Исследование государственного первичного эталона единицы температуры в диапазоне выше 961,78°C с целью улучшения его метрологических характеристик тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Фуксов, Виктор Маркович

• Фуксов, Виктор Маркович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фуксов, Виктор Маркович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

1.1. Анализ соответствия метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы температуры требованиям промышленности и его эквивалентности мировым аналогам.

1.2. Анализ источников погрешностей воспроизведения и передачи единицы температуры в радиационной термометрии.

1.3. Выбор основных направлений совершенствования эталона.

1.4. Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Исследование составляющих погрешности воспроизведения реперных точек в диапазоне выше 961,78 °С.

2.1 Исследование излучательной способности модели АЧТ.

2.2 Оптимизация методики реализации точки затвердевания меди и оценка погрешности, связанной с идентификацией температуры затвердевания.

2.3 Исследование процессов теплообмена в высокотемпературном излучателе.

2.4. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Исследование путей совершенствования аппаратуры ГЭТ 34-2007 в части использования вольфрамовых ленточных ламп.

3.1 Исследование путей уменьшения составляющей погрешности влияния температуры цоколя и окружающей среды на температурные лампы СИ10-300 и Polaron 10V.

3.2 Исследование температурных полей лент температурных ламп с целью повышения точности воспроизводимости единицы температуры.

3.3 Анализ погрешностей, связанных с измерением тока в цепи лампы и стабильностью параметров лампы.

3.4 Выводы главе 3.

ГЛАВА 4. Исследование составляющих погрешности при передаче единицы температуры при помощи спектрокомпаратора.

4.1 Исследование воспроизводимости измерений при использовании спектрокомпаратора.

4.2 Исследование влияния изменения температуры воздуха в помещении на оптическую часть компаратора.

4.3 Исследование стабильности длины волны монохроматора. Измерения на разных длинах волн.

4.4 Исследование влияния эффекта размера источника излучения.

4.5 Исследование нелинейности фотоэлектрического тракта компаратора

4.6 Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. Экспериментальное подтверждение метрологических характеристик и перспективы дальнейшего повышения точности эталона.

5.1 Подтверждение метрологических характеристик эталона в ходе международных сличений и совместных международных исследований.

5.2 Анализ результатов работы.

5.3 Перспективы дальнейшего повышения точности ГЭТ34-2007.

5.4 Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование государственного первичного эталона единицы температуры в диапазоне выше 961,78°C с целью улучшения его метрологических характеристик»

Актуальность проблемы. Повсеместный рост требований к точности измерений, наблюдаемый во всем мире, затрагивает и область термометрии. Основными требованиями, предъявляемыми к первичной термометрии, являются обеспечение потребностей по точности науки и промышленности и обеспечение эквивалентности Государственного первичного эталона единицы температуры лучшим мировым аналогам.

Переутвержденный в 2007 году Государственный первичный эталон единицы температуры ГЭТ 34-2007, обеспечивающий воспроизведение и передачу размера единицы температуры в диапазоне от 0,01 °С до 3000 °С, в настоящее время удовлетворяет потребностям отечественной промышленности и науки, однако появление новых зарубежных средств измерений температуры в диапазоне выше 1000 °С требует повышения точности на эталонном уровне для проведения их испытаний и метрологического обеспечения в процессе эксплуатации в России. Кроме того, анализ прогнозируемых к 2015 году требований промышленности в области приборостроения и энергетической промышленности указывает на необходимость повышения точности измерения температуры в диапазонах от 962 до 1200 °С и от 1500 до 2500 °С. Из-за больших временных и материальных затрат разработка нового эталонного комплекса в данный момент нецелесообразна.

В диапазоне температуры выше 961,78 °С эталон единицы температуры представляет сложный комплекс аппаратуры для бесконтактной передачи размера единицы, и некоторые составляющие погрешности при его переутверждении были определены аналитическими расчетами или по устаревшим методикам.

Цели работы.

