Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 117 )

Точность измерения температуры – важнейший фактор, определяющий качество любых кинетических исследований. Так, ошибка измерения температуры в 1°С приводит к ошибке 15% и более в определении константы скорости химической реакции. Поэтому вопросам точности измерения температуры при разработке УДМ было уделено особое внимание.

Для проектного рабочего диапазона температур УДМ от 20 до 150°С диапазон изменения выходного сигнала термопары типа К 06 мВ. Его измерение выполняется на диапазоне МФУ 0ч100 мВ, имеющем абсолютную погрешность измерения примерно 0.5 мкВ на весь диапазон измерения. Приведенное значение абсолютной погрешности согласно значениям составляющих погрешности, указанных в спецификации производителя, включает в себя мультипликативную составляющую 0.03 мкВ/мВ и постоянную составляющую 2 мкВ. Соответственно для значений напряжения 0ч6 мВ, соответствующих диапазону измерения температур от 0 до 150°С, диапазон изменения абсолютной погрешности измерения напряжения составляет от 2.0 до 2.2 мкВ, чему соответствует погрешность измерения температуры за счет погрешности измерения напряжения с использованием ИИС менее 0.1°С.

Важность точного определения температуры холодного спая определяется тем, что при любом методе измерения температуры с помощью термопар точность измерения температуры не может превышать точность определения температуры холодных спаев. Используемый в ИИС коннектор SCB-68 имеет встроенный полупроводниковый датчик температуры холодного спая. По данным фирмы – производителя, этот датчик имеет технологический разброс, приводящий к ошибке определения температуры холодных спаев около от ±0.5до. ±1,5єС при 20єС. Такая погрешность измерения температуры холодных спаев не позволяет обеспечить желаемую точность измерения температуры в кинетических исследованиях с погрешностью на уровне 0.1єС. Основная составляющая погрешности измерения температуры холодных спаев в этом случае является систематической ошибкой и ее можно скомпенсировать за счет индивидуальной калибровки датчика холодных спаев.

Калибровка датчика температуры холодных спаев проводилась в диапазоне температуры 20±5°С. Коннектор SCB-68 целиком помещался в воздушный термостат с температурой, контролируемой образцовым термометром (точность измерения ±0.05⁰С) и с использованием ИИС определялись показания датчика температуры холодного спая при нескольких температурах термостата. Измерения напряжения от датчика температуры холодных спаев проводились каналом ИИС на щкале 0-1 В с абсолютной погрешностью 0.03 мВ (табл.16.5). По этим данным определяется коэффициент передачи для датчика холодных спаев: Кхс= t/U, где t – температура холодных спаев, °С; U – электрический сигнал датчика холодных спаев, В.

Оценки показывают, что точность определения Кхс в этих условиях не хуже 0.1, что гарантирует определение температуры холодных спаев с погрешностью не хуже 0.1°С. Экспериментальное значение Кхс=100.1±0.1 практически совпадает со значением К=100.0 рекомендуемым производителем.

Приведенный выше алгоритм определения температуры с помощью термопар в ИВС программно реализован в стандартной функции программной системы LABVIEW, использующей номинальные функции преобразования термопар согласно ГОСТ 8.585-2001. Указанный ГОСТ устанавливает пределы допускаемых отклонений термоЭДС термопар от их значений, соответствующих номинальным функциям преобразования. Для термопар типа К таким пределом допустимых отклонений является ±2.5°С, что приводит к недопустимым для кинетических исследований погрешностям определения температуры. Эта погрешность связана с влиянием возможного разброса качества материала термопар, свойств его спая и т. д. и для конкретной термопары является систематической погрешностью, которая может быть исключена индивидуальной градуировкой термопары (вместе с используемым каналом измерения ИИС) и введением соответствующих поправок в стандартизованные функции преобразования термопары.

Индивидуальная градуировка термопар (вместе с используемым каналом измерения ИИС) проводилась в реакционной ячейке, заполненной водой, в которую дополнительно вводилась индивидуально калиброванная эталонная термопара.

