автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование платиновых термометров сопротивления повышенной чувствительности и стабильности для построения МТШ-90 в диапазоне температур 300-1338 К

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАЗ£ННО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ . имени Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

На правах рукописи МОИСЕЕВА Наталия Павловна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАТИНОВЫХ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МТШ-9 О В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 300-1338 К

Специальность 03.11.15 - Метрология и метрологическое

обеспечение

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

. Санкт-Петербург 1994

Работа .ыполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им.Д.И.&нделеева.'

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший

,научный сотрудник А. И. Походун,-

" Официальные оппоненты: доктор технических наук» профессор

Б.Н.Олейник,

кандидат технических наук, доцент С.Е.Буравой.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский

институт физикотехнических и радиотехнических измерений.

Защита диссертации состоится 1994 г. в ■/о «ас.

на заседании специализированного совета Д041.03.01 при Всероссийском неуино^исслеяовательском институте метрологии им.Д.И. Менделеева. • •

Адрес: 196005, Санкт-Петербург, Московский пр.,19,т.251-77-:

С диссертацией можно ознакомиться библиотеке ВНИИМ им.Д.И Менделеева.

Автореферат разослан /У мфъа. 1994 г. .

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н.,с»н.с. ГЛ1.Телит«енко

Актуальность работы. Одной из важнейших областей измерений.влияющих' на уопех научно-технических разработок, является измерение те-«гературы. Точность измерения температуры конкретным измерительным прибором зависит от инструментальных погрешностей прибора и от точности его градуировки, которая, в свою очередь, определяется погреш-яостями передачи размера единица температуры в цепи поверочной схе-ш, характеристиками образцовых и эталонных средств измерений.

В последние годы в НТО "ВНШШ им. Д. И. Менделеева" /ЕЯИИМ/ проводятся интенсигчые работы по совершенствованию Государственного первичного эталона единицы температуры /ГПЭ/. В результате разработки яэвых термостатов, исследования разовых переходов 1 металлах, создания и введения в ГШ высокотемпературных платиновых термометров удалось достичь СЮ воспроизз дения результатов эталонных измерений температуры до 0,5 мК в диапазоне О - 630'С и 0,02 К в диапазоне 630 -1084*0 (ГОСТ 8.080-80).

Наука и промышленность пред*являют все более высокие требования к точности измерения температуры. Анализ результатов, полученных Солее, чем от ста предприятий- и научно-исследовательских институтов страны, показал, что требования к точности измерения температуры к 1995 году воорастут э два - три раза, а к 2000 году - почти в десять раз. Такие же требования выдвигаются и в мировой практике измерения температуры.

В 1990 году была введена в действие новая Международная температурная шкала МГШ - 90, основным преимуществам которой является более близкое приближение практических температур к термодинамическим, обеспечение гладкости функции отклонения от термодинамической шкалы. Диапазон использования платинового термометра сопротивления, как интерполяционного прибора пкады расширен до 961,78*С, введены новые репер-ные точки для градуировки термометров и новый метод интерполяции в 0 диапазоне между р^перяыми точками. 4

Актуальной проблемой является распространение Ш"И - 90 в России, создание и внедрение в Государственный первичный эталон и территориальные поверочные органы Госстандарта новых высокоточных приборов для , измерения температуры и методик их эксплуатации с целью повышения точности воспроизведения единицы температуры. Однозначное определение ' верхнего предела использования платиновых термометров в точке затвердевания серебра (961,78*С) нельзя признать оптимальным, поскольку оптические методы передачи размера единицы температуры сложны и менее точны, чем контактные. Целесообразно провести исследование возможности применения образцовых и эталонных термометров сопротивления при температурах, поевышающих 960'С. Использование высокотемпературных термометров в диапазоне &о0 - 1085*С позволит повысить точность измерений температуры в высокотемпературной области.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение точности воспроизведения Международной температурной шкалы Государственным первичным эталоном единицы температуры и передачи размера единицы в диапазоне О - 1085'С.

Цель предусматривает решение следующих научных задач:

!. Анализ характеристик точности шкалы МШ - 90 и выбор показателей, определяющих свойства платиновых термометров сопротивления, как интерполяционных приборов шкалы.

2. Экспериментальные исследования, направленные на оценку точностных характеристик платиновых термометров и анализ свойств температурной шкалы, построенной с помоиьы этих термометров.

Г йсл^дование физико-химических процессов в платине и анализ их влияния на сопротивление и интерполяционную функцию термометров.

4. Выбор и обоснование оптимальных конструкций термометров для

диапазона средних и в1роких. температур.

- ■ I • ■

Б. Разработка методики стабилизации и градуировки термометров,

обеспечиваю®?» высокие точностные характеристики термометров.

