Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Влияние длины термометра на результат поверки в калибраторе

16.12.2015 | Автор: Е.В. Васильев, А.А. Игнатов, М.И. Калинин, Л.Д. Маркин | Полемические заметки | Количество просмотров: 1947 | Комментарии (4)

По мнению зарубежных специалистов более 70 %  всех услуг в области температурных измерений в Европе осуществляется  с помощью калибраторов температуры. В  России находятся в эксплуатации большое количество калибраторов температуры отечественного и зарубежного производства. Они   применяются  в качестве поверочного и калибровочного оборудования вместе с    эталонными платиновыми термометрами  сопротивления с металлическим корпусом (ЭТС) разной длины и разного диаметра. Применение таких ЭТС требует учета составляющей неопределенности измерения температуры, связанной с их длиной и глубиной погружения в калибратор (иммерсионной составляющей). 

Применение эталонных платиновых термометров сопротивления (ТС) с металлическим корпусом для поверки и индивидуально градуируемых термопреобразователей сопротивления, а также их периодическая поверка с помощью поверочного оборудования, отличающегося от оборудования, применявшегося при первичной поверке, предполагает предварительную оценку пригодности его для обеспечения качества поверки.  В первую очередь это касается обеспечения необходимых условий для компарирования термометров в термостатах и калибраторах температуры.  

Одним из важных параметров ТС, является информация о глубине погружения их при первичной  градуировке. 

Однако не для всех эталонных ТС в технической документации нормируется минимальная глубина погружения в термостаты с жидкими теплоносителями или в калибраторы температуры с твердотельными термостатами. Например, в методике поверки эталонных платиновых термометров сопротивления виброустойчивого исполнения 2-го и 3-го разрядов типа ПТСВ с металлическим корпусом отсутствуют рекомендации по глубине погружения в измеряемую среду  в процессе поверки и калибровки их методом непосредственного сличения с эталонным ТС. Применение эталонных ТС 2-го разряда с металлическим корпусом в условиях, отличных от условий их градуировки  при первичной поверке,  т.е. при недостаточном погружении корпуса, приводит к появлению неучтенной составляющей неопределенности измерений температуры.

В книге Николаса и Вайта (Nicholas J.W. and White D.R. Traceable temperatures. An introduction to temperature measurement and calibration. John Wiley & Sons, LTD, 2001)  приводятся формулы и диаграммы для практического нахождения минимальной глубины погружения, при которой обеспечивается уменьшение теплоотвода по корпусу эталонного ТС до определенного уровня. Однако, теоретические оценки, приведённые в данной книге, по нашему мнению, недостаточно обоснованы. (Подробнее об этом смотрите в полном тексте статьи «Иммерсионная составляющая неопределенности измерений температуры эталонными термометрами сопротивления с металлическим корпусом», опубликованной в журнале "ПРИБОРЫ" №11, 2015 г. а также в разделе «Публикации/поверка, калибровка, электрические измерения» данного сайта)  

Отсутствие информации об экспериментальных исследованиях влияния длины выступающей части эталонного ТС с металлическим корпусом на неопределенность измерений температуры при калибровке ТС стало причиной разработки нового экспериментального метода оценки иммерсионной составляющей неопределенности измерений температуры при градуировке и поверке ТС с металлическим корпусом различной длины. Основное внимание было уделено исследованию влияния длины выступающей части металлического корпуса эталонного ТС при постоянной глубине погружения, что имеет место при использовании широко распространенных калибраторов температуры (КТ) с глубиной твердотельного термостата 160 мм и 200 мм. При этом длина измерительной вставки термометра (чувствительный элемент с выводами в четырёхканальных керамических изоляторах) оставалась постоянной.

Известные рекомендации по экспериментальной проверке достаточности глубины погружения эталонного ТС в ампулу реперной точки, является неприменимыми, т.к.  обеспечить увеличение  глубины погружения на 1-2 диаметра в калибраторах температуры невозможно.

Учитывая актуальность этой проблемы в лаборатории термометрии ФГУП «ВНИИМС» были проведены экспериментальные исследования, направленные на решение этой проблемы применительно к эталонным и прецизионным ТС с металлическим корпусом. В основу экспериментальных исследований был положен принцип физического моделирования, при котором измерялось сопротивление прецизионного ТС с корпусом из нержавеющей стали при постоянной температуре плавления металла и глубине погружения, но при разной длине выступающей части ТС. В процессе экспериментальных исследований многократно воспроизводились и регистрировались кривые плавления индия при одинаковой мощности теплового потока, подводимого от стенок термостата калибратора температуры к корпусу малогабаритной ампулы.

