ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ УКРАЇНИ З ПИТАНЬ ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА СПОЖИВЧОЇ ПОЛІТИКИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

МЕТРОЛОГІЇ

Сергієнко Римма Петрівна

УДК 536.521

ПОБУДОВА ТА ДОСЛІДЖЕННЯ РАДІАЦІЙНОЇ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ШКАЛИ

05.11.15 – метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2003

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському державному науково-дослідному інституті метрології Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики

Науковий керівник – Доктор технічних наук, професор

Назаренко Леонід Андрійович,

начальник науково-дослідного відділу температурних та теплофізичних вимірювань Харківського державного науково-дослідного інституту метрології

Офіційні опоненти – Доктор технічних наук, професор

Симбірський Дмитро Федорович,

професор кафедри конструкції авіаційних двигунів Національного аерокосмічного університету „ХАІ”

Доктор технічних наук, професор

Павловський Валерій Гаврилович,

завідувач кафедрою теплотехніки Національного технічного університету „ХПІ”

Провідна установа - Національний університет „Львівська політехніка”, кафедра інформаційно-вимірювальної техніки

Захист дисертації відбудеться 04.07.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.827.01 у Харківському державному науково-дослідному інституті метрології за адресою: 61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного науково-дослідного інституту метрології за адресою: 61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42.

Автореферат розіслано 02.06.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доц., к. т. н. Дем`янков І.Ф

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вимірювання температури речовин за випроміненням широко використовується у сучасній науці, техніці, промисловості. Якість продукції таких галузей народного господарства України як металургія, нафтова та газова промисловість, енергетика, будівництво, машино- та приладобудування, хімічна та харчова промисловість, транспорт, сільське господарство нерозривно пов’язана з необхідністю температурного контролю технологічних теплотехнічних процесів, у яких використовуються матеріали, інструменти, деталі технічного устаткування, нагріті до високих температур.

Незаперечною перевагою безконтактної термометрії (оптичної пірометрії) є й те, що вона дає можливість виконувати безперервні та швидкі вимірювання, а також вимірювання температури у важкодоступних місцях розташування важливих технологічних вузлів промислового устаткування або у небезпечних для людини техногенних ситуаціях.

Безконтактний моніторинг теплового стану об’єктів грає також надзвичайно важливу роль у забезпеченні техніки безпеки праці та у медицині.

У наш час безконтактні (пірометричні) методи вимірювання температур знаходять застосування при вирішенні актуальних задач прецизійних технологій і наукового експерименту, в тому числі й в області космічних досліджень.

Сучасний стан оптичної пірометрії характеризується підвищенням точності вимірювань, розширенням спектральних зон реєстрації та діапазону вимірюваних температур.

Значний прогрес у розвитку пірометрії спостерігається в останні двадцять років, що пов’язано з підвищенням чутливості та лінійності приймачів випромінення, удосконаленням методів безконтактної пірометрії. Це призвело до того, що радіаційна термометрія як первинна по суті стала конкурентноздатною порівняно з раніше безальтернативною газовою термометрією при уточненні Міжнародної температурної шкали. Так, зокрема, при підготовці нової редакції Міжнародної температурної шкали (МТШ-90) вперше як реперні значення були прийняті результати пірометричних досліджень за температур нижче 100 0С. Куінн Т. і Мартін Д. провели вимірювання термодинамічної температури прямим вимірюванням відношення повних потоків теплового випромінення від чорних тіл, одне з яких перебувало при температурі потрійної точки води 273,16 К, а друге – при невідомій температурі Т. Точність, яку досягнуто в цій області, відповідає точності класичної газової термометрії, тобто приблизно ±3 мК в області від мінус 40 до 100 0С.

Слід також відмітити, що стан еталонної бази в області радіаційної термометрії впливає і на стан еталонної бази у фотометрії і радіометрії. Ще до недавнього часу точність відтворення фотометричних і радіометричних одиниць у значній мірі залежала від точності вимірювання температури абсолютно чорного тіла (АЧТ). В наш час ситуація дещо змінилася, однак залишився істотним взаємовплив одиниць радіаційної температури, фотометрії і радіометрії.

Таким чином, однією з найважливіших проблем національної метрології стає завдання забезпечення єдності, достовірності та точності пірометричних вимірювань в Україні, що неможливо без розробки відповідної еталонної бази – Державного первинного пірометричного еталона, який є головною ланкою Державної повірочної схеми для засобів вимірювання температури за випроміненням.

Завдання створення еталонних засобів набуває особливої актуальності й у зв’язку з тим, що Україна має розвинену промислову інфраструктуру (Кам’янець-Подільський приладобудівний завод, Львівське НВО „Термоприлад”) в області виробництва засобів безконтактного вимірювання температури (пірометрів).

Реалізація і можливість відтворення температурної шкали за випроміненням стане основою для існуючого потенціалу термометричного приладобудування, підвищення конкурентноздатності вітчизняної продукції, розробки робочих еталонних засобів нового покоління.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з Державною програмою „Створення еталонної бази України” (реєстраційний № 08.05-МВ/01-93 ДКНТП) за темою 06.01.08.05. „Створення Державного первинного еталона температури в діапазоні вище 1084,62 0С“ (1992-1994, №№ держреєстрації UА01006770Р, 0295U003345, виконавець); за темою 06.14.06.03. „Створення взірцевого фотоелектричного пірометра” (1993-1995, №№ держреєстрації UА01934033653, 0295U003339, виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка еталонних засобів, які призначені для реалізації радіаційної температурної шкали на основі реперної точки міді; дослідження методу побудови температурної шкали та оцінка похибки її реалізації; розробка і впровадження державної повірочної схеми для засобів вимірювання температури за випроміненням.

