Методика поверки «ГСИ. Ампулы для реализации реперных точек температурной шкалы в диапазоне от 234,3156 К до 692,677 К» (МП 2411-0142-2017)

Федеральное государственное унитарное предприятие

«Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева» ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева»

енделеева»

голинский 2017 г.

Государственная система обеспечения единства измерений

Ампулы для реализации реперных точек температурной шкалы в диапазоне от 234,3156 К до 692,677 К

МП 2411-0142 -2017

Руководитель отдела госэталонов в области теплофизических и температурных измерений

А.И. Походун

Ведущий научный сотрудник лаборатории термометрии

А. Г. Иванова

Содержание

• 1 Область применения

• 2 Нормативные документы

• 3 Определения, обозначения, и сокращения

• 4 Операции и средства поверки

• 5 Требования безопасности

• 6 Условия проведения поверки

• 7 Подготовка поверки

• 8 Проведение поверки

  • 8.1 Внешний осмотр

  • 8.2 Определение поправки к значению температуры, воспроизводимому с помощью

поверяемой ампулы затвердевания (плавления) металлов относительно МТШ-90

• 8.2.1 Ампулы индия, олова, цинка Ак(1п), AK(Sn), AK(Zn)

• 8.2.2 Ампула галлия AK(Ga)

• 8.2.3 Ампула ртути Ai<(Hg)

• 8.2.4 Ампула свинца Ак(РЬ)

8.3 Определение границ доверительной погрешности значения температуры,

воспроизводимой с помощью поверяемой ампулы

• 9 Оформление результатов поверки

• 1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящая методика распространяется на эталонные ампулы рабочих эталонов (далее - ампулы) 1-го разряда, предназначенные для реализации основных реперных точек температурной шкалы МТШ-90 на основе фазовых переходов чистых веществ: тройной точки ртути минус 38,8344 °C, плавления галлия 29,7646 °C; затвердевания индия 156,5985 °C; затвердевания олова 231,928 °C; затвердевания цинка 419,527 °C и для реализации вторичной реперной точки затвердевания свинца 327,462 °C и устанавливает методы и средства первичной и периодических поверок.

Ампулы предназначены для поверки и калибровки эталонных платиновых термометров сопротивления 2 разряда типа ПТС, прецизионных термопреобразователей сопротивления, термоэлектрических преобразователей и других прецизионных контактных термометров.

Интервал между поверками - 2 года.

• 2 НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

В настоящей Методике использованы ссылки на следующие стандарты и издания:

• 2.1 Международная температурная шкала МТШ-90. Документ Международного Бюро по мерам и весам, 1989.

• 2.2 ГОСТ Р 8.558-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры»

• 2.3 ГОСТ Р 8.814-2013 «Ампулы для реализации реперных точек температурной шкалы в диапазоне от 273,15 до 1234,93 К»

• 3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ, И СОКРАЩЕНИЯ

Ампула - устройство, содержащее высокочистое вещество, предназначенное для реализации фазового перехода: плавления или затвердевания

Ампула тройной точки воды - А(ТТВ).

Ампулы для реализации основных реперных точек: точки плавления галлия и точек затвердевания индия, олова, цинка, и тройной точки плавления ртути соответственно; A(Ga), A(In), A(Sn), A(Zn), A(Hg), для реализации вторичной реперной точки затвердевания свинца А(РЬ),

Ампула, подлежащая поверке - Ак

Ампула Аэ, входящая в состав эталона более высокого разряда, чем Ак;

Термометр типа ПТС - платиновый термометр сопротивления стержневой, предназначенный для измерения температуры от минус 189,3442 °C до О °C или от 0,01 до 419,527 °C.

t - температура в градусах Цельсия (°C);

Rttb- сопротивление термометра в тройной точке воды;

Rpr- сопротивление термометра в реперной точке;

Wpr- относительное сопротивление термометра в реперной точке - отношение сопротивления термометра в реперной точке к его сопротивлению в тройной точке воды.

• 4 ОПЕРАЦИИ ПОВЕРКИ

Поверку и калибровку ампул 1-го разряда проводят с использованием аппаратуры эталона-копии ГПЭ ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и в метрологических центрах (лабораториях), которые имеют соответствующие ампулы рабочих эталонов 0-го разряда, установки для реализации основных и вторичных реперных точек Международной температурной шкалы МТШ-90 и ПТС 0-го разряда.

