Термометр може бути проградуйованим для застосування або в усьому зазначеному температурному діапазоні, або в разі використання для градуювання щоразу меншої кількості реперних точок для піддіапазонів із однаковою нижньою границею 0 °С та верхньою границею 660,323; 419,527; 231,928; 156,5985 або 29,7646 °С:
піддіапазон від 0 °С до точки тверднення алюмінію (660,323 °С)
У цьому температурному піддіапазоні градуювання термометра виконують у потрійній точці води (0,01 °С), точках тверднення олова (231,928 °С), цинку (419,527 °С) і алюмінію (660,323 °С)
Функцію відхилення визначено формулою (21) за d = 0. Значення коефіцієнтів а, b та с визначають за результатами вимірювань у реперних точках;
піддіапазон від 0 °С до точки тверднення цинку (419,527 °С)
У цьому температурному піддіапазоні градуювання термометра виконують у потрійній точці води (0,01 °С), точках тверднення олова (231,928 °С) і цинку (419,527 °С).
Функцію відхилення визначено формулою (21) за с = d = 0. Значення коефіцієнтів а та b визначають за результатами вимірювань у реперних точках;
піддіапазон від 0 °С до точки тверднення олова (231,928 °С)
У цьому температурному піддіапазоні градуювання термометра виконують у потрійній точці води (0,01 °С), точках тверднення індію (156,5985 °С) і олова (231,928 °С).
Функцію відхилення визначено формулою (21) за с = d = 0. Значення коефіцієнтів а та b визначають за результатами вимірювань у реперних точках;
піддіапазон від 0 °С до точки тверднення індію (156,5985 °С)
У цьому температурному піддіапазоні градуювання термометра виконують у потрійній точці води (0,01 °С) і точці тверднення Індію (156,5985 °С).
Функцію відхилення визначено формулою (21) за b = с = d = 0. Значення коефіцієнта а визначають за результатами вимірювань у реперних точках;
піддіапазон від 0 °С до точки плавлення галію (29,7646 °С)
У цьому температурному піддіапазоні градуювання термометра виконують у потрійній точці води (0,01 °С) і точці плавлення галію (29,7646 °С)
Функцію відхилення визначено формулою (21) за b = с = d = 0. Значення коефіцієнта а визначають за результатами вимірювань у реперних точках.
У діапазоні від потрійної точки ртуті (мінус 38,8344 °С) до точки плавлення галію (29,7646 °С) стандартну функцію визначено двома рівняннями: нижче 0,01 °С — рівнянням (13), вище — рівнянням (19).
У цьому температурному діапазоні градуювання термометра виконують у потрійних точках ртуті (мінус 38,8344 °С), води (0,01 °С) і точці плавлення галію (29,7646 °С).
Функцію відхилення у всьому діапазоні визначено формулою (21) за с = d = 0. Значення коефіцієнтів а та b визначають за результатами вимірювань у реперних точках.
Діапазон вище точки тверднення срібла (961,78 °С). Закон випромінення Планка.
Вище точки тверднення срібла (961,78 °С) визначення Т90 базується на законі випромінення Планка для монохроматичного випромінення.
При цьому застосовують одну з трьох реперних точок, перелічених нижче:
точка тверднення срібла Т90 (Ад) = 1234,93 К;
точка тверднення золота Тэо (Au) = 1337,33 К;
точка тверднення міді Т90 (Си) = 1357,77 К.
Температуру Т90 обчислюють зі співвідношення:
^-х(7~9о) _ ехР (СгІ^-ТдоС*)! 1)~1 (22)
^•л 1^90 (х)3 ехр(С2[ХТ90] 1)-1
де Lx(T90) і /_х(Т90 (х)) — спектральні щільності енергії випромінення чорного тіла для довжини хвилі (у вакуумі) X за температур Т90 і Т90(х) відповідно.
Т90(х) — температура будь-якої з трьох реперних точок, перелічених вище (х позна
чає Ag, Au, Си відповідно);
С2 — стала, значення якої дорівнює 0,014388 м • К.
Відтворення МТШ-90 здійснюється апаратурою, методами, технологією реалізації реперних точок та еталонними термометрами, що відповідають рекомендаціям, наведеним у додатку А. Більш докладну інформацію щодо цього питання наведено в бібліографії [2,3] (додаток В).
