Разработка методики калибровки термометров биметаллических. Часть 3

Страницы 1 2 3 4

3 Классификация термометров

 

 

В настоящее время существует множество различных приборов для измерения температуры. Классификация термометров изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Классификация термометров

 

Манометрический термометр, схема которого представлена на рисунке 8, предназначен для измерения температуры контактным способом в жидкости или газе.

 

Рисунок 8 – Манометрический термометр

 

На рисунке 8 представлен манометрический термометр. Термобаллон 1 помещается в вещество, а как известно, при изменении температуры, меняется объем, что приводит к изменению давления. По капиллярной трубке 2 изменение давление передается на манометрическую пружину 3, которая начинает деформироваться, тем самым приводя в движение тягу 4, секторный механизм 5 и стрелку 6. По шкале 7 смотрят измеряемую температуру. Как правило, диапазон измерений у данных термометров составляет от  до +700°С.

Жидкостные термометры напоминают обычный градусник с тонким резервуаром внутри, в котором находится жидкость (рисунок 9).

 

Рисунок 9 – Жидкостный термометр

 

Резервуар 1 соединяется с капиллярной трубкой 2, которая находится на шкале Цельсия 3. Во время повышения температуры жидкость в резервуаре расширяется и попадает в трубку и по шкале можно узнать температуру измеряемого объекта.

С механическим термометром знакомы большинство людей, он прост в конструкции и довольно не дорогой. Состоит из двух защитных пластин 1 и биметаллической пружины 2. При изменении температуры пружина изгибается и по величине изгиба делают заключение о температуре. Величину изгиба фиксирует шкала 3. Механический термометр представлен на рисунок 10.

 

Рисунок 10 – Механический термометр       

 

Все большее применение находят электронные термометры (рисунок 11).

 

Рисунок 11 – Электронный термометр

 

Измерение температуры осуществляет металлический датчик 1. В отличии от жидкостных и других термометров, данный прибор не имеет шкалы, результат показывается на дисплее 2. Ещѐ существенным плюсом электронных термометров является наличие памяти, то есть они могут запоминать один или несколько последних результатов измерений.

Рассмотренные выше термометры измеряют температуру контактым способом, инфракрасный же термометр (рисунок 12) обладает безконтактным способом измерения температуры.

 

 

Рисунок 12 – Инфракрасный термометр

 

Прибор ловит энергию объекта и фиксирует ее. Далее происходит преобразование в цифровой вид и фиксирование на экране 1. Лазер 2 предназначен лишь для целеуказания. Питание прибора осуществляется постоянным и небольшим током.

По назначению термометры бывают различные, в зависимости от мест, где они применяются. Биметаллические термометр изготавливаются из нержавеющей стали, которая не портится в агрессивных средах и хорошо защищает прибор от пыли и влаги. В качестве чувствительного элемента используется биметаллическая пружина. Она изготавливается из двух прочно соединеных металлических пластин, имеющие различные температурные коэффициенты линейного расширения. При измерение температуры пружина изгибается и вращает стрелку термометра. Один конец пружины закреплен внутри штока, а к другому присоединяется ось стрелки термометра. происходит за счет (рисунок 13)

 

 

Рисунок 13 – Пример биметаллического термометра

 

Игольчатые термометры, имеют заостренный на конце шток, для измерения температуры в толще материалов и используются в основном в кулинарии и в садоводчестве. Данный прибор имеет элемент питания и преобразователь и отображает показания на жидкокристаллическом дисплее. Такой термометр изображен на рисунке 14.

 

 

Рисунок 14 – Пример игольчатого термометра

 

Название «трубные термометры» (рисунок 15) говорит само за себя и предназначено для измерения температуры на поверхности труб.

 

Рисунок 15 – Пример трубного термометра

 

Данный вид термометра относиться к контактным средствам измерения. Измерение температуры происходит за счет биметаллической пружины имею-щую форму спиралевидной пружины, которая в зависимости от температуры измеряемой трубы или другого объекта изменяется.

Сигнализирующие термометры, оснащены звуковой сигнализации о достижении максимальной или минимальной температуры. Принцип действия основан на манометрическом измерении температуры. Применяются термометры манометрического вида для измерения температуры в жидкостях. Измерение происходит при помощи термобаллона, который измеряет давление в жидкости, меняющегося в зависимости от температуры.

