперь расширяются и находятся в интервале от 0,0027 до 0,015 м. При еще большем значении скорости ветра минимальная суммарная погрешность становится еще меньше.
5. Существенное влияние на погрешность измерений оказывает скорость измерения температуры воздуха. Расчеты сделаны для двух значений скорости изменения температуры воздуха у = 0,001 и 0,002 K/c, что соответствует примерно от 3.6 до 7.2 градуса в час. Как ясно из формулы (3), при меньших значениях у могут быть достигнуты еще меньшие значения погрешности.
6. Для цилиндрического датчика минимум погрешности наблюдается только при быстром изменении температуры воздуха (у = 0.004 K/c) и широком резервуаре термометра (R = 7 мм). Эта минимальная погрешность равна 0,33 К и достигается при высоте резервуара около 5 мм.
7. При значениях радиуса цилиндрического датчика меньше 7 мм (что обычно для жидкостных термометров) и скорости ветра больше 0,8 м/с наблюдается плавная зависимость суммарной погрешности от высоты резервуара h с уменьшением погрешности при увеличении высоты резервуара. Это дает возможность практически сколь угодно снизить погрешность измерения. Например, при значении h = 3,2 см погрешность не превышает 0,05 К.
8. Имеются возможности для уменьшения погрешности измерения температуры с помощью ртутных термометров путем правильного подбора значений радиуса и высоты резервуара. Наиболее выгодным представляется увеличение длины цилиндрического резервуара, так как увеличение радиуса неизбежно увеличивает инерционную погрешность. Весьма перспективно уменьшение погрешности с помощью искусственного обдува (аспирации) термометра.
9. Для измерения флуктуаций температуры, при которых скорость изменения температуры воздуха достигает больших значений, ртутные термометры следует считать непригодными.
Результаты могут быть использованы при проектировании термометров с целью снижения погрешностей измерения, а также для расчета погрешности применяющихся термометров.
