Исследование тепловых процессов при реализации реперных точек международной температурной шкалы в диапазоне от 0, 01-660, 3230С, с целью повышения ее воспроизводимости

Актуальность проблемы. Термометрия занимает одно из ведущих мест в современной науке и технике. По экспертным оценкам измерения температуры составляют до 30% всех выполняемых измерений в науке и ряде отраслей промышленности. Развитие науки и современных технологий предъявляет все более высокие требования к точности измерений температуры. Этот процесс наблюдается во всем мире. Сравнение этих требований с воспроизводимостью основных реперных точек Международной температурной шкалы (МТШ-90), приведенной в основополагающих документах по реализации шкалы [1,2,3,4], позволяет сделать вывод, что требования к точности в ряде отраслей промышленности приблизились к точности ее реализации.

Безусловно, более жесткие требования к точности измерений предъявляют более жесткие требования к точности построения Международной температурной шкалы и методам ее реализации.

В связи с этим особую важность приобретают исследования методов реализации МТШ-90 и пути их совершенствования. Эти проблемы находят отражение в планах деятельности Консультативного комитета по термометрии при Международном Комитете по мерам и весам и в его рабочих группах. За последние десять лет по инициативе Консультативного комитета по термометрии проведено 4 масштабных международных ключевых сличения, охвативших широкий диапазон шкалы и до 20 национальных институтов метрологии. Эти сличения выявили значительные расхождения между реализациями основных реперных точек разными национальными эталонами по сравнению с представленными оценками их неопределенности и послужили толчком к анализу и уточнению основных определений шкалы, поиску неучтенных источников неопределенности и совершенствованию методик реализации основных реперных точек. Эти направления исследований в настоящее время входят в планы рабочих групп Консультативного комитета.

Важнейшей проблемой современной метрологии является обеспечение единства измерений и взаимное признание результатов измерений и калибровок, выполненных в разных странах. Подписание соглашения, получившего название «Взаимное признание национальных измерительных эталонов, сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами», 38 странами предполагает установление эквивалентности национальных эталонов на основе ключевых сличений. Участие России в этом процессе обеспечивает вхождение Российской системы измерений в глобальную систему измерений, а, следовательно, возможность признания результатов измерений (и калибровок), полученных в России, в том числе в организациях науки.

В этих условиях актуальность работы по совершенствованию Государственного первичного эталона единицы температуры, утвержденного в 1992 году, представляется очевидной.

В России международная температурная шкала МТ1П-90 в диапазоне О — 1064,18 °С реализуется во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева в соответствии с Положением о международной температурной шкале МТШ-90, документом [2]. До настоящего времени в документах отсутствовал системный анализ методики реализации основных реперных точек шкалы от определения самого понятия температуры реперной точки и ее практической реализации до установления теплового равновесия с эталонным термометроминтерполяционным прибором шкалы.

Государственный эталон единицы температуры кельвина в этом диапазоне был утвержден в 1992 г. За прошедший с утверждения эталона период, появились новые научные результаты по возможностям модернизации реализации МТШ-90.

Таким образом, достижение цели работы, заключающейся в совершенствовании методов и средств воспроизведения температуры фазовых переходов реперных точек МТШ-90, обеспечивающих эквивалентность ГПЭ единицы температуры России лучшим эталонам других стран. предусматривает решение следующих научных задач:

• аналитическое исследование факторов, влияющих на измерение температуры фазового перехода основных реперных точек шкалы МТШ-90;

• построение математических моделей процессов теплообмена при реализации фазовых переходов и экспериментальное исследование условий достижения теплового равновесия при использовании ампул «открытого» типа;

• анализ обоснованности и правильности критериев, установленных в международном документе по оптимальной методике реализации основных реперных точек;

• исследование и оценивание неопределенности измерения температуры основных реперных точек, обусловленной отклонением реализуемого значения температуры от температуры «ликвидус», принятой в МТШ-90, поиск и обоснование оптимальной методики реализации;

• анализ влияние основных факторов на температуру тройной точки воды (ТТВ), определяющей достоверность и воспроизводимость МТШ-90;

• экспериментальное и теоретическое исследование условий достижения теплового равновесия при реализации основной реперной точки шкалы МТШ-90 — тройной точки воды (ТТВ);

• исследование воспроизводимости температуры реперных точек аргона и ртути с целью использования их в качестве точек эталона-копии, что обеспечит возможность градуировки термометров сопротивления во ВНИИМ в низкотемпературной области МТШ-90.

1. Результаты исследований источников неопределённостей, влияющих на реализацию температуры основных реперных точек международной температурной шкалы.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования тепловых процессов в установках с использованием ампул «открытого» типа как в период фазового перехода, так и на этапе, предшествующем фазовому переходу для точек затвердевания индия, олова, цинка.

3. Результаты экспериментальных исследований зависимости измеряемой температуры от доли закристаллизованного вещества в соответствии с уточнённым определением температуры фазовых переходов реперных точек цинка и алюминия.

4. Результаты экспериментального исследования зависимости температуры тройной точки воды от концентрации Н, а также от влияний условий её реализации.

5. Результаты исследований воспроизводимости температур тройных точек аргона и ртути.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели внутреннего и внешнего теплообмена ампул реперных точек на разных этапах реализации фазовых переходов в отличие от используемых ранее экспериментальных методов, не позволяющих учитывать конструктивные параметры ампул и термостатов, влияющих на тепловой режим.

2. Выявлена необоснованность и взаимная несогласованность некоторых критериев, рекомендованных в международном документе Консультативного комитета по термометрии для реализации реперных точек на высшем уровне точности. Показана необходимость сохранения критерия, регламентирующего температурный градиент в ампуле в период фазового перехода.

