CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENȚA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ [306867]

Master

CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENȚA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ [306867]

Byadmin ianuarie 1, 2024

Universitatea Tehnică a Moldovei

Programul de masterat Inginerie și Managementul Calității

CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENȚA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ

Teză de master

Masterand: [anonimizat]: conf. univ., dr. Andrei CHICIUC

Chișinău – 2020

Universitatea Tehnică a Moldovei

Facultatea Energetică și Inginerie Electrică

Departamentul Inginerie Electrică

Admis la susținere

Șef departament dr.conf. Ilie NUCA

„__”____________________ 2020

CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENȚA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ

Teză de master

Masterand:____________ ([anonimizat])

Conducător:___________ (Andrei Chiciuc)

Chișinău – 2020

CUPRINS

ÎNTRODUCERE 4

I EVOLUȚIA CONCEPTULUI DE REALIZARE ȘI MATERIALIZARE A UNITĂȚII DE MĂSURĂ A TEMPERATURII 6

1.1 Etalonul primar al unității de măsură a temperaturii 6

1.2 Etalonul Național de Temperatură din Republica Moldova 10

1.3 Importanța și actualitatea temei 20

1.4 Scopul și obiectivele tezei 20

II DESCRIEREA METODEI DE ETALONARE ÎN PUNCTELE FIXE DE TEMPERATURĂ ȘI A ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ 22

2.1 Cosiderente teoretice privind echipamentul utilizat la măsurările efectuate în punctele fixe de temperatură 22

2.2 Descrierea metodelor de realizare a punctelor fixe de temperatură din cadrul Etalonului Național de Temperatură 30

2.3 Descrierea procedurii de etalonare prin metoda punctelor fixe de temperatură 35

III EFECTUAREA MĂSURĂRILOR PENTRU CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENTA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ 47

3.1 Descrierea cerințelor pentru efectuarea măsurărilor 47

3.2 Efectuarea măsurărilor 49

3.3 Evaluarea rezultatelor obținute 57

IV CONCLUZII 60

BIBLIOGRAFIE 61

ANEXE 62

ÎNTRODUCERE

Terminologie:

etalon: măsură, [anonimizat] a defini, realiza, conserva sau reproduce o unitate sau una sau mai multe valori ale unei mărimi pentru a servi ca referință;

metodă de măsurare: descriere generică a organizării logice a operațiilor utilizate într-o măsurare;

etalonare: [anonimizat]-o primă etapă o [anonimizat]-o a [anonimizat]-o indicație;

validare: verificare prin care se confirmă că exigențele specificate sunt adecvate pentru o utilizare determinată;

trasabilitate metrologică: proprietate a rezultatului unei măsurări de a [anonimizat];

derivă: [anonimizat], a [anonimizat];

interval de măsurare: ansamblu de valori ale mărimilor de aceeași natură care pot fi măsurate cu o incertitudine dată cu un mijloc de măsurare în condiții specificate;

[anonimizat], pozitiv care caracterizează dispersia valorilor atribuite unui măsurand pe baza informațiilor utilizate;

bilanț de incertitudine: prezentarea unei incertitudini de măsurare, a componentelor acestei incertitudini precum și a modului de calcul și a combinării acestora.

punct fix: stare de echilibru bine reproductibilă între fazele unor substanțe foarte pure (punct triplu, punct de solidificare, punct de topire);

punct triplu: temperatura la care fazele solidă, lichidă și gazoasă sunt în echilibru;

punct de solidificare sau de topire: temperatura, la o presiunea normală de 101 325 Pa, la care fazele solidă și lichidă sunt în echilibru;

rezistența relativă: raportul dintre rezistența TRP la temperatura t către rezistența sa în PTA;

rezistența nominală: rezistența TRP la temperatura de 0 °C sau PTA;

instabilitatea TRP: variația rezistenței TRP la temperatura PTA după menținerea timp de 5 ore la temperatura limitei maxime de utilizare;

curentul de măsurare: intensitatea curentului electric, ce parcurge prin elementul sensibil a TRP la măsurarea temperaturii.

repetabilitate: proprietate a MM de a furniza indicații foarte apropiate între ele la masurarea repetată a aceluiași măsurand, în aceleași condiții de măsurare;

stabilitate: proprietate a MM de a menține constante caracteristicile sale metrologice în decursul timpului; stabilitatea poate fi exprimată cantitativ, fie prin durata în decursul căreia o caracteristică metrologică variază cu o cantitate dată, fie prin variația unei caracteristici metrologice într-un anumit interval de timp. Stabilitatea (fluctuația) unui mediu de comparare reprezintă diferența, după stabilizare, între valorile maxime și minime în orice punct din spațiul de lucru într-un interval de timp.

Abrevieri:

PE- procedură de etalonare;

TRP- termometru cu rezistență din platină;

INM- Institutul Național de Metrologie;

LMTU- Laboratorul Mărimi Termice și Umiditate;

CGPM- Conferința Generală de Măsuri și Greutăți;

CIPM- Comitetul Internațional de măsuri și Greutăți;

CMC- Capabilități de Măsurare și Etalonare (Calibration and Measurement Capabilities);

SIT-90 – Scara Internațională de Temperatură din 1990 (ITS-90);

PF- punct fix;

PTA- punctul triplu al apei;

PS- punct de solidificare;

PT- punct de topire;

RPTA- rezistența în punctul triplu al apei;

MM- mijloc de măsurare;

T90/K – temperatura, conform SIT-90, indicată în Kelvin;

t90/șC – temperatura, conform SIT-90, indicată în grade Celsius;

Wr(T90) – funcție standard, conform SIT-90;

Wt – rezistența relativă a SPRT la temperatura t;

Rt – rezistența SPRT la temperatura t;

R0 – rezistența nominală a TRP;

PM- punte de măsurare.

I EVOLUȚIA CONCEPTULUI DE REALIZARE ȘI MATERIALIZARE A UNITĂȚII DE MĂSURĂ A TEMPERATURII

Etalonul primar al unității de măsură a temperaturii

Temperatura este mărimea fizică ce caracterizează starea de încălzire a unui corp. [1] Organismele vii sunt capabile să sesizeze mărimea dată cu ajutorul organelor de simț, însă pentru determinarea cu precizie a valorii temperaturii sunt utilizate mijloace de măsurare, cum ar fi: termometre din sticlă cu lichid, termometre cu rezistență, termometre termoelectrice, termometre digitale, termistoare, termometre bimetalice, termometre manometrice. Unitatea de măsură a temperaturii termodinamice, care face parte din unitățile fundamentale de măsură, este kelvinul (K).

În lume sunt utilizate mai multe scări de măsurare a temperaturii: scara termodinamică (scara Kelvin), scara Celsius, scara Farenheit, scara Reaumur.

Scara absolută de temperature a fost introdusă de William Thomson, baronul Kelvin, anume din acest motiv această scară îi poartă numele, precum și unitatea de măsură a acesteri scări. Scara Kelvin este numită scară absolută fiindcă valoarea limită inferioară a scării este zero absolut, ceea ce presupune cea mai scăzută temperatură posibilă, la care este imposibil de extras din substanță energie termică. Zero absolut este definit ca 0 K, ceea ce este echivalent cu -273,15 °C.

Pe baza scării Kelvin au fost elaborate scări internaționale practice, care se bazează pe punctele fixe de temperatură, care reprezintă fenomenul de trecere dintre stările de agregare a unor substanțe pure. Prima scară internațională a fost adoptată în anul 1927, ITS-27. Pe parcursul anilor această scară a fost redefinită de mai multe ori, au fost modificate punctele fixe pe care se baza, metodele de interpolare, însă principiul a rămas același, adică baza scării era reprezentată de un număr de puncte fixe cu valori determinate ale temperaturilor termodinamice și mijloace de interpolare, gradate în aceste puncte. În prezent este utilizată scara ITS-90, documentul de bază The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90), stabilește definirea kelvinului, valorile punctelor fixe și metodele de interpolare.

Anterior, kelvinul era determinat prin temperature punctului triplu al apei (273,16 K), prin urmare kelvinul era legat de proprietatea materiei, adică compoziției izotopice a apei. Însă s-a ajuns la concluzia că ar fi necesar ca unitatea de măsură, kelvin, să fie legată de o constantă fundamental și de ai fi atribuită valoarea ei. În caul temperaturii, vorbim de constanta Boltzmann, fiindcă în legile fundamentale ale fizicii, temperature apare ca energia termică. Astfel, au fost desfășurate mai multe cercetări și proiecte pentru determinarea independentă a constantei Boltzmann. Prin urmare, redefinirea kelvinului, are drept rezultat introducerea incertitudinii de determinare a constantei Boltzmann la temperature termodinamică a punctului triplu al apei.

Aprobarea oficială a noii definiții a kelvinului a avut loc în perioada 13 – 16 noiembrie 2018, în cadrul celei de-a 26 ședință a CGPM. Și are următorul conținut:

Kelvinul, symbol K, este unitatea SI a temperaturii termodinamice. Kelvinul este definit prin valoarea numerică fixă a constantei Boltzmann, k, fiind egală cu 1,380649 x 10-23, și care se exprimă în unitatea JK-1, care este egală cu kg m2s-2K-1, unde kilogramul, metrul și secunda sunt definite în termini de h, c și ΔνCs. [2]

Scara Internațională de Temperatură din 1990 (ITS-90) a fost adoptată de CIPM în 1989 în conformitate cu cererea din componența Rezoluției 7 a celei de-a 18 ședință CGPM și a fost implementată la data de 1 ianuarie 1990. Principiile de bază ale ITS-90 sunt următoarele:

În intervalul de temperaturi de la 0,65 K și 5,0 K, temperatura este definită în baza relațiilor de temperatură vapori-presiune ale 3He și 4He;

În întervalul de temperaturi între 3,0 K și punctul triplu al neonului (24,5561 K), temperatura este definită de valorile termometrelor cu Heliu, etalonate la trei temperaturi experimental realizabile, ce au atribuite valori numerice (definite de puncte fixe) și prin utilizarea procedurilor de interpolare;

În intervalul de la punctul triplu al hidrogenului (13,8033 K) și punctul de solidificare al argintului (1234,93 K), temperatura este definită de valorile obținute cu ajutorul termometrelor cu rezistență din platină, etalonate la un set specificat de puncte fixe și prin utilizarea procedurilor de interpolare;

Temperaturile mai înalte de punctul de solidificare al argintului (1234,93 K), temperatura este definită de punctele fixe respective și de legea radiației a lui Planck.

Fig. 1.1 Reprezentarea schematică a intervalelor, subintervalelor și instrumentelor

de interpolare ale ITS-90 [3]

Cum a fost menționat anterior, punctele fixe de temperatură reprezintă trecerea unor substanțe cu o puritate sporită, dintr-o stare de agregare, în alta. Aceste fenomene au loc la temperaturi concrete, cu o precizie foarte înaltă. În tabelul de mai jos sunt prezentate punctele fixe de temperatură ale ITS-90.

Tabelul 1.1 Punctele fixe de definiție ale ITS-90

Pentru realizarea etalonului primar de temperatură, sunt necesare celule pentru realizarea punctelor fixe de temperatură, cu ajutorul cărora putem reproduce temperaturi foarte apropiate de temperaturile punctelor fixe determinate teoretic. Cu ajutorul acestor celule putem obține un mediu foarte stabil termic și relativ de lungă durată.

Celulele pentru realizarea punctelor fixe de temperatură sunt de câteva tipuri:

Celule pentru realizarea punctelor fixe de temperatură a metalelor (punct de solidificare/topire a metalelor, punct triplu – pentru mercur);

Celule pentru realizarea punctului triplu al apei;

Sisteme pentru realizarea punctului triplu al argonului.

Fig. 1.2 Celule pentru realizarea punctelor fixe, vederea generală și în secțiune [4]

În figura de mai sus este reprezentat aspectul celulelor pentru realizarea punctelor fixe ale metalelor, o astfel de construcție o întâlnim în cazul punctelor de solidificare și de topire a metalelor. De asemenea este reprezentată și vederea în secțiune a celulelor, care ne ajută să înțelegem care este construcția lor și din ce ele sunt compuse. Metalul din interiorul acestor celule este caracterizat de o puritate foarte înaltă ce variază în limitele 99,9999% și 99,99999%.