В термометрах манометрического типа, приспособлены две стрелки, которыми восстанавливается максимальная и минимальная температура. К термометру подключается датчик, который принимает сигнал выхода стрелки измерения температуры за пределы выставленных отметок. Отметки максимальной и минимальной температуры выставляется в зависимости от того, в какой сфере применяется данный термометр. Пример которого представлен
на рисунке 16.

 

 

Рисунок 16 – Пример сигнализирующего термометра

 

Вибростойкие термометры применяются в местах с высокой вибрацией. Пример такого термометра представлен на рисунке 17. Капилляр такого вида термометра выполнен из толстого стекла, к которому прикреплён  резервуар с термометрической жидкостью.

 

 

Рисунок 17 – Пример вибростойкого термометра

 

Во время повышения температуры жидкость в резервуаре расширяется и попадает в трубку и по шкале можно узнать температуру измеряемого объекта.

Самопишущие термометры (рисунок18) непрерывно фиксируют значение температуры во времени на дисковой диаграмме. Применяют данные термометры чаще всего на АЭС, в жидких и газообразных средах. Принцип действия основан на манометрическом измерении температуры. Термобаллон помещается в вещество, а как известно, при изменении температуры, меняется объём, что приводит к изменению давления. По капиллярной трубке изменение давление передается на манометрическую пружину, которая начинает деформироваться, тем самым приводя в движение тягу, секторный механизм и стрелку. По шкале смотрят измеряемую температуру.

 

 

Рисунок 18 – Пример самопишущего термометра

 

Сельскохозяйственные термометры (рисунок 19) применяются, как правило, в теплицах, на складах. Как правило термометры такого типа построены на жидкостной форме измерения температуры. В резервуаре находиться термометрическая жидкость, которая при повышении температуры увеличивается в объёме и попадает в трубку, которая находиться на шкале. Совмещая шкалу и уровень жидкости в трубке узнают температуру измеряемого объекта.

 

 

 

Рисунок 19 – Пример сельскохозяйственного термометра

 

Лабораторные термометры, примером таких термометров является ЛТ-300, представленный на рисунке 20, который представляет собой эталон. Применяются такие термометры в лабораториях, к примеру, в таких, где проводят поверку или калибровку.

Прибор ЛТ-300 платиновый термометр сопротивления для измерения температуры, который помещѐн в оболочке из стали. Благодаря тонкой стенки резервуара, в который помещѐн датчик, прибор измеряет температуру с высокой точностью. Результаты выводятся на жидкокристаллический экран. Особенность данного термометра состоит в том, что она может подключаться к компьютеру и производить регистрацию результатов во времени. Программное обеспечение позволяет представлять результаты в двух видах: графическом и текстовом (рисунок 20).

 

 

Рисунок 20 – Термометр лабораторный ЛТ-300

 

Для измерения температуры используют три метода измерений:

контактный метод;

бесконтактный метод;

люминесцентный метод.

Контактный метод основан на непосредственном контакте измерительного прибора с поверхностью. Благодаря этому происходит тепловое равновесие датчика измерения температуры и исследуемого объекта. Пример контактного использования представлен на рисунке 21.

Невзирая на простоту и несложность оборудования, метод имеет  ряд недостатков:

температура датчика всегда отличается от температуры объекта;

из-за некоторых свойств материалов, из которых изготовлены датчики температуры, ограничены максимальные пределы;

иногда из-за труднодоступности объекта, невозможно использовать данный метод.

 

 

Рисунок 21 – Пример контактного метода

 

Бесконтактный метод (рис. 22) используют в труднодоступных местах, при невозможности использования контактного метода. Данный метод основан на передачи тепловой энергии через луч к измеряемому прибору. Каждый объект имеет инфракрасный свет, энергия которого понижается с понижением температуры.

На этом принципе происходит измерение температуры объекта. По сравнению с контактным методом, данный метод является менее чувствительным, но дает возможность измерять температуру объекта на определѐнном расстоянии от него.

 

 

Рисунок 22 – Пример бесконтактного метода

 

Люминесцентный метод базируется на зависимости интенсивности люминесцентного излучения, которое преобладает в различных датчиках измерения температуры.

