Введение к работе
Актуальность темы исследования
Научно-технический прогресс неразрывно связан с непрерывным совершенствованием измерительной техники и опережающим развитием метрологии. Это в полной мере относится к термометрии, так как точные измерения температуры приобретают всё большее значение для решения задач во всех сферах человеческой деятельности и, прежде всего, в теплоэнергетике и тепло-сбережении. В настоящее время основой этих измерений является Международная температурная шкала, принятая в 1990 г. (МТШ-90).
Средством воспроизведения, хранения и передачи температурной шкалы является аппаратура для реализации реперных точек с установленными на основе международных соглашений значениями температуры фазовых переходов в чистых веществах. При наступлении фазового перехода наблюдается стабилизация температуры, обусловленная поглощением или вьщелением теплоты, равной теплоте плавления или затвердевания чистых веществ. Поскольку значение температуры, при которой происходит стабилизация, известна, то его приписывают эталонному термометру, чувствительный элемент которого находится в ампуле. Таким способом осуществляют передачу единицы температуры от реперных точек шкалы.
Конструкция ампул для реализации реперных точек, рекомендованная в приложениях к МТШ-90, обеспечивает воспроизведение температурной шкалы с погрешностями, составляющими менее 0,05 мК (5 10"5 С). Ампулы представляют собой, например, кварцевые сосуды, в которых находятся графитовые тигли с металлом высокой чистоты с массой более 1 кг.
Некоторое время назад реализация реперных точек была доступна лишь метрологическим институтам, содержащим государственные первичные и вторичные эталоны единицы температуры. Это было обусловлено необходимостью использования сложной, дорогостоящей электронной и электроизмерительной аппаратуры, служащей для задания тепловых режимов ампул и высокоточных измерений электрических сигналов эталонных термометров. По мере совершенствования этой аппаратуры и развития измерительной техники репер-ные точки стали применять уже в качестве образцовых (эталонных) средств измерений 1-го разряда.
Главное преимущество реперных точек при воспроизведении шкалы заключается в том, что они являются наиболее стабильными естественными генераторами значений температуры, обладающими высокой метрологической надёжностью. Основные требования к ампулам реперных точек - это чистота веществ, исключение возможности их загрязнения или утечки в процессе эксплуатации, достаточно большая масса для обеспечения необходимой глубины погружения эталонных термопреобразователей и уменьшение влияния загрязнений вещества при долговременном контакте с окружающей средой.
В настоящее время наметилась тенденция к дальнейшему внедрению реперных точек в качестве носителей температурной шкалы, на более низких ступенях поверочной схемы для средств термометрии. Это обусловлено, с одной
стороны, необходимостью повышения точности и стабильности средств поверки, например термометрических каналов теплосчетчиков, с другой стороны -возможностью использования для этой цели малогабаритных и даже миниатюрных ампул реперных точек за счет допустимого снижения точности воспроизведения, а также в связи с появлением миниатюрных датчиков температуры, например, на основе плёночных чувствительных элементов.
Поэтому в новой Государственной поверочной схеме для средств измерений температуры, разработанной во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и находящейся на утверждении, предлагается использовать в качестве носителей температурной шкалы меры температуры 2-го и 3-го разрядов, погрешности которых должны быть на уровне 0,01-0,05 С. Реализуются эти меры, в частности, в виде аппаратуры для воспроизведения реперных точек.
В связи с тем, что такими мерами должны быть оснащены термометрические лаборатории органов Государственной метрологической службы и метрологические службы других организаций, должно быть организовано их серийное производство. Это обстоятельство выдвигает особые требования к конструкции мер, технологии их изготовления, стоимости и востребованности.
Поэтому возникает актуальная задача создания мер температуры, реализующих реперные точки металлов в миниатюрных ампулах, прежде всего, в наиболее востребованном диапазоне температуры от 0 до 180 С. К этому диапазону относится, в частности, температура теплоносителя в водяных системах теплоснабжения, от точности измерений которой зависит достоверность учёта тепла теплоизмерительными приборами и системами. Учёт тепла относится к сфере взаиморасчетов поставщиков энергоресурсов с их потребителями, и поэтому на неё распространяется государственное регулирование в области обеспечения единства измерений.
Диссертация" посвящена разработке и исследованию миниатюрных ампул реперных точек плавления и затвердевания галлия (30 С), натрия (98 С), индия (156 С) и лития (180 С), необходимых для создания мер температуры, обеспечивающих воспроизведение и передачу единицы температуры в наиболее востребованном при учете тепла диапазоне 30-180 С.
