Метрологическое обеспечение средств измерений температуры

Основу метрологического обеспечения средств измерений темпера­туры в диапазоне 13,81—6300 К составляют две поверочные схемы, в основе которых лежат государственные первичные эталоны еди­ниц температуры— кельвин (К). Принцип действия эталонов осно­ван на воспроизведении реперных точек МПТШ-68. В диапазоне температур от 13,81 до 273,15 К передача размера единицы от эта­лона осуществляется образцовыми средствами измерений, в состав которых входят платиновые термопреобразователи сопротивления, полупроводниковые термопреобразователи сопротивления, медь-копелевые и медь-константаиовые термоэлектрические термометры (ТЭТ) и ртутные стеклянные термометры.

Передача размера единицы температуры от эталона в диапа­зоне 273,15—6300 К осуществляется образцовыми средствами изме­рений, которые согласно поверочной схеме подразделяют на две группы: термометры и пирометры. В группу термометров входят: ртутные стеклянные термометры, платиновые термометры сопротив­ления, платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые (градуировка ПР30/6) ТЭТ и вольфрамрениевые (градуировка ВР 5/20) ТЭТ, а в группу пирометров — температурные лампы, пиро­метры полного излучения и визуальные монохроматические пиро­метры.

Образцовые стеклянные жидкостные термометры. Они предназначены для измерения температуры в диапазоне 240,15—903 К. В качестве термометрической жидкости в этих термометрах исполь­зуется ртуть. Образцовые ртутные термометры выпускаются палочные (рис. 15.6, а) и с вло­женной шкалой (рис. 15.6,6).

Палочные термометры представляют собой толстостенный капилляр 1 с внешним диамет­ром 6—8 мм и внутренним 0,1 мм. Нижняя часть капилляра выполнена в виде резервуа­ра 2 цилиндрической формы, заполненного ртутью, а верхняя часть — заварена, чем обес­печивается герметизация внутренней полости капилляра. Шкала у палочного термометра на­несена непосредственно на внешнюю поверх­ность капилляра. Отличительной особенностью термометров с вложенной шкалой является то, что капилляр 1, снабженный резервуаром 3 цилиндрической формы, прикрепляется к шкальной пластине 2 и оба они размещены вну­три защитной стеклянной оболочки. Довери­тельные абсолютные погрешности образцовых ртутных термометров 3-го разряда ± (0,03— 3,0) К. Образцовые ртутные термометры вы­пускаются с ценой деления 0,01; 0,02; 0,05;

За действительную температуру термостата (криостата), измеряемую образцовым термо­метром, принимают среднее арифметическое из его показаний, к которому прибавляют поправку для данной от­метки шкалы, взятую из свидетельства, и поправку на выступающий столбик.

Рис. 15.6. Устройство ртутных стеклянных термометров

Образцовые термопреобразователи сопротивления. Эти термо­метры изготавливают из платины. Чувствительный элемент образ­цового термопреобразователя сопротивления представляет собой кварцевый каркас геликоидальной формы с укрепленной спи­ралью из платиновой проволоки. Для измерения сопротивления чувствительного элемента предусмотрено две пары выводов. Одна пара выводов потенциальная, вторая — токовая. Потенциальные выводы подключаются к измерительному прибору, а токовые — к источнику тока. Образцовые термометры с абсолютной погрешно­стью ± (0,03—0,07) К в диапазоне 273—903 К применяют для проверки рабочих термопреобразователей сопротивления из неблаго­родных металлов, полупроводниковых термометров, жидкостных стеклянных термометров, манометрических термометров и термо­электрических из неблагородных металлов. Образцовые термомет­ры с абсолютной погрешностью ±(0,01—0,03)К в диапазоне 273— 903 К применяются только для поверки платиновых термометров сопротивления.

Образцовые термоэлектрические термометры. Образцовые термоэлектрические термометры (ТЭТ) подразделяют на платиноро­дий-платиновые, платинородиевые и вольфрамренивые. Абсолют­ные погрешности образцовых ТЭТ составляют: для платинородий-платиновых ТЭТ в диапазоне температур 573—1473 К—±(0,8— 2,0) К; для платинородиевых (градуировка ПР 30/6) ТЭТ в диапазоне 1200—2073 К — ±(1,2—6,0) К; для вольфрамрениевых (градуировка ВР 5/20) ТЭТ в 'диапазоне 1200—2800К — ± (2— 17)К.

Конструкции образцовых и рабочих ТЭТ аналогичны. При про­ведении поверочных измерений образцовые ТЭТ применяются без защитных чехлов.

Образцовые температурные лампы. Температурные лампы пред­назначены для воспроизведения яркостной и цветовой температур. Образцовые температурные лампы с абсолютной погрешностью ±(3—15) К предназначены для поверки рабочих монохроматиче­ских пирометров и пирометров спектрального отношения в интер­валах температур 1100—3100 К.

Образцовые пирометры полного излучения предназначены для поверки рабочих пирометров полного излучения, диапазон измере­ния которых 300—2800 К. Абсолютная погрешность образцовых пирометров полного излучения в диапазоне 300—2800 К составляет ±(5—15) К.

Рассмотренные образцовые средства измерений предназначены для поверки первичных измерительных преобразователей темпера­туры. Метрологическое обеспечение средств измерений, работаю­щих в комплекте с первичными измерительными преобразователя­ми температуры, к числу которых относятся измерительные прибо­ры и нормирующие измерительные преобразователи, базируется на образцовых средствах измерений, заимствованных из других пове­рочных схем. Эти средства измерений являются электрическими и включают: меры ЭДС, потенциометры и меры электрического со­противления.

