Поверка термометров сопротивления и чувствительных элементов
Поверка промышленных термометров сопротивления и чувствительных элементов. В России и странах Евразийского совета по стандартизации, метрологии и сертификации действуют стандарты ГОСТ 6651-2009 "Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний" скачать ГОСТ 6651-2009(pdf) и ГОСТ 8.461-2009 "Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки". скачать ГОСТ 8.461-2009(pdf). Отличие данных стандартов от предыдущей редакции состоит в учете при приемке и отбраковке термометров, а также учете при их поверке неопределенности измерений. Это требование было включено с целью гармонизации стандартов с международным стандартом МЭК 60751 (В настоящее время действует редакция стандарта МЭК 60751:2022 (см. раздел "Стандарты МЭК"). Подробнее см. публикацию: Моисеева Н.П. «Применение международных норм в новом международном стандарте на методику поверки рабочих термометров сопротивления»
Учебные видео лекции о поверке промышленных термометров и расчете неопределенности публикуются по ссылкам:
1 лекция: https://youtu.be/wwRNaXpU47M
2 лекция: https://youtu.be/HUHNuYTzJNw
Метод поверки промышленных термометров сопротивления заключается в сравнении индивиуальной характеристики термометра R(t) c номинальной характеристикой НСХ, приведенной в стандарте ГОСТ 6651. В связи с тем, что зависимость сопротивление-температура для термометров сопротивления – хорошо воспроизводимая, близкая к линейной функция, для того, чтобы убедиться в том, что в пределах установленных допусков индивидуальная функция согласуется с номинальной (НСХ), достаточно провести измерение сопротивления ТС в двух калибровочных точках (при температурах вблизи 0 °С и вблизи 100 °С). Для более грубых ТС (класс С) достаточно одной точки (0 °С).
Поверка промышленных термометров проводится методом сличения с образцовым (эталонным) термометром в жидкостном термостате. Одновременно снимают показания образцового (эталонного) и поверяемого термометра в двух точках: (-5 - +30 °С) и (90 - 103 °С). По показаниям образцового термометра определяют температуру в термостате. Затем по таблицам НСХ (ГОСТ 6651-2009) определяют сопротивление, соответствующее данной температуре. Сравнивают значение измеренного сопротивления поверяемого термометра и сопротивления по НСХ. Разница не должна быть больше допуска соответствующего класса. При этом необходимо учитывать неопределенность имерений. Согласно новому ГОСТ 8.461-2009 каждая лаборатория должна провести предварительную оценку неопределенности измерений, основываясь на статистическом анализе случайной составляющей неопределености и характеристиках используемого оборудования. Расширенная неопределенность результата измерения не должна превышать 1/2 допуска поверяемых ТС.
Расчету стандартных неопределенностей поверки термометров в термостате методом сличения с образцовым термометром посвящен раздел Неопределенность измерений/Поверка ТС в термостате методом сличения с эталонным термометром сопротивления
Расчет неопределенности поверки термометров сопротивления реализован в сертифицированной программе TCal-8-461
Лекции о поверке рабочих термометров и расчете неопределенности:
1 лекция: https://youtu.be/wwRNaXpU47M
2 лекция: https://youtu.be/HUHNuYTzJNw
Ниже приводим более подробное описание методики поверки термометров сопротивления и чувствительных элементов по ГОСТ 8.461-2009.
ОПЕРАЦИИ ПОВЕРКИ
1) Внешний осмотр, проверка маркировки и комплектности
2) Проверка электрического сопротивления изоляции ТС при температуре (20 ± 5) °С
3) Проверка отклонения сопротивления ТС от НСХ при температуре в диапазоне от -5 °С до +30 °С
4) Проверка отклонения сопротивления ТС от НСХ при температуре в диапазоне от 90 °С до 103 °С
Примечание: четвертую операцию проводят только для ТС классов АА, А и В.
СРЕДСТВА ПОВЕРКИ
Эталонные (образцовые) термометры
Требования: Должны быть использованы отечественные и импортные ТС, внесенные в Государственный реестр средств измерений Российской Федерации и имеющие действующие свидетельства о поверке, расширенная неопределенность градуировки которых, указанная в свидетельстве о поверке (или в нормативно-технических документах), не превышает 1/3 допуска поверяемых ТС при температурах поверки. Важной характеристикой при выборе эталонного ТС является его нестабильность за межповерочный интервал, учитываемая при расчете расширенной неопределенности поверки.