Об’єктом дослідження є похибка методу реалізації радіаційної температурної шкали.

Предметом дослідження є апаратура, яка призначена для реалізації температурної шкали за випроміненням: еталонний оптичний пірометр (спектрокомпаратор); випромінювач АЧТ з реперною точкою міді; еталонні температурні стрічкові вольфрамові лампи.

Задачі дослідження.

1. Розробити еталонний фотоелектричний пірометр та виконати оцінку його метрологічних характеристик.

2. Реалізувати фазовий перехід тверднення реперної точки міді та визначити похибки його відтворення.

3. Провести експериментальні дослідження еквівалентності прямого і непрямого методів визначення коефіцієнта ефекту розміру джерела.

4. Розробити методику врахування впливу ефекту розміру джерела при реалізації температурної шкали за випроміненням і визначити похибку вимірювання температури у реперній точці.

5. Провести теоретичні та експериментальні дослідження температурної залежності ефективної довжини хвилі еталонного пірометра.

6. Визначити температурний коефіцієнт еталонних температурних ламп та виконати оцінку його впливу на відтворюваність градуювальної характеристики ламп.

7. Побудувати температурну шкалу на базі реперної точки міді та визначити метрологічні характеристики первинного еталона одиниці температури, що вимірюється за випроміненням.

8. Розробити повірочну схему, що забезпечує необхідні значення точності для вторинних і робочих еталонів, а також робочих засобів вимірювальної техніки (ЗВТ).

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводилися з використанням методів математичного моделювання зі застосуванням обчислювальної техніки. Експериментальні дослідження проводилися з використанням оптичних, електричних і температурних методів вимірювань, високоточної апаратури і засобів обчислювальної техніки. Експериментальні результати оброблялися з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше реалізовано та досліджено відтворення і передачу одиниці температури Кельвіна радіаційним методом на базі реперної точки міді.

2. Отримано результати метрологічного дослідження побудови радіаційної температурної шкали.

3. Теоретично та експериментально досліджено температурну залежність ефективної довжини хвилі еталонного пірометра, який побудовано за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу кремнієвого фотодіода ФД-288 з використанням як системи монохроматизації інтерференційного фільтра з max в області 660 нм.

4. Досліджено вплив ефекту розміру джерела на бюджет похибок вимірювання температури еталонним пірометром.

5. Досліджено залежність відтворюваності температури еталонних температурних ламп від температури їх цоколя.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі розроблених еталонних засобів, досліджень методу побудови температурної шкали на базі реперної точки міді та аналізу похибок реалізації шкали створено та затверджено Державний первинний еталон одиниці температури за випроміненням в діапазоні 1357,77-2800 К. Даний еталон в Україні є головною ланкою в інфраструктурі безконтактних засобів вимірювань температури, очолюючи розроблену та затверджену Державну повірочну схему для засобів вимірювання температури за випроміненням (термометрів випромінення). Впровадження даного еталона та повірочної схеми є запорукою єдності, достовірності та точності передачі одиниці температури за випроміненням в Україні.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно.

Особистий внесок у роботах, опублікованих у співавторстві:

1. Виконано розробку, проведено теоретичні та експериментальні дослідження метрологічних характеристик еталонного пірометра, який побудовано за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу кремнієвого фотодіода [7, 9, 18, 19].

2. Побудовано температурну шкалу на базі реперної точки міді та проведено дослідження похибок реалізації шкали [8, 16, 20].

3. Проведено дослідження метрологічних характеристик еталонного пірометра, що працює в режимі частотно-часового виходу [10, 21].

4. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження температурної залежності ефективної довжини хвилі еталонного пірометра, який має кремнієвий фотодіод у сукупності з інтерференційним фільтром [17, 22].

5. Проведено дослідження лінійності вихідної характеристики еталонного пірометра зі застосуванням методу послідовного подвоєння світлового потоку та принципу постійної добавки [6].

6. Виконано експериментальне відпрацювання методик реалізації прямого і непрямого методів вимірювання коефіцієнта ефекту розміру джерела (ЕРД), запропоновано і виконано конструктивне удосконалення джерела випромінення для дослідження непрямого методу визначення коефіцієнта ЕРД, проведено розрахунки і аналіз похибок визначення коефіцієнта ЕРД [11-14].

7. Розроблено і реалізовано методику метрологічної атестації еталонних пірометрів типу ЕОП як вторинних еталонів одиниці температури, проведено порівняльний аналіз метрологічних характеристик візуального та фотоелектричного еталонних пірометрів – вторинних еталонів [15].