5. Исследование возможности использования высокотемпературных платиновых термометров конструкции ВНИИМ в"диапазона 960 - 1085"С и . разработка методик построения интерполяционной функции «(Т), в этом диапазоне. -

Научная новизна полученных результатов определяется следующим:

Разработаны и исследована платиновые термометры-сопротивления новой конструкции с повышенной чувствительностью - ПТС-25-4 и ПГС-50. Чувствительность с1Й/<1Т составила при температуре 0*С около.0.1 Ом/К. Погрешность воспроизведения единицы температуры ГГВ (СКО результата измерений) снижена примерно в два раза.

Разработаны методические рекомендации по эксплуатации эталонных платиновых термометров, основанные на результатах исследования процессов, происходящих з пдаткле, направленные на улучшение воспроизводи-, мости зависимости относительных сопротивлений от температуры.

Проведены экспериментальные исследования свойств температурной шкалы МГЕЬЭО, реализуемой с помощью термометров ВГС, ПГС-25 и 1ГГС-50.

Проведены исследования характеристик высокотемпературных платиновых термометров сопротивления при температурах, превышающих-предел применения платиновых термометров в шкале МТШ - 90,.определено сопротивление изоляции ВТО и исследован эффект загрязнения чувствительного элемента металлами, диффундирующими через защитную оболочку. Результаты исследований подтвердили возможность использования платиновых термометров в диапазоне 360 - 1085*С.

Предложены методики реализации МГШ - 90 и передата размера единицы температуры 5 диапазоне 960 - 1085'С с помощью платиновых термо- , метров сопротивления. Разработаны методики построения интерполяционных. зависимостей с использованием трех градуировочных точек.

- б -

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты исследований, выполненные в диссертации, позволили:

1. Снизить погрешность результата измерения температуры Государственным персичнш эталоном в среднем в два раза и погрешность передачи размера единицы в диапазоне О - 1085*С в пять раз.

2. Обосновать возможность расширения диапазона воспроизведения КПЗ-90 с помощью платинового термометра сопротивления до 1085*С.

3. Создать, исследовать к передать в серийное производство платиновые термометры сопротивления повышенной чувствительности ПГС - 25 и ПТС - 50. *

4. Исследовать и ввести в серийное производство высокотемпературный платиновый термометр сопротивления. Принять участие в международных ,заботах по исследованию свойств МГШ - 90 и работах по построению стандартней функции для термопар, проведенных по инициативе Консультативного комитета по термометрии.

5. РаэраОотать рекомендации по эксплуатации и исследованию платиновых термометров эталонного уровня точности. Внедрить методики градуировки в документ "Методика исследований ГШ единицы температуры в диапазоне 0 - 1085*0".

Основное результаты и научные положения, выносимые на задиту.

■ 1. Рекомендации по оценке точности Международной температурной шкалы и выбору критериев качества платиновых термометров сопротивления, как интерполяционных приборов шкалы.

2. Результаты анализа точности воспроизведения Международной температурной шкалы термометрами разных конструкций.

а Результаты экспериментальных исследований высокотемпературных термометров. (ВТС) конструкции БНИИМ в диапазоне температур 960 -1085*0. В частности, результаты определения сопротивления изоляции ВТС и исследована эффекта загрязнения чувствительного элемента термометра примесями, диффуншфуташши через КБарцевую оболочку при высоких темпе-

атурах. •;

4. Мэтодики интерполяции для высокотемпературных термометров в иапазоне ЗбС - 1085*С. , ,

5. Результаты исследованиянавнхконструндай плати«овьктермсме?-. ов сопротивления (ИГСУ для диапазона средник температур (0 - 650*0 с овышенной чувствительностью с номинальным сопротивлением. 25 и Я) 0«.. ..

6. Разработанные мэтоцичесете рекомендации по стабилизации и гра-уировке платиновых термометров на основе исследования физйно-химичес-их процессов, происходящих в термометре при эксплуатации.

Дггробадия работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

- Всесоюзной научно-.тэхяичеокой конференции молодых ученых и спе-яалистов. : Тбилиси, 1983 год.

Всесоюзной научно-технической конференции "Электротермскйтрия-8*\ Луцк, 1288 год.

- 17-й сессии Консультативного комитета по термометрии. Париж, 389 год.

- 4-й симпозиуме по температурным и тепловым измерениям в лромыш-:енности и науке (ТЕМРМЕК0-90). Хельсинки, 19&0 год.

- заседании рабочей группы ГМЕКО-ТС-12 по тепловым и темпера".-ур-ш измерениям. Парил. 1991 год.

- 7-и Международном симпозиуме по температуре (ТЖ31-1Э52).Торо-;то. 1992 год. . .......

- Шддународной научно-технической конференции "Электрические ме-юды'и средства изшрения температуры <Т-92)" Львов, 1992 год.

' - 18-й сессия. Консультативного ко^гге га по термометрии. Шриж, .993 год. • .