Поверка эталонных ампул 1 -го разряда Ак для реализации основных реперных точек заключается в определении поправки к значению температуры, воспроизводимой с их помощью, относительно значения температуры реперных точек, приведенного в Положении о МТШ-90, и в оценивании границ доверительной погрешности значения температуры, воспроизводимой ампулой Ак-

Поправку к значению температуры основных реперных точек МТШ-90 определяют сличением результатов измерений температуры, воспроизведенной в ампуле Ак и соответствующей ампуле Аэ более высокого разряда, полученных с помощью эталонного ПТС 0-го разряда.

Поправку к значению температуры вторичной реперной точки А.{РЬ) определяют сравнением результата измерения температуры затвердевания свинца в ампуле Ак с помощью ПТС 0-го разряда с значением, приведенным в документе Рабочей группы Консультативного комитета по термометрии для вторичных реперных точек МТШ-90.

При проведении поверки должны выполняться операции, указанные в таблице 1

Таблица 1

Примечание:   Допускается применение аналогичных средств поверки,

обеспечивающих определение метрологических характеристик поверяемых СИ с требуемой точностью.

• 5 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

  • 5.1  Помещение лаборатории должно быть оборудовано приточно-вытяжной вентиляцией.

  • 5.2 При работе с ампулами тройной точки воды (далее - ампулы) следует соблюдать особую осторожность. Работать с ампулами разрешается только в защитных очках.

  • 5.3  Во время проведения измерений термометр следует извлекать из ампулы медленно, соблюдая особую осторожность во избежание получения ожогов и закрепить его в вертикальном положении на штативе.

  • 5.4 При поверке должны соблюдаться требования безопасности, приведенные в Руководстве по эксплуатации на ампулы.

• 6 УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПОВЕРКИ

При проведении поверки ампул должны соблюдаться следующие условия:

• - температура окружающего воздуха, °C

• - относительная влажность, %, не более

• - атмосферное давление, кПа

В помещении не должно быть дыма, пыли, ощутимой вибрации.

При поверке должны соблюдаться требования, приведенные в Руководстве по эксплуатации на ампулы.

• 7 ПОДГОТОВКА ПОВЕРКИ

Перед проведением поверки следует:

• 7.1 Проверить наличие всех средств измерений и вспомогательных средств, необходимых для поверки, согласно разделу 4 и нормативным документам, устанавливающим методику их эксплуатации.

• 7.2 Проверить соответствие условий поверки требованиям раздела 6.

• 7.3 Подготовить к работе средства измерений и вспомогательные средства согласно эксплуатационным документам на них.

• 7.4 Протереть погружаемые части термометров этанолом.

• 8 ПРОВЕДЕНИЕ ПОВЕРКИ

  • 8.1 Внешний осмотр

При осмотре следует установить соответствие ампул требованиям, изложенным ниже:

- оболочки ампул должны быть без повреждений.

Ампулы, не удовлетворяющие требованиям, изложенным в 8.1, дальнейшим операциям поверки не подвергают.

• 8.2  Определение поправки к значению температуры, воспроизводимому с помощью ампул реперных точек затвердевания (плавления) металлов, представленных на поверку относительно МТШ-90

  • 8.2.1  Определение поправки к значению температуры, воспроизводимому с помощью ампул реперных точек затвердевания металлов: Ак(1п), AK(Sn), AK(Zn) относительно МТШ-90

    • 8.2.1.1 Перед началом определения поправки ампула Ак с расплавленным и перегретым на 5 К металлом должна быть выдержана в печи не менее 6 ч для равномерного распределения примесей в объеме.

Значения температуры основного, верхнего и нижнего нагревателей устанавливают по результатам предварительной подготовки условий реализации реперной точки с использованием Ак. Методика реализации затвердевания металла в ампуле Аэ должна соответствовать руководству по эксплуатации на установку для реализации реперной точки, используемую в лаборатории. Процесс затвердевания металла проводят с образованием двух границ раздела фаз: на стенках ампулы и на термометровом канале по результатам подготовки.

