Длина имеет значение: особенности поверки и испытаний «коротких» термоэлектрических преобразователей

Преобразователи термоэлектрические (далее – ТП) с металлическими термопарами в качестве чувствительных элементов являются одними из наиболее распространенных средств измерений температуры как в промышленных, так и в лабораторных условиях. Основное преимущество ТП по сравнению с другими средствами измерений температуры состоит в том, что они имеют наиболее широкий диапазон измерений температуры – от минус 270 до плюс 2500 ºС, что позволяет находить им широкий спектр применения. В Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений зарегистрировано более 700 утвержденных типов ТП. За последние четыре года утверждено порядка 70 типов ТП, треть из которых утверждена на основании испытаний, проведенных ООО «ИЦРМ».

Рассмотрим нормативные документы, распространяющиеся на ТП, изготавливаемые и эксплуатируемые на территории Российской Федерации. Технические требования, которым должны соответствовать ТП, устанавливает ГОСТ 6616-94 «Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия». Номинальные статические характеристики (НСХ) преобразования термопар, являющихся чувствительными элементами ТП, регламентированы ГОСТ Р 8.585-2001 «ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования». Методику первичной и периодической поверок ТП по ГОСТ 6616-94 устанавливает ГОСТ 8.338-2002 «ГСИ. Преобразователи термоэлектрические. Методика поверки».

Установление в качестве документа, по которому осуществляется поверка, государственного стандарта имеет свои существенные плюсы, так как позволяет испытательному центру избежать затрат времени на разработку индивидуальной методики поверки, а заказчику, соответственно, сократить расходы на утверждение типа средства измерений. Проблема состоит в том, что ГОСТ 6616-94 устанавливает в качестве рекомендуемых значения длины погружаемой части ТП от 10 мм и более, при этом ГОСТ 8.338-2002 на методику поверки распространяется только на ТП с длиной погружаемой части не менее 250 мм (к слову, и диапазон измерений температуры в нем весьма ограничен – от 0 до плюс 1800 ºС). Все ТП, не подпадающие под указанные критерии, требуют разработки индивидуальной методики их поверки. Связано это с техническими возможностями и конструкцией термостатов и печей, указанных в ГОСТ 8.338-2002 в качестве вспомогательных средств поверки: водяные, паровые и масляные термостаты никак не ограничивают длину поверяемых ТП, но имеют существенные ограничения по максимальной воспроизводимой температуре – плюс 300 ºС. Поверка при более высоких температурах осуществляется с применением трубчатых печей, обеспечивающих максимальную рабочую температуру до плюс 1800 ºС, но длина их рабочего пространства не позволяет поверять ТП с длиной погружаемой части менее 250 мм, так как их рабочий конец не будет доходить до рабочей зоны печи, в которой будет реализована заданная температура. Кроме того, все наиболее часто применяемые термостаты сухоблочного типа также рассчитаны на ТП с длиной погружаемой части не менее 100-200 мм.

Следует отметить, что, помимо ГОСТ 8.338-2002, существует еще один довольно распространенный документ, который можно устанавливать в качестве методики поверки ТП. Этим документом является рекомендация МИ 3090-2007 «ГСИ. Преобразователи термоэлектрические с длиной погружаемой части менее 250 мм. Методика поверки». Для наглядности основные различия между ГОСТ 8.338-2002 и МИ 3090-2007 сведены в таблицу, представленную ниже. Документ МИ 3090-2007 распространяется на ТП с длиной погружаемой части от 20 до 250 мм, предназначенные для измерений температуры от минус 40 до плюс 800 ºС.

Указанные ограничения по длине и температуре связаны с возможностями применяемых средств поверки, а именно с техническими характеристиками термостата с флюидизированной средой FB-08. Данный термостат предназначен для поверки ТП с длиной погружаемой части от 20 мм в диапазоне температуры от плюс 50 до плюс 700 ºС. В качестве рабочей среды в термостате используется флюидизированная среда в виде мелкодисперсной окиси алюминия. Примечательно, что термостаты с флюидизированной средой довольно широко известны в других странах и рекомендуются в качестве средства калибровки международными нормативными документами, в частности стандартом ASTM E 220-02 «Стандартные методы испытаний при калибровке термопар методом сравнения» (ASTM E 220-02 «Standard Test Method for Calibration of Thermocouples By Comparison Techniques»). При этом на территории Российской Федерации они очень мало распространены, в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений зарегистрировано не более 7 единичных экземпляров термостатов подобного типа, один из которых арендован ООО «ИЦРМ» для проведения испытаний.

Несмотря на наличие двух действующих документов на методику поверки ТП, нередко возникают случаи, когда необходима разработка индивидуальной методики поверки. Это может быть связано с конструктивными особенностями ТП, с несоответствием НСХ или пределов допускаемого отклонения НСХ ТП требованиям ГОСТ 6616-94, с более широкими диапазонами измерений температуры ТП, на которые ГОСТ 8.338-2002 и МИ 3090-2007 не распространяются.

Дополнительная проблема заключается в том, что, если при поверке допускается определять термоэлектродвижущую силу (далее – ТЭДС) в более узком диапазоне измерений температуры, то при испытаниях в целях утверждения типа испытатель, по возможности, должен проверить весь заявленный рабочий диапазон измерений, включая верхнюю и нижнюю границы диапазона. Порой для достижения этой цели испытателю необходимо проявить изобретательность. Например, в одной из работ, выполненной ООО «ИЦРМ», по испытаниям в целях утверждения типа термоэлектрических датчиков температуры с рабочим диапазоном измерений от 0 до плюс 1000 ºC и длиной погружаемой части 70 мм возможность определения ТЭДС при температуре плюс 1000 ºC была реализована посредством частичного разрушения образца (удаления фланца для крепления). Это позволило значительно «удлинить» погружаемую часть и провести испытания при верхней температуре в сухоблочном термостате. Разумеется, при проведении поверки нарушение целостности средства измерений недопустимо, поэтому разработанная специалистами ООО «ИЦРМ» методика поверки устанавливает в качестве максимальной температуры, при которой определяется ТЭДС, температуру плюс 700 ºC, что позволяет использовать в качестве средства поверки термостат с флюидизированной средой.

Таким образом, испытания и поверка даже таких, казалось бы, простых средств измерений, как термоэлектрические преобразователи, содержат в себе много нюансов и «подводных камней», связанных как с нормативной документацией, так и с применяемым оборудованием. И это тот самый случай, когда длина имеет значение.