Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Термопары и термосопротивления

Введение

В связи с интенсивным внедрением новых наукоемких технологий, актуальность опережающего развития измерительных и калибровочных возможностей стало требованием времени.

Основным препятствием на пути инноваций практически во всех сферах экономики, медицины, здравоохранения, обороны, экологии по-прежнему остается недостаточная точность различных методов и средств измерения. Практически во всех новых технологиях сдерживающим фактором служит отсутствие точных и достаточно чувствительных датчиков различных величин, необходимых для реализации мониторинга процессов в реальном масштабе времени и создания систем управления не только новыми технологическими процессами, но и условиями окружающей среды. [1]

Как известно измерения температуры являются одним из наиболее востребованных в науке и промышленности видов измерений. Причем возрастает не только количество и номенклатура используемых средств измерений температуры, но и неуклонно увеличиваются требования к точности измерений.

Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние два десятилетия достигнут преимущественно за счет развития электроники. Измерительная информация о температуре необходима в любых разработках, осуществляемых на приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники. измерения сопротивления и напряжения позволили в значительной степени реализовать возможности термопреобразователей сопротивления и термопар. При этом, положительный эффект достигается также за счет статистической обработки результатов измерений и повышения точности расчета температуры по измеренным электрическим параметрам.

Важной проблемой развития системы метрологического обеспечения температурных измерений является совершенствование методов и средств передачи размера единицы температуры от эталона рабочим средствам измерений. Эта проблема включает в себя следующие задачи:

· оптимизация системы передачи размера единицы температуры от эталона рабочим средствам измерений;

· совершенствование методов передачи размера единицы;

· совершенствование средств передачи размера единицы.

Поверочная схема, возглавляемая двумя государственными первичными эталонами, охватывает весь диапазон Международной температурной шкалы МТШ-90 и регламентирует передачу размера единицы температуры для всех существующих и перспективных средств измерений этой физической величины и обеспечивает точность передачи размера единицы, необходимую в настоящее время, а также точность, прогнозируемую на ближайшие 10-15 лет.

Это достигается:

· повышением точности передачи размера единицы температуры путем использования новых, более точных, технических средств;

· включением в поверочную схему цепей передачи размера единицы температуры с помощью перспективных технических средств, разработка которых еще ведется, но будет завершена в ближайшие годы;

· включением в поверочную схему цепей передачи размера единицы температуры для новых, высокоточных средств измерений, которых ранее не существовало.

Новыми, более точными средствами передачи размера единицы температуры являются:

· платино-палладиевые и золото-платиновые термопары, точность которых напорядок выше точности используемых ранее платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые термопар;

· меры температуры, в качестве которых используются как аппаратура для реализации температур фазовых переходов чистых веществ и различных эвтектичских сплавов (металлических, органических), так и калибраторы температуры, использующиеся прецизионные термометры в качестве носителей температурной шкалы;

· новые излучатели «черное тело» и эталонные пирометры, используемые для передачи размера единицы температуры в области радиационной термометрии.

Особо следует отметить, что с 1 января 2008 г. в Российской федерации введены в действие новые национальные стандарты ГОСТ Р 8.625-2006 и ГОСТ Р 8.624-2006, устанавливающие технические требования и методику поверки для рабочих термометров сопротивления (ТС). Сложность внедрения данных стандартов обусловлена тем, что в стандарте ГОСТ Р 8.624 появился термин «неопределенность измерений», который требует больших математических расчетов и более осмысленного применения, чем старый термин "погрешность измерений".

ГОСТ Р 8.624 формулирует требования как к отдельным видам средств поверки: п.6.3 эталонные термометры сопротивления, п.6.4 термостаты и калибраторы, п.6.5 аппаратура для реперных точек, п.6.6 измерительная аппаратура, так и к всему комплексу поверочного оборудования - п.6.8.

Целью работы является рассмотрение вопросов метрологического обеспечения измерения температуры. Для достижения этой цели потребуется:

1. Рассмотреть основные типы датчиков измерения температуры и современные проблемы измерения температуры.

2. На примере калибровки датчика температуры рассмотреть погрешности измерения.

3. Рассмотреть Государственную поверочную схему измерения температуры.

1. Основные технические характеристики и устройства термопреобразователей сопротивления и термопар

1.1 Термопары

Термопары предназначены для измерений температуры жидких и газообразных сред путем преобразования сигнала, поступающего с сенсора на измерительный преобразователь ИП, в унифицированный токовый сигнал 4-20 мА, а также в цифровой сигнал для передачи по протоколу HART, FOUNDATION Fieldbus. Внешний вид показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Внешний вид.

Датчики применяются в системах сбора и обработки информации, управления распределенными объектами регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Датчики также могут использоваться в измерительных системах для проведения учетных операций.

Датчики состоят из первичного преобразователя температуры, соединенного с измерительным преобразователем. ИП конструктивно выполнен в корпусе с расположенными на нем клеммами для подключения сенсора и клеммами для вывода выходного сигнала. Питание ИП совмещено с выходным сигналом (осуществляется по двухпроводной схеме). ИП может быть встроенным в соединительную головку сенсора, либо иметь собственный защитный кожух.

Сенсор представляет собой измерительную вставку с платиновым чувствительным элементом ЧЭ с номинальной статической характеристикой преобразования НСХ типа «Pt100» по МЭК 60751 (ГОСТ Р 8.625) или термопарой в качестве ЧЭ с НСХ типов «К», «К», «I», «Е», «Т», «К», «S», «В» по МЭК 60584-1 (ГОСТ Р 8.585) и по АSТМ Е230-03, помещенной в защитную арматуру с защитной головкой или иными монтажными приспособлениями для соединения с ИП. Сенсор может быть одиночным или двойным (с двумя ЧЭ в одной измерительной вставке).

