Эталон температуры. Государственный первичный эталон единицы температуры

1. Эталон температуры. Государственный первичный эталон единицы температуры (ГПЭ) в диапазоне 0,8 – 273,16 К

Для реализации шкалы МТШ-90 в Российской федерации, как и в других крупнейших странах, создан свой эталон температуры, имеющий официальный статус и представляющий собой объект государственной важности. Эталон подразделяется на три части для разных интервалов температур, которые называются Государственными первичными эталонами единицы температуры (ГПЭ) для соответствующего интервала. От сохранности и работоспособности ГПЭ зависит точность измерения температуры в России, что является одним из условий правильного функционирования практически всех областей народного хозяйства и науки. Многая информация по ГПЭ носит закрытый характер.

Государственный первичный эталон единицы температуры (ГПЭ) в диапазоне 0,8-273,16 К создан во ВНИИФТРИ (Всероссийский научно-исследовательский институт физикотехнических и радиотехнических измерений) в 1972–1990 гг., утвержден Госстандартом СССР в 1991 г. и переутверждён в 2010 году (ГЭТ 35-2010).

Метрологические характеристики

  • Диапазон измерений, К 0,8 – 273,16
  • Случайная погрешность, К 0,001
  • Систематическая погрешность, К 0,003

Область применения

Эталон возглавляет поверочную схему и обеспечивает единство измерений температуры в стране на современном уровне точности.

В состав эталона входят:

  • газовый интерполяционный термометр (первичная термометрия);
  • набор термометров сопротивления (ЭТС);
  • комплект установок для реализации температур реперных точек;
  • криостаты сравнения;
  • набор приборов и устройств для точных измерений сопротивлений и давлений.

Термометры эталона могут пройти на данной аппаратуре полную градуировку согласно Положению об МТШ-90, что делается лишь в исключительных случаях. Передача единицы температуры МТШ-90 вторичным эталонам производится методом сравнения при погружении термометров в блоки специальной конструкции, находящиеся в криостатах.

Развитие эталона. Во ВНИИФТРИ разработан акустический газовый термометр, предназначенный для определения термодинамической температуры по скорости звука в газообразном гелии с высокой точностью. Эта установка впервые была представлена на 14-м Московском международном форуме «Точные измерения – основа качества и безопасности» (15 – 17 мая 2018 года).

Акустический газовый термометр является уникальной аппаратурой, которой в настоящее время обладают только США, Франция, Англия и Италия. Планируется его введение состав Государственного первичного эталона температуры ГЭТ 35-2010. Акустическая газовая термометрия является одним из наиболее точных методов измерения термодинамической температуры и рекомендован экспертами ККТ МБМВ в качестве первичного метода термометрии.

2. Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 0 до 961,78 °С

Государственный первичный эталон единицы температуры (ГПЭ) в диапазоне от 0 до 961,78 °С создан в период с 1955 по 1971 во ВНИИМ (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии) им. Д. И. Менделеева и утвержден в качестве Государственного эталона 28 декабря 1972 г. Изменение состава эталона проходило в 1992 г., в 1998 г. (в связи с введением шкалы МТШ-90) и в 2007 г. Текущий номер ГПЭ по Госреестру ГЭТ 34-2007.

Метрологические характеристики.

  • Диапазон измерений, °С 0 – 961,78 °С
  • Погрешность (неопределённость), К ≤ 0,01

Область применения.

Эталон представляет собой набор высокоточных датчиков температуры в виде платиновых термометров сопротивления в комплексе с соответствующей измерительной и поверочной аппаратурой и служит для воспроизведения Международной Температурной Шкалы МТШ-90 с наивысшей в Российской Федерации точностью, обеспечивая единство измерений температуры в стране. Эталон предназначен для хранения единицы температуры, проведения международных ключевых сличений, для передачи размера единицы температуры рабочим эталонам региональных и ведомственных метрологических центров.

В состав эталона входят:

  • платиновые термометры сопротивления ПТС-25, с рабочим диапазоном 0,01 ÷ 419,527 °С и высокотемпературные платиновые термометры сопротивления ВТС с рабочим диапазоном 419,527 ÷ 961,78 °С ;
  • комплект установок и устройств для реализации температур реперных точек;
  • термостаты и печи сравнения;
  • набор приборов и устройств для точных измерений сопротивлений и давлений;
  • газовый интерполяционный термометр (первичная термометрия); служит для контроля реперных точек, температура которых регламентирована МТШ-90.