Примечание: Если в свидетельстве о поверке эталонного ТС указана доверительная погрешность при доверительной вероятности 95 %, то она не должна превышать 1/3 допуска поверяемых ТС.
Термостаты и калибраторы
Требования:
Для поверки ТС должны быть применены жидкостные переливные термостаты или жидкостные и флюидные термостаты других типов, отвечающие следующим требованиям:
- неравномерность температуры в рабочем объеме термостата - не более 1/5 допуска поверяемых ТС;
- нестабильность поддержания температуры как минимум за 30 мин - не более 1 /5 допуска поверяемых ТС.
Для поверки ТС при температуре 0 °С допускается применять сосуды Дьюара и нулевые термостаты, наполненные смесью льда и воды. Неравномерность температуры в рабочем объеме термостата не должна превышать ±0,01 °С.
Требования к сухоблочным калибраторам
- каналы в выравнивающем блоке должны иметь изотермическую зону (зону с нормированным температурным градиентом) длиной не менее длины чувствительного элемента поверяемого ТС, в любом случае не менее 40 мм. Точное расположение зоны должно быть указано в документах на термостат;
-нестабильность поддержания температуры в канале блока за время не менее 30 мин после установления стационарного режима термостата должна быть не более 1/5 допуска поверяемых ТС;
- расхождение значений температуры между каналами блока (горизонтальный перепад температуры) должно быть не более 1/5 допуска поверяемых ТС;
- вертикальный перепад температуры в изотермической зоне блока не должен превышать 1/3 допуска поверяемых ТС, неравномерность температуры на длине ЧЭ - не более 1/5 допуска поверяемых ТС;
- расширенная неопределенность воспроизведения температуры калибратором (установленная при поверке калибратора) не должна превышать 1/3 допуска поверяемых ТС.При применении сухоблочного термостата для поверки ТС должны быть выполнены также следующие требования (соответствующие международному стандарту ЕА-10/13):
-в диапазоне температур от минус 80 °С до плюс 660 °С внутренний диаметр канала в блоке должен отличаться от внешнего диаметра поверяемого термометра не более чем на 0,5 мм. В диапазоне температур свыше 660 °С допускается различие диаметров до 1 мм. Для улучшения теплового контакта рекомендуется использовать различные теплопроводящие вещества, указанные в документах на термостат;
- глубина погружения ТС в блок должна быть по крайней мере в 15 раз больше, чем диаметр ТС плюс длина ЧЭ. Сухоблочные термостаты (калибраторы) рекомендуется использовать для поверки ТС, диаметр которых не более 6 мм. Если термостат используют для поверки ТС диаметром более 6 мм, необходимы дополнительные исследования неопределенности, вызванной теплоотводом по корпусу термометра в окружающую среду, которые должны быть проведены при поверке калибратора по требованию заказчика для всех предполагаемых диаметров поверяемых ТС;
- условия поверки ТС должны быть максимально приближены к условиям, в которых была проведена поверка термостата (теплопроводящие вещества, средства для изоляции выравнивающего блока сверху, число одновременно поверяемых ТС).
Альтернатива термостатам
Для поверки ТС в диапазоне температур от минус 5 °С до плюс 30 °С допускается использовать реперные точки МТШ-90: тройную точку воды (0,01 °С) и точку плавления галлия (29,7646 °С).
Для поверки в диапазоне температуры от 90 °С до 103 °С допускается применять паровой термостат, имеющий действующее свидетельство о поверке или действующий аттестат испытательного оборудования, для которого нестабильность поддержания температуры составляет не более ± 0,03 °С.
Измерительная аппаратура
Мосты постоянного и переменного токов, цифровые мультиметры, многоканальные прецизионные измерители температуры, установки типа автоматизированного рабочего места для поверки термопреобразователей сопротивления (АРМ ПТС), и другие СИ, внесенные в Государственный реестр средств измерений.
Неопределенность измерений сопротивления (температуры) помощью измерительной установки не должна превышать 1/10 допуска поверяемых ТС.
Общее условие годности комплекса средств поверки
Перед использованием средств поверки ТС необходимо провести расчет ожидаемой расширенной неопределенности поверки ТС по данным свидетельств о поверке термостата или калибратора и о поверке всех остальных используемых средств измерений по методике, изложенной в разделе 11 стандарта ГОСТ 8.461. Рассчитанная расширенная неопределенность поверки ТС должна быть в два раза меньше требуемого допуска ТС по ГОСТ 6651.