Для измерения температуры при высоких давлениях и скоростях потока предусмотрены защитные гильзы, конструкция которых зависит от допускаемых параметров измеряемой среды.

Входные и выходные цепи в датчиках температуры выполнены без гальванической связи. Схема соединения внутренних проводов сенсоров типа «Pt100» может быть 2-х, 3-х или 4-х проводной.

Цифровая индикация в процессе измерений может осуществляться с помощью встроенного жидкокристаллического 5-разрядного дисплея.

Имеются взрывозащищенные исполнения датчиков («искробезопасная электрическая цепь» и «взрывонепроницаемая оболочка»).

Эталонные средства для определения основной погрешности поверяемого преобразователя выбирают исходя из следующих условий:

1. При измерении выходного сигнала измерительных преобразователей к резистивным датчикам температуры с помощью миллиамперметра:

2. При измерениях выходного сигнала измерительных преобразователей к резистивным датчикам температуры по падению напряжения на образцовом сопротивлении:



3. При измерениях выходного сигнала измерительных преобразователей к термоэлектрическим датчикам температуры с помощью миллиамперметра:

4. При измерениях выходного сигнала измерительных преобразователей по падению напряжения на образцовом сопротивлении:

где R, Е, I, U, R_кс - соответственно значения пределов допускаемых основных погрешностей имитатора резистивного входного сигнала (магазина сопротивления), имитатора входного термоэлектрического сигнала (калиброванного напряжения), средства измерений выходного сигнала (миллиамперметра), средства измерений падения напряжения на измерительной катушке сопротивления (потенциометра постоянного тока), однозначной меры электрического сопротивления (измерительной катушке сопротивления);

I_max, I_min, U_max, U_min, E_max, E_min, R_номкс - соответственно значения верхнего и нижнего пределов выходного токового сигнала, верхнего и нижнего предельных значений падения напряжения на измерительной катушке сопротивления, верхнее и нижнее значение напряжения, соответствующие термоэлектрическим входным сигналам, номинальное значение измерительной катушки сопротивления;

- предел допускаемой основной погрешности поверяемого измерительного преобразователя.

При проведении поверки преобразователей, преобразующих сигнал от термопреобразователей сопротивления применяют следующие средства:

- магазин сопротивления Р4831 класса 0,02 %,

- однозначная мера электрического сопротивления (измерительная катушка сопротивления) Р3030,10 или 100 Ом, класса 0,002;

- электронный цифровой мультиметр класса точности не ниже 0,01%.

- компаратор напряжений Р3003 класса 0,0005 или потенциометр постоянного тока типа Р348 класса 0,002,

- источник питания постоянного тока Б5-45 (напряжение питания 24 В постоянного тока при величине тока 35 мА).

При проведении поверки преобразователей, преобразующих сигнал от термоэлектрических преобразователей применяют следующие средства:

- компаратор напряжений Р3003 класса 0,0005 или потенциометр постоянного тока класса 0,002,

- источник регулируемого напряжения ИРН,

- генератор скомпенсированного напряжения (термо э.д.с) класса точности 0,05% или 0,005 мВ;

- электронный цифровой мультиметр класса точности 0,01%;

- источник питания постоянного тока Б5-45 (напряжение питания 24 В постоянного тока при величине тока 35 мА).

Допускается применять другие средства поверки с метрологическими характеристиками, обеспечивающие соблюдение требований. Применяемые для поверки средства должны иметь документы, свидетельствующие об их пригодности к применению. При необходимости преобразователи могут быть перекалиброваны на диапазоны измерения, отличные от заводской калибровки, и на преобразование входных сигналов, отличных от заводской установки.

При проведении поверки должны соблюдаться следующие условия:

· температура окружающего воздуха от 15 до 25 °С;

· относительная влажность воздуха от 30 до 80 %;

· атмосферное давление от 84 до 106,6 кПа;

· напряжение питающей сети от 196 до 253 В с частотой 50 ± 1 Гц.

Определение основной погрешности измерения температуры проводят при шести значениях выходного сигнала, соответствующих 0, 20, 40, 60, 80, 100 % диапазона измерений выходного сигнала. Диапазон измерений и тип термопреобразователя сопротивления (НСХ) или тип входного сигнала указаны на корпусе преобразователя на маркировочной табличке.

Подсоединяют средства поверки и поверяемый преобразователь в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2. Устанавливают на магазине сопротивлений сопротивление, соответствующее минимальному значению температуры (началу диапазона измерения).

Рисунок 2 - Схема подключения измерительного преобразователя при измерениях выходного токового сигнала методом падения напряжения на измерительной катушке сопротивления. МС - магазин сопротивления, ИП - измерительный преобразователь, R_кс - однозначная мера электрического сопротивления, БП - источник питания.

После установления значения выходного сигнала или измеряют падение напряжения на измерительной катушке сопротивления или снимают показания миллиамперметра Iизм. В случае применения косвенного метода измерений тока по падению напряжения на измерительной катушке сопротивления значение Iизм определяют как отношение Uкс/Rкс, где Uкс - падение напряжения на измерительной катушке, Rкс - номинальное значение сопротивления измерительной катушки сопротивления.

Основную погрешность () преобразователя вычисляют по формуле:

где Iизм - значение измеренного выходного тока в поверяемой точке;

Iрасч - расчетное значение выходного сигнала в поверяемой точке;

Iн - нормируемое значение выходного сигнала (16 мА).

Полученные значения погрешности для всех поверяемых точек не должны превышать предела основной допускаемой погрешности (%), установленного в технической документации для преобразователей конкретного типа.

1.2 Термометр сопротивления

Термометр сопротивления предназначен для измерения температуры, путем изменения сопротивления. Рассмотрим технические характеристики на примере эталонного термометра сопротивления ЭТС-100, зарегистрированного в Государственном реестре средств измерений под №19916-00.Технические характеристики термометра сопротивления ЭТС-100 приведены в таблице №1. Внешний вид на рисунке 3.