Для проведения исследований был выбран ТС с проволочным ЧЭ диаметром 2,5 мм длиной 36 мм со сменным корпусом из нержавеющей стали ИНКОНЕЛЬ 600 диаметром 4 мм с толщиной стенок 0,2 мм.  В процессе исследований измеряли и регистрировали сопротивление ТС погруженного в малогабаритную ампулу, в которой воспроизводилась постоянная температура плавления индия   с помощью калибратора температуры 250SE. Глубина  погружения ТС в ампулу была постоянной, равной  глубине термометрового кармана (135 мм), а выступающая часть корпуса ТС менялась за счет замены металлического корпуса.  Измерения проводились последовательно при каждой длине металлического корпуса ТС из ряда: 50,150, 240, 300 и 390 мм. При этом регистрировались кривые плавления индия в контролируемых  условиях теплообмена в системе корпус термометра – ампула – твердотельный термостат – окружающая воздушная среда.

Основное метрологическое оборудование, с помощью которого проводились экспериментальные исследования, состояло из: малогабаритной ампулы индия конструкции ВНИИМС, ампулы галлия из состава вторичного эталона температуры ВНИИМС, портативных калибраторов температуры типа 250-SE с цилиндрическим гнездом твердотельного термостата для 210×26 мм и прецизионного измерителя температуры МИТ-8.15 для измерений сопротивления исследуемых ТС, а также  температуры выступающей части  ТС и температуры в помещении.

На рис. 1 изображена установка, применявшаяся для экспериментальных исследований иммерсионной составляющей неопределенности измерений температуры с использованием метода физического моделирования, состоящего в измерении выходного сигнала термометра при изменении длины металлического корпуса при постоянной длине погружённой части термометра.

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования иммерсионной составляющей погрешности измерений сопротивления чувствительного элемента термометра 

Экспериментальные исследования по определению зависимости иммерсионной составляющей погрешности измерений сопротивления от длины выступающей части металлического корпуса  выполнялись на ТС-100-203М с проволочным платиновым ЧЭ (Lчэ =36 мм, d=2,5 мм), с корпусом из нержавеющей стали ИНКОНЕЛЬ 600 (d=4 мм с толщиной стенок0,2 мм), снабжённым разъёмом типа LEMO. Измерения проводились в малогабаритной ампуле индия (In3min) c термометровым каналом глубиной 135. Результаты исследований  представлены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты экспериментальных исследований зависимости иммерсионной составляющей погрешности термометра ТС-100-203М от длины выступающей части металлического корпуса.

Приведенные в таблице 1 данные показывают, что при увеличении длины корпуса 240 мм на 60 мм значение сопротивления уменьшается на 0,0114 Ом  или  на 0,03 ˚С в температурном эквиваленте,   а при увеличении на 150 мм– значение соответственно изменяется на 0,14˚С, что позволяет оценить иммерсионную составляющую измерений температуры. На рис. 2 изображена кривая, отображающая изменение сопротивления ТС в температурном эквиваленте при различных длинах металлического корпуса.

Рис.2 Изменение сопротивления ТС в температурном эквиваленте при различных длинах металлического корпуса.

Стабильность исследуемого термометра ТС-100-203М периодически контролировалась в аттестованной ампуле галлия (ампула Ga № 11) из состава вторичного эталона температуры ВНИИМС. 

Заключение 

1. Разработан новый метод экспериментального определения иммерсионной составляющей неопределенности измерений температуры эталонными ТС c металлическим корпусом произвольной длины, предназначенный для исследования новых типов эталонных термометров сопротивления. Метод заключается в изменении длины выступающей части металлического корпуса термометра при неизменной глубине его погружения и длине измерительной вставки термометра (чувствительный элемент с выводами в четырёхканальных керамических изоляторах).

2. Показано, что иммерсионная составляющая погрешности измерений температуры возрастает с увеличением длины выступающей части металлического корпуса термометра и выходит за пределы допускаемых значений доверительных погрешностей, установленных для термометров сопротивления эталонных 2-го и 3-го разрядов.

3.  При оценке результатов периодической поверки методом сличения эталонных ТС с металлическим корпусом, первичная поверка  которых была выполнена  по реперным точкам МТШ-90, необходимо учитывать иммерсионную составляющую неопределенности измерений выходного сигнала термометра, которая зависит  от разницы длины выступающей части металлического корпуса поверяемого термометра при первичной и периодической поверках.

4. Для исключения ошибок 1-го рода  при поверке эталонных и прецизионных термометров с металлическим корпусом в портативных калибраторах температуры необходимо провести  унификацию их размеров и изготовлять ТС с длиной металлического корпуса от 180 до 300 мм и единым диаметром 4 мм.

5. В методиках  поверки и калибровки эталонных ТС с  металлическим корпусом необходимо указывать глубину погружения, при которой они градуировались, а также  минимальную глубину погружения в процессе их поверки в портативных калибраторах температуры.

 

Источники

Е.В. Васильев, А.А. Игнатов, М.И. Калинин, Л.Д. Маркин «Иммерсионная составляющая неопределенности измерений температуры эталонными термометрами сопротивления с металлическим корпусом»,  журнал "ПРИБОРЫ" №11, 2015 г.

