WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Погрешность, мК Компонента ТAg(1234,93 К) ТCu(1357,77 К) 1770 K 2770 К Шум 45 11 10 Кратковременная 70 70 115 стабильность Инструментальная погрешность 1 0,3 1 0,вольтметра Суммарная погрешность 83 71 115 воспроизведения Исследование воспроизводимости компаратора при работе с температурными лампами проводилось на одной вакуумной и одной газонаполненной лампе СИ10-300, входящих в состав эталона. Для каждой лампы было проведено по 30 серий измерений в трех точках температурного диапазона. При анализе полученных результатов были рассчитаны средние значения, СКО и коэффициенты корреляции между сопротивлением, температурой цоколя лампы, температурой окружающего воздуха и яркостной температурой. По коэффициентам корреляции оценивалось влияние дополнительных параметров. Расчеты показали, что при приведении к единому значению параметра с наибольшим коэффициентом корреляции по отношению к яркостной температуре, сходимость результатов становится наилучшей. Для точек 1973 и 1673 К этим параметром является сопротивление, а для нижних точек температурного диапазона – температура цоколя. Итоговое значение воспроизводимости для газонаполненной лампы составило от 165 мК до 300 мК в диапазоне от 1400 К до 2000 К, для вакуумной от – 88 мК до 143 мК в диапазоне от 1200 К до 1700 К.

Исследование влияния изменения температуры воздуха в помещении на оптическую часть компаратора проводилось путем проведения локального нагрева воздуха рядом с различными элементами оптической системы. По полученным результатам был проведен приблизительный расчет чувствительности измерительной системы к нагреву оптических элементов, который показал, что наименее устойчивым к тепловому воздействию оказалось второе сферическое зеркало, что было объяснено деформацией элементов опорной конструкции зеркала при нагреве. Для устранения влияния термической деформации опорных элементов на сферическое зеркало, совместно с ФГУП Омский опытный завод «Эталон» была разработана специальная конструкция стойки зеркала, выполненная на принципе карданного подвеса.

После новой юстировки всей оптической системы эксперимент по тепловому воздействию на сферическое зеркало был повторен. Результаты показали, что неустойчивость данного узла при тепловом воздействии уменьшилась в 5-6 раз, что, учитывая его вес в стабильности всей схемы, повышает общую стабильность примерно в 3 раза.

Исследование погрешности, обусловленной неточностью определения длины волны пропускания монохроматора проводилось с помощью источников линейчатого спектра, в качестве которых применялись криптоновая и дейтериевая лампы. Использующийся в составе ГЭТ34-2007 двойной монохроматор МДР-6 был отградуирован, итоговая поправка монохроматора на неточность длины волны составила 0,05 нм при неисключенной систематической погрешности 0,03 нм. Так как коэффициент чувствительности к погрешности определения длины волны определяется T T отношением T 1, температурный эквивалент данной составляющей ref суммарной погрешности монотонно возрастает пропорционально квадрату температуры от 0 мК в реперных точках до 160 мК на уровне 2770 К.

Исследование эффекта размера источника (ЭРИ) излучения проводилось прямым и обратным методами, а также адаптированным прямым методом. При прямом и обратном методах в качестве однородного источника излучения использовалось молочно-матовое стекло с ирисовой диафрагмой, освещенное однородным источником излучения. В результате исследования были получены значения эффекта размера источника при различных диаметрах раскрытия диафрагмы для прямого и обратного метода (см. табл. 6).

Таблица 6. Эффект размера источника и его температурный эквивалент при температуре затвердевания меди (ТCu) и 2200 К (Т2200).

Прямой метод Обратный метод Размер источника, мм Uф, % ТCu, мК T2200, мК Uф, % ТCu, мК T2200, мК 1,5 0,024 20 57 0,021 18 2 0,069 58 163 0,062 52 3 0,086 72 203 0,082 69 15 0,13 110 300 0,13 110 30 0,14 120 330 0,14 120 Такое исследование дает представление об ЭРИ, как о характеристике оптической системы, не включающей параметры излучателя, поэтому в качестве альтернативы был применен другой метод определения ЭРИ. Схема данного эксперимента представлена на рис.5.

Рис. 5. Схема установки для определения эффекта размера источника методом реального источника: 1 - высокотемпературная печь, 2 – объектив, 3 – ирисовая диафрагма, 4 – фотоприёмник и его оптическая система.

Также было проведено определение поправки при передаче единицы температуры между лампами СИ10-300 и Polaron 10/G. Вместо печи источником излучения в этом эксперименте была температурная лампа СИ10300, а промежуточным источником вместо ирисовой диафрагмы стала щелевая диафрагма переменной ширины.

