ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОТОКОЛ

Метрологія-2014
Харків
ИССЛЕДОВАНИЯ КАЛИБРАТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ
ТИПА PEGASUS СО ВСТАВКОЙ «ЧЕРНОЕ ТЕЛО»
Р.П. Сергиенко
ННЦ «Институт метрологии»
61002, Харьков, ул. Мироносицкая, 42, тел. 704-98-00, факс 700-34-47
e-mail: Rymma.Sergiyenko@metrology.kharkov.ua
The results of investigations of the calibrator, which used with blackbody target, are given.
Увеличение парка бесконтактных средств измерения температуры (пирометров)
в стране является предпосылкой для расширения возможностей калибровочных
(поверочных) лабораторий путем оснащения последних соответствующими рабочими
эталонами – излучателями типа «черное тело» (далее – излучатель) [1].
Для лабораторий центров стандартизации, метрологии и сертификации вопрос
выбора излучателя, который потенциально может быть аттестован или поверен в
качестве рабочего эталона, является неоднозначным, поскольку пользователю трудно
определиться с соотношением «цена/качество» [2]. В соответствии с [3], основными
характеристиками излучателя являются: диапазон температур, время выхода на
стационарный режим, нестабильность в стационарном режиме, излучательная
способность, температурная неоднородность полости, отклонение показаний
излучателя от вышестоящего по поверочной схеме эталона. Следует отметить, что ряд
названных параметров формируют, в конечном счете, доверительные границы
погрешности излучателя при заданной доверительной вероятности. Соответствие
перечисленных выше характеристик требованиям, предъявляемым к рабочим эталонам,
является условием необходимым, но недостаточным для того, чтобы конкретный
излучатель мог быть использован по назначению, а именно, для проведения
метрологических работ по поверке (калибровке) пирометров – рабочих средств
измерительной техники (СИТ). Если показатель визирования (оптическая диаграмма)
пирометров не согласуется с геометрией полости излучателя, с диаметром его входной
апертуры на рабочем расстоянии пирометра, то данный излучатель принципиально не
может выполнять функции оборудования, предназначенного для метрологических
работ. Отсутствие в комплекте излучателя как горизонтального, так и вертикального
типов, юстировочного устройства для установки поверяемых пирометров также не
позволит получить достоверных результатов измерений при проведении
метрологических работ.
Наряду с крупногабаритными полостными излучателями зарубежные
производители сегодня предлагают многофункциональные приборы – калибраторы,
которые имеют относительно небольшие размеры и, согласно информации
разработчика, имеют несколько опций применения – для контактной и бесконтактной
термометрии. Для трансформации такого калибратора в излучатель в комплект
поставки обычно входит так называемая вставка типа «черное тело» с необходимыми
комплектующими.
Целью данной работы является оценка возможности использования калибратора
температуры типа PEGASUS в опции «черное тело» в качестве метрологического
оборудования для поверки бесконтактных средств измерения температуры.
Исследования проводились для сухоблочного калибратора, который в опции
«черное тело» комплектуется термопарой типа R, вставкой „черное тело” и
керамической цилиндрической вставкой. Диапазон рабочих температур калибратора,
заявленный производителем, составляет от 150 оС до 1200 оС. Исследования
проводились при условиях окружающей среды, которые предусматриваются
эксплуатационными документами на калибратор. Методика исследований включала:
217
Метрологія-2014
Харків
проверку диапазона температур, определение времени выхода на стационарный режим
и отклонения показаний калибратора от показаний вторичного эталона, апробацию
методики поверки рабочих СИТ – пирометров с применением данного калибратора в
опции «черное тело».
Схема эксперимента представлена на рис. 1.
Пирометр TRIRAT
Колодец калибратора
Термопара типа R
Керамическая вставка
Вставка «черное тело»
Рис. 1 – Схема эксперимента при исследованиях калибратора
Для исследований применялось оборудование из состава вторичного эталона
единицы температуры ВЕТУ 06-03-02-98, в частности, эталонный пирометр
TRIRAT MT с рабочей длиной волны 3,9 мкм. Поскольку в комплекте поставки
отсутствовало приспособление для установки
и юстирования пирометров по
оптической оси калибратора, которая в данном случая является вертикальной,
использовалось специальное юстировочное устройство из состава ВЕТУ 06-03-02-98
для вертикального крепления пирометра TRIRAT над колодцем калибратора. Диаметр
площадки на дне вставки «черное тело», которую визировал пирометр на своем
рабочем расстоянии, составлял 5 мм, при этом внутренний диаметр вставки составляет
19,8 мм. Значение излучательной способности, установленное в эталонном пирометре
во время исследований, составляло ε =1,0.
Результаты опробования калибратора в собранном виде в режиме измерения
температуры полости вставки «черное тело» эталонным пирометром оказались
неудовлетворительными. Это объясняется, прежде всего, тем, что часть термопары
выступает над рабочим объемом калибратора (рис. 1) и таким образом находится в
конусе потока излучения, которое приходит из полости вставки и попадает в объектив
пирометра. Вследствие этого показания не только эталонного пирометра, но и
рабочего СИТ при поверке будут недостоверными. В связи с этим ряд последующих
измерений выполнялся при отсутствии термопары во вставке, а за показания
калибратора принимались показания на дисплее контроллера калибратора.
