Страница 3: ГОСТ 8.157-75. Государственная система обеспечения единства измерений. Шкалы температурные практические (68890)

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Таблица значений №_ст (Г) для температур реперных (постоянных) точек

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Температурные зависимости давления насыщенных паров равновесного водорода, неона, кислорода и воды ро = 1О1,325 кПа (760 мм рт. ст.)

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 к ГОСТ 8.157—75 Справочное

СРЕДСТВА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МПТШ—68

Измерение температур по МПТШ—68 с высокой точностью должно вы­полняться с «соблюдением требований, изложенных в настоящем приложении. Описанные ниже правила и рекомендации по осуществлению температурной шкалы соответствуют практике ведущих термометрических лабораторий. При­ложение содержит описание приборов и методов, применение которых обеспе­чивает измерения температур на эталонном уровне точности.

1. Эталонный термометр сопротивления

Эталонный платиновый термометр сопротивления должен быть сконструи­рован и изготовлен таким образом, чтобы четырехпроводный чувствительный элемент был крк можно свободнее от натяжений и оставался таким во время работы. Чувствительные элементы эталонных термометров изготовляют из платиновой проволоки постоянного диаметра от 0,05 до 0,5 мм, причем корот­кий участок каждого вывода, примыкающего к спирали, делают из платины.

Значение R (0°С) термометра обычно составляет 25 Ом, а сила измеритель­ного тока такого термометра обычно равна 1 или 2 мА. Детали термометра, находящиеся в непосредственной близости к чувствительному элементу, изго­товляют из чистых материалов, не реагирующих с платиной.

Во время изготовления термометра рекомендуется, чтобы его гильза была вакуумирована при нагреве примерно до 450°С, затем заполнена сухим газом и герметически запаяна. Желательно, чтобы в газе, заполняющем Термометр, присутствовал кислород: он создаст для остатков примесей в платине окисли­тельную среду. По окончании изготовления чувствительный элемент следует стабилизировать нагреванием при температуре, превышающей максимальную, на которую он рассчитан, и во всяком случае не ниже

Сопротивление изоляции каркаса и крепежных деталей должно быть дос­таточно высоким во избежание значительного шунтирования сопротивления термометра. Например, должны быть приняты меры предосторожности, чтобы избежать конденсации водяных паров в пространстве между выводами при ра­боте термометра в условиях низких температур, а также чтобы избежать воз­можных утечек в самих изоляционных материалах, используемых в термомет­ре при высоких температурах. _х

В качестве изоляционных материалов применяют слюду, кварц и окись алюминия, которые обычно обеспечивают необходимую изоляцию вплоть до Z = 5(KrC. Однако, когда температура приближается к 630°С, условия стано­вятся более трудными и могут легко возникать ошибки порядка 1 мК или боль­ше. В случае применения слюды создается дополнительная трудность, так как, если слюду нагревать до температуры выше 450°С, может образоваться значи­тельное количество воды. Воду необходимо периодически устранять откачкой или осушением, иначе изоляция чувствительного элемента будет быстро ухуд­шаться.

Чтобы обеспечить необходимую стабильность сопротивления эталонного платинового термометра и температурного коэффициента его сопротивления, чувствительный элемент следует сохранять как можно дольше в отожженном состоянии. Изменение сопротивления термометра может возникнуть как из-за наклепа, вызываемого обычным обращением с термометром, так и из-за быстрого охлаждения, если термометр быстро перенести из среды с температу­рой выше 500°С в среду комнатной температуры. В последнем случае сопротив­ление термометра возрастает из-за вызванных мгновенным охлаждением не­равновесных концентраций дефектов кристаллической решетки И сохраняется таким до тех пор, пока термометр остается при температуре ниже 200°С. Большую, часть сопротивления, возникающего из-за наклепа, ц сопротивление, вызываемое мгновенным охлаждением, можно устранить отжигом при темпе­ратуре 500^сС за 30 мин.

Значительные ошибки могут быть вызваны радиационными потерями из-за полного внутреннего отражения- в конструкционных деталях термометра, осо­бенно,если они из кварца. Такие потери в гильзе, а не во внутренних деталях можно предотвратить чернением внутренней поверхности гильзы (например, суспензией коллоидного графита) или обработкой поверхности гильзы песком, что сделает ее матовой.

