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.
| |
* 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(tlab1) = 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 t
max и t
min – 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 U
c(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: U
c(t=0) = 2
· 0,027 = 0,054 °C ≈ 0,05 °C;
- при температуре t = 100 °C: U
c(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 альтернативных операционных системах (Microsoft Windows XP/2000/2003 и Linux), а его архитектура такова, что компоненты могут функционировать как совместно на единственной ПЭВМ, так и в распределённой системе сбора данных, в которой они функционируют на разных ПЭВМ, объёдиненных локальной вычислительной сетью (ЛВС) или сетью Internet.
Рисунок 1 - Структура системы сбора данных
