Нужно ли включать мосты сопротивления и вольтметры в ГПС СИ температуры?

На первый взгляд вопрос абсурдный. Никакой мост и вольтметр не может сам по себе измерять температуру без подключенного к нему датчика – термометра сопротивления или термопары. Однако сейчас этот вопрос обсуждается довольно серьезно на различных заседаниях и скоро по нему должно быть принято решение. И, надо сказать, что проблема возникла не на пустом месте. Попробуем разобраться, почему возникло предложение о расширении нашей ГПС на вторичные измерительные преобразователи.

 Первая причина, вероятно, в том, что многие электроизмерительные приборы, которые предназначены для работы с термометрами сопротивления и термопарами, называются «Измеритель температуры» или «Цифровой термометр». Однако название не может быть причиной включения в поверочную схему. Основная задача ГПС – обеспечить прослеживаемость результата измерения температуры к первичному эталону через неразрывную цепь калибровок. Поскольку цифровые мосты и вольтметры без датчика не могут поверяться по эталонам температуры, а поверяются с помощью эталонных мер сопротивления и калибраторов напряжения, то и результат измерения прослеживается к эталонам электрических величин, а это уже другие ГПС: ГПС для средств измерений электрического сопротивления постоянного и переменного тока и ГПС для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы.

На мой взгляд, учитывая важную роль, которую электроизмерительные приборы играют в реализации измерений температуры, в текст ГПС СИ температуры было бы уместно включить упоминание о связи с ГПС электрических величин. 

Есть другой аргумент -  результат измерения отображается на дисплее измерителя в единицах температуры. То есть прибор позволяет с помощью функции НСХ или индивидуальной функции преобразовать Ом и мВ в °С. Однако погрешность такого преобразования не связана с точностью измерения сигналов, она определяется только правильностью введения функции в программный модуль. Эта погрешность преобразования не изменяется в процессе эксплуатации прибора, она должна проверяться один раз при проведении испытаний типа. Как правило, точные приборы могут выводить результат, как в электрических единицах (Ом, мВ), так и в единицах температуры. В описаниях типа приводятся соответствующие погрешности. 

Нужно упомянуть и бюрократическую причину попытки включения вторичных преобразователей в нашу ГПС. Иногда приходится слышать, что все СИ, используемые при поверке эталонных термометров и термопар, должны иметь также статус эталонов. То есть мосты сопротивления или вольтметры должны быть отнесены к определенному разряду. Этот аргумент абсурден. Что такое эталон? Это прибор, который применяется для передачи единицы физической величины. Наши измерители единицу Ом и В никому не передают. Они используются в комплекте с термопреобразователями именно как СИ, а не как эталоны. 

В существующем уже проекте новой части ГПС СИ температуры, названной «Часть 4. Поверочная схема для вторичных измерительных преобразователей температуры» все измерительные приборы поделены на три разряда по точности, причем авторы проекта утверждают, что таким образом они облегчают для разработчиков методик поверки СИ температуры выбор измерительного оборудования. То есть, если у Вас термометр ЭТС первого разряда – выбирайте измеритель тоже первого разряда, также для второго и третьего разряда. Хотя, если приблизится к реальности, то выбор измерителей для эталонных термометров не такой большой. Можно назвать 4-5 точных приборов. Можно выбрать один прибор, его приобрести и использовать затем для всех разрядов, которые Вы поверяете. Соотношение между погрешностью электроизмерений и погрешностью СИ температуры должно нормироваться в методике поверки. Например, в ГОСТ 8.461 это соотношение должно быть не более 1:10. Погрешность затем учитывается при расчете расширенной неопределенности поверки ТС. 

