ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
536.531
Применимость метода МТШ-90 к термометрам из платины разной чистоты
А. В. КРЮКОВ
Научно-производственное предприятие «Элемер», e-mail: elemer@elemer.ru
Измерены статические характеристики термометров сопротивления с разной чистотой платины. Показано, что в диапазоне 0—420 °С метод МТШ-90 дает погрешность менее 0,01 °С, а в диапазоне 0—230 °С — менее 0,006 °С.
Ключевые слова: платиновый термометр сопротивления, МТШ-90, методика градуировки.
The static characteristics of platinum resistance thermometers with different purity of the platinum are measured. It was shown that uncertainty of ITS-90 for these thermometers is less than 0,01 °С in the range of 0—420 °С and less than 0,006 °С in the range of 0—230 °С.
Key words: platinum resistance thermometer, ITS-90, method of calibration.
Основными требованиями к средству измерений температуры являются воспроизводимость его индивидуальной статической характеристики (ИСХ), возможность ее стандартизации и адекватность описания. Для эталонного платинового термометра сопротивления последнее сводится к необходимости применения платины высокой чистоты: его относительное сопротивление №(7) = Я(7 )/Я(0,01) в точке плавления галлия должно быть не менее 1,11807, а №(100) = Я(100)/Я(0) — не менее 1,3927 (Я(7) — сопротивление термометра при температуре 7).
В настоящее время ряд предприятий (ФГУП «ВНИИФТРИ», НПП «Элемер») выпускают эталонные термометры, имеющие минимальное значение №'(100) 1,3924 и 1,3908 для 2-го и 3-го разрядов, соответственно. Метод МТШ-90 предусматривает градуировку в реперных точках, а «правильное» поведение термометров между точками определяется чистотой платины и регламентируется упомянутым выше требованием. Поэтому правомерность использования эталонных термометров с №(100) < 1,3927 надо обосновывать.
В поверочных лабораториях, а в последнее время и в различных отраслях промышленности, существует спрос на цифровые термометры с погрешностью 0,03—0,05 °С. В таких приборах часто применяют не эталонные, а рабочие термометры с №(100) вплоть до 1,3850. В связи с этим становится актуальным вопрос методики их градуировки. Она должна быть по возможности простой, но обеспечивающей требуемую точность.
В [1] ИСХ №(7) аппроксимируется полиномом второй степени. В [2] для повышения точности предлагается ввести относительно простую номинальную характеристику, а индивидуальность термометров описывать функцией отклонений. Естественным способом является градуировка в нескольких точках и нахождение обратного 7 (№) полинома для вычисления температуры, надо лишь определить минимальное количество точек градуировки. Наконец, можно воспользоваться методикой МТШ-90.
Цель настоящей работы — проверка адекватности описания МТШ-90 при градуировке термометров сопротивления (ТСП), изготовленных из платины различной чистоты. Фактически, задача состояла в том, чтобы определить, описывается ли отклонение А№(7) = №(7) - №90(7) в диапазоне 0—420 °С предлагаемым полиномом второй степени и, если нет, какова погрешность интерполяции (№90(7) — стандартная функция МТШ-90).
Схема проведения эксперимента и используемое оборудование. Эксперимент состоял из нескольких этапов:
методом сравнения в термостате измеряли ИСХ №(7) термометров;
в точках, близких к тройной точке воды, точкам затвердевания индия, олова и цинка находили отклонения А№(7) = = №(7) - №90(7), а затем вычисляли поправочные коэффициенты а и Ь функции отклонений А№90(7) = №(7) - №90(7) = = а(№(7) - 1) + Ь(№(7) - 1)2;
во всех экспериментальных точках определяли разность А7(7) измеренных значений температуры и рассчитанных с помощью коэффициентов а и Ь по полиному МТШ-90. Величина А7(7) является температурным эквивалентом разности [(№(7) - А№90(7)] — это и есть погрешность метода МТШ-90. В реперных точках эта разность равна нулю по определению, а в промежуточных точках может отличаться от нуля, если А №(7) представляет собой полином степени выше второй;
дополнительно экспериментальные данные обрабатывали методом наименьших квадратов на полиномы различной степени и определяли точность, которую они обеспечивают.
Как было указано выше, наибольший интерес вызывает поведение термометров в точках, промежуточных между ре-перными. Трудность таких измерений состоит в том, что требуются термостаты с небольшими градиентами и высокой точностью термостатирования. К тому же для качественных
9—2448
Т а б л и ц а 1
Основные составляющие погрешности используемого оборудования
Погрешность измерения сопротивления термометра Расширенная оценка суммарной погрешности
Термометр при температуре, °С при температуре, °С
30 160 230 420 30 160 230 420
ПТС-10 0,001 0,003 0,003 0,002 0,0015 0,004 0,004 0,0055
(10 Ом) 0,001 0,001 0,001 0,001 0,0015 0,0015 0,0015 0,002
ПТС-25 0,001 0,002 0,002 0,002 0,0015 0,003 0,0035 0,0055
(25 Ом) 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,001 0,001 0,001 0,0015
ПТСВ-3 0,0005 0,0015 0,0015 0,0015 0,0015 0,003 0,003 0,005
(100 Ом) 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,001 0,001 0,001 0,0015
Градиент темпера- 0 0,0005 0,0015 0,004
туры в термостате 0 0,0005 0,0005 0,001
измерений необходима большая глубина погружения термометров, а следовательно, и большие размеры термостата. В исследованиях использовали термостаты, разработанные и изготовленные в НПП «Элемер» и предназначенные для работы с реперными точками галлия, индия, олова и цинка. Основные параметры термостатов: диаметр колодца для ампулы реперной точки 60 мм; глубина 500 мм; градиент по высоте не более 0,1—0,2 °С; погрешность поддержания температуры не более ±0,02 °С. Для градуировки термометров в колодец помещали термостатирующий алюминиевый блок в кремнеземной оболочке. Это позволило снизить нестабильность температуры в блоке до 0,002 °С за 2,5 ч. Блок имел шесть отверстий для градуируемых и эталонного термометров.