Апробація результатів дисертації

Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на: 4-й Всесоюзній науково-технічній конференції „Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур” (Харків, 1990 р); 7-й Міжнародній науково-технічній конференції „Електричні методи та засоби вимірювання температури” (Львів, 1992 р.); 5-й Міжнародній науково-технічній конференції „Метрологічне забезпечення температурних і теплофізичних вимірювань” (Харків, 1994 р.); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції „Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 1999 р.); 8-у Міжнародному симпозіумі “Temperature and Thermal Measurement in Industry and Science ‘Tempmeko-2001’” (Німеччина, Берлін, 2001 р.); 1-й Всеросійській науково-технічній конференції “Температура-2001” (Подольськ, 2001 р.); 3-й Міжнародній науково-технічній конференції „Метрологія та вимірювальна техніка” (Харків, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 22 наукові роботи, з яких 5 опубліковано в тезах науково-технічних конференцій; 1 – у збірнику наукових праць ВНДІМ ім. Д.І.Мендєлєєва; 4 – у збірниках наукових праць Міжнародних науково-технічних конференцій; 2 - у збірниках наукових праць NPL (National Physical Laboratory) і 10 - у спеціалізованих наукових виданнях (5 робіт без співавторів).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4-х розділів, основних висновків по роботі, переліку використаних джерел та 6 додатків.

Обсяг роботи, який становить основний зміст, складає 162 сторінки, крім того на окремих 5 сторінках наведено 5 рисунків; на 4 сторінках – 4 таблиці; на 12 сторінках - перелік використаних джерел із 123 бібліографічних посилань; на 17 сторінках - 6 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 206 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику дисертаційної роботи; обґрунтовано актуальність теми; показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами; сформульовано мету та задачі досліджень; наукову новизну; подано характеристику практичного значення одержаних результатів; оцінено особистий внесок здобувача у публікаціях, які написані у співавторстві.

У першому розділі проведено аналіз методів та засобів, що застосовуються для реалізації радіаційної температурної шкали, практично, в історичній послідовності. Основоположним рівнянням для побудови температурної шкали безконтактними засобами є наступне співвідношення, що випливає із закону Планка:

, (1)

яке й визначає зміст необхідних при побудові радіаційної температурної шкали експериментальних процедур, а саме: здійснення фазового переходу тверднення однієї з реперних точок - Т90(Ag), Т90(Au) або Т90(Сu), К; вимірювання відношення спектральних густин енергетичної яскравості Lл(T90)/Lл(T90(x)) за умови забезпечення достатньої монохроматизації випромінення, що використовується в спектральному інтервалі поблизу пікового значення довжини хвилі , м. При цьому Т90 – невідома (шукана) температура, а с2 = 0,014388 м·К.

Для реєстрації потоку випромінення, спектральна густина енергетичної яскравості котрого Lл однозначно пов’язана з температурою Т90(х) реперної точки в момент фазового переходу, а також для наступної процедури екстраполяції (редуціювання) шкали від даної температури Т90(х) в область більш високих температур необхідно застосовувати безконтактний термометричний інструмент, принцип дії якого у сукупності з обраною системою екстраполяції дозволяє трансформувати величину відношення монохроматичних яскравостей, що вимірюються (ліва частина рівності (1)), в температурний еквівалент. Розглянуто принципи дії візуальних і фотоелектричних еталонних пірометрів. Аналіз схемних рішень еталонних фотоелектричних установок (спектропірометрів) з різними типами фотоприймальних пристроїв дозволяє виділити два принципові методи при їх розробці, перший з яких засновано на нульовому модуляційному режимі роботи фотоприймача, а другий полягає в прямому вимірюванні вихідного сигналу приймача випромінення. Виконано оцінку переваг і недоліків кожного з методів.

Під час розробки еталонного устаткування в провідних світових метрологічних лабораторіях у період дії положень про МПТШ-48 (Міжнародна практична температурна шкала, яку прийнято в 1948 р.) та МПТШ-68 основною тенденцією разом з реалізацією методу прямого вимірювання сигналу приймача було використання опорного джерела випромінення – зовнішнього або внутрішнього, стаціонарно закріпленого в оптичному каналі пірометра, - котре після градуювання за умови температури Т90(х) реперної точки виконує функції зберігання і відтворення температурної шкали.

Етап підготовки і впровадження МТШ-90 характеризується широким застосуванням у конструкціях пірометрів кремнієвих фотодіодів, лінійність і стабільність характеристик котрих дозволяє відмовитись від необхідності застосування вбудованого опорного випромінювача та дає можливість таким чином використати власне фотодіод із вимірювальною системою як інструмент для зберігання та відтворення температурної шкали.

Внаслідок проведеного аналізу показано, що розробка одноканального еталонного оптичного пірометра (ЕОП), який містить кремнієвий фотодіод як приймач випромінення та працює за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу фотоприймача, є найбільш перспективною, оскільки, по-перше, дозволяє реалізувати температурну шкалу як зі застосуванням систем екстраполяції, так і на основі лінійності вихідної характеристики ЕОП; а, по-друге, що зі систем екстраполяції температурної шкали від реперної точки в область більш високих температур найбільш практичним з точки зору точності побудови шкали, яка досягається в процесі екстраполяції, є пристрій для подвоєння яскравостей (монохроматичних світлових потоків) у сукупності з неселективними поглинаючими фільтрами.