Целью работы является комплексный анализ источников составляющих погрешности аппаратуры бесконтактной части Государственного первичного эталона температуры, исследование наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов и технических средств, позволяющих повысить точность воспроизведения и передачи единицы температуры. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

- проанализировать перечень составляющих погрешности Государственного первичного эталона температуры и бюджеты неопределенностей зарубежных аналогов для определения наиболее перспективных путей повышения точности аппаратуры; провести исследования по наиболее существенным источникам систематической погрешности для определения функциональных зависимостей и введения поправок при процессах воспроизведения и передачи размера единицы температуры;

- разработать методы и средства, которые позволят уменьшить суммарную погрешность Государственного первичного эталона температуры в диапазоне от 961,78 °С до 3000 °С.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней:

- разработана и обоснована- методика определения неоднородности температурного поля на поверхности полости модели абсолютно черного тела;

- впервые . разработана математическая модель теплообмена ленты температурной лампы с её термостатированным патроном и окружающей средой, получены теоретические оценки влияния внешних параметров на температуру рабочей зоны ленты;

- проведены экспериментальные исследования и получены значения погрешностей по четырем степеням свободы позиционирования ленты лампы на оптическую ось пирометра/компаратора;

- получены результаты измерений яркостной температуры излучателей в зеленой и инфракрасной (ИК) областях спектра, получены градуировочные характеристики для температурных ламп на трех различных длинах волн;

- разработан новый подход к определению эффекта размера источника, учитывающий характеристики излучателя, получены значения поправок при передаче единицы температуры между источниками излучения различной конфигурации.

Практическая ценность работы.

Основной практической ценностью работы является разработка методов и определение основных путей улучшения метрологических характеристик существующего эталона, которые позволяют уменьшить суммарную погрешность воспроизведения на (2(Н40)% в диапазоне (961,78-^-3000) °С по сравнению с указанными в действующей поверочной схеме и паспорте эталона, и экспериментальное подтверждение возможности этого улучшения применением разработанных методов в ходе международных сличений.

Также на основе результатов, полученных в диссертации:

- предложены методы и пути повышения точности Государственного первичного эталона единицы температуры в диапазоне от 961,78 °С до 3000 "С.

- были разработаны новые узлы оптической схемы, что привело к повышению точности и стабильности воспроизведения температуры с помощью компаратора;

- автором разработан термостатированный комплект мер сопротивления на основе шунтов МР 3050, который был включен в состав ГЭТ 34-2007;

- разработан программный пакет для определения излучательной способности произвольно заданной полости, который может быть использован для расчета при исследовании как новых, так и имеющихся излучателей;

- автором разработана новая методика исследования температурных вольфрамовых ламп и усовершенствована методика аттестации Государственного первичного эталона единицы температуры.

Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и ФГУП «СНИИМ».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- методы и средства, обеспечивающие возможность уменьшения, и оценки составляющих суммарной погрешности, полученные в ходе исследований аппаратуры ГЭТ 34-2007;

- математические модели теплообмена температурных ламп и тиглей с металлом с окружающей средой для оценки влияния геометрических и теплофизических параметров на неоднородность температурного поля по поверхности излучающего тела;

- методы оценки эффекта размера источника и результаты его исследований;

- результаты исследований влияния температуры окружающей среды на аппаратуру ГЭТ 34-2007 и зависимости нелинейности выходного сигнала фотоэлектрического измерительного канала от яркостной температуры;

Апробация работы.

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

- III Всероссийской и стран участниц КООМЕТ конференции ТЕМПЕРАТУРА 2007, г. Обнинск, 2007 г.

- Международной конференции ТЕМРМЕКО 2010, г. Порторож (Словения), 2010 г.

- семинарах лаборатории 2411 и НИО 241 ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Публикации, структура и объем работы. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка источников и приложений. Общий объем работы составляет 145 страниц машинописного текста, включая 36 рисунков, 39 таблиц и списка источников из 65 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Фуксов, Виктор Маркович

5.4 Выводы к главе 5.

1) Расчет суммарной погрешности показал, что проведенные в рамках данной диссертации работы позволили снизить суммарную погрешность воспроизведения и передачи единицы температуры эталоном ГЭТ34-2007 на 20% в реперной точке серебра и на 40% при 3000 К.

2) Результаты международных сличений и работа по международным проектам показывает, что полученные метрологические характеристики отражают действительную ситуацию. Расхождение результатов ВНИИМ по определению значений температуры плавления высокотемпературных эвтектик с принятыми среднемировыми значениями меньше суммарной погрешности эталона.

3) На примере перспективных направлений совершенствования аппаратуры эталона и развития термометрии показана возможность дальнейшего повышения точности воспроизведения и передачи единицы температуры на эталонном уровне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По итогам комплекса теоретических работ и экспериментальных исследований на аппаратуре Государственного первичного эталона единицы температуры были получены следующие основные результаты:

- Были разработаны тепло физические модели тигля с металлом и ленты температурной лампы; с помощью моделей были получены значения поправок на неравномерность температурного поля в полости тигля и на изменение условий теплообмена ленты лампы с окружающей средой, введение которых позволило сократить соответствующие составляющие суммарной погрешности. Также была разработана программа для реализации математических моделей полостей тиглей различной конфигурации, с помощью которой была рассчитана погрешность, обусловленная отличием излучательной способности полости тигля от излучательной способности абсолютно черного тела.