Таблица №1.Технические характеристики термометра сопротивления ЭТС-100.

Характеристика	Значение
Диапазон измеряемых температур, °С	-196...0; 0 ... 660
Номинальное сопротивление при 0°С R0, Ом	100±0,05
Нестабильность в температурном эквиваленте в тройной точке воды после отжига при температуре на 10°С выше верхнего предела измерения, °С, не более	0,01
Отношение сопротивления при температуре 100°С к сопротивлению в тройной точке воды, W100	1,385
Электрическое сопротивление изоляции между выводами и корпусом при температуре (20±2)°С и относительной влажности (60±15)%, МОм, не более	100
Диаметр защитной трубки, мм	5
Диаметр головки термометра, мм	20
Длина монтажной части, мм	670
Масса, г, не более	100

Рисунок 3 - Датчик ЭТС-100.

1.3 Проблемы поверки датчиков температуры. Современные пути решения

При поверке датчиков температуры необходимо учитывать, что контактный датчик показывает температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру объекта, в который он установлен. Чем меньше тепловое сопротивление между чувствительным элементом и объектом измерения и чем меньше теплообмен между чувствительным элементом и окружающей внешней средой, тем точнее результат измерения. Теплоотвод по корпусу термометра является одним из важнейших источников неопределенности измерения температуры. Минимальная глубина погружения термометра, необходимая для обеспечения соответствия датчика допускам нормируется для каждого типа термометров и указывается в технической документации. Показания термометров с малой глубиной погружения сильно зависят от перепада температуры между окружающей средой и объектом. В процессе испытаний таких датчиков необходимо исследовать этот эффект и учесть его при определении характеристик точности.[10]

Для решения описанной выше проблемы в настоящее время стали применять сухоблочные термостаты. Сухоблочные термостаты - очень удобное средство поверки термометров и термопар. Они могут работать в широком температурном диапазоне, не требуют смены термостатирующей жидкости, экологически безопасны. К сожалению они более сложное устройство. Прежде всего это связано с трудностью выравнивания температурного поля в рабочем объеме. Европейская кооперация по аккредитации ЕА выпутила специальную рекомендацию по применению сухоблочных термостатов и калибраторов температуры, в которой приводятся условия, при которых возможно проводить поверку термометров. Ссылки на эту рекомендацию можно встретить в каталогах зарубежных фирм, выпускающих сухоблочные термостаты. Приведем основные положения рекоммендации:

1. Каналы в выравнивающем блоке должны иметь изотермическую зону длиной не менее длины чувствительного элемента поверяемого термометра, в любом случае, не менее 40 мм. Точное расположение зоны и температурный градиент в ней должны быть указаны в документации на калибратор.

2. При поверке термометров в диапазоне от -80 °С до 660 °С внутренний диаметр канала в блоке должен отличаться от внешнего диаметра поверяемого термометра не более, чем на 0,5 мм. В диапазоне от 660 °С до 1300 °С допускается различие диаметров до 1 мм. Для улучшения теплового контакта могут быть использованы различные теплопроводящие вещества, указанные в документации на калибратор.

3. Глубина погружения термометра в блок должна быть, по крайней мере, в 15 раз больше, чем диаметр термометра, плюс длина чувствительного элемента. Калибраторы рекомендуется использовать для поверки термометров, диаметр которых не более 6 мм. Для поверки термометров диаметром более 6 мм необходимы дополнительные исследования погрешности от теплоотвода по стержню термометра в окружающую среду.

4. Калибратор должен иметь свидетельство о поверке, в котором указаны следующие обязательные характеристики:

· отклонение показаний встроенного термометра от действительного значения температуры в центральном канале блока при нескольких значениях измеряемых температур;

· нестабильность поддержания температуры в канале блока за время не менее 30 мин.;

· расхождение значений температуры между каналами блока;

· вертикальный градиент температуры в изотермической зоне блока.

Характеристики должны быть определены отдельно для каждого блока, входящего в комплектацию калибратора. В свидетельстве также должны быть указаны условия поверки калибратора, применяемые для поверки теплопроводящие вещества, средства для изоляции выравнивающего блока сверху, количество одновременно поверяемых термометров. Условия поверки термометров должны быть максимально приближены к условиям, в которых проводилась поверка калибратора.

2. Калибровка датчика температуры

Калибратор может быть использован в качестве как сухоблочного, так и жидкостного термостата. В калибраторе для охлаждения термостата до -100°С используется уникальная технология теплового насоса Стирлинга с газовым теплоносителем (FPSC). Внешний вид рабочего места представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Внешний вид рабочего места

Термостат калибратора имеет две зоны с раздельным регулированием. Регулятор нижней зоны поддерживает заданное значение температуры, а верхней - "нулевую" разность температуры относительно нижней зоны. Такой метод обеспечивает высокую однородность температуры в рабочей зоне и низкую погрешность ее задания.

Калибратор снабжен схемой измерения сигнала внешнего эталонного термометра сопротивления. Такой термометр устанавливается рядом с поверяемым датчиком и подключается к специальному разъему калибратора. Это существенно упрощает калибровку методом сличения, который обладает значительно меньшей погрешностью.

Калибратор снабжен схемой DLC - динамической компенсации влияния потерь тепла через поверяемые датчики. Термометр DLC устанавливается рядом с поверяемым датчиком, измеряет перепад температуры в рабочей зоне вставной трубки и управляет регулятором верхней зоны термостата. Это обеспечивает высокую однородность распределения температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна трубки вне зависимости от количества и/или диаметра вставленных датчиков.

Калибратор позволяет измерять сигналы поверяемых термопар и термометров сопротивления (мВ, Ом, В, мА) по ГОСТ, IEC и DIN.

