Метрологического обеспечение неконтактных средств...

Ведущий инженер ОАО НПП «Эталон» Волков Сергей Павлович (3812)36-99-67

Ген. директор ОАО НПП «Эталон» Никоненко Владимир Афанасьевич- заслуженный метролог России(3812)36-84-00,дом.(3812)57-61-46.

С принятием международной температурной шкалы МТШ-90 система передачи единицы температуры в радиационной термометрии стала обеспечиваться в соответствии с ГОСТ 8.558-93 части три «Радиационные термометры». Особенностью метрологического обеспечения радиационной термометрии в МТШ-90 стало значительное изменение рабочих средств измерения. Доля визуальных термометров на которые была рассчитана старая поверочная схема ГОСТ 8.080-80, сократилась по данным ВНИИМ с 70 % до 25…30 %. В связи с изменением номенклатуры пирометров, реализация передачи единицы температуры от образцового средства измерения к рабочим, с использованием температурных ламп, стала практически невозможной, да и температурные лампы перестали выпускаться. Поверочная схема ГОСТ 8.558-93 часть 3 стала базироваться на применение эталонных излучателей черного тела и прецизионных пирометров с погрешностью не более 0,2%.

В развитии ГОСТ 8.558-93 часть 3 в 1996 году были разработаны

ГОСТ 8.566-96 «Измерители эталонные (образцовые) в виде модели абсолютно черного тела для диапазона температур от -50…+2500 °С. Методика аттестации и поверки» и ГОСТ 2843-96 «Пирометры. Общие технические требования».

Исходя из вышеизложенного, калибровка и поверка пирометров должна осуществляться с использованием эталонных излучателей. Применение эталонных излучателей позволяет построить всю шкалу и охватить практически всю номенклатуру пирометров. Соответственно возникает задача по разработке и организации выпуска абсолютно черных тел диапазона температур -50…2500 °С. При этом следует отметить, что излучатели в виде модели АЧТ являются эталонными мерами температуры переменного значения. О ситуации в стране сложившейся в процессе разработки, выпуска и оснащения метрологических лабораторий при внедрении МТШ-90 изложено в статье [1] зам директором ВНИИМ Походуном А.И.

Исходя из технических характеристик пирометров и проведенных расчетов были, приняты следующие требования к излучателям:

- для поверки пирометров в диапазоне температур -40…100°С – апертура полости (диаметр) 100…170 мм;

- для поверки пирометров в диапазоне температур 100…1200°С – апертура полости (диаметр) 50…70 мм;

- для поверки пирометров в диапазоне температур 900…3000°С – апертура полости (диаметр) 10…30 мм;

Придерживаясь этих требований диапазон температур – апертура полости на ОАО НПП «Эталон» разработан ряд излучателей типа абсолютно черное тело для интервалов температур -40…40°С (НЧТ-100/-40/40); 40…95°С (АЧТ-165/40/100), (ПЧТ-540/40/100); 100…1100°C (АЧТ-45/100/1100) и 900…2800°С (ВЧТ- 30/900/2500), (МЧТ-2/900/2800), которые могут являются исходными средствами градуировки и поверки всех пирометров эксплуатируемых на сегодняшний день в России.

НЧТ-100/-40/40 – разрабатываемая на сегодняшний день модель низкотемпературного абсолютно черного тела предназначена для поверки и калибровки пирометров в диапазоне температур от -40˚С до 40˚С, выполнена в металлическом корпусе в виде резервуара, где реализована идея жидкостного термостата. Внутри резервуара расположена полость выполненная в виде цилиндра с гофрированным дном, размер полости глубина – 200 мм, диаметр – 130 мм. Диаметр излучателя - 100 мм. Коэффициент излучения полости, равный 0,996, является расчетным и обеспечивается конструкцией и покрытием полости. Обеспечение необходимой температуры теплоносителя в резервуаре достигается нагревателями и спиралью теплообменника с холодильным агрегатом. Для достижения однородности температуры дна и стенок излучателя, осуществляется принудительное перемешивание теплоносителя с помощью мешалки. Поддержание температуры осуществляется автоматически при помощи датчика, расположенного в резервуаре, и регулятора нагрева модуля управления. Разрабатываемая модель может иметь два варианта конструкции, первый – как самостоятельное изделие и второе - как блок излучателя, подключаемый к криостату КР-40-2 (выпускаемый на ОАО НПП «Эталон»).

АЧТ-165/40/100 - Излучатель в виде модели абсолютно черного тела второго разряда предназначен для настройки и градуировки средств бесконтактного измерения температуры (пирометров полного и частичного излучения, сканирующих пирометров и тепловизионных систем, телескопов и других средств) в диапазоне температур от 40˚С до 95˚С в лабораторных и цеховых условиях. Конструкция и принцип работы аналогичный НЧТ 100/-40/40. Излучатель может использоваться как для диапазона температур 40…95˚С ( с теплоносителем – дистиллированная вода), так и для диапазона температур – минус 30…10˚С (с теплоносителем – спирт и с размещением самого излучателя в камере холода), а при использовании полиметалл-силиконовой жидкости ПМС-100 ГОСТ 13032-77 и до 200˚С.