Глубину погружения термометра, обеспечивающую устранение погрешнос­ти из-за теплопередачи, устанавливают испытаниями. Для этого достаточно убе­диться в том, что наблюдаемый температурный градиент при воспроизведении точки затвердевания металла соответствует температурному градиенту, ожида­емому в этой,точке из-за гидростатического давления в соответствии с табл. 1' настоящего приложения.

Для температур ниже 90К обычно используют короткий платиновый термо­метр сопротивления диаметром не .более 5 мм и длиной не более 60 мм, ко­торый может быть целиком погружен в среду с однородной температурой. Теплопередачи по проводам в этом случае избегают, прикрепив их к подходя-, щему охранному кольцу. Чтобы получить хороший тепловой контакт между чувствительным элементом и окружающей средой, этот элемент помещают- в тонкостенную (толщина стенки,— О.,25 мм) гильзу обычно из платины, напол­ненную гелием.

Полезным критерием эффективности отжига и стабильности термометра является постоянство его сопротивления при температуре реперной точки. Для этой цели обычно используют тройную точку воды (273,16К) и точку кипения гелия (4.215К). Первая удобна для большинства высокотемпературных термо­метров, а вторая не только легко, реализуете^ для термометров, встроенных в криогенную аппаратуру, но и имеет дополнительное преимущество — относи- , тельно малую чувствительность к изменениям температуры. Практикой уста­новлено, что изменение сопротивления в тройной точке воды не должно пре­вышать 4 • Ь0~^г> /?(0°С) (эквивалентно—1 мК Лри температуре выше 40К) для серийных высокотемпературных термометров и 5 - 10—(0°С) для самых луч­ших- термометров при условии крайне осторожного обращения с ними. Для термометров, используемых только при температурах до 100°С или ниже, из­менение сопротивления в тройной точке воды не должно превышать 5 • 10-’ /?((УС).

Небольшое повышение температуры термометров, вызванное измеритель­ным током, может быть определено измерениями его сопротивления при двух значениях силы тока,-

2. Эталонный термоэлектрический термометр

Термоэлектрические термометры, используемые в качестве эталонных, из­готовляют, из проволоки поетоянного диаМетра от 0,35 до 0,65 мм. Электроды термометра должны быть тщательно отожжены, чтобы при его использовании обеспечивалось постоянство электродвижущей силы. Для этой цели необходи­мо нагреть платиновую проволоку до температуры не менее 1100°С, а платино- родиевую проволоку — до 1450°С. Если отжиг проведен до того, как электроды помещены в изолирующую арматуру, то после этой процедуры термометр не­обходимо снова нагреть до температуры не менее 1100⁴С и отжигать до тех пор, пока электродвижущая сила не стабилизируется и не будут устранены местные негомогенности, вызванные натяжением. Это можно считать выпол­ненным, если электродвижущая сила термометра не изменяется при изменени-

•

ях температурных градиентов вдоль электродов. Например, электродвижущая сила не должна изменяться по мере увеличения глубины погружения термо­электрического термометра в среду однородной температуры.

3. Давление

Обычно давление определяют по показаниям ртутного манометра. При этом средняя плотность чистой ртути, если ее температура находится в ин­тервале от 0 до 40°С и если столб ртути соответствует давлению р, которое не­обходимо измерить, выражается с достаточной точностью формулой

/ . Р р(2О°С, ро)

Р| ' о J Г I Р 1 ’

' ² ' (1+Д(1—2іО°С)+В(1—20°С)²1 1-х1у-ро1

где .4 = 18115- Ю-^С-¹;

В = 0,8- 10-в°С-²; ’

X —4,0 • 10-’¹

Па^-1 = 5,3-

10'⁹—

мм рт. ст.

р(20°С, р₀)= 13545,87 кг/м³ —• плотность чистой ртути при температуре / = 20°С и при давлении ро= 101,325 кПа (760 мм рт. ст.).

• Достаточно точное значение местного ускорения свободнЪго падения мо­жет быть получено Потсдамской системой и при введении поправки, равной —14-10-¹²³⁴ м/с².