Образцовые меры электродвижущей силы. В качестве меры ЭДС используют нормальные элементы, представляющие собой гальванические элементы, способные воспроизводить ЭДС с высо­кой точностью. Нормальные элементы (НЭ) изготавливают двух типов: насыщенные и ненасыщенные. Насыщенный НЭ (рис. 15.7) состоит из герметичного стеклянного сосуда Н-образной формы. Положительным электродом 1 служит ртуть, отрицательным элек­тродом 5 — амальгама кадмия. Выводы от электродов, выполненные из платиновой проволоки, впаяны в нижние концы сосуда. Над ртутью расположен слой пасты 2 из смеси сернокислой ртути и сернокислого кадмия. Паста является деполяризатором. Элек­тролитом 4 служит насыщенный раствор сернокислого кадмия. Насыщение раствора обеспечивается кристаллами сернокислого кадмия 3. В зависимости от допустимого из­менения ЭДС в процентах за год насыщен­ные НЭ подразделяют на классы 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005. Насыщенный НЭ позволяет пропускать ток не более 1 мкА и обладает чувствительностью к изменению температуры. Среднее значение ЭДС НЭ при 20°С составляет 1,0186 В.

Рис. 15.7. Устройство нор­мального элемента

Действительное значение ЭДС насыщен­ного НЭ при температурах, отличных от 20°С, определяют расчетным путем.

Ненасыщенные НЭ отличаются от насы­щенных тем, что они заполнены ненасыщен­ным раствором сернокислого кадмия. ЭДС ненасыщенного НЭ составляет 1,0186— 1,0194 В. Класс точности ненасыщенных НЭ 0,002; 0,005; 0,01; 0,02. Основное достоинство ненасыщенных НЭ — способность пропускать ток до 10 мкА и малое изменение ЭДС с изменением температуры. Образцовые потенциометры постоянного тока. К числу образцо­вых потенциометров постоянного тока относятся переносные потен­циометры класса точности 0,05. Эти потенциометры предназначены для непосредственного измерения ЭДС (напряжения); поверки тех­нических ТЭТ, нормирующих измерительных преобразователей и измерительных приборов, работающих в комплекте с ними; получе­ния плавно регулируемого напряжения постоянного тока. Для вы­полнения указанных выше функций переносные потенциометры оснащаются узлами (рис. 15.8), основными из которых являются: потенциометр с ручным уравновешиванием П; делитель напряже­ния ДН; переключатель сопротивлений В1; переключатель рода ра­боты В2; источник питания ИП (батарея из нескольких параллельно соединенных сухих элементов). Электрическая схема потенциомет­ра Я с ручным уравновешиванием (рис. 15.9) состоит из трех кон­туров: контроля I, компенсации II и измерения III. Контур контроля I включает нормальный элемент НЭ, резистор R_НЭ, тумблер Т в положении К (контроль) и нуль-гальванометр НГ,

Контур компенсации II образован переменным резистором R_б, источником питания ИП, резистором R_НЭ, резисторами R₁—R₄₈ секционированного переключателя В3 и реохордом R_p. Контур из­мерения III состоит из зажимов К3 и К4, на которые подается из­меряемая ЭДС (напряжение), резисторов R₁—R₄₈, секционирован­ного переключателя В3, тумблера Т в положении И (измерение) и нуль-гальванометра НГ.

Назначение отдельных элементов контуров I — III аналогично назначению соответствующих элементов потенциометра, схема которого представлена на рис. 6.13. Что касается секционирован­ного переключателя В3, то он применен в схеме переносного по­тенциометра с целью расширения пределов измерения. Процеду­ра измерения ЭДС (на­пряжения) осуществляет­ся в последовательности, рассмотренной для потенциометрической схемы, приведенной на рис. 6.13. Значение измеряемой ЭДС (напряжения) в милливольтах равно сум­ме показаний шкалы 2 (целые значения) и шка­лы 1 (дробные значения).

При измерении ЭДС (напряжения) переносным потенциометром (см. рис. 15.8) переключатель В2 должен находиться в по­ложении «Потенциометр», а переключатель В1 — на отметке 0.

При поверке автома­тических потенциометров и пирометрических милли­вольтметров переключа­тель В2 находится в поло­жении «Поверка», а пере­ключатель В1 ставится на отметку 0 (при поверке потенциометров) или на отметку, соответствующую указанной на шкале пове­ряемого милливольтметра R_ВН. В процессе поверки на зажимы Kl, K2 пере­носного потенциометра с ДН подается напряжение, составляющее от —5 до 100 мВ, которое одновре­менно подается и на за­жимы КЗ, К4 потенцио­метра П. В результате пе­реносной потенциометр превращается в меру напряжения.

Рис 15.9 схема потенциометра с ручным уравновешиванием

При работе в режиме источника регулируемого напряжения пе­реключатель В2 находится в положении ИРН, а переключатель й В1 — на отметке 0. Переносной потенциометр может быть исполь­зован и для поверки сопротивления, имитирующего сопротивление линии. Для выполнения этого рода работы переключатель В2 дол­жен находиться на отметке точка (.).

Образцовые меры электрического сопротивления. В качестве мер электрического сопротивления применяют измерительные ка­тушки сопротивлений и магазины сопротивлений классов точности 0,01—0,05. Они широко используются при поверке логометров, ав­томатических электронных мостов и нормирующих измерительных преобразователей, работающих в комплекте с термопреобразова­телями сопротивления.