Цель работы и задачи исследований
Цель работы - повышение точности и метрологической надёжности средств воспроизведения и передачи температурной шкалы на основе миниатюрных ампул реперных точек.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
теоретически и экспериментально подтвердить возможность получения стабильных и длительных фазовых переходов плавления (затвердевания) чистых металлов в миниатюрных ампулах;
теоретически и экспериментально исследовать и выбрать оптимальные тепловые режимы воспроизведения температуры реперных точек;
исследовать адиабатический режим воспроизведения реперных точек;
разработать и исследовать миниатюрные ампулы реперных точек на основе ранее неиспользуемых щелочных металлов;
- разработать варианты практического применения мер температуры на
основе миниатюрных ампул реперных точек.
Объект исследования
Объектом исследования являются эталонные средства воспроизведения и передачи температурной шкалы, эталонные меры температуры, реперные точки в миниатюрных ампулах.
Методы исследований
В работе использовались методы теории теплообмена, метод адиабатической калориметрии при исследовании теплофизических свойств веществ, дифференциальный и нулевой методы инженерно-физического эксперимента.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
теоретически и экспериментально подтверждена возможность и перспективность использования миниатюрных ампул реперных точек для мер температуры;
получены результаты экспериментальных исследований фазовых переходов плавления и затвердевания щелочных металлов натрия и лития, ранее неиспользуемых в качестве реперных точек;
предложен и исследован адиабатический метод воспроизведения реперных точек галлия и натрия;
предложены новые схемы передачи единицы температуры с помощью мер температуры, использующих исследованные миниатюрные ампулы реперных точек.
Практическая значимость
Преимуществами миниатюрных ампул реперных точек, содержащих малые количества чистого вещества, являются быстрое достижение температуры фазового перехода, возможность использования агрессивных металлов, малое потребление энергии, малые размеры и безопасность, что обеспечивает удобство перевозки любым видом транспорта. Эти преимущества открывают возможность использования результатов работы для воспроизведения и передачи температурной шкалы при выполнении метрологических работ в наиболее используемом в теплометрии диапазоне температуры:
в качестве эталонных мер температуры 2-го и 3-го разрядов во вновь разработанной и находящейся на утверждении Государственной поверочной схеме для средств измерений температуры;
в качестве эталонов - переносчиков при передаче единицы температуры от исходных эталонов вторичным эталонам;
в качестве задатчика температуры при регулировании температуры в жидкостных термостатах и калибраторах, используемых в метрологических целях.
Внедрение результатов работы
Основные результаты работы реализованы и внедрены: в Научно-производственном предприятии ОАО «Эталон» (г. Омск) - для подготовки производства эталонных мер температуры; в ФГУП «Сибирский государствен-
ный НИИ метрологии» (г. Новосибирск) - для выполнения метрологических работ по термометрии; в ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» (г. Новосибирск) и в ГОУ ДПО «Академия метрологии, стандартизации и сертификации (учебная)» (Новосибирский филиал) - в учебный процесс.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Длительность фазовых переходов плавления и затвердевания обратно пропорциональна скорости изменения температуры вблизи температуры переходов и практически не зависит от массы используемого металла.
-
В адиабатических условиях при отсутствии теплообмена ампулы репер-ной точки с внешней средой фазовый переход может длиться теоретически бесконечно и также не зависит от массы металла.
-
Миниатюрные ампулы реперных точек, реализующих фазовые переходы плавления и затвердевания, могут быть использованы в качестве эталонных мер температуры при выполнении поверочных работ наряду с традиционными эталонными платиновыми термометрами, имеющими низкую метрологическую надёжность.
Апробация работы
Основное содержание выполненных разработок и исследований докладывалось и обсуждалось на Международных и Всероссийских конгрессах и семинарах, в том числе на III Всероссийской конференции по проблемам термометрии «Температура 2007» (Обнинск, 2007), X Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2008), X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2010 (Новосибирск, 2010), VIII Учебно-методическом семинаре-совещании «Эталонные и рабочие средства измерений в области теплофизики» (Омск, 2010), II Международном инновационном форуме «ИНТЕРРА-2010», (Новосибирск, 2010) и на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2007», «ГЕО-Сибирь-2008», «ГЕО-Сибирь-2009», «ГЕО-Сибирь-2010» (Новосибирск), на заседании Технического комитета по метрологии «Температурные, теплофизические и дилатометрические измерения» при Управлении метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии и комиссии при научном Совете по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» (Обнинск, 2010).
Публикации (по теме диссертации)
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них две статьи опубликованы в изданиях из перечня рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ и одна статья - в зарубежном издании «Measurement Techniques» журнала «Измерительная техника».
Структура н объём работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 105 страницах, работа содержит 28 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 51 наименование.