Уникальные особенности:

- Самая низкая граница отрицательной температуры -100°С;

- Чрезвычайно высокая стабильность;

- Высокая однородность температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна вставной трубки;

- Низкая погрешность;

- Не имеющая аналогов схема динамической компенсации влияния загрузки термостата;

- Быстрый нагрев, охлаждение;

- Полная компенсация влияния бросков и нестабильности сетевого питания;

- Встроенные средства измерения выходных сигналов различных датчиков температуры;

- Встроенная схема измерения сигнала внешнего эталонного интеллектуального термометра сопротивления, в памяти которого сохранены коэффициенты индивидуальной калибровки;

- Сохранение результатов калибровки/поверки во внутренней памяти калибратора;

- Дружественный русифицированный интерфейс пользователя на основе меню;

- Полная автоматизация поверки/калибровки датчиков температуры как в автономном режиме, так и при работе с ПК под управлением ПО, в том числе, поверка одновременно нескольких датчиков с использованием коммутаторов ASM-R.

Кроме обеспечения задания уставок по температуре калибратор автоматически реализует поверку/калибровку в ступенчатом режиме изменения температуры, а также (в исполнении В) калибровку термореле.

Русифицированное ПО позволяет:

- Поверить в автоматическом режиме датчики температуры или загрузить в калибратор задания на поверку/калибровку и, после ее выполнения в автономном режиме, перенести результаты поверки в ПК.

- Рекалибровать калибратор по температуре и электрическим сигналам.

ПО обеспечивает доступ к управлению всеми функциями калибраторов и, крометого, позволяет загрузить в калибратор множественные задания на калибровку и после их выполнения в автономном или автоматическом режимах перенести результаты в персональный компьютер для обработки и хранения.

С помощью ПО можно производить подстройку внутреннего («READ») термометра калибраторов, а также каналов измерений электрических величин, в том числе и канала внешнего («TRUE») термометра. Данное программное обеспечение позволяет загрузить в калибратор градуировочную характеристику для внешнего термопреобразователя сопротивления повышенной точности.

Структура ПО:

- Поддержка поверяемых/калибруемых СИ температуры;

- Конфигурирование схемы поверки/калибровки СИ температуры;

- Передача/Загрузка задания на поверку/калибровку СИ температуры;

- Планировщик поверки/калибровки СИ температуры;

- Поверка/калибровка СИ температуры с помощью ПК.

Разъемы для подключения к компьютеру, а также для подключения внешних устройств представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Цифровые разъёмы.

2.1 Методика поверки калибратора

Операции, выполняемые при поверке, и применяемые средства поверки приведены в таблице 4.

Таблица №4.Операции и требуемые средства поверки применяемые для поверки калибратора температуры

п/п	Наименование операции	Средства поверки и их технические характеристики
1.	Внешний осмотр	Визуально
2.	Определение погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометру	Цифровой прецизионный термометр сопротивления DT1-1000, диапазон измерений: от минус 51 до 650 °С, пределы допускаемой основной погрешности: ± (0,03+ед.мл.разр) °С (в диапазоне от минус 50 °С до 400 °С), ± (0,06+ед.млразр.) °С (в диапазоне св. 400 °С до 650 °С). Термометр сопротивления платиновый эталонный 1-го разряда ТСПН-4В, диапазон измерений: -196...0 °С. Преобразователь термоэлектрический типа ТП110, эталонный 1-го разряда, диапазон измерений: +300...+1200 °С. Измеритель температуры прецизионный многоканальный МИТ 8-15, ПГ: ± (0,001+10 U) мВ, ±(0,002-1-3*10 '6 *t) °С. Комплект принадлежностей да использования калибраторов мод. АТС-140/250, RTC-158/250 в качестве жидкостных термостатов. ПО JOFRACAL.
3.	Определение нестабильности поддержания заданной температуры
4.	Определение основной абсолютной погрешности каналов измерений сопротивлений штатного и поверяемого термопреобразователей сопротивления	Мера электрического сопротивления многозначная Р3026-1, класс точности 0,002. Комплект контрольных проводов (в т.ч. и с разъемом типа LEMO). ПО JOFRACAL.
5.	Определение основной абсолютной погрешности канала измерений милливольтовых сигналов от термопар	Калибратор напряжений П327, погрешность (2U+0,2) мкВ, где U - установленное напряжение (В). Разъем для подключения термоэлектрических преобразователей. ПО JOFRACAL.
6.	Определение основной абсолютной погрешности канала измерении входных сигналов в мА.	Компаратор напряжений Р3003 с калибратором тока ЕР 3003, погрешность не более 0,002 %. Комплект контрольных проводов. ПО JOFRACAL.
7.	Определение основной абсолютной по1решности канала измерений входных сигналов в В.	Калибратор напряжений П327, погрешность (2UЮ,2) мкВ, где U установленное напряжение (В). Комплект контрольных проводов. ПО JOFRACAL.
8.	Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа (только для исполнений «В» и «С»).	Цифровой прецизионный термометр сопротивления DTI-1 ООО, диапазон измерений: от минус 50 до 650 °С, пределы допускаемой основной погрешности: ± (0,03+ед.мл.разр) °С (в диапазоне от минус 50 °С до 400 °С), ± (0,06+ед.мл.разр.) °С (в диапазоне св. 400 °С до 650 °С). Термометр сопротивления платиновый эталонный 1-го разряда ТСШ1-4В, диапазон измерений: -196.. .0 °С. Измеритель температуры прецизионный многоканальный МИТ 8-15, ПГ: ±(0,002+3*10 *t) °С. Комплект принадлежностей для использования калибраторов мод. АТС-140/250, RTC-158/250 в качестве жидкостных термостатов. ПО JOFRACAL.