У другому розділі описано складові елементи розробленої еталонної апаратури, що призначена для побудови температурної шкали безконтактними засобами на базі фазового переходу тверднення реперної точки міді. Основними елементами наведеної в дисертації структурної схеми первинного еталона одиниці температури за випроміненням у діапазоні вище 1357,77 К, являються: модель АЧТ з реперною точкою міді; еталонний оптичний пірометр; подвоювач яскравості (екстраполятор) і група температурних ламп.

Наведено функціональну, оптичну та електричну схеми ЕОП, що працює за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу фотоприймача, котрим як таким використовується кремнієвий фотодіод ФД-288. Для перетворення оптичного сигналу в електричну напругу в пірометрі здійснюється модуляція вхідного світлового потоку. Для виділення спектральної області застосовується багатошаровий інтерференційний фільтр з піковим пропусканням в області 660 нм і напівшириною смуги пропускання 14,5 нм. Наведено результати теоретичної оцінки порогу чутливості ЕОП без урахування шумів фотоприймача, яка для =660 нм і Т=1357,77 К склала 0,001 К.

Графітова ампула випромінювача типу АЧТ містить 510 г міді чистотою 99,996 %. Реалізація режиму охолодження з автоматичним відслідкуванням градієнту температур між центральною та бічною ділянками робочого простору печі дозволила забезпечити під час остигання металу однорідність температурного поля в межах 1 0С на ділянці 155 мм центральної області печі.

Описано методику реалізації температурної шкали від реперної точки в область більш високих температур на основі суперпозиції світлових пучків і на принципі лінійності вихідної характеристики ЕОП.

Метод побудови шкали на основі суперпозиції світлових пучків описується формулою:

, (2)

де k – число кроків подвоєння яскравостей, і реалізується зі застосуванням пристрою для подвоєння яскравостей (екстраполятора), що складається з двох температурних ламп, двох заслонок і напівпрозорого дзеркала (рис. 1, в).

Рис. 1. Порядок операцій при побудові температурної шкали:

1 – АЧТ; 2 – ЕОП; 3, 4, 5 – лампи; 6 – поглинач

У випадку використання наближення Віна вираз (2) набуває вид:

, звідки

(3)

За умови дотримання точної лінійності вихідного сигналу U ЕОП шукані значення температур Тk, що екстраполюються, знайдуться зі співвідношення, аналогічного (3):

, де , Т0=ТCu, U0=UCu.

Реалізація шкали в область температур Тnздійснюється зі застосуванням поглинаючого фільтра (рис. 1, б) з відомим пірометричним ослабленням.

Процес побудови температурної шкали, таким чином, можна розділити на два етапи, перший з яких полягає в калібруванні еталонного пірометра у реперній точці міді ТCu (рис. 1, а) та наступному градуюванні еталонної лампи (рис. 1, б), а другий – у процедурі екстраполяції шкали від температури ТCu до ряду більш високих температур (рис. 1, в, б). Кожний із етапів характеризується як випадковою складовою похибки, так і рядом систематичних похибок. На першому етапі випадкова складова похибки характеризується середнім квадратичним відхиленням (СКВ) результату вимірювання при градуюванні еталонної температурної лампи за допомогою еталонного пірометра-компаратора в точці ТCu для ряду плато тверднень міді, а на другому етапі випадкова складова похибки реалізації шкали описується СКВ результату вимірювання при градуюванні еталонної температурної лампи при температурах Тk и Тn.

Результатом побудови температурної шкали є отримана залежність значень струму I еталонної лампи (рис. 1, б) від ряду яскравісних температур Тя.

У третьому розділі представлено результати досліджень еталонних засобів і методу реалізації температурної шкали.

Відтворюваність реалізації фазового переходу тверднення міді, типовий вид котрого наведено на рис. 2, оцінена як СКВ результату для 7-ми плато тверднень, склала 0,06 0С на етапі калібрування пірометра в точці міді ТCu і 0,04 0С на етапі наступного градуювання еталонної лампи за умови температури ТCu.

Рис. 2. Типовий вид плато тверднення міді

На основі аналізу залежності N=f(n), де N=Un/UCu,

,

виконано оцінку нелінійності вихідної характеристики ЕОП у сукупності з вимірювальною системою.

Коефіцієнт нелінійності k, розрахований як , не перевищив 0,2 % в діапазоні вихідних сигналів пірометра до 4,3 В (n=14) и 0,4 % в діапазоні показань пірометра до 6,6 В (n=23).

Таким чином, температурна шкала може бути реалізована на основі лінійності вихідної характеристики ЕОП з урахуванням відповідних поправок до значень температур, що екстраполюються. Дані поправки ДТнл (формула (4)) представляють собою температурний еквівалент відхилення вихідної характеристики пірометра від точної лінійності в діапазоні температур до Тя1400 0С і варіюються від мінус 0,11 0С (n=6) до мінус 0,46 0С (n=17):

(4)

Дослідження стосовно визначення ефекту розміру джерела (ЕРД), виконані на базі секції температурних вимірювань NPL зі застосуванням як джерел випромінення інтегруючої сфери (непрямий метод визначення ЕРД) та моделі АЧТ на основі теплової труби (прямий метод визначення ЕРД), показали, що обидва методи являються еквівалентними в діапазоні діаметрів площадок, що візуються, до 30 мм. Виявлена нееквівалентність прямого та непрямого методів визначення коефіцієнта ЕРД в діапазоні діаметрів d площадок, що візуються пірометрами, до 50 мм характеризується виконанням нерівності , 30d50 мм.