Состав Государственного первичного эталона температуры изменяется в связи с изменением Международной температурной шкалы, совершенствованием платиновых термометров и аппаратуры для осуществления реперных точек шкалы.

Методика исследования эталона. Критерии, которые необходимо соблюдать при реализации национальных эталонов температуры, а также соответствующие методики, изложены в документе ККТ «Supplementary Information for the International Temperature Scale of 1990» и в ряде научных публикаций ККТ. При этом не устанавливаются конкретные требования к характеристикам эталона; они могут меняться с улучшением технологической базы. Методика исследования ГПЭ единицы температуры включает в себя два раздела: исследование платиновых термометров сопротивления и исследование реперных точек МТШ-90.

Суммарная неопределённость (погрешность) ГПЭ определяется согласно «Руководству по оценке неопределенностей в измерениях» (ISO/IEC Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement ,1993). При этом её отдельные составляющие могут быть определены по оценке типа А, то есть при повторных многократных измерениях температуры эталоном в реперных точках, или по оценке типа В, то есть нестатистическими методами.

Неопределенность типа А включает в себя воспроизводимости электрических измерений, условий реализации фазового перехода, нестабильность термометров, и рассчитывается как среднеквадратическое отклонение W(T90) в реперных точках в пересчёте на температуру.

Источниками неопределенности типа В являются:

  • нагревание термометра измерительным током;
  • влияние глубины погружения термометра на температуру фазового перехода (гидростатический эффект);
  • потери тепла теплопередачей по самому термометру и за счёт излучения;
  • загрязнение чувствительного элемента ВТС при высокой температуре;
  • наличие примесей в металле реперной точки;
  • наклон площадки затвердевания металла;
  • отклонение давления в ампуле реперной точки от стандартного;
  • отклонения изотопного составе в ампуле тройной точки воды;
  • влияние неопределенности сопротивления в тройной точке воды на относительное сопротивление в реперной точке;
  • погрешности электроизмерительного оборудования, такие как нелинейность измерительного моста или неточность образцовых мер сопротивления, а также стабильность поддержания температуры в печи.

3. Платиновые термометры сопротивления

Устройство. Платиновые термометры сопротивления, входящие в состав ГПЭ, работают в режиме контактной термометрии и представляют собой помещённые в герметичный кварцевый чехол чувствительный элемент и систему подводящих проводов. Последние выполнены из платины по четырёхпроводной схеме, соединяются с чувствительным элементом в зоне измерения температуры и выходят из герметичного чехла в зоне комнатных температур, где к ним в головке специальной конструкции присоединяются соединительные провода для подключения к измерительному прибору (рис. 1). Внутри герметичного чехла находится инертный газ при пониженном давлении.

Схема эталонного платинового термометра сопротивления ПТС-10м

Рис. 1. Схема эталонного платинового термометра сопротивления ПТС-10м. Слева – чувствительный элемент, в середине – кварцевый чехол с подводящими проводами и головкой на конце, справа – соединительные провода.

Чувствительный элемент термометра выполнен из тонкой платиновой спирали, два конца которой сварены с двумя подводящими проводами каждый. Сама спираль свободно, без напряжений, лежит на специальном каркасе, который представляет собой геликоид (то есть перекрученную винтом кварцевую ленту). Обе половинки спирали лежат на двух разных поверхностях геликоида – рис. 2. Такая конструкция обеспечивает отсутствие механических напряжений в металле при нагревании вплоть до верхнего предела измерений и охлаждении.

Сама спираль выполнена из платиновой проволоки высокой чистоты, диаметр которой значительно меньше диаметра подводящих проводов. Это обеспечивает достаточно высокое сопротивление чувствительного элемента. Кварцевый каркас сохраняет высокое сопротивление изоляции при температурах выше 800 °С , когда влияние этого фактора может становиться заметным. Диаметр платиновой проволоки ВТС больше, чем в ПТС, поэтому номинал сопротивления ВТС меньше и при высоких температурах меньше сказывается некоторое снижение сопротивления изоляции.