Fig. 1.3 Celula pentru realizarea punctului triplu al apei [5]

În figura 1.3 este avem ilustrată celula punctului triplu al apei produsă de Fluke Corporation, împreună cu accesoriile pentru realizarea acestui punct fix: stativ pentru menținerea poziției verticale a celulei în timpul realizării și Quick Stick, folosit pentru crearea mantalei de gheață în interiorul celulei. Temperatura creată de punctul triplu al apei corespunde valorii de 0,01 °C.

Fig. 1.4 Sistemul pentru realizarea punctului triplu al Argonului [6]

În imaginea de mai sus este reprezentat sistemul pentru realizare a punctului triplu al argonului, cărei îi corespunde temperature de -189,3442 °C. Sistemul permite laboratoarelor reproducerea temperaturii cu incertitudini foarte mici, menținând punctul fix până la 30 de ore.

Setul de celule pentru realizarea punctelor fixe de temperature ale ITS-90 ne permite realizarea și construirea scării de temperature cu o precizie foarte înaltă, de la acestea pornind corectitudinea și precizia măsurărilor temperaturii cu toate mijloacele de măsurare din acest domeniu. Cu ajutorul termometrelor cu rezistență etalon este preluată unitatea de măsură de la punctele fixe și transmisă etaloanelor de o precizie mai mica, de la care unitatea este transmisă mai departe până la mijloacele de măsurare utilizate de fiecare din noi.

Etalonul Național de Temperatură din Republica Moldova

Etalonul Național al unității de măsură a temperaturii este deținut de Laboratorul Mărimi Termice și Umiditate din cadrul Institutului Național de Metrologie. Acesta este necesar pentru preluarea unității de temperatură Kelvin (K), conservarea și transmiterea ei la etaloanele de referință și prin intermediul acestora la toate etaloanele din Sistemul Național de Etaloane în vederea asigurării uniformității, exactității și legalității măsurărilor efectuate pe întreg teritoriul Republicii Moldova, de asemenea și în relațiile economice și tehnico-științifice cu alte țări.

Fig. 1.5 Punctele de definiție ale SIT-90 din dotarea LMTU, INM

Etalonul este constituit dintr-o multitudine de elemente, fiecare având scopul și importanța sa:

Realizarea Scării Internaționale de temperatură:

Celulele ale punctului triplu al apei, model 5901C-G și 5901D-Q;

Celula punctului triplu al mercurului, model 5900 E;

Celula punctului de topire a galiului, model 5943;

Celula punctului de solidificare a indiului, model 5904;

Celula punctului de solidificare a staniului, model 5905;

Celula punctului de solidificare a zincului, model 5906;

Celula punctului de solidificare a aluminiului, model 17672;

Celula punctului de solidificare a argintului, model 17673.

Fig. 1.6 Celula PTA în vasul Dewar în timpul procesului de realizăre a punctului triplu al apei

Fig. 1.7 Punctul triplu al apei

Fig. 1.8 Celula punctului triplu al mercurului

Fig. 1.9 Celule pentru realizarea punctului de solidificare ale In, Sn, Zn

Fig. 1.10 Celulele neasamblate ale punctului de solidificare ale Al și Ag

Preluare, conservarea și transmiterea unității de temperatură Kelvin:

Termometre cu rezistență din platină, modelul 5699, 5681, 5698 (în intervalul de temperaturi -200 ÷ 661 °C) și modelul 96178 (în intervalul 0 ÷ 1000 °C);

Termometre termoelectrice, tip S (Pt10%Rh/Pt);

Fig. 1.11 Termometru cu rezistență din platină pentru măsurarea temperaturilor înalte, modelul 96178

Fig. 1.12 Termometru cu rezistență din platină, model 5698, și elementul sensibil al acestuia

Fig. 1.13 Termometru cu rezistență din platină etalon, model 5681

Crearea și menținerea temperaturii:

Termostat model 7312, pentru crearea și menținerea temperaturii apropiate a punctului triplu al apei;

Termostat model 7341;

Termostat, model 7381, utilizat la crearea punctului triplu al Hg;

Aparat pentru menținerea celulei punctului fix al Ga, model 9230;

Cuptor electric, model 9114, pentru realizarea punctului de solidificare a staniului, indiului și zincului;

Cuptor electric, model 17703, pentru realizarea punctului de solidificare a aluminiului;

Cuptor electric, model 17702S, pentru realizarea punctului de solidificare a argintului;

Fig. 1.14 Termostatele model 7312, model 9114 și vasul Dewar

Fig. 1.15 Termostatele model 7381, model 6331 și aparatul model 9230

Fig. 1.16 Cuptoarele electrice model 17703 și model 17702S, pentru realizarea PF al Al și Ag

Citirea și transmiterea datelor primare:

Termometru electronic, model CHUB E4 1529;

Punte de precizie, model microK 125.

Fig. 1.17 Punte de precizie, model microK 125

În continuare va urma o mică descriere oferită de producătorul componentelor enumerate anterior.

Celula punctului triplu al mercurului este produsă de Fluke Corporation, fiind de modelul 5900E, numărul de serie 000053. Cu ajutorul celulei respective poate fi realizat punctul triplu al mercurului, căruia îi corespunde temperatura de -38,8344 °C (234,3156 K). În interior, celula conține metal de o puritate foarte înaltă, și anume 99,9999 %. Înălțimea coloanei de metal (distanța de la partea inferioară a celulei, până la suprafața metalului) este de 211 mm. Incertitudinea dată de producător este de 0,02 mK. Temperatura calculată la adâncimea de imersie de 186 mm pe parcursul palierului de topire este -38,83308 °C ± 0,0002 °C.

Celula pentru realizarea punctului de topire al Ga, model 5943, numărul de serie Ga-43087, este produsă de Fluke Corporation. Celula este utilizată pentru crearea temperaturii de 29,7646 °C. Metalul din celulă are o puritate declarată de 99,99999 %. Presiunea internă a argonului din celulă la temperatura punctului fix este de 85,0 kPa. Distanța de la fundul celulei până la suprafața metalului este 168 mm. Incertitudinea declarată de producător este 0,0001 °C. Temperatura de la mijlocul elementului sensibil la adâncimea de imersie de 143 mm în timpul palierului de topire 29,76476 °C ± 0,0001 °C.

Celula punctului de solidificare al In, produsă de Fluke Corporation, model 5904, numărul de serie In 04034, este utilizată la realizarea temperaturii de 156,5985 °C (429,7485 K). Puritatea declarată de producător este 99,9999 %. Înălțimea coloanei de metal este de 195 mm. Presiunea internă la temperatura de solidificare este 84,80 kPa. Incertitudinea declarată este de 0,7 mK, respectiv la adâncimea de imersie de 170 mm în timpul palierului de solidificare este 156,5983 °C ± 0,0007 °C.

Realizarea punctului de solidificare al staniului, Sn, este efectuată cu celula punctului de solidificare al Sn, model 5905, numărul de serie Sn-05071, producător Fluke Corporation. Temperatura corespunzătoare punctului de solidificare este 231,928 °C. Puritatea metalului din interiorul celulei este de 99,9999 %, presiunea interioară la temperatura punctului de solidificare este de 85,0 kPa. Incertitudinea declarată de producător este de 0,0005 °C. Înălțimea coloanei de metal în interiorul celulei este de 195 mm. Respectiv, temperatura la mijlocul elementului sensibil al termometrului cu rezistență din platină, care este imersat la adâncimea de 170 mm în timpul palierului de solidificare este de 231,92784 °C ± 0,0005 °C.

Punctul de solidificare al zincului, Zn, este realizat cu ajutorul celulei model 5906, numărul de serie Zn-06074, producător Fluke Corporation. Temperatura ce-i corespunde punctului fix este de 419,527 °C. Puritatea metalului din interiorul celulei este de 99,9999 % și presiunea interioară la temperatura punctului de solidificare este de 84,2 kPa. Incertitudinea declarată de producător este de 0,0009 °C. Înălțimea coloanei de metal este de 195 mm. Temperatura măsurată la mijlocul elementului sensibil al trrmometrului cu rezistență din platină, imersat la adâncimea de 170 mm în timpul platoului de solidificare este de 419,52672 °C ± 0,0009 °C.

Celula punctului de solidificare al aluminiului, Al, model 17672, număr de serie Al 330, producător Isotech, Isothermal Technology Limited, este utilizată la reproducerea temperaturii de 660,323 °C. Celula conține aluminiu cu o puritate de 99,9999 %. Înălțimea coloanei de metal este de 200 mm ± 5mm. Variația temperaturii datorate efectului hidrostatic, declarată de producător este de 0,0016 mK per mm. Incertitudinea extinsă este de 1,1 mK.

Laboratorul Mărimi Termice și Umiditate deține și celula pentru realizarea punctului de solidificare al argintului, Ag, model 17673, număr de serie Ag 154, producător Isotech, Isothermal Technology Limited. Este utilizată pentru a reproduce temperatura de 961,780 °C Celula conține argint de puritatea 99,9999 %. Înălțimea coloanei de metal este de 200 mm ± 5mm. Variația temperaturii datorate efectului hidrostatic, declarată de producător este de 0,0054 mK per mm. Incertitudinea extinsă este de 2,0 mK.

De asemenea, Laboratorul Mărimi Termice și Umiditatedeține mai multe celule ale punctului triplu al apei, și anume: model 5901D-Q, nr. D-Q1040, model 5901C-G, nr. C-G2061, model 59C-G, nr. C-G2062, toate fiind produse de Fluke Corporation. Cu ajutorul acestor celule se realizează temperatura punctului triplu al apei 0,01 °C (273,16 K). Aceste celule au fost produse din apă oceanică de înaltă puritate, degazificată. Compoziția izotopică, δD și δ18O are o deviație de la soluția standard V-SMOW, nu mai mare de 10 ‰ și respectiv, 1,5‰. Variația de temperatură datorată deviației de la V-SMOW este estimată a fi 7 µK (0,007 mK). Incertitudinea declarată de producător nu depășește valoarea de 0,0001 °C cu o reproductibilitate de 0,00002 °C.

Preluarea, conservarea și trensmiterea unității de măsură a temperaturii este realizată cu ajutorul termometrelor cu rezistență din platină. Unul dintre acestea este termometrul cu rezistență din platină etalon, model 5681, numărul de serie 1618, produs de Fluke Corporation. Elementul sensibil este fabricat din fire de o puritate foarte înaltă. Rezistența TRP la temperatura punctului triplu al apei (pentru curentul 0 mA), măsurată înainte și după procedura de recoacere cu o durată de 100 ore la temperatura de 675 °C, a fost 25,40451 ohmi și respectiv, 25,40450 ohmi. Incertitudinea la punctul triplu al argonului este de 1,0 mK, în punctul triplu al mercurului – 0,8 mK, în PTA – 0,5 mK, în punctul de solidificare al Sn – 1,5 mK, în punctul de solidificare al Zn – 1,8 mK, în punctul de solidificare al Al – 3,0 mK.

Citirea și transmiterea datelor primare este efectuată cu ajutorul punții de înaltă precizie, model microK 125, număr de serie 40614/1, producător Isotech. Puntea este dotată cu 3 rezistori etalon interni, cu valoarea de 400,0027 Ω, 99,99617 Ω și 24,99905 Ω, măsurarea în unități de rezistență este însoțită de incertitudinea de 0,15 ppm. Măsurarea tensiunii cu această punte se realizează cu o incertitudine nu mai mare de 0,5 µV.

Laboratorul Mărimi Termice și Umiditate, a fost și este încadrat în comparări internaționale pe domeniul temperaturii, astfel demonstrând în permanență performanțele echipamentului din componența etalonului, precum și competența personalului ce îl exploateză. După finalizarea a mai multor comparări regionale și internaționale, Laboratorul Mărimi Termice și Umiditate are publicate tabele CMC, și anume 69 poziții pe domeniul temperaturii. Aceste poziții reflectă capabilitățile de măsurare a laboratorului, respectiv echivalența măsurărilor cu cele efectuate la nivel internațional, iar certificatele emise în cadrul acestor poziții sunt recunoscute la nivel internațional.

