CC BY
42
УДК 536.5
А.Ф. Бродников, В.Я. Черепанов СГГ А, Новосибирск
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОЗДАНИЯ МИНИАТЮРНЫХ АМПУЛ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РЕПЕРНЫХ ТОЧЕК ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ
Важнейшим средством воспроизведения, хранения и передачи температурной шкалы является аппаратура для реализации реперных точек с хорошо известными значениями температур фазовых переходов в чистых веществах [1].
Процесс реализации реперных точек, например, при температуре затвердевания, заключается в нагревании ампулы, содержащей чистое вещество в твердом состоянии, до температуры, превышающей значение температуры плавления, и последующего охлаждения вещества. При наступлении фазового перехода затвердевания наблюдается стабилизация температуры, обусловленная выделением теплоты, равной теплоте плавления (рис. 1). В данной работе проведена оценка возможности создания миниатюрных ампул для реализации реперных точек (АРТ).
110 100
90 ВО 70 60 50 40 30 20
О 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200
Рис. 1. Кривая зависимости температуры (°С) навески натрия (3,5 г) от времени (с) в области фазовых переходов плавления и затвердевания
Основные свойства реперных точек Международной температурной шкалы МТШ-90 [2], действующей в настоящее время, приведены в табл. 1.
Реперные точки реализуются в ампулах, содержащих чистое вещество. Конструкция ампул, рекомендуемая в приложениях к МТШ-90, приведена на рис. 2. Такая конструкция обеспечивает воспроизведение температурной шкалы с минимальными погрешностями, составляющими менее 0,05 мК (5* 10-5 °С) [3].
Таблица 1. Реперные точки МТШ-90
№ п/п Вещество Температура, °С Тип точки Теплота плавления, кДж/моль Изобарная теплоемкость, Дж/(моль-К)
1 Ртуть (^) -38,834 4 тройная 2,30 28,0
2 Вода (H2O) 0,010 0 тройная 6,01 37,0
3 Галлий (Ga) 29,764 4 плавления 5,59 26,1
4 Индий (М) 156,5985 затвердевания 3,34 26,9
5 Олово ^п) 231,928 - //- 7,20 25,8
6 Цинк ^п) 419,527 - //- 7,20 25,4
7 Алюминий (Л!) 660,323 - //- 10,8 24,3
8 Серебро (Ag) 961,78 - //- 11,3 25,3
9 Золото 1064,18 - //- 12,6 25,4
10 Медь (Си) 1084,62 - //- 13,0 24,4
Некоторое время назад реализация реперных точек была доступна лишь метрологическим институтам, хранящим государственные первичные и вторичные эталоны. 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 электронной аппаратуры и развития измерительной техники реперные точки стали использовать уже на уровне образцовых (эталонных) средств измерений 1-ого разряда [4].
Главное преимущество реперных точек при воспроизведении шкалы заключается в том, что они являются наиболее стабильными и естественными физическими генераторами точных значений
температурной шкалы. Основные требования к АРТ - чистота веществ, исключение возможности их загрязнения или утечки в процессе эксплуатации, достаточно большая масса для обеспечения необходимой глубины погружения термопреобразователей и уменьшения 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
Рис. 2. Конструкция полногабаритной ампулы (АРТ):
1 - графитовая крышка, 2 -чистое вещество, 3 - кварцевая колба (50 х 180 мм), 4 -графитовый тигель, 5 -термометрический канал из кварца
звеньях поверочной схемы для средств термометрии. Это обусловлено, с одной стороны, необходимостью повышения точности и стабильности средств поверки, например, термометрических каналов теплосчетчиков [5]. С другой стороны - возможностью использования для этой цели малогабаритных и даже миниатюрных АРТ за счет допустимого снижения точности воспроизведения, а также в связи с появлением миниатюрных эталонных термопреобразователей, например, на основе напыленных чувствительных элементов. Работы по созданию малогабаритных АРТ с массой вещества в несколько сотен граммов превелик положительных результатам [6].
Возможно ли дальнейшее уменьшение размеров АРТ и соответствующее снижение массы навески чистого вещества? Для ответа на этот вопрос целесообразно рассмотреть тепловой процесс нагревания (охлаждения) АРТ. Если навеска вещества имеет объем V, удельную изобарную теплоемкость сР, плотность р, то значение теплового потока Q, необходимого, например, для нагревания навески вещества со скоростью изменения температуры и, можно определить по формуле [7]:
Q = cppuV (1)
При фазовом переходе плавления или затвердевания происходит дополнительное поглощение или выделение теплоты, которое приводит к стабилизации температуры навески вещества на некоторый период времени А т, равный
Ат = АН / Q, (2)
где АН - теплота плавления (затвердевания). С учетом связи АН с молярной теплотой плавления Ah и удельной теплоемкости сР с молярной
теплоемкостью cm из (2) следует
AT = Ah / cm и. (3)
Соотношение (3) показывает важную особенность рассматриваемого процесса: независимость продолжительности «площадки» фазового
перехода на кривой плавления или затвердевания от массы навески чистого вещества. Поэтому одной из главных задач при создании миниатюрных АРТ - это обеспечить сохранения чистоты малой навески вещества при эксплуатации АРТ. При этом для исключения влияния теплоотвода по термопреобразователю необходимо соблюдать пропорции АРТ, приведенные на рис. 2, в соответствии с теорией подобия. В этом случае масса навески вещества при уменьшении диаметра и высоты графитового тигля в 5 раз может составлять менее 30 ^ 50 г.
Такие АРТ в комплекте с жидкостными и твердотельными термостатами могут применяться в качестве эталонных (образцовых) средств измерения 2го и 3-го разрядов, а также в схемах прецизионного регулирования температуры.
1. Температура/ Куинн, Т.; пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 448 с.
2. The International Temperature Scale of 1990 // Metrología. - 1990. - № 27. - С. 70.
3. Государственные эталоны России: каталог / Вступ. ст. Г.П. Воронина. - М.: Изд-во «Андреевский флаг», 2000. - 184 с.
4. ГОСТ 8.558-93. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры. - Минск: Изд-во стандартов, 1994. - 8 с.
5. Вопросы метрологического обеспечения измерений температуры в системах учета количества теплоты/ Черепанов В.Я. // Приборы. - 2002. - № 6. - С. 63-66.
6. Реализация реперных точек температурной шкалы в малогабаритных ампулах/ Шевелев Ю.В., Черепанов В.Я. // Измерительная техника. - 2004. - № 2. - С. 39-42.
7. Температурные измерения: справочник / Геращенко, О.А. и др. - Киев: Наукова думка, 1989. - 704 с.
© А.Ф. Бродников, В.Я. Черепанов, 2007