Чувствительный элемент ПТС-10м – платиновая спираль на кварцевом геликоиде

Рис. 2. Чувствительный элемент ПТС-10м – платиновая спираль на кварцевом геликоиде

Стабильность термометров сопротивления. Несмотря на то, что платина является благородным металлом и обладает одними из самых высоких стабильностью, инертностью и химической устойчивостью, на прецизионные измерения влияют даже небольшие изменения этих параметров. При многократных циклах нагревание – охлаждение на поверхности платины и внутри кристаллов происходят физико-химические процессы, приводящие к изменению сопротивления конкретного термометра, пусть и небольшому. В этом плане наиболее значимыми являются:

  • окисление поверхности платины при повышенных температурах;
  • загрязнение платины примесями, которые могут диффундировать через кварцевый чехол термометра (особенно для ВТС);
  • механические напряжения в чувствительном элементе, которые имеют место, хотя и сведены к минимуму;
  • закалка вакансий кристаллической решетки при быстром охлаждении от высоких температур;
  • возникновение дислокаций и других дефектов строения в платине при нагревании и охлаждении;
  • рост зерна в поликристаллической платиновой проволоке;
  • увеличение электрических утечек через изоляцию при длительной эксплуатации термометра.

Всё это может приводить к необратимому дрейфу сопротивления термометра в высокотемпературной области, «старению».

Методы стабилизации платиновых термометров сопротивления. Для того, чтобы свести к минимуму влияние указанных вредных факторов, термометры, вновь изготовленные и уже бывшие в эксплуатации, подвергаются отбору по строгим критериям, проходят специальную процедуру стабилизации, а процесс их эксплуатации регламентирован строгими правилами. При отборе термометры подвергаются многократным циклам нагрева-охлаждение с контролем стабильности в тройной точке воды и воспроизводимости функции интерполяции W(T90) . На этом этапе происходит отбраковка термометров.

Стабилизация включает в себя первичную (при изготовлении прибора) и многочасовой отжиг при температуре, на 10 K выше верхнего предела рабочего диапазона. Вслед за этим следует медленное охлаждение: для температур выше 500 °С – со скоростью не выше 2,5 К / мин . При температуре ниже 450 °С термометры могут быть выведены из печи и охлаждаться на воздухе до комнатной температуры. При эксплуатации термометров выше 600 °С должно обязательно соблюдаться условие медленного охлаждения. Особые требования касаются ВТС: от высоких температур термометр охлаждается быстро до 570 — 600 °С , выдерживается 3 часа, затем охлаждается вместе с печью до 450 °С и извлекается на воздух.

Кроме этого, показания термометра зависят от глубины погружения и самонагрева измерительным током. При эксплуатации ЭТС необходимо предохранять от механических и тепловых ударов.

Работы, проведённые во ВНИИМ в 1990-1992 гг, обосновывают возможность применения российских ВТС в диапазоне выше 961,78°С – до 1084 °С (точка затвердевания меди).

Ежегодно для ПТС-25 и ВТС проводится периодическая аттестация.

4. Реперные точки и измерительные схемы

Система реперных точек МТШ-90 предназначена для передачи единицы температуры от первичных термометров вторичным, в данном случае – эталонным платиновым термометрам сопротивления, без их непосредственного сличения. Последнее значительно усложнило бы термометрию, так как работа с газовыми термометрами исключительно сложна и трудоёмка, и задача обеспечения всех местных центров метрологии ЭТС была бы трудновыполнима.

Поэтому в первичной термометрии устанавливают точные значения температур реперных точек, перечень которых регламентирован МТШ-90. Устройства реализации реперных точек могут быть растиражированы и применяться во вторичной термометрии для градуировки ЭТС.

Таблица 1. Основные реперные точки, входящие в состав ГПЭ единицы температуры в диапазоне 0 – 961,78 °С

реперные точки, входящие в состав ГПЭ единицы температуры

Как уже отмечалось, в подавляющем большинстве случаев в качестве реперных точек используются температуры фазовых переходов, – тройные точки индивидуальных веществ или температуры затвердевания (или плавления) чистых металлов. В рассматриваемом диапазоне температур 0 – 961,78 °С используется семь реперных точек – табл. 1.

Чистота металла должна быть не хуже 99,9999% по массе (согласно сертификату завода-изготовителя). При этом, после изготовления ячейки, всё равно проводится контроль фактической чистоты металла по специальной методике.