- Проведены исследования температурных полей ламп, воспроизведения при измерении яркостной температуры ленточных вольфрамовых ламп, чувствительности оптической системы спектрокомпаратора к изменению температуры окружающего воздуха, влияния эффекта размера источника при различных значениях температуры, нелинейности фотоэлектрического тракта. По результатам этих исследований получены реальные значения поправок и составляющих суммарной погрешности эталона.

Введены в состав эталона комплект термостатированных мер сопротивления, разработана и включена в состав оптической системы новая стойка для зеркала. Данные меры позволили сократить погрешности, обусловленные неточностью определения тока питания ламп и влиянием температуры окружающей среды на передачу размера единицы температуры.

Разработанные методы и полученные результаты позволяют повысить точность Государственного первичного эталона единицы температуры на (20-40)% в диапазоне (961,78-^3000) °С по сравнению с указанными в действующей поверочной схеме и паспорте эталона.

Решение поставленной в работе задачи по улучшению метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы температуры имеет существенное значение для прецизионной бесконтактной термометрии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фуксов, Виктор Маркович, 2011 год

1. Походун А.И., Дедиков Ю.А. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Разработка концепции развития системы метрологического обеспечения температурных измерений» УДК 543.51.089.68:389. С-Пб: ВНИИМ, 2008. 105 с.

2. P. Bloembergen. Protocol to the comparison of local realizations of the ITS-90 between the silver point and 1700°C using vacuum tungsten-strip lamps as transfer standards. June 1997. 17 p.

3. Киренков И.И., Крахмальникова Г.А. Государственный первичный эталон единицы температуры кельвина в диапазоне 1337.2800 К. «Измерительная техника» № 4, 1973.

4. Матвеев М.С., Походун А. И., Сильд Ю.А., Фуксов В.М., Цорин В.Г., Никитин Ю.В.. Фотоэлектрический спектрокомпаратор нового поколения для прецизионных измерений в области радиационной термометрии. «Приборы» № 10, 2008. С. 30-38.

5. Fischer J. et al. Uncertainty budgets for realization of ITS-90 by radiation thermometry, Temperature: Its Measurement and Control in Science and Industry, vol 7. Melville, NY: AIP. P. 631-638.

6. H. C. McEvoy. The examination of base parameters for its-90 scale realization in radiation thermometry, EUROMET.T-S1 (EUROMET project 658) main measurement report (final report). Metrologia, 2008, 45, Tech. Suppl. P. 217.

7. H. W. Yoon. The realization and the dissemination of the detector-based Kelvin. Optical Technology Division National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, USA, 2004.

8. H. W. Yoon. The realization and the dissemination of thermodynamic temperature scales. Metrología, 2006, 43. S22-S26.

9. M. Ballico. Independent Australian realisation of the International temperature scale of 1990 using the recommissioned APEP2 pyrometer. CSIRO technical memorandum P-48, November 1997.

10. T. Ricolfi, F. Girard. Precision radiation thermometer for the realization of the ITS-90 above 962 °C. In: Proc. TEMPBEIJING '97 Beijing: Standards Press of China, 1997. P. 55-60

11. P. Balling, P. Kren. Linearity limits of biased S1337 trap detectors. Metrología, 2001,38. P. 249-251.

12. R. Goebel, M. Stock. Nonlinearity and polarization effects in silicon trap detectors. Metrología, 1998, 35. P. 413-418.

13. J. Ancsin. Equilibrium melting curves of relatively pure and doped silver samples. Metrología, 2001, 38. P. 229-235.

14. M. Hansen. Constitution of Binary Alloys. NY: McGraw-Hill, 1958.

15. P. Saunders, D. R. White. Interpolation errors for radiation thermometry. Metrología, 2004, 41. P. 41-46

16. P. Saunders, D. R. White. Physical basis of interpolation equations for radiation thermometry. Metrología, 2003, 40. P. 195-203

17. P. Saunders, H. Edgar. On the characterization and correction of the size-of-source effect in radiation thermometers. Metrología, 2009, 46. C. 62-74.

18. C. K. Ma, J. Hartmann, C. E. Gibson. Decreasing dependence of the calibration of the tungsten strip lamp on the temperature of the lamp base with increasing filament length. Metrología, 2005, 42. P. 383-388.

