Термометр сопротивления (ТС) – это средство измерений температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов сопротивления и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный защитный корпус внешних клемм или выводов, предназначенных для подключения к измерительному прибору [1]. Согласно ГОСТ 8.461-2009 поверка ТС это установление его пригодности к применению на основании контроля соответствия основных характеристик требованиям ГОСТ 6651-2009 и технических документов изготовителя. ТС подвергают первичной и периодической поверкам в аккредитованных в установленном порядке поверочных лабораториях. Для идентификации основных этапов поверки ТС и повышения объективности принимаемых решений нами проведено функциональное моделирование процесса «Поверить термопреобразователь сопротивления» в нотации IDEF 0 (рисунки 1, 2). Разработанные IDEF0 модели предназначены для документирования рассматриваемого процесса, отображения информации и ресурсов, используемых на каждом этапе.
Рисунок 1 – Контекстная диаграмма процесса «Поверить термопреобразователь сопротивления»
Для моделирования выбранного процесса были определены входы, выходы, управляющие воздействия и ресурсы (рисунок 1). Входами являются: потребность в поверке ТС и непосредственно сам ТС. Выходами являются: удовлетворённость в поверке ТС, поверенный ТС и результаты поверки ТС, внесенные в Федеральный информационный фонд. Управляющими воздействиями являются: руководство по эксплуатации ТС, договор о поверке и нормативные документы, необходимые для поверки ТС (ГОСТ 8.461-2009, ГОСТ 6651-2009 и др.). Ресурсами процесса являются: поверитель, средства поверки, вспомогательное оборудование и материально-техническое обеспечение для проведения поверки ТС. С целью описания поэтапной последовательности рассматриваемого процесса проведена его декомпозиция (рисунок 2). Декомпозиция позволила рассмотреть сложный процесс как совокупность отдельных взаимосвязанных подпроцессов. Для поверки ТС применяют следующие основные средства поверки: эталонные термометры (например, ПТСВ-4-2), термостаты, калибраторы (например, QUARTZ 633-00/-21), установки для реализации реперных точек, приборы для измерения сопротивления ТС (например, мегаомметра Ф4101) и регистрации показаний эталонных термометров (например, МИТ 2.05М), приборы для измерения электрического сопротивления изоляции между выводами и защитным корпусом ТС. При этом в настоящее время возникает много вопросов, связанных с выбором поверочного оборудования. Например, сухоблочные термостаты – очень удобное средство поверки термометров и термопар. Они могут работать в широком температурном диапазоне, не требуют смены термостатирующей жидкости, экологически безопасны. Однако, точность поверки в таких сухоблочных термостатах значительно ниже, чем в жидкостных. Прежде всего, это связано с трудностью выравнивания температурного поля в рабочем объеме. Если в современных жидкостных переливных термостатах перепад температуры в объеме составляет менее 0,01 °С, то в самых современных сухоблочных термостатах градиент температуры по вертикали рабочего объема обычно не менее 0,1 °С.
Рисунок 2 – Схема декомпозиции процесса «Поверить термопреобразователь сопротивления»
При проведении поверки должны быть соблюдены следующие условия: температура воздуха в помещении, предназначенном для поверки, должна быть (20 ± 5) °С; относительная влажность не более 80 %; атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа; вибрация, тряска, удары, магнитные поля, кроме земного, влияющие на работу эталонных ТС и других средств поверки, должны быть исключены; напряжение питания сети должно быть в пределах, установленных эксплуатационными документами на средства поверки. К проведению поверки должны быть допущены лица, имеющие необходимую квалификацию и аттестованные в качестве поверителей.
Согласно ГОСТ 8.461-2009 каждая лаборатория должна провести предварительную оценку неопределенности измерений, основываясь на статистическом анализе случайной составляющей неопределенности и характеристиках используемого оборудования. Расширенная неопределенность результата измерения не должна превышать 1/3 допуска поверяемых ТС. Суммарную стандартную неопределенность рассчитывают, как квадратный корень из суммы всех стандартных неопределенностей, с учетом коэффициентов влияния. Расширенную неопределенность получают умножением суммарной стандартной неопределенности на коэффициент расширения (охвата), который принимают k=2. Расширенная неопределенность поверки является показателем измерительных возможностей данной лаборатории, ее оценивают квалифицированные специалисты при аттестации рабочего места поверителя [2]. Суммарную стандартную и расширенную неопределенности поверки ТС рассчитывают для каждой температуры. При расчете суммарной неопределенности поверки учитывают неопределенность измерений температуры эталонным термометром и неопределенность измеренного значения сопротивления поверяемого ТС. Для расчета используют данные, полученные при проведении измерений, данные, полученные при предварительной экспериментальной оценке неопределенности, связанной со случайными эффектами при измерении в конкретной поверочной лаборатории, а также данные, приведенные в свидетельствах о поверке средств измерений: термостата, калибратора, реперной точки, эталонного термометра и измерительной установки. С целью облегчения непосредственного расчета значения стандартной неопределенности выходной величиной составляется бюджет неопределённости. Бюджет неопределенности может также использоваться для анализа вкладов от каждого источника неопределенности в суммарную неопределенность с целью определения точности измерительного процесса, корректировки модели измерения или поиска способов уменьшения влияния некоторых источников неопределенности [3]. Бюджет неопределенности результатов поверки ТС включает две части: неопределенность измеряемой эталонным термометром температуры в термостате и неопределенность измерения сопротивления поверяемого ТС (таблица 1).