Для еталонного пірометра ЕОП виконано вимірювання коефіцієнта q ефекту розміру джерела шляхом реалізації непрямого і прямого методів його дослідження. Дослідження функціональної залежності q=f(d) непрямим методом показало, що при d=45 мм вклад випромінення, яке надходить з-за меж геометричного поля зору пірометра, складає 0,7 % від вихідного сигналу пірометра.

Наведено результати розробленої методики врахування впливу ефекту розміру джерела на вихідний сигнал еталонного пірометра при реєстрації ним фазового переходу тверднення чистої міді, котра ґрунтується на визначенні функціональної залежності q=f(d) та радіального температурного розподілу в області, що оточує вихідний отвір АЧТ. Поправка для температури фазового переходу тверднення міді, яка фіксується еталонним пірометром, обумовлена наявністю ЕРД, склала 0,20 0С.

Описано методику і наведено результати розрахунково-теоретичного та експериментального визначень температурної залежності ефективної довжини хвилі , котра є параметром, що встановлюється у рівнянні (1) для знаходження температури Т90, що екстраполюється. В результаті експериментального визначення апаратної функції () ЕОП і проведеного розрахунку встановлено, що температурна варіація ефективної довжини хвилі в інтервалі температур від 1357,77 до 2273,16 К склала 0,3 нм.

На основі аналізу складових похибки визначення величина оцінена як 0,11 нм, що дає похибку у визначенні температури, що екстраполюється, Т90, яка дорівнює 0,003 0С за умови ТCu = 1084,62 0С; 0,02 0С за умови Т90=1200 0С; 0,06 0С за умови Т90=1400 0С; 0,25 0С за умови Т90=2000 0С.

Наведено результати визначення температурного коефіцієнта Тя/tцок газонаповненої лампи типу СИ 10-300 і ТРУ 1100-2350 та вакуумної лампи типу ЛТВВ у залежності від відтворюваної ними яскравісної температури.

На підставі результатів стосовно дослідження часових характеристик температурного режиму цоколя лампи виконано оцінку поправки ДТ у градуювальній характеристиці газонаповненої лампи в умовах статичного режиму її роботи, обумовленої відхиленням температури цоколя tцок від прийнятого опорного значення tопор=20 0С, в залежності від часу ф роботи лампи. Так, під час експлуатації газонаповненої лампи за умови температури ТCu=1084,62 0С протягом 30 хвилин ця поправка складає 0,19 0С; протягом 1-єї години – 0,27 0С, а протягом 3-х годин вона досягає 0,43 0С.

Представлено результати аналізу та визначення значень систематичних та випадкової похибок на кожному етапі побудови температурної шкали. В результаті метрологічної атестації встановлено, що в діапазоні температур від 1084,62 до 2000 0С еталон забезпечує відтворення одиниці температури з СКВ результату , що не перевищує 1,1 0С для 5-ти незалежних спостережень, а границя невилученої систематичної похибки при цьому не перевищує 0,5 0С.

На підставі досліджень лінійності вихідної характеристики ЕОП виконано оцінку збіжності двох методів реалізації температурної шкали – на основі подвоєння світлових потоків і на основі лінійності вихідної характеристики еталонного пірометра. Встановлено, що метод реалізації температурної шкали на основі лінійності вихідного сигналу ЕОП в діапазоні від 1084,62 до 1400 0С характеризується в 2 рази меншою випадковою похибкою, ніж метод побудови шкали на основі подвоєння потоків.

Наведено результати оцінки збіжності температурних шкал, які реалізуються в Росії та в Україні на рівні вторинних еталонів. Максимальна величина розбіжності температурних шкал tХДНДІМ-ВНДІМ склала мінус 1,20 0С за умови Тя=1800 0С, мінімальна – мінус 0,11 0С за умови Тя=1200 0С, а для Тя=1084,62 0С вона склала мінус 0,88 0С.

У четвертому розділі описано повірочну схему, розроблену з метою забезпечення єдності та точності передачі в Україні одиниці температури за випроміненням, принциповою відмінністю котрої від тих, що діяли раніше, являється: підвищення точності передачі одиниці температури від первинного еталона робочим ЗВТ за рахунок оптимізації кількості ланок передачі одиниці на рівні вторинних і робочих еталонів; підвищення метрологічного статусу еталонних засобів – температурних ламп і пірометрів повного і часткового випромінення; нормування верхніх границь похибок методів передачі одиниці температури.

З урахуванням розробленого Державного стандарту на повірочну схему для безконтактних засобів вимірювання температури та на підставі розробленої методики проведено атестацію еталонних оптичних – візуальних і фотоелектричних - пірометрів типу ЕОП. Довірча границя сумарної похибки S в діапазоні температур від 1100 до 2000 0С для візуального пірометра ЕОП-66 (при довірчій ймовірності Р=0,95, n=5) не перевищує 2 0С, в той час як довірча границя сумарної похибки S в тому ж діапазоні температур для фотоелектричного пірометра ЕОП-93 не перевищує 1,3 0С, що відповідає вимогам розробленої повірочної схеми.