Датчик на основе теплового излучения улавливает тепловые колебания исследуемого объекта. Благодаря такому датчику возможно измерять температуру в пределах +2000 ˚С. Примером такого датчика служит тепловизор (рисунок 23).

Измерение происходит бесконтактно, температура отображается на экране прибора, как представлено на рисунке 23.

С помощью датчика на основе поглощения света полупроводником, можно измерить температуру от +30 ˚С до +300 ˚С. Работа таких датчиков базируется на оптических свойствах проводников. Схема волокно- оптического датчика представлена на рис. 25.

 

 

Рисунок 23 ‒ Датчик на основе теплового излучения

 

 

Рисунок 24 ‒ Отображение температуры тепловизора

 

Датчик на основе флуоресценции работает следующим образом: на конец светочувствительной части наносится флуоресцентное вещество. Под действием ультрафиолетовых лучей происходит излучение флуоресценции оптическим волокном, чем так же и идет приём излучений. Температура вычисляется путем расчета отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения с длиной волны.

 

 

 

Примечание:

1 – осветительный светодиод;

2 – приемный светодиод;

3 – источник света;

4 – фотоприѐмник;

5 – капсула;

6 – разветвитель;

7 – вход/выход;

8 – диэлектрическая заглушка;

9 – щель;

10 – внутрикапсульное зеркало;

11 – стержень;

12 – прокладка.

Рисунок 25 – Схема волокно-оптического датчика

 

 

 

4 Анализ существующего состояния метрологического     обеспечения термометров биметаллических

 

4.1 Обзор номенклатуры термометров биметаллических

 

По состоянию на 2022 год в Обществе эксплуатируются биметаллические термометры различной номенклатуры, перечисленные в Таблице 2.

 

Таблица 2 – Номенклатура ТБ

 

Область применения ТБ охватывает в основном измерения температуры тепловых узлов технологического значения, систем вентиляций, систем водоснабжения, тепловых сетей, тепловых узлов, котельных установок, сетей горячего водоснабжения.

ТБ, перечисленные в таблице, поверяются в соответствии с меж поверочными интервалами, установленными при утверждении типа СИ. Согласно, перечня калибруемых средств измерений, эксплуатируемых на объектах структурных подразделений Общества от 26.04.2019 г. в него входят ТБ, кроме узлов учета тепловой энергии, нефти, газа, резервуаров вертикальных стальных. В связи с этим становится актуальным вопрос разработки такой методики калибровки, которая была бы применима для калибровки ТБ, указанных в таблице позволила бы использовать для калибровки всех ТБ одни и те же эталоны и содержала бы процедуры оценки неопределенности измерений для всех типов.

 

 

 

4.2 Выбор формы метрологического контроля термометров                         биметаллических

 

Большая часть перечисленных ТБ входит в перечень калибруемых средств измерений, эксплуатируемых на объектах структурных подразделений Общества от 26.04.2019 г. Исходя из вышеизложенного, для ТБ, эксплуатируемых, согласно перечню, предпочтительно выполнение калибровки по следующим причинам:

• при выполнении калибровки возможно пользоваться единой методикой калибровки, разработанной Обществом для всех типов ТБ, эксплуатируемых в Обществе, при этом в методике калибровке можно установить те процедуры и критерии, которые будут удовлетворять требованиям заказчика работ;
• при выполнении калибровки возможно оформлять результат работ тем способом, который удовлетворяет требованиям заказчика работ;
• для выполнения калибровки не требуется аккредитация в национальной системе аккредитации, что сокращает затраты на метрологическое обеспечение производства;
• при выполнении калибровки не требуется передача результатов калибровки в федеральный информационный фонд;
• методика калибровки может предусматривать процедуры оценки неопределенности измерений, необходимость применения которых будет установлена согласно распоряжению Правительства Российской Федерации [1].

В соответствии с пунктом 2.1.3 правил по метрологии ПР 50.2.016–94 [6], а также в соответствии с примечанием к пункту 2.7.3.3 РД РСК 02–2020 [7], допускается применять в качестве методик калибровки соответствующие нормативные документы по поверке СИ. Учитывая, что применяемые ТБ являются СИ утвержденного типа, в качестве методик калибровки таких ТБ допускается применять методики поверки, установленные при утверждении типа и перечисленные в Таблице 3.

 

Таблица 3 – Методики поверки ТБ

 

Однако необходимо учитывать, что ни одна из перечисленных методик не содержит процедур оценки неопределенности измерений, а соответственно, данные методики не отвечают требованиям ГОСТ ISO/IEC 17025 [2].

 

 

 

5 Разработка процедур калибровки

 

5.1 Нормативные документы, устанавливающие требования к       разработке методик калибровки средств измерений

                             

Основным документом, устанавливающим требования к разработке методик калибровки СИ, в Российской Федерации является ГОСТ Р 8.879 [8]. В соответствии с приложением Б к ГОСТ Р 8.879 [8], методика калибровки должна включать в себя следующие разделы:

1) вводная часть (область распространения);

2) нормативные ссылки;

3) определения;

4) технические требования, включающие следующие подразделы:

1. a) требования к неопределенностям измерений;

б) требования к средствам калибровки;

в) требования к условиям проведения калибровки;

5) требования к квалификации калибровщиков;

6) требования по обеспечению безопасности;

7) подготовка к процедуре калибровки;

8) процедура калибровки;

9) обработка результатов измерений;

10) оформление результатов калибровки.

Рассмотрим порядок разработки каждого раздела.

 

5.2 Разработка раздела «Вводная часть»

 

В соответствии с пунктом 4.4 ГОСТ 8.879 [8] во вводной части необходимо устанавливать назначение методики калибровки, а также степень ее соответствия международным документам, региональным, межгосударственным и (или) национальным стандартам. В соответствии с пунктом 4.5 ГОСТ Р 8.879 [8] при необходимости допускается устанавливать интервал между калибровками. Учитывая, что разрабатываемая методика калибровки распространяется только на ТБ, перечисленные в таблице 1 и применяемые только в Обществе, излагаем вводную часть в следующей редакции:

 «Настоящая методика калибровки распространяется на термометры биметаллические, термометры биметаллические показывающие  ТБ-1, ТБ-1Р; ТБ-2, ТБ-2Р; ТБ-3, ТБ-3Р, ТБПю, ТБП, эксплуатируемые в публичном акционерном обществе «Сургутнефтегаз». Рекомендуемый интервал между калибровками – 3 года.»

 

5.3 Разработка раздела «Нормативные ссылки»

        

Раздел с нормативными ссылками должен содержать ссылки на все документы, использование которых необходимо при выполнении калибровки. Данный раздел должен содержать ссылки на государственные поверочные схемы, в соответствии с которыми обеспечивается прослеживаемость передачи единиц измеряемых величин от эталонов к калибруемому СИ. Кроме этого, в качестве нормативных документов могут быть указаны документы, устанавливающие требования охраны труда, промышленной и пожарной безопасности, технические условия на калибруемое СИ, стандарты, устанавливающие порядок оформления документов, документы, устанавливающие порядок расчета каких-либо величин, используемых при калибровке и т.д. Поскольку на данном этапе работы поверочные схемы, необходимые для применения при выполнении калибровки, а также требования к безопасности еще не определены, указываем ссылку только на ГОСТ ISO/IEC 17025 [2]. Дополнять раздел остальными необходимыми ссылками будем в процессе разработки дальнейших разделов методики калибровки. Таким образом, излагаем раздел «Нормативные ссылки» в следующей редакции:

«В настоящей методике использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ ISO/IEC 17025–2019 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий»;

Примечание – При применении настоящей методики следует проверить действие нормативной ссылки. Если ссылочный документ заменен (изменен), необходимо руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку».

 

5.4 Разработка раздела «Технические требования»

 

Раздел «Технические требования» в соответствии с приложением Б к ГОСТ Р 8.879 [8] должен содержать два подраздела – «Требования к неопределенностям измерений» и «Требования к средства калибровки и вспомогательному оборудованию (включая прослеживаемость)». При этом, учитывая, что приложение Б, как и сам ГОСТ Р 8.879 [8], носят рекомендательный характер, а в Обществе к СРМ предъявляются определенные требования по пределам допускаемых погрешностей, дополняем раздел «Технические требования» подразделом «Требования к погрешностям измерений» и излагаем его в следующей редакции:

«Для калибруемых ТБ установлены следующие пределы допускаемой приведенной к диапазону измерений погрешности и вариации показаний: приведенная к диапазону измерений погрешность и вариация показаний в диапазоне измерений от минус 50 °С до плюс 550 °С составляет ±1,0%; ±1,5%; ±2,5%; ±4,0% в зависимости от конкретного класса точности (значения приведенной погрешности) указанного в паспорте и на циферблате ТБ.

В соответствии с пунктом 4.9 ГОСТ Р 8.879 [8] подраздел «Требования к неопределенностям измерений» должен содержать значения целевых неопределенностей измерений.

В соответствии с РМГ 29 [9]:

1) неопределенность измерений – это неотрицательный параметр, харак-теризующий рассеяние значений величины, приписываемых измеряемой величине на основании измерительной информации;

2) целевая неопределенность измерений – верхняя граница неопределенности измерений, заранее установленная, исходя из предполагаемого использования результатов измерений.

Учитывая, что в настоящее время нормативные значения расширенных неопределенностей измерений не установлены ни действующим законодательством Российской Федерации, ни локальными документами Общества, но могут быть установлены в дальнейшем в ходе реализации положений распоряжения Правительства Российской Федерации [1], излагаем раздел «Требования к неопределенности измерений» в следующей редакции:

«Целевые значения расширенной неопределенности измерений (при уровне доверия р = 0,95) температуры жидкости в диапазоне измерений от -50 °С до +550 °С устанавливаются заказчиком калибровочных работ.».

В соответствии с пунктом 4.7 ГОСТ Р 8.879 [8] раздел «Требования к средствам калибровки и вспомогательному оборудованию (включая прослеживаемость)» должен содержать перечень основных и вспомогательных средств калибровки, стандартных образцов, оборудования и материалов с указанием метрологических и основных технических характеристик данных средств и (или) нормативных документов, регламентирующих данные требования. Особое внимание должно быть уделено наличию требований, обеспечивающих прослеживаемость измерений, выполняемых откалиброванными СИ, до государственных первичных эталонов или национальных первичных эталонов иностранных государств.  Данное требование следует из части 1 статьи 18 Федерального закона [3], в соответствии с которой калибровка СИ должна выполняться с использованием эталонов единиц величин, прослеживаемых к государственным первичным эталонам соответствующих единиц величин, а при отсутствии соответствующих государственных первичных эталонов единиц величин – к национальным эталонам единиц величин иностранных государств.

Исходя из указанных требований, в разделе необходимо указать, какому уровню точности по государственной поверочной схеме соответствует тот или иной эталон, а также каким документом это соответствие должно быть подтверждено.       

Для выбора государственных поверочных схем, в соответствии с которыми для ТБ необходимо передавать единицы величин, учитываем сведения о метрологических характеристиках ТБ, изложенные в предыдущей таблице, и проводим анализ методик поверок ТБ на предмет определения эталонов, применяемых при  поверки ТБ. Результат анализа сводим в таблицу 4.

 

Таблица 4 – Метрологические характеристики средств поверки

 

В Российской Федерации передача единицы температуры от государственного первичного эталона единицы температуры осуществляется в соответствии с ГОСТ 8.558 [11] (далее – Поверочная схема по температуре). Государственным первичным эталоном является ГЭТ 35–2010 (государственный первичный эталон единицы температуры – кельвина в диапазоне от 0,3 К до 273,16 К), хранителем ГЭТ 35–2010 является ФГУП «ВНИИФТРИ».

Поверочная схема по температуре разделена на три части – для контактных термометров в диапазоне 0,3 К … 273,16 К, для контактных термометров в диапазоне 0 °С … 3000 °С и для радиационных термометров. Поскольку устройство канала измерений температуры ТБ основано на применении контактных термометров, а диапазон изменений температур измеряемых сред находится как в отрицательной, так и в положительной области, в дальнейшем будем рассматривать первую и вторую часть Поверочной схемы по температуре.

Для контактных термометров единица температуры передается от государственного первичного эталона к эталону-копии, а от эталона-копии последовательно через эталоны 0-го, 1-го, 2-го и 3-го разрядов к рабочим СИ. В качестве рабочих СИ используются различные термопреобразователи (платиновые, медные, родий-железные, полупроводниковые), а также манометрические и жидкостные термометры.

Рассмотрим прослеживаемость измерений температуры жидкости до государственного первичного эталона. Для обоих типов ТБ методиками поверки установлены требования к эталонам температуры. Для определения указанной прослеживаемости учитываем следующее:

• требования измерения температуры жидкости для всех перечисленных в таблице 3 ТБ необходимо выполнять с пределом допускаемой абсолютной погрешности в зависимости от диапазона шкалы от ±0,6 °С до ±6 °С;
• минимальная погрешность эталона температуры для всех перечисленных в таблице 4 ТБ составляет ±0,03 °С;
• в обществе эксплуатируется термометр сопротивления платиновый эталонный ПТС-10М, эталон 1 разряда с пределом допускаемой абсолютной погрешности измерений температуры от ±0,002°С до ±0,01°С. Тип градуировки А и В, диапазон измерений по градуировки А от минус 196 до 0. Диапазон измерений по градуировки В от 0 до плюс 660 °С.

Учитывая вышеизложенное, определяем разряд эталона температуры и прослеживаемость передачи единицы величины от государственного первичного эталона к ТБ в соответствии с Поверочной схемой по температуре, приведенной на Рисунке 26 для измерения отрицательных температур.

 

Рисунок 26 – Поверочная схема для отрицательной температуры

 

Необходимо учесть, что эталонный термометр сопротивления необходимо эксплуатировать в комплекте с цифровым термометром, обеспечивающим преобразование сопротивления термометра в значение температуры и отображение значения температуры на цифровом дисплее. В качестве цифрового термометра допускается использовать многофункциональные калибраторы, предназначенные, в том числе, для преобразования сопротивления термопреобразователей в значение температуры.

Аналогично определяем разряд эталона температуры и прослеживаемость передачи единицы величины от государственного первичного эталона к ТБ в соответствии с Поверочной схемой по температуре, приведенной на Рисунке 27 для измерения параметров положительной температуры.

 

Рисунок 27 – Поверочная схема для положительной температуры

 

Исходя из вышеизложенного, а также исходя из характеристик средств поверки, перечисленных в таблице 4, формируем обобщенные требования к средствам калибровки всех типов ТБ и излагаем раздел «Требования к средствам калибровки и вспомогательному оборудованию» в следующей редакции:

При выполнении калибровки должны быть использованы следующие средства калибровки:

• термометр сопротивления эталонный 1-го разряда в диапазоне измерений температуры от минус 50 °С до плюс 550 °С в соответствии с Поверочной схемой по температуре;
• измеритель температуры многоканальный прецизионный МИТ 8 с пределами допускаемой основной абсолютной погрешности измерения сопротивления ±(10^-5R+5·10^-4), где R – измеряемое сопротивление, Ом.
• термостат жидкостный прецизионный переливного типа модели ТПП-1.3 с диапазоном воспроизводимых температур от минус 70 °С до плюс 100 °С и нестабильностью поддержания заданной температуры ±0,01°С.
• калибратор температурный эталонный Элемер КТ-650 с диапазоном воспроизводимых температур от минус 50 °С до плюс 650 °С и нестабильностью поддержания заданной температуры ± (0,02· ) и погрешностью установления заданной температуры ± (0,02+0,008 · )
• вода дистиллированная для калибровки диапазона плюсовых температур
• спирт этиловый технический для калибровки диапазона отрицательных температур

Средства калибровки, являющиеся средствами измерений утвержденного типа, должны иметь действующие свидетельства о поверке. В свидетельствах о поверке эталонов должна быть указана информация о соответствии эталонов требуемому уровню по государственным поверочным схемам.

Допускается применять иные средства калибровки и вспомогательное оборудование с техническими и метрологическими характеристиками не хуже указанных.».

Раздел «Нормативные ссылки» дополняем абзацами следующего содержания:

ГОСТ 8.558–2009 «Государственная поверочная схема для средств измерений температуры» (далее – Поверочная схема по температуре)

Страницы 1 2 3 4