Analysis of error sources in high temperature measurements by thin thermocouples

Accurate hot gas temperature measurements are essential for the design, performance assessment, and safe operation of combustion systems and aerospace propulsion devices. In gas turbines and jet engines, temperature directly influences combustion efficiency, material durability, cooling system requirements, and overall engine performance. However, obtaining reliable temperature measurements in high-temperature reacting flows is challenging due to the presence of multiple error sources affecting the measurement instruments. This thesis investigates the accuracy of temperature measurements performed using a Type-B platinum-rhodium thermocouple in a premixed methane-air combustion system. The experiments were conducted on a 10-kW premixed burner representative of practical combustion applications. Temperature data were acquired through a National Instruments data-acquisition system and then analyzed to identify, quantify, and correct the main sources of measurement uncertainty. A comprehensive uncertainty analysis was performed, considering statistical sampling effects, thermocouple calibration errors, analog-to-digital converter quantization, radiative heat losses, and sensor dynamic response limitations. Static calibration experiments were used to determine the thermocouple calibration curve, and several interpolation models were evaluated. A fourth-order polynomial regression provided the most accurate representation of the calibration data and was selected for subsequent analyses. Dynamic calibration tests showed that the thermocouple behaves approximately as a first-order system characterized by a time constant of 0.15 seconds. Fourier analysis was additionally employed to investigate the spectral content of the measured temperature fluctuations. The results showed that statistical and quantization uncertainties represent a relatively minor contribution to the overall measurement error, whereas calibration uncertainty and radiative heat losses constitute the dominant error mechanisms. Radiative heat loss analysis further demonstrated that the temperature indicated by the thermocouple may significantly underestimate the actual gas temperature, especially under conditions of high emissivity and low gas velocity. The emissivity value of 0.20 was adopted for the thermocouple, while the gas velocity during the experiments was approximately 7.00 meters per second. Under these conditions, the measured mean temperature value was 1152.50 °C, the radiative losses were approximately 87.50 °C, the total measurement uncertainty was estimated to be approximately 9.69 °C, and therefore the corrected gas temperature was estimated to be 1240.00 °C with an uncertainty of 9.69 °C. The methodology developed in this work provides techniques to evaluate and correct thermocouple measurements in high-temperature combustion environments. The proposed approach enables a more representative estimation of the true gas temperature and contributes to improving the reliability of thermal measurements used in aerospace propulsion applications.

Misure accurate della temperatura dei gas caldi sono essenziali per la progettazione, la valutazione delle prestazioni e il funzionamento sicuro dei sistemi di combustione e dei dispositivi di propulsione aerospaziale. Nelle turbine a gas e nei motori a reazione, la temperatura influenza direttamente l’efficienza della combustione, la durabilità dei materiali, i requisiti dei sistemi di raffreddamento e le prestazioni complessive del motore. Tuttavia, ottenere misure affidabili della temperatura in flussi reattivi ad alta temperatura è complesso a causa della presenza di molteplici fonti di errore che influenzano gli strumenti di misura. Questa tesi analizza l’accuratezza delle misure di temperatura effettuate mediante una termocoppia platino-rodio di tipo B in un sistema di combustione premiscelata metano-aria. Gli esperimenti sono stati condotti su un bruciatore premiscelato da 10 kW rappresentativo di applicazioni pratiche di combustione. I dati di temperatura sono stati acquisiti tramite un sistema di acquisizione dati National Instruments e successivamente analizzati per identificare, quantificare e correggere le principali fonti di incertezza della misura. È stata eseguita un’analisi completa dell’incertezza, considerando gli effetti del campionamento statistico, gli errori di calibrazione della termocoppia, la quantizzazione del convertitore analogico-digitale, le perdite di calore per irraggiamento e le limitazioni della risposta dinamica del sensore. Esperimenti di calibrazione statica sono stati utilizzati per determinare la curva di calibrazione della termocoppia, valutando diversi modelli di interpolazione. Una regressione polinomiale del quarto ordine ha fornito la rappresentazione più accurata dei dati di calibrazione ed è stata quindi selezionata per le analisi successive. Le prove di calibrazione dinamica hanno mostrato che la termocoppia si comporta approssimativamente come un sistema del primo ordine caratterizzato da una costante di tempo pari a 0,15 secondi. Inoltre, è stata impiegata un’analisi di Fourier per investigare il contenuto spettrale delle fluttuazioni di temperatura misurate. I risultati hanno evidenziato che le incertezze dovute al campionamento statistico e alla quantizzazione forniscono un contributo relativamente ridotto all’errore complessivo di misura, mentre l’incertezza di calibrazione e le perdite radiative costituiscono i principali meccanismi di errore. L’analisi delle perdite per irraggiamento ha inoltre dimostrato che la temperatura indicata dalla termocoppia può sottostimare in modo significativo la temperatura reale del gas, specialmente in condizioni di elevata emissività e bassa velocità del flusso gassoso. Per la termocoppia è stato adottato un valore di emissività pari a 0,20, mentre la velocità del gas durante gli esperimenti era approssimativamente di 7,00 m/s. In tali condizioni, il valore medio della temperatura misurata è risultato pari a 1152,50 °C, le perdite radiative sono state stimate in circa 87,50 °C, l’incertezza totale di misura è stata valutata in circa 9,69 °C e, di conseguenza, la temperatura corretta del gas è stata stimata pari a 1240,00 °C con un’incertezza di ±9,69 °C. La metodologia sviluppata in questo lavoro fornisce tecniche per valutare e correggere le misure effettuate mediante termocoppie in ambienti di combustione ad alta temperatura. L’approccio proposto consente una stima più rappresentativa della reale temperatura del gas e contribuisce a migliorare l’affidabilità delle misure termiche impiegate nelle applicazioni di propulsione aerospaziale.