Importanța și actualitatea temei

Temperatura este mărimea fizică ce ne însoțește în permanență, o multitudine de procese presupun activități însoțite de valori concrete ale acestei mărimi, de asemenea există o mare varietate de domenii în care măsurarea corectă a temperaturii are un rol esențial. Dacă analizăm procesul de prelucrare a analizelor medicale, menținerea probelor la temperaturi stabile și concrete asigură siguranța probelor, de asemnea în procesul de prelucrare a acestora temperatura poate influența considerabil rezultatul final, iar în domeniul medicinei uneori o singură cifră poate schimba totul. Același lucru îl putem menționa despre producerea medicamentelor și depozitarea lor, laboratoarele de orice tip, de asemenea trebuie să dețină mijloace de măsurare a temperaturii foarte precise.

Corectitudinea și precizia măsurărilor este asigurată de procesul de etalonare a mijloacelor de măsurare, prin intermediul acestei activități are loc preluarea și transmiterea unității de măsură de la etalonul ierarhic superior, etaloanelor de lucru și altor mijloace de măsurare. Etalonul primar al unității de temperatură este alcătuit din celulele pentru realizarea punctelor fixe de temperatură și termometre cu rezistență din platină etalon, prin intermediul cărora este preluată unitate de temperatură și transmisă etaloanelor de ordin ierarhic inferior. În acest fel se realizează trasabilitatea măsurărilor în domeniul temperaturii.

Luând în considerație precizia înaltă de menținerea a unei temperaturi concrete în interiorul celulelor pentru realizarea punctelor fixe, este foarte important să fie luate în calcul toate sursele de incertitudini asociate cu măsurările date. Cele mai importante componente ale incertitudinii obținute la etalonarea prin metoda punctelor fixe sunt incertitudinile asociate termometrelor cu rezistență din platină etalon și celulelor pentru realizarea punctelor fixe. Respectiv dacă să cercetăm și să identificăm cât mai mulți parametri caracteristici acestora, vom putea introduce corecțiile respective sau să influențăm măsurările în așa fel, ca să minimizăm influența acestora la efectuarea măsurărilor și la rezultatul final.

Scopul și obiectivele tezei

Scopul acestei lucrări constă în cercetarea parametrilor celulelor punctelor fixe de temperatură din componența Etalonului Național de Temperatură.

Pentru atingerea acestui scop vor au fost stabilite următoarele obiective:

Studierea evoluției conceptului de realizare și materializare a unității de măsură a temperaturii;

Descrierea Etalonului Național de Temperatură și a tuturor componentelor acestuia;

Descrierea procedurii de realizare a punctelor fixe de temperatură și a procedurii de etalonare prin metoda punctelor fixe de temperatură;

Efectuarea măsurărilor și determinarea parametrilor celulelor punctelor fixe de temperatură din cadrul Etalonului Național de Temperatură;

Determinarea incertitudinilor asociate parametrilor identificați;

Întocmirea unei liste de soluții de minimizare a influenței acestor parametri în procesul de etalonare.

DESCRIEREA METODEI DE ETALONARE ÎN PUNCTELE FIXE DE TEMPERATURĂ ȘI A ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ

Cosiderente teoretice privind echipamentul utilizat la măsurările efectuate în punctele fixe de temperatură

Pentru efectuarea măsurărilor din cadrul prezentei cercetări, precum și pentru realizarea etalonării termometrelor cu rezistență din platină în puncte fixe ale SIT-90, etalonării celulelor punctului triplu al apei și a celulelor punctelor fixe de temperatură sunt utilizate următoarele echipamente:

Termometre cu rezistență din platină etalon;

Celule ale punctului triplu al apei;

Celule ale punctelor fixe de temperatură.

Fiecare din echipamentele enumerate au specificul propriu, ceea ce presupune construcția, clasificarea, modul de utilizare și desigur scopul său. În continuare vor fi descrise fiecare din aceste echipamente.

Termometrele cu rezistență din platină sunt formate dintr-un element sensibil realizat din platină de înaltă puritate și din conductoare interne de prelungire (din Pt sau Au), montate într-o teacă de protecție (din sticlă sau metal). Conductoarele externe de prelungire, realizate din cupru, permit conectarea termometrelor cu rezistență din platină la mijlocul de măsurare a rezistenței electrice. Teaca de protecție este ermetică și este umplută cu aer uscat sub presiune de 2·104 Pa. [7]

Fig. 2.1 Exemple de PRT etalon.

a) TRP cu R0 = 25 Ω; b) TRP cu R0 = 0,25 Ω; c) TRP cu R0 = 2,5 Ω [7]

A – teaca de protecție;

B – fire din platină;

C – punctele de conexiune dintre conductoarele din platină și cele de legătură;

D – izolația punctului de conexiune.

TRP cu teci de protecție transparente pot fi afectate de lumina naturală sau artificială, din această cauză, suprafața exterioară a tecii este, în general, înnegrită pentru a inhiba acest efect.

Termometrele cu rezistență din platină etalon se clasifică în conformitate cu SM GOST 8.558 și GOST 30679 în TRP de ordinul I și TRP de ordinul II.

În dependență de intervalul de măsurare a temperaturii TRP sunt:

-TRP pentru temperaturi joase de la -260 °C până la 100 °C;

-TRP pentru temperaturii medii de la 0 °C până la 660 °C;

-TRP pentru temperaturii înalte de la 420 °C până la 1084 °C. [8]

În dependență de rezistența nominală TRP pot fi:

-25; 50; 100 Ω – TRP pentru temperaturi medii;

-10; 25; 50 Ω – TRP pentru temperaturi medii și joase;

-0,25; 0,6; 1,0; 2,5 Ω – TRP pentru temperaturi înalte.

Tabelul 2.1 Instabilitatea TRP [9]

TRP sunt echipamente utilizate la preluarea, conservarea și trensmiterea unității de măsură a temperaturii.

O importanță deosebită pentru efectuarea măsurărilor în puncta fixe, o reprezintă celulele punctului triplu al apei. Acest punct fix este considerat de bază în utilizarea metodei respective. După efectuarea măsurărilor în fiecare din punctele fixe utilizate în cadrul etalonării, se efectuează măsurări în PTA, respectiv, aceast echipament prezintă importanță deosebită în realizarea corectă a etalonărilor și cercetărilor în domeniul punctelor fixe de temperatură.

Temperatura PTA depinde de abundențele relative ale izotopilor de hidrogen și oxigen prezente în eșantionul de apă folosit și acest efect este una dintre sursele majore de abateri observate între diferitele realizări ale PTA. În urma recomandărilor Grupului de Lucru al CCT ca definirea kelvinului să se facă prin specificarea compoziției izotopice a apei care este utilizată în celulele PTA și să se adopte drept concentrație izotopică a unei celule ideale pentru punctul triplu al apei valorile absolute ale rapoartelor de izotopi specifice materialului de referință V-SMOW, definiția kelvinului este:

Punctul triplu al apei este definit ca punctul liquidus al unei celule de punct triplu cu o fracțiune neglijabilă de vapori și conținând apă chimic pură având compoziția izotopică de 0,00015576 moli de 2H per mol de 1H, 0,0003799 moli de 17O per mol de 16O și 0,0020052 moli de 18O per mol de 16O. (în anul 2018, a fost Kelvinul a fost redefinit) [10]

Această compoziție este cea a materialului de referință al Agenției Internaționale de Energie Atomică „Vienna Standard Mean Ocean Water (V-SMOW)” recomandat de Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) în „Atomic Weights of the Elements: Review 2000”. Abaterile izotopice ale V-SMOW de la SMOW sunt neglijabile dacă sunt exprimate în variația echivalentă a temperaturii PTA. [11]

Izotopii sunt atomi ai aceluiași element ale căror nuclee sunt formate din același număr de protoni, dar care diferă prin numărul de neutroni, adică au sarcini egale, dar masele sunt diferite. Izotopii instabili sau radioactivi (radioizotopii) sunt nuclizi care se dezintegrează spontan în timp pentru a forma alți izotopi. Izotopii stabili sunt nuclizi care nu se dezintegrează în alți izotopi, dar pot fi produși prin dezintegrarea unor izotopi radioactivi. [10] Din considerente de ordin practic, compoziția izotopică a unei substanțe nu se specifică prin raportul izotopic al eșantionului, Rest, ci prin abaterea acestuia față de raportul izotopic al unui anumit material de referință, Rref, de compoziție cunoscută:

(1) [11]

Din cauza că, valoarea mărimii „delta”, δ, este, în general, mică, ea este exprimată în „‰” („la mie”, echivalent cu 10-3). Valoarea lui δ pentru referința folosită este definită ca fiind nulă.

Cele două elemente care compun apa: hidrogenul și oxigenul, prezintă un anumit număr de izotopi, concentrația acestora variază semnificativ în apele naturale. În cazul hidrogenului, izotopul principal, de masă 1 (1H sau protiu), există în hidrosferă cu o abundență masică de 99,985% și este însoțit de 0,015 % izotop greu, de masă 2 (2H sau D deuteriu). Un izotop al hidrogenului încă și mai greu, de masă 3 (3H sau T tritiu), este un izotop radioactiv, cu o perioadă de înjumătățire de 12,32 ani. În cazul oxigenului, izotopul principal, de masă 16 (16O), având o abundență masică în hidrosferă de 99,759%, coexistă cu doi izotopi grei și stabili, de mase 17 (17O) și, respectiv, 18 (18O), ale căror abundențe masice sunt de 0,037% și, respectiv, 0,20 %. [11] Rapoartele de cantitate de substanță care caracterizează compoziția izotopică a unui eșantion de apă sunt exprimate, prin convenție, ca abateri față de materialul de referință:

(2) [10]

Compoziția izotopică a apei din celulele PTA depinde în mod esențial de:

originea apei și, astfel, de fracționarea izotopică produsă în apele naturale;

fracționarea izotopică produsă în procesul de fabricație a celulelor (distilare, degazare);

fracționarea izotopică produsă în interiorul celulelor, în cursul utilizării lor.

În Tabelul 2.2 sunt prezentate temperaturile punctului triplu pentru apă având diferite compoziții izotopice.

Tabelul 2.2 Temperatura PTA pentru diferite compoziții izotopice [11]

În natură, fracționarea izotopilor apei se produce în timpul unor procese fizice cum ar fi, evaporarea și condensarea. Ca rezultat al fracționării izotopice, apele dezvoltă compoziții izotopice unice, care pot da indicații despre locul de unde provin și despre procesele prin care au fost formate. Apa oceanică, precipitațiile, gheața polară și vaporii de apă din atmosferă au compoziții izotopice diferite, valorile δD, δ18O și δ17O având o corelație puternică. Concentrația de izotopi de 2H(D) în apele naturale reprezintă o funcție liniară de concentrația de izotopi de 18O:

(3) [11]

Există, de asemenea, o corelație între concentrațiile de izotopi 17O și 18O și aceasta este exprimată prin:

(4) [11]

Se poate astfel ușor de aflat ce compoziție de izotopi de hidrogen are apa, dacă știm ce compoziție de izotopi de oxigen are și invers.

La fabricarea celulelor PTA, apa din celule trece procesul de fracționare prin distilare și degazare. Prin procesul de distilare se micșorează cantitatea de izotopi grei în vaporii de apă rezultați. Măsura în care acest fenomen se produce, depinde de numărul de trepte de distilare și de temperatura de distilare. Pe de altă parte, procesul de degazare îmbogățește în izotopi grei apa din celula PTA, îmbogățirea fiind dependentă de durata procesului și de temperatura de degazare. Rezultă de aici că aplicarea unor proceduri speciale (cum ar fi, de exemplu, un proces extins de degazare) poate aduce compoziția izotopică a apei la valori apropiate de cea de referință, V-SMOW. [10] Fracționarea izotopică a apei are loc și în timpul utilizării unei celule PTA. În general, pentru izotopii hidrogenului, factorul de fracționare (de echilibru) D/1H între apă și gheață la 0,01 șC este de aproximativ 1,020, însă formarea manșonului de gheață cu viteze tipice de creștere într-o celulă de punct triplu reprezintă un efect de fracționare semnificativ mai coborât.