Есть одна проблема, решение которой не такое очевидное. Существуют измерители электрических сигналов, которые называются приборами для измерения и регулирования температуры и которые выдают сигнал исключительно в единицах температуры. Их поверяют по калибраторам сигналов. По сути, это электроизмерительные приборы, но их погрешность нормируется в °С. Что касается прослеживаемости к эталону, то это в любом случае не эталон температуры. Прослеживаемость к эталону температуры возникнет только когда этот прибор будет использован совместно с датчиком – термометром сопротивления или термопарой. Логично, что в ГПС для СИ сопротивления и напряжения нет приборов с погрешностью, нормированной в единицах температуры. Но связь с этой схемой есть посредством калибратора, при поверке которого применяются меры сопротивления и напряжения. На мой взгляд, решением могло бы быть включение нашу схему на уровне рабочих СИ температуры квадрата «Вторичные показывающие приборы без датчика температуры» с погрешностью в °С и с линией, ведущей к ГПС СИ сопротивления и напряжения. Эти приборы будут чужаками у нас в схеме, но если их не берут в другую схему, то что делать? 

В заключении хочу еще раз выразить мое мнение по поводу вообще поверочной схемы. Она может принести пользу, когда реально показывает процесс передачи единицы температуры, по сути метрологическую прослеживаемость к первичному эталону. Её нужно стремиться упрощать, а не усложнять. Увеличение количества разрядов эталонов, деление на узкие промежутки по точности пользы не приносит. Хотела бы выслушать мнения по поводу поднятых в статье вопросов от  производителей измерителей температуры и потребителей СИ температуры. Было бы интересно также услышать возражения и аргументы от разработчиков проекта новой части ГПС.

Комментарии к заметке 

Публикуем два комментария к заметке, полученных от одного из разработчиков проекта нового раздела ГПС Голобокова М.В. и от специалистов одного из ведущих производителей метрологического оборудования НПП «ЭЛЕМЕР»

Комментарий к заметке от одного из разработчиков проекта новой части ГПС СИ температуры Голобокова Максима Викторовича, ведущего инженера по метрологии отдела теплотехнических измерений ФБУ "Новосибирский ЦСМ"

Уважаемые коллеги, будучи одним из инициаторов включения вторичных приборов в ГПС СИ температуры считаю необходимым дать пояснения по существу сделанных замечаний. 

Порядок передачи любой единицы величины в нашей стране определяет соответствующая ГПС. Можно дискутировать насколько такая форма регулирования оптимальна, но она принята на законодательном уровне. Следовательно, все применяемые эталоны и СИ должны подпадать под действие той или иной ГПС.

Вторичные показывающие приборы (ТРМ, Термодат и другие), вторичные преобразователи температуры (МАВ, TMT) действительно являются исключительно электроизмерительными приборами и прослеживаться должны к эталонам ГПС для средств измерений электрического сопротивления постоянного и переменного тока и ГПС для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы (далее по тексту ГПС СИ электрических величин).

Почему-же следует включать вторичные приборы именно в ГПС температуры:

-                 согласно кодификатору большинство вторичных приборов (в том числе МИТы) относятся к СИ температуры и применяются исключительно для измерения температуры;

-                 погрешность измерения нормирована в единицах температуры;

-                 размещение вторичных преобразователей температуры в ГПС электрических величин не избавит от необходимости добавления в эти ГПС заимствованных эталонов. Например, преобразователь Pt100 >> 4-20 мА размещённый в ГПС для средств измерений электрического сопротивления должен иметь линию к эталонам тока;

-                 в ГПС СИ электрических величин не установлены требования к минимальному соотношению погрешностей эталонного и поверяемого прибора и одновременно с этим допускается нормирование для эталонов абсолютной погрешности (а не доверительных границ погрешности как это должно быть для эталонов) – как результат низкая достоверность результатов поверки;

-                 размещение вторичных приборов в ГПС электрических величин потребует внесения изменений в два-три документа, что сложнее как в организационном плане, так и в плане применения – конечному пользователю будет необходимо пользоваться несколькими ГПС, а не одной.

Включив в любую ГПС вторичные приборы в качестве рабочих СИ очевидно следует указать эталоны для их поверки. При этом просто провести линию от рабочих СИ к эталонам электрических величин, как упомянуто в заметке уважаемой Натальи Павловны будет недостаточно.

Во первых, для поверки вторичных приборов могут применяться не только меры сопротивления (напряжения), но и различные калибраторы-измерители сигналов термометров сопротивления (ТПС) и термопар (ТЭП) для которых погрешность нормирована уже в единицах температуры. Их тоже следует отразить в ГПС.