При проведении поверки калибраторов температуры должны соблюдаться следующие условия:

1. Температура окружающего воздуха, °С 20 ±3;

2. Относительная влажность воздуха, % 65 ± 15;

3. Атмосферное давление, кПа 101,3 ± 4;

4. Напряжение питания, В 220.

Для поверки необходимо подготовить к работе эталонные средства измерений и поверяемый калибратор в соответствии с эксплуатационной документацией. Перед проведением поверки калибраторы должны быть выдержаны при нормальной температуре не менее 3 часов. Для поверки калибратора необходимо выбрать одноканальный и двухканальный металлические сменные блоки с соответствующими диаметрами посадочного гнезда для эталонного термометра сопротивления и штатного термопреобразователя сопротивления. Кольцевой зазор между защитной оболочкой эталонного термометра сопротивления и внутренними стенками блока не должен превышать 0,1 мм.

2.1.1 Внешний осмотр

При внешнем осмотре необходимо убедиться в отсутствии видимых повреждений калибратора.

2.1.2 Определение погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометру

Погрешность установления заданной температуры определяют с помощью эталонного платинового термометра сопротивления не менее, чем при пяти значениях температуры, равномерно расположенных в диапазоне воспроизводимых температур, включая начало и конец диапазона.

Помещают сменный блок в калибратор, затем погружают эталонный термометр сопротивления в отверстие центрального канала блока сравнения и задают необходимое значение температуры, соответствующее первой поверяемой температурной точке.

При определении погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометру в калибраторах, применяемых в качестве жидкостных термостатов, эталонный термометр погружают через просверленное отверстие в теплоизолирующей крышке в резервуар до решетки специальной вставки. Уровень заполнения резервуара маслом определяется верхним пределом диапазона воспроизводимых температур калибратора.

После звукового сигнала стабилизации температуры и отображении на дисплее калибратора соответствующего символа, а также достижения стабилизации показаний температуры эталонного термометра, снимают в течение 10 минут с интервалом не более 2 минут показания эталонного термометра. Изображение панели управления представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 - Панель управления.

Погрешность установления заданного значения температуры (Ду) определяется как разность между значением температуры по внутреннему термометру калибратора и средним арифметическим значением температуры, измеренной эталонным термометром.

Погрешность установления заданного значения температуры вычисляется по формуле:

где: - значение температуры по внутреннему термометру калибратора, °С,

- среднее арифметическое значение температуры, измеренной эталонным термометром, °С.

Погрешность установления заданной температуры не должна превышать допускаемого значения погрешности, указанного в технической документации на калибратор.

В случае превышения предела допускаемой погрешности необходимо провести рекалибровку (подстройку) внутреннего термометра (READ) при помощи эталонного термометра и ПО JOFRACAL, руководствуясь при этом инструкцией по обслуживанию данного программного продукта.

2.1.3 Определение нестабильности поддержания заданной температуры

Нестабильность поддержания температуры определяют при трех значениях температур, соответствующих двум крайним и среднему значениям диапазона воспроизводимых температур.

Допускается определять нестабильность совместно с определением погрешности установления заданной температуры.

Проводят операции описанные в 2.1.2.

Для определения нестабильности поддержания заданной температуры производят автоматическую запись показаний эталонного термометра сопротивления в течение 30 минут с интервалом 30 с в установившемся температурном режиме с использованием программного обеспечения DTI-1000 или МИТ 8-15. Нестабильность вычисляют по формуле:

где: - значение температуры, измеренное эталонным термометром, °С,

- среднее арифметическое значение температуры, измеренной эталонным термометром, °С.

Полученное значение нестабильности не должно превышать значения, нормированного в технической документации на калибратор температуры.

2.1.4 Определение основной абсолютной погрешности каналов измерений сопротивлений штатного и поверяемого термопреобразователей сопротивления. Абсолютную погрешность определяют в шести точках диапазона измерений сопротивления близких к следующим значениям: 1; 10; 50; 100; 200; 330 Ом, что в температурном эквиваленте соответствует диапазону измерений от минус 200 до 650 °С платинового термометра сопротивления с номинальным значением Ro=100 Ом. График изменения температуры представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Автоматическое изменение температуры.

Каналы измерений сопротивлений штатного (TRUE) и поверяемого (SENSOR) термопреобразователей сопротивления (ТС) устанавливают в режим измерений сопротивления с разрешением 0,001 Ом.

Устанавливают на многозначной мере электрического сопротивления (далее - магазин сопротивлений) первое значение сопротивления и поочередно, при помощи контрольных проводов, подают сопротивление с магазина сопротивлений на каналы TRUE и SENSOR.

Абсолютную погрешность калибратора при измерении сопротивления вычисляют по формуле:

где - показание калибратора, Ом, а -значение сопротивления, подаваемое с магазина сопротивлений, Ом.

Значение в поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формулам, приведенным в Описании типа для Госреестра СИ.

В случае превышения предела допускаемой погрешности необходимо провести рекалибровку (подстройку) канала (или каналов) при помощи многозначной меры, руководствуясь при этом инструкцией по обслуживанию данного программного продукта.

2.1.5 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений милливольтовых сигналов от термопар

Абсолютную погрешность калибратора канала измерений милливольтового сигнала определяют в десяти точках диапазона измерений от -78 до 78 мВ, равномерно расположенных во всем диапазоне.

В соответствии с руководством по эксплуатации при помощи клавиатуры устанавливают калибратор в режим измерений мВ-сигнала. Выход калибратора напряжений соединяют при помощи разъема для подключения термоэлектрических преобразователей с мВ-входом калибратора температуры. Милливольтовый сигнал от калибратора напряжений, соответствующий первой поверяемой точке, подают на термопарный вход калибратора и снимают показания. Повторяют эту операцию для остальных поверяемых точек.

Абсолютная погрешность в каждой поверяемой точке определяется как разность между значением напряжения, измеренного калибратором температуры, и действительным значением напряжения на выходе калибратора напряжений. Значения абсолютной погрешности во всех поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формуле, приведенной в Описании типа для Госреестра СИ.

