CC BY
17
DEPARTMENT OF "INSTRUMENTAL AND METROLOGICAL SYSTEMS" - 90 YEARS OF O.I. Boriskin, E.V. Plakhotnikova, B.I. Sotova
The history of the origin and development of one of the oldest departments of Tula State University is described. The review of scientific and labor activity of the department is carried out.
Key words: tool manufacturing, quality management, metrology.
Boriskin Oleg Igorevich, doctor of technical sciences, professor, imstulgu@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Plakhotnikova Elena Vladimirovna, doctor of technical sciences, professor, e plahot-nikova@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sotova Balla Iosifovna, candidate of technical sciences, docent, sotbi48@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 006.91
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-475-479
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В ОБЛАСТИ ТЕРМОМЕТРИИ
Б.И. Сотова, М.И. Корнева
В статье рассматриваются физические основы формирования международной температурной шкалыМТШ-90. Анализируются проблемы, связанные с определением единицы температуры через тройную точку воды. Излагается суть современного подхода к переопределению Кельвина, основанного на назначении фиксированного значения постоянной Больцмана, а также метод точного измерения низких температур по скорости звука в газе.
Ключевые слова: температура, единица температуры Кельвин, постоянная Больц-мана, Международная температурная шкала.
Поскольку температура характеризует тепловое состояние любых материальных систем, то базисная температурная шкала должна отражать эту величину именно как свойство любого материального тела или состояния, независимо от конкретного объекта.
Развитие термодинамики в середине Х!Х в. позволило дать общую и не зависящую от вещества характеристику температуры как меры способности тел принимать и отдавать энергию в виде тепла. Шкала температуры, в которой реперный промежуток абсолютный нуль - тройная точка воды является основным температурным интервалом, и единицей температуры принят Кельвин, называется термодинамической температурной шкалой.
Для воды значения параметров, определяющих тройную точку: р=611Па, Т=273,16 К. Очевидно, что при одновременном сосуществовании трех агрегатных состояний мы всегда имеем одну и ту же температуру, при этом тройная точка воды имеет наибольшую воспроизводимость (0,0002 К). Устройство для воспроизведения тройной точки воды показано на рис. 1. Оно представляет собой герметичный стеклянный сосуд 1 с впаянной в него пробиркой 2 - рабочей полостью. Во время работы вода в полости сосуда находится одновременно в 3-х агрегатных состояниях - газообразном 3, жидком 4 и твердом 5. Таким образом, в рабочей полости 2 осуществляется высокоточное термостатирование. Чувствительный элемент термометра помещают в рабочую полость устройства, выдерживают там 10-15 минут, затем проводятся необходимые измерения Тем самым температура тройной точки воды передается эталонному термометру.
Поскольку в тройной точке воды содержится 273,16 К, то единица температуры Кельвин был определен как 1/273,16 часть тройной точки воды.
Рис. 1. Устройство для воспроизведения тройной точки воды
Для практического измерения термодинамической температуры разрабатываются удобные методы измерения, результаты которых по возможности приближались бы к значениям термодинамической температуры; другими словами, термодинамическая шкала заменяется «практической» температурной шкалой. В настоящее время такой шкалой является Международная температурная шкала МТШ-90.
При построении шкалы выбирается некоторое количество хорошо воспроизводимых опорных точек, являющихся точками фазовых превращений (16 определяющих и 23 вторичные точки шкалы). Термодинамические температуры опорных точек тщательно измерены и зафиксированы точными методами термометрии. С применением опорных точек по известным температурам в диапазоне до 1357,77 К (точка затвердевания меди) градуируются эталонные приборы для измерения температуры - платиновые термометры сопротивления и платино-родиевые термопары. Показания эталонных приборов в интервалах между опорными точками устанавливают с помощью интерполяционных формул, коэффициенты которых определяются по опорным точкам. Интерполяционные приборы являются, таким образом, вторичными эталонами, средствами передачи значений Международной температурной шкалы в интервале температур до 1357,77 К.
В области высоких температур воспроизведение и передача температурной шкалы осуществляется радиационным методом посредством измерения температуры излучения АЧТ.
Для воспроизведения, хранения и передачи МТШ-90 в диапазоне температур от 0 0С до 961,78 0С (точка затвердевания серебра) в нашей стране утвержден Государственный первичный эталон единицы температуры - Кельвина. Воспроизведение шкалы сводится к воспроизведению опорных точек с помощью специальных приборов, а передача - к калибровке эталонных термометров.
Таким образом, до настоящего времени температура тройной точки воды являлась фиксированной величиной, и все термометры до сих пор градуированы с привязкой к этой точке (1 К = 1/273,16 тройной точки воды). Поэтому точность измерения температуры имеет ограничения, накладываемые производством и использованием сосудов тройной точки воды, а также невозможностью точно обеспечить её изотопный состав.
На современном этапе Международное бюро мер и весов придерживается единого подхода: перейти от измерения фундаментальных физических констант в выбранных единицах к установлению размера единиц измерения в зависимости от значений этих констант. В этом отношении переломным для системы единиц СИ стал 2019 г., когда были переопределены 4 основные единицы: килограмм, моль, Ампер, Кельвин.
Новое определение Кельвина основано на назначении фиксированного значения постоянной Больцмана, которая является коэффициентом, связывающим абсолютную температуру газа с его тепловой энергией: кТ = W. Если фиксированное значение получает постоянная Больцмана, то все температуры опорных точек, включая тройную точку воды, будут измеряемыми величинами. Такой подход делает определение единицы температуры более общим, не зависящим от какого-либо материала, методики измерений, и температурного диапазона, и обеспечивает долговременную стабильность единицы.
Согласно новому определению, Кельвин - это изменение термодинамической температуры, которое обуславливает изменение тепловой энергии кТ на 1,380 64852 х 10-23 Джоуля.
Реализация Кельвина сводится, по сути дела, к определению (уточнению) постоянной Больцмана.
Поскольку невозможно напрямую экспериментально определить среднюю тепловую энергию молекул газа кТ, для определения к должны быть измерены макроскопические величины, которые для идеальных газов явным образом коррелируются с тепловой энергией. Такой величиной является в данном случае скорость звука в идеальном газе Уо :
-о = Ш (1)
где у0 =_р - показатель адиабаты, отношение удельных теплоемкостей газа при постоянном
С p У о = C
давлении и постоянном объеме соответственно; М - молярная масса газа; Т - абсолютная температура; R - молярная газовая постоянная; R = kNA (Na - постоянная Авогадро). В результате выражение (1) примет вид:
V0 = >kNAT . (2)
0 v м
Таким образом, для точно известной температуры Т и точно измеренной скорости звука в газе в газе V0 получаем уточненное значение постоянной Больцмана:
k = MV0 ; k = 1,380 64852 x 10-23 Дж/К Уо NaT
Теперь, отталкиваясь от фиксированного значения постоянной Больцмана и измеряя скорость звука в газе при различных температурах, можно вычислить абсолютную температуру Т, равную термодинамической температуре:
T =
mv02
Го Как
Объединив постоянные величины в знаменателе в одну константу СТ, при известной молярной массе М получим:
Т = Мо.. (3)
сг
Для измерения скорости звука при определении температуры применяется акустический газовый термометр со сферическим резонатором (рис. 2). При нагнетании газа в полость, давление в полости возрастает. Когда внешняя сила, нагнетающая газ в полость, прекращает действовать, повышенное давление заставляет газ вытекать обратно. Через некоторое время давление внутри и снаружи сравняется, но газ все равно продолжит выходить наружу, поскольку струя газа в горлышке обладает массой и ненулевой скоростью, а значит, и кинетической энергией. Когда газ перестанет выходить из полости, давление внутри полости станет меньше давления снаружи, и газ снова устремится в полость. Этот цикл будет повторяться множество раз, с затухающей амплитудой. В полости при этом будет возникать чередование уплотнений и разрежений газа, то есть акустические колебания. Частота цикла - это собственная, или резонансная частота, которая зависит от формы полости. Если внешняя сила будет возникать и исчезать с частотой, равной собственной частоте полости, возникнет резонанс — акустические колебания не будут затухать.
Исходя из резонансных частот V, получают скорость звука Уо:
Уо" = V-*,,
где V - резонансная частота, X - длина звуковой волны, определяемая объемом полости (резонатора).
В институте ВНИИФТРИ разработан акустический газовый термометр, позволяющий с высокой точностью определять термодинамическую температуру по скорости звука в газообразном гелии в диапазоне от 4,2 до 293,16 Кельвина. В настоящее время данный метод обеспечивает неопределенность 1- Ю-6. Именно этот термометр вводится в состав ГЭТ для измерения температуры реперных точек с целью передачи единицы температуры — Кельвина в соответ-
ствии с его определением, основанном на постоянной Больцмана. Тем самым в РФ обеспечивается расширение температурного диапазона МТШ-90 и единство измерений в области низких температур (до 293,16 К).
1(р)
Рис. 2. Сферический резонатор акустического газового термометра.
Переход к новому определению Кельвина вызвал принципиально новый подход к воспроизведению и передаче термодинамической шкалы и в области высоких температур. Это очень важное преимущество нового определения, так как становится возможным применение радиационных термометров без опоры на тройную точку воды и значительное повышение точности температурных измерений в этом диапазоне.
В настоящее время группой эталонной радиационной термометрии ВНИИМ им. Менделеева проработан вариант воспроизведения и передачи единицы температуры радиационным методом. Данный метод предполагает калибровку по мощности специального источника излучения - интегрирующей сферы. Интегрирующая сфера с малым отверстием является хорошей моделью абсолютно черного тела (АЧТ) и имеет максимальную излучательную способность. Температура излучения сферы рассчитывается по закону Планка, который для АЧТ связывает мощность излучения, длину волны и термодинамическую температуру. Приемником радиационного термометра также является АЧТ. Тем самым обеспечивается передача температуры интегрирующей сферы радиационному термометру (вторичному эталону) и его точная калибровка в соответствии с определением Кельвина через тепловую энергию.
Список литературы
1. Афанасьев А.А., Погонин А.А., Схиртладзе А.Г. Физические основы измерений: учебник для студентов высших учебных заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2010. 240 с.
2. Дресвянников А.Ф., Петрова Е.В., Ермолаева Е.А. Физические основы измерений: учебник для студентов высших учебных заведений. Издательство ЛЕНАНД, 2011. 296 с.
3. Кононогов С.А. Метрология и фунламентальные физическме константы. М.: ФГПУ «СТАНДАРТИНФОРМ», 2008. 272 с.
Сотова Бэлла Иосифовна, канд. техн. наук, доцент, sotbi48@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корнева Мария Игоревна, канд. техн. наук, заместитель начальника конструкторско-технологического бюро, Россия, Тула, kormarig@mail.ru, Россия, Тула, АО «ИТО Туламаш»
PHYSICAL FOUNDATIONS OF ENSURING THE UNIFORMITY OF MEASUREMENTS IN THE
FIELD OF THERMOMETRY
B.I. Zotova, M.I. Korneva
The article discusses the physical basis of the formation of the international temperature scale MTSH-90. The problems associated with determining the unit of temperature through the triple point of water are analyzed. The essence of the modern approach to the redefinition of Kelvin, based
on the assignment of a fixed value of the Boltzmann constant, as well as a method for accurately measuring low temperatures by the speed of sound in a gas, is presented.
Key words: temperature, Kelvin temperature unit, Boltzmann constant, International temperature Scale.
Sotova Bella Iosifovna, candidate of technical sciences, docent, sotbi48@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korneva Maria Igorevna, candidate of technical sciences, deputy. head of the design and technology, kormarig@mail.ru, Russia, Tula, Bureau of JSCITO Tulamash
УДК 531.711
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-479-484
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ (НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ) КАК СРЕДСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
С.И. Соловьев, Д.Б. Белов, Н.Н. Батова
В статье рассмотрена методика применения математического моделирования погрешностей (неопределенностей) при проведении поверки (калибровки) средств измерений (СИ), основанная на статистическом подходе к обработке результатов поверки и принятии решения о ее итоге. Построение математической модели погрешностей (неопределенностей) поверяемого (калибруемого) СИ позволяет оценить точность и достоверность результатов поверки (калибровки), а сравнение построенной модели с соответствующей теоретической моделью позволит выявить причины отрицательных результатов поверки (калибровки) СИ и определить пути исправления ситуации
Ключевые слова: средства измерений, поверка, показания, результаты, статистический подход, метод наименьших квадратов, математическая модель.
Статистический подход к обработке результатов поверки и калибровки СИ, изложенный в работе [1], дополнил результаты поверки и калибровки, проведенные традиционными методами, рядом преимуществ, а именно, дал возможность:
1. Достоверного обнаружения возможных выбросов (промахов) в показаниях поверяемого (калибруемого) СИ;
2. Обоснования и количественной оценки достоверности результатов поверки (калибровки) СИ;
3. Целенаправленной поднастройки СИ, которая позволит уменьшить значение погрешности (неопределенности) показаний поверяемого (калибруемого) СИ.
Однако изложенный в этой работе подход имел один методический недостаток — он оперировал показаниями поверяемого (калибруемого) и эталонного СИ, что приводило к непрямому, т.е. опосредованному оцениванию погрешности (неопределенности) показаний поверяемого (калибруемого) СИ. Такое положение дел не давало возможности оценивать степень важности выявленных погрешностей (неопределенностей) на различных участках шкал поверяемых (калибруемых) приборов с помощью весовых коэффициентов.
Дело в том, что часто СИ в области верхнего и нижнего пределов измерения имеют несколько большую погрешность, чем в средней части шкалы. Но поскольку именно в этой области СИ эксплуатируются чаще всего, то иногда есть смысл настроить их так, чтобы погрешность в средней части шкалы была бы несколько меньше усреднённого значения за счет некоторого увеличения погрешностей (но в пределах класса точности) в области верхнего и нижнего пределов измерения. Сделать это можно с помощью весовых коэффициентов, которые позволят снизить значимость погрешностей в крайних областях шкалы и повысить их значимость в средней области.