Результаты, воженные- в работе, были подтверждены в исследова- э-1иях платиновых т^ршкетраа сопротивления конструкции ЗНИИЫ. пройе--

денных специалистами Голландии (доклад на 4-м симпозиуме по температурным и тепловым измерениям "7ЕЫРМЕКО -.90", Хельсинки, 1990 год) к СЕЛ (доклад на 7-м Международном симпозиуме по температуре ТЮ31-92, Торонто. 1992 год). ВГС конструкции ВНШМ, работающие в диапазоне 960 - 1085*С были использованы в международной работе по построению стандартной функции для термопар типа £.

Об'ем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий об'ем диссертации -192 страницу,в том числе, 119 страниц машинописного текста, 37 писун-коз на 3? страницах, 24 таблицьна 25 страницах. Список литературы содержат 66 наименований на 8 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается современное состояние эталонных измерений в контактной термометрии. Выделены актуальные проблемы, решение которых позволит повысить точность ГПЗ в диапазоне 0 - 1085*С. Сформулирована цель диссертационной работы и научные задачи, решаемые в работе. Представлены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность результатов работа

В первой главе дастся краткое описание Международной температурной гакалы ШЧЧ-'вО. На основе анализа фундаментальных работ, посвященных исследованию свойств ШШ-90. дано определение характеристик точности шкалы. Показано, что целесообразно выделять две составлявшие погрешности значения практической температуры. Перзая составлявшая -пегре' зости термодикаыическах измерений, выполняемых при построении шкалы. Значение этой погрешности составляет от 1 до 60 мК в зависимости от температура Вторая составляющая - группа погрешно..гей, зависящих от методики построения и практики реализации Мэждународной температурной шкалы в различных лабораториях. ДЛя описания второй составляющей погрешностей вводят следующие три харкатеристики: неединстве-

яность шкалы, несходишсть в поддиапазонах и невоспроизводимость. Ш-едикствеаность обусловлена вариациями свойств конкретных термометров и определяется, как расхождение значений температур, измеренных различными термометрами в одной и той же температурной точ-s, не входн-щей а набор градуировочных реперных точек. Несходимость в поддиапазонах обусловлена наличием в пкале ОТШ - 90 возможности альтернативного выбора интерполяционных зависимостей для определения значения температуры по показаниям платинового термометра. Невоспроизводимость характеризует изменение значений температуры, полученных в одной и той же точке с пома з>о одного термометра, она обусловлена изменением сройст" термометров и реперных точек со временем.

Для оценки качества платинового термометра сопротивления, как клтерполяционкого прибора шкалы, обоснован зыбор двух основных характеристик стабильности сопротивления а тройной точке воды (RTp) и вос-■производимости относительных сопротивлений в реперных точках Vp-)

Относительное сопротивление WpT определяется по формуле:

vpT - Rpr/RTp-

где Rpr - значение сопротивления термометра, измеренное з репарной точке,

RTp - значение сопротивления термометра в тройной точке зады Эти характеристики влияют на свойства температурной талы и являются критериями, на основе которых могут быть проанализированы и -исследованы процессы; происходящие в платиновых термометрах, и выработаны методические рекомендации по их эксплуатации и градуировке.

Ка основе анализа материалов, опубликованных а последние годы по результатам исследований плагияовых термометров различных конструкций, выяснено, что имеются больше расхождения з оценке точностных характеристик эталонных термометров. Так. стабильность ЗТС при температуре, около 1000*С составляет 10 - 15 мК, воспроизводимость з точк* сер*>Йра

3-12 мК, в диапазоне 0 - 660'С - 1-5 мК. Заставлена задача оптимизация конструкции платиновых термометров сопротивления/ исследования процессов в платине и выработки рекомендаций по методике работы с це-. лью достижения воспроизводимости температуры реперных точек ГПЭ на уровне нескольких тысячных долей.Кельвина в области 660 - 1085*0 и до одной тысячной Кельвина в диапазоне О - 660*С.

» Во второй главе исследуются процессы, происходящие д платине при

циклическом охлаждении-нагреве платинового термометра. Анализ теоре-' тической зависимости удельного сопротивления платины от температуры

показал, что эта зависимость имеет сложный вид, близкий.« квадрати-

*

чной функции, п^ с добавлением членов более высоких порядков, строгой количественной взаимосвязи всех параметров, определяющих сопротивление платины, не установлено. В основе Международной температуркой шкалы лежит зкслернментально полученная стандартная Функция Wr (Т), отклонение от второй для каждого конкретного термометра описывается функцией отклонения & V(T), построенной по результатам градуировки термометров в реперных точках, шкапы.. Интерполяционная функция платинового термометра W(T), таким образом, определяется следующим уравнением: • . • ■■

Функция ЦТ) изменяется в процессе эксплуатации термометров под действием физико-химических процессов в платине. Как показал анализ исследовательских работ в области физики твердого тела и термометрии, наиболее игвестны следутаие процессы,, приводящие к ощутимому в эталонных намерениях изменению сопротивления платиновых термометров:

- игме"еиие распределения и концентрации вакансий в кристаллической решетке платины;

- окисление поверхности платины;

- "возникновение напряжений и деформаций в платиновой проволоке;

- рост крупных зерен, возникновение об' емных дефектов в кристаллической решетке; - ' - •

- загрязнение платины примесями, диффундирующими через защитную оболочку;

- повреждение поверхности платины, испарение платины при высоких температурах.