Во вторых, большое количество типов ТПС и ТЭП, существенная не линейность чувствительности на границах диапазонов измерений некоторых ТЭП, осложняет переход нормирования погрешности от единиц сопротивления (напряжения) к единицам температуры. Если оставить этот переход в зоне ответственности разработчиков методик поверки тогда поверочная схема действительно будет дополнена ещё одним квадратиком и всё. Пользы будет мало.

Принципиально ничего сложного в смене нормируемой величины нет. Просто большой объём вычислений, который при разработке МП мало кто хочет делать. Зачастую в МП указывается конкретный типа эталона, как например в МП 2411-0106-2014 «ГСИ. Приборы для измерения и регулирования температуры многоканальные «Термодат». Методика поверки с изменением №1». Да такие методики допускают использование эталона не хуже указанного, но опять-же все расчёты и обоснование замены ложится на плечи поверителя. Зачастую проще отказаться от поверки чем потом что-то кому-то доказывать. Кроме того, изначально указанный эталон может быть выбран избыточно точным либо обеспечивать существенно различную достоверность результатов поверки для различных входных характеристик. Например, при реализации методики «МП 207-069-2020 ГСИ. Преобразователи измерительные серий iTEMP TMT. Методика поверки» соотношение погрешностей эталонного и поверяемого средств измерений может изменяться от 1/1,5 (для преобразователей TMT142B Pt100 с диапазоном измерений от минус 200 до плюс 850 °С) до 1/45 (для преобразователей TMT 84 Pt200 с диапазоном измерений от минус 200 до плюс 850 °С).

Предложенный проект поверочной схемы содержит численные значения погрешностей воспроизведение сигналов ТПС (ТЭП) эталонами того или иного разряда. В том числе для заимствованных эталонов сопротивления (напряжения). Сказанное делает переход прозрачным и понятным избавляя разработчиков методик поверки от лишних расчётов. 

Не могу согласится с уважаемой Натальей Павловной что попытка включить вторичные приборы, используемые совместно с эталонными ТПС (ТЭП) в ГПС в качестве эталонов имеет цель заслужить похвалу от представителей законодательной метрологии. Все МИТы по своим характеристикам и так являются эталонами сопротивления и напряжения. Но пользы от этого – НИКАКОЙ так как результат измерения любым МИТом, поверенным в любом месте, любым специалистом может быть поставлен под сомнение.

Подробно об этом докладывалось на семинаре в г. Омск 19.03.2024 г., опубликована статья в журнале Контроль Диагностика № 4 за 2024 г. Если коротко, то допустимая погрешность измерения сопротивления 100 Ом популярным МИТ 8.15 составляет 0,0005 Ом или 5 ppm. Доверительные границы погрешности приписанного значения меры сопротивления 1-го разряда (по которой выполняется поверка МИТа) составляет 2 ppm, годовая нестабильность меры сопротивления не более 6 ppm. Решение о соответствии принимается без учёта метрологических характеристик эталонных мер если измеренное значение сопротивления отличается от приписанного эталонной мере не больше чем на допустимое значение погрешности МИТа. Как результат в эксплуатации может находится прибор, у которого действительное значение погрешности превышает допустимое в 2,6 раза. При том, что согласно МИ 188-86 «ГСИ. Средства измерений. Установление параметров методик поверки» это значение, в худшем случае, не должно превышать 1,35. Для современных МИТ 8.20, МИТ 8.30 фактическое значение погрешности может превышать установленное в 4,3 раза. ЭТО ЧТО ВСЕХ УСТРАИВАЕТ?

Именно для обеспечения требуемой достоверности результатов поверки измерителей температуры, а не с целью лизнуть начальство, предлагается отнести МИТы к эталонам температуры, для которых будут нормированы доверительные границы погрешности, а не абсолютная погрешность как это допускается в ГПС электрических величин.

Как можно сделать предлагаемые преобразования максимально безболезненным для производителей и незаметными для потребителей описано в статье. Да придётся менять наименование нормируемой метрологической характеристики, вносить изменения в описания типа, корректировать методики поверки. МИТ 8.20, МИТ 8.30 надо будет поверять по мерам сопротивления 0-го разряда. Не у всех эти меры есть, поверка может стать дольше и дороже. 