2.1.6 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений входных сигналов в милиамперах

Абсолютную погрешность калибратора при измерении токового сигнала определяют в шести точках диапазона измерений, соответствующим следующим значениям: 1,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 24,0 мА.

В соответствии с руководством по эксплуатации при помощи клавиатуры устанавливают калибратор в режим измерений мА-сигнала. Токовый выход калибратора тока соединяют с пассивным токовым входом калибратора температуры. Сигнал от калибратора тока, соответствующий первой поверяемой точке, подают на токовый вход калибратора температуры и снимают показания. Повторяют эту операцию для остальных поверяемых точек.

Абсолютная погрешность в каждой проверяемой точке определяется как разность между значением тока, измеренного калибратором температуры, и действительным значением тока на выходе калибратора тока. Значения абсолютной погрешности во всех поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формуле, приведенной в Описании типа для Госрсестра СИ.

2.1.7 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений входных сигналов в Вольтах

Абсолютную погрешность калибратора при измерении сигнала напряжения постоянного тока определяют в десяти точках диапазона измерений, соответствующим следующим значениям; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0 В.

В соответствии с руководством по эксплуатации при помощи клавиатуры устанавливают калибратор в режим измерений В-сигнала

Калибратор напряжений соединяют с входом сигнала напряжения калибратора температуры. Сигнал от калибратора, соответствующий первой поверяемой точке, подают на вход калибратора температуры при помощи источника питания постоянного тока и снимают показания. Повторяют эту операцию для остальных поверяемых точек.

Абсолютная погрешность в каждой поверяемой точке определяется как разность между значением напряжения, измеренного калибратором температуры, и действительным значением напряжения на выходе калибратора тока.

Значения абсолютной погрешности во всех поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формуле, приведенной в Описании типа для Госреестра СИ.

2.1.8 Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа

Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа проводят после положительного результата проверки канала измерений сопротивления штатного термопреобразователя сопротивления (TRUE).

Абсолютную погрешность определяют в калибраторах температуры с использованием 2-х канального блока сравнения или же теплоизолирующей крышки с двумя отверстиями, и платинового термометра сопротивления эталонного 1-го разряда в 5-ти точках, равномерно расположенных в диапазоне воспроизводимых температур, включая нижний и верхний пределы диапазона.

Эталонный термометр сопротивления и штатный ТС помещают в двухканальный блок сравнения с кольцевыми зазорами не более 0,1 мм или же помещают эталонный термометр и ТС через просверленные отверстия теплоизолирующей крышки в масляный резервуар до решетки специальной вставки.

Эталонный 1-го разряда платиновый термометр сопротивления (ТСГ1Н-4В или ЭТС- 25) подключают к одному из каналов прецизионного измерителя температуры МИТ 8-15М, штатный термопреобразователь сопротивления - к соответствующему входу для этатонного термометра калибратора температуры.

Загружают в МИТ 8-15М на канал, к которому подключен эталонный термометр, градуировочные коэффициенты (в соответствии с МТШ-90).

Для калибраторов серии ATC-R перед начатом измерений необходимо войти в программу и в соответствии с инструкцией по обслуживанию ввести пары значений температура- сопротивление («measured») для штатного ТС, взятые из сертификата о калибровке этого термопреобразователя.

Устанавливают в калибраторе режим «Set follow True» и температуру, соответствующую первой контрольной точке. После десяти минутной выдержки термометров при установившимся режиме стабилизации (по эталонному термометру) в калибраторе снимают не менее 10 показаний эталонного термометра (с дисплея МИТ 8-15М) и установившейся температуры самого калибратора (с дисплея калибратора) и вычисляют средние арифметические значения температур.

Абсолютная погрешность установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа вычисляется как разность между средними арифметическими значениями температуры калибратора и эталонного термометра.

Абсолютная погрешность канала измерений температуры не должна превышать значений, приведенных в Описании типа для Госреестра СИ.

Переградуировку штатного платинового термопреобразователя сопротивления углового типа выполняют в калибраторах температуры серии ATC-R с использованием 2-х канального блока сравнения или теплоизолирующей крышки с двумя отверстиями, и эталонного платинового термометра сопротивления 1-го разряда в диапазоне, соответствующему диапазону температур, воспроизводимых данной моделью калибратора, не менее чем в 5-ти точках для термопреобразователя.

Эталонный 1-го разряда платиновый термометр сопротивления подключают к одному из 2-х каналов прецизионного измерителя МИТ 8-15М, штатный термопреобразоватслъ сопротивления к другому каналу.

Канал МИТ 8-15М, к которому подключен градуируемый ТС, устанавливают в режим измерений сопротивления.

Устанавливают температуру в калибраторе, соответствующую первой температурной точке. После десяти минутной выдержки термометров при установившимся режиме стабилизации (по эталонному термометру) в калибраторе запускают программное обеспечение МИТ 8-15 и производят запись показаний температуры эталонного термометра и сопротивления градуируемого ТС в течение 10 минут. После завершения процесса записи находят средние арифметические значения температуры и сопротивления.

При помощи программного обеспечения и специальной программы для серии RTC вводят и загружают в память калибратора пары значений температура-сопротивление для переградуированного штатного термопреобразователя сопротивления.

При положительном результате поверки калибратора оформляют свидетельство о поверке в соответствии с ПР 50.2.006.

При отрицательном результате поверки калибратор к применению не допускают. Свидетельство о поверке аннулируют и выдают извещение о непригодности с указанием причин в соответствии с ПР 50.2.006.