Исследования показывают, что под влиянием этих процессов мотет происходить измерение RТр и относительных сопротивлений на 0,1-10 мК в температурном эквиваленте. В отдельных случаях (закалка вакансий, повреддение поверхности) скачки сопротивления могут соответствовать нескольким десяткам миликельвина. В работе проведены экспериментальные исследования эффекта закалки вакансий у термометров ВТС. Установлено, что при быстром выводе из 7зчи, нагретой до 1000'С происходит

-А

рост сопротивления RTp на (0,8 - 1,0) *10 Ом, (в температурном эквиваленте - 0.05 К). Снижение избыточного сопротивления z два раза наблюдается при медленном, за 4-5 мин вызоде из лечи. Эксперимент по подбору оптимального режима показал, что наиболее эффективной является выдержка термометра в печи.при температуре 570 - 600"О в течение трех часов с последующим охлаждением з печи до 450аС « извлечением на воздух.

Проведены эксперименты гто исследованию згчректа окисления поверхности платины чувствительного элемента 1ГГ0-Ю. Выяснено, что изменения сопротивления при выдержке в диапазоне 0 - 230*С могут достигать 1,5 мК в температурном эквиваленте. Результаты, полученные при градуировке термометров ПГС-25-4 в точках слова и кндия, показывают, что процесс окисления практически не сказывается на значении относительных сопротивлений WpT , если для их расчета и.с пользовались RTp , полученные после измерений в реперных точках.

. Для разных процессов зависимость между изменением сопротивления R^p и функции W'T) имеет разный вид. который определяется характером процесса. Выделены две группы процессов - поверхностные и об' емные.

Для изменений на поверхности платины/ исходя из модели параллельного соединения двух сдоев, получаем следующее соотношение:

AVCU/WCT) - UR-rp/RrpKl-ICt),

■> где дV( Г) - изменение иктерполяционной функции при температуре Т; ft R-j-p - изменение сопротивления в тройкой точке воды; .

^-коэффициент. показывающий зависимость удельного сопротивления поверхностного слоя от температуры.

. В случае окисления поверхности коэффициент 1Ц очень близок к 1. Поэтому сделан вывод с том. что, если во время измерения сопротивления в тройной точке воды и в рецерных точках состояние-поверхностного слоя не меняется, то функция VCT) остается практически неизменной, независимо ~т величины сдоя окисла. Для об'емных процессов, характеризующихся равномерным распределением точечных дефектов решетки, вакансий и Примесей, исходя из правила Матиссена, получено следующее соотношение:

AWm/W(r - Л l l-W( T)3 /W(T) >ARTp/Rr/, .

Расчеты показывают, что в результате изменения сопротивления в тройной точке, воды на 5 мК в температурном эквиваленте относительные сопротивления а реперных точках изменяется соответственно на 9, 15, 23 и 86 мК в точках Zn. AI, Аг и Au. Сильное влияние об'емных процессов в кристаллической, решетке на функцию интерполяции приводит к необходимости разработки методик, позволяющих уменьшить количество точечных дефектов в патине и достичь их равновесной концентрации.

Па основе результатов исследований, проведенных во второй главе, были разработаны рекомендации по градуировке и промежуточной тепловой обработке термометров. Важнейшие из рекомендаций следующие.

- При работе с ПГС в диапазоне О - 420"С и в более низких поддиапазонах слелует предварительно перед градуировкой выдержать термо-

<етр в печи при температуре верхнего предела применения для образова-1ия стабильного слоя окисла.

- Тфи работе с ¡ПС в диапазоне 0 - ббо'с термометр следует гтред-зарительяо выдержать в' печи при температуре РОО - 650'С для полного разложения окисла. Градуировку начинать с точки затвердевания алюми-

1ЙЯ. ;

t - Для расчета значений " Wpr использовать только R-,-p, полученное госле измерений в соответствующей реперной точке. .

- После измерений в реперных точках выше 600°С термометр по.возможности охлаждать совместно с печью со скоростью не более 100 К/ч.

- Если требуется быстро извлечь термометр из высокотемпературной 1ечи, то необходимо провести дополнительный отжиг пои температуре 300*0 в течение 3 - 5 ч для восстановления равновесной концентрации закансий з кристаллической решетке платины.