Что касается нормирования совместного использования эталонных ТПС (ТЭП) с эталонными измерителями соответствующего разряда, то никаких ограничений «вниз» нет - измеритель 1-го разряда можно применять для работы с ТПС (ТЭП) любого разряда, а не только 1-го как утверждает уважаемая Наталья Павловна. Кроме того, градация эталонов выполнена исходя из метрологических характеристик фактически выпускаемых калибраторов-измерителей сигналов.

Требования к точности измерителя, используемого для работы с эталонным ТПС (ТЭП) действительно введены. Но введены не целью кого-то «прищемить», а навести хоть какой-то порядок. Этого можно было-бы не делать, если бы все методики поверки были написаны на уровне ГОСТ 8.461, но увы таких документов единицы. 

Существование ГПС как класса, не однократно критиковалось на сайте Temperature.ru. Ведь действительно ГПС ограничивает и производителей, и разработчиков методик поверки. А может и в правду пора уже отказаться от этого наследия советской эпохи и вслед за всем миром перейти от концепции погрешности к концепции неопределённости?

На эту тему можно найти много научных работ, различных докладов и дискуссий, отмечающих достоинства или недостатки каждой их концепций. Но если несколько абстрагироваться от частностей, то можно понять, что каждая из концепций это всего лишь инструмент для оценки точности измерений.  Задача метрологии (как науки, а не как формы бизнеса) воспроизвести и передать единицу величины от ГЭТа к рабочему СИ находящемуся у конечного потребителя (завод, нефтебаза, магазин и т.д.). А также установить для потребителя понятный показатель точности его прибора. Будь то хоть погрешность хоть неопределённость.

В концепции погрешности – точность первичного эталона характеризуется НСП и СКО сличения. Далее через эталоны-копии, вторичные эталоны единица величины передаётся образцовым средствами измерений или как сейчас принято – рабочим эталонам. Их показатель точности – доверительные границы погрешности, которые включают в себя все составляющие погрешности вышестоящих эталонов и методов передачи единицы величины. Причем берётся не действительное значение погрешности конкретного экземпляра вышестоящего эталона, а максимально допустимое значение погрешности для эталона вышестоящего разряда. Да это можно считать экономически не эффективным, но возникает определённый запас прочности. Для рабочих СИ нормируется просто «видимая» погрешность измерений (как разность измеренного и действительного значения). Но при этом есть требования к достоверности результатов поверки и в самом худшем случае действительное значение погрешности СИ которое признано пригодным к применению не будет превышать 135% от установленного предела погрешности.

В концепции неопределённости – ГЭТу приписано некоторое значение величины, известна его неопределённостью. Далее, через произвольный ряд калибровки промежуточных эталонов, значение физической величины, с соответствующей неопределённостью передаётся к рабочему СИ. Никаких ограничений к эталонам не вводится, решение о возможности применения рабочего СИ принимается конечным потребителем.

Никаких фундаментальных различий, которые делали-бы одну из концепций существенно лучше, чем другая НЕТ. Разница только в том кому предоставлено право принятия решения о соответствии СИ – поверителю или потребителю, и в наличии некоторого запаса прочности у старой системы.

Если, как призывает уважаемая Наталья Павловна, переходить на концепцию неопределённости то встанет вопрос о добавлении в методики поверки разделов оценки неопределённости измерений. Кто, когда и за чей счёт, это будет делать? Поручить испытательным центрам, вносившим СИ в госреестр? Сейчас утверждено почти 95000 СИ. Поделим на 4 института и десяток ЦСМов которые занимаются испытаниями, даже если отбросить стандартизованные методики и старые СИ, это не реальная задача.

Пусть каждый ЦСМ сам пропишет себе эту процедуру оценки неопределённости. Тоже не получится. Не везде есть специалисты соответствующего уровня. Более того в выигрыше окажется менее компетентный или менее добросовестный специалист – «потеряв» какую-нибудь составляющую неопределённости можно обеспечить себе конкурентное преимущество в виде лучшего значения наименьшей выдаваемой неопределённости. Единства измерений этим не обеспечишь. Кстати, а как потом, при аккредитации, доказывать эксперту что ты не верблюд? Эксперт ведь может иметь иное мнение.