Розбіжності між МТШ-90 та попередніми температурними шкалами МПТШ-68 і ТТШ-76 наведено в додатку Б. Кількість значущих цифр, наведених у таблиці Б1, дає змогу здійснювати плавну інтерполяцію
.ДОДАТОК А
(довідковий)
ЗАСОБИ ДЛЯ ВІДТВОРЕННЯ МТШ-90
А.1 Загальні положення
Для вимірювань температур за МТШ-90 із високою точністю необхідно додержуватись вимог цього додатку. Правила і рекомендації щодо реалізації температурної шкали, які наведено нижче, відповідають практиці провідних термометричних лабораторій. У додатку описано засоби вимірювальної техніки і методи, застосування яких забезпечує вимірювання температури на еталонному рівні точності.
А.2 Кріогенні реперні точки (водню, неону, кисню, аргону)
А.2.1 Загальні рекомендації
Температуру потрійної точки речовини, тобто рівноваги між її твердою, рідкою і параподібною фазами, можна відтворювати як за методикою плавлення, так і за методикою тверднення. У разі використання методики плавлення речовина у вихідному стані перебуває у твердій та параподібній фазах, і трифазна рівновага виникає з появою третьої (рідкої) фази. Якщо ж використовують методику тверднення, речовина у вихідному стані перебуває в рідкій та параподібній фазах, і трифазна рівновага виникає з появою третьої (твердої) фази. Температуру потрійних точок кріогенних газів (водню, неону, кисню, аргону), як правило, відтворюють за методикою плавлення.
Для реалізації цих реперних точок можна використовувати як герметичні, так і негерметичні чарунки (ампули). У другому випадку до чарунки приєднано систему регулювання подавання чистого газу і контролю його тиску. В останні роки переважно використовують герметичні чарунки.
Герметична чарунка повинна бути сконструйована таким чином, щоб вона була тривкою до впливу тиску газу, що відповідає максимальній температурі, за якої вона може перебувати в процесі експлуатації і збереження (за кімнатної температури це звичайно — від 0,5 до 15 МПа).
Оскільки переважно використовують методику плавлення, теплоємність чарунки не має істотного значення — вона важлива у разі використання методики тверднення внаслідок ефекту переохолодження, що спостерігається в цьому випадку. Від негерметичних чарунок не вимагають особливої міцності, отже вони можуть мати теплоємність значно меншу ніж теплоємність герметичних чарунок (відносно порівняної кількості термометричної речовини).
Оскільки теплопровідність рідких газів дуже низька, конструкція чарунки повинна забезпечувати максимально можливе зменшення теплового опору між термометром і термометричною речовиною. У внутрішню порожнину чарунки щільно встановлюють мідний блок, у який із використанням спеціального мастила встановлюють низькотемпературні платинові термометри опору капсульного типу.
Для мінімізації температурних градієнтів теплові потоки в чарунці повинні бути надзвичайно малі, для чого чарунка оточена одним або кількома тепловими екранами, температуру яких контролюють і регулюють за допомогою спеціальних терморегуляторів. Вся конструкція розміщена у вакуумній камері, яку звичайно занурюють у кріогенну рідину (для потрійної точки аргону це, як правило, рідкий азот, для інших реперних точок — рідкий гелій).
Герметичні чарунки потрійних точок аргону і кисню для платинових термометрів опору стрижневого типу як за конструкцією, так і за принципом дії аналогічні чарункам для термометрів капсульного типу, але повинні бути значно довшими, щоб забезпечити необхідну глибину занурення термометра. Крім того потрібно вживати спеціальні заходи для мінімізації градієнтів температури в чарунці. До показів термометрів слід вводити поправки із врахуванням впливу гідростатичного тиску.
Рівноважна температура потрійної точки речовини Т відповідає фізичному співіснуванню трьох фаз, тобто реалізується на поверхні розділу парової фази з двома іншими фазами. Нижче поверхні розділу температура Т змінюється під впливом гідростатичного тиску і на глибині h від поверхні обчислюється за формулою:
T=Tp+ B-h, (А.1)
де Тр — установлене МТШ-90 рівноважне значення температури реперної точки, наведене в таблиці 1;
В — коефіцієнт, що враховує вплив гідростатичного тиску. Значення В для різних речовин наведено в таблиці 2.
Реалізацію потрійної точки кріогенного газу здійснюють таким чином. Температуру чарунки знижують доти, доки термометрична речовина цілком не затвердіє. Потім температуру повільно підвищують і досягають того, щоб під час наближення до температури потрійної точки дрейф температури становив не більше ніж 5 мК/год.
В умовах сталого температурного дрейфу здійснюється плавлення термометричної речовини через подавання послідовних теплових імпульсів. Величина кожного теплового імпульсу повинна становити від 1 % до 10 % повної теплоти плавлення речовини.