Factorul de fracționare (de echilibru) pentru izotopii oxigenului, 18O/16O, între apă și gheață la 0,01 șC este aproximativ 1,0035, acesta prezintă un efect mult mai mic asupra temperaturii PTA decât factorul de fracționare (de echilibru) pentru izotopii hidrogenului. Îmbogățirea gheții cu izotopi grei duce la sărăcirea corespunzătoare a apei din celulă. Teoretic, variația maximă a temperaturii realizate cu o celulă în echilibru termodinamic este de aproximativ 12 μK, în funcție de proporția relativă dintre gheață și apă, realizate în celulă. În practică, acest efect este diminuat din următoarele cauze:

deși dezvoltarea manșonului de gheață are loc în decursul a mai multor ore, creșterea interfeței este prea rapidă pentru ca fracționarea să atingă valoarea sa de echilibru;

în mod obișnuit, proporția de gheață nu depășește 50 % din eșantionul total de apă din celulă.

În general, temperatura PTA în celule care nu au fost sărăcite sau îmbogățite în mod special este mai mică decât temperatura punctului triplu al V-SMOW cu o valoare cuprinsă între 20 μK și 110 μK, în funcție de sursa de apă și de metoda de fabricare a celulei. [10] Dispersia abaterilor observate fiind destul de largă, pentru determinarea cu o incertitudine cât mai mică a temperaturii PTA realizat cu o celulă particulară este necesară analiza compoziției izotopice a apei din interiorul celulei.

Pentru minimizarea componentei incertitudinii datorate compoziției izotopice, analiza izotopică trebuie să fie efectuată direct în apa activă (adică apa care a fost etanșată în celulă). [11]

Celulele punctului triplu al apei pot fi clasificate după următoarele criterii:

După tipul constructiv: A și B (figura 2.2).

După materialul celulei: cuaț și pirex.

În măsura în care o celulă PTA asigură o adâncime de imersie adecvată pentru termometre, forma și dimensiunile sale nu sunt critice. În general, o celulă are una din formele prezentate în Figura 2.2, care nu diferă esențial una de cealaltă. Celula reprezintă un cilindru din sticlă pyrex sau din cuarț, închisă etanș, care, la temperatura punctului triplu, conține gheață, apă, și vapori, toate de înaltă puritate și având compoziția izotopică a apei oceanice. Un tub coaxial interior este sudat de corpul celulei și în el se introduce termometrul ce urmează să fie etalonat.

Celula de tip A este prevăzută cu un braț de extindere, acesta este folosit pentru estimarea cantității de aer rezidual din celulă.

Conform SIT – 90, PTA este temperatura unică la care fazele solidă, lichidă și gazoasă ale apei coexistă în echilibru termic. PTA este cel mai important PF de definiție.

În intervalul de temperaturi definit cu ajutorul termometrelor cu rezistență din platină și cuprins între 13,8033 K și 961,78 șC, temperaturile fiind determinate în funcție de raportul W(T90) dintre rezistența electrică R(T90) la o temperatură T90 și rezistența electrică RPTA la temperatura PTA.

(5) [3]

Din această relație devine evident că orice incertitudine în realizarea și măsurarea în PTA este propagată direct în întreg intervalul de temperaturi cuprins între 13,8033 K și 961,78 șC. Dacă la temperaturi sub 0 șC, efectul unei erori de măsurare la PTA asupra raportului W(T90) este relativ redus, la temperaturi mai mari de 0 șC, efectul se amplifică de câteva ori (de exemplu, o eroare de măsurare la PTA de 1 mK determină o eroare de aproximativ 4,2 mK la punctul de solidificare al argintului). Prin urmare, realizarea cu cea mai înaltă exactitate a PTA este extrem de importantă, atât pentru etalonări și măsurări curente, cât și pentru definirea Scării termodinamice de temperatură.

Temperatura de referință obținută într-o celulă PTA (Figura 2.3) este temperatura stării de coexistență în echilibru a fazelor solidă, lichidă și gazoasă a apei. PTA se realizează ușor cu exactitate ridicată, este bine reproductibil și se conservă fără dificultate un timp îndelungat.

Temperatura măsurată cu termometrul, trebuie să fie temperatura de echilibru a celor trei faze, solidă, lichidă și gazoasă a apei din celulă, cât mai puțin perturbată de fluxurile termice parazite și de efectele impurităților reziduale. Forma cilindrică a celulelor, cu tubul central în care se plasează termometrul, este primul pas spre atingerea acestei cerințe. Următorul pas îl reprezintă realizarea unui contact termic cât mai bun între termometru și PTA, adică echilibrul termic între gheață, vapori și apă lichidă. Contactul este cel mai bine realizat prin formarea unui manșon de gheață, a cărui suprafață exterioară reprezintă prima interfață gheață – apă, în jurul tubului central, în care se plasează termometrul, și prin topirea unui strat subțire de gheață în imediata vecinătate a acestuia – a doua interfață apă – gheață, care este în contact termic cu termometrul.

Prin această metodă, existența unor temperaturi mai coborâte la exteriorul manșonului, în masa de apă din celulă, nu influențează temperatura măsurată cu termometrul. Fluxurile termice care ar fi provocate de gradienții radiali de temperatură ar determina topiri sau solidificări la interfața interioară apă – gheață, fără să-i modifice semnificativ temperatura. În plus, procesul de solidificare purifică apa din celulă, când se formează un cristal de gheață, acesta tinde să respingă impuritățile solubile. Din această cauză, formarea manșonului de gheață trebuie să înceapă de la peretele tubului central și să se desfășoare lent spre peretele exterior al celulei. În acest mod, impuritățile se concentrează în masa de apă lichidă din celulă. Aceste concentrații de impurități coboară temperatura suprafeței exterioare a manșonului de gheață. În schimb, stratul de lichid format prin topirea parțială a manșonului de gheață din jurul tubului central va fi mult mai pur decât apa din restul celulei și poate fi mai pur chiar decât era apa din celulă înainte de solidificare.

Majoritatea factorilor de influență asupra PTA, conduc la micșorarea temperaturii materializate. Influențele pot fi minimizate prin măsuri adecvate, constructive sau de operare, sau pot fi doar evaluate. Cei mai importanți factori care influențează temperatura PTA sunt:

rezistența termică dintre interfața apă-gheață și termometru;

impuritățile nevolatile;

gazul rezidual;

compoziția izotopică a apei;

dezvoltarea de tensiuni mecanice în manșonul de gheață;

relipirea manșonului de gheață de tubul central;

schimbul de căldură dintre interfața apă-gheață și mediul înconjurător celulei PTA;

încălzirea prin efect Joule a termometrului;

presiunea hidrostatică a coloanei de apă. [11]

Pentru a reduce rezistența termică dintre interfața apă-gheață și termometru, diametrul interior al celulei trebuie să fie cât mai apropiat ca dimensiune de diametrul exterior al termometrului plasat în interiorul său. Ca urmare, celule existente au diametrele interioare cuprinse între 8 mm și 14 mm.

Un alt factor extrem de important în construcția unei celule de calitate, îl reprezintă minimizarea concentrației de aer rezidual din celulă. Teoretic, o celulă PTA conține doar vapori de apă, practic însă, majoritatea celulelor conțin o anumită cantitate de aer rezidual, care rămâne în apă și este dificil de eliminat. De aceea, în timpul construcției celulelor, o atenție deosebită se acordată eliminării aerului rezidual din interior. Mai întâi, celulele sunt vidate timp de câteva ore pentru a degaza suprafața interioară a pereților din sticlă, după umplerea cu apă purificată, celulele sunt încălzite până la temperatura de fierbere a apei, atunci, tubul pentru vidare se închide etanș cu flacără și, astfel, în spațiul liber de deasupra suprafeței apei rămân numai vaporii rezultați prin fierberea apei.

Prezența și mărimea procentului de aer din celulele de tip A este verificată printr-o procedură simplă, în care mânerul celulei este folosit pe principiul jojelor de presiune inventate în 1874 de H. G. McLeod. Cu celula inițial în poziție verticală, se înclină ușor celula, pentru „a prinde în capcană” gazul rezidual (Figura 2.4(a)). Când axa cilindrului ajunge în poziție orizontală și apa lovește peretele celulei, în acest moment se aude un sunet intens, caracteristic efectului „lovitură de ciocan”.

Sunetul provine din comprimarea bulei de vapori, în absența aerului care ar amortiza această lovitură. Un sunet mai intens indică o cantitate mai mică de gaz rezidual, iar un sunet mai puternic se produce când celula este la o temperatură apropiată de 0°C, deoarece la temperaturi mai joase crește solubilitatea aerului în apă și descrește presiunea de vapori.

Se continuă înclinarea celulei până la poziția verticală (Figura 2.4 (b)), când gazul este prins în întregime în mâner. Presiunea coloanei de apă crește, ceea ce face ca vaporii să condenseze. Bula care rămâne este datorată aproape exclusiv aerului rezidual din celulă. Cu o celulă performantă, bula ar trebui să se comprime până la un volum de maximum 0,3 cm3 sau chiar să dispară, sub greutatea coloanei de apă.

Folosind legea lui Boyle, se poate calcula presiunea inițială a gazului din celulă, pi, pe baza volumului inițial ocupat de gaz, vi, a presiunii finale, reprezentată de presiunea hidrostatică a coloanei de apă din celulă:

(6) [11]

și a volumului final ocupat de gazul comprimat, vf, dat de dimensiunile bulei izolate în mâner:

(7) [11]

În cazul celulelor de tip B, procedura de verificare a prezenței aerului în celulă este similară. Celula este înclinată ușor cu tubul de etanșare ținut în jos (Figura 2.4 (c)), pentru „a prinde” aerul și vaporii de apă. Continuând înclinarea celulei, presiunea apei comprimă bula de gaz și poate determina condensarea vaporilor de apă. Ca urmare, în bulă rămâne numai aer rezidual (Figura 2.4 (d)). În practică însă, presiunea hidrostatică a coloanei de apă care comprimă bula de gaz din tubul de etanșare nu este mai mare decât presiunea de vapori, ca urmare, bula de gaz poate conține și vapori de apă. De aceea, pentru estimarea presiunii aerului rezidual din celulele de tip B, se recurge la testul „loviturii de ciocan”.

În cadrul utilizării metodei punctelor fixe de definiție, se utilizează celule pentru realizarea punctelor fixe, din punct de vedere constructiv în celulele de solidificare și topire se utilizează metale foarte pure amplasate în celule etanșe (de tip închis) sau celule de tip deschis.

Celulele de tip închis sunt etanșate în timpul fabricării și deci presiunea internă (spre deosebire de celule de tip deschis) nu poate fi controlată sau măsurată în timpul utilizării.

Descrierea metodelor de realizare a punctelor fixe de temperatură din cadrul Etalonului Național de Temperatură

Realizarea punctelor fixe de temperatură reprezintă un proces specific, format dintr-un set de acțiuni, care diferă în dependență de tipul punctului fix.

După cum a fost menționat anterior, există mai multe tipuri de puncte fixe, și anume: puncte de solidificare, puncte de topire și puncte triple. Fiecare punct fix are metodologia proprie de realizare. În continuare vor fi descrie procedurile de realizare a fiecărui tip de puncte fixe din componența Etalonului Național de Temperatură.

Realizarea punctelor de solidificare ale In, Sn, Zn, Al, Ag:

Se introduce un termometru cu rezistență din platină în canalul termometric a celulei etanșe;

Se setează temperatura cuptorului la o valoare cu 5 °C mai mică de temperatura punctului fix;

Se menține cel puțin 4 ore, după atingerea valorii setate (stabilizarea temperaturii în cuptor și celulă);

Termometrul cu rezistență din platină este ridicat cu 180 mm mai sus de fundul celulei și se înregistrează temperatura peste fiecare 50 mm, după fiecare mișcare și înainte de fiecare măsurare este necesar de a aștepta 2 minute pentru stabilizare. Gradientul vertical de temperatură a celulelor etalon nu depășește 0,05 °C.

Eroarea absolută a indicatoarelor cuptorului nu este atât de importantă. Cu toatea acestea este necesar de a fi verificate pentru a se cunoaște abaterea de la valoarea nominală, utilizând un TRP etalonat. Indicatoarele trebuie să fie corectate cu luarea în considerație a gradientului de temperatură primit în timpul realizării punctului fix. Precizia indicatorului trebuie să fie verificată după topirea completă a metalului la realizarea punctrului fix.