ПОДГОТОВКА К ПОВЕРКЕ
Перед проведением поверки необходимо оценить экспериментально неопределенность единичного измерения сопротивления в условиях конкретной поверочной лаборатории. Данная неопределенность зависит от применяемой измерительной аппаратуры, от номиналов поверяемых термометров и от условий измерений в лаборатории. Она является входной величиной при оценивании суммарной неопределенности поверки.
Неопределенность единичного измерения сопротивления определяют при температурах, близких к градуировочным точкам, отдельно для ТС различных номинальных сопротивлений. Допускается использовать термостатированные меры сопротивления с номинальными значениями, близкими к номинальным значениям поверяемых ТС. Рекомендуется проводить измерения в реперной точке, в нулевом термостате при 0 °С или в высокостабильном жидкостном термостате (нестабильность не более ± 0,002 °С). Проводят не менее 50 отсчетов сопротивления и рассчитывают СКО результата измерения. Для автоматических цифровых мостов необходимо использовать те же параметры при проведении каждого измерения (время интегрирования, время отсчета и т.п.), что и при проведении поверки. Значение СКО u(rlab) рассчитывают либо автоматически измерительным мостом, либо, при регистрации поверителем отдельных отсчетов, по формуле
где: Nlab – число отсчетов сопротивления ТС;
Ri–результат i-го отсчета;
Rs – среднее значение сопротивления.
ПРОВЕДЕНИЕ ПОВЕРКИ
Проверка электрического сопротивления изоляции термометров
Подключают клеммы прибора для измерения электрического сопротивления к выводам и защитному корпусу ТС. Подают измерительное напряжение 100 В. Показания снимают в течение 10 с после подачи напряжения и фиксируют минимальное значение сопротивления. Сопротивление изоляции ТС должно соответствовать требованиям ГОСТ 6651.
Проверка отклонения сопротивления термометров от НСХ при температурах от - 5 °С до 30 °С.
Проверку выполняют методом сличения с эталонным термометром в жидкостном или сухоблочном термостате, либо или в термостате, заполненном смесью льда и воды (0 °С). Также можно использовать реперные точки МТШ-90: тройную точку воды (0,01 °С) или точку плавления галлия (29,7646 °С).
Методика
Эталонный термометр и поверяемые ТС помещают в рабочий объем термостата на глубину не менее минимальной глубины погружения. Если монтажная длина поверяемых ТС более минимальной глубины погружения эталонного термометра или равна ей, то ЧЭ всех ТС должны находиться на одном уровне. Если монтажная длина поверяемых ТС менее минимальной глубины погружения эталонного термометра, то ТС погружают в термостат на монтажную длину и в результат измерения вводят поправку на перепад температуры между средними точками ЧЭ поверяемых ТС и эталонного термометра.
Поверяемые ТС и эталонный ТС подключают к измерительным установкам. Измерительный ток должен соответствовать указанному в спецификации на ТС и в свидетельстве о поверке эталонного ТС. После достижения стабилизации температуры в термостате проводят цикл измерений: измеряют сопротивление эталонного термометра, затем последовательно измеряют сопротивление поверяемых ТС и вновь повторяют измерение эталонным термометром. Цикл измерений повторяют не менее двух раз. Показания эталонного термометра за все время измерений не должны измениться более чем на 1/5 допуска поверяемых ТС.
По данным измерений эталонным термометром рассчитывают среднее арифметическое значение и размах температуры в термостате. Также рассчитывают средние значения сопротивлений поверяемых ТС.
Примечания: 1) Если в качестве термостата используется калибратор температуры со встроенным эталонным термометром и дисплеем, показывающим температуру в термостате в °С, среднее арифметическое значение и размах температуры в термостате определяется по показаниям дисплея калибратора. 2) Если измерения проводят в термостате, заполненном семью льда и воды, то сначала проводят контрольные замеры температуры смеси эталонным ТС, затем измеряют сопротивление поверяемых ТС. Достаточно одного цикла измерений. 3) Измерения можно проводить в реперных точках МТШ-90, следуя методикам, описанным в разделе «Методы реализации реперных точек МТШ-90».
Проверка отклонения сопротивления термометров от НСХ при температурах от 90 °С до 103 °С.
Проверку выполняют методом сличения с эталонным термометром в жидкостном или сухоблочном термостате. Методика измерений аналогична, описанной выше для температур вблизи 0 °С. Допускается использование паровых термостатов, реализующих точку кипения воды (методика в соответствии с техническим описанием и инструкцией по их применению).