Після кожного імпульсу в сталому тепловому режимі виконують вимірювання рівноважної температури. Помітне зменшення змінення рівноважної температури після дії чергового імпульсу вказує на початок процесу плавлення. Оптимальні параметри теплового імпульсу, а також час, необхідний для встановлення теплової рівноваги після його дії, визначають дослідами індивідуально для кожного газу. У разі правильної методики відтворення потрійної точки після повного розплавлення речовини температурний дрейф має залишатися на тому самому рівні (приблизно 5 мК/год).
У процесі реалізації потрійної точки креслять графік залежності рівноважної температури від частки F розплавленої речовини (або від 1/F), за допомогою якого потім визначають відтворюване значення температури потрійної точки. Відповідно до міжнародної метрологічної практики в галузі термометрії застосовують два основні методи його визначення. Перший метод полягає у вилученні початкових і кінцевих 15 % графіка залежності температури від 1/F і визначенні відтворюваного значення температури потрійної точки як середнього значення температури, розрахованого в межах 70 %, що залишилися. Коли використовують другий метод, частина графіка, що міститься між 1/F = 5 і 1/F = 2, лінійно екстраполюється до значення 1/F =1 (100 % розплаву), і одержане значення температури Т100о/о вважають температурою потрійної точки.
Потрійні точки водню, неону, кисню та аргону, а також дві точки кипіння водню (близько 17 і 20,3 К) використовують для градуювання платинових термометрів опору капсульного типу. Потрійну точку аргону і, часом, кисню використовують для градуювання платинових термометрів опору стрижневого типу. Потрійні точки рівноважного водню і неону є двома з трьох точок, у яких виконують градуювання газового термометра.
А.2.2 Потрійна точка (13,8033 К) і точки, що визначаються за тиском насиченої пари (= 17,035 і 20,27 К) рівноважного водню
Водень має дві молекулярні модифікації, що позначаються префіксами орто- і пара-, (хню наявність обумовлено різними відносними орієнтаціями спинів у двоатомних молекулах: в орто- водню спини двох протонів паралельні, у параводню — протилежно спрямовані або антипара- лельні.
Рівноважна концентрація орто- і парамодифікацій водню залежить від температури: зі зниженням температури частка ортоводню меншає, а параводню більшає. Термін "рівноважний водень" означає, що водень має концентрацію орто- і парамодифікацій, що відповідає його температурі.
За кімнатної температури рівноважна концентрація становить 75 % ортоводню і 25 % параводню (так званий “нормальний" водень). Після скраплення співвідношення модифікацій повільно змінюється з часом; відповідно змінюються і фізичні властивості водню.
У точці кипіння рівноважна концентрація відповідає 0,21 % орто- і 99,79 % параводню. Температура кипіння цього рівноважного водню нижча ніж температура кипіння нормального водню приблизно на 0,12 К. Щоб уникнути помилок під час реалізації реперних точок водню, що обумовлені невизначеним орто- параскладом, рекомендується використовувати рівноважний водень, конвертований каталізатором, наприклад, дрібним порошком гідрооксиду заліза. При цьому слід використовувати водень високої хімічної чистоти, якої досягають дифундуванням його крізь паладій. Каталізатор необхідно активізувати нагріванням у вакуумі за 115 °С протягом не менше ніж 24 год. Як каталізатор можна також використовувати оксид хрому або оксиди залізонікелевих сплавів. Найбільш ефективний як каталізатор гідрооксид заліза у разі його безпосереднього контакту з рідким воднем.
Нормальний ізотопний склад водню: 0,15 ммоля дейтерію 2Н на 1 моль водню. Можливе ізотопне фракціонування водню, яке може спричинити різницю в 0,4 мК між точкою роси (температура утворення рідкої фази) і точкою кипіння (температура утворення парової фази). На практиці використовується точка кипіння, тому що дія каталізатора ефективніша у разі його контакту з рідкою, а не параподібною фазою.Відтворення температури рівноваги між рідким і параподібним воднем звичайно здійснюється статичним методом із використанням конденсаційного термометра. Основним елементом термометра є конденсаційна камера, виконана як порожнина в блоці з металу, який має високу теплопровідність (наприклад, високочистої безкисневої міді). У цьому ж блоці якнайближче до порожнини роблять отвори для встановлення еталонних платинових термометрів опору, змонтованих у щільно пригнаних гніздах. Зануренням блока в рідкий водень у компенсаційній камері створюється і за допомогою терморегулятора підтримується температура, близька до точки кипіння водню. При цьому для мінімізації температурних градієнтів, обумовлених гідростатичним тиском, із рідким воднем стикається тільки верхня частина блока, а нижню його частину захищено вакуумною оболонкою. Весь пристрій, оточений декількома радіаційними екранами, розташовано всередині вакуумної камери.