Fig. 2.5 Realizarea temperaturii de solidifcare

Se setează temperatura cuptorului la o valoare a temperaturii cu 2 °C mai mare ca temperatura PF (se lasă pe noapte), sau cu 5 °C mai mare pentru câteva ore;

După obținerea palierului de topire (metalul este topit), se schimbă temperatura cuptorului până la temperatura cu 2 °C mai mare de ce a PF și se așteaptă stabilizarea ei timp de 2 ore;

Se setează temperatura cuptorului cu 3 °C mai mică decât temperatura PF, cu o rată de scădere a temperaturii 0,1 °C/minut;

Când recalescența este observată TRP este scos din canalul termometric și este introdusă o tijă rece de cuarț pentru 1 minut (In, Zn) și 2 minute pentru Sn (se crează solidificare dublă);

Se setează cuptorul la o temperatură cu 1 °C mai mică de cea a PF;

Pentru Sn, la care recalescența este mare (circa 1,5 °C) este necesar de imersat două tije de cuarț pentru a crea dubla solidificare cu menținerea fiecărei câte aproximativ 2 minute; [12]

TRP este introdus în canalul termometric și după atingerea echilibrului termic (circa 1 oră) pot fi efectuate măsurările.

Realizarea punctului de topire a galiului:

Imersarea a 1/3 din celulă în gheață fărămițată pentru 30 minute;

Se imersează 2/3 din celulă celulă în gheață fărămițată pentru 30 minute;

După aceasta se imersează și restul celulei în gheață fărămițată pentru 30 minute;

Se introduce TRP în canalul termometric a celulei etanșe;

Se umple canalul termometric al celulei cu ulei de silicon (în cazul că uleiul de silicon este utilizat drept lichid pentru incinta termostată) sau apă distilată;

Se setează temperatură băii cu 0,5 °C sub punctul de topire pentru cel puțin 30 minute (temperatura în termostat fiind de 29,26 °C);

Se modifică temperatura băii cu 1 °C mai mare decât punctul de topire și se menține timp de 20 minute;

Se introduce un încălzitor de 8 W (poate fi o tijă de cuarț) în canalul termometric pentru 4 minute;

Se setează temperatura incintei termostatate cu 0,1 °C mai mare decât temperatura PTGa;

TRP este introdus în canalul termometric și după atingerea echilibrului termic (circa 1 oră) pot fi efectuate măsurările.

Realizarea punctului triplu al mercurului:

Pentru realizarea punctului triplu al mercurului pot fi utilizate atât metoda solidificării, cât și metoda topirii. Realizarea punctului triplu al mercurului prin metoda topirii este mai ușoară în aplicare și durata palierului este mai mare, din aceste motive, este recomandată realizarea punctului triplu la topire;

Se umple canalul termometric al celulei cu alcool, apoi celula este plasată în termostatul utilizat la realizarea punctului triplu;

Se introduce un TRP în canalul termometric al celulei;

Se setează la termostat temperatura de -45 °C, pentru a îngheța mercurul din celulă, se menține temperatura respectivă pentru stabilizarea completa a temperaturii și respectiv, înghețarea completă a mercurului;

După stabilizare, se setează termostatul la temperatura de -40 °C și se menține la temperatura respectivă până la stabilizare;

Se verifică temperatura reală în termostat cu ajutorul TRP introdus în celulă, se calculează temperatura de offset a termostatului și la necesitate, se introduce corecția la setările ulterioare;

Temperatura termostatului este setată cu 0,05 °C mai mare ca temperatura punctului triplu, respectiv, -38,78 °C (calculul fiind, -38,8344 °C + 0,05 °C);

TRP este scos din canalul termometric al celulei și este plasat în orificiul din termostat de lângă celulă;

Este provocată trecerea în starea lichidă a mercurului prin introducerea în canalul termometric a unie tije din cuarț sau a unui tub închis, la temperatura mediului ambiant, în canalul termometric pentru 3 minute. Prin această acțiune se realizează ”topirea dublă”; [12]

După efectuarea acestor etape, se lasă celula pentru atingerea echilibrului termic pe o perioadă de 30 minute, după care se verifică tempeperatura în celulă;

La constatarea echilibrului termic, pot fi începute măsurările.

Realizarea punctului triplu al apei:

Se curăță tubul central al celulei PTA,se scoate orice corp solid, se spală tubul interior cu alcool pentru eliminarea resturilor de apă, se scurge lichidul și se usucă bine;

Celula PTA este răcită cel puțin 24 ore într-o baie cu gheață sau termostat, care a fost setat la o temperatură apropiată punctului triplu al apei. Răcirea prealabilă a celulei favorizează crearea unui manșon de gheață uniform;

Realizarea PTA poate fi efectuată prin două metode: cu zăpadă cardonică (CO2 solid) și cu azot lichid. În cadrul LMTU, PTA este realizat prin utilizarea zăpezii carbonice, în continuare va fi descris procesul de realizare al PTA cu CO2 solid;

Tubul central al celulei se umple uniform cu zăpadă carbonică până la suprafața apei din celulă, în câteva clipe începe solidificarea treptată a apei din celulă în jurul tubului interior;

Nivelul de zăpadă carbonică din tubul central, scade datorită sublimării, din acest motiv este necesar de menținut nivelul CO2 solid în tub, pentru realizarea unui manșon cât mai uniform de gheață;

O mare atenție trebuie oferită suprafeței libere a apei din celulă, în această regiune se formează o ”punte de gheață” între tubul pentru termometru și peretele celulei, acest strat de gheață trebuie topit imediat, pentru a evita spargerea celulei. Această ”punte” poate fi topită cu ajutorul încălzirii cu mâinile a acestei regiuni;

Când manșonul de gheață atinge grosimea dorită, se elimină toate resturile de CO2 solid din tub, după ce se imersează celula în baie cu gheață sau termostat. Grosimea reală a manșonului de gheață poate fi estimată prin răsturnarea lentă a acesteia;

Pentru a asigura un trensfer termic corespunzător, tubul celulei se umple cu alcool.

După îndeplinirea etapelor menționate mai sus, obținem coexistența concomitentă a trei faze, solidă, lichidă și gazoasă în celulă. Însă pentru a începe măsurările, nu este suficient acest lucru, în continuare se îndeplinesc anumite condiții necesare pentru efectuarea unor măsurări cât mai precise și de o calitate înaltă.

După realizarea manșonului de gheață, temperatura în celulă este mai coborâtă cu aproximativ 0,5 mK și crește treptat, până la atingerea echilibrului termic. Cauzele apariției acestei suprarăciri nu sunt stabilite cu certitudine, dar se presupune că acestea pot fi datorate existenței impurităților, tensiunilor mecanice, ce se produc la solidificare. În cazul în care, formarea gheții este rapidă, segregarea de impurități nu are loc, iar concentrația de impurități în gheață și în lichidul inițial, va fi aceeași. Însă, pe măsură ce manșonul de gheață devine mai mare, formarea gheții încetinește și are loc segregarea impurităților (gheața respinge impuritățile, care se concentrează în apa din celulă). Respectiv, dacă în jurul tubului central, va fi format un manșon de gheață de 50% din volumul apei, conținutul de impurități în apa rămasă, se va dubla. [10]

Pe parcursul realizării manșonului de gheață, din cauza variației permanente a temperaturii gheții pe lângă tubul interior, de la temperaturi mult mai joase de temperatura PTA, la temperatura de echilibru a punctului triplu, în gheață se dezvoltă tensiuni mecanice. Aceste tensiuni se eliberează în timp, din acest motiv, celula trebuie să fie menținută cel puțin 24 ore înaintea începerii măsurărilor. Prentru realizarea de cea mai înaltă precizie a temperaturii PTA, manșonul de gheață, ar trebui să fie pregătit cu cel puțin o săptămână înainte ca celula să fie utilizată.

Pentru a micșora rezistența termică, trebuie create două interfețe apă-gheață în celulă. Prima interfață este prezentă imediat după crearea mantiei de gheață, iar a doua interfață trebuie creată în imediata apropiere de tubul central. Pentru a crea cea de-a doua interfață solid-lichid, interfața de definire a punctului triplu, se eliberează manșonul de gheață de pe suprafața exterioară a tubului interior al celulei. [10] Pentru abținerea acesteia, gheața adiacentă tubului trebuie topită ușor prin imersarea în interiorul tubului a unei tije la temperatura camerei, timp de 1 minut. La expirarea acestei perioade de timp, tija se elimină din tub și se verifică existența celei de-a doua interfețe. Testarea se face prin aplicarea unei micări ușoase de rotație celulei: mantia de gheață din celulă trebuie să se rotească liber în jurul tubului central.

După trecerea unui anumit timp de la crearea celei de-a doua interfețe, mantia de gheață se poate lipi din nou de tubul central, zona în care manșonul de gheață este în contact cu partea exterioară a tubului central este mai rece și o parte din apa de la interfață se poate solidifica, creând alipirea manșonului de tub. Din acest motiv, existența interfeței apă-gheață adiacentă tubului central trebuie să fie verificată de fiecare dată când se utilizează celula și testarea trebuie să fie repetată permanent pe parcursul efectuării măsurărilor.

O altă metodă de formare a manșonului de gheață constă în imersarea în lichidul pentru transfer termic (de regulă, alcool etilic) – plasat în tubul central al celulei – a unei tije metalice răcite în azot lichid (aproximativ – 196șC); sunt necesare câteva imersări succesive pentru a rezulta un manșon uniform cu grosimea de 6 – 8 mm. Datorită temperaturii foarte scăzute a tijei răcite în azot lichid, în manșonul de gheață se creează tensiuni mecanice mari, care afectează valoarea temperaturii materializate. Totuși, indiferent de metoda de solidificare folosită, după trei zile, temperatura manșonului de gheață rezultat nu va fi diferită de temperatura unui manșon produs prin cealaltă metodă cu mai mult de 0,1 mK. După aproximativ o săptămână, diferența va fi de maximum 0,03 mK, iar după 11 zile, diferența va fi insesizabilă. De aceea, celulele pregătite prin a doua metodă trebuie să fie conservate (îmbătrânite) timp de 2-3 săptămâni înaintea începerii măsurărilor.

Pentru ca manșonul de gheață să nu se topească suplimentar la introducerea termometrului în celulă, înaintea începerii măsurărilor, termometrul trebuie să fie răcit într-o eprubetă cu apă plasată în baia cu gheață. Apoi termometrul se imersează în lichidul de contact din tubul central al celulei și se așteaptă cel puțin 20 minute pentru atingerea echilibrului termic.

Descrierea procedurii de etalonare prin metoda punctelor fixe de temperatură

Procedura de etalonare, PE 3.4/08 Etalonarea termometrelor cu rezistență din platină prin metoda punctelor fixe, documentează activitățile desfășurate la etalonarea termometrelor cu rezistență din platină etalon în intervalul de temperaturi de la -38.8344°C până la 961,78°C. Procedura are ca scop prezentarea metodelor de etalonare, a mijloacelor utilizate la etalonarea SPRT, precum și prelucrarea și raportarea rezultatelor măsurărilor. Procedura de etalonare se aplică la etalonarea SPRT prin metoda punctelor fixe în conformitate cu SIT-90. La solicitare, PE poate fi aplicată și la etalonarea termometrelor cu rezistență din platină industriale de o precizie ridicată, ce corespund condițiilor de imersie în punctele fixe.

Etalonarea TRP se efectuează prin metoda punctelor fixe în conformitate cu SIT – 90. Temperaturile T90 sunt determinate în funcție de raportul W(T90) dintre rezistența TRP la temperatura T90, R(T90) și rezistența sa RPTA în punctul triplu al apei:

(8) [3]

Deoarece toate TRP sunt realizate din platină de înaltă puritate și au caracteristici foarte asemănătoare, este suficient să se determine abaterea raportului W(T90) de la o valoare de referință. Caracteristica de gradare a TRP se determină ca funcția abaterii rezistenței relative a TRP, ΔW(T), de la funcția standard a SIT-90, Wr(T90):

(9) [3]

unde:

Wr(T90) – este o funcție polinomială ce exprimă etalonarea unui TRP de referință (teoretică);

ΔW(T90) – este o funcție cu o formă generală, însă valorile coeficienților săi sunt specifice TRP supus etalonării și sunt determinate din măsurările la punctele fixe.