Температуру затвердевания металла в Ак измеряют последовательно двумя эталонными термометрами ПТС в точках затвердевания индия, олова, цинка, используя первые 10 % - 25 % продолжительности площадки затвердевания металла.

• 8.2.1.2 Выполняют не менее пяти отсчетов сопротивления термометров ПТС при значении измерительного тока 1 мА. Рассчитывают среднеарифметическое значение сопротивления ПТС. После окончания измерений сопротивления эталонных ПТС на площадке затвердевания выполняют измерение их сопротивления ПТС в А(ТТВ).

Выполняют измерения температуры реперной точки в соответствующей ампуле Аэ с помощью тех же термометров ПТС.

Повторяют определение WpT поочередно для каждой из ампул: Ак и Аэ не менее трех раз. Определяют для каждого ПТС значения Wli (Аэ), W2i(A3), W3i (Аэ), и Wli (Ак), W21(Ak), W3i (Ак) и соответствующие разности относительных сопротивлений для каждого ПТС

АИ^г= WsifAa) - WsifAic),

где s - номер термометра ПТС -1,2.

i - номер площадки.

Получают не менее шести значений разности A Wsi.

Рассчитывают среднеарифметическое значение разности относительных сопротивлений AWsi для двух термометров и трех площадок по формуле:

(2),

где A Wsi - разность значений относительного сопротивления s-ro термометра для i-ой площадки.

Значение поправки к температуре, реализуемой с помощью Ак, относительно температуры, реализуемой Аэ - Л?_ср[Аэ-Ак] в температурном эквиваленте рассчитывают по формуле:

(3),

где dW/dT - значение производной стандартной функции МТШ-90 для реперной точки.

Поскольку для поверки Ак 1-го разряда в качестве Аэ используют ампулы эталона-копии ГПЭ или 0-го разряда, в паспорте которых указана поправка А/[Аэ] относительно МТШ-90, то окончательная поправка к значению температуры Ак будет равна сумме двух поправок

А/(Ак) = А?_Ср [Аэ - Ак] + А/ [Аэ]             (4)

• 8.2.2 Определение поправки к значению температуры, воспроизводимому с помощью ампулы AK(Ga) относительно МТШ-90.

Ампулу AK(Ga) размещают в термостате, температура в котором определена в процессе предварительной подготовки условий реализации. После начала плавления галлия и стабилизации показаний ПТС, выполняют измерения 2 эталонными ПТС при токе 1 мА. Повторяют операции 8.2.1.2.

• 8.2.3 Определение поправки к значению температуры, воспроизводимому с помощью ампулы Aic(Hg), относительно МТШ-90

Температуру тройной точки ртути реализуют в процессе непрерывного медленного плавления металла после его предварительного затвердевания при размещении ампулы с ртутью в криостате. Процесс плавления проводят с образованием двух границ раздела фаз: на стенках ампулы и на термометровом канале. Измерение температуры выполняют при стабилизации показаний ПТС.

Сличение ампул тройной точки ртути Аэ с Ак проводят с использованием двух платиновых термометров сопротивления ПТС на каждой площадке плавления. Площадки плавления ртути в ампулах Аэ и Ак повторяют 2 раза.

Примечание: Ампула Аэ - ампула тройной точки ртути, СКО суммарной погрешности реализации температуры не менее 0,2 мК.

Непосредственно после окончания измерений в ампуле тройной точки ртути выполняют измерения сопротивления ПТС в А(ТТВ).

Измерения сопротивления ПТС при реализации тройной точки ртути в ампулах Аэ, Ак, а также в ампуле А(ТТВ) проводят при измерительном токе 1мА.

В результате поверки Ак получают 4 значения разности относительных сопротивлений ПТС в ампулах Аэ и в Ак’.

AW, = W_n(A3)- W_h(Ak) AW₂ = W_2i(As)- W_2;(Ak),                           (5)

где нижние индексы “1” и “2” относятся к термометрам, “i” к номеру площадки.

