Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 961,78 °С до 3000 °С

Содержание

Введение

Эталон является частью ГЭТ 34-2007 и предназначен для воспроизведения, хранения и передачи размера единицы температуры, определяемой неконтактным методом по тепловому излучению эталонам-копиям и другим прецизионным средствам измерения температуры.

Эталон хранится в лаборатории Госэталонов и научных исследований в области температурных измерений в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». Мы приводим на сайте краткую информацию о составе эталона и его метрологических характеристиках, любезно предоставленную помощником ученого-хранителя эталона к.т.н. Матвеевым М.С. и научным сотрудником Фуксовым В.М.

Состав эталона

Эталон состоит из комплекса следующих основных средств измерений, приборов и установок:

  • Фотоэлектрический компаратор яркостей тепловых излучателей.
  • Излучатель «черное тело», предназначенный для воспроизведения температур затвердевания серебра, золота и меди в составе:
    • горизонтальная печь;
    • ампула с серебром;
    • ампула с золотом;
    • ампула с медью.
  • Группа из трех температурных ламп, аттестуемых при температурах затвердевания серебра, золота и меди.
  • Высокотемпературный излучатель «черное тело», предназначенный для передачи размера единицы температуры.

Для более полного ознакомления с принципом работы фотоэлектрического компаратора рекомендуем прочесть статью специалистов ВНИИМ «Фотоэлектрический спектрокомпаратор нового поколения для прецизионных измерений в области радиационной термометрии» (авторы: Матвеев М.С., Походун А. И., Сильд Ю.А., Фуксов В.М., Цорин В.Г., Никитин Ю.В.).

Особенности работы с эталоном

При работе с эталонными температурными лампами руководствуются следующими правилами:

  • перед измерениями лампы должны быть промыты холодной мыльной водой, дистиллированной водой и протерты сухой полотняной салфеткой; окна баллонов должны промываться также спиртом и дистиллированной водой;
  • лампы должны устанавливаться вертикально, цоколем вниз; при установке не следует касаться стекла руками, а использовать чистую полотняную салфетку или перчатки;
  • лампа должна быть установлена так, чтобы визируемый участок ленты при измерении находился в середине ленты напротив индекса; ось визирования (оптическая ось пирометра) должна быть параллельна линии, соединяющей конец индекса лампы и центр юстировочной метки ("креста") на задней стенке баллона лампы;
  • питание ламп должно осуществляться постоянным током от стабилизированного источника питания или аккумулятора; при этом положительный полюс источника питания подается на нарезку цоколя лампы (или маркированный вывод).
  • полярность питания должна всегда строго соблюдаться!
  • измерение силы тока и напряжения на цоколе должны осуществляться с погрешностью не более 0,01 %; исходные меры электрического напряжения и сопротивления должны проходить обязательную государственную поверку и иметь действующие свидетельства о поверке;
  • ввод лампы в режим измерения должен осуществляться медленным увеличением тока через лампу. Время изменения температуры ленты лампы от комнатной до верхнего предела ее температурного диапазона должно составлять не менее 30 минут.

    При этом рекомендуется следующий порядок работы: увеличение тока от 0 до 5 А выполняется со скоростью не более 0,2 А/ мин., а затем – не более 0,4 А/ мин. После достижения указанного в свидетельстве значения тока необходима выдержка в течение 15 – 20 мин.

    Снижение температуры до комнатной должно выполняться также плавно, а именно – вначале со скоростью не более 0,4 А/ мин, а затем – не более 0,2 А/ мин до выключения источника питания.

    Переход от одной температуры к другой, должен осуществляться постепенно, в течение 15 – 20 мин. (при различии температур на 100 К).

    В процессе измерений должны регистрироваться ток в цепи лампы, напряжение и температура на ее цоколе, температура окружающего воздуха в зоне расположения лампы. Изменение рассчитанного по напряжению и току сопротивления ленты лампы по отношению к значению при предыдущей калибровке более чем на 0,01 % при неизменных окружающих условиях свидетельствует о структурных изменениях в лампе, что требует внимания и, возможно, ее внеочередной поверки.

