Состояние термометрических эталонов ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и тенденции их развития Матвеев Михаил Семенович
advertisement
1 Состояние термометрических эталонов ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и тенденции их развития Матвеев Михаил Семенович ФГУП ГНЦ «ВНИИМ имени Д. И. Менделеева» 198005 С.-Петербург, Московский пр. 19 Отдел термодинамики, сектор эталонной радиационной термометрии Тел.: (812) 323 96 37 Эл. почта: Факс: (812) 315 52 07 M.S.Matveyev@vniim.ru 2- Глобализация метрологии - Формирование мирового рынка метрологических - Документ 1999 года: услуг « Договоренность о взаимном признании национальных эталонов, сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами » - Состояние эталонной базы России в области термометрии и энергетических характеристик теплового излучения Формирование мирового рынка метрологических услуг CIPM (МКМВ) - Международный 3 комитет по мерам и весам BIPM (МБМВ) - Международное бюро по мерам и весам JCRB – Объединенный комитет региональных метрологических организаций RMO – Региональные метрологические организации: Euramet CMC Euramet Coomet CIPM JCRB SIM SIM APMP Afrimet Coomet APMP Afrimet (Calibration and Measurement Capabilities of the NMIs) Калибровочные и измерительные возможности НМИ (Национальных метрологических институтов) КЛЮЧЕВЫЕ СЛИЧЕНИЯ KCDB Формирование мирового рынка метрологических услуг CIPM (МКМВ) - Международный 4 комитет по мерам и весам BIPM (МБМВ) - Международное бюро по мерам и весам JCRB – Объединенный комитет региональных метрологических организаций RMO – Региональные метрологические организации: Euramet SIM APMP Afrimet Coomet CMC Euramet Coomet CIPM JCRB SIM KCDB APMP Afrimet (Calibration and Measurement Capabilities of the NMIs) Калибровочные и измерительные возможности НМИ (Национальных метрологических институтов) КЛЮЧЕВЫЕ СЛИЧЕНИЯ KCDB ИСО (ISO) Международная организация по стандартизации является крупнейшим в мире разработчиком добровольных международных стандартов. МОЗМ (OIML) Законодательная метрология обеспечивает применение правовых требований к измерениям и измерительным приборам Основные сферы деятельности: Торговля Безопасность Здоровье Окружающая среда МЭК (IEC) Международная электротехническая комиссия (МЭК) является ведущей организацией в мире, которая разрабатывает и публикует международные стандарты для всех электрических, электронных и смежных технологий. МКМВ (CIPM) Договорённость о взаимном признании национальных эталонов и свидетельств о калибровке и измерениях, выдаваемых Национальными метрологическими институтами (CIPM MRA ) - Ключевые сличения - СМС (Калибровочные и измерительные возможности Национальных метрологических институтов) - KCDB Количество ключевых и дополнительных сличений с участием российских метрологических институтов Количество измерительных возможностей российских метрологических институтов в БД МБМВ Количество ключевых и дополнительных сличений, зарегистрированных в БД МБМВ Количество СМС в БД МБМВ для 20 лидирующих стран Новое определение кельвина Единица температуры Т, кельвин, может быть определена через единицу энергии системы СИ, джоуль, фиксируя величину постоянной Больцмана k, которая является константой пропорциональности между температурой и тепловой энергией: Е = 3/2 NkT, где: Е – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы, Т – термодинамическая температура, N — полное число молекул в газе. В 2012 году рабочая группа в Консультативном комитете по термометрии, обобщив результаты всех исследований, относящихся к возможному новому определению кельвина, рекомендовала переопределение этой единицы через фиксированное значение постоянной Больцмана. Резюме о развитии контактной термометрии 1) Существующие средства измерений температуры, а также их метрологическое обеспечение в настоящее время и в видимой перспективе удовлетворяют потребности науки и промышленности. 2) В промышленности никто и не подозревает о существовании проблемы термодинамической погрешности, а в научной сфере даже если это знают, то никаких особых требований нет или их не могут сформулировать. 3) Как в науке, так и в промышленности основной проблемой является не недостаточная точность используемых средств измерений, а большие методические погрешности. 