Расчет расширенной неопределенности поверки
Суммарную стандартную и расширенную неопределенности поверки ТС рассчитывают для каждой температуры поверки. При расчете суммарной неопределенности поверки учитывают неопределенность измерений температуры эталонным термометром и неопределенность измеренного значения сопротивления поверяемого ТС. Для расчета используют данные, полученные при проведении измерений, данные, полученные при предварительной экспериментальной оценке неопределенности, связанной со случайными эффектами при измерении в конкретной поверочной лаборатории, а также данные, приведенные в свидетельствах о поверке средств измерений: термостата, калибратора, реперной точки, эталонного термометра и измерительной установки.
Бюджет стандартных неопределенностей поверки термометров в термостате методом сличения с образцовым термометром приведен в разделе НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ по ссылке.
Расчет неопределенности поверки термометров сопротивления реализован в сертифицированной программе TCal-8-461
Критерий годности поверяемого ТС
ТС считают годным в том случае, если отклонение его сопротивления от НСХ с учетом расширенной неопределенности результата измерения не превышает допуск соответствующего класса, т.е. выполнены одновременно два неравенства:
где Rk(tx) – среднее значение сопротивления поверяемого ТС, Ом;
tx – средняя температура, измеренная эталонным термометром, °С;
Rнсх(tx) – значение сопротивления ТС по НСХ при температуре tx, Ом;
U – расширенная неопределенность результата измерения сопротивления ТС, Ом;
dR/dt- чувствительность ТС по НСХ при температуре tx, Ом/°С;
±Dtx – допуск ТС по ГОСТ 6651.
Эталонные термометры сопротивления 1 и 2 разрядов поверяются в реперных точках МТШ-90 по ГОСТ Р 8.571 – 98 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Методика поверки». Свойства эталонных платиновых термометров, факторы, влияющие на их стабильность, а также методики работы с ними, позволяющие получить наивысшую точность, приведены в разделе МТШ-90/Платиновый термометр сопротивления.
Подробные сведения о факторах, влияющих на температуру реперной точки приводятся в разделе "Основные принципы реализации реперных точек МТШ-90". Принципы расчета неопределенности поверки термометров в реперных точках изложены в разделе Неопределенность измерений / Поверка ТС в реперной точке.
Программное обеспечение для поверки термометров сопротивления
Программа TCal-8-461 - программа для расчета неопределенности поверки термопреобразователей сопротивления по ГОСТ 8.461-2009
Учитывая обращения поверочных и метрологических лабораторий, проходящих аккредитацию на право поверки/калибровки рабочих термопреобразователей сопротивления, была разработана компьютерная программа для расчета неопределенности поверки по ГОСТ 8.461-2009, TCal-8-461. которая прошла сертификацию во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Подробнее о программе TCal-8-461 и условиях ее приобретения >>>
Поверка комплектов термометров сопротивления для измерения разности температур (КТС)
Комплекты термометров сопротивления для измерения разности температур на входе и выходе системы теплоснабжения являются неотъемлемой частью приборов для учета расхода тепла (теплосчетчиков), от их характеристик, точности и стабильности зависит точность определения расхода тепла. Повышение точности в приборах учета всегда имеет большой экономический эффект.
Термометры, используемые в теплосчетчиках – рабочие платиновые термометры, выпускаемые по ГОСТ 6651-2009. Их поверка проводится по ГОСТ 8.461-2009 при температурах около 0 и 100°С. Погрешность рабочих термометров выше погрешности образцовых ПТС из-за конструкции чувствительного элемента, вызывающей напряжения и деформации в платиновой проволоке или пленке при нагреве и охлаждении, что приводит к нестабильности сопротивления и гистерезису. Предельное отклонение от НСХ для термометра самого точного класса АА согласно ГОСТ равно ±(0,1+0,0017 /t/) °С. Эту характеристику следует рассматривать также как предел абсолютной погрешности термометра.
Погрешность измерения разности температур двумя термометрами сопротивления может быть ниже погрешности индивидуального термометра за счет подбора пары, или, так называемого, комплекта термометров сопротивления (КТС).
Существует ряд нормативных документов, затрагивающих требования к КТС и методам их поверки.
-ГОСТ Р EН 1434 «Теплосчетчики», который является переводом европейского стандарта EN 1434 (см. раздел СТАНДАРТЫ)
- ГОСТ Р 51649-2000 «Теплосчетчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические требования»(см. раздел СТАНДАРТЫ)
- Рекомендация Р 50.2.026-2002 ГСИ «Термопреобразователи сопротивления и расходомеры электромагнитные в узлах коммерческого учёта теплоты».