Наведено результати обсягу виконаних з 1995 до 2002 рр. в ХДНДІМ робіт з атестації та періодичної повірки у відповідності з розробленою повірочною схемою еталонних засобів вимірювання температури за випроміненням. Всього за вказаний період виконано 494 повірки і метрологічні атестації еталонних засобів, з яких 156 припадають на монохроматичну пірометрію, а 338 – на радіаційну.

ВИСНОВКИ

1. Вперше виконано побудову і метрологічне дослідження радіаційної температурної шкали, що реалізується на основі фазового переходу тверднення реперної точки міді.

2. Проведено метрологічну атестацію первинного еталона одиниці температури за випроміненням в діапазоні температур від 1084,62 до 2000 0С, в результаті якої встановлено, що еталон забезпечує відтворюваність одиниці температури з СКВ результату, що не перевищує 1,1 0С для 5-ти незалежних спостережень, а межа невилученої систематичної похибки при цьому не перевищує 0,5 0С.

3. Для реализації температурної шкали безконтактними засобами розроблено комплекс еталонної апаратури, що складається зі: випромінювача з моделлю АЧТ, який містить ампулу з чистою міддю; оптичного пірометра-компаратора та екстраполятора.

4. Проведений аналіз методів і засобів реалізації температурної шкали виявив, що розробка одноканального еталонного фотоелектричного пірометра, який містить кремнієвий фотодіод як приймач випромінення та працює за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу фотоприймача, є найбільш перспективною, оскільки дозволяє реалізувати температурну шкалу як із застосуванням систем екстраполяції, так і на основі лінійності вихідної характеристики ЕОП.

5. В процесі метрологічного дослідження побудованої радіаційної шкали отримано наступні результати:

5.1. Зі застосуванням розробленого еталонного оптичного фото-електричного пірометра досліджено відтворюваність стану фазового переходу тверднення реперної точки міді. Оцінка відтворюваності показала, що на етапі градуювання еталонного пірометра СКВ відтворення АЧТ температури ТCu=1084,62 0С складає 0,06 0С, а на етапі наступного градуювання еталонної лампи – 0,04 0С.

5.2. Виконано теоретичні та експериментальні дослідження температурної залежності ефективної довжини хвилі еталонного пірометра, що містить інтерференційний фільтр з піковим пропусканням в області 660 нм як систему монохроматизації випромінення. Встановлено, що похибка у значенні температури, що екстраполюється, обумовлена похибкою визначення , складає 0,02 0С за умови температури Т2=1200 0С; 0,06 0С за умови Т2=1400 0С и 0,25 0С за умови Т2=2000 0С.

5.3. Вперше проведено експериментальні дослідження стосовно визначення температурного коефіцієнта стрічкових вольфрамових ламп типу СИ 10-300, ТРУ 1100-2350 і ЛТВВ в залежності від температури їх цоколя. З урахуванням результатів стосовно дослідження часового температурного дрейфу цоколя виконано оцінку впливу температурного коефіцієнта на відтворюваність градуювальної характеристики еталонних газонаповнених ламп. Визначено величину поправки ДТ для градуювальної характеристики еталонних газонаповнених ламп в залежності від інтервалу часу ф, котрий лампа відпрацювала на заданому режимі з моменту включення. В статичному режимі роботи лампи за умови температури ТCu для ф=30 хвилин дана поправка ДТ складе 0,19 0С; для ф =1 година - ДТ =0,27 0С і для ф =3 години - ДТ =0,43 0С.

5.4. Вперше досліджено еквівалентність прямого і непрямого методів визначення коефіцієнта ефекту розміру джерела для площадок, які візуються, з діаметрами до 50 мм. Встановлено, що обидва методи являються еквівалентними в діапазоні діаметрів d площадок, що візуються, до 30 мм, а для 30d50 мм виявлена нееквівалентність характеризується виконанням нерівності .

5.5. Для еталонного пірометра ЕОП виконано визначення функціональної залежності q=f(d), на підставі якої досліджено вклад ефекту розміру джерела до значення похибки температури ТCu, яка вимірюється еталонним пірометром. Встановлено, що поправка для температури фазового переходу тверднення міді, що фіксується еталонним пірометром і обумовлена наявністю ефекту розміру джерела, складає 0,20 0С.

5.6. На підставі досліджень лінійності вихідної характеристики ЕОП виконано оцінку збіжності двох методів реалізації температурної шкали – на основі подвоєння потоків і на основі лінійності вихідної характеристики еталонного пірометра. Встановлено, що метод реалізації температурної шкали на основі лінійності вихідної характеристики ЕОП в діапазоні температур від 1084,62 до 1400 0С характеризується в 2 рази меншою випадковою похибкою, ніж метод побудови шкали на основі подвоєння потоків.

6. Проведено порівняння радіаційних температурних шкал, що реалізуються в Україні та в Росії на рівні вторинних еталонів. В діапазоні від 1084,62 до 2000 0С величина максимальної розбіжності шкал склала мінус 1,2 0С.

7. Виконано розробку Державного стандарту на повірочну схему для засобів безконтактної термометрії (термометрів випромінення).