Третья глава посвяшена исследованию характеристик платиновых термометров сопротивления, разработанных зо ВШСШ. Проблема оптимизации конструкции 25-омных термометров решается на основе анализа зависимости максимального напряжения з платиновой спиралч от геометрических размеров, чувствительного элемента и оценки сил, действующих на плати-говую проволоку в режиме циклического нагрева я охлаждения. Исследовались три конструкции ПТС для диапазона температур 0 - ббО'С с геликоидальным каркасом (конструкция Стрелкова), с двумя теревитыми кварцевыми трубочками (конструкции Барйера) и повал четырехканальная конструкция 1ГГС-25-4. Преимуществом конструкции ПГС-25-4 является сокра-иение длины и массы отрезков спирали чувствительного элемента, увеличение диаметра платиновой проволоки и, таким образом, снижение напряжений и. деформаций, вызывающих нестабильность характеристик термометра. Исследования изменений Rxp в процессе циклического отжига термометров при температурах 450 и 500"С показало, что 25-омные термометры типа Стрелкова не выдерживают длительной тепловой нагрузки. В правде-

се их отаига наблюдалось замыкание витков платжовой спирали. Термометры ПХС-25-2 и ПГС-25-4 стабилизировались в течение 50-60 ч циклического отжига Изменение RTp в стабилизированном состоянии соответствовало 11 мК для ПГС-25-2 и г 0.3 мК для ГГГС-25-4. Экспериментальные исследования воспроизводимости интерполяционных зависимостей по- «взывают, что новые термометры ПГС-25-4 имеют преимущество перед термометрами других конструкций. .СКО значения WрТ составляет 0,20,6 мК в температурном эквиваленте.

На основе принципа 4-канальной конструкции были созданы платиновые термометры ПГС-50 с номинальным сопротивлением при О'С 50 См. Таким образом повышена чувствительность температурных измерений в пять раз по сравнению с используемыми ранее в качестве эталонных и образцовых средств термометров ПГС-10. Повышение чувствительности dR/dT позволяет использовать для точных измерений температуры приборы не самой высокой чувствительности, находящиеся в обращении в территориальных поверочных лабораториях Госстандарта. Результаты экспериментов по исследованию характеристик ГГГ0-50 позволяют сделать вывод о высокой воспроизводимости иг относительных сопротивлений. СКО значения V/рт составило от 0.1 до 0.5 мК в температурном эквиваленте.

Ллк оценки несходимости функций интерполяции в поддиапазонах .47 ПЬ 90 был проведен расчет и построение с помощью компьютера функций отклонения по результатам градуировки термометров в реперных точках в диапазонах 0 - !5б*С, 0 - £30*С, о - 420"С. Полученные расхождения кривых достигают в.максимуме Э.8 мК в диапазоне О - 230*С. Значения несходимости для термометров, разработанных во . ВНИИМ, находятся к.л уровне н^сходимости для термометров фирм "Tinsley" и "Leeds & Nor-tijup", градуированных go ВНИИМ в 1988 году.

Проведено исследование неединственности температурной шкалы в. реперных точках индия и кадмия. СКО значения температурь: по группе из восьми термометров составило в точке индия - 0,45 мК, в точке кадмия-1,32 мК. Эти значения согласуются с полученными ранее с помощью термо-

метров других конструкций. Характеристики высокотемпературных термометров исследовались с привлечением 19 экземпляров ЕГО. Термометры стабилизировались путем отлита при температуре 1100 С циклами продолжительностью по 5 ч. Кривые изменения сопротивления е тройной точке воды в зависимости от времени отжига показывают, что в среднем для прекращения монотонного изменения сопротивления необходимо 70 - 100 ч отжига В стабилизированном состоянии колебания RTp не должны превышать 2 «К в температурном эквиваленте. Проанализирована результаты градуировки ВТС в реперных точках МГШ-90. Использование разработанных методик градуировки и промежуточного отжига позволяет получить среднюю воспроизводимость значения температуры в точках олова и цинка - 1 мК, в точке золота - 5,7 мК. Ifo результатам градуировки Hi С были расчитаны I. построены кривые функций отклонения в диапазонах О - 420 и О - 660° С. Расхождение функций отклонения в общем поддиапазоне 0 - 420°С, представляющее собой несходимость шкалы, достигает 0,1 мК для 40£ термометров, 1 мК для 90S термометров, что говорит о высоком качестве градуировки и удачном выборе полиномов для интерполяции.

В четвертой главе исследуется возмо.таоеть расширения диапазона воспроизведения шкалы ИГОЬЭО с помощью платинойого.термометра сопротивления. Главными аргументами, выдвигаемыми против расширения диапазона использования платиновых термометров сопротивления выше точки затвердевания серебра, являются следующие:

- разрушение кварцевой защитной оболочки;

- потеря-стабильности;

- загрязнэпче, платины различными примесями, диффундирующими сквозь защитную оболочку;

- шунтирование чувствительного элемента изоляцией, сопротивление которой падает при высоких температурах.

Кроме того, в настоящее время не существует метода построения^

\ ■

интерполяционной функции платинового термометра выше точки серебра.