Гидростатическое давление, возникающее в ваннах для реализации репер­ных точек, может вызвать небольшие, но подлежащие учету температурные эффекты; они указаны в табл. 1,

работать с ними указанным способом, расхождения в полученных температу­рах не должны превышать 0.2' мК. Значительное повышение температуры термометра выше температуры тройной точки воды может быть вызвано искус­ственным или солнечным светом, подающим на амйулу/в связи с чем рекоменду­ется проводить измерения в ампулах, достаточно защищенных от излучения.

Различное содержание изотопов в природной воде может вызвать замет­ные расхождения в значениях температуры тройной точки. Океанская вода со­держит около 0,016 моля дейтерия ²Н на 100 молей водорода 44; 0,04 моля ^Г'О и 0,2 моля ’“О на 100 молей ^1вО. Такое содержание тяжелых изотопов по существу самое высокое, которое может встречаться в. природной воде. Конти­нентальные поверхности воды обычно содержат около 0,Oil 5 моля ²Н на 100 молей 41; вода, поступающая от полярных снегов, может иногда содержать всего лишь 0,04 моля ²Н на 100 молей ‘Н.

Операция по очистке воды может слегка изменить ее изотопный состав, а изотопный состав поверхности раздела вода — лед несколько зависит 'от тех­нологии охлаждения воды. Изменение изотопного состава воды, обусловлен­ное увеличением содержания дейтерия ²Н на 0,001 моля (при расчете на 100 молей ’Н), соответствует повышению температуры тройной точки воды на 0,040 мК. Таковым и является расхождение между температурами тройных то­чек океанской и обычной континентальной поверхностной воды. Максимальное расхождение В температурах тройных точек природной воды составляет 0,250 мК.

5. Тройная точка, точка 17,042К и точка пиления равновесного водорода

Водород имеет две молекулярные модификации (обозначается приставка­ми «орто» и «пара»); их наличие объясняется различными относительными ориентациями двух ядерных спинов в двуатомных молекулях. Равновесная орто—пара концентрация зависит от температуры и при комнатной темпера­туре соответствует примерно 75% ортоводорода и 25% пароводорода (так на­зываемый нормальный водород). После ожижения это соотношение медленно меняется со временем; соответствующие изменения происходят и в физических свойствах водорода. В точке кипения равновесная концентрация соответствует 0,2і % орто- и 99,79% пароводорода. Температура кипения водорода этого сос­тава («равновесного») ниже температуры кипения нормального водорода пример­но на 0,12 К. (Название «равновесный водород» означает, что водород имеет свою равновесную орто—пара концентрацию при данной температуре). Чтобы избежать ошибок при реализации реперных точек водорода, вызываемых не­определенным орто—пара составом, рекомендуется использовать равновесный водород, конвертированный катализатором, например, гидроокисью железа. При этом следует использовать водород высокой химической чистоты, которая достигается диффундированием его через палладий.

Температура равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами водорода может быть реализована использованием достаточного количества жидкого водорода в присутствии какого-либо катализатора в полости медного блока, в который вмонтированы платиновые термометры сопротивления и ко­торый находится в вакууме. Температуру блока понижают до тех пор, пока водород не затвердеет. Затем температуру медленно повышают и наблюдают переход в тройной .точке. Горизонтальный участок кривой «время—температу­ра» может быть постоянным до 0,1 мК в течение 30 мин или более.

Температуру равновесия между жидким и газообразным водородом обыч­но реализуют статическим методом. В соответствии с этим методом в блоке из металла,’ обладающего высокой теплопроводностью, имеется полость, в ко­торой создается и поддерживается температура, близкая к точке кипения (пог­ружением блока в жидкий водород). Чтобы избежать температурных градиен­тов из-за гидростатического давления, с жидким водородом соприкасается верх­няя плоскость блока, а нижняя часть блока защищена вакуумной рубашкой.. Полость в блоке содержит небольшое количество очень чистого жидкого водо­рода при наличии какого-нибудь катализатора. Давление паров водорода, на­ходящегося в полости, передается по капилляру (из материала с низкой тепло­проводностью) к манометру,- находящемуся вне криогенной части установки.