Второй причиной негативных результатов оказалась геометрия конструкции –
тандема собственно вставки «черное тело» с расположенной над ней цилиндрической
керамической вставкой. Как видно из рис. 2, за границами керамической вставки
наблюдается дугообразная зона дополнительного излучения, которое может попасть на
приемник пирометра, таким образом, любое изменение положения керамической
вставки приведет к изменению (невоспроизводимости) показаний пирометра.
На рис. 3 приведена кривая выхода калибратора на режим 1200 оС,
соответствующий верхней границе заявленного температурного диапазона. Как можно
видеть, показания индикатора (с подсоединенной термопарой типа R, ряд 1 на рис. 3)
не достигают 1200 оС за почти 4-хчасовый интервал времени.
218
Метрологія-2014
Харків
Керамическая вставка
Место для термопары
Рис. 2 – Вид калибратора сверху со вставками в нагретом состоянии
Рис. 3 – Выход калибратора на режим 1200 оС
На рис. 4а, 4б и 4в приведен вид кривых выхода калибратора на номинальные
стационарные режимы 500 оС, 780 и 980 оС, соответственно, от температур 210 оС,
23 оС и 780 оС.
а
Рис. 4а – Выход калибратора на режим 500 оС
219
Метрологія-2014
Харків
б
в
Рис. 4б и 4в – Выход калибратора на режимы 780 оС и 980 оС
На рис. 4 «ряд 1» соответствует показаниям эталонного пирометра TRIRAT, а
«ряд 2» – показаниям контроллера калибратора. В таблице 1 приведены результаты по
определению времени выхода калибратора на соответствующие номинальные
стационарные температурные режимы.
Таблица 1 – Результаты определения времени
выхода калибратора на номинальный стационарный режим
Время выхода на
От температуры, оС До температуры, оС
режим, минуты
23,0
210,0
120
210,0
500,0
100
25,0
780,0
120
780,0
980,0
90
Не выходит на
23,0
1200,0
режим
Термин «номинальный» подразумевает, что на контроллере калибратора
задавались значения температур, указанные в среднем столбце табл. 1. Из рис. 4в явно
видно, что задание температуры 980 оС не гарантирует реального достижения этой
температуры в полости вставки «черное тело». Результаты определения отклонений
показаний калибратора от показаний вторичного эталона ВЕТУ 06-03-02-98 приведены
в таблице 2, где ΔДГ – доверительная граница погрешности, Р – доверительная
вероятность.
220
Метрологія-2014
Харків
Таблица 2 – Результаты определения отклонений
показаний калибратора от ВЕТУ 06-03-02-98
Показания
Требования к ΔДГ
Температура по
Отклонение
по дисплею контроллера
для рабочих
ВЕТУ 06-03-02-98
Δотк = Тк – ТВЕТУ
калибратора
эталонов
(Р=0,95),
о
ТВЕТУ, оС
С
о
о
Тк, С
С
209,2
210,0
0,8
±1,1
497,6
500,0
2,4
±2,5
772,8
780,0
7,2
±3,9
963,8
980,0
16,2
±4,9
1200,0
--±6,0
Апробация методики поверки рабочих СИТ [4, 5] на данном калибраторе
привела к неудовлетворительным результатам. Оптические диаграммы (показатели
визирования) инфракрасных пирометров с верхней границей диапазона 500 оС – 600 оС
не согласуются с размерами (входной апертурой) полости «черное тело», а именно, не
удовлетворяют требованиям [4, 5] относительно того, что диаметр площадки
визирования пирометра в плоскости выходного отверстия вставки „черное тело”
должен быть в 1,5 – 2 раза меньше диаметра выходного отверстия на рабочем
расстоянии пирометра. Другими словами, оптическая система пирометра при
визировании им полости вставки «черное тело» захватывает области излучения,
которые находятся за границами полости, что приводит к некорректным результатам
измерений.
Еще раз отметим, что измерения с помощью пирометра ВЕТУ 06-03-02-98 были
проведены при отсутствии в колодце калибратора термопары типа R (рис. 1) и одном
«зафиксированном» положении цилиндрической керамической вставки относительно
вставки «черное тело» (рис. 2). Из рис. 2 очевидно, что демонтаж вставок,
транспортировка калибратора и повторное размещение вставок в колодце калибратора
не дадут воспроизводимости первоначального положения этих вставок и, как следствие
приведут к невоспроизводимости измерений температуры вставки «черное тело»
каким-либо пирометром.
Таким образом, результаты, полученные в ходе исследований, свидетельствуют
о том, что характеристики данной малогабаритной конструкции калибратора со
вставкой «черное тело» не соответствуют уровню излучателей – рабочих эталонов по
ДСТУ 3194.
Список литературы
1. ДСТУ 3194:2005. Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювання
температури. Безконтактні засоби вимірювання температури.
2. Волошин М.В. Исследование влияния параметров излучателей на их метрологические характеристики // Метрологія та вимірювальна техніка: Наук. праці VIII Міжн.
наук.-техн. конф. „Метрологія-2012” – Харків: ННЦ «Інститут метрології», 2012. С. 272-275.
3. МПУ 06-008-2009. Метрология. Излучатели в виде моделей абсолютно черного
тела – рабочие эталоны. Методика поверки.
4. МПУ 06-078:2012. Метрологія. Пірометри часткового випромінення із цифровою
індикацією температури. Методика повірки.
5. МП Х 05.1812-2007. Пірометри НИМБУС. Методика повірки
221