В качестве эталонного термометра использовали ПТС-25 1-го разряда производства ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» (в связи с тем, что среди исследуемых термометров имеются термометры эталонного назначения, в дальнейшем будем называть его «образцовым»).
Измерения сопротивления проводили 8-канальным измерителем температуры МИТ-8.15 производства фирмы «ИзТех».
Влияние погрешности приборов и оборудования. В настоящем исследовании определяли величину АТ(Т), которая отлична от нуля только в том случае, если отклонение АW(T) является полиномом выше второй степени. Именно с этой точки зрения следует оценивать влияние различных погрешностей. Рассмотрим, например, вклад градиента температуры в термостате. Его наличие приводит к тому, что приписываемая исследуемому ТСП температура отличается от образцовой на значение градиента. Если зависимость градиента от температуры квадратичная, то вследствие того, что в диапазоне 0—420 °С используют три реперных точки (квадратичная функция отклонения), такой градиент не изменит поведения термометра в промежуточных точках. Таким образом, если ТСП подчиняется формулам МТШ-90, то наличие квадратичного градиента не изменит данного статуса, а просто приведет к неправильным значениям поправочных коэффициентов а и Ь функции отклонений А^Э0(Т).
По этой же причине основным требованием к «образцовому» термометру является требование его стабильности, при этом предполагается, что он имеет квадратичную функ-
цию отклонений, а его значение А Т(Т) равняется нулю. В противном случае оно войдет составной частью в аналогичную величину всех исследуемых ТСП. Так же искажающее влияние на результаты исследования окажет только та часть погрешности измерителя сопротивления, которая не описывается полиномом второй степени.
В табл. 1 приведены расширенная оценка суммарной погрешности и ее основные составляющие: погрешность измерения сопротивления исследуемого термометра (ПТС-10, ПТС-25 или ПТСВ-3), «образцового» термометра (ПТС-25) и градиенты температуры в термостате. Поэтому все погрешности представлены двумя величинами. Первая (верхняя в каждой строке) относится к градуировке термометров методом сравнения в термостате (без учета погрешности гра-дуировочной характеристики эталонного термометра). Вторая (нижняя) — это погрешность за вычетом квадратичной составляющей. Именно ее значения характеризуют погрешность определения А Т(Т).
Аналогично представлен градиент температуры в термостате в виде двух величин для указанных температур.
Исследуемые термометры. Сведения о термометрах приведены в табл. 2. Все термометры, кроме эталонных ПТС-10 и ПТС-25, изготовлены в НПП «Элемер» из чувствительных элементов (ЧЭ) разных производителей. Термометры № 028 и № 203 являются эталонными, но по конструкции их ЧЭ близки к рабочим.
Результаты измерений. До настоящих измерений термометры многократно нагревали до 500 °С. Измерения проводили в 12—15 точках, равномерно распределенных в диапазоне температур 0—430 °С. Первой и последней измеренной точкой была 0 °С. Воспроизводимость сопротивления Я(0) после нагрева до 430 °С была не хуже ±0,001 °С для всех термометров, кроме № 050 (±0,006 °С) и № 219 (±0,003 °С).
Предварительная обработка экспериментальных данных показала, что при температурах 0—420 °С ИСХ платиновых термометров сопротивления описываются полиномом четвертой степени с погрешностью менее 0,002 °С, а полиномом пятой степени — с погрешностью менее 0,001 °С (табл. 3). Последняя величина связана не с неадекватностью модели, а обусловлена разбросом, характеризующим случайную составляющую погрешности измерений и неста-
Сведения об исследуемых термометрах
Заводской номер термометра Номинальное значение R (0) \ (100) Изготовитель чувствительного элемента Материал корпуса
028 (ПТСВ-3) 100 1,3917 ВНИИФТРИ 12Х18Н10Т
203 (ПТСВ-3) 100 1,3927 То же 12Х18Н10Т
070 100 1,3918 «Электротермометрия» (Луцк, Украина) 12Х18Н10Т
072 100 1,3920 То же 12Х18Н10Т
073 100 1,3920 » 12Х18Н10Т
074 100 1,3920 » 12Х18Н10Т
217 100 1,3815 Sensycon (Германия) 12Х18Н10Т
218 100 1,3852 То же 12Х18Н10Т
219 100 1,3835 » 12Х18Н10Т
050 100 1,3849 » 12Х18Н10Т
281 (ПТС-10М) 10 1,3927 «Эталон», Владимир Кварц
5190 (ПТС-10) 1
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.