конструкция ампулы реперной точки

Рис. 3а. Типовая конструкция ампулы реперной точки 

Конструкция ампулы реперной точки для печей ВНИИМ

Рис. 3б. Конструкция ампулы реперной точки для печей ВНИИМ

Термометрия реперных точек осуществляется в ячейках специальной конструкции (рис. 3а, 3б). Металл помещается в графитовые тигли высокой плотности и чистоты. Графит обеспечивает восстановительную атмосферу и препятствует окислению металлов остаточным кислородом. Тигель с металлом находится в герметичной стеклянной (пирекс или кварц) капсуле, которая после откачки заполняется инертным газом (аргон или гелий), причём в точке фазового перехода давление газа должно составлять 101,325 ± 0,1 кПа.

Более точными характеристиками обладают ячейки открытого типа, в которых капсула не запаяна и имеется возможность контроля и регулирования стандартного давления инертного газа 101,325 ± 0,03 кПа в ходе фазового перехода. При их эксплуатации недопустимо попадание внутрь кислорода или паров воды. Внешнее давление очень мало влияет на фазовые переходы жидкость – металл и обратно, но при прецизионных измерениях важно исключить все мыслимые источники погрешностей. В 1999-2001 гг. во ВНИИМ была создана система откачки ампул ГПЭ, заполнения их аргоном и точного регулирования давления в ампулах во время фазового перехода.

Ячейка плавления галлия ( 29, 7646 °C ) изготавливается из фторопласта высокой чистоты, который как нельзя более подходит при таких низких температурах. Ячейка для реализации тройной точки воды представляет собой вертикальный стеклянный цилиндр с закруглёнными верхом и низом (длина – около 40 см, диаметр – около 6 см). По оси цилиндра проходит трубка (диаметр – около 1 см), запаянная во внутренней части и открытая снаружи, через которую осуществляется намораживание льда.

Ячейки фазовых переходов помещаются в печи и термостаты. Температура в термостате должна поддерживаться с точностью ±0,01 K . При плавлении или затвердевании металла образуется граница раздела фаз, имеющая температуру фазового перехода, которая медленно двигается в толще материала (радиальное перемещение). Строго говоря, вдали от этой границы, в жидкой и твёрдой фазе, температура несколько отличается от точки фазового перехода, но тем меньше, чем медленнее протекает процесс (условие равновесного процесса).

Чувствительный элемент ЭТС имеет определённую длину и по факту находится в разных температурных зонах, хотя и отличающихся незначительно. В этом плане крайне важным является обеспечение достаточной изотермической зоны печи, что достигается использованием тепловых труб (термоблоков), находящихся между нагревателями и ячейкой. Особенно это важно при температурах выше 600 °С . Кроме этого, для обеспечения равновесности процесса, затвердевание (или плавление) металла в тигле должно протекать не менее 10 часов. Другие требования, предъявляемые ККТ к реализации реперных точек и обязательные к исполнению национальными метрологическими центрами:

  • температура печи вне ячейки – на несколько кельвинов ниже точки затвердевания;
  • неравномерность температуры по длине тигля – не более 10 мК ;
  • вертикальный градиент температуры в металле по длине чувствительного элемента термометра – не более изменения, обусловленного эффектом гидростатического давления;
  • постоянство температуры по длине 75% площадки затвердевания – не хуже 1 мК (см. рис. 4);
  • снижение температуры площадки затвердевания за 50% времени фазового перехода – несколько десятых мК ;

Помимо этого, в термометрии реперных точек необходимо учитывать гидростатическое давление расплавленного металла и давление газа над металлом (вводятся соответствующие поправки), теплообмен за счет внутреннего отражения от стенок кварцевого корпуса, потери тепла по стержню термометра и нагрев термометра током (последний фактор относится к аппаратной части). Контроль перепада температуры на длине тигля производится при двух разных измерительных токах постепенным, ступенчатым погружением ЭТС в канал ампулы.

Всё это позволяет получить стабильность воспроизведения температуры лучше 1 мК , причём срок службы ячеек при соблюдении всех необходимых условий составляет более 10 лет. Главным же преимуществом использования реперных точек, как уже отмечалось, является отсутствие необходимости непосредственного сличения с первичными термометрами и возможность тиражирования ячеек фазовых переходов. При этом градуировочные установки всё равно остаются сложными и дорогостоящими и требуют высококвалифицированного обслуживания.

Градуировка термометров в реперных точках производится в следующей последовательности:

для ПТС-25: Zn → Sn → In → Ga ;

для ВТС: Ag → Al → Zn → Sn → In → Ga

не менее трёх раз. При этом постоянно контролируется воспроизводимость значений W(T) ; термометры, теряющие свои характеристики, подлежат замене.