АЧТ-165/40/100 зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 23396-02. Технические характеристики подтверждены в ходе Государственных испытаний (Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.32.010.A № 12886).

Для нагрева полости используются электронагревательные элементы, расположенные внутри резервуара, и теплоноситель (дистиллированная вода), для заправки которого на верхней панели корпуса имеется заливная горловина. Для достижения однородной температуры дна и стенок полости осуществляется принудительное перемешивание теплоносителя с помощью специального насоса. Создаваемый насосом поток теплоносителя передает температуру от нагревателей дну и стенкам полости. Поддержание температуры излучающей полости осуществляется автоматически при помощи датчика, расположенного в резервуаре, и блока управления БУ-1М. На рис.1 показан внешний вид излучателя.

ПЧТ-540/40/100 – излучатель в виде модели протяженного черного тела предназначен для проверки диапазона и определения погрешности тепловизионных приборов (тепловизионных и термографических систем, сканирующих пирометров и других средств бесконтактного контроля температуры) в диапазоне температур от 40˚С до 95˚С, а также определения угла поля зрения и геометрических параметров разрешения по горизонтали и вертикали. Основной частью модели ПЧТ является излучатель протяженный тепловой. Излучатель протяженный тепловой выполнен в металлическом корпусе, с лицевой стороны которого расположена излучающая поверхность, встроенная в жидкостный термостат, которая имеет специальное покрытие, обеспечивающее заданный коэффициент черноты. На корпусе ПЧТ предусмотрены места крепления мир для поверки тепловизионных приборов.

На сегодняшний день ПЧТ-540/40/100 является единственным в России средством поверки, калибровки и градуировки тепловизоров и сканирующих пирометров на соответствие «Р50.2.012-2001 ГСИ Приборы тепловизионные. Методика поверки» . На рис.2 приведена модель ПЧТ с мирой с переменной щелью.

ПЧТ-540/40/100 зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 26476-04. Технические характеристики подтверждены в ходе Государственных испытаний (Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.32.001.A № 17005.

Разработанный излучатель по своим характеристикам не уступает зарубежным аналогам, что отображено в табл.1.

Сравнительные технические характеристики излучателя

ПЧТ-540/40/100 и М315х4 фирмы Микрон (США)

Таблица 1

Метрологические характеристики разработанного протяженного излучателя определяли во ВНИИМ г. Санкт-Петербург на соответствие с ГОСТ 8.566-96 [2]. Излучательную способность его рабочей поверхности оценивали путем сличения ПЧТ-540/40/100 с вторичным эталоном энергетической яркости и температуры по инфракрасному излучению.

Распределение температуры по поверхности излучателя оценивали двумя методами:

- контактным – с использованием поверхностного датчика на базе термистора, разработанного во ВНИИМ с погрешностью измерения ±0,03 °С;

- неконтактным – при помощи образцового пирометра 1-го разряда.

Входе исследований получены следующие результаты:

- максимальное отклонение показаний термометра от центральной точки по рабочей области не превышает 0,07°С в диапазоне температур 40…60 °С и 0,09 °С в диапазоне 60…95°С ;

- максимальное отклонение показаний образцового пирометра от центральной точки по рабочей области в диапазоне температур 40…95°С не более 0,1 °С в области 110х110 мм.

Кроме того, проведены тепловизионные исследования данного излучателя. Исследования показали:

- при температуре 40 °С – неравномерность температурного поля по рабочей поверхности 500х500мм не превышает 0,1°С;

- при температуре 95 °С – неравномерность температурного поля 0,1°С сохраняется в пределах зоны 110х110 мм.

С помощью системы ПЧТ+мира определяют порог температурной чувствительности, неравномерность чувствительности тепловизора по полю, а также сходимость показаний тепловизора. С помощью миры с переменной щелью (рис.3 А) определяется пространственное (угловое) разрешение поверяемого тепловизора, а миры с крестовыми метками (рис.3 Б) – угол поля зрения.

АЧТ-45/100/1100 - излучатель в виде модели абсолютно черного тела второго разряда предназначен для настройки и градуировки средств бесконтактного измерения температуры (пирометров и пирометрических преобразователей полного и частичного излучения, сканирующих пирометров и тепловизионных систем) в диапазоне температур от 100˚С до 1100˚С в лабораторных и цеховых условиях. Основной частью излучателя является трубчатая печь, в рабочем пространстве которой установлена вставка из никеля с конической излучающей полостью.

АЧТ разработано на базе выпускаемой на предприятии печи МТП-2МР, укомплектовано эталонной термопарой ППО 1 разряда, термостатом холодных концов, блоком управления БУ-1М со встроенным регулятором температуры.