19. Крахмальникова Г.А. Отчет о НИР «Исследование государственного первичного эталона единицы температуры-кельвина по МПТШ-68 в диапазоне 1337,58.2800 К» УДК 536.5.081.3.089.68. Л: ВНИИМ, 1980. 61 с.

20. Фуксов В.М. Основные направления и методы повышения точности государственного первичного эталона единицы температуры в диапазоне выше точки затвердевания серебра. «Приборы» № 10, 2010. С. 54-58.

21. Prokhorov А. V., Martin J. Е. Proc. SPIE, 1996, P. 160-168.

22. S. Galal Yousef, P. Sperfeld, J. Metzdorf. Measurement and calculation of the emissivity of a high-temperature black body. Metrología, 2000, 37. P. 365-368.

23. С. K. Ma. Experimental investigation of the temperature drop across the wall of a copper-freezing-point blackbody. Temperature, Its Measurement and Control in Science and Industry, 2002, vol. 7. P. 651-656.

24. H. Preston-Thomas, P. Blomergen, T.J. Quinn. Supplementary Information for International Temperature Scale of 1990. Pavilion de Breteuil, Serves, BIPM, 1990.

25. F. Sakuma, C.K. Ma. Evaluation of the Fixed-Point Cavity Emissivity at NMIJ. TEMPMEKO 2004: Proc. 9th Int. Symp. on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science, Dubrovnik, Croatia, 2004.

26. Heinisch R. P., Schmidt R. N., Appl. Opt. 9, 1970. P. 1920-1925.

27. Mekhontsev S., Khromchenko V., Prokhorov A., Hanssen L. Experimental Characterization of Blackbody Radiation Sources. Experimental Methods in the Physical Sciences, Vol. 43, 2010. P. 57-130.

28. Ballico M. Metrología, 2000, 37. P. 295-300.

29. Galal Yousef S., Sperfeld P., Metzdorf J. Metrología, 2000, 37. P. 365-368.

30. Ma С. K. TEMPMEKO 2004: Proc. 9th Int. Symp. On Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science. Dubrovnik, Croatia, 2004.

31. Prokhorov A.V. Metrología, 1998, 35. P. 465-471.

32. Prokhorov A. V., Hanssen L. M. Effective emissivity of a cylindrical cavity with an inclined bottom: I. Isothermal cavity. Metrología, 2004, 41. P. 421-431.

33. P. Jimeno-Largo, Y. Yamada, P. Bloembergen, M. A. Villamanan, G. Machin. Numerical analysis of the temperature drop across the cavity bottom of hightemperature fixed points for radiation thermometry. TEMPMEKO, vol. 1, 2004. P. 335-340.

34. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

35. Р. Зигель, Дж. Хауэлл. Теплообмен излучением. М: «Мир», 1975. 628 с.

36. Stevenson J. A., Grafton J. С. Radiation heat transfer analysis for space vehicles. Rept SID-61-91, North American Aviation (AFASD TR-61-119, pt. 1), Sept. 9,1961.

37. Leunenberger H., Person R. A. Compilation of radiation shape factors forcylindrical assemblies, paper № 56-A-144. ASME, Nov., 1956.i

38. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под. ред. А.Е. Шейндлина. М., «Энергия», 1974. 472 с.

39. V.M. Fuksov, A.I. Pohodun, M.S. Matveyev. Experimental and numerical investigation of the temperature field of the fixed point cavity. International Journal of Thermophysics: vol. 32, Issue 1, 2011, p. 337.

40. Л.И. Ошарина. Влияние внешних условий на градуировочные характеристики температурных ламп УДК 535.241.3:536.521. Л: ВНИИМ, 1975.

41. Куинн Т. Температура. М.: Мир, 1985.

42. Rudkin, R. L., Parker, W. J., Jenkins, R. J. Thermal Diffusivity Measurements on Metals and Ceramics at High Temperatures US Air Force Report. ASD-TDR-62-24, 1963.

43. Пелецкий В.Э., Чеховской В.Я., Латыев Л.Н. и др. Теплофизические свойства молибдена и его сплавов: Справочник, под ред. акад. Шейндлина А.Е. М: Металлургия, 1990. 302 с.

44. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. — 2 изд. М.: 1968.

45. Фуксов В.М. Исследование температурных полей эталонных излучателей. «Приборы» № 11, 2010. С. 37-44.

46. Фуксов В.М. Свирков В.А. Исследование термозависимости оптической системы спектрокомпаратора ГЭТ 34-2007. «Приборы» № 10, 2010. С. 58-68.