2.2 Исследование метрологических характеристик калибратора

Проведем измерение температуры калибровочного канала блока температуры. Измерение происходит после того, как температура встроенного индикатора установилась на значении 180 °С. Температура канала определяется с помощью погруженного в канал платинового термометра сопротивления STS-200, который служит в качестве рабочего эталона, посредством измерения электрического сопротивления термометра. Температура которая должна идентифицироваться как температура измерительного канала, в момент когда показания встроенного индикатора температуры составят 180°С, будет определяться следующим образом:

где:

- температура рабочего эталона;

- температурная поправка, обусловленная измерением сопротивления;

- температурная поправка, обусловленная дрейфом рабочего эталона с момента его последней калибровки;

- температурная поправка из-за ограничения шага задания температуры калибратора;

- температурная поправка, обусловленная разницей температур в радиальном направлении между встроенным термометром и рабочим эталоном;

д - температурная поправка, обусловленная неоднородностью температуры по вертикальной оси измерительного канала;

- температурная поправка, обусловленная гистерезисом при увеличении или понижении температуры в измерительном цикле;

- колебания температуры в течение времени измерения.

Температурная поправка из-за теплопроводности по стержню термометра не принимается во внимание, так как в качестве рабочего эталона используется платиновый термометр сопротивления с наружным диаметром d ? 6 мм. Эффектом теплопроводности в данном случае можно пренебречь.

В свидетельстве о калибровке термометра сопротивления STS-200, используемого в качестве рабочего эталона, приведено соотношение между сопротивлением и температурой. Измеренное значение соответствует температуре 180,1°С с расширенной неопределенностью измерения U = 30 мК (коэффициент охвата k = 2 ).

Температура, определенная термометром сопротивления, используемым в качестве рабочего эталона, составила 180,1 °С. Стандартная неопределенность измерения сопротивления мостом переменного тока в температурном эквиваленте составляет u() = 10 мK.

На основании опыта использования платиновых термометров сопротивления данного типа, используемых в качестве рабочих эталонов, изменение показаний в единицах температуры из-за старения сопротивления с момента последней калибровки эталона оценивается в пределах ± 40 мК.

Встроенный контрольный термометр калибратора температуры имеет интервал установки значения температуры 0,1 K. Это обуславливает предел разрешения по температуре ± 50 мК, внутри которого можно однозначно задать термодинамическое состояние температурного блока.

Если показания встроенного индикатора температуры не приведены в единицах измерения температуры, проводится перерасчет пределов разрешения в соответствующие значения температуры посредством умножения показаний на постоянную измерительного прибора.

Радиальная разница температур между измерительным каналом и встроенным термометром составила ± 100 мК.

Температурные отклонения из-за осевой температурной неоднородности в измерительном канале были определены по показаниям термометра при различной глубине погружения и составили ± 250 мК.

Из измерений сопротивления образцового термометра в течение измерительного цикла при повышении и понижении температуры, было определено отклонение температуры в измерительном канале по причине эффекта гистерезиса, оно составило ± 50 мК.

Температурные изменения из-за нестабильности температуры в течение измерительного цикла, равного 30 минутам, составили ± 30 мК.

Все входные величины рассматриваются как некоррелированные. Из-за конечного разрешения показаний встроенного термометра разброс показываемых значений не наблюдался и не принимался во внимание. Бюджет неопределенности измерения () представлен в таблице 3.

Таблица 3. Бюджет неопределенности измерения ().

с	Оценка	Стандартная неопределенность мК	Распределение вероятностей	Коэффициент чувствительности	Вклад неопределенности мК
	180,1	15	нормальн.	1,0	15
	0,0	10	нормальн.	1,0	10
	0,0	23	прямоуг.	1,0	23
	0,0	29	прямоуг.	-1,0	-29
	0,0	58	прямоуг.	1,0	58
	0,0	144	прямоуг.	1,0	144
	0,0	29	прямоуг.	1,0	29
	0,0	17	прямоуг.	1,0	17
	180,1				164

В стандартной неопределенности результата явно доминируют составляющие от эффекта неизвестной температурной поправки из-за осевой температурной неоднородности в измерительном канале и радиальной разницы температур между встроенным термометром и рабочим эталоном.

Результирующее распределение не является нормальным, а, по существу, является трапецеидальным. Коэффициент охвата, соответствующий параметру точки перегиба в=0,33 составляет k =1,81.

Следовательно, температура измерительного канала, при показаниях встроенного контрольного термометра 180,0 °С, составляет 180,1 °С ± 0,3° C.

Приведенная расширенная неопределенность измерения получена умножением стандартной неопределенности измерения на коэффициент охвата k =1,81. Она соответствует предполагаемому трапецеидальному распределению с вероятностью охвата приблизительно 95 %.

3. Государственная поверочная схема измерения температуры

Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерения от эталона к рабочим средствам измерения составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений. Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные. Государственные поверочные схемы распространяются на все средства измерений данного вида, применяемые в стране. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов министерств, распространяются они также и на средства измерений подчиненных предприятий. Кроме того, может составляться и локальная схема на средства измерений, используемые на конкретном предприятии. [3]

Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой. Государственные поверочные схемы разрабатываются научно-исследовательскими институтами Госстандарта РФ, держателями государственных эталонов. В некоторых случаях бывает невозможно одним эталоном воспроизвести весь диапазон величины, поэтому в схеме может быть предусмотрено несколько первичных эталонов, которые в совокупности воспроизводят всю шкалу измерений. Например, шкала температуры от 1,5 до К воспроизводится двумя государственными эталонами. Государственные поверочные схемы утверждаются Госстандартом РФ, а локальные -- ведомственными метрологическими службами или руководством предприятия. [6]