По 4 полученным значениям AW, двух ПТС определяют среднее арифметическое значение поправки AW_cp к температуре, воспроизводимой Ак относительно ампулы Аэ в температурном эквиваленте по формуле

К^^Аэ~ ^АА=^^Аэ~ ^А*>⁺(^Аэ~                       ⁽⁶⁾-

4 _;=1                                    al

Поправка At(Ax) к значению температуры, воспроизводимой поверяемыми ампулами Ак, относительно значения температуры реперной точки по МТШ-90 в температурном эквиваленте будет равна

(7),

где At [Аэ] - поправка к значению температуры, воспроизводимой ампулой Аэ, относительно значения температуры по МТШ-90, которая приведена в сертификате на ампулу Аэ по результатам её сличения с ампулой эталона ГЭТ 35-2010.

• 8.2.4 Определение поправки к значению температуры, воспроизводимому с помощью ампулы Ак(РЬ), относительно МТШ-90

Реперная точка затвердевания свинца является вторичной реперной точкой МТШ-90 и не входит в состав основного эталона температуры ГПЭ, эталона-копии и эталонов нулевого порядка метрологических институтов (лабораторий).

Поверку Ак(РЬ) выполняют сравнением результата измерения температуры затвердевания свинца в ампуле Ак(РЬ) эталонными термометрами ПТС: либо из состава эталона-копии в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева», либо ПТС 0-го разряда в метрологических центрах (лабораториях) с значением 327,462 °C, приведенным в документе Рабочей группы Консультативного комитета по термометрии для вторичных реперных точек МТШ-90.

С учетом принятой в ГОСТ 8.558-2009 линейной интерполяции погрешности между значениями температуры в качестве допустимых значений поправки и СКО суммарной погрешности температуры затвердевания свинца для ампул 1-го разряда следует принять средние значения между допустимыми поправками и СКО для ампул олова и цинка 1-го разряда, приведенные ГОСТ Р 8.814-2013. Поправка в пределах ±0,015 °C (±15 мК), СКО суммарной погрешности - не более 0,003 °C (0,3 мК).

Перед измерением температуры затвердевания свинца повторяют операции п.8.2.1.1.

На площадке затвердевания выполняют не менее пяти отсчетов сопротивления термометра ПТС при измерительном токе 1 мА. Рассчитывают среднеарифметические значения сопротивления каждого ПТС. После окончания измерений сопротивления эталонных ПТС на площадке затвердевания выполняют измерения сопротивления ПТС в А(ТТВ). Повторяют процесс затвердевание 3 раза и получают по 3 значения Wpb для каждого ПТС.

Рассчитывают 6 значений температуры затвердевания свинца с использованием градуировок эталонных ПТС и определяют 6 отклонений полученных значений температуры от значения 327,462 °C и среднеарифметическое значение поправки Atcp(AK).

• 8.3 Определение границ доверительной погрешности значения температуры, воспроизводимой с помощью поверяемой ампулы

  • 8.3.1 СКО случайной составляющей погрешности поправки, полученной для ампул Ак(1п), AK(Sn), AK(Zn), Ак(Оа) в температурном эквиваленте рассчитывают по формуле

где AWsi - разность значений относительного сопротивления s-ro термометра для i-й площадки.

AWcp - среднеарифметическое значение разности AW, полученное по двум ПТС в результате повторения реализации реперной точки в Аэ и Ак по три раза.

• 8.3.2 СКО случайной составляющей погрешности поправки, полученной для ампулы AK(Hg), в температурном эквиваленте рассчитывают по формуле

Х[д/(Л_К)1=- ли; г+(ДЙГ₂, - ди;,,)²] • -^= /

• 8.3.3 СКО случайной составляющей погрешности поправки, полученной для ампулы Ак(РЬ), рассчитывают по формуле

  

(Ю),

где At; - значение поправки i - го измерения по п. 8.2.4

tp_b =327,462 °C,

• 8.3.4 СКО суммарной неисключенной систематической погрешности (далее НСП) поправки At (Ак).

  • 8.3.4.1 При использовании для измерения сопротивления ПТС одного прибора (моста и образцовых мер сопротивления) СКО суммарной НСП полученной поправки At (Ак) для ампул Ак(1п), Ax(Sn), AK(Zn), AK(Ga), AK(Hg), включает две составляющих.

Одна составляющая представляет СКО погрешностей поправок, вводимых в результаты измерений сопротивления ПТС в Аэ и Ак на гидростатическое давление металла на уровне погружения чувствительного элемента ПТС относительно уровня металла в ампулах. Поскольку разница в уровнях металла в ампулах 0-го и 1-го разряда, в настоящее время, как правило, менее 5 см, соответствующие поправки в результат измерений не вводятся.