3. На основе экспериментальных исследований определено влияние температурного градиента в термометровом канале на измеряемую температуру фазового перехода для реперных точек цинка и олова.

4. Определена и исследована составляющая неопределенности, связанная с отклонением реализуемого значения температуры фазового перехода от температуры «ликвидус», принятой в новых международных документах. Получены оценки влияния условий инициирования процесса кристаллизации реперных точек затвердевания цинка и алюминия на измеренное значение температуры.

Практическая ценность работы.

Повышена воспроизводимость температур основных реперных точек МПП-90, что подтверждено международными сличениями. На основе результатов, полученных в диссертации:

1. Усовершенствована конструкция ампул реперных точек, используемых для реализации МТШ-90 входящих в состав ГПЭ.

2. Уточнены критерии и параметры методик реализации фазовых переходов реперных точек олова, цинка, алюминия шкалы МТШ-90, которые являются основанием для пересмотра международных документов по реализации реперных точек шкалы МТШ-90 Консультативного комитета по термометрии.

3. Расширен температурный диапазон градуировки эталонных термометров сопротивления во ВНИИМ в низкотемпературной области МТШ-90 от 0,01 °С до -189,3442 °С по результатам исследования воспроизводимости тройных точек ртути и аргона.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты диссертационной работы будут использованы при модернизации ГЭТ34−92, а также внедрены в военный эталон ВЭ29−06 и национальный эталон Республики Беларусь.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные её результаты докладывались и обсуждались на:

— I Всероссийской конференции ТЕМПЕРАТУРА 2001. Подольск, 2001 г.

— 8th Temperature Symposium. Чикаго, 2002 г.

— II Всероссийской конференции ТЕМПЕРАТУРА 2004. Обнинск, 2004 г.

— ТЕМРМЕКО 2004. Дубровник, 2004 г.

Публикации.

Материал диссертации изложен в 5 публикациях.

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 95 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков, 14 таблиц и списка литературы из 43 наименований.

4.3 Выводы.

1. Результатом исследования зависимости температуры ТТВ от концентрации Н2 стала возможность в процессе производства ячеек ТТВ приводить их метрологические характеристики в соответствие с точным определением кельвина согласно международному документу «The International Temperature Scale of 1990», путем добавления в воду заранее л рассчитанного количества Н20, избежав тем самым технически сложной процедуры получения воды с пониженным содержанием 2Н. Для ячеек производства ВНИИМ расчетная величина добавки составляет 25−27 мкмоль 2Н.

2. Анализ результатов сличений КС-7 показал, что при наклоне кривых погружения от 7 мкК/см (соответствует гидростатической зависимости) до 15 мкК/см в термометровом канале ТТВ не приводит к изменению температуры ТТВ. Следовательно, можно предположить, что при измерении температуры ТТВ нет необходимости соответствия температурного поля в термометровом канале гидростатическому давлению. Если кривые погружения имеют наклон от 7 мкК/см до 15 мкК/см, то измерение температуры ТТВ можно считать правильным.

3. Численное моделирование температурного поля в термометровом канале ампулы показало, что для ампул хранящихся в снегу (условия хранения во ВНИИМ) теплоподвод тепла к чувствительному элементу отсутствует, а следовательно отсутствует систематическая неопределённость в измерении температуры ТТВ связанная с теплоподводом.

4. Исследование кривых погружения для ампулы, хранящейся в термостате в затопленном виде, показало влияние воды из термостата на температурное поле в термометровом канале ТТВ. Следовательно, при сличениях ТТВ, наклон кривых погружения представленных странами-участниками может отличаться от измеренных страной-организатором, если условия хранения ТТВ разные.

5. Экспериментальное исследование воспроизводимости и длительности площадок для реперной точки ртути и воспроизводимости для тройной точки аргона показало соответствие этих параметров международным требованиям по реализации низкотемпературных точек. Результатом исследований точки плавления ртути и тройной точки аргона стала возможность включения этих точек в состав эталона-копии, что обеспечило возможность градуировки во ВНИИМ термометров сопротивления в низкотемпературной области МГШ-90.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения настоящей диссертационной работы решена научно-техническая задача по повышению воспроизводимости МТШ-90 и совершенствованию метода её реализации.

Наиболее значимыми являются следующие результаты:

— разработаны математические модели тепловых процессов в печах и ампулах, что позволило оценить влияние конструктивных особенностей ампул реперных точек на неопределённость измерения температуры фазовых переходов, а также оценить достоверность метода измерения температурного градиента в ампуле, рекомендованного в международным документом Рабочей группы 1 Консультативного Комитета по термометрии.

— исследованы и уточнены критерии неравномерности температурного градиента в термометровом канале для реперных точек олова и цинка на разных этапах реализации фазовых переходов, а также экспериментально выявлено их влияние на температуру фазовых переходов.

— определена и исследована дополнительная составляющая неопределенности, возникающая из-за отклонения измеренного значения температуры реперной точки от принятой по определению температуры «ликвидус» для реперных точек затвердевания цинка и алюминия. Эта составляющая неопределенности ранее не рассматривалась при оценивании результатов измерений ключевых сличений.

— результаты экспериментального исследования зависимости температуры ТТВ от концентрации Н позволили в процессе производства ячеек ТТВ приводить их метрологические характеристики в соответствие с новым определением ТТВ.

— результаты исследований точки плавления ртути и тройной точки аргона показали возможность включения этих точек в состав эталона-копии, что обеспечило возможность градуировки во ВНИИМ эталонных термометров сопротивления в низкотемпературной области МТШ-90.