Производители расходомеров и комплектов термометров зачастую сами устанавливают требования к точности комплектов и методике поверки, нередко несогласующиеся с предлагаемыми в стандартах.
Первый метод:
Метод стандарта ГОСТ Р EН 1434-5. Использован, например, в методике ООО «ИНТЭП» ((методика МП ВТ 047-2002). Термометры поверяют в трех точках. Для каждого термометра рассчитывается индивидуальная зависимость R(T). Затем рассчитывается отклонение разности температур холодного и горячего термометра, полученной с учетом индивидуальных коэффициентов («действительная» разность), от разности, полученной при использовании коэффициентов НСХ («измеренная» разность). Данное отклонение выражается в процентах от «действительной» разности температур. Формула следующая:
где (tи1 - tи2) – «измеренная» разность температур
(t1 – t2) – «действительная» разность температур
Формула для допустимой относительной погрешности по EН 1434-5 (%):
d доп. = 0,5 + 3Dtmin / Dt
Второй метод:
Метод расчета по двум градуировочным точкам. Этот метод, например, применяется для КТПС компании ЗАО «Взлёт» и для некоторых других типов комплектов. Термометры поверяют при двух температурах: вблизи 0 и 100 °С. Для каждого термометра рассчитывается индивидуальная зависимость R(T). При этом коэффициент В для обоих термометров пары принимается равным значению по НСХ.
Затем рассчитывается отклонение разности температур холодного и горячего термометра, полученной с учетом индивидуальных коэффициентов («действительная» разность), от разности, полученной при использовании коэффициентов НСХ («измеренная» разность).
d(Dt) = (tu1 – tu2) – (t1 – t2)
Формулы для допустимой погрешности (°C):
1 класс: d доп. = 0,05 + 0,001 * Dt
2 класс: d доп. = 0,1 + 0,002 * Dt
Третий метод:
Метод ЗАО «Термико» для типа комплектов КТПТР. Термометр поверяется в двух градуировочных точках вблизи 0 и 100 °С. Определяется класс допуска для каждого термометра по ГОСТ 6651-2009 с учетом неопределенности измерений.
Для точек градуировки рассчитывается абсолютное значение отклонения разности температур двух термометров, определенных с учетом зависимости НСХ, от разности темпера тур, определенных эталоном для различных расположений холодного и горячего термометра. Отклонение определяется для температур градуировки вблизи 0 и 100 °С.
dt’ 0-100 = ( t2100 - t10) – (t100эт - t0эт);
dt’’ 0-100 = ( t1100 – t20) – (t100эт - t0эт);
dt 0-0 = ( t20 - t10);
dt 100-100 = ( t2100 - t1100);
где:
t1 – температура, определенная по измеренному сопротивлению и зависимости НСХ для первого термометра ТС1;
t2 – температура, определенная по измеренному сопротивлению и зависимости НСХ для второго термометра ТС2;
tэт – температура по эталону.
Формулы для допустимой погрешности (°C):
1 класс: d доп. = 0,05 + 0,001 * Dt
2 класс: d доп. = 0,1 + 0,002 * Dt
где Dt - измеряемая разность температур
Кроме соответствия допустимой погрешности разности данный метод устанавливается дополнительное требование: оба термометра комплекта 1 класса должны соответствовать классу АА, оба термометра комплекта 2 класса должны соответствовать классу не ниже А по ГОСТ 6651-2009.
Программа обработки результатов измерений при поверке комплектов термометров KTC-Tab
Для поверителей, которые работают по стандарту ГОСТ Р EН 1434, а также по приведенным выше двум другим методикам поверки пар комплектов термометров для измерения разности температур, разработана программа обработки результатов измерений KTC-Tab, которая позволяет оценить годность комплекта.
Подробнее о программе KTC-Tab >>
На канале Temperatures.ru публикуем видеоурок по использованию программы KTC-tab для обработки результатов измерения при поверке комплектов термометров сопротивления.
В программе относительная погрешность комплекта определяется для 12 пар значений температуры холодного и горячего термометров в пределах диапазона температуры.
Еще раз подчеркнем, что проблема разработки методов подбора пар КТС важна с экономической точки зрения, т.к. в лабораториях поверяется огромное количество комплектов термометров, и снижение трудоемкости поверки приведет к значительному снижению стоимости учета тепла.
С материалами научно-практического семинара ВНИИМ по проблемам поверки КТС можно ознакомиться по ссылке СЕМИНАРЫ. Термометры сопротивления и комплекты термометров для измерения разности температур. Производство, стандартизация, поверка, эксплуатация