 

  • Воспроизведение единицы температуры осуществляют путем использования аппаратуры для воспроизведения размера единицы температуры и построения температурной шкалы оптическим методом – одной из реперных точек, заполненной чистым металлом (медью, золотом или серебром) и выполненной в виде модели абсолютно черного тела, группы температурных ламп, а также СКЯ и вспомогательной аппаратуры, входящей в состав эталона.
    Для воспроизведения единицы при температурах затвердевания серебра, золота или меди излучатель выводят на режим, обеспечивающий реализацию фазового перехода одного из указанных металлов. Режим подбирают так, чтобы скорость изменения температуры (наклон площадки плавления) была не более 0,05 К/мин, а длительность площадки затвердевания была не менее 3 мин.
    Равенство яркости излучения полости черного тела АРТ и яркости центрального участка ленты, определяют по сигналу фотодиода СКЯ.

    Последовательно проводят следующие действия:

    1. в течение не менее, чем 15 мин. предварительную стабилизацию температурного поля перед плавлением при температуре примерно на 5 К ниже температуры плавления; изменение температуры в процессе предварительной стабилизации не должно превышать ± 0,5 К;
    2. плавление с графической и численной регистрацией площадки; за уровень плавления принимают среднее значение сигнала из последних 20 % отсчетов на плоском участке кривой плавления;
    3. перегрев металла до температуры примерно на 5 К выше точки плавления и выдержка в течение не менее 15 мин.; изменение температуры в процессе перегрева не должно превышать ± 0,5 К;
    4. затвердевание с графической и численной регистрацией площадки; за уровень затвердевания принимают среднее значение сигнала из 20 % отсчетов симметрично относительно максимума на плоском участке кривой затвердевания.
    Цикл операций 1) - 4) повторяют не менее 5-ти раз. Разброс сигнала фотодиода (в температурном эквиваленте) на уровне затвердевания не должен превышать 0,3 К; разница уровней сигнала при плавлении и затвердевании должна быть не более 0,15 К. В противном случае операции 1) - 4) проводятся заново.
    Используя градуировочную характеристику, опорную лампу выводят на режим, по яркости ориентировочно соответствующий температуре фазового перехода при данной длине волны. Изменяя ток накала лампы, добиваются сигнала, равного полученному ранее от АЧТ при температуре затвердевания.
    Затем уровень яркости затвердевания, соответствующий температуре данной реперной точки, с помощью СКЯ переносят на группу из трех эталонных ламп, которые в последующей метрологической практике заменяют эталонный излучатель. Это осуществляют следующим образом.
    Визирная ось СКЯ наводится поворотом платформы сначала на опорную лампу (с фиксацией сигнала, соответствующего текущей реперной точке), а затем на последовательно сменяемые эталонные лампы. Для каждого значения ТРТ, устанавливаемого на опорной лампе, добиваются равенства сигнала от опорной и аттестуемой эталонной лампы путем изменения силы тока в ее цепи. Затем регистрируются значения этого тока, напряжения, температуры на цоколе и температуры среды, окружающей баллон лампы.
    Указанные измерения проводят не менее 10 раз для каждой лампы при длине волны λ = 0,6563 мкм и рассчитывают среднее значение. В случае необходимости (например, при сличениях) могут использоваться другие значения длины волны в диапазоне от 0,5 до 1 мкм.

Результатом воспроизведения единицы температуры первичным эталоном является определение взаимосвязи электрических (силы тока и напряжения на цоколе) и радиационных (яркостная температура участка ленты) характеристик эталонных ламп при равенстве яркостей участка ленты и излучающего отверстия АЧТ при контроле окружающей температуры в зоне лампы и температуры цоколя.

Размер единицы температуры передают от первичного эталона излучателям АЧТ а в диапазоне от 961,78 до 2100 °С – температурным лампам эталона-копии; на них также строится температурная шкала МТШ-90 в соответствии с её определением. Результатом является нахождение градуировочных характеристик излучателей и температурных ламп, входящих в состав эталона-копии, которые представляют собой:

– для излучателя АЧТ – зависимость яркостной температуры излучающего отверстия АЧТ от показаний внутреннего датчика температуры;
– для температурной лампы – зависимость яркостной температуры рабочего участка ленты от тока накала.

