Модернизация рабочего места для проверки датчиков температуры

В ходе работы была рассмотрена модернизация оборудования, предназначенного для поверки датчиков термосопротивления модели 644 Гатчинским филиалом ФБУ "Тест-Санкт-Петербург".
В первой главе были рассмотрены испытания, проводимые Гатчинским филиалом ФБУ "Тест-Санкт-Петербург", применяемые методики поверки датчиков.
Во второй главе были более подробно рассмотрены приборы, применяемые для поверки датчиков, а так же сами поверяемые датчики.
В третьей главе были рассмотрены основные проблемы поверки датчиков. Показания термометров с малой глубиной погружения сильно зависят от перепада температуры между окружающей средой и объектом. В процессе испытаний таких датчиков необходимо исследовать этот эффект и учесть его при определении характеристик точности. Подобных недостатков лишен калибратор тем ...

ВВЕДЕНИЕ 4
1. Испытания, проверки и калибровки средств измерения, проводимые Гатчинским филиалом ФБУ "Тест-Санкт-Петербург". 8
2. Применяемые приборы и средства измерений. 14
2.1. Датчик температуры 644 модели фирмы FISHER-ROSEMOUNT 14
2.2. Термометр сопротивления ЭТС-100. 20
2.3. Термостат жидкостный "ТЕРМОТЕСТ-100". 21
2.4. Термостат регулируемый ТР-1М. 22
2.5. Термостат нулевой. 25
2.6. Измеритель температуры многоканальный прецизионный МИТ 8.10. 25
3. Проблемы поверки датчиков температуры. Современные пути решения. 30
4. Калибратор температуры цифровой JOFRA. Область применения. Методы поверки. 33
4.1. Методика поверки калибратора температуры JOFRA. 35
4.1.1 Внешний осмотр. 38
4.1.2 Определение погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометру. 38
4.1.3 Определение нестабильности поддержания заданной температуры. 40
4.1.4. Определение основной абсолютной погрешности каналов измерений сопротивлений штатного и поверяемого термопреобразователей сопротивления. 40
4.1.5 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений милливольтовых сигналов от термопар. 41
4.1.6 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений входных сигналов в милиамперах. 42
4.1.7 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений входных сигналов в Вольтах. 43
4.1.8 Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа. 43
5. Привязка к Государственной поверочной схеме калибратора температуры JOFRA. 47
5.1. Государственный первичный эталон ГПЭ-I 48
5.2. Вторичные эталоны 50
5.3. Рабочие эталоны 51
5.3.1 Рабочие эталоны 0-разряда 51
5.3.2. Рабочие эталоны 1-разряда 52
5.3.3. Рабочие эталоны 2-разряда 52
5.3.4. Рабочие эталоны 3-го разряда 53
5.3.5. Рабочие средства измерений 54
6. Расчет экономической эффективности применения калибратора температуры JOFRA. 55
6.1. Описание методики расчета 55
6.2. Расчет экономической эффективности 58
7. Меры обеспечения безопасности на рабочем месте. 62
7.1. Электробезопасность на рабочем месте 64
7.2. Обеспечение санитарно-гигиенических требований к помещениям лаборатории 66
7.3. Разработка инструкции по безопасности работ для поверителя лаборатории поверки термометров сопротивления. 69
7.4. Противопожарная защита поверочной лаборатории 72
7.5. Организация противопожарной безопасности. 74
8. Заключение. 76
Список использованной литературы 78

В связи с интенсивным внедрением новых наукоемких технологий, актуальность опережающего развития измерительных и калибровочных возможностей стало требованием времени.