SIT-90 cuprinde intervale și sub-intervale de temperatură, în fiecare dintre acestea existând o definiție a temperaturii T90. Unele dintre aceste intervale și sub-intervale se suprapun și, în intervalele de suprapunere, coexistă definiții distincte: aceste definiții sunt echivalente și nici una nu este preponderentă.

Pentru intervalul de temperaturi până la valoarea PTA, funcția de referință este:

(10) [3]

Echivalentul ei, în limitele 0,1 mK, este funcția inversă:

(11) [3]

Funcția abatere este:

(12) [3]

Pentru intervalul de temperaturi cuprins între 0 °C și punctul de solidificare al argintului (961,78 șC), funcția de referință este:

(13) [3]

Echivalentul ei, în limitele 0,08 mK, este funcția inversă:

(14) [3]

Funcția abatere este:

(15) [3]

Valorile constantelor Aj, Bj, Cj și Dj sunt prezentate în tabelul 4 din SIT-90, și respectiv valorile au fost indicate în tabelul 2.3 din prezenta lucrare.

Tabelul 2.3 Constantele Aj, Bj, Cj și Dj în funcțiile de referință și inverse ale SIT-90 [13]

Valorile coeficienților a, b și c se primesc din rezultatele măsurărilor în PF. Valorile necesare ale Wr(T90) sunt prezentate în tabelul 2.4.

Tabelul 2.4 Definirea punctelor fixe de definiție ale SIT – 90

Etalonarea TRP se efectuează trecând de la valorile mai ridicate a temperaturii la cele mai mici, începând cu valoarea cea mai mare solicitată de beneficiar. După măsurarea în fiecare PF, se va face și măsurarea în PTA.

Înainte de măsurare TRP sunt imersate în cuptor la temperaturi apropiate de temperatura de realizare a PF. TRP sunt apoi introduse în celula de PF și menținute până la atingerea echilibrului termic (nu mai puțin de 15 minute), după care se realizează măsurarea rezistenței electrice (raportului rezistențelor) la doi curenți de I mA și respectiv mA. Timpul de meținere la fiecare curent trebuie să fie nu mai mic de 5 minute. Această procedură se realizează pentru determinarea efectului de autoîncălzire a TRP și de excludere a influenței acestui fenomen asupra rezultatului măsurărilor.

SIT-90 permite ca etalonările termometrelor cu rezistență din platină să fie efectuate în sub-intervale de temperatură limitate de oricare dintre punctele fixe. În aceste cazuri, se utilizează, în mod progresiv, un număr mai mic de puncte fixe. Ordinea de măsurare în puncte fixe, în dependență de intervalul de temperaturi este indicată în tabelul 2.5. Punctele fixe sunt indicate cu simbolurile elementelor chimice respective.

Tabelul 2.5 Punctele fixe de definiție ale SIT-90, intervale de etalonare și ordine de efectuare

Variația rezistenței TRP în echivalent termic, timp de 5 minute, nu trebuie să depășească ± 0,0005 °C, ceea ce indică atingerea echilibrului termic dintre TRP și metalul PF. Dacă această condiție nu se respectă atunci măsurările se efectuează atât timp, până când nu se v-a atinge echilibrul termic.

Măsurarea rezistenței electrice se efectuează în ambele direcții ale intensității curentului electric. Se înregistrează minimum 5 valori a rezistenței TRP (raportului rezistențelor) la faza de trecere, rezultatele fiind înregistrate în raportul de etalonare. De obicei inversarea sensului intensității curentului electric, este realizată automat de puntea de măsurare.

Etalonarea la fiecare punct fix este urmată de etalonarea în punctul triplu al apei (PTA), la doi curenți de măsurare. Drept valoare pentru determinarea raportului W(T90) se va lua valoarea rezistenței în PTA măsurată nemijlocit după măsurarea în PF respectiv.

După finisarea măsurărilor în PF, TRP sunt scoase și răcite în aer liber până la temperatura mediului ambiant.

La fiecare PF se recomandă efectuarea a minim a două serii de măsurări independente.

Măsurarea rezistenței implică inevitabil trecerea unui curent prin rezistor. Încălzirea Joule care se produce în rezistor și în conductorii săi, ridică temperatura acestora peste cea a mediului înconjurător și elementul sensibil va începe să disipe energia dezvoltată. Efectul intern de încălzire al unui termometru, adică diferența dintre temperatura elementului sensibil și temperatura peretelui exterior al tecii de protecție, la o temperatură dată a mediului înconjurător, depinde numai de construcția termometrului și de curentul de măsurare. Dacă în cursul utilizării termometrelor se folosește același curent de măsurare care a fost folosit la etalonare, se produce același efect intern de încălzire.

Ca regulă generală se recomandă să se limiteze curentul de măsurare astfel încât efectul de autoîncălzire să nu fie mai mare decât incertitudinea de măsurare solicitată.

Pentru eliminarea efectului de autoîncălzire produs de trecerea curentului electric prin TRP, măsurările se efectuează cu doi curenți diferiți aflați în raport de și rezultatele se extrapolează la curent zero.

(16) [7]

unde:

R0 – reprezintă valoarea rezistenței electrice extrapolate la curent zero;

R1 și R2 – rezistențele electrice măsurate folosind curenții I1 și, respectiv, I2;

– diferența dintre rezistențele electrice măsurate la curenții I1 și, respectiv, I2;

I1 și I2 – intensitatea curentului electric.

În orice calcule de înaltă exactitate, a temperaturii de echilibru a fazelor, trebuie să se i-a în considerare și efectele presiunii datorate gazului închis în celulă și presiunii hidrostatice a coloanei de substanță în faza lichidă.

Celulele utilizate în cadrul LMTU, pentru materializarea punctelor fixe de solidificare, fiind celule de tip etanș, presiunea internă nu poate fi controlată sau măsurată în timpul utilizării. Luând în considerație că presiunea de referință, pentru punctele de solidificare, este presiunea atmosferică normală (P0 = 101325 Pa), aceste celule sunt etanșate prin umplerea cu argon la o presiune egală cu P0. Rezultatul obținut, datorat diferenței de presiune, Pmăs, este necesar a fi corectat (în realitate presiunea din celulă este de obicei mai mică de P0):

(17) [14]

unde:

P0 – presiunea atmosferică normală;

Pmas – presiunea măsurată la etanșarea celulei (este dată în certificat);

dT/dP – coeficientul de variație a temperaturii cu presiunea.

Pentru punctele triple, efectul presiunii este o consecință numai a presiunii hidrostatice a lichidului din celulă.

Luând în considerație realizarea în practică a PF, în care elementul sensibil al TRP se imersează în partea inferioară a tubului central al celulei, temperatura măsurată nu reprezintă temperatura PF ci temperatura interfeței solid – lichid, la presiunea coloanei de lichid din celulă. Rezultă un gradient vertical de presiune, determinat de înălțimea lichidului deasupra elementului sensibil a TRP. Ca urmare, temperatura măsurată într-o celulă de PF trebuie să fie corectată la efectul presiunii hidrostatice, dintre suprafața lichidului, unde temperatura punctului fix este definită, și mijlocul termic al elementului sensibil. Corecția dată se reduce la cunoașterea adâncimii de imersie a traductorului de temperatură. Dacă acesta este un TRP, adâncimea de imersie reprezintă distanța dintre suprafața liberă a fazei lichide și mijlocul elementului sensibil a TRP. Variația temperaturii datorată efectului hidrostatic se determină cu relația:

(18) [14]

unde:

hlic – distanța de la capătul de jos al celulei până la suprafața metalului topit;

hTRP – distanța între mijlocul elementului sensibil și suprafața liberă a metalului din celulă;

Δhlic – creșterea pe verticală a poziției TRP față de capătul de jos a celulei;

lTRP – dimensiunile elementului sensibil.

dT/dh – coeficientul de variație cu adâncimea de imersie și astfel cu presiunea hidrostatică (Tabelul 4). Acest coeficient reprezintă panta curbei liquidus și ar trebui să fie în acord, în limitele incertitudinii de măsurare, cu valorile determinate experimental pentru distribuția temperaturii de-a lungul interfeței solid – lichid.

Pentru determinarea presiunii hidrostatice, măsurările se efectuează de jos în sus cu pasul de până la nivelul de mai jos de suprafața metalului (apei) din celulă. Pentru fiecare poziție este necesar de determinat corecția efectului de autoîncălzire.

Tabelul 2.6 Nivelul de încredere a TRP

După efectuarea tuturor măsurărilor, are loc prelucrarea rezultatelor și determinarea mărimilor ce prezintă interes în procesul de etalonare.

Mărimea care interesează la etalonarea unui termometru cu rezistență din platină este abaterea raportului rezistențelor, Wt, de la valoarea funcției standard, Wr(T90) a SIT – 90. Wt reprezintă raportul dintre rezistența electrică, Rt, măsurată la temperatura PF, altul decât punctul triplu al apei, și rezistența electrică, RPTA, măsurată la temperatura punctului triplu al apei (0,01 șC). Astfel, funcția de modelare are următoarele componente:

(19) [7]

unde:

Rt – rezistența determinată în punctul fix respectiv;

RPTA – rezistența determinată la temperatura punctului triplu al apei.

Incertitudinea standard compusă a u(Wt), poate fi determinată cu ajutorul relației, prin evaluarea tuturor contribuțiilor datorate măsurării rezistenței (raportului rezistențelor) atât în PF, u(Rt), cât și în PTA, u(RPTA):

(20) [7]

Contribuția, u(Rt), datorate măsurării rezistenței (raportului rezistențelor) în PF este:

(21) [7]

Contribuția, u(RPTA), datorate măsurării rezistenței (raportului rezistențelor) în PTA este:

(22) [7]

unde:

Rezistența (raportul rezistențelor) TRP la punctul fix Rt și RPTA. Întrucât valoarea obținută este determinată dintr-o serie de n observații repetate și independente statistic, efectuate în aceleași condiții de măsurare, avem de-a face cu o evaluare de tip A. În această situație, estimația mărimii de intrare este media aritmetică a celor n observații, iar incertitudinea standard asociată reprezintă abaterea standard experimentală a mediei aritmetice:

,K (23) [7]

Incertitudinea standard a corecției datorată impurităților din celule PF (distribuție dreptunghiulară) este:

, К (24) [7]

Incertitudinea datorată compoziției izotopice a apei din PTA (distribuție dreptunghiulară):

(25) [7]

Corecția datorată efectului de autoîncălzire, ΔRsh, se calculează reieșind din încălzirea care se produce în rezistor și în conductorii de legătură. Componenta incertitudinii datorată efectului de autoîncălzire, δRsh, depinde de corectitudinea ipotezei dependenței liniare a supraîncălzirii de putere pentru acest tip de TRP, de incertitudinea valorilor curentului electric și de rezoluția finită a punții. Evaluarea incertitudinii corecției datorate efectului de autoîncălzire, în echivalent termic, poate fi obținută pe baza abaterelor standarde maximale de măsurare a rezistenței TRP la curent de i mA și la curent de mA:

(26) [7]

unde:

și – valorile abaterilor medii pătratice a R(i) și R() – a valorilor medii aritmetice a rezistențelor TRP la curenți de i mA și mA (distribuție normală).

Incertitudinea datorată variației presiunii, δТP, din interiorul celulei PF, de la valoarea de referință (distribuție dreptunghiulară):

(27) [7]

unde:

u(Pmăs) – incertitudinea presiunii din interiorul celulei de PF;

u(dT/dP) – incertitudinea coeficientului de presiune. În practică această incertitudine este foarte mică (circa 0,2 % în PTA) și poate fi neglijată.

Incertitudinea variației temperaturii PF, δТPF/hyd și δТPTA/hyd, datorată presiunii hidrostatice (distribuție dreptunghiulară) se determină cu relația:

(28) [17]

unde:

u(dT/dh) – incertitudinea coeficientului presiunii hidrostatice. În practică această incertitudine este foarte mică și poate fi neglijată.

u(hlic) și u(hTRP) – incertitudinile de măsurare a distanțelor de la capătul de jos a celulei și respectiv de la mijlocul elementului sensibil al TRP.