Рассмотрим в общем виде содержание государственной поверочной схемы описанной в ГОСТ 8.558 - 2009. Наименование эталонов и рабочих средств измерений обычно располагают в прямоугольниках (для государственного эталона прямоугольник двухконтурный). Здесь же указывают метрологические характеристики для данной ступени схемы. В нижней части схемы расположены рабочие средства измерений, которые в зависимости от их степени точности (т.е. погрешности измерений) подразделяют на пять категорий: наивысшей точности; высшей точности; высокой точности; средней точности; низшей точности. Наивысшая точность обычно соизмерима со степенью погрешности средства измерения государственного эталона. В каждой ступени поверочной схемы регламентируется порядок (метод) передачи размера единицы. Наименования методов поверки (калибровки) располагаются в овалах, в которых также указывается допускаемая погрешность метода поверки (калибровки). Основным показателем достоверности передачи размера единицы величины является соотношение погрешностей средств измерений между вышестоящей и нижестоящей ступенями поверочной схемы. В идеале это соотношение должно быть 1:10, однако на практике достичь его не удается, и минимально допустимым соотношением принято считать 1:3. Чем больше величина этого соотношения, тем меньше уверенность в достоверности показаний измерительного прибора.

3.1 Государственный первичный эталон ГПЭ-I

Государственная поверочная схема для средств измерений температуры состоит из трех частей:

· Поверочная схема для контактных термометров в диапазоне от 0,3 до 273,16 K (от минус 272,85 C до 0,01 C);

· Поверочная схема для контактных термометров в диапазоне от 273,15 до 3273,15 K (от 0 °C до 3000 °C);

· Поверочная схема для радиационных термометров.

Государственную поверочную схему для средств измерений температуры возглавляет государственный первичный эталон единицы температуры, состоящий из двух комплексов: ГПЭ-I и ГПЭ-II - и предназначенный для воспроизведения, хранения и передачи единицы температуры в соответствии с Положением о Международной температурной шкале МТШ-90.

Температурная шкала, воспроизводимая ГПЭ-I в диапазоне от 0,3 до 273,16 K (от минус 272,85°C до 0,01°C), непрерывно переходит в точке 273,16 K (0,01 °C) в шкалу с диапазоном от 273,15 до 1234,93 K (от 0°C до 961,78°C), воспроизводимую ГПЭ-II.

Температурная шкала, воспроизводимая ГПЭ-II в диапазоне от 273,15 до 1234,93 K (от 0°C до 961,78°C), непрерывно переходит в точке 1234,93 K (961,78°C) в шкалу с диапазоном от 1234,93 до 3273,15 K (от 961,78 °C до 3000,0 °C), воспроизводимую ГПЭ-II.

Государственный первичный эталон единицы температуры ГПЭ-I, представляет собой набор термопреобразователей сопротивления, помещенных в три устройства сравнения. ГПЭ-I включает в себя:

· устройства для точных измерений сопротивления и давления;

· комплект установок для реализации температуры реперных точек МТШ-90;

· газовый интерполяционный термометр;

· криостаты сравнения.

Передача международной температурной шкалы МТШ-90 вторичным эталонам осуществляется приведением их в тепловой контакт с блоком сравнения и сличением в криостате. ГПЭ-I обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений S: не более 0,3 ·10 - 3 K в точке 0,3 K (минус 272,85°C) и 1,0· K в точке 273,16 K (0,01 °C) при пяти независимых измерениях. Неисключенная систематическая погрешность и - не более 0,2·10 - 3 K в точке 0,3 K (минус 272,85 °C) и 0,9· K в точке 273,16 K (0,01 °C).

Стандартная неопределенность, оцениваемая по типу А, uA: не более 0,3· K в точке 0,3 K (минус 272,85 °C) и 1,0· K в точке 273,16 K (0,01 °C) при пяти независимых измерениях. Стандартная неопределенность, оцениваемая по типу В, uB: не более 0,20? K в точке 0,3 K (минус 272,85 °C) и 0,9? K в точке 273,16 K (0,01 °C).

ГПЭ-I применяют для передачи единицы температуры вторичным эталонам непосредственным сличением или калибровкой в реперных точках температурной шкалы МТШ-90. Комплекс аппаратуры ГПЭ-I также позволяет проводить полную калибровку термометров в соответствии с Положением о Международной температурной шкале МТШ-90.

3.2 Вторичные эталоны

В качестве эталона-копии применяют платиновые и родий-железные термопреобразователи в диапазоне измерений от 0,3 до 273,16 K (от минус 272,85 °C до 0,01 °C), и ампулу плавления галлия 302,9146 K (29,7646 єC), аттестуемую по государственному первичному эталону ГПЭ-II. В качестве эталона сравнения применяют платиновые и родий-железные термопреобразователи в диапазоне температуры от 0, до 273,16 K (от минус 272,85 °C до 0,01 °C).

В качестве рабочих эталонов применяют родий-железные термопреобразователи в диапазоне температуры от 0,3 до 303 K (от минус 272,85 °C до 29,85 °C) и платиновые термопреобразователи в диапазоне температуры от 13,8 до 303 K (от минус 259,35 °C до 29,85 °C).

Суммарные средние квадратические отклонения погрешности вторичных эталонов при пяти независимых измерениях: не более значений, указанных в таблице 5.

Таблица 5. Суммарные средние квадратические отклонения вторичных эталонов и границы доверительной погрешности д рабочих эталонов 0-го разряда

Эталоны-копии применяют для передачи единицы температуры рабочим эталонам 0 разряда непосредственным сличением или калибровкой в реперных точках температурной шкалы МТШ-90. Эталоны сравнения применяют при проведении сличений эталонов, которые по тем или иным причинам (например, из-за несоответствия размеров) невозможно сличать непосредственно друг с другом.

Рабочие эталоны

Рабочие эталоны 0-разряда

В качестве рабочих эталонов 0 разряда применяют родий-железные термопреобразователи в диапазоне температуры от 0,3 до 303 K (от минус 272,85 °C до 29,85 °C) и платиновые термопреобразователи в диапазоне температуры от 24,5 до 303 K (от минус 248,65 °C до 29,85 °C).