4) Не отрицая необходимости дальнейшего продолжения исследований в области совершенствования методов и средств воспроизведения единицы температуры представляется чрезвычайно важным решение проблемы правильности выполнения измерений. Определение международной температурной шкалы МТШ-90 в диапазоне от 13,8033 К до 961,78 0С 1. Международная температурная шкала МТШ-90 определена с помощью платинового термометра сопротивления в диапазоне температуры от 13,8033 К (тройная точка равновесного водорода) до 961,78 ºС (точка затвердевания серебра) 2. В этом диапазоне температура определяется с помощью отношения сопротивления термометра R(T) при температуре Т к его сопротивлению R(273,16 K) в тройной точке воды: W (T) = R (T) / R (273.16 K) 3. В каждой из областей, перечисленных ниже, температуру Т вычисляют исходя из соответствующих стандартных функций Wr(T), и отклонений W (T) – Wr (T). 4. Функция W(T) любого реального термометра, как правило, не совпадает с Wr(T) и может быть описана отклонениями W(T) – Wr(T). Значения этих отклонений в реперных точках получают непосредственно при градуировке термометра, а при промежуточных значениях температуры – из соответствующих функций отклонений. Реперные точки Международной температурной шкалы 1990 года – МТШ-90 15 H 2O Hg Ar O2 Ne e-H2 e-H2 e-H2 4He (ТТ) (ТП) (ДП) (ДП) (ТТ) (ДП) (ДП) (ТТ) (ДП) 273,16 234,3156 83,8058 54,3584 24,5561 ≈ 20,3 ≈ 17,0 13,8033 4,2221 K K K K K K K K K ТТ – тройная точка ДП – давление насыщенного пара Cu Au Ag Al Zn Sn In Ga H 2O (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТП) (ТТ) 1084,62 °C 1064,18 °C 961,78 °C 660,323 °C 419,527 °C 231,928 °C 156,5985 °C 29,7646 °C 0,01 °C ТЗ – точка затвердевания ТП – точка плавления ГОСТ 8.558 - 2009 ГОСТ 8.558 - 2009 Т = 0 – 3000 ºС Определение международной температурной шкалы МТШ-90 в диапазоне от 13,8033 К до 961,78 0С 1. Международная температурная шкала МТШ-90 определена с помощью платинового термометра сопротивления в диапазоне температуры от 13,8033 К (тройная точка равновесного водорода) до 961,78 ºС (точка затвердевания серебра) 2. В этом диапазоне температура определяется с помощью отношения сопротивления термометра R(T) при температуре Т к его сопротивлению R(273,16 K) в тройной точке воды: W (T) = R (T) / R (273.16 K) 3. В каждой из областей, перечисленных ниже, температуру Т вычисляют исходя из соответствующих стандартных функций Wr(T), и отклонений W (T) – Wr (T). 4. Функция W(T) любого реального термометра, как правило, не совпадает с Wr(T) и может быть описана отклонениями W(T) – Wr(T). Значения этих отклонений в реперных точках получают непосредственно при градуировке термометра, а при промежуточных значениях температуры – из соответствующих функций отклонений. Реперные точки Международной температурной шкалы 1990 года – МТШ-90 18 H 2O Hg Ar O2 Ne e-H2 e-H2 e-H2 4He (ТТ) (ТП) (ДП) (ДП) (ТТ) (ДП) (ДП) (ТТ) (ДП) 273,16 234,3156 83,8058 54,3584 24,5561 ≈ 20,3 ≈ 17,0 13,8033 4,2221 K K K K K K K K K ТТ – тройная точка ДП – давление насыщенного пара Cu Au Ag Al Zn Sn In Ga H 2O (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТЗ) (ТП) (ТТ) 1084,62 °C 1064,18 °C 961,78 °C 660,323 °C 419,527 °C 231,928 °C 156,5985 °C 29,7646 °C 0,01 °C ТЗ – точка затвердевания ТП – точка плавления Государственный первичный эталон единицы температуры (контактная часть) Температура 0 – 962 °С СКО (0, 05–1,2)∙10-3 °С НСП (0, 05–0,3)∙10-3 °С ГОСТ 8.558 – 2009 Т = 0 – 3000 ºС (рад) 21 Закон излучения Планка для абсолютно черного тела c1 L λ (T )= T L λ(T) λ с 1 и с2 C2 λ5⋅ ( e λ⋅ T − 1 ) – температура абсолютно черного тела; – спектральная яркость абсолютно черного тела; – выделенная из спектра излучения длина волны, на которой проводится измерение; – константы излучения Планка для абсолютно черного тела c1 = 8··h·c h c2 = h·c / k – постоянная Планка h = (6,626196 ± 0,000050) × 10-34 Дж·с с – скорость света ≈300 000 км/с Закон излучения Планка для реального объекта 22 1 L λ (T )= c1⋅ ε ( λ , T )⋅ λ ⋅ 5 C2 e T L λ(T) λ с1 и с2 ε λ⋅T −1 температура объекта; спектральная яркость объекта; длина волны, выделенная из спектра излучения объекта, на которой проводится измерение; - константы Планка для излучения абсолютно черного тела; спектральная излучательная способность (или – коэффициент черноты) объекта Закон Стефана - Больцмана для излучения абсолютно черного тела 23 L(T )= σ⋅ T где: 4 T температура абсолютно черного тела; L( T ) интегральная яркость абсолютно черного тела; σ константа Стефана Больцмана для абсолютно черного тела Закон Стефана - Больцмана для излучения реального объекта 24 где: T L(T )= ε⋅ σ⋅ T 4 температура объекта; L( T ) интегральная яркость объекта; σ константа Стефана – Больцмана; ε излучательная способность (коэффициент черноты) объекта 25 Устройство эталона единицы температуры 1) 2) 1 Излучатель с моделью АЧТ Компаратор яркостей излучателей 2 26 Устройство эталона единицы температуры Температурные лампы Температурные лампы (Тепловизионная картина)
