Проблемы поверки
Поверка термометров малого погружения.
Необходимо помнить всегда, что контактный датчик показывает температуру его собственного чувствительного элемента, а не температуру объекта, в который он установлен. Чем меньше тепловое сопротивление между ЧЭ и объектом измерения и чем меньше теплообмен между ЧЭ и окружающей внешней средой, тем точнее результат измерения. Теплоотвод по корпусу термометра является одним из важнейших источников неопределенности измерения температуры. Минимальная глубина погружения термометра, необходимая для обеспечения соответствия датчика допускам нормируется для каждого типа термометров и указывается в технической документации. Показания термометров с малой глубиной погружения сильно зависят от перепада температуры между окружающей средой и объектом. В процессе испытаний таких датчиков необходимо исследовать этот эффект и учесть его при определении характеристик точности. Грубое правило для определения минимальной глубины погружения термометра: 15 диаметров датчика плюс длина чувствительного элемента. Это требование утановлено в ряде нормативных документов, в том числе в ГОСТ 8.461 на поверку термометров сопротивления. Однако эксперименты показывают, что для достижения точности в пределах сотой градуса такой глубины погружения не достаточно.
Одно из наиболее интересных и полных исследований характеристики погружения термометра в термостат было проведено специалистами Новой Зеландии. (D. R. White, , C. L. Jongenelen, The Immersion Characteristics of Industrial PRTs, International Journal of Thermophysics, September 2010, Volume 31, Issue 8, pp 1685-1695). Приведем график из этой работы, показывающий результаты, полученные по 5 термометрам различного диаметра. По вертикальной оси - относительная погрешность результата измерения температуры, по горизонтальной оси - отношение глубины погружения в термостат к диаметру термометра.
Было показано, что:
•Погружение на глубину 10 диаметров термометра, как правило, приводит к относительной погрешности около 1%, увеличение погружения еще на 10 диаметров уменьшает погрешность в 10 раз.
Проблемы теплоотвода по термометру при поверке в сухоблочном калибраторе и реперной точке обсужаются также в статье специалистов ВНИИМС "Влияние длины термометра на результат поверки в калибраторе", опубликованной в рубрике "Полемические заметки" на нашем сайте.
Поверка поверхностных термометров.
Измерение температуры поверхности удобнее всего проводить с помощью радиационных термометров. Хотя в этом случае точность сильно ограничена из-за проблемы учета излучательной способности конкретной поверхности. Более точное измерение температуры поверхности с помощью контактных термометров – очень сложная задача. Корпус поверхностного датчика обычно имеет наконечник в виде пластины или пружины, в котором размещается чувствительный элемент (термометр сопротивления, термопара или термистор). Датчик сильно прижимается к поверхности. Таким образом создается система объект – его поверхность – поверхность пластины датчика – корпус датчика – чувствительный элемент. Какова измеренная температура, т.е. температура чувствительного элемента? Ясно, что кроме температуры поверхности объекта это зависит от многих вещей: от температуры внешней среды, от температуры объекта, от теплопроводности корпуса датчика, от теплопроводности объекта. Теоретическое решение проблемы – построение уравнения теплопроводности для системы объект – датчик с учетом теплофизических свойств материалов и граничных условий теплообмена. Практическое решение – создание установок, приближающих условия использования поверхностного датчика к условиям его поверки. В этом случае температура поверхности определяется как температура тонкого слоя под поверхностью объекта и измеряется встроенным термометром. Однако необходимо при поверке создать условия окружающей среды близкие к рабочим.
Подробнее о поверхностных термометрах см. раздел "Измерение температуры поверхности".
Поверка в сухоблочных термостатах (калибраторах).
Сухоблочные термостаты (часто называемые калибраторами) – очень удобное средство поверки термометров и термопар. Они могут работать в широком температурном диапазоне, не требуют смены термостатирующей жидкости, экологически безопасны. ( см. раздел "Выбор поверочного оборудования/Выбор сухоблочного термостата") Однако, точность поверки в таких термостатах значительно хуже, чем в жидкостных. Прежде всего это связано с трудностью выравнивания температурного поля в рабочем объеме. Если в современных жидкостных переливных термостатах перепад температуры в объеме составляет менее 0,01°С, то в самых современных сухоблочных термостатах градиент температуры по вертикали рабочего объема обычно не лучше 0,1 °С . Европейская кооперация по аккредитации ЕА выпустила специальную рекомендацию по применению сухоблочных термостатов и калибраторов температуры, в которой приводятся условия, при которых возможно проводить поверку термометров. Ссылки на эту рекомендацию можно встретить в каталогах зарубежных фирм, выпускающих сухоблочные термостаты.
Рекомендацию Европейской комиссии по аккредитации лабораторий по поверке сухоблочных калибраторов скачать можно здесь:
EM/CG 13.01 Calibration of Temperature Block Calibrators
Приводим также перевод примера расчета неопределенности калибратора из ЕА-4/02:
S11 Калибровка сухоблочного калибратора при 180 °С рус.(pdf)
Основные положения рекоммендации:
1. Каналы в выравнивающем блоке должны иметь изотермическую зону длиной не менее длины чувствительного элемента поверяемого термометра, в любом случае, не менее 40 мм. Точное расположение зоны и температурный градиент в ней должны быть указаны в документации на калибратор.
2. При поверке термометров в диапазоне от -80 °С до 660 °С внутренний диаметр канала в блоке должен отличаться от внешнего диаметра поверяемого термометра не более, чем на 0,5 мм. В диапазоне от 660 °С до 1300 °С допускается различие диаметров до 1 мм. Для улучшения теплового контакта могут быть использованы различные теплопроводящие вещества, указанные в документации на калибратор.
3. Глубина погружения термометра в блок должна быть, по крайней мере, в 15 раз больше, чем диаметр термометра, плюс длина чувствительного элемента. Калибраторы рекомендуется использовать для поверки термометров, диаметр которых не более 6 мм. Для поверки термометров диаметром более 6 мм необходимы дополнительные исследования погрешности от теплоотвода по стержню термометра в окружающую среду.
4. Калибратор должен иметь свидетельство о поверке, в котором указаны следующие обязательные характеристики:
- отклонение показаний встроенного термометра от действительного значения температуры в центральном канале блока при нескольких значениях измеряемых температур;
- нестабильность поддержания температуры в канале блока за время не менее 30 мин.;
- расхождение значений температуры между каналами блока;
- вертикальный градиент температуры в изотермической зоне блока.
Характеристики должны быть определены отдельно для каждого блока, входящего в комплектацию калибратора.
В свидетельстве также должны быть указаны условия поверки калибратора, применяемые для поверки теплопроводящие вещества, средства для изоляции выравнивающего блока сверху, количество одновременно поверяемых термометров. Условия поверки термометров должны быть максимально приближены к условиям, в которых проводилась поверка калибратора.