Основным препятствием на пути инноваций практически во всех сферах экономики, медицины, здравоохранения, обороны, экологии по-прежнему остается недостаточная точность различных методов и средств измерения. Практически во всех новых технологиях сдерживающим фактором служит отсутствие точных и достаточно чувствительных датчиков различных величин, необходимых для реализации мониторинга процессов в реальном масштабе времени и создания систем управления не только новыми технологическими процессами, но и условиями окружающей среды. [8]
Как известно измерения температуры являются одним из наиболее востребованных в науке и промышленн ости видов измерений. Причем возрастает не только количество и номенклатура используемых средств измерений температуры, но и неуклонно увеличиваются требования к точности измерений. [8]
Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние два десятилетия достигнут преимущественно за счет развития электроники. Измерительная информация о температуре необходима в любых разработках, осуществляемых на приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники. измерения сопротивления и напряжения позволили в значительной степени реализовать возможности термопреобразователей сопротивления и термопар. При этом, положительный эффект достигается также за счет статистической обработки результатов измерений и повышения точности расчета температуры по измеренным электрическим параметрам. [10]

Для поверки термометров диаметром более 6 мм необходимы дополнительные исследования погрешности от теплоотвода по стержню термометра в окружающую среду.4. Калибратор должен иметь свидетельство о поверке, в котором указаны следующие обязательные характеристики:отклонение показаний встроенного термометра от действительного значения температуры в центральном канале блока при нескольких значениях измеряемых температур;нестабильность поддержания температуры в канале блока за время не менее 30 мин.;расхождение значений температуры между каналами блока;вертикальный градиент температуры в изотермической зоне блока. Характеристики должны быть определены отдельно для каждого блока, входящего в комплектацию калибратора. В свидетельстве также должны быть указаны условия поверки калибратора, применяемые для поверки теплопроводящие вещества, средства для изоляции выравнивающего блока сверху, количество одновременно поверяемых термометров. Условия поверки термометров должны быть максимально приближены к условиям, в которых проводилась поверка калибратора.4. Калибратор температуры цифровой JOFRA. Область применения. Методы поверки. Новый цифровой сухоблочный калибратор температуры серии RТС-R сочетают присущую жидкостным термостатам однородность поля температуры с высокой скоростью ее изменения при меньших габаритах. Калибратор предназначен для калибровки (поверки) термопар, термометров сопротивления, стеклянных, манометрических термометров и термореле погружного типа. Калибратор может быть использован в качестве как сухоблочного, так и жидкостного термостата. В калибраторе для охлаждения термостата до -100°С используется уникальная технология теплового насоса Стирлинга с газовым теплоносителем (FPSC). Внешний вид рабочего места представлен на рисунке 8.Рисунок 8. Внешний вид рабочего местаТермостат калибратора имеет две зоны с раздельным регулированием. Регулятор нижней зоны поддерживает заданное значение температуры, а верхней - "нулевую" разность температуры относительно нижней зоны. Такой метод обеспечивает высокую однородность температуры в рабочей зоне и низкую погрешность ее задания. Калибратор снабжен схемой измерения сигнала внешнего эталонного термометра сопротивления. Такой термометр устанавливается рядом с поверяемым датчиком и подключается к специальному разъему калибратора. Это существенно упрощает калибровку методом сличения, который обладает значительно меньшей погрешностью. Калибратор снабжен схемой DLC - динамической компенсации влияния потерь тепла через поверяемые датчики. Термометр DLC устанавливается рядом с поверяемым датчиком, измеряет перепад температуры в рабочей зоне вставной трубки и управляет регулятором верхней зоны термостата. Это обеспечивает высокую однородность распределения температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна трубки вне зависимости от количества и/или диаметра вставленных датчиков. Калибратор позволяет измерять сигналы поверяемых термопар и термометров сопротивления (мВ, Ом, В, мА) по ГОСТ, IEC и DIN.Уникальные особенности:Самая низкая граница отрицательной температуры -100°С;Чрезвычайно высокая стабильность;Высокая однородность температуры в рабочей зоне до 60 мм от дна вставной трубки;Низкая погрешность;Не имеющая аналогов схема динамической компенсации влияния загрузки термостата;Быстрый нагрев, охлаждение;Полная компенсация влияния бросков и нестабильности сетевого питания;Встроенные средства измерения выходных сигналов различных датчиков температуры;Встроенная схема измерения сигнала внешнего эталонного интеллектуального термометра сопротивления, в памяти которого сохранены коэффициенты индивидуальной калибровки;Сохранение результатов калибровки/поверки во внутренней памяти калибратора;Дружественный русифицированный интерфейс пользователя на основе меню;Полная автоматизация поверки/калибровки датчиков температуры как в автономном режиме, так и при работе с ПК под управлением ПО JofraCal, в том числе, поверка одновременно нескольких датчиков с использованием коммутаторов ASM-R.