Исследования, проведенные в третьей главе, показали, что термометры ETC задерживают циклическое изменение температуры в районе 1100°!

оез повреждений и потери стабильности. Исследование эффекта загрязнения чувствительного элемента термометра примесями, диффундирующими сквозь кварцевую оболочку при высоких температурах, были проверены на трех экземплярах ВГС (W 0010, 0018 и 0021), проведших предварительную стабилизацию при температуре 1080*С. Даа термометра были обернуты никелевой фольгой и установлены в отжиговую печь в кварцевых пробирках. Третий термометр не был обернут фольгой и использовался, как контрольный. Термометры отжигались одновременно и периодически проводились измерения сопротивления RTp и относительного сопротивления в точке галлия ЖGa). Кривые изменения RTp н V(Ga) от времени отжига показывают. что не происходит падения стабильности термометров при обертывании их никелем. После 150 ч отжига у ВГС N 0018 был извлечён чувствительный алемент и проведены измереькя содержания никеля в проволоке. Измерения осуществлялись с- помощью спектрометра для рентгенофлкзорес-центкого анализа с разрешающей способностью 0,5 ррт. Исследования показали полное отсутствие никеля в платиновой проволоке. При анализе кварцевой оболочки были обнаружены достаточно интенсивные спектральные линии никеля, однако, глубина длффузии никеля в кзарц не определялась и, возможно, в большей степени никель распылен по поверхности квнрца.

Проведены эксперименты по измерению сопротивления изоляции ВТС при температурах 900 - •ИОО'С. Использовался метод размыкания чувствительного элемента в средней точке. Эксперименты показапи, что наблюдается ; -;вко<- падение сопротивления изоляции Rs при температурах, превышающих 900'с. В точке 1064*С Rs снижается до 7,7 МОм. что приводит к погрешности измерений, соответствующей 0,6 мК._ Измеренное сопротивление изоляции имчет разную величину в зависимости от изменения интервала переключения направления тока, что обусловлено эффектами поляризации в кварце. Установлено, что с увеличением этого интервала с 2 до 15

;екунд сопротивление К, повышается с 4.7 до 7,7 МОы при температуре 1С64'С. Анализ результатов оценки электрической утечки в термометрах других конструкций показал, что по величине погрешности, возникающей в результате утечки. ETC ВНИИМ. уступает лишь термометрам китайского - производства, имевдим низкое номинальное сопротивление - 0,25 Ом. Исследования возмряиых методов построения интерполяционной зависимости платиновых термометров в диапазоне-960 - 1085"С проводились на основе экстраполяции стандартной функции МТШ-SO выше точки затвердевания серебра Анализировались 10 различных функций отклонения. Критерием оценки предлагаемых фулкций было выбрано расхождение расчетных и измеренных значений W(T) а избыточных реперных точках. Оптимальным по результатам исследования признан полином & Vs(Т) с градуировочными точками олово, цинк, алюминий и золото:

д VjCT) - afW'-l) + b(V-if + c(V-l) + diV-W^)*

Расхождения измеренных и расчитанных значений W^ в-точке серебра составляют 0,5 - 7 мК для лучших пяти термометров, средняя величина расхождения по всей группе термометров - 14 мК. Результаты показывают, что возможно использование интерполяции на основе & V's( Т) для ВТС эталонного и образцового уровня точности.

Проведен анализ интерполяционных зависимостей, построенных и привлечением возможно меньшего числа точек. Эти зависимости могут быть использованы для передачи размера единицы температуры с помощью образцовых БТС. Анализ показал, что наиболее точное приближение к МТШ дает квадратичная зависимость для функции отклонения

W,(T) - a(W-l) + bCW-i)1

с градуировочякми течками цинк и золото или цинк и мель. Использование

\

точки »¿еди вмест„ точки золота предпочтительно в поверочных работах,

т. к. эта точка наиболее дешевая и доступная. Были , проведены совместные исследования свойств высокотемпературных термометров различных конструкций в лабораториях ВНИИМ и ШСТ (США) В экспериментах использова-лиеь 2« термометров, 18 из которых - ВГС конструкции ВШИМ. Термометры ВНИШ стабилизировались путей циклического отжига при температуре 1100 1 "С, затем проводидась градуирсЕка термсметрров и два экземпляра; обоз-начекньй I я Д. былиотправлены в НИСТ для исследований совместно с термометрами других фирм. Делыэ . исследований был анализ стабильности

- . сопротивланиятермометров втрсйизй точке воды после воздействия высо-; •. ' !3йс температур,, одангеа вскгп^изволимойи относятельнкх сопротивлений в