В связи с тем, что при построении шкалы яркостная температура изменяется ступенчато, градуировочная характеристика является дискретной и выражается в табличной форме.
Определение градуировочной зависимости аттестуемой лампы осуществляют в 2 этапа:

а) аттестация излучателей или ламп при температурах затвердевания серебра, золота или меди при заданном значении длины волны;
б) экстраполяция шкалы в диапазоне от 961,78 до 3000 °С (для ламп от 961,78 до 2100 °С, причем для работы при температурах от 961,78 до 1500 °С используются вакуумные лампы, а при температурах от 1300 до 2100 °С – газонаполненные лампы).

Передачу размера единицы эталону-копии – излучателю АЧТ или температурной лампе – осуществляют методом сравнения с помощью спектрокомпаратора яркостей источников излучения СКЯ следующим образом:

На СКЯ устанавливают поочередно лампы первичного эталона (ЛПЭ) и излучатель АЧТ или лампу эталона-копии (ЛЭК). Плавным изменением тока накала эталонную лампу последовательно выводят на режим, соответствующий ТРТ (температуре затвердевания серебра, золота или меди). В то же время плавно увеличивают и температуру излучателя АЧТ (или ток накала лампы) эталона-копии. С помощью аппаратуры СКЯ производят уравнивание яркостей сличаемых СИ. При достигнутом равенстве сигналов после соответствующей выдержки (см. п. 3.6.3) у излучателя регистрируют показания внутреннего датчика температуры, у ЛЭК регистрируют значения тока накала, напряжение на цоколе, температуру цоколя и температуру воздуха в области баллона лампы. Указанные измерения проводят не менее 3 раз по каждой ЛПЭ при трех значениях длины волны (λ1=470 … 550 нм; λ2=656,3 нм; λ3=850 … 950 нм).

Для построения градуировочной характеристики аттестуемой лампы зарегистрированным значениям тока сопоставляют значение ТРТ – среднее значение для каждой реперной точки по всем эталонным лампам для каждого значения длины волны. Построение шкалы осуществляют следующим образом:

а) В диапазоне 961,78 – 3000 °С при аттестации излучателей АЧТ проводят сличение показаний температуры компьютера ГЭТ, полученных из сигнала фотодиода СКЯ, и показаний внутреннего датчика излучателя.
б) В диапазоне от 961,78 до 2100 °С при аттестации ламп эталона-копии проводят сличение показаний температуры компьютера ГЭТ, полученных из сигнала фотодиода СКЯ, и значений силы тока в цепи лампы при контроле напряжения на цоколе, температуры цоколя и окружающего воздуха.

С ростом температуры, когда сигнал фотодиода достигает 8 В, перед входной щелью монохроматора вводится светофильтр, коэффициент ослабления которого определяется по отношению сигналов фотодиода (без фильтра/с фильтром) при неизменной яркости излучателя.
Дискретность значений температур, при которых производится построение шкалы, не должна превышать 100 К.

Порядок передачи размера единицы температуры

Размер единицы температуры передают от первичного эталона излучателям АЧТ а в диапазоне от 961,78 до 2100 °С – температурным лампам эталона-копии; на них также строится температурная шкала МТШ-90 в соответствии с её определением. Результатом является нахождение градуировочных характеристик излучателей и температурных ламп, входящих в состав эталона-копии, которые представляют собой:

– для излучателя АЧТ – зависимость яркостной температуры излучающего отверстия АЧТ от показаний внутреннего датчика температуры;
– для температурной лампы – зависимость яркостной температуры рабочего участка ленты от тока накала.

В связи с тем, что при построении шкалы яркостная температура изменяется ступенчато, градуировочная характеристика является дискретной и выражается в табличной форме.
Определение градуировочной зависимости аттестуемой лампы осуществляют в 2 этапа:

а) аттестация излучателей или ламп при температурах затвердевания серебра, золота или меди при заданном значении длины волны;
б) экстраполяция шкалы в диапазоне от 961,78 до 3000 °С (для ламп от 961,78 до 2100 °С, причем для работы при температурах от 961,78 до 1500 °С используются вакуумные лампы, а при температурах от 1300 до 2100 °С – газонаполненные лампы).