47. S. L. Gilbert, S. M. Etzel, W. C. Swarm. Wavelength accuracy in WDM: Techniques and standards for component characterization. In proc. Optical Fiber Communication Conference (OFC 2002), invited paper ThCl. P. 391-393 of conference edition.

48. Макаренко А.Ю. Исследование линейности фотодиода с целью использования его в качестве носителя температурной шкалы по излучению. С-Пб: ВНИИМ, 2005.

49. Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement. JCGM, 2008, www.bipm.org53. http://kcdb.bipm.org/appendixB Key and supplementary comparisons -Information, COOMET.T-S5.

50. COOMET R/GM/19:2008, Руководство по оцениванию данных дополнительных сличений КООМЕТ. http://www.coomet.org/RU/doc/rl9 2008.pdf

51. Сильд Ю.А., Матвеев М.С., Походун А.И. Реализация высокотемпературной реперной точки на основе эвтектического сплава Pt-C. «Приборы» № 7, 2007. С. 54-58.

52. М. S. Matveyev, М. Sadli, Yu. A. Sild, A. I. Pokhodun and F. Bourson. Experience of Construction and Study of Pt-C Eutectic in VNIIM and Cooperation with LNE-INM. International Journal of Thermophysics Vol. 30/1. P. 47-58.

53. K. Anhalt, J. Hartmann, D. Lowe, G. Machin, M. Sadli, Y. Yamada. Metrologia, 2006, 43. S78.

54. E. R. Woolliams, G. Machin, D. H. Lowe, R. Winkler, Metal (carbide)-carbon eutectics for thermometry and radiometry: a review of the first seven years. Metrologia, 2006, 43. R11-R25.

55. M. Sadli, M. Matveyev, F. Bourson, V. Fuksov, Yu. A. Sild, A. I. Pokhodun. Comparison of pyrometric Co-c and Re-c eutectic point cells between LNE-INM and VNIIM. TEMPMEKO 2010, Book of Abstracts, Vol.2. P. 123.

56. Y. Yamada, H. Sakate, F. Sakuma, A. Ono. High-temperature fixed points in the range 1150 С to 2500 С using metal-carbon eutectics. Metrologia, 2001, 38. P. 213-219.

57. Sasajima N., Yoon H. W., Gibson С. E., Khromchenko V. В., Sakuma F. and Yamada Y. The NIST eutectic project: construction of Co-C, Pt-C and Re-C fixed-point cells and their comparison with the NMIJ. Metrología 43, 2006. SI 09114.

58. M. Sadli, O. Pehlivan, F. Bourson, A. Diril, K. Ozcan. Collaboration Between UME and LNE-INM on Co-C Eutectic Fixed-Point Construction and Characterization. International Journal of Thermophysics, 2009, Vol. 30/1. P. 36-46.

59. M. Battuello, M. Florio, F. Girard. Use of Different Furnaces to Study Repeatability and Reproducibility of Three Pd-C Cells. International Journal of Thermophysics, 2010, Vol. 31/8-9. P. 1858-1868.

60. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М: Атомиздат, 1979. 216 с.

61. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ РОССТАНДАРТгсандровлеева»

62. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева»

63. ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева»190005, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19 Тел.: [phone], факс: [phone] e-mail: [e-mail], http://www.vniim.ru ОКПО 02566450, ОГРН 1027810219007 ИНН/КПП 7809022120/783901001

64. Устройство компенсации влияния температуры окружающей среды на стабильность фотоэлектрического компаратора используется в составе фотоэлектрического компаратора Государственного первичного эталона единицы температуры ГЭТ 34-2007.

65. Внедрение результатов диссертационной работы Фуксова В.М. позволили в семь раз снизить влияние температуры окружающей среды на метрологические характеристики эталона, а также обеспечивают возможность снижения погрешности эталона в 2 раза.

66. Ученый хранитель ГЭТ-34-2007на №1. ФУКСОВА ВИКТОРА МАРКОВИЧА

67. Старший научный сотрудник НИО-241

68. Ведущий научный сотрудник НИЛ-2022

69. АКТ ВНЕДРЕНИЯ разработки научного сотрудника ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» Фуксова В.М.

70. Внедрение методики позволяет повысить точность определения метрологических характеристик эталонных температурных ламп и гарантирует достоверные и сопоставимые, результаты проведенных исследований.

71. Начальник отдела метрологического обеспечения измерений в энергетике

72. Ученый хранитель эталона, ведущий научный сотрудник1. Э.М. Шейнин1. В .Я. Черепановт

73. Расчет оптимального значения угла поворота печи.18 мм ё— 8 мм