Таблица 1 – Пример бюджета неопределенности поверки ТС (по ГОСТ 8.461-2009)
|
Источник неопределенности |
Исходные данные |
Тип распределения |
Метод расчета стандартной неопределенности |
Коэффициент чувствительности |
|
Бюджет неопределенности измерения температуры в термостате |
||||
|
Случайные эффекты при измерении |
Ri –результат измерений Nlab – количество измерений для предварительной оценки N – количество измерений при поверке RS –среднее арифметическое из Nlab измеренного |
нормальное |
|
1/С1 |
|
Нестабильность температуры в термостате |
± δст – пределы колебаний температуры |
равномерное |
|
1 |
|
Поверка эталонного термометра |
UЭ – расширенная неопределенность поверки |
нормальное |
|
1 |
|
Электроизмерительная установка |
±Δпр – предел допустимой погрешности |
нормальное |
|
1/С1 |
|
±ars – разрешающая способность установки |
равномерное |
|
1/С1 |
|
|
Нестабильность эталонного термометра за межповерочный интервал, равномерного распределения |
±aэ – возможное изменение в сопротивлении ТС за межповерочный интервал |
равномерное |
|
1 |
|
Суммарная стандартная неопределенность температуры в термостате uc(tx), °С |
|
|||
|
Бюджет неопределенности измерения сопротивления поверяемого ТС |
||||
|
Случайные эффекты при измерении |
Ri –результат i-го измерения Nlab – количество измерений для предварительной оценки N – количество измерений при поверке RS – среднее арифметическое из Nlab измерений |
нормальное |
|
1 |
|
Электроизмерительная установка |
±Δпр – предел допустимой погрешности |
нормальное |
|
1 |
|
±ars – разрешающая способность установки |
равномерное |
|
1 |
|
|
Перепад температуры в рабочем объеме |
± |
равномерное |
|
С2 |
|
Суммарная стандартная неопределенность измерения сопротивления uc(Rk), Ом |
|
|||
– изменение температуры в рабочем объеме
Основными источниками неопределенности измерения температуры в термостате являются: случайные эффекты при измерении, нестабильность температуры в термостате, градуировка эталонного термометра, поверка электроизмерительной установки, нестабильность эталонного термометра за межповерочный интервал. Основными источниками неопределенности измерения сопротивления поверяемого ТС являются: случайные эффекты при измерении, поверка электроизмерительной установки, градиент температуры в рабочем объеме термостата (таблица 1). Для снижения временных затрат на поэтапную обработку математических расчётов неопределенности измерений необходимо прийти к их автоматизации. Для этих целей создано программное обеспечение (таблица 2), которое позволило прийти к реализации алгоритмов в табличном процессоре без специальных знаний в области программирования и даст возможность производить поверку термометров сопротивления с высокой точностью и с наименее затраченным временем.
Таблица 2 – Примеры программного обеспечения (ПО), используемые при расчете неопределенности поверки ТС [4]
|
Название ПО |
Характеристики |
|
TCal-8-461. ПО для расчета неопределенности поверки термопреобразователей сопротивления по ГОСТ 8.461-2009 (Разработчик ООО «ИЦ «ТЕМПЕРАТУРА) |
Программа TCal-8-461 разработана для предприятий и центров поверки и сертификации, которые получают аккредитацию на право поверки и калибровки термопреобразователей сопротивления из платины, меди и никеля. TCal-8-461 позволяет рассчитать расширенную неопределенность поверки термопреобразователей методом сличения с эталонным термометром сопротивления на основе данных о применяемом при поверке оборудовании, а также данных оценивания случайных эффектов при измерении, характерных для конкретной лаборатории. Программа прошла добровольную сертификацию в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и имеет сертификат на соответствие ГОСТ Р 8.654-2015, ГОСТ Р 8.883-2015, МИ 2955-2010, МИ 2174-91, ГОСТ 8.461-2009. Программное обеспечение TCal-8-461 имеет удобный интерфейс ввода данных, предусмотрена возможность распечатки протокола расчета неопределенности. Стоимость – 7000 руб. |
|
Программа для расчета неопределенности поверки термометров сопротивления в виде электронных таблиц по ГОСТ Р 8.461-2009 (Разработчик ООО «ИЦ «ТЕМПЕРАТУРА) |
Работа с таблицей осуществляется посредством ввода данных об оборудовании лаборатории в специально обозначенные поля. По полученным значениям автоматически рассчитывается расширенная неопределенность поверки. Программа сопровождается подробным описанием. В дополнение заказчик получает текст лекции о поэтапном расчете неопределенности поверки ТС из учебного семинара ВНИИМ. Данная программа не сертифицирована. Стоимость комплекта 2500 руб. |
При положительных результатах поверки на соответствие допускам по ГОСТ 6651-2009 на корпус ТС наносят клеймо и/или оформляют свидетельство о поверке, в котором указывают наименование и тип ТС, серийный номер ТС, рабочий диапазон температур ТС, условное обозначение НСХ, класс допуска и срок действия свидетельства. Подпись поверителя удостоверяют оттиском поверительного клейма. По согласованию с заказчиком в свидетельстве о поверке допускается указывать результаты измерений, полученные при проведении поверки, и их неопределенность. При отрицательных результатах поверки оттиск поверительного клейма гасят или аннулируют свидетельство о поверке и выдают извещение о непригодности ТС с указанием причин.