При калибровке эталонной термопары ее холодный спай поддерживался при температуре 0°С (помещался в сосуд Дюара с плавающим в воде льдом). Калибровка проводилась в диапазоне температуры 0160 °С по стандартным реперным температурным точкам международной шкалы (температуры плавления льда, галлия и индия).

Проводилось сопоставление табличного значения температуры соответствующей реперной точки с результатом его определения с помощью эталонной термопары (совместно с каналом ИИС и стандартной функцией расчета температуры без учета поправки на температуру холодных спаев). Результаты калибровки эталонной термопары приведены в табл17.4.

Таблица 17.4

Калибровка эталонной термопары (температура в °С)

Эталон	Реперная точка (стандарт), °С	Реперная точка (эксперимент), °С	Поправка, °С	Расчет по ГОСТ 8.585-2001, °С	Погрешность, °С
Лед	0.000	0.10	0.10	-0.07	-0.07
Галлий	29.7646	30.17	0.41	29.85	0.09
Индий	156.5985	157.57	0.97	156.59	0.00

Полученные данные аппроксимируются зависимостью:

Погрешность определения температуры с использованием эталонной термопары не превышает 0.1°С.

По показаниям эталонной термопары проведена градуировка рабочих термопар (совместно с каналами ИВС). При выполнении градуировки горячие спаи рабочих термопар связывались совместно с горячим спаем эталонной термопары в реакционной ячейке, холодный спай эталонной термопары размещался в тающий лед. Определение температуры по показаниям рабочих термопар проводилось с использованием стандартной функции расчета температур LABVIEW. По полученным данным определена зависимость для корректировки температуры, полученной по показаниям рабочих термопар и стандартной функции расчета температуры LABVIEW:

t=

С учетом полученной зависимости различие температур, определенных с помощью рабочих и эталонной термопар было в пределах ±0.05°С.

В целом суммарная оценка погрешности определения температуры с использованием индивидуально калиброванных термопар с учетом приведенных оценок в УДМ не превышает 0.15°С.

Измерение давления в реакционной ячейке и давления во внешней оболочке проводится датчиками абсолютного давления FPA фирмы Sensotec с диапазоном измерения 0-7 бар, диапазоном значения выходного сигнала 0- 5 v и паспортной основной погрешностью измерения давления (в % от диапазона измерения давления) не более 0.1%.

Согласно паспорту на датчик, абсолютное давление, определяемое датчиком: P=U∙k, где U - электрический сигнал от датчика, В; k – паспортный коэффициент чувствительности датчика, равный для используемых датчиков – 1.370019 бар/В.. На основании результатов индивидуальной калибровки датчиков давления проведена корректировка паспортных коэффициентов чувствительности датчиков делением на корректиррующие коэффициенты (0.9979 – в случае датчика давления ячейки; 1.0017 – в случае компенсационного датчика давления). В целом абсолютная ошибка измерения давления с использованием ИИС не превышает 0.05 бар.

Барометрическое давление в помещении контролируется и регистрируется датчиком барометрического давления MLH02KPSL01A фирмы Honeywell, диапазон измерения 1,01,36 бар точность 0.5%.

Проведем оценку погрешности определения газовыделения с использованием рассматриваемой методики.

Считая измерение общего давления в ячейке и результаты расчетного определения парциальных давлений инертного газа и пара ПВ независимыми, оценка погрешности определения парциального давления кислорода определяется выражением:

=

где символ Д обозначает соответствующую абсолютную погрешность.

Тогда относительная погрешность определения газовыделения:

=

где символ д обозначает соответствующую относительную погрешность.

Оценка относительной погрешности определения объёма ячейки:

При использовании полинома 5-ой степени для аппроксимации зависимости объема ячейки от температуры максимальное отклонение экспериментальных данных от рассчитанных по полиному составляет ~0.004 см3 и является пренебрежимо малой величиной в сравнении с другими компонентами погрешности.