Întrucât distanțele hlic și hTRP sunt determinate cu ajutorul aceleiași rigle gradate, componentele vor avea contribuții identice:

(29) [17]

unde:

– incertitudinea datorată citirii indicațiilor de către operator la măsurarea adâncimii de imersie;

– incertitudinea datorată erorii mijlocului de măsurare;

a – prețul diviziunii riglei gradate;

– eroarea absolută a riglei gradate.

Substituind toate componentele, incertitudinea datorată presiunii hidrostatice, în echivalent termic, va fi:

(30) [7]

Pentru estimarea incertitudinii standard datorate fluxurilor de căldură parazite, u(δTPF/f) și δTPTA/f, este necesar de măsurat variația rezistenței TRP la ridicarea lui în canalul termometric cu un pas de 10 mm, până la o înălțime de (30 – 50) mm față de fundul celulei. Pe baza valorilor primite se creează dependența variației temperaturii de amplasarea TRP, utilizând valoarea (dR/dT) pentru TRP în punctul fix respectiv, precum și de a crea dependența teoretică a temperaturii de efectul hidrostatic, în conformitate cu SIT – 90. Estimația corespunde abaterii maxime a temperaturii, Δtf, a dependenței experimentale de cea teoretică, la înălțimea mijlocului elementului sensibil a TRP de la capătul de jos a celulei (distribuție dreptunghiulară):

(31) [7]

Componenta incertitudinii, datorată utilizării la măsurări a rezistorului etalon, depinde de instabilitatea valorilor la variația temperaturii incintei termostatate în care este imersat rezistorul și incertitudinii sale date în certificatul de etalonare:

(32) [7]

unde:

u(RS calc) – incertitudinea dată de etalonarea rezistorului de referință, Ω;

u(tbath) – incertitudinea datorată fluctuațiilor în termostatul rezistorului etalon, Ω;

(33) [7]

unde:

Δtbath – abaterea maximă a temperaturii în termostat pe durata măsurării.

u(β) – incertitudinea datorată coeficientului de temperatură a rezistorului. Componenta dată având o contribuție nesemnificativă, poate fi neglijată.

În cazul în care tbath și tcal sunt egale, incertitudinea datorată coeficientului de temperatură poate fi ignorată.

Contribuția efectelor sistematice datorată punții de măsurare, δТsis, poate fi apreciată din descrierea tehnică a punții pentru valorile rezistenței (raportului rezistențelor), rezultatelor obținute la etalonarea punții și de rezoluția finită.

(34) [7]

În cazul utilizării la evaluare a incertitudinii date în certificatul de etalonare, Uce, incertitudinea standard asociată (pentru k = 2) este:

(35) [7]

În cazul utilizării erorilor maxime tolerate din descrierea tehnică a punții pentru valorile rezistenței (raportului rezistențelor), incertitudinea standard asociată (distribuție dreptunghiulară) este:

(36) [7]

unde:

Δrpunte – eroarea maximă a punții.

Contribuția datorată rezoluției finite a punții, δrrez, este:

(37) [7]

în care: d rez – este rezoluția finită a punții de măsurare

Incertitudinea extinsă U(Wt) a rezultatului de determinare a rezistenței relative Wt în echivalent termic, se calculează ca incertitudinea standard compusă multiplicată la factorul de extindere k (k = 2, în cazul unei distribuții normale, pentru probabilitatea 95 % [15]):

, mK (38) [7]

Toate mărimile de intrare sunt considerate ca fiind necorelate.

Toate componentele ce contribuie la determinarea incertitudinii de măsurare se introduc în tabelul bilanțului de incertitudini, forma căruia este prezentată în tabelul 2.7.

Tabelul 2.7 Bilanțul de incertitudini la etalonarea TRP prin metoda punctelor fixe

În figura de mai jos sunt prezentate influențele componentelor incertitudinii în procesul de etalonare a celulelor punctului triplu al apei asupra rezultatului final, în vederea exprimării relației cauză efect.

Fig. 2.6 Diagrama Ishikawa a incertitudinii extinse

EFECTUAREA MĂSURĂRILOR PENTRU CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENTA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ

Descrierea cerințelor pentru efectuarea măsurărilor

Condițiile de referință la etalonarea termometrelor cu rezistență din platină se referă la temperatura mediului ambiant, umiditatea relativă a aerului și la presiunea barometrică. Etalonarea TRP se efectuează în condițiile prevăzute de documentația tehnică. Dacă în documentația tehnică nu sunt specificate condiții specifice, atunci etalonarea TRP se realizează în următoarele condiții:

– temperatura mediului ambiant: (23 ± 3)°C;

– umiditatea relativă a aerului: (50 ± 30) %;

– presiunea atmosferică: (101 ± 3) kPa.

Stabilitatea temperaturii mediului ambiant și a umidității relative pe durata măsurărilor nu trebuie să depășească: ± 3,0 °C și respectiv ± 10 %.

Variația tensiunii de alimentare nu trebuie să depășească cerințele specificate în instrucțiunile de exploatare a echipamentului utilizat (cuptoare, termostate, punți). Mijloacele electrice de măsurare trebuie să fie depărtate nu mai puțin de 1 m de la ferestre, uși, baterii de încălzire, precum și protejate de acțiunea directă a razelor solare.

PTA trebuie să se păstreze în poziție verticală.

TRP cu teacă de protecție transparentă trebuie să fie ecranat față de lumina directă. Toate conectările trebuie făcute cu cabluri din cupru de bună calitate. Este deosebit de important ca elementul sensibil al termometrului să realizeze un bun contact termic cu obiectul sau instalația a cărui temperatură se măsoară. Intensitatea curentului electric pentru TRP de diferite tipuri trebuie să corespundă cerințelor GOST 30679. Ca regulă generală se recomandă să se limiteze curentul de măsurare astfel încât efectul de autoîncălzire să nu fie mai mare decât incertitudinea de măsurare solicitată. Mărimea efectului poate fi calculată prin măsurarea rezistenței electrice cu doi curenți de măsurare, urmată de extrapolarea acesteia la curent zero.

Pentru determinarea valorii raportului Wt, trebuie să se utilizeze valoarea RPTA obținută imediat după măsurarea Rt.

Pe durata etalonării, dacă se utilizează un rezistor de referință, el trebuie să fie menținut într-o baie cu ulei având temperatura de (20 ± 5) șC. Temperatura rezistorului este măsurată cu un termometru cu valoarea diviziunii nu mai mică 0,01 °C.

În cazul necorespunderii condițiilor de mediu criteriilor indicate, măsurările vor fi sistate și repetate doar după remedierea deficienților apărute prin readucerea condițiilor de mediu la cele stipulate în PE.

În cazul etalonării celulelor punctului triplu al apei, se respectă condițiile de referință prevăzute de documentația tehnică. Dacă în documentația tehnică nu sunt specificate condiții speciale, atunci etalonarea PTA se realizează în următoarele condiții:

temperatura mediului ambiant: (23 3) C;

umiditatea relativă a aerului: (50 30) %;

presiunea atmosferică: (1010 60) hPa.

Stabilitatea temperaturii mediului ambiant și a umidității relative pe durata măsurărilor nu trebuie să depășească cerințele indicate în PE de etalonare a traductoarelor de temperatură repsective.

Variația tensiunii de alimentare nu trebuie să depășească cerințele specificate în instrucțiunile de exploatare a echipamentului utilizat (termostate, PM). Mijloacele electrice de măsurare trebuie să fie depărtate nu mai puțin de 1 m de la ferestre, uși, baterii de încălzire, precum și protejate de acțiunea directă a razelor solare. În încăperea în care se efectuează măsurările, trebuie să lipsească praful, fumul, gazele și aburii, ce pot conduce la coroziunea utilajului metrologic utilizat.

Este deosebit de important ca elementul sensibil al termometrului să realizeze un bun contact termic cu obiectul sau instalația a cărui temperatură se măsoară.

Pe durata etalonării, dacă se utilizează un rezistor de referință, el trebuie să fie menținut într-o baie cu ulei având temperatura de (20 ± 1)șC. Temperatura rezistorului este măsurată cu un termometru cu valoarea diviziunii nu mai mică 0,01C.

În cazul necorespunderii condițiilor de mediu criteriilor indicate mai sus, măsurările vor fi sistate și repetate doar după remedierea deficienților apărute prin readucerea condițiilor la cele stipulate în PE.

Condițiile de referință la etalonarea celulelor PF de definiție a SIT – 90 se referă la temperatura mediului ambiant și umiditatea relativă a aerului.

Etalonarea celulelor PF se efectuează în următoarele condiții:

temperatura mediului ambiant: (23 2) C;

umiditatea relativă a aerului: (60 15) %;

presiunea atmosferică: (84 – 106,7) kPa;

Este deosebit de important ca elementul sensibil al termometrului să realizeze un bun contact termic cu obiectul sau instalația a cărui temperatură se măsoară.

Pe durata etalonării, dacă se utilizează rezistor de referință, el trebuie să fie menținut într-o baie cu ulei având temperatura de (20 ± 5) șC.

Variația tensiunii de alimentare nu trebuie să depășească cerințele specificate în instrucțiunile de exploatare a echipamentului utilizat (cuptare, termostate punți).

În încăperea în care se efectuează măsurările, trebuie să lipsească praful, fumul, gazele și aburii, ce pot conduce la coroziunea utilajului metrologic utilizat.

Mijloacele electrice de măsurare trebuie să fie depărtate nu mai puțin de de la ferestre, uși, baterii de încălzire, precum și protejate de acțiunea directă a razelor solare.

TRP cu teacă de protecție transparentă trebuie să fie ecranat față de lumina directă.

Toate conectările trebuie făcute cu cabluri din cupru de bună calitate.

La etalonare este necesar de a respecta cerințele de securitate în laborator și a celor stipulate în documentația tehnică la etaloanele și mijloacele de măsurare, utilizate la etalonare. Este interzis de lucrat fără legarea la pământ a mijloacelor de măsurare și dispozitivelor auxiliare la care în documentația tehnică este specificat acest lucru. [16]

Încăperile, unde sunt amplasate echipamentele etalon, trebuie să fie echipate cu mijloace de protecție anti-incendiară conform GOST 12.4.009 și să aibă ventilație naturală și artificială.

Lucrul cu celulele punctelor fixe trebuie să se efectueze în conformitate cu procedurile aprobate și cu recomandările producătorilor. Lucrul cu celula punctului triplu al apei trebuie să se efectueze numai în ochelari de protecție.

Transportarea PTA poate fi efectuată numai în poziție verticală în orice fel de transport prin protejarea de lovituri mecanice și precipitații atmosferice.

Cerințele tehnicii securității sunt asigurate doar prin respectarea cerințelor indicate în documentația de exploatare a MM și a dispozitivelor auxiliare folosite în timpul etalonării.

În timpul efectuării măsurărilor la temperaturi ridicate TRP trebuie să fie scos din cuptor lent, pentru a evita arsurile. După scoaterea TRP din cuptor este interzis de a se atinge cu mâinile de el și de a fi pus pe suprafață ușor inflamabilă.

Efectuarea măsurărilor

În cadrul cercetării respective, a fost elaborat un plan detaliat a tuturor acțiunilor necesare pentru evaluarea caracteristicilor punctelor fixe de temperatură din cadrul Etalonului Național. Aceste caracteristici ne vor da posibilitatea să cunoaștem foarte bine comportamentul acestora în cadrul efectuării etalonărilor, de asemenea vom avea posibilitatea de a compara capabilitățile laboratorului.

Prima etapă constă în studierea detaliată a documentației oferite de producător, a tuturor componentelor ce participă în procesul de studiu. Respectiv, a fost studiat foarte detaliat descrierile date de producător referitor la celulele punctelor fixe de temperatură, a termometrelor cu rezistență din platină etalon, cuptoarelor pentru realizarea punctelor fixe de temperatură, precum și a punții, cu ajutorul cărora sunt citite datele în cadrul acestor măsurări.