Вторая составляющая НСП представляет СКО погрешности из-за влияния теплоотвода на показания ПТС в Аэ и Ак. СКО составляющей НСП из-за влияния теплоотвода определяют исходя из результатов измерений изменения сопротивления ПТС в термометровом канале ампул при его подъеме с шагом 0,5 - 1 см на расстоянии 3-5 см относительно дна ампул в Аэ и Ак. Поскольку, исходя из теоретической зависимости, изменения температуры затвердевания металла от гидростатического давления не превосходят 3*1 О'⁴ К при перемещении термометра в пределах 5-10 см , оценка границ составляющей НСП из-за влияния теплоотвода для каждой из ампул Аэ и Ак соответствует изменению температуры ПТС At на уровне высоты его чувствительного элемента от дна ампулы. СКО составляющей НСП из-за влияния теплоотвода рассчитывают по формуле

0.

(П).

• 8.3.5 СКО суммарной погрешности поправки At(Ax) So рассчитывают с учетом СКО случайной составляющей погрешности определения поправки S[At(Ax)], СКО НСП 6т измерений в Аэ и Ак по формуле

  

  (12).

• 8.3.6 СКО суммарной погрешности воспроизведения температуры реперной точки с использованием ампулы Ак вычисляют по формуле

  

(13),

где S(3) - CKO суммарной погрешности воспроизведения температуры, воспроизводимой с помощью Аэ, указанное в её паспорте (свидетельстве).

• 8.3.7 СКО суммарной погрешности поправки At(AK) Se для ампулы Ак(РЬ) рассчитывают с учетом СКО случайной составляющей погрешности определения поправки S[At(AK)] по формуле (10), СКО НСП От измерений ПТС в Ак по формуле (11) и СКО НСП измерений в ампуле А(ТТВ), СКО градуировки ПТС, использованной для расчета значения температуры Огр(ПТС) по формуле

S_e [АГ(Лк )]= ф²[^(Ак)]+0_гр\ПТС ) + 0²(И_77Э ) + 0_Т² (Ак )   (14)

СКО суммарной погрешности воспроизведения температуры реперной точки с использованием ампулы Ак вычисляют по формуле (13),

где S(3) = 0,001 °C - СКО значения температуры затвердевания свинца, приведенное в документе Рабочей группы Консультативного комитета по термометрии для вторичных реперных точек МТШ-90.

• 8.3.8 Границы доверительной погрешности воспроизведения температуры реперной точки с использованием поверенной ампулы Ак при доверительной вероятности 0.95 вычисляют по формуле

8 = 2-S_Z                                                 (15)

Результат поверки считают положительным, если значения поправки к значению

температуры и границы доверительной погрешности соответствует таблице 2. Таблица 2

• 9 ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОВЕРКИ

Результаты поверки оформляют протоколом (рекомендуемая форма протокола приведена в приложении А). При положительных результатах поверки выдается свидетельство о поверке установленной приказом Минпромторга России «Об утверждении Порядка проведения поверки средств измерений, требования к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке» №1815 формы. При отрицательных результатах поверки выдается извещение о непригодности.

Знак поверки наносится на свидетельство о поверке.

Приложение А

(рекомендуемое)

Дата__________________

ПРОТОКОЛ №

Ампула типа___________________________№______________________,

представлена________________________________________________________.

Место проведения поверки______________________________________________

Метод поверки: МП 2411-0142-2017 «Ампулы для реализации реперных точек температурной шкалы в диапазоне от 234,3156 К до 692,677 К. Методика поверки».

Значения влияющих факторов:

Температура окружающей среды__°C

Относительная влажность__%

Атмосферное давление__кПа

Поверка проведена с применением эталонов:

Результаты внешнего осмотра:_________________________________________

Результаты поверки:

Температура затвердевания (плавления) олова, воспроизводимая с помощью ампулы №______,

t =_____________°C

CKO суммарной погрешности, мК ______

Доверительная погрешность, мК________________

Вывод: По результатам поверки ампула допускается к применению в качестве рабочего эталона 1-го разряда по ГОСТ 8.558-2009

11