8. З урахуванням розробленої Державної повірочної схеми виконано метрологічну переатестацію вторинних і робочих еталонів монохроматичної та радіаційної пірометрії.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сергиенко Р.П. Температурный коэффициент ленточных вольфрамовых ламп // Измерительная техника. – 2002. - № 4. – С. 43-46.

2. Сергиенко Р.П. К вопросу об эффекте размера источника в оптической пирометрии // Український метрологічний журнал. – 2001. – Вип. 2. – С. 29-34.

3. Сергиенко Р.П. Эффективная длина волны эталонного фотоэлектрического пирометра // Український метрологічний журнал. – 2002. – Вип. 2. – С. 34-39.

4. Сергиенко Р.П. Особенности международных сличений национальных температурных шкал, реализуемых по ИК-излучению // Український метрологічний журнал. – 2001. – Вип. 1. – С. 31-36.

5. Сергиенко Р.П. Исследование эффекта размера источника при реализации температурной шкалы // Український метрологічний журнал. – 2002. – Вип. 3. – С. 25-29.

6. Сергиенко Р.П., Назаренко Л.А. Оценка возможности использования линейной характеристики эталонного пирометра при реализации температурной шкалы по излучению // Приборы. – 2002. - № 7. – С. 34-37.

7. Назаренко Л.А., Ромоданов І.С., Кисіль О.М., Сергієнко Р.П. Еталонний оптичний пірометр ЕОП-93 // Український метрологічний журнал. – 1996. – Вип. 2-3. – С. 46-48.

8. Назаренко Л.А., Бєлих В.В., Кисіль О.М., Ромоданов І.С., Сліпушенко В.П., Криворотенко О.Д., Сергієнко Р.П. Державний первинний еталон одиниці температури Кельвіна за випромінюванням в діапазоні 1357,77-2800 К // Український метрологічний журнал. – 1995. – Вип. 1. – С. 26-30.

9. Кисель А.Н., Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П., Веретенченко Б.А. Порог чувствительности спектропирометра // Измерительная техника. – 1991. - № 7. – С. 35.

10. Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П., Веретенченко Б.А. Фотоэлектрический пирометр с частотно-временным выходом // Метрология. – 1994. - № 5. – С. 30-32.

11. Machin G., Sergienko R. A comparative study of size of source effect (SSE) determination techniques // Temperature and Thermal Measurement in Ind. and Sci.: Proc. of Int. Symp. “Tempmeko`2001”. – Germany, Berlin, 2001.- P. 155-160.

12. Batuello M., Chimenti V., Machin G., McEvoy H., Perez J., Ricolfi T., Sergienko R. A comparison of the primary standard zinc point blackbody cavities of NPL and CEM with IMGC // Temperature and Thermal Measurement in Ind. and Sci.: Proc. of Int. Symp. “Tempmeko`2001”. – Germany, Berlin, 2001. – P. 857-862.

13. Machin G., McEvoy H., Sergiyenko R. NPL results for the TRIRAT LT thermometer comparison // NPL Report CBTLMS22, August 2000.

14. Machin G., McEvoy H., Sergiyenko R. NPL results for the TRIRAT MT thermometer comparison // NPL Report CBTLMS17, May 2000.

15. Сергиенко Р.П., Кисель А.Н., Безносова В.И. Аттестация вторичных эталонов единицы температуры по излучению с учетом действующей поверочной схемы // Метрологія та вимірювальна техніка: Наук. праці 2 Міжн. наук.-техн. конф. – Харків: ХДНДІМ, 1999. - Т. 2. – С. 26 – 30.

16. Назаренко Л.А., Сергиенко Р.П. Построение радиационной температурной шкалы в диапазоне 1357,77 – 2300 К // Метрологія та вимірювальна техніка: Наук. праці 3 Міжн. наук.-техн. конф. – Харків: ХДНДІМ, 2002. - Т. 2. - С. 227-230.

17. Кисель А.Н., Сергиенко Р.П., Безносова В.И. К вопросу об эффективной длине волны фотоэлектрических спектропирометров // Вопросы метрологического обеспечения высокотемпературных измерений: Сб. науч. тр. ВНИИМ. – Л.: НПО “ВНИИМ им. Д.И.Менделеева”, 1989. – С. 24-28.

18. Кисель А.Н., Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П. Яркостный фотоэлектрический пирометр прямого усиления // Метрологическое обеспе-чение температурных и теплофизических измерений в области высоких тем-ператур: Тез. докл. 4 Всесоюзн. науч.- техн. конф. – Харьков, 1990. – С. 22-23.

19. Кисель А.Н., Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П. Разработка образцового фотоэлектрического яркостного пирометра // Електричні методи та засоби вимірювання температури: Тези допов. 7 Міжн. наук.-техн. конф. – Львів, 1992. – С. 57.

20. Кисель А.Н., Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П. О метрологическом обеспечении в Украине измерений температуры по монохроматическому излучению // Метрологічне забезпечення температурних і теплофізичних вимірювань: Тези допов. 5 Міжн. наук.-техн. конф. – Харків, 1994. – С. 15-16.

21. Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П. Простой фотоэлектрический пирометр // Метрологічне забезпечення температурних і теплофізичних вимірювань: Тези допов. 5 Міжн. наук.-техн. конф. – Харків, 1994. – С. 39.