АЧТ-45/100/10 зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 23395-02. Технические характеристики подтверждены в ходе Государственных испытаний (Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.32.010.A № 12885).

Угол конической полости и положение вставки относительно торцов печи рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить необходимую излучательную способность и минимальный градиент температуры по поверхности конуса. Эффективная излучательная способность и геометрия излучателя были рассчитаны во ВНИИОФИ методом математического моделирования на основе метода Монте-Карло по программе STEEPЗ.

Черные тела, работающие при температу­рах выше 600°С, могут иметь значительно меньшие выходные отверстия, так как пирометры, работающие при таких температу­рах, имеют показатель визирования не менее 1/40 (обычно 1/50), а при температурах выше 900°С и того меньше 1/100. Поэтому для интервала температур выше 900°С получили распространение трубчатые графитовые излучатели, нагреваемые проходящим током, типа ВЧТ-30/900/2500 для интервала 900-2500°С и МЧТ-2/900/2800 (малая модель) - для интервала 900-2800°С.

Оба излучателя имеют аналогичные принципы работы и отличают­ся главным образом размерами, в том числе размерами выходного отверстия полости.

ВЧТ-30/900/2500 – предназначен: для градуировки, калибровки и поверки рабочих средств измерения температуры (пирометров и пирометрических преобразователей полного излучения, частичного излучения и спектрального отношения) в диапазоне температур от 900 до 2500˚С в лабораторных условиях; для калибровки и поверки эталонных пирометров с применением точек затвердевания чистых металлов (реперных точек). При разработке конструкции АЧТ использовали опыт разработчиков ВНИИМ, ИВТАН и ВНИОФИ. Итоговая конструкция АЧТ представляет собой заключенную в водоохлаждаемый корпус и окруженную теплоизолирующим слоем излучающую полость, сформированную внутренними стенками полого цилиндрического излучателя, выполненного из графита нагреваемого пропусканием электрического тока, проходящим непосредственно по стенкам излучателя. ВЧТ (Рис.6) выполнено в виде моноблока и состоит из излучателя, шкафа управления, пирометра обратной связи ПСД-1 и эталонного пирометра ПД4-06. Эффективный коэффициент излучения полости не менее 0,99 гарантируется её конфигурацией и конструкцией печи. В сравнении с метрологическим оборудованием, которое предлагают дилеры от иностранного производителя, модель АЧТ-30/900/2500 не хуже аналогов данного типа.

Излучателя АЧТ-30/900/2500, разработанный по техническому заданию Всероссийского научно-исследовательского института им. Д.И. Менделеева (ВНИИМа). Используется для реализации точек фазового перехода (плавления - затвердевания) чистых металлов в обеспечении Рис.6 АЧТ-30/900/2500

единства измерений в соответствии с международной температурной шкалой МТШ-90.

Для передачи единицы температуры разработан и сертифицирован эталонный пирометр ПД4-06, диапазона температур 800…2500°С с погрешностью 0,2%.

МЧТ-2/900/2800 – излучатель в виде малого черного тела, особенность модели малые габариты и малое энергопотребление. МЧТ предназначен для калибровки пирометров излучения и других оптических спектральных приборов в области температуры 900…2800°С. Излучатель выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости (трубки) из графита марки МПГ-6, в центре которой с одной стороны прорезана вертикальная щель. Корпус, в котором установлен излучатель, образуют герметичную модель, заполненную аргоном, что обеспечивает достаточный ресурс работы графитового излучателя. Модель МЧТ состоит из корпуса с излучателем, пирометра обратной связи, который является регулятором температуры и источника питания. Данная модель была разработана совместно с д.т.н. Костановским А.В.[3], Институт высоких температур Российской академии наук. На предприятии были проведены сличения эталонного пирометра ПД4-06 с температурной лампой СИ 10-300 и МЧТ-2/900/2800, результаты сличения представлены в табл. 2

Таблица 2

По результатам сличения можно сделать вывод, что МЧТ-2/900/2800 возможно использовать взамен температурных ламп.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработано и организовано производство эталонного оборудования, обеспечивающего воспроизведение единицы температуры на основе МТШ-90, в соответствии с Государственной поверочной схемой для средств измерения температуры ГОСТ 8.558-93 часть3. Радиационные термометры в диапазоне температур от минус 40°С до 2500°С

Литература:

1. Походун А.И. Проблемы оснащения поверочных лабораторий Госстандарта России в области температурных измерений. - Законодательная и прикладная метрология, 1997, № 3, с.31-33.

2. Никоненко В.А., Сильд Ю.А., Иванов И.А. Разработка системы метрологического обеспечения измерительных тепловизионных приборов. - Измерительная техника, № 4, 2004, с. 48-51.

3. Костановский А.В. Малогабаритная модель черного тела вместо температурной лампы СИ-10-300. Вторая Всероссийская конференция по проблемам термометрии. Тезисы. Подольск 2004.

ОАО "Научно-производственное предприятие "Эталон"