научная статья по теме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦ УДЕЛЬНОЙ ЭНТАЛЬПИИ И УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР ОТ 700 ДО 1800 К ГЭТ 67-2013 Метрология

Текст научной статьи на тему «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ СПЕЦИАЛЬНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦ УДЕЛЬНОЙ ЭНТАЛЬПИИ И УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР ОТ 700 ДО 1800 К ГЭТ 67-2013»

53.089.68:536.631

Государственный первичный специальный эталон единиц удельной энтальпии и удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур от 700 до 1800 К ГЭТ 67—2013

В. В. КАЗАНЦЕВ, В. И. ЧЕРЕПАНОВ, В. Н. СЕННИКОВА, М. В. АВЕРКИЕВ

Уральский научно-исследовательский институт метрологии, Екатеринбург, Россия,

e-mail: kazantsev@uniim.ru

Описаны состав, принцип действия и метрологические характеристики Государственного первичного специального эталона единиц удельной энтальпии и удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур от 700 до 1800 К ГЭТ 67—2013.

Ключевые слова: эталон, удельная энтальпия, удельная теплоемкость, метрологические характеристики.

The composition, operating principle and metrological characteristics of state primary special standard of units of specific enthalpy and specific heat capacity of solids in the temperature range from 700 to 1800 K GET 67—2013 are described.

Key words: standard, specific enthalpy, specific heat capacity, metrological characteristics.

Энтальпия и теплоемкость твердых тел относятся к числу наиболее важных теплофизических параметров, точное определение которых необходимо при научных исследованиях, разработке и создании космической и военной техники, объектов атомной энергетики, в случае использования новых конструкционных материалов, выдерживающих высокие температуры. Достоверная информация об этих параметрах позволяет рассчитать нестационарные температурные поля в изделиях, приборах, сооружениях и аппаратуре, а также оценить необходимые затраты энергии на нагрев или охлаждение и коэффициент полезного действия соответствующих устройств. Зная удельные энтальпию и теплоемкость, находят направления и пределы протекания химических реакций. Полученные данные используют при проектировании технологических процессов. Измерения удельных энтальпии и теплоемкости служат для определения чистоты веществ. В связи с быстрым ростом стоимости ресурсов и сырьевых материалов повышается точность измерений теплофизических параметров, проводимых на калориметрических установках, приборах дифференциальной калориметрии, дифференциального термического анализа, приборах термогравиметрии.

В настоящее время в стране находятся в эксплуатации несколько тысяч калориметрических и термографических установок более 40 типов, включая современные дорогостоящие калориметры, приборы дифференциального термического анализа и термохимии. В Госреестр средств измерений (СИ) внесено более 20 типов дифференциальных сканирующих калориметров, которые как при испытаниях, так и при эксплуатации должны быть обеспечены средствами калибровки и поверки с учетом назначения и особенностей характеристик этих СИ. Для метрологического обеспечения испытаний, выпуска и эксплуатации приборов для измерений термодинамических величин в УНИИМ разработано

и утверждено 9 типов государственных стандартных образцов (ГСО), которыми оснащены метрологические службы более 200 предприятий [1, 2].

В стране для обеспечения единства измерений удельной теплоемкости было создано несколько государственных эталонов единицы удельной теплоемкости в различных интервалах температур: во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (273,15—700 К) [3] и ВНИИФТРИ (90—273,15 К) [4]. В УНИИМ в 1 975 г. был создан Государственный первичный специальный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 1337—1800 (ГЭТ 67—75), диапазон значений удельной теплоемкости 50—2000 Дж/(кгК) [5]. В результате диапазон температур 700—1 337 К оказался не обеспечен средствами воспроизведения и хранения единиц удельной энтальпии и удельной теплоемкости.

В 2011—2013 гг. для обеспечения измерительных и калибровочных возможностей России в области измерений удельных энтальпии и теплоемкости твердых тел в указанном диапазоне в УНИИМ проведены работы по совершенствованию ГЭТ 67—75, основанные на новых научно-технических решениях. При модернизации выработавшего 40-летний ресурс эталона были поставлены и решены основные задачи: разработана экспериментальная база перехода к воспроизведению двух взаимосвязанных по физическому определению единиц в одном эталоне; повышена точность и расширен температурный диапазон воспроизводимых величин в соответствии с современными требованиями; автоматизирован процесс измерений.

При решении поставленных задач усовершенствован комплекс аппаратуры эталона, а именно: разработан, изготовлен и испытан высокотемпературный термостат с диапазоном воспроизведения температур 700—1400 К; создан программно-аппаратный комплекс задания и стабилизации температуры в двух высокотемпературных термостатах и ка-

Калориметрическая установка: 1 — калориметр; 2 — изотермическая оболочка; 3 — термостат; 4 — образец; 5 — система задания и поддержания температуры в термостатах; 6 — компьютер; 7 — измерители тока, напряжения и времени; 8 — измеритель сопротивления

лориметре; на основе интеллектуальных приборов образована система градуировки калориметра; построена комплексная система автоматизации процессов получения и обработки информации, управления измерительными установками. В результате применения современных интеллектуальных технологий расширен диапазон рабочих температур от 700 до 1800 К и обеспечена воспроизводимость, хранение и передача новой для эталона единицы удельной энтальпии — широко используемой характеристики в науке и промышленности.