Как будет выглядеть описание типа СИ при переходе на концепцию неопределённости? Нужно-ли оно будет вообще? Кто, как, за чей счёт будет вносить изменения в не метрологические документы. Например, написано в каком-нибудь ГОСТе на химический анализ – «измерить температуру раствора термометром с погрешностью не более ± 0,5 °C», а ЦСМ выдаст документ где написано «расширенная неопределённость измерений 0,5 °С». Как потом химику-лаборанту доказать, что он ничего не нарушил?

Решение о переходе на концепцию неопределённости должно приниматься на государственном уровне с проработкой всех возможных аспектов и соответствующим финансированием. Уверен, что в ближайшем времени этот переход не возможен и, по моему личному мнению – не имеет смысла.

Концепция погрешности, не смотря на все недостатки, на сегодняшний день, является единственным возможным способом обеспечения единства измерений. В связи с чем разработка проекта поверочной схемы для вторичных приборов представляется обоснованной.

Мнение специалистов НПП «ЭЛЕМЕР»

Нужна ли четвертая часть – вторичные термопреобразователи — в поверочной схеме для СИ температуры

В поверочной схеме, утвержденной приказом Росстандарта от 23 декабря 2022 г. №3253, содержатся все указания, устанавливающие подход к выбору средства измерений выходных электрических сигналов первичных преобразователей – термометров сопротивления и термоэлектрических преобразователей. Для всех уровней передачи единицы температуры от рабочего эталона нулевого разряда рабочим эталонам 1-го, 2-го, 3-го разрядов и далее средствам измерений температуры указаны допускаемые погрешности метода передачи единицы.

На верхнем уровне - при передаче единицы от РЭ 0-го разряда методом прямых измерений от аппаратуры для воспроизведения реперных точек разрядным термометрам и от платиновых термометров разрядным реперным точкам эти погрешности просто соответствуют допускаемым погрешностям электроизмерительных приборов (омметров), выраженным в единицах температуры.

На других уровнях передачи единицы «при передаче единицы температуры источники погрешности всех технических средств, участвующих в процессе передачи единицы температуры, должны быть учтены» (п. 1.5 «Область применения» текста ГПС). Как правило, при передаче единицы методом непосредственного сличения должны быть учтены характеристики однородности температурного поля термостата.

Простые расчеты для рекомендуемых точек поверки (точек передачи единицы) показывают, что выбор подходящих вторичных приборов (ВПТ) не труден и не так уж широк. Так, для термометров сопротивления — это ряд (не претендующий на полноту, в порядке «движения» сверху вниз по графической части ГПС) измерителей сопротивления МИТ 8.20, МИТ 8.15, МИТ 8.30, МИТ 8.10, Термекс, ТЦЭ-005/М2, АСПТ (включая измерительные модули ИМКТ в составе температурных калибраторов производства ООО «НПП ЭЛЕМЕР»), а также эталонные меры сопротивления, используемые в некоторых случаях в качестве внешних опорных резисторов.

Такие же оценки для выбора ВПТ можно сделать и для линейки передачи единицы для измерителей ТЭДС термоэлектрических преобразователей.

Все приборы измерения электрических выходных величин ПП являются СИ утвержденного типа и обеспечивают прослеживаемость к первичным эталонам в своих поверочных схемах.

Считаем, что никакой «четвертой части» в ГПС СИ температуры и тем более отдельной ГПС ВПТ не нужно. 

Участники заседания комиссии Росстандарта по теплофизическим и дилатометрическим измерениям, 26 марта 2024 г., члены комиссии, сотрудники ООО «НПП ЭЛЕМЕР»:

Генеральный директор  Окладников В.М., Начальник ОЭПТ Полунин С.П., Советник по метрологии Медведев В.А.

(Данное письмо было направлено в адрес председателя комиссии Росстандарта по теплофизическим и дилатометрическим измерениям д.т.н. , проф. Походуна А.И.)