Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Развитие Международной температурной шкалы

Шкала МТШ-90 является наиболее близкой на настоящий момент возможной аппроксимацией термодинамической температурной шкалы. Близость аппроксимации в основном определяется точностью измерения термодинамических температур реперных точек – фазовых переходов чистых веществ. Если в период утверждения первых шкал наиболее точные эксперименты в диапазоне средних температур проводились с помощью газовых термометров, то в настоящее время получила развитие акустическая термометрия, абсолютная радиационная термометрия, шумовая термометрия и другие методы.

Консультативный комитет по термометрии (ККТ) проводит постоянную работу по обобщению существующей практики реализации термодинамической и практической шкалы и анализирует возможность и необходимость дальнейшей переработки положения об МТШ.

В 2002 г. в Чикаго в рамках международной конференции «Temperature, Its Measurement and Control in Science and Indusry» был проведен специальный семинар “Towards the ITS-XX” (К новой шкале МТШ-ХХ). Буквы ХХ означают возможную дату принятия шкалы.

В последнее десятилетие основными направлениями, в которых ведутся научные исследования и дискуссии по совершенствованию МТШ являются следующие:

- развитие термодинамических методов определения температур реперных точек (акустическая термометрия, шумовая термометрия, абсолютные радиометрические измерения)
- расширение набора реперных точек в высокотемпературной области за счет введения в шкалу точек фазовых переходов эвтектических сплавов металл-углерод.

Потребность в реперных точках в области температур выше 1300 °С ощущалась долгое время. В 1999 г. в журнале Метрология была опубликована работа японских ученых о возможности применения в качестве реперных точек эвтектик Ni-C, Pd-C, Pt-C, Ru-C. (Yamada Y., Sakate H., Sakuma F., Ono A., “Radiometric observation of melting and freezing plateaus for a series of metal-carbon eutectic points in the range 1330 °C to 1950 °C”, Metrologia, 1999, 36, pp.207-209). В работе был сделано предложение продолжить исследование эвтектик, как возможных реперных точек температурной шкалы. Были выделены следующие точки, представляющие интерес для радиометрии и термометрии, и по двойным фазовым диаграммам были примерно оценены их температуры: NiС: 1326.5 °C, PdС: 1504 °C, PtС: 1705 °C, RuС: 1940 °C, FeС: 1153 °C, CoC: 1320 °C, RhC: 1694 °C, Ir: 2296 °C, ReC: 2505 °C, OsC: 2732 °C.

С тех пор исследования эвтектических сплавов металл-углерод были подхвачены учеными других метрологических институтов. В 2005 г учитывая большой потенциал использования высокотемпературных эвтектик для развития шкалы, Консультативный комитет по термометрии разработал специальный международный план исследований,  ставящий целью значительно повысить точность измерения температуры выше точки затвердевания серебра. Документ ККТ (WG5) (англ.яз)

Основные направления проводимых в настоящее время исследований следующие:

- установить минимальные требования к чистоте материалов и определить надежных поставщиков материалов;
- исследовать процесс создания ячеек реперных точек, которые могут гарантировать воспроизводимость температуры на уровне ±500 мК и выработать рекомендации по технологии создания ячеек;
- провести исследования долговременной стабильности реперных точек;
- выработать технические рекомендации по повышению надежности ячеек;
- выработать технические рекомендации к конструкции печей;
- количественно определить влияние печи на излучательную способность системы печь-полость ячейки;
- построить бюджет неопределенности для температур реперных точек, включающий влияние термометров, печи, ячейки;
- провести двухступенчатые международные сличения выбранного набора реперных эвтектических точек, первая ступень должна включать исследование текущих проблем радиометрии и возможности их решения, вторая ступень – присвоение точкам значений термодинамических температур.

Параллельно с практическими задачами ККТ обращает внимание на необходимость глубокого изучения природы процессов, в частности:

- необходимо обосновать с физической точки зрения, почему точка плавления является предпочтительной точкой;
- понять природу влияния примесей на свойства эвтектики и их вклад в неопределенность температуры;
- понять роль структуры эвтектики в процессе реализации реперных температур.

Значения температур реперных точек металл-углерод должны определяться с помощью надежных абсолютных радиометрических методов на основании обобщения результатов международных сличений.



Разработка руководства по практической реализации единицы температуры “Mise en pratique for the definition of the kelvin” (MePK)

Является ли разработка нового варианта шкалы необходимой? Возможно ли решить проблемы, не отменяя МТШ-90? Ведь замена практической шкалы всегда связана с технологическими трудностями и экономическими затратами.

Новый подход к решению этих проблем и к построению практики измерений температуры в целом был предложен ККТ в 2005 г. Согласно новой концепции МТШ-90 не должна являться единственным способом измерения и выражения температуры. Наряду с существующими практическими шкалами МТШ-90 и ПНТШ-2000 (Предварительная низкотемепературная шкала) в практику измерений должна войти термодинамическая шкала.

Для того, чтобы создать законодательную платформу для этого подхода было решено разработать документ по практической реализации единицы температуры, называемый “Mise en pratique for the definition of the kelvin” (MePK). Это должен быть более широкий и всесторонний документ, чем известная “Supplementary Information on ITS-90”. Это фактически целый свод документов, который должен включать тексты существующих практических шкал, технические приложения о реализации шкал МТШ-90 и ПНТШ-2000, описания первичных термометров и термодинамических методов измерения температуры, оценки отклонения термодинамической шкалы от практических T-T90 и T-T2000 с их неопределенностями.

Первый вариант MePK был одобрен ККТ в апреле 2006 г. Он состоял из вводной части, включающей определение кельвина и на данном этапе трех основных составных частей

Section 1. Text of the ITS-90 (Текст МТШ-90)
Section 2. Technical Annex for the ITS-90 (Техническое приложение к МТШ-90)
Section 3. Text of the PLTS-2000 (Текст ПНТШ-2000)
(Данные документы доступны на странице Официальный текст и дополнительная информация

ККТ создал целевую группу для работы над MePK, включающую представителей из всех рабочих групп ККТ. Отчет этой группы был представлен в 2008 г. на заседании ККТ (скачать отчет) . В отчете сделан акцент на то, что замена МТШ-90 на новую шкалу не является в настоящий момент необходимой срочной мерой, т.к. МТШ-90 пока хорошо выполняет свою функцию. Переход на новую шкалу может быть сопряжен с экономическими и технологическими проблемами для промышленности. Он должен быть полностью обоснован. Альтернативным вариантом является совершенствование MePK и введение в практику термодинамических методов измерения температуры.

В 2011 г. документ MePK был переработан. В MePK была добавлена еще одна часть, где дается оценка расхождения между термодинамическими и практическими температурами. Section 4. Estimates of the differences T-T90. Таким образом, появилась возможность конвертировать точные термодинамические измерения в практическую температуру по МТШ-90.

Способствовать развитию термодинамических методов должен переход на новое определение кельвина, основанное на фиксировании постоянной Больцмана. См. раздел ЕДИНИЦА ТЕМПЕРАТУРЫ – КЕЛЬВИН