Государственный первичный специальный эталон единиц удельной энтальпии и удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 700—1800 К ГЭТ 67—2013 утвержден приказом Росстандарта [6].

Состав и описание работы ГЭТ 67—2013. Измерения проводят методом смешения с помощью массивного металлического калориметра с изотермической оболочкой (водяным термостатом). Схема калориметрической установки, входящей в состав эталона, приведена на рисунке. Усовершенствованный эталон состоит из диатермического калориметра 1 с изотермической оболочкой (водяным термостатом) 2, термостата 3 с новым диапазоном воспроизведения температур 700—1400 К или высокотемпературного термостата с диапазоном воспроизведения температур 1300—1800 К, системы задания и поддержания температуры в термостате 5, системы градуировки калориметра 7 с управляемым источником тока, программируемыми измерителями силы тока, напряжения и времени, программируемого измерителя 8 сопротивления термометра калориметра, персонального компьютера 6, электронных весов, эталонов сравнения на основе корунда и молибдена.

Методом смешения измеряется изменение удельной энтальпии образца при изменении его температуры: Н(7) - Н(7к), где T, Тк — начальная и конечная температуры образца, соответственно. Количество энергии, внесенное нагретым телом в калориметр, определяется по изменению сопротивления AR' платинового термометра калориметра.

Уравнения измерений для удельных энтальпии и теплоемкости имеют вид

H(7) - Н(7к) = [A(AR' + A(AR)) + q (7)]/M;

CP = a [H(7) - Н(7к)]/ат,

где A — эффективная теплоемкость калориметра (градуиро-вочный множитель); A(AR) — поправка на теплообмен калориметра с оболочкой; q (7) — поправка на тепловые потери образца при его падении в калориметр; М — масса образца; Cp — удельная теплоемкость образца при постоянном давлении.

Процесс измерений, управляемый компьютерной программой, разделен на два этапа. На первом этапе определяется множитель A, необходимый для вычисления тепловой энергии, принятой калориметром. Градуировку калориметра осуществляют, подавая на его нагреватель электрический ток и измеряя полученную им энергию. Напряжение и силу тока измеряют мультиметром Agilent 3458A, время подачи тока — частотомером 43-85/3. Калориметр при температуре, близкой к температуре окружающего его термостата (298,15 К), воспринимает доставленную током энергию. Сопротивление платинового термометра калориметра изменяется на AR', которое измеряют с помощью программируемого измерителя (супертермометра Fluke 1595A). За время измерения калориметр в результате теплообмена с изотермической оболочкой (термостат калориметра) теряет часть тепловой энергии, что эквивалентно поправке A(AR) [7]. Изменение сопротивления AR' и теплопотери A(AR) находят с помощью компьютерной программы по данным регистрации зависимости сопротивления платинового термометра от времени. Для обеспечения условий, при которых можно точно определить теплопотери, необходимо постоянство температуры изотермической оболочки.

Градуировочную кривую получают методом наименьших квадратов по результатам экспериментов, проведенных при

различных изменениях ЛЯ' +Л(ЛЯ), и сохраняют в памяти компьютера:

А = ф(ЛЯ + Л(ЛЯ)). (1)

На втором этапе ампула с образцом нагревается до заданной температуры Т в изотермической зоне в одном из двух высокотемпературных термостатов. Одновременно измеряется и регистрируется температура ампулы с образцом с помощью термопреобразователей ППО, ПРО и нановольт-метра КеКЫеу 2182 А. Затем образец свободно падает в калориметр. Калориметр воспринимает доставленную образцом тепловую энергию, что приводит, как и при градуировке, к изменению ЛЯ' сопротивления платинового термометра калориметра.

Поправка д (Т) на теплопотери при падении образца в калориметр определяется опытами с пустой ампулой.

Удельная энтальпия в каждой ¡-й температурной точке определяется с помощью программы обработки массивов данных и уравнения (1 ). Вычисленные значения выводятся на экран монитора. На основании усредненных значений, применяя метод наименьших квадратов, строится температурная зависимость для удельных энтальпии и теплоемкости:

Н(Т) - Н(298,15) = G + ВТ + СТ2 + D/T + Е ехр^/Т);

Ср = д [Н(Т) - Н(298,15)]/дТ =

= В + 2СТ- D/T2 - EF/T2 ехр^/Т), (2)

где G, В, С, D, Е, F — рассчитанные коэффициенты аппроксимации.

Весь эксперимент обеспечивается комплексной системой автоматизации процессов получения и обработки информации, управления измерительными установками.

Метрологические характеристики эталона. При создании эталона был проведен анализ погрешностей. Часть эффектов учтена введением поправок и коррекцией с использованием программного обеспечения, другие минимизированы констру

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком