Применение прецизионного многоканального измерителя температуры
"Термоизмеритель ТМ-12" при поверке термометров сопротивления
в соответствии с ГОСТ Р 8.624 и ГОСТ Р 8.625

Авторы:
Д.А. Гривастов, ФГУП "СНИИМ", начальник сектора;
А.М. Кориков, ООО "ПЭП "СИБЭКОПРИБОР", заместитель директора.

С начала 2008 года вступили в действие новые национальные стандарты ГОСТ Р 8.624 и ГОСТ Р 8.625, в связи с чем актуальными стали вопросы о применимости средств поверки в соответствии с этими стандартами. Ключевым аспектом возможности применения комплекта средств поверки является расчёт расширенной неопределённости поверки термометров сопротивления (ТС).

Наряду с требованиями новых ГОСТ Р, при организации лаборатории по поверке (калибровке) ТС актуальны также стоимость средств поверки и требования к удобству их использования, обеспечиваемой ими производительности труда поверителя (калибровщика) и производственной гибкости. Наиболее полное удовлетворение этих требований в настоящее время подразумевает высокий уровень автоматизации.

Прецизионный многоканальный измеритель температуры "Термоизмеритель ТМ-12" (далее – измеритель), внесённый в Госреестр СИ в 2007 году (№ 34205-07), находит применение для решения широкого круга задач, в том числе при поверке и калибровке термометров сопротивления (ТС).

"Термоизмеритель ТМ-12" является современным средством измерений с богатыми возможностями, расширяемыми за счёт использования внешнего программного обеспечения (ПО).

На базе только одного измерителя и термостатов возможно создание полнофункциональной высокопроизводительной лаборатории по поверке (калибровке) ТС, ощутимо сократив номенклатуру необходимых средств поверки.

Сначала рассмотрим вопрос о применимости измерителя при поверке ТС с точки зрения ГОСТ Р 8.624.
Расчёт расширенной неопределённости поверки ТС показывает, что измеритель может использоваться не только в качестве вторичного прибора для поверяемых ТС, но и в качестве эталонного термометра. Подтверждением этого является приведённый ниже расчёт расширенной неопределённости поверки ТС, взятый из статьи, опубликованной в сентябре 2008 года на сайте www.temperatures.ru.

В соответствии с требованием 6.8 ГОСТ Р 8.624 расширенная неопределённость поверки ТС должна быть в два раза меньше допуска ТС по ГОСТ Р 8.625. Рассмотрим случай поверки ТС с использованием, помимо указанного измерителя, термостата или калибратора (не конкретизируя тип).

Прецизионный многоканальный измеритель температуры "Термоизмеритель ТМ-12" может использоваться в режиме измерений по ИСХ ТС в качестве эталонного термометра со следующими метрологическими характеристиками: пределы допускаемой основной погрешности измерения температуры в диапазоне температур от 0 °C до 100 °C при измерениях с использованием ИСХ ТС составляют tэ = ± 0,05 °C.

Стандартная неопределённость измерений температуры эталонным термометром ("Термоизмеритель ТМ-12") рассчитывается по типу В (нормальное распределение):

u(δtэ) = tэ / 3 = ± 0,0167 °C.

Стандартная неопределенность, обусловленная случайными эффектами при измерениях, рассчитывается как СКО среднего значения результатов измерений, выполненных в одном измерительном цикле эталонным термометром по формуле

u(tlab) =	u(tlab1)	,
	Nj

где  u(tlab1)	–	СКО единичного измерения эталонного термометра,  определенное по 9.2 ГОСТ Р 8.624;
Nj	–	количество измерений в одном измерительном цикле.

Неопределенность единичного измерения определяется экспериментально в условиях конкретной поверочной лаборатории при температурах, близких к градуировочным точкам отдельно для ТС с различными номинальными сопротивлениями, поверяемыми в данной лаборатории.

Допускается использование термостатированных мер сопротивления с номинальными значениями, близкими к поверяемым ТС.
Рекомендуется проводить измерения в реперной точке, в нулевом термостате* при 0 °С или в высокостабильном жидкостном термостате (нестабильность не более ± 0,002 °С). Проводится не менее 50 отсчётов температуры** и рассчитывается СКО результата измерения.

* Термостаты нулевые предназначены для поддержания температуры плавления водяного льда при поверке термометров методом непосредственного сличения с эталонным термометром и при термостатировании свободных концов термоэлектрических преобразователей (например, термостаты нулевые "Лёд-Сибирь", производства ООО "КТС-сервис"). ** Отсчёты – показания измерителя температуры в моменты времени, выбранные с интервалом не менее периода измерений. Наиболее рациональный способ получения последовательных отсчётов – регистрация результатов измерений, выдаваемых измерителем температуры через последовательный интерфейс.

Расчет СКО проводится при регистрации поверителем отдельных отсчётов по формуле

u(tlab1) =

где     N lab	–	количество отсчётов;
ti	–	результат i-го отсчёта;
ts	–	среднее значение отсчёта.

Если в процессе измерений отсчёты не изменяются, следует принимать

u(t_lab1) = 0,01 / = 0,0058 °С.

Стандартная неопределенность, обусловленная нестабильностью температуры в термостате за время всех циклов измерений, рассчитывается по типу В по формуле

u(ts) = (tmax – tmin) / (2 · ),

где   tmax и tmin – соответственно максимальная и минимальная температура, измеренная эталонным термометром за время проведения всех измерительных циклов во время поверки ТС при данной температуре.

В силу того, что "Термоизмеритель ТМ-12" выполняет измерения таким образом, что все отсчёты приведены к одному и тому же моменту времени, по истечении времени, достаточного для установления показаний эталонного и поверяемого термометров независимо от нестабильности поддержания температуры термостатом следует принимать значение

u(ts) = 0,01 / (2 · ) = 0,0029 °С.

Суммарная стандартная неопределённость при использовании прецизионного многоканального измерителя температуры "Термоизмеритель ТМ-12" в качестве эталонного термометра при одиночном измерении вычисляется по формуле

uc(tэ) =

u(δtэ)2 + u(tlab)2 + u(ts)2

=

0,01672 + 0,00582 + 0,00292

= 0,0179 °С.

Суммарная стандартная неопределённость поверки ТС рассчитывается по формуле

uc(t) =

u(tэ)2 +u(tp)2 + u(tlab-p)2 + u(th)2+ u(tv)2

,

где     u(tp)	–	стандартная неопределённость измерения сопротивления ТС и преобразования его по НСХ в значение температуры;
u(tlab-p)	–	стандартная неопределённость, обусловленная случайными эффектами при измерениях (определяется аналогично тому, как это делалось для случая использования измерителя температуры в качестве эталонного термометра);
u(th)	–	стандартная неопределённость, обусловленная горизонтальным градиентом температуры в термостате;
u(tv)	–	стандартная неопределённость, обусловленная вертикальным градиентом температуры в термостате.

Пределы допускаемой основной погрешности измерения сопротивления ТС и преобразования его по НСХ в значение температуры (измерения температуры с использованием НСХ ТС без учета погрешности ТС  tНСХ = ± (0,03 + 0,0002 · |t|),   где t – измеряемая температура):

u(tp) = tНСХ / 3
u(tp) = ± 0,01 °C при t = 0 °C
u(tp) = ± 0,03 °C при t = 100 °C.

Стандартные неопределённости, обусловленные горизонтальным и вертикальным градиентами температуры в термостате рассчитывают по формулам

u(th) = th /    и    u(tv) = tv /,

где   th и tv – максимальный перепад температур между точками, в которых находятся при поверке нижние торцы защитных корпусов эталонного и поверяемого ТС по горизонтали и вертикали соответственно.
Значения th и tv могут быть оценены экспериментально или взяты (рассчитаны) из технических характеристик используемого термостата, приведённых в его эксплуатационной документации.

Рассчитаем суммарную стандартную неопределённость поверки ТС при одиночном измерении и значениях температуры 0 °C и 100 °C по формуле

uc(t) =

u(tэ)2 +u(tp)2 + u(tlab-p)2 + u(th)2+ u(tv)2

,

приняв типичные значения   th = 0,02 °C,   tv = 0,02 °C:

- при температуре t = 0 °C:

uc(t) =

0,01792 +0,012 + 0,00582 + (0,02/)2+ (0,02/)2

= 0,027 °C;

- при температуре t = 100 °C:

uc(t) =

0,01792 +0,032 + 0,00582 + (0,02/)2+ (0,02/)2

= 0,039 °C;

Рассчитаем расширенную неопределённость поверки ТС Uc(t) при доверительной вероятности 0,95 (коэффициент охвата k = 2) при значениях температуры 0 °C и 100 °C по формуле

Uc(t) = k · uc(t)

- при температуре t = 100 °C:   Uc(t=0) = 2 · 0,027 = 0,054 °C ≈ 0,05 °C;
- при температуре t = 100 °C:   Uc(t=100) = 2 · 0,039 = 0,078 °C ≈ 0,08 °C.

Таким образом, расчёты показывают, что прецизионный многоканальный измеритель температуры "Термоизмеритель ТМ-12" может быть использован для поверки ТС классов допуска АА (соотношение практически соответствует требованиям ГОСТ Р 8.624), A, B и C, а также чувствительных элементов соответствующих классов допуска.

Возможность использовать измеритель в качестве эталонного термометра значительно снижает стоимость комплекта средств поверки, так как эталонный термометр сопротивления и вторичный электроизмерительный прибор к нему обычно составляют существенную часть этой стоимости.

При использовании измерителя, оптимизация затрат времени на поверку ТС и повышение производительности труда поверителя достижимы даже в случае полного отсутствия в лаборатории средств вычислительной техники.
Это обеспечивается несколькими отличительными особенностями прибора.

	Во-первых, на его дисплее отображаются одновременно результаты измерений по всем 12-ти каналам, приведённые к одному и тому же моменту времени.
	Во-вторых, отображаемые результаты измерений представляют собой значения температуры, получаемые путём пересчёта результата измерения сопротивления поверяемых ТС в значение температуры по НСХ.

Это удобно и наглядно, так как контроль отклонения характеристик ТС от номинальных можно осуществлять сразу в тех единицах, в которых пронормированы допуски ТС в ГОСТ Р 8.625.

Гибкость применения измерителя достигается высокой готовностью к использованию в автоматизированных измерительных системах, обеспечиваемой открытым протоколом обмена. Такой подход не вынуждает потребителей пользоваться только программным обеспечением, поставляемым изготовителем и позволяет разрабатывать приложения, наиболее подходящие для решения конкретных задач.

Вместе с тем, изготовитель предлагает и готовые компоненты внешнего ПО для работы с измерителем, которые хорошо подходят для организации автоматизированного рабочего места поверителя (калибровщика). ПО изначально выполнено адаптированным для работы в операционных системах семейства Microsoft Windows, а его архитектура такова, что компоненты могут функционировать как совместно на единственной ЭВМ, так и в распределённой системе сбора данных, в которой они функционируют на разных ЭВМ, объёдиненных локальной вычислительной сетью (ЛВС) или сетью Internet.

Рисунок 1 - Структура системы сбора данных

ЛИТЕРАТУРА

ГОСТ Р 8.624-2006 ГСИ.  Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки.
ГОСТ Р 8.625-2006 ГСИ.  Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний.
Д. А. Гривастов.   Поверка термометров сопротивления в соответствии с ГОСТ Р 8.624 при использовании в качестве средства поверки прецизионного многоканального измерителя температуры "Термоизмеритель ТМ-12". Расчёт расширенной неопределённости поверки (www.temperatures.ru, сентябрь 2008 г.).