;реперных точках, оценка неединственности и несходимости в поддиапазонах МШ- 20. Згеспериыеныпри температуре выща 960Тпроводились только .. с термометрам» ВНИИЦ, Щвж длительной тепловой обработки в диапазоне "500 -1СбО*С ЗТ0 1и1показали из»©нение оопротивленкя, не превышающее 4,5 цК п температурном эквиваленте. Воспроизводимость Урт, определенная , как размах значений относительных сопротивлений по трем циклам градуировки, составила около 3 мК . ,Терыоизтры других ; конструи»ий не подвергались ингенсивной теплоеой нагрузке н нэ нагревались выпге точки загвердевания серебра. ■ Воспроизводимость составила 1.7 - 2.3 ыН. Исследования неединственности' тедаратуркойшкалы проводились в реперных точках галлия, индия и кадмия. Расхождения значений температуры в точке галлия достигали :0,6 Ш, а точ^. ин^ 0 0.6 »¿I; в точке кадмия 1.6мК.Анаши надходашотн функций едтерпошиии в диапазоне -420*С показал, что мзксишдькс хйсхоаденив функций \ftTJ составило в ' для 2,5-омных термометров 0,4 ыК с разбросом 0,7 ыК, для 0,25-оиных

- терлетроц- 0,7 мК с разбросом Л.? цК. для термометров ВНИШ - 0,19 чК с разбросом 0.35 Ш. Результаты исследований вамкотомпе ратурных ' термометрс^. хфоведенниэ специалистами НЙОТ, и ШИИМ, позволяют сделать

^ вывод об их высоких точностных характеристиках и возиржности^использог

; заниа при^ температурах ида точки серебра-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

"В результате теоретических к экспериментальных исследований в ди-ертации решены следующие задача: '

1. Проведен анализ характеристик точности Международной темпера-ркой шкалы и выбраны показатели'для оценки качества платиновых тер-метров сопротивления, как интерполяционных приборов шкалы.

2. Проведен анализ и исследование физико-химических процесов, «исходящих в платине при эксплуатации термометра и изменяющих его ^противление. Подучены результаты, подтверждающие эффект окисления >верхчости платины и рЗаработаны рекомендации по методике работы с Фмометрами. Эксперименты по закалке и отжигу ВТС поьволили подобрать ¡тимальный режим тепловой обработки термометров для снижения избыточно сопротивления, обусловленного неравновесной концентрацией вакан-1й в кристаллической решетке платины.

2. Обоснован выбор конструкций чувствительного элемента платкно-)Го термометра для диапазона средних и высоких температур, обеспечивала высокую чувствительность и точность измерений температуры.

4. Проведены экспериментальное исследсван;-.л точностные харж"э-гстик платиновых термометров, используемых для всслрокзведеяид ЬГПЗ-ЗО диапазоне 0 - 1085 "С. Восщхжгзодимость температур реп»рных точек, змерянных термометрами ВНКЙМ, составила О,С5 - 5,7 мК.

5. Проведены исследования, подтверждающие возможность исиользова-ия ВТС, как интерполяционных, приборов температурной шкалы, яри темпе-атурах выше • 860*0. В частн&ти. установлено, что нет заметного заг-язнения платин'-1 иуветвитедьного элемента никелем после 500 ч прокали-ания термометра,- обернутого никелевой фольгой, в печи, нагретой до 100°С; сопротивление изоляции при температуре 1064° С падает до 7,7 Ом, что приводит к погрешности измерений, не превышающей 0,6 мК ; не аблюдаатся разрушения защитной' трубки после выдержки термометров при 10011С в течение нескольких сотен часов. Предложены методики интерпо-

ляции для осуществления шкалы с помощью ВГС в диапазоне 960 - 1085 С.

6. Исследованы точностные характеристики температурной шкалы, ре-алиэуейой во ВНИИМ с помощью платиновых термометров сопротивления. Неединственность шалы составляет 0,6 - 2.0 мК, нееходимость в области 0 - 530 <Т достигает 0,3 мК, в области 0 - 420 С не превышает 1 «К,. воспроизводимость шкалы о помощью одного термометра находится на уровне 0,1 - 0,6 иК для длиапазона 0 - 420 С и около 4 мК ь области вассшк температур..

На основании изложенных в диссертационной работе материалов была снижена погрешность результата измерения температура с помощью ГГО примерно в два раза. Подготовлена документация, проведены Государственные приемочные испытания для введения в серийное производство термометров.типа ВТС, ИГС-25-2, ПГС-25-4, ПГС-50, что позволяет поднять точность передачи размера единицы температуры. Результаты учтены при разработке новой поверочной схемы для средств измерения температуры /ГОСТ 8.558-93./

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Н.П. Анкудююва (Моисеева). Исследование платиновых термометров сопротивления для диапазона среднил и высоких температур //Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов "Шившие повышения уровня метрологического обеспечения и стандартизации на эффективность производства и качество выпускаемой продукции"; Тозисы докладов. - Тбилиси, 1983.- С. 55-56.