Анализ результатов измерений показал, что при передаче единицы температуры с печи на лампу СИ10-300 поправка составила 0,08 К при СКО поправки 0,03 К. При передаче размера единицы между лампами различного типа предельное значение поправки оказалось равным 0,14% от номинальной яркости излучения, что в точке затвердевания меди соответствует 0,13 К.

Неисключенная систематическая погрешность при этом составила 33 мК.

Исследование нелинейности фотоэлектрического тракта проводилось путем построения шкалы с помощью фотодиода методом сложения потоков излучения на двух различных установках: с одним источником и разделяющимся световым потоком, и с двумя независимыми источниками излучения. Измерения проводились в диапазоне сигнала от 2,5 мВ до 5 В. Каждое удвоение было проведено от 6 до 12 раз в течение одной рабочей недели.

В соответствии с полученными данными весь рабочий диапазон фотодиода был разбит на три участка: ниже 20 мВ, где коэффициент нелинейности возрастает обратно пропорционально значению выходного сигнала; от 25 мВ до 3 В – коэффициент нелинейности пренебрежимо мал; выше 3 В – нелинейность возрастает пропорционально выходному сигналу, но имеет противоположный первому участку знак.

На основании полученных данных были получены полиномы для вычисления коэффициента нелинейности на каждый шаг удвоения в диапазоне выходного сигнала до 20 мВ (К1) и свыше 3 В (К2):

K1 1 (2,1105 Uф2 -8,12 104 Uф 0,00781) (3);

K2 1 (-3,7110-7 Uф +0,00128) (4) где Uф – удвоенный сигнал. Относительная неисключенная систематическая погрешность, соответствующая этим поправкам, равна 0,07% на шаг удвоения.

Нелинейность центрального участка не учитывается ввиду её малости.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям в ходе совместных международных работ и общим анализом полученного бюджета погрешности.

По плану совместных работ с национальным метрологическим институтом Франции LNE-INM/CNAM в период с 2005 по 2009 года проводились исследования по определению значений фазовых переходов высокотемпературных металлуглеродных эвтектик кобальта, платины и рения. Измерения всех ампул с металлами проводились в обоих метрологических институтах, где значение температуры определялось путем передачи от национального эталона температуры.

Таким образом, результаты измерений позволяют не только осуществить сравнение различных методик воспроизведения фазовых переходов эвтектик, но и сличить (косвенно) текущие температурные шкалы стран-участниц при текущих метрологических характеристиках эталонов. Сводная таблица по результатам работ представлена в таблице 7.

Таблица 7. Сравнение результатов исследований ВНИИМ по определению температуры фазовых переходов (Тпл) высокотемпературных эвтектик с результатами других НМИ.

Эвтектика Co-C Pt-C Re-C Среднемировое значение Тпл, С 1324,21 1738,4 2474,Значение Тпл LNE-INM/CNAM, С 1324,24 1738,3 2474,Значение Тпл ВНИИМ, С 1324,2 1738,4 2474,Погрешность при определении Тпл, К 0,12 0,58 1,Воспроизводимость эвтектики во ВНИИМ, К 0,08 0,16 0,В период 2009-2010 годов проводились двусторонние сличения эталонов в реперной точке затвердевания меди. В сличениях участвовали ВНИИМ и ННЦ «Институт метрологии» (Украина). В качестве эталона сравнения использовалась вакуумная температурная лампа СИ 10-300 № 5, принадлежащая ВНИИМ. Для этих сличений была заявлена расширенная неопределенность в точке затвердевания меди 0,176 К, разница значений температуры при градуировке лампы составила 0,16 К.

Анализ результатов показал, что обе международные работы с большим запасом подтвердили метрологические характеристики Государственного первичного эталона, которые приведены в таблице 8. Также в таблице указаны возможности эталона с учетом примененных методик, а также погрешности эталона на момент ключевых сличений 1999 года и погрешности национальных эталонов Германии и Великобритании. Сравнение погрешностей указывает на возможность существенного увеличения точности эталона в верхней части температурного диапазона, однако при этом есть некоторое отставание по точности от эталонов ведущих стран мира.

Также в пятой главе рассмотрены перспективные направления повышения точности эталона: использование вторичных реперных точек и создание новой оптической схемы компаратора. Расчет возможных значений погрешности показал, что применение вышеназванных мер может уменьшить суммарную погрешность на 15% в нижней части температурного диапазона на 25% – в верхней.