Передачу размера единицы эталону-копии – излучателю АЧТ или температурной лампе – осуществляют методом сравнения с помощью спектрокомпаратора яркостей источников излучения СКЯ следующим образом:

На СКЯ устанавливают поочередно лампы первичного эталона (ЛПЭ) и излучатель АЧТ или лампу эталона-копии (ЛЭК). Плавным изменением тока накала эталонную лампу последовательно выводят на режим, соответствующий ТРТ (температуре затвердевания серебра, золота или меди). В то же время плавно увеличивают и температуру излучателя АЧТ (или ток накала лампы) эталона-копии. С помощью аппаратуры СКЯ производят уравнивание яркостей сличаемых СИ. При достигнутом равенстве сигналов после соответствующей выдержки (см. п. 3.6.3) у излучателя регистрируют показания внутреннего датчика температуры, у ЛЭК регистрируют значения тока накала, напряжение на цоколе, температуру цоколя и температуру воздуха в области баллона лампы. Указанные измерения проводят не менее 3 раз по каждой ЛПЭ при трех значениях длины волны (λ1=470 … 550 нм; λ2=656,3 нм; λ3=850 … 950 нм).

Для построения градуировочной характеристики аттестуемой лампы зарегистрированным значениям тока сопоставляют значение ТРТ – среднее значение для каждой реперной точки по всем эталонным лампам для каждого значения длины волны. Построение шкалы осуществляют следующим образом:

а) В диапазоне 961,78 – 3000 °С при аттестации излучателей АЧТ проводят сличение показаний температуры компьютера ГЭТ, полученных из сигнала фотодиода СКЯ, и показаний внутреннего датчика излучателя.
б) В диапазоне от 961,78 до 2100 °С при аттестации ламп эталона-копии проводят сличение показаний температуры компьютера ГЭТ, полученных из сигнала фотодиода СКЯ, и значений силы тока в цепи лампы при контроле напряжения на цоколе, температуры цоколя и окружающего воздуха.

С ростом температуры, когда сигнал фотодиода достигает 8 В, перед входной щелью монохроматора вводится светофильтр, коэффициент ослабления которого определяется по отношению сигналов фотодиода (без фильтра/с фильтром) при неизменной яркости излучателя.
Дискретность значений температур, при которых производится построение шкалы, не должна превышать 100 К.

Метрологические характеристики эталона

1. Погрешность измерений:

- СКО результата от 0,1 до 1,4 °С при 5 независимых измерениях.
- НСП в границах от 0,12 до 0,42 °С

2. Неопределенность измерений:

- Стандартная неопределенность, оцененная по типу А в пределах от 0,1 до 1,4 °С;
- Стандартная неопределенность, оцененная по типу В в пределах от 0,05 до 0,18 °С;
- Суммарная стандартная неопределенность в пределах от 0,11 до 1,4 °С;
- Расширенная неопределенность с коэффициентом охвата k=2 в пределах от 0,22 до 2,8 °С.

3. Значения погрешности и неопределенности в промежуточных точках диапазонов рассчитываются методом линейной аппроксимации.

Бюджет погрешности НСП при воспроизведении температуры реперной точки и ее передаче на температурную лампу

i Факторы, обусловливающие наличие составляющей НСП, Границы Θi, мК
1 Примеси в металле и графите АРТ 20
2 Излучательная способность МЧТ 10
3 Охлаждение через отверстие МЧТ 10
4 Неточность определения уровня ТЗМ 30
5 Интерполяция и интегрирование 20
6 Температура окружающей среды 20
7 Погрешность измерения силы тока в цепи лампы 30
8 Температура цоколя лампы 50
9 Неточность определения длины волны 10
10 Нелинейность фотоэлектрического тракта СКЯ 10
11 Дрейф сигнала между измерениями лампы и АЧТ 20
12 ЭРИ 20
13 Рассеяние и поляризация излучения 10
14 Внеполосовое пропускание монохроматора 10
15 Дрейф, нестабильность лампы 30



Методика определения составляющих бюджета погрешности подробно излагается в документе «ГЭТ 34 – 2007 Программа и методика исследований. Часть 2. Температура, определяемая по излучению неконтактным методом в диапазоне от 961,78 до 3000 °С».
Специалисты в области неконтактной термометрии могут ознакомиться с кратким изложением методики . Рекомендуем также прочесть статью специалистов ВНИИМ «Фотоэлектрический спектрокомпаратор нового поколения для прецизионных измерений в области радиационной термометрии» (авторы: Матвеев М.С., Походун А. И., Сильд Ю.А., Фуксов В.М., Цорин В.Г., Никитин Ю.В.).