г Моисеева Н П. Образцовые высокотемпературные термометры сопротивления. Исследование первых серийных образцов // Всесоюзная научно-техническая конференция "Эяектротермоштрия-88": Тезисы докладов.-Луцк, 1988. -С. 295-296.

3. Моисеева К П., мирлин А. Д. Исследование новых методов интерполяции для пдагиновых термометров сопротивления // Всесоюзная научно-'

техническая конференция "Электротермометрия-38": Тезисы докладов.-Луцк, 198а- С. 297-298.

4. Походун А. И., Моисеева & П., Глинский Е А. , Ереминский К А. " Электрическая утечка высокотемпературных платиновых термометров // Всесоюзная научно-техническая конференция "Электротермометрия-36": Гегисы докладов. - Луцк, 1988. - С. 363-365.

5. Мирлин А. Д., Моисеева Е П. Методика описания интерполяционной зависимости платиновых термометров сопротивления в диапазоне.О -362 С // Измерительная техника. - 1990. - N 4. - С. 34-36.

6. Pokhodur А. I., Moiseeva N. Р., Kovalev А. V., Khovanskaya Е. V. Investigation of the metrological characteristics of Sovietmade high temperature platinum thermometers. // 4 Symp. temperature TEMPMEKO -90.- Helsinki, 1990,- P. 37-52.

7. Pokhodun A. I., KtoiLeeva N. P. , Perevalova S. A., Khovanskaya E. V. Estimates of standard functions of SOVIET "S"-TYP£ Thermocouples // Workshop of IMEKO-TC 12 "Uncertainties in temperature measurement".--Paris, 1991. - P. 24-26.

8/ Моисеева E П. , Походун А. И. Некоторые вопросы интерполяции в диапазоне температур выше 273.15 К // Измерительная техника. 19Р2. -N 5. - С. 34-35.

9. Походун А. И., Моисеева Н. IL Проблемы улучшения метрологических характеристик образцовых платиновых термометров сопротивления // Метрология.- 1992. N 5.- С. 597-605.

10. a F. Strouse, В. V. Magnum, A. I. Pokhodun. N. P. Maiseeva. Investigation of HTPRTs at temperatures up to 962 C. ar.d, in some =ases, 1064 C.//T'vCSI. 1992.- V.S. - P. 389-395.

11. N. P. Moiseeva, A. I. Pokhodun. Investigation of the non-umqness and sub-range inconsistencies of the 1Т£-90 using platinum resistence thermometers in the 0-961,78 С range.//TICSI - 1992.- V.6. - P. 187-193

12. Pokhodun A. I. , Matveev M.S., Moiseeva N. P. Determination of =

the reference function for a platinum rosistence thermometer over the tomperature range above the freezing point of silver // European scientific metrological conference "150-th Anniversary of the D. I-Mendeleev institute for metrology": Abstracts. - St. Peterbure, 1992 . - P. 89-90.

ia G.V. Burns, GLF.Strous, M.C.Croaklin and W.F.Guthrie (NIST), P. Marcarino arid M-Battuelo (IM3C). H. K. Lee, J.C. Kim, K.S Gam and C. Rhee (KSRI), MChatle (NPL), M.Arai and H.Sakurai (НШМ. A. I. Pokhodun, N. P. Moiseeva and S. A. Perevalova (.VNIIM), M. J. de Groot

(VSL), Zhang Jtpei, Fan Kai and Wu Shuyuan (SIPAI). New reference

*

function for ptatinum-10% rhodium versus platinum (type S) thermocouples based on tne ITS-90 // TKCSI. - 1992.- V.6. - P. 541-547.

14. M.C. Croakin, V.F.Guthrie, й V. Burns and aF.Ctrous (MIST), P.Marcarino and MBattuello (IM3C), H.K. Lee, J.C.Kim, K.S.Gam and C. Rhee (KSRI). M.Chatle (NPL), M-Arai and H. Sakurai (NRLM),

A. I. Pokhodun, N. P. fcfoiseeva and S. A. Perevalova (VNIIM), M. J. de Groot (VSL), Zhan^ Jipei. Fan Kai and Ш Shuyuan (SIPAI). Statistical anabsis of type S thermocouple measurements on the International temperature scale of 1990 // TW2SI. - 1992.- V.6.- P. 547-55a

15. Моисеева E E Передача размера единицы температуры - кедьвинг в интервале 420 - 1085 С с помощью образцовых ВТС // 7-я Международна: конференция "Электрические методы и средства измерения температуры" (Т-92): Тезисы докладов. - Львов, 1992, - С. 78.

16. A. I. Pokhodun, N. P. fcfoiseeva, A.V. Kovalev, Е. V. Khovanskaya. Investigation of the characteristics of a high-temperature platinum resistance tnermometer up to the gold point //Measurement.- 1993.- N 11 - P. 309 - 318.

17. Моисеева 11H Построение интерполяционной зависимости для эталонных и образцовых ВТС //Измерительна* техника - 1993. - N 8. -С. 40 - 42.