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Полемические заметки"

Комментарии:

Моисеева Н.П., | Гл. редактор

Я решила написать первый комментарий к этой статье в виде небольшого отзыва. Статья бесспорно актуальна. Особенно сейчас, когда портативные калибраторы температуры используются почти повсеместно в поверочных лабораториях. Для поверки используются термометры 2 и 3 разряда с металлическим корпусом. Их длина различна, но в основном составляет порядка 500 мм. (пример – ЭТС-100). И, конечно, в условиях неглубокого погружения в термостат мы будем иметь дело с теплоотводом по термометру. Это было хорошо продемонстрировано в данной работе. Метод для демонстрации эффекта теплоотвода был выбран очень удачно. Во-первых, измерялась стабильная температура на площадке реперной точки затвердевания индия (что исключает влияние на результат нестабильности поддержания температуры в блоке термостата), во-вторых был использован термометр, длину корпуса которого можно менять. В результате получены данные об очевидном влиянии длины выступающей из калибратора части термометра на результат измерения температуры реперной точки. Как мы видим, это влияние очень сильное. Термометр даже длиной всего 390 мм будет занижать результат на 0,14 °С! Что уж говорить о стандартном ЭТС-100, длиной 500 мм. Получается, что ЭТС-100 вообще не пригоден для миниатюрных реперных точек и малогабаритных калибраторов. Или мы должны в результат измерения вносить поправку порядка двух десятых градуса?
Работа интересная, но надо заметить, что выводы носят скорее качественный, чем количественный характер. Эксперимент проведен в конкретных, довольно жестких условиях. Глубина погружения в ампулу с индием составляет всего 135 мм, полная глубина погружения в термостат 175 мм. Мы знаем, что термометр имел диаметр 4 мм, но ничего не сказано о диаметре канала в ампуле, непонятно, какой был зазор, что тоже важно при такой маленькой глубине. Было бы интересно получить больше экспериментальных результатов, используя более глубокие калибраторы и термометры различных диаметров. Возможно тогда, можно было бы вывести некоторый закон, количественную оценку для оценки необходимой поправки к результату и ее неопределенности. Работает ли формула: мин. глубина = 15 диаметров + длина ЧЭ? Не всегда, не везде. Она довольно хорошо работает в жидкостных термостатах. Для сухоблочных термостатов условия должны быть более жесткие, т.к теплообмен другой. Сейчас не помню точно название работы, но в ней авторы делают вывод, что для термометра, плотно введенного в канал калибратора, необходимое погружение должно быть более 40 диаметров.
В выводах авторы делают предложение об унификации длины и диаметра эталонных термометров. Длину предлагается ограничить до 300 мм. Не согласна с таким предложением. Наиболее точные результаты поверки ЭТС мы как раз получаем для длинных термометров, т.к используем глубокие термостаты и реперные точки, что позволяет исключить ошибку из-за теплоотвода. Длинные эталонные термометры могут затем прекрасно использоваться в высоких калибраторах, с увеличенной глубиной погружения для поверки длинных рабочих термометров. У нас, как раз, проблемы возникают, когда на поверку поступают эталонные термометры длиной 300 мм (сейчас несколько таких ПТСВ лежит у меня в шкафу). Для них нужны специальные короткие термостаты и миниатюрные реперные точки. Честно говоря, у нас во ВНИИМ их нет. Но они тоже, безусловно, нужны людям для работы в полевых условиях и для поверки коротких рабочих термометров. Если посмотреть номенклатуру например фирмы Fluke, то там есть и низкие и высокие термостаты, термометры есть и короткие и длинные.
Так что, унифицировать длину термометров, на мой взгляд, нельзя. А задуматься о возможной ошибке от теплоотвода обязательно нужно. Поэтому, совершенно согласна с другим выводом работы, о том, что «В методиках поверки и калибровки эталонных ТС с металлическим корпусом необходимо указывать глубину погружения, при которой они градуировались, а также минимальную глубину погружения в процессе их поверки в портативных калибраторах температуры.»

Вадим К., | начальник лаборатории

Согласен с Натальей Павловной, что все зависит от теплообмена между термометром и калибратором. У нас термостат RTC– 158 с жидкостной вставкой. При хорошем перемешивании масла ЭТС-100 дает результат очень близкий к дисплею. Проверяем градиент и теплоотвод, поднимая термометр вверх от дна на 4 см. Изменения в пределах 0,005 °С.

Дмитрий,

На какую глубину нужно погружать ЭТС-100 в жидкостный переливной термостат при поверке рабочих термометров ?

Моисеева Н.П., | ВНИИМ

Диаметр ЭТС-100 составляет 5 мм. Длина ЧЭ примерно 45 мм. Если считать по формуле, то необходимая глубина будет равна 5х15+45=120 мм. Но предварительно надо проверить достаточность глубины и температурный градиент в термостате. Опустите термометр на 45 мм в глубину, затем приподнимите. Посмотрите, как изменяться показания. Эту величину надо учитывать в бюджете неопределенности , согласно ГОСТ 8.461-2009.

Добавить комментарий: