Размещено на http://www.allbest.ru/

Метрологическое обеспечение новых эталонов России: средства измерения температуры, теплопроводности и тепловых потоков

Генеральный директор ОАО НПП «Эталон»,

к.т.н. Владимир Афанасьевич Никоненко

В связи с интенсивным внедрением новых наукоемких технологий, актуальность опережающего развития измерительных и калибровочных возможностей стало требованием времени [1].

Национальный институт стандартов и технологии (NIST) США подготовил доклад, содержащий оценку системы измерения в США сдерживающих ускорение разработки и внедрения инноваций и повышение конкурентоспособности США на мировом рынке современных технологий. Наметили 11 основных направлений, в которых остро ощущается потребность инноваций в упреждающем развитии методологии и техники измерений, а также развитие нормативно-технической базы.

Результаты оценки сводятся к трем обобщающим и основополагающим положениям:

- основным препятствием на пути инноваций практически во всех сферах экономики, медицины, здравоохранения, обороны, экологии в США по-прежнему остается недостаточная точность различных методов и средств измерения;

- практически во всех новых технологиях сдерживающим фактором служит отсутствие точных и достаточно чувствительных датчиков различных величин, необходимых для реализации мониторинга процессов в реальном масштабе времени и создания систем управления не только новыми технологическими процессами, но и условиями окружающей среды;

- отсутствие стандартов, эталонов, подходящих систем единиц, протоколов для оценки качества создаваемых технологий, включая недостаточные совместимость и взаимодействие программного и аппаратного обеспечения устройств управления разрабатываемых технических средств, также служат нередко непреодолимым барьером для инноваций во многих развивающихся технологиях.

Из этих результатов следует, что отставание в различных видах измерений сдерживают инновации виртуально во многих секторах экономики.

Что сделано нами и что уже можем использовать.

В феврале 2008 года на заседании Коллегии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии утверждены новые: Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 0 до 3000єС, Государственный первичный эталон теплопроводности, Государственный первичный эталон поверхностной плотности тепловых потоков. Утверждались не только первичные эталоны, по сути дела были обновлены все схемы передачи размера единиц, т.е. были разработаны все необходимые рабочие эталоны поверочной схемы, в отдельных случаях даже разрабатывались специальные рабочие средства [2].

Хотелось обратить внимание на еще одну особенность эталонов - это их комплексность. Одновременно с первичными эталонами были разработаны вторичные государственные эталоны для передачи размера единиц и целый ряд рабочих средств измерений. Весь этот комплекс: и рабочие эталоны и, особенно, рабочие СИ -- новые, они абсолютно конкурентоспособны с зарубежными эталонами, а некоторые из них даже превосходят зарубежные по своим характеристикам.

Внедрение новых эталонов обеспечивает интеграцию экономики России в мировую экономику, а также решает одну из проблем вступления России во Всемирную торговую организацию в части метрологии.

Обеспечение единства измерений в термометрии.

Следует отметить, что в 1992 году в результате распада СССР Россия потеряла все производство рабочих средств измерения температуры (в СССР это была специализация за Львовским регионом Украины), ее метрологическое обеспечение (Украина и Казахстан).

Освободившуюся нишу в приборостроении средств измерения температуры мы начали занимать вместе с другими предприятиями конкурентами, а их более 10 не считая зарубежных.

Следует отметить, что в течение двух последних десятилетий наблюдается интенсивное развитие термометрии и ее метрологического обеспечения. Можно выделить два основных фактора, определяющих необходимость совершенствования государственных первичных эталонов, средств передачи единицы температуры и ее измерения:

1) постоянно растущие требования к точности измерений в науке и промышленности; калибровочный теплопроводность метрологический

2) глобализация метрологии, целью которой является обеспечение взаимного доверия национальным эталонам и измерительным возможностям национальных метрологических институтов.

Как известно измерения температуры являются одним из наиболее востребованных в науке и промышленности видов измерений. Причем возрастает не только количество и номенклатура используемых средств измерений температуры, но и неуклонно увеличиваются требования к точности измерений.

Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние два десятилетия достигнут преимущественно за счет развития электроники.

Измерительная информация о температуре необходима в любых разработках, осуществляемых на приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники. измерения сопротивления и напряжения позволили в значительной степени реализовать возможности термопреобразователей сопротивления и термопар. При этом, положительный эффект достигается также за счет статистической обработки результатов измерений и повышения точности расчета температуры по измеренным электрическим параметрам.

Развитие электроники послужило основой существенного прогресса в области радиационной термометрии измерительного тепловидения. Современные пирометры (рис.1) намного превосходят по своим метрологическим и эксплуатационным характеристикам радиационные термометры начала 90-х годов [3].

Рисунок 1. Пирометры

Важной проблемой развития системы метрологического обеспечения температурных измерений является совершенствование методов и средств передачи размера единицы температуры от эталона рабочим средствам измерений. Эта проблема включает в себя следующие задачи:

- оптимизация системы передачи размера единицы температуры от эталона
рабочим средствам измерений;

- совершенствование методов передачи размера единицы;

- совершенствование средств передачи размера единицы.

Прослеживаемость передачи размера единицы от эталона к рабочему средству измерений в нашей стране решается поверочной схемой для средств измерений, которая регламентирует порядок передачи единицы, методы и средства передачи (рис.2), а также их погрешности.

Рис. 2 Средства измерения, воспроизведения и передачи

Поверочная схема, как и предшествующая, возглавляемая двумя государственными первичными эталонами, охватывает весь диапазон Международной температурной шкалы МТШ-90 и регламентирует передачу размера единицы температуры для всех существующих и перспективных средств измерений этой физической величины и обеспечивает точность передачи размера единицы, необходимую в настоящее время, а также точность, прогнозируемую на ближайшие 10-15 лет.

Это достигается:

- повышением точности передачи размера единицы температуры путем использования новых, более точных, технических средств;включением в поверочную схему цепей передачи размера единицы температуры с помощью перспективных технических средств, разработка которых еще ведется, но будет завершена в ближайшие годы;

включением в поверочную схему цепей передачи размера единицы

температуры для новых, высокоточных средств измерений, которых ранее не существовало.

Новыми, более точными средствами передачи размера единицы температуры являются:

- платино-палладиевые и золото-платиновые термопары, точность которых на порядок выше точности используемых ранее платинородий-платиновые и платинородий-платинородиевые термопар;

- меры температуры, в качестве которых используются как аппаратура для реализации температур фазовых переходов чистых веществ и различных эвтектичских сплавов (металлических, органических), так и калибраторы температуры, использующиеся прецизионные термометры в качестве носителей температурной шкалы;

новые излучатели «черное тело» и эталонные пирометры, используемые для передачи размера единицы температуры в области радиационной термометрии, рис. 3

Рисунок 3. Излучатели «черное тело»

Кроме того, новая поверочная схема допускает использование термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов в качестве образцовых средств низких разрядов, что позволяет снизить стоимость средств поверки без потери точности.

ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» были разработаны следующие основополагающие стандарты системы передачи размера единицы температуры в диапазоне выше О °С:

- ГОСТ 8.625-2006 «ГСИ. Термометры сопротивления из платины, меди и ни
келя. Общие технические требования и методы испытаний»;

- ГОСТ 8.624-2006 «ГСИ. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки»;

- ГОСТ Р 8.51233-98 «ГСИ. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Общие технические требования»;

- ГОСТ 8.571-98 «ГСИ. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Методика поверки»;

- ГОСТ 8.155-2001 «ГСИ. Лампы температурные эталонные (образцовые) 1 -го и 2-го разрядов для диапазона температур от 800 до 2800єС. Методика метрологической аттестации и поверки.

- ГОСТ Р 8.619-2006 «ГСИ. Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки».

Особо следует отметить, что с 1 января 2008 г. в Российской федерации введены в действие новые национальные стандарты ГОСТ Р 8.625-2006 и ГОСТ Р 8.624-2006, устанавливающие технические требования и методику поверки для рабочих термометров сопротивления (ТС). Сложность внедрения данных стандартов обусловлена тем, что в стандарте ГОСТ Р 8.624 появился термин «неопределенность измерений», который требует больших математических расчетов и более осмысленного применения, чем старый термин "погрешность измерений". Математические расчеты на современном уровне развития вычислительной техники не вызывают особых проблем, а наше мнение по выполнению требований ГОСТ Р 8.624 к поверочному оборудованию мы изложим ниже.

ГОСТ Р 8.624 формулирует требования как к отдельным видам средств поверки: п.6.3 эталонные термометры сопротивления, п.6.4 термостаты и калибраторы, п.6.5 аппаратура для реперных точек, п.6.6 измерительная аппаратура, так и к всему комплексу поверочного оборудования - п.6.8.

Эти требования автоматически выполняются в АРМ ПТС.

Программа АРМ ПТС на основании информации о применяемом оборудовании автоматически рассчитывает расширенную неопределенность поверки ТС и учитывает это значение при присвоении класса допуска поверенным ТС согласно требованию п.10.3.5.

С помощью АРМ ПТС можно поверять ТС классов А, В, С и даже самого точного класса АА с выполнением требований нового стандарта ГОСТ Р 8.624 [4].

.На Омским ОАО НПП «Эталон» при участии сотрудников ФГУП «ВНИИМ им.Д.И.Менделеева» разработана и серийно выпускается практически вся номенклатура средств передачи размера единицы температуры (приложение 1), предусмотренных новой поверочной (приложение 2.3).

Серийный выпуск средств передачи размера единицы температуры отечественными предприятиями полностью решает проблему метрологического обеспечения температурных измерений в нашей стране.

За 15 лет создан инновационный комплекс средств воспроизведения единицы температуры (градус), ее передачу, измерения, преобразования, регулирования в диапазоне температур -200ч 2500°С, решает проблему метрологического обеспечения измерений температуры в нашей стране в настоящее время и в перспективе на 10-15 лет, обеспечиваем передачу размера единицы с необходимой точностью.

Обеспечение единства измерений теплопроводности

ОАО НПП «Эталон» совместно с ВНИИМ им. Д.И, Менделеева ведет работы по разработке и выпуску рабочих средств измерения и метрологического оборудования для измерения и передачи единицы теплопроводности.

Потребность в измерении теплопроводности существует практически в любых областях науки и промышленности. Особую актуальность точные измерения теплопроводности имеют в строительстве и энергетике, металлургии и материаловедении, авиации и космонавтике, электронике и машиностроении. Точные измерения теплопроводности материалов широко используются в приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Энергетика и энергосбережение».

«Транспортные, авиационные и космические системы»…… Современная система обеспечения единства измерений теплопроводности сложилась в семидесятые годы прошлого века благодаря усилиям национальных метрологических институтов (НМИ) высокоразвитых стран: РТВ, ВНИИМ, ВНИИФТРИ, NIST, NPL, где были созданы прецизионные средства измерения (СИ) теплопроводности.

После распада СССР основные производители РСИ теплопроводности оказались за границей и прекратили свое существование.

В настоящее время увеличивается число потребителей, которым необходимы рабочие средства измерений, по точностным характеристикам замыкающиеся непосредственно на государственный первичный эталон (ГПЭ) единицы теплопроводности. Преимущественно это относится к рабочим средствам измерений, обеспечивающим выполнение значительно повысившихся в последние годы требований по энергосбережению и теплозащите в высокотехнологичных отраслях промышленности. Прежде всего в строительстве и энергетики [5].

Введение большого числа новых энергосберегающих стандартов в строительстве обусловило появление определенных проблем в работе сертификационных и испытательных центров. Необходимость технологического контроля и сертификации материалов по теплопроводности возникает при производстве и эксплуатации новых материалов различного назначения, а также при испытаниях на соответствие требованиям нормативных документов наиболее ответственных элементов сложных инженерных объектов, например, ограждающих конструкций зданий и сооружений [6]. Это особенно важно для материалов, теплопроводность которых является сертифицируемым параметром. Например, современные теплоизоляционные материалы, от которых зависит эффективность энергосбережения, имеют теплопроводность порядка 0,02 Вт/(м^-К), что в 5 раз меньше нижней границы диапазона воспроизведения единицы теплопроводности, указанной в действующей государственной поверочной схеме.

Для обеспечения единства измерений теплопроводности в России в диапазоне до 0,02 Вт/(м^-К) требуется воспроизводить единицу с суммарной стандартной неопределённостью, не превышающей 0,5 %, и передавать размер единицы прецизионным РСИ, гарантируя, что предел их относительной погрешности не превысит 3 %.

Государственный первичный эталон воспроизводит единицу и передаёт её размер в шести точках диапазона с помощью набора однозначных мер теплопроводности (МТО), рис. 4

Рисунок 4. Мера теплопроводности однозначная (МТО)

О недостаточности существующего набора мер и о неравномерности их распределения по диапазону теплопроводности говорилось не один раз. Но увеличение числа точек воспроизведения единицы традиционными средствами представляет собой весьма длительную и дорогостоящую процедуру: с начала практических измерений теплопроводности (за 60 лет) в диапазоне от 0,03 до 20 Вт/(м^-К) после исследований более 2000 материалов найдено всего 15-20 точек надёжного воспроизведения единицы.

Сравнивая современное состояние измерений теплопроводности, например, с термометрией, можно заметить, что в историческом аспекте оно соответствует времени до изобретения термостатов, когда температуру умели воспроизводить лишь в нескольких реперных точках.

В 2004 году, наконец, удалось изобрести, принципиально новый способ воспроизведения единицы теплопроводности в любой точке заданного диапазона, основанный на том, что некая система тел в определенных условиях с помощью управляющего воздействия приобретает любую заданную теплопроводность, автор д.т.н. Соколов Н.А. сотрудник ВНИИМ (патент 2276781 Б.И. от 20.05.2006). Впервые удалось создать новый класс средств измерения -- многозначную меру теплопроводности Комплекс аппаратуры, необходимый для воспроизведения единицы с помощью МТМ, по аналогии с термостатом предложено называть теплостатом. Изобретение СИ нового класса позволило предложить новую концепцию воспроизведения единицы и передачи её размера.

Согласно новой концепции воспроизведение единицы и передача её размера осуществляется в любой точке диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(м^-К) с помощью одной многозначной меры, изготовленной из хорошо изученного гомогенного материала - органического стекла. Предложенная концепция реализуется с помощью новой государственной поверочной схемы рис.5

Рисунок 5. Государственная поверочная схема теплопроводности

Она отличается от действующей поверочной схемы меньшим числом ступеней, что снижает потери точности при передаче размера единицы РСИ и отвечает современными СИ теплопроводности твёрдых тел в диапазоне от 0,02 до 20 Вт/(м-К) при температуре от 90 до 1100 К» высказались все 11 проголосовавших стран СНГ.

Размер единицы от первичного эталона передают рабочим эталонам методом прямых измерений или сличением с помощью компаратора, а также прецизионным РСИ методом прямых измерений.

В качестве рабочих эталонов применяют МТО и МТМ. Доверительные границы относительных погрешностей рабочих эталонов 5₀ при доверительной вероятности 0,95 составляют от 2 до 5 %. Рабочие эталоны применяют для поверки РСИ методом прямых измерений.

В качестве РСИ применяют приборы для измерений теплопроводности твёрдых тел в диапазоне от 0,02 до20Вт/(м-К) при температуре от 90 до 1100 К. Пределы допускаемых основных относительных погрешностей РСИ А_о составляют от 2 до 15 %.

Новые РСИ производит ОАО НПП «Эталон» (Омск). Это, разработанный совместно с ВНИИМ первый в стране многоканальный измеритель теплопроводности ИТ-2, рис. 6

Рисунок 6. Измеритель теплопроводности ИТ-2

Специально под эту аппаратуру организовано более десяти новых центров испытаний ограждающих конструкций зданий и сооружений в Москве, С-Петербурге, Краснодаре, Нальчике с возможностью передавать размер единицы прецизионным РСИ непосредственно от первичного эталона.

Разработка СИ нового класса - теплостатов и многозначных мер теплопроводности - позволила внедрить новую концепцию воспроизведения единицы и передачи её размера с помощью многозначных мер теплопроводности, изготовленных из известных материалов, в любой точке диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К).

Обеспечение единства измерений поверхностной плотности тепловых потоков.

Актуализацией в последние годы вопросов энергосбережения как общемировой проблемы и принятие в России закона «Об энергосбережении» привело к более широкому распространению и применению СИ теплового потока, т.е. появились потребности, а также необходимость повышения точности измерений.

Кроме этого необходимость измерений тепловых потоков в хозяйственном комплексе является фактором, влияющим на ход технологических процессов и дающим информацию о состоянии теплоэнергетических объектов.

Сфера применения ДТП теоретически неограничена, так как тепловой поток является одним из глобальных параметров всех протекающих тепловых процессов и явлений.

Поэтому контроль и измерение этих потоков представляет интерес для очень многих отраслей науки, техники и промышленности, но, прежде всего, для решения вопросов рационального использования энергетических ресурсов.

В качестве примера необходимости использования для этих целей рабочих средств измерений плотности теплового потока можно привести стандарт ИСО 8301: 1991 «Теплоизоляция. Определение термического сопротивления и связанных с ними теплофизических показателей. Прибор, оснащенный тепломером» и ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления». В этих документах предусматривается реализация методов, основанных на использовании контактных ДТП (тепломеров), погрешность которых не должна превышать 2-3 %, рис.7.

Рисунок 7. Датчик теплового потока

Существовавшая поверочная схема (МИ 1855-88) не обеспечивала выполнения такого требования.

Повышение точности измерений плотности тепловых потоков позволяет эффективно экономить тепловую энергию за счет получения достоверных данных об источниках тепловых потерь и их количественных значений.

Широкий выпуск преобразователей теплового потока требует создания современных средств их метрологического обеспечения, а также разработки полного набора нормативных документов, обеспечивающих их эксплуатацию и метрологическое обслуживание.

Новый эталон создан в ФГУП «СНИИМ» г.Новосибирск на базе существующей УВТ с использованием наиболее апробированных технических решений (средства воспроизведения, хранения и передачи размера единицы).

В качестве рабочих средств измерений поверочная схема рис. 8 предусматривает использование датчиков теплового потока и приборов - измерителей теплового потока (комплекты, содержащие датчики и вторичные измерительные приборы).

Рисунок 8. Государственная поверочная схема плотности теплового потока

В настоящее время ОАО НПП «Эталон» (г.Омск) изготовлен опытный образец установки УТМ - 01, разработанной совместно с ФГУП «СНИИМ», рис. 9.

Рисунок 9. Установка теплометрическая УТМ-1

Она предназначена для поверки датчиков теплового потока различных форм и размеров. Установка предназначена для поверки датчиков теплового потока в диапазоне значений 50...2000Вт/м² с относительной погрешностью передачи размера единицы (1,5...2,5)% при температуре от 20 до 150°С и соответствует государственному рабочему эталону. Установка находится сейчас в СНИИМ на испытаниях для целей утверждения типа. Кроме этого ОАО НПП «Эталон» (г. Омск) изготавливает рабочие средства измерений теплового потока - датчики и измерители теплового потока, которые планируется внести в Госреестр СИ.

Для развития обеспечения единства измерений необходимо провести утверждение типов преобразователей (датчиков) теплового потока, выпускаемых в настоящее время различными производителями. Необходимо также активизировать работы по созданию и утверждению типа соответствующих поверочных теплометрических установок.

Важным этапом работ, необходимых для широкого внедрения в измерительную практику контактных датчиков теплового потока, является разработка методик выполнения измерений этой физической величины на различных объектах измерения.

Заключение

Подводя итоги, можно сказать, что в России создан и внедрен комплекс современных эталонов, образцовых и рабочих средств измерений температуры, теплопроводности и тепловых потоков, что обеспечивает успешную интеграцию в современную Международную систему единства измерений. В статье использовались материалы работы вневедомственной комиссии по приемке эталонов, указанные приборы и оборудование соответствуют современным требованиям Государственных поверочных схем и позволяют полностью осуществлять метрологическое обеспечение по этим видам измерений.

Дальнейшее совершенствование метрологического обеспечения промышленности включает в себя много задач, наиболее реальными из которых представляются:

- повышение точности измерения, передачи и поддержания размеров единицы в технологических процессах;

- сокращение затрат времени на проведение поверки и калибровки, совершенствование методик поверки, возможное увеличение межповерочных интервалов;

- переход на цифровой интерфейс систем управления, возможность создания простых в обслуживании систем регулирования и сигнализации;

- разработка методической и технической документации, обеспечивающей оптимальное применение средств и методов измерения температуры, теплопроводности, тепловых потоков, расчеты точностных характеристик результатов измерений и контроля технологических процессов.

Список используемой литературы

1. С.Ю. Золотаревский. Опыт NIST по изучению измерительных потребностей современных инновационных технологий. Законодательная и прикладная метрология. 2007. № 6

2. В.М. Лахов. Новые эталоны Российской Федерации. Интервью журналу Контрольно-измерительные приборы и системы. 2009. №6

3. В.А. Никоненко, А.И. Походун, М.С. Матвеев, Ю.А. Сильд. Метрологическое обеспечение в радиационной термометрии: проблемы и их решения. Приборы. 2008. № 10

4. Ю.В. Шевелев. Внедрение ГОСТ 8.624-2006 с использованием метрологического оборудования производства ОАО НПП «Эталон»

5. Н.А. Соколоа. Метрологическое обеспечение измерений теплопроводности, теплоизоляции материалов. СтройПрофиль. 2008. №3

6. Н.А. Соколов. Проблемы энергосбережения в зданиях и сооружениях. Светопрозрачные конструкции. СтройПрофиль. 2008. №2

Таблица 1.

Комплекс средств воспроизведения и передачи температуры для термометрической лаборатории

контактные средства измерения - криостаты, термостаты, печи, калибраторы температуры,

неконтактных средств измерения - абсолютно черные тела (АЧТ) излучатель в виде модели протяженного черного тела (ПЧТ)

Приложение 2

Размещено на Allbest.ru