Границы погрешности, мК Погрешности Погрешности Погрешности по Возможности национальных Источники погрешностей эталона на момент паспорту эталона по эталонов Германии сличений КС-5 ГЭТ 34-2007 результатам работы и Великобритании 1234,93К 3000 К 1234,93К 3000 К 1234,93К 3000 К 1234,93К 3000 К Примеси в металле и графите 10 2 10 - 20 40 20 Излучательная способность МЧТ 2 9 20 - 10 80 7 Неточность определения уровня ТЗМ 15 23 30 - 30 120 8 Не иссл. Не иссл.

Охлаждение через отверстие МЧТ 2 10 10 - 2 Температура цоколя лампы и ОС* 10 8 50 50 50 50 16 Погрешность установки лампы на Не иссл. Не иссл.

30 56 500 300 30 оптическую ось* Погрешность измерения силы тока в 30 21 400 100 40 80 36 цепи лампы* Дрейф параметров лампы* 10 25 300 260 30 50 10 Интерполяция и интегрирование 2 7 - - 20 80 6 Не иссл. Не иссл.

Температура окружающей среды 13 65 30 50 24 Рассеяние и поляризация излучения 2 8 10 30 10 30 10 Не иссл. Не иссл.

Неточность определения длины волны 9 145 50 200 20 Нелинейность фотоэлектрического Не иссл. Не иссл.

0 268 - 300 0 тракта СКЯ Эффект влияния размера источника 20 96 80 200 40 230 33 излучения Суммарная неисключенная 56 484 160 990 120 420 73 систематическая погрешность, мК Пределы суммарной погрешности 119 1194 320 1980 223 2808 173 (k=2), мК значения температуры 2400 К.

Примечание: * - для составляющих, связанных с лампами, погрешность приведена для Таблица 8. Сравнение составляющих погрешностей в диапазоне выше 1234,93 К Основные результаты По итогам комплекса теоретических и экспериментальных исследований на аппаратуре Государственного первичного эталона единицы температуры были получены следующие основные результаты:

- Разработаны теплофизические модели тигля с металлом и ленты температурной лампы; с помощью моделей получены значения поправок на неравномерность температурного поля в полости тигля и на изменение условий теплообмена ленты лампы с окружающей средой, введение которых позволило уменьшить соответствующие составляющие суммарной погрешности.

Разработана программа для реализации математических моделей полостей тиглей различной конфигурации, с помощью которой рассчитана составляющая погрешности, обусловленная отличием излучательной способности полости тигля от излучательной способности абсолютно черного тела.

- Проведены исследования температурных полей ламп, воспроизводимости параметров ленточных вольфрамовых ламп при измерении яркостной температуры, чувствительности оптической системы спектрокомпаратора к изменению температуры окружающего воздуха, влияния эффекта размера источника при различных значениях температуры, нелинейности фотоэлектрического тракта. По результатам этих исследований получены действительные значения поправок и составляющих суммарной погрешности эталона.

- Введён в состав эталона комплект термостатированных мер сопротивления, разработан и включен в состав оптической системы новый узел зеркала. Данные меры позволили сократить погрешности, обусловленные неточностью определения тока питания ламп и влиянием температуры окружающей среды на передачу размера единицы температуры.

Разработанные методы и полученные результаты дают возможность повысить точность Государственного первичного эталона единицы температуры на (2040)% в диапазоне (961,783000) С по сравнению с указанными в действующей поверочной схеме и паспорте эталона.

Решение поставленной в работе задачи по улучшению метрологических характеристик Государственного первичного эталона единицы температуры имеет существенное значение для прецизионной бесконтактной термометрии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Матвеев М.С., Походун А. И., Сильд Ю.А., Фуксов В.М., Цорин В.Г., Никитин Ю.В., Фотоэлектрический спектрокомпаратор нового поколения для прецизионных измерений в области радиационной термометрии, «Приборы» № 10, 2008, с. 30-38.

2. Фуксов В.М., Основные направления и методы повышения точности государственного первичного эталона единицы температуры в диапазоне выше точки затвердевания серебра, «Приборы» № 10, 2010, с. 54-58.

3. Фуксов В.М., Исследование температурных полей эталонных излучателей, «Приборы» № 11, 2010, с. 37-44.

4. V.M.Fuksov, A.I.Pohodun, M.S.Matveyev, Experimental and numerical investigation of the temperature field of the fixed point cavity, International Journal of Thermophysics: vol. 32, Issue 1, 2011, p. 337.

5. Фуксов В.М. Свирков В.А., Исследование термозависимости оптической системы спектрокомпаратора ГЭТ 34-2007, «Приборы» № 10, 2010, с. 58-68.

Pages:     | 1 | 2 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.