Измерение сопротивления ЭТС производится с помощью прецизионных электрических схем, таких, как потенциометрическая схема или схема двойного моста (мост Кельвина). В их состав входят образцовые меры сопротивлений, одиночные и магазинные, прецизионные измерители напряжений (милливольтметры), высокоточные гальванометры, калиброванные соединительные провода и другие элементы.

Температурный коэффициент мер сопротивления – не более 2 ·10-6 Ом / К ; как правило, их материалом является манганин. При этом обеспечивается нестабильность сопротивления ±2·10-8 Ом . Образцовые меры сопротивления, входящие в состав ГПЭ, должны проходить обязательную поверку в лаборатории Госэталонов электрических измерений ВНИИМ один раз в год. Дрейф сопротивления образцовых мер всегда имеет место; этот фактор имеет меньшее значение для всех реперных точек, кроме ТТВ, так как измеряется отношение сопротивлений W(T) .

В качестве измерителей напряжения могут применяться высокоточные цифровые приборы. Замена же общих схем измерения электронными схемами (например, с использованием цифроаналоговых (ЦАП) и аналогово-цифровых (АЦП) преобразователей) пока не представляется возможным, так как они не обладают нужной точностью и стабильностью.

Влияние сопротивления соединительных проводов сводится к минимуму их калибровкой и устройством самих схем измерения, указанных выше.

Также важнейшим фактором является нагрев термометра измерительным током; он сводится к минимуму ограничением тока в 1-2 мА .

5. Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 961,78 до 3000 °С

Государственный первичный эталон единицы температуры (ГПЭ) в диапазоне от 961,78 °С до 3000 °С создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (является частью ГЭТ 34-2007) и хранится в лаборатории Госэталонов и научных исследований в области температурных измерений этого института [21].

Область применения.

Эталон относится к области неконтактной термометрии по тепловому излучению и предназначен для хранения, воспроизведения и передачи единицы температуры эталонам-копиям и другим прецизионным средствам измерения температуры.

Метрологические характеристики эталона.

  1. Погрешность измерений. Суммарная погрешность (среднеквадратические отклонения и неучтённая систематическая погрешность) не превышает ±2 К .
  2. Неопределенность измерений (по международной терминологии) рассчитывается по специальным методикам с учётом множества факторов (бюджет неопределённости) и может достигать ±6 К при высоких температурах (0,2% от верхнего предела).
  3. Указанные значения относятся к реперным точкам серебра, золота и меди; погрешности и неопределенности в остальных точках диапазона рассчитываются математическими методами.

Состав эталона.

Эталон состоит из комплекса следующих основных средств измерений, приборов и установок:

  1. Высокотемпературный излучатель «черное тело», предназначенный для передачи размера единицы температуры.
  2. Фотоэлектрический компаратор яркостей тепловых излучателей.
  3. Излучатель «черное тело», предназначенный для воспроизведения температур затвердевания серебра, золота и меди. Состоит из соответствующих термометрических ячеек для этих трёх металлов, которые помещаются в горизонтальную печь.
  4. Комплект трех температурных ламп, аттестуемых при температурах затвердевания серебра, золота и меди.
  5. Измерительная и вспомогательная аппаратура.

Теоретическое обоснование. Напомним, что абсолютно чёрным телом (АЧТ) называется физический объект, который абсолютно не отражает (то есть полностью поглощает) любое падающее на него излучение, в то время как сам может излучать в соответствии со своей температурой. Таким образом, всё исходящее от него излучение обусловлено только его температурой. Это абстрактное понятие, и в ГЭТ может быть использована только модель АЧТ.

Простейшей моделью является внутренняя часть закрытой со всех сторон камеры с высокой поглощающей способностью. В камере имеется одно небольшое отверстие. Если какое-то излучение извне попадает внутрь через это отверстие, оно может многократно отражаться от внутренних стенок камеры и не выйдет наружу. Сама камера имеет форму цилиндра, параллелепипеда или (реже) сферы.