A doua etapă ar fi studierea duratei palierului punctului fix, adică perioada de timp, de la realizarea punctului fix de temperatură, până la modificarea stării metalului din celulă, solidificarea sau topirea acestuia. Aceste măsurări ne vor da posibilitatea de a evalua stabilitatea în timp a menținerii temperaturii punctului fix și a cunoaște timpul de menținere a temperaturii. În cadrul acestei etape, au fost efectuate măsurări asupra punctelor de solidificare a Ga, In, Sn, Zn, Al. Respectiv, în urma realizării punctului fix de temperatură, procedura de realizare a punctelor fixe a fost descrisă în capitolul II, subcapitolul 2.2 al prezentei lucrări, un termometru cu rezistență din platină etalon se plasează în tubul central al celulei și se menține în interior o anumită perioadă de timp, pentru atingerea echilibrului termic. După atingerea echilibrului termic, are loc înregistrarea valorilor măsurate.

Aceste măsurări nu sunt reprezentative pentru PTA, deoarece starea punctului triplu poate fi evaluată vizual, de asemenea perioada de menținere a temperaturii punctului triplu este de lungă durată, în dependență de condițiile de păstrare și utilizare a acesteia.

În cadrul acestor măsurări, a fost setată puntea pentru înregistrarea datelor cu intervalul de 30 secunde. În figurile de mai jos sunt reprezentate graficele măsurărilor pentru fiecare punct fix de temperatură.

Echipamentul din cadrul LMTU, INM, destinat realizării punctului de topire al Ga, are posibilitatea de menținere și păstrare a palierului punctului fix pe parcursul a unei perioade îndelungate, de la 72 ore, până la 120 ore.

Fig. 3.1 Palierul punctului de topire al Ga

În figura de mai sus este reprezentat graficul palierului punctului de topire al Ga. Efectuarea acestor măsurări are mai mult caracter informativ privind stabilitatea menținerii punctului fix. Acest grafic ne demonstrează că pe parcursul a 12 ore și 28 minute, palierul a fost menținut cu variații foarte mici a rezistenței TRP.

Fig. 3.2 Palierul punctului de solidificare al In

Figura 3.2 reprezintă graficul palierului punctului de solidificare al In, de la realizarea acestuia și obținerea echilibrului termic, până la pierderea palierului. Din figură, putem observa că palierul are o durată de 10 ore, timp în care, se observă o stabilitate foarte bună a valorilor măsurate.cu linie roșie întreruptă a fost evidențiat momentul în care se începe solidificarea completă a metalului din celulă.

Fig. 3.3 Palierul punctului de solidificare al Sn

Reprezentarea grafică a palierului punctului de solidificare al Sn, fig. 3.3, ne demonstrează menținerea unei temperaturi uniforme și foarte stabile pe parcursul a 13 ore, după care are loc micșorarea temperaturii metalului, adică solidificarea totală a metalului din celulă.

Fig. 3.4 Palierul punctului de solidificare al Zn

Fig. 3.5 Palierul punctului de solidificare al Al

În figurile de mai sus, 3.4 și 3.5, sunt reprezentate palierele punctelor de solidificare ale Zn și Al. Palierul zincului a durat 12 ore, iar cel al aluminiului 13 ore. Variațiile rezistenței termometrului cu rezistență din platină etalon sunt extrem de mici pe parcursul menținerii palierului acestor puncte fixe.

Analizând rezultatele măsurărilor durate palierelor punctelor fixe ale Ga, In, Sn, Zn și Al, putem constata că aceste celule ale punctelor fixe au o durată bună de menținere a palierului punctului fix, ceea ce ne demonstrează posibilitatea utilizării acestora la măsurări de precizie foarte înaltă și de atribuire acestora Etalonului Național al unității de temperatură.

O influență foarte mare asupra rezultatelor măsurărilor de precizie înaltă, o are presiunea hidrostatică a coloanei de substanță în faza lichidă. Elementul sensibil al TRP se găsește în partea inferioară a tubului central al celulei, din acest motiv, temperatura măsurată este influențată de efectul presiunii hidrostatice. În continuare, vor fi prezentate rezultatele măsurării efectului hidrostatic în fiecare celulă a punctului fix.

Tabelul 3.1 Determinarea efectului hidrostatic în celula punctului de topire al Ga

Fig. 3.6 Reprezentarea efectului hidrostatic teoretic și măsurat în celula punctului de topire al Ga

Din figura de mai sus putem constata că, graficul ce descrie efectul hidrostatic la măsurările în punctului de topire al Ga, are un caracter pozitiv, variația fiind în sensul creșterii temperaturii.

Tabelul 3.2 Determinarea efectului hidrostatic în celula punctului de solidificare al In

Fig. 3.7 Reprezentarea efectului hidrostatic teoretic și măsurat în celula punctului de solidificare al In

Variația temperaturii cu adâncimea de imersie a TRP în celula punctului de solidificare al In, adică efectul presiunii hidrostatice, are un caracter negativ, variația are loc în sensul micșorării temperaturii.

Tabelul 3.3 Determinarea efectului hidrostatic în celula punctului de solidificare al Sn

Fig. 3.8 Reprezentarea efectului hidrostatic teoretic și măsurat în celula punctului de solidificare al Sn

În cazul staniului se observă același lucru, variația temperaturii este în scădere. Mărind distanța de la fundul celulei, temperatura se va micșora.

Tabelul 3.4 Determinarea efectului hidrostatic în celula punctului de solidificare al Zn

Măsurările efectuate în celula punctului de solidificare al Zn, arată de asemenea o micșorare a temperaturii la mărirea distanței de la partea inferioadă a celulei. Acest lucru este foarte bine observat în figura de mai jos. De asemenea putem observa cât de apropiată este curba valorilor măsurate de valoarea teoretică.

Fig. 3.9 Reprezentarea efectului hidrostatic teoretic și măsurat în celula punctului de solidificare al Zn

Tabelul 3.5 Determinarea efectului hidrostatic în celula punctului de solidificare al Al

Fig. 3.10 Reprezentarea efectului hidrostatic teoretic și măsurat în celula punctului de solidificare al Al

Asemeni tuturor celulelor punctelor fixe cu temperaturi ridicate, în celula punctului de solidificare al Al, curba ce descrie efectul hidrostatic de asenea are caracter negativ, la marirea distanței de partea inferioară a celulei, are loc micșorarea temperaturii.

Evaluarea rezultatelor obținute

După efectuarea tuturor măsurărilor și a calculelor necesare pentru evaluarea tuturor factorilor de influență la efectuarea măsurărilor în punctele fixe de temperatură din cadrul Etalonului Național de Temperatură, ce se află în gestiunea Laboratorului Mărimi Termice și Umiditate, din Institutul Național de Metrologie, au fost întocmite tabele cu rezultatele finale referitor la fiecare celulă a punctului fix analizat în lucrare.

Pentru întocmirea acestor tabele au fost determinate următoarele corecții:

Datorate efectului de autoîncălzire a TRP, la parcurgerea curentului electric prin elementul sensibil al acestuia;

Datorate impurităților din celulele punctelor fixe de temperatură;

Datorate efectului hidrostatic caracterisctic fiecărei celule în parte, calculele fiind prezentate în paragraful anterior;

Datorate presiunii din celula punctului fix;

Datorate compoziției izotopice a apei din celula punctului triplu al apei;

Datorată efectului hidrostatic din celula pentru realizarea punctului triplu al apei.

Măsurările în punctele fixe de temperatură reprezintă cele mai precise măsurări din domeniul termometriei, punctele fixe de temperatură fiind etalon primar, cu ajutorul cărora se materializează unitatea de măsură a temperaturii. Respectiv, pentru a asigura o calitate cât mai bună a rezultatelor, este necesar să fie evaluată și minimizată influența tuturor factorilor identificabili.

Măsurările realizate în cadrul acestei cercetări, trebuie repetate periodic, cu scopul evaluării evoluției Etalonului Național de Temperatură. Luând în considerație stabilitatea înaltă a etaloanelor utilizate la aceste măsurări, precum și datorită duratei îndelungate a măsurărilor efectuate pentru acestă cercetare, este posibilă evaluarea caracteristicilor într-un singur punct fix, PTA, la o perioada de 3-6 luni. Această activitate oferă posibilitatea evaluării stabilității mijloacelor ce asigură preluarea, conservarea și trensmiterea unității de măsură (TRP).

Etalonarea prin metoda punctelor fixe, oferă cea mai mare precizie în domeniul termometriei. Prin urmare, efectuarea măsurărilor și etalonărilor, cu luarea în considerație a tuturor factorilor de influență, asigură transmiterea corectă a unității la nivel național.

Tabelul 3.6 Rezultatele finale ale măsurărilor în punctul de topire al Ga

Tabelul 3.7 Rezultatele finale ale măsurărilor în punctul de topire al In

Tabelul 3.8 Rezultatele finale ale măsurărilor în punctul de topire al Sn

Tabelul 3.9 Rezultatele finale ale măsurărilor în punctul de topire al Zn

Tabelul 3.10 Rezultatele finale ale măsurărilor în punctul de topire al Al

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

[1]- Chiciuc, A., Corjan, A. Metrologie, Standardizare și Măsurări. Curs de lecții. Chișinău 2002.

[2]- Thermometry: SI base unit (kelvin), de pe site-ul:

https://www.bipm.org/metrology/thermometry/units.html

Accesat la data de 26.09.2020.

[3]-Guide to the Realization of the ITS-90. Bureau International des Poids et Mesures. Ultima actualizare la 1 ianuarie 2018;

[4]- 5904/5905/5906/5907/5908/5909 Metal Freeze Poin Cell. User Guide. Fluke Calibration;

[5]-2031A Quick Stick. User's Guide. Fluke Calibration;

[6]- 5960A Triple Point of Argon System de pe site-ul:

https://us.flukecal.com/products/temperature-calibration/its-90-temperature-standards/its-90-fixed-point-cells/5960a-tripl-1

Accesat la data de: 30.09.2020.

[7]- Procedura de Etalonare: PE 3.4/08 Etalonarea termometrelor cu rezistență din platină etalon prin metoda punctelor fixe, INM, LMTU;

[8]- SM GOST 8.558:2011 Sistemul de stat de asigurare a uniformității măsurărilor. Schema de stat de ierarhizare a mijloacelor de măsurare a temperaturii;

[9]- ГОСТ 30679-99. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Общие технические требования;

[10]- BIPM Supplementary Information for the ITS-90: Section 2.2: Triple point of water;

[11]- Procedura de Etalonare: PE 3.4/05 Etalonarea celulelor punctului triplu al apei, INM, LMTU;

[12]- Mingjian Zahao, ITS-90 Fixed Points and Their Realizations, Fluke Hart Scientific;

[13]- The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90), Proces verbal al Comitetului Internațional de Măsuri și Greutăți, întrunirea nr. 78, 1989;

[14]- CCT-WG3 on Uncertainties in Contact Thermometry: Uncertainties in the Realisation of the SPRT sub-ranges of the ITS-90, CCT/8-19-rev.2;

[15]- SM ISO/IEC Ghid 98-3:2017 Incertitudine de măsurare. Partea 3: Ghid pentru exprimarea incertitudinii de măsurare;

[16]- GOST 22261-94 Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия;

[17]- Procedura de Etalonare: PE 3.4/06 Etalonarea celulelor pentru realizarea punctelor fixe a SIT-90;

[18]- SM ISO/IEC Ghid 99:2017 Vocabular internațional de metrologie. Concepte fundamentale și generale și termeni asociați (VIM).

REZUMATUL

SUMMARY

ANEXE

Anexa 1 Schema de trasabilitate a unității de temperatură

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENȚA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ [306867] (ID: 306867)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

CERCETAREA PARAMETRILOR CELULELOR PUNCTELOR FIXE DE TEMPERATURĂ DIN COMPONENȚA ETALONULUI NAȚIONAL DE TEMPERATURĂ [306867]

Copyright Notice

Ingineria și managementul procesării si păstrării produselor agroalimentare [305292]

Lect. univ. dr. Gabriel -Aurel Șerban [628173]

Specializarea Managementul Oraganizatiei Particularități și tendințe în marketingul unității de învățământ.Studiu de caz. Coordonator științific:… [602116]

CONF. UNIV. DR. GHEORGHE CARUȚIU CONF. UNIV. DR. MARIUS SKOLKA ABSOLVENT: ALEXANDRA IVANOV Constanța 2017 MINISTERUL EDUCAȚIEI NAȚIONALE… [305267]

Cadrul didactic îndrumator: [624502]

MASTERAT: TRADUCTOLOGIE LIMBA ENGLEZĂLIMBA [619497]

Copyright Notice

Similar Posts