22. Кисель А.Н., Ромоданов И.С., Сергиенко Р.П. К вопросу об эффективной длине волны яркостных фотоэлектрических спектропирометров // Метрологічне забезпечення температурних і теплофізичних вимірювань: Тези допов. 5 Міжн. наук.-техн. конф. – Харків, 1994. – С. 25.

АНОТАЦІЇ

Сергієнко Р.П. Побудова та дослідження радіаційної температурної шкали. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення. – Хар-ківський державний науково-дослідний інститут метрології, Харків, 2003 р.

Дисертацію присвячено побудові та метрологічному дослідженню радіаційної температурної шкали, що реалізується на основі фазового переходу тверднення реперної точки міді. Для реалізації температурної шкали було розроблено комплекс еталонної апаратури, який складається зі: випромінювача, що містить графітову ампулу з чистою міддю; одноканального еталонного фотоелектричного пірометра (ЕОП), побудованого за принципом прямого підсилення та вимірювання сигналу фотоприймача, котрим як таким використовується кремнієвий фотодіод ФД-288; екстраполятора (подвоювача яскравостей). Проведена метрологічна атестація Державного первинного еталона одиниці температури за випроміненням в діапазоні температур від 1084,62 до 2000 0С показала, що еталон забезпечує відтворення одиниці температури зі середнім квадратичним відхиленням результату, який не перевищує 1,1 0С для 5-ти незалежних спостережень, а границя невилученої систематичної похибки при цьому не перевищує 0,5 0С. В процесі реалізації радіаційної температурної шкали і атестації первинного еталона були проведені дослідження метрологічних характеристик еталонного устаткування, а саме: відтворюваності стану фазового переходу тверднення реперної точки міді; впливу наявності ефекту розміру джерела на величину вихідного сигналу еталонного пірометра під час реєстрації плато тверднення міді; впливу температурної варіації ефективної довжини хвилі еталонного пірометра, який містить як систему монохроматизації випромінення інтерференційний фільтр з піковим пропусканням в області 660 нм, на значення температур, що екстраполюються; впливу наявності температурного коефіцієнта, тобто залежності яскравісної температури від температури цоколя лампи, в даному діапазоні відтворюваних стрічковими вольфрамовими лампами типу СИ 10-300, ТРУ 1100-2350 і ЛТВВ температур; лінійності вихідної характеристики ЕОП.

Розроблено Державну повірочну схему для засобів вимірювання температури за випроміненням, у відповідності з котрою виконано переатестацію еталонних засобів монохроматичної та радіаційної пірометрії. Наведено результати звірень радіаційних температурних шкал, що реалізуються в Україні та в Росії на рівні вторинних еталонів.

Ключові слова: температурна шкала, еталонний пірометр, екстраполятор, температурна лампа, фазовий перехід тверднення, реперна точка, плато тверднення, лінійність вихідної характеристики, ефект розміру джерела, ефективна довжина хвилі, температурний коефіцієнт, повірочна схема.

Сергиенко Р.П. Построение и исследование радиационной температурной шкалы. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 – метрология и метрологическое обеспечение. – Харьковский государственный научно-исследовательский институт метрологии, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена построению и метрологическому исследованию радиационной температурной шкалы, реализуемой на основе фазового перехода затвердевания реперной точки меди. Для реализации температурной шкалы был разработан комплекс эталонной аппаратуры, состоящий из: излучателя, содержащего графитовую ампулу с чистой медью; одноканального эталонного пирометра (ЭОП), построенного по принципу прямого усиления и измерения сигнала фотоприемника, в качестве которого используется кремниевый фотодиод ФД-288; экстраполятора (удвоителя яркостей).

Проведенная метрологическая аттестация Государственного первичного эталона единицы температуры по излучению в диапазоне температур от 1084,62 до 2000 0С показала, что эталон обеспечивает воспроизведение единицы температуры со средним квадратическим отклонением результата, не превышающим 1,1 0С для 5-ти независимых наблюдений, а граница неисключенной систематической погрешности при этом не превышает 0,5 0С.

В процессе реализации радиационной температурной шкалы и аттестации первичного эталона были проведены исследования метрологических характеристик эталонного оборудования.

С применением разработанного эталонного оптического фотоэлектрического пирометра исследована воспроизводимость состояния фазового перехода затвердевания реперной точки меди, при этом плато затвердевания наблюдалось не менее 9-ти раз.

С целью оценки вклада в выходной сигнал эталонного пирометра в момент фиксации им плато затвердевания металла потоков излучения, обусловленных присутствием эффекта размера источника (ЭРИ), на базе секции температурных измерений NPL (National Physical Laboratory) проведены исследования эквивалентности прямого и непрямого методов определения коэффициента ЭРИ с использованием в качестве источников излучения интегрирующей сферы и модели абсолютно черного тела (АЧТ) на основе тепловой трубы. Для эталонного пирометра ЭОП исследование эффекта размера источника проводилось как непрямым методом (с применением специально собранной установки), так и прямым методом с применением модели АЧТ на основе графитового излучателя. С учетом знания радиального температурного распределения в области, окружающей выходное отверстие АЧТ, поправка для фиксируемой эталонным пирометром температуры фазового перехода затвердевания меди, обусловленная присутствием эффекта размера источника, составила 0,20 0С.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования температурной зависимости эффективной длины волны