В применении к полости чёрного тела в виде параллелепипеда закон полного излучения Стефана-Больцмана примет вид:

закон полного излучения Стефана-Больцмана (1)

где c – скорость света, h – постоянная Планка, k – константа Больцмана, V – объём полости чёрного тела. Этот закон может быть получен интегрированием уравнения закона Планка:

закон Планка (2)

который устанавливает связь между энергией излучения Ev в диапазоне частот от v до v + dv и температурой T . Непосредственное применение этих законов могло бы служить основой первичной термометрии в рассматриваемом высокотемпературном диапазоне, но оптические пирометры измеряют не энергию излучения, а его яркость (с соответствующим электрическим выходным сигналом). Эти две величины связаны между собой, но реальные излучатели не в полной мере адекватны модели АЧТ, и прямой пересчёт яркости в температуру сильно зависел бы как от свойств излучателя, так и от устройства самого прибора

Поэтому в оптической термометрии используют не яркости, а их отношение к яркости при температуре какой-то реперной точки), которое выводится из закона Планка (2) делением выражений для двух температур). Таким образом, высокотемпературная термометрия по факту является вторичной, и основывается не на показаниях конкретных приборов, а привязана к температуре реперных точек, что метрологически является более корректным. В МТШ-90 в нижней части диапазона используются три реперные точки, температура которых определена в предыдущем температурном диапазоне шкалы; более высокие температуры, вплоть до 3000 °C , определяются методами экстраполяции.

Принцип действия оптической пирометрии. В основе работы ГЭТ в рассматриваемом диапазоне высоких температур лежит сравнение яркостей излучения измеряемого объекта и накалённой металлической нити (лампы). Накал нити регулируется проходящим через неё током, по которому и можно судить о температуре. Упрощённо такая схема соответствует работе обычного оптического пирометра. Рассмотрим принцип его действия.

Оптическая система пирометра позволяет сформировать в окуляре пирометра фоновое поле яркости, соответствующей удалённому излучающему объекту, температура которого измеряется (рис. 4). То есть яркость фона будет меняться с изменением температуры объекта. (Излучение этого тела проникает в прибор через объектив пирометра). С другой стороны, в прибор вмонтирована лампа с нагреваемой током металлической (чаще всего – вольфрамовой) нитью. Оптическая система пирометра позволяет формировать изображение этой нити в окуляре на фоновом поле излучающего внешнего объекта.

Сравнителем (компаратором) этих двух яркостей выступает человеческий глаз. Если изображение нити ярче фона, то она нагрета сильнее измеряемого объекта, и наоборот. Меняя ток, протекающий через вольфрамовую нить, можно добиться одинаковой яркости двух источников (схема с «исчезающей нитью»). По зафиксированному при этом току можно определить температуру, если пирометр был должным образом проградуирован. Человеческий глаз способен различать яркости, разность которых соответствует примерно 0,5 К , но не может быть использован при высоких яркостях.

Схема оптического пирометра НБЭ с исчезающей нитью

Рис. 4. Схема оптического пирометра НБЭ с исчезающей нитью. А— линза объектива; В — апертурная диафрагма; С — нейтральный фильтр; D — пирометрическая лампа с вольфрамовой нитью; Е — красное стекло; F — линза окуляра; G — выходная диафрагма 

Особенности устройства ГЭТ

В современных приборах, в том числе – в ГЭТ, вместо человеческого глаза используется спектральный компаратор яркостей (СКЯ), электронный прибор, действие которого не требует непосредственного сличения яркостей в одном поле. Их равенство определяется по сигналу фотодиода СКЯ. Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева к 2008 году cоздан спектрокомпаратор с улучшенными метрологическими характеристиками по диапазону, точности и воспроизводимости результатов, и заменивший в ГЭТ предыдущий компаратор. Основным недостатком предыдущей схемы являлся модулятор – зеркало, колеблющееся с высокой частотой. В новом компараторе используется метод замещения, не нуждающийся в модуляторе.

Новая схема представляет собой оптически одноканальный, спектральный с узким участком спектра, радиометрический компаратор. Модернизированный СКЯ предназначен для передачи единицы температуры от первичного эталона эталону-копии, и для построения температурной шкалы МТШ- 90 в указанном диапазоне оптическим методом. При температурах от 800 до 1750 °С измерения проводятся без дополнительных светофильтров, выше – используются ослабляющие светофильтры, при этом верхний предел фактически неограничен. Чувствительность СКЯ составляет 0,02 ÷ 0,05 К для всей области спектра.