Кроме обеспечения задания уставок по температуре калибратор автоматически реализует поверку/калибровку в ступенчатом режиме изменения температуры, а также (в исполнении В) калибровку термореле. Русифицированное ПО JofraCal позволяет: Поверить в автоматическом режиме датчики температуры или загрузить в калибратор задания на поверку/калибровку и, после ее выполнения в автономном режиме, перенести результаты поверки в ПК. Рекалибровать калибратор по температуре и электрическим сигналам. ПО обеспечивает доступ к управлению всеми функциями калибраторов и, крометого, позволяет загрузить в калибратор множественные задания на калибровку и после их выполнения в автономном или автоматическом режимах перенести результаты в персональный компьютер для обработки и хранения.С помощью ПО можно производить подстройку внутреннего («READ») термометра калибраторов, а также каналов измерений электрических величин, в том числе и канала внешнего («TRUE») термометра. Данное программное обеспечение позволяет загрузить в калибратор градуировочную характеристику для внешнего термопреобразователя сопротивления повышенной точности.Структура ПО «JofraCal»:Поддержка поверяемых/калибруемых СИ температуры;Конфигурирование схемы поверки/калибровки СИ температуры;Передача/Загрузка задания на поверку/калибровку СИ температуры;П ланировщ ик поверки/калибровки СИ температуры;Поверка/калибровка СИ температуры с помощью ПК.Разъемы для подключения к компьютеру, а так же для подключения внешних устройств представлены на рисунке 9.Рисунок 9. Цифровые разьемы.4.1. Методика поверки калибратора температуры JOFRA.Периодичность поверки не реже одного раза в два года.Операции, выполняемые при поверке, и применяемые средства поверки приведены в таблице 4.Таблица №4.Операции и требуемые средства поверки применяемые для поверки калибратора температуры JOFRA.п/пНаименование операцииСредства поверки и их технические характеристики1.Внешний осмотрВизуально2.Определение погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометруЦифровой прецизионный термометр сопротивления DT1-1000, диапазон измерений: от минус 51 до 650 °С, пределы допускаемой основной погрешности:± (0,03+ед.мл.разр) °С (в диапазоне от минус 50 °С до 400 °С), ± (0,06+ед.млразр.) °С (в диапазоне св. 400 °С до 650 °С).Термометр сопротивления платиновый эталонный 1-го разряда ТСПН-4В, диапазон измерений: -196...0 °С. Преобразователь термоэлектрический типа ТП110, эталонный 1-го разряда, диапазон измерений: +300...+1200 °С.Измеритель температуры прецизионный многоканальный МИТ 8-15, ПГ: ± (0,001+10 U) мВ, ±(0,002-1-3*10 '6 *t) °С.Комплект принадлежностей да использования калибраторов мод. АТС-140/250, RTC-158/250 в качестве жидкостных термостатов.ПО JOFRACAL.3.Определение нестабильности поддержания заданной температуры4.Определение основной абсолютной погрешности каналов измерений сопротивлений штатного и поверяемого термопреобразователей сопротивленияМера электрического сопротивления многозначная Р3026-1, класс точности 0,002.Комплект контрольных проводов (в т.ч. и с разъемом типа LEMO).ПО JOFRACAL.5.Определение основной абсолютной погрешности канала измерений милливольтовых сигналов от термопарКалибратор напряжений П327, погрешность (2U+0,2) мкВ, где U - установленное напряжение (В).Разъем для подключения термоэлектрических преобразователей.ПО JOFRACAL.6.Определение основной абсолютной погрешности канала измерении входных сигналов в мА.Компаратор напряжений Р3003 с калибратором тока ЕР 3003, погрешность не более 0,002 %. Комплект контрольных проводов. ПО JOFRACAL.7.Определение основной абсолютной по1решности канала измерений входных сигналов в В.Калибратор напряжений П327, погрешность (2UЮ,2) мкВ, где U установленное напряжение (В).Комплект контрольных проводов.ПО JOFRACAL.8.Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа (только для исполнений «В» и «С»).Цифровой прецизионный термометр сопротивления DTI-1 ООО, диапазон измерений: от минус 50 до 650 °С, пределы допускаемой основной погрешности:± (0,03+ед.мл.разр) °С (в диапазоне от минус 50 °С до 400 °С), ± (0,06+ед.мл.разр.) °С (в диапазоне св. 400 °С до 650 °С).Термометр сопротивления платиновый эталонный 1-го разряда ТСШ1-4В, диапазон измерений: -196.. .0 °С. Измеритель температуры прецизионный многоканальный МИТ 8-15, ПГ: ±(0,002+3*10 *t) °С. Комплект принадлежностей для использования калибраторов мод. АТС-140/250, RTC-158/250 в качестве жидкостных термостатов.ПО JOFRACAL.При проведении поверки калибраторов температуры должны соблюдаться следующие условия:Температура окружающего воздуха, °С20 ±3;Относительная влажность воздуха, %65 ± 15;Атмосферное давление, кПа101,3 ± 4;4. Напряжение питания, В220.Для поверки необходимо подготовить к работе эталонные средства измерений и поверяемый калибратор в соответствии с эксплуатационной документацией.Перед проведением поверки калибраторы должны быть выдержаны при нормальной температуре не менее 3 часов.