Погрешность измерения температуры

Когда термометр показывает 36,6 °C, а фактическая температура тела 36,4 °C – разница в 0,2 °C и есть погрешность измерения температуры. В медицине такая ошибка допустима, а в химическом реакторе при 500 °C отклонение на те же 0,2 °C может привести к браку продукции. Размер допустимой ошибки зависит от типа прибора, метода измерения и условий среды.

Виды погрешностей при измерении температуры

Погрешности классифицируют по нескольким признакам. По характеру проявления:

• Систематическая – постоянная или закономерно меняющаяся ошибка. Пример: смещение нуля термометра на +0,3 °C из-за производственного дефекта. Можно скомпенсировать поправкой.
• Случайная – непредсказуемая ошибка отдельного измерения. Пример: колебания показаний цифрового датчика ±0,1 °C от измерения к измерению. Уменьшается усреднением нескольких отсчётов.
• Промах – грубая ошибка, вызванная неверным считыванием, неисправностью прибора или нарушением методики. Исключается из результатов.

По способу выражения:

По условиям возникновения:

• Основная – при нормальных условиях (ГОСТ 8.395-80 определяет нормальные условия: температура воздуха 20 ±5 °C, влажность 30–80%, отсутствие вибраций).
• Дополнительная – при отклонении условий от нормальных: температурный коэффициент, влияние влажности, электромагнитных помех.

Как рассчитать погрешность измерения температуры?

Для расчёта абсолютной погрешности используют соотношение:

Δ = T_изм – T_дейст

где T_изм – показание прибора, T_дейст – действительное значение температуры, полученное образцовым средством измерения.

Калькулятор выше позволяет определить абсолютную, относительную и приведённую погрешность – достаточно ввести измеренное и действительное значение температуры, а также верхний предел измерений.

Пример расчёта

Термометр показывает 98,6 °C, эталонный прибор фиксирует 100,0 °C. Диапазон измерений термометра – от 0 до 200 °C.

• Абсолютная погрешность: Δ = 98,6 – 100,0 = –1,4 °C
• Относительная погрешность: δ = (1,4 / 100,0) × 100 = 1,4%
• Приведённая погрешность: γ = (1,4 / 200) × 100 = 0,7%

Расчёт суммарной погрешности

Результирующая погрешность измерения складывается из нескольких составляющих. При независимых случайных погрешностях используют геометрическое суммирование:

Δ_Σ = √(Δ₁² + Δ₂² + … + Δ_n²)

Например, если основная погрешность термометра ±0,5 °C, а дополнительная от изменения температуры окружающей среды ±0,3 °C, суммарная погрешность составит √(0,5² + 0,3²) = √(0,25 + 0,09) = √0,34 ≈ ±0,58 °C.

Классы точности и нормируемые характеристики

Класс точности – обобщённая характеристика средства измерений, определяющая пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей. Обозначается числом: 0,1; 0,15; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Связь класса точности с погрешностью зависит от формы её нормирования:

• Класс точности равен приведённой погрешности (в %), если она нормирована по диапазону измерений. Класс 1,0 означает γ = ±1%.
• Класс точности равен относительной погрешности (в %), если она постоянна во всех точках диапазона. Класс 0,5 означает δ = ±0,5%.

Для термометров и датчиков температуры наиболее распространены классы точности по ГОСТ 8.642-2014 и стандартам МЭК 60751 для термопреобразователей сопротивления:

Здесь |t| – абсолютное значение температуры в °C. Для термометра сопротивления класса B при температуре 200 °C: Δ = ±(0,30 + 0,005 × 200) = ±1,3 °C.

Погрешности различных типов термометров

Каждый тип средства измерения температуры имеет свои источники погрешности.

Жидкостные стеклянные термометры

• Погрешность градуировки шкалы: ±0,1–1,0 °C в зависимости от класса.
• Погрешность от неполного погружения: при выходе столбика жидкости из термостатируемой зоны возникает ошибка, которую рассчитывают по формуле выступающего столбика.
• Погрешность считывания: ±0,5 цены деления шкалы.

Термопреобразователи сопротивления (ТС, Pt100)

• Погрешность от самонагрева: измерительный ток нагревает чувствительный элемент, типичная поправка 0,1–0,5 °C.
• Погрешность от сопротивления проводов: для трёхпроводной схемы подключения составляет обычно 0,1–0,2 °C.
• Нестабильность во времени: до 0,1 °C в год при эксплуатации.

Термоэлектрические преобразователи (термопары)

• Погрешность градуировки: зависит от типа термопары и класса допуска (ГОСТ 8.895-2015).
• Погрешность от температуры свободных концов: если холодный спай не при 0 °C, вносится поправка.
• Погрешность от неоднородности электродов: до 1–2 °C для термопар типов K и N после длительной эксплуатации.

Цифровые и инфракрасные термометры

• Разрешающая способность: 0,1 °C для цифровых, 0,5–1,0 °C для ИК-пирометров.
• Погрешность оптического прицеливания (для ИК): зависит от коэффициента визирования и расстояния до объекта.
• Влияние излучательной способности поверхности: для ИК-пирометров настройка ε критична, ошибка в ε на 0,1 даёт погрешность 1–3 °C при 100 °C.

Практические рекомендации

Для минимизации погрешности измерений температуры:

1. Выбирайте термометр подходящего класса точности – для лабораторных измерений нужны классы AA и A, для технического контроля достаточно B или C.
2. Проводите многократные измерения – среднее арифметическое 5–10 отсчётов снижает случайную составляющую в √n раз.
3. Используйте поправки из свидетельства о поверке – при ежегодной поверке для каждой оцифрованной точки шкалы указывают поправку.
4. Обеспечьте тепловой контакт – между датчиком и объектом не должно быть воздушных зазоров; используйте теплопроводную пасту.
5. Выдерживайте время термического равновесия – показания считывают только после стабилизации, обычно 3–5 периодов запаздывания датчика.
6. Учитывайте условия среды – при отклонении от нормальных условий вводите поправки на температурный коэффициент, указанный в документации.

Информация носит справочный характер. При ответственных измерениях руководствуйтесь нормативными документами (ГОСТ, МЭК) и данными поверки конкретного прибора.