Излучатели «чёрное тело» представляют собой графитовые тигли, в которых находится чистый металл (Ag, Au или Cu) в виде цилиндра, по оси которого, внутри металла, помещается полость чёрного тела. Последняя представляет собой тонкостенный полый цилиндр, точнее – стакан, из нержавеющей стали или никеля, перекрытый диском с апертурным отверстием. Внутренняя поверхность полости выполнена рельефной с рассеивающим эффектом (чаще всего в виде мелких пирамидок). Полость имеет малую теплоёмкость и принимает температуру металла (Ag, Au или Cu). Тигли помещаются в горизонтальную печь, конструкция которой позволяет свободно проходить излучению от нагретой металлом полости чёрного тела и фиксироваться СКЯ. В ГЭТ излучатели чёрного тела используются в высокотемпературной области диапазона и в качестве первичных эталонов для трёх указанных реперных точек.

Температурные лампы, калибруемые в реперных точках Ag, Au и Cu, представляют собой запаянные стеклянные сосуды, в которых на специальных электрических подводах (державках) закрепляются вольфрамовые ленты. Последние нагреваются электрическим током, который и регулирует излучение лент. Электрические подводы герметично запаяны в цоколе лампы и выходят наружу.

Конструкция лампы обеспечивает свободное прохождение излучения для его фиксации СКЯ. В месте прохождения излучения колба лампы представляет собой два плоскопараллельных окна, расположенных перпендикулярно друг другу и вольфрамовой ленте, которая натянута между ними. Поверхности окон полированы (рис. 5). Измеряется яркость участка ленты в середине, рядом со специальной меткой (индексом); на задней стенке баллона лампы наносится юстировочная метка в виде креста. При измерении линия, соединяющая эти две метки, должна быть параллельна оптической оси пирометра (СКЯ).

Вольфрамовая ленточная лампа

Рис. 5. Вольфрамовая ленточная лампа, применяемая в качестве воспроизводимого источника теплового излучения для градуировки радиационных пирометров, а также для сличения температурных шкал в области 700—1700 °С (любезно представлено фирмой GEC Со, Лондон). 1 — пирексовая пластинка, расположенная под углом 5° к нормали; 2 — пнрексовая пластинка толщиной 4 мм, расположенная под углом 5° к нормали; 3 — вольфрамовая лента 1,3X0,07 мм; 4 — посеребренная медь; 5 — никель; 6 — небольшая метка; 7—большой двухштырьковый цоколь 

Увеличение и уменьшение температуры лампы должно производиться очень медленно, по специальной методике (время прохождения всего диапазона до верхнего предела – не менее 30 минут). В точке измерения необходима выдержка до 20 мин. Температурные лампы являются вторичными эталонами. Если их проградуировать в трёх реперных точках, то, используя соответствующие интерполяционные формулы, по ним можно построить МТШ-90 в данном диапазоне. Температурные лампы являются более удобными заменителями излучателей чёрного тела, использование которых для передачи температурной шкалы напрямую сопряжено с рядом трудностей. Однако для ламп существует проблема зависимости излучения вольфрама от длины волны, которая в настоящее время решается удовлетворительно.

Порядок передачи единицы температуры. При градуировке первичного эталона, с помощью СКЯ, яркости накала ламп выравниваются с яркостями трёх реперных точек (затвердевание Ag, Au или Cu в ячейках излучателей чёрного тела), и фиксируются силы тока питания вольфрамовой ленты. Измерения проводят не менее 10 раз для каждой лампы при длине волны λ = 0, 6563 мкм и рассчитывают среднее значение. (В других случаях могут использоваться длины волн в диапазоне от 0,5 до 1 мкм ).

По полученным трём точкам строится интерполирующая функция зависимости силы тока от температуры, как полином третьей или четвертой степени. При этом имеет место экстраполяция шкалы в диапазоне от 961,78 до 3000 °С — для излучателей черного тела, и в диапазоне от 961,78 до 2100 °С  — для ламп. В последнем случае для температур от 961,78 до 1500 °С используются вакуумные лампы, а для температур от 1300 до 2100 °С– газонаполненные лампы.

Дискретность значений температур, при которых производится построение шкалы, не должна превышать 100 К . Передачу единицы температуры от первичного эталона эталону-копии, – излучателю АЧТ или температурной лампе, – осуществляют по схожей методике. Измерения проводят не менее трёх раз при трех значениях длины волны ( λ1 = 470 ÷ 550 нм , λ2 = 656,3 нм , λ3 = 850 ÷ 950 нм ).