Для поверки калибратора необходимо выбрать одноканальный и двухканальный металлические сменные блоки с соответствующими диаметрами посадочного гнезда для эталонного термометра сопротивления и штатного термопреобразователя сопротивления. Кольцевой зазор между защитной оболочкой эталонного термометра сопротивления и внутренними стенками блока не должен превышать 0,1 мм.Перед началом поверки необходимо загрузить в персональный компьютер ПО JOFRACAL.4.1.1 Внешний осмотр.При внешнем осмотре необходимо убедиться в отсутствии видимых повреждений калибратора.4.1.2 Определение погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометру.Погрешность установления заданной температуры определяют с помощью эталонного платинового термометра сопротивления не менее, чем при пяти значениях температуры, равномерно расположенных в диапазоне воспроизводимых температур, включая начало и конец диапазона.Помещают сменный блок в калибратор, затем погружают эталонный термометр сопротивления в отверстие центрального канала блока сравнения и задают необходимое значение температуры, соответствующее первой поверяемой температурной точке.При определении погрешности установления заданной температуры по внутреннему термометру в калибраторах, применяемых в качестве жидкостных термостатов, эталонный термометр погружают через просверленное отверстие в теплоизолирующей крышке в резервуар до решетки специальной вставки. Уровень заполнения резервуара маслом определяется верхним пределом диапазона воспроизводимых температур калибратора.После звукового сигнала стабилизации температуры и отображении на дисплее калибратора соответствующего символа, а также достижения стабилизации показаний температуры эталонного термометра, снимают в течение 10 минут с интервалом не более 2 минут показания эталонного термометра. Изображение панели управления представлено на рисунке 9.Рисунок 9. Панель управления.Погрешность установления заданного значения температуры (Ду) определяется как разность между значением температуры по внутреннему термометру калибратора и средним арифметическим значением температуры, измеренной эталонным термометром.Погрешность установления заданного значения температуры вычисляется по формуле:∆у=tу-t0где: tу - значение температуры по внутреннему термометру калибратора, °С,t0 - среднее арифметическое значение температуры, измеренной эталонным термометром, °С.Погрешность установления заданной температуры не должна превышать допускаемого значения погрешности, указанного в технической документации на калибратор.В случае превышения предела допускаемой погрешности необходимо провести рекалибровку (подстройку) внутреннего термометра (READ) при помощи эталонного термометра и ПО JOFRACAL, руководствуясь при этом инструкцией по обслуживанию данного программного продукта.4.1.3Определение нестабильности поддержания заданной температуры.Нестабильность поддержания температуры определяют при трех значениях температур, соответствующих двум крайним и среднему значениям диапазона воспроизводимых температур.Допускается определять нестабильность совместно с определением погрешности установления заданной температуры.Проводят операции описанные в 4.1.2.Для определения нестабильности поддержания заданной температуры производят автоматическую запись показаний эталонного термометра сопротивления в течение 30 минут с интервалом 30 с в установившемся температурном режиме с использованием программного обеспечения DTI-1000 или МИТ 8-15. Нестабильность вычисляют по формуле:δу=maxtу-t0где: tу - значение температуры, измеренное эталонным термометром, °С,t0 - среднее арифметическое значение температуры, измеренной эталонным термометром, °С.Полученное значение нестабильности не должно превышать значения, нормированного в технической документации на калибратор температуры.4.1.4. Определение основной абсолютной погрешности каналов измерений сопротивлений штатного и поверяемого термопреобразователей сопротивления.Абсолютную погрешность определяют в шести точках диапазона измерений сопротивления близких к следующим значениям: 1; 10; 50; 100; 200; 330 Ом, что в температурном эквиваленте соответствует диапазону измерений от минус 200 до 650 °С платинового термометра сопротивления с номинальным значением Ro=100 Ом. График изменения температуры представлен на рисунке 10.Рисунок 10. Автоматическое изменение теппературы.Каналы измерений сопротивлений штатного (TRUE) и поверяемого (SENSOR) термопреобразователей сопротивления (ТС) устанавливают в режим измерений сопротивления с разрешением 0,001 Ом.Устанавливают на многозначной мере электрического сопротивления (далее - магазин сопротивлений) первое значение сопротивления и поочередно, при помощи контрольных проводов, подают сопротивление с магазина сопротивлений на каналы TRUE и SENSOR.Абсолютную погрешность калибратора при измерении сопротивления вычисляют по формуле: АP=Rx-RМСгде Rx - показание калибратора, Ом, а RМС -значение сопротивления, подаваемое с магазина сопротивлений, Ом.Значение АP в поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формулам, приведенным в Описании типа для Госреестра СИ. В случае превышения предела допускаемой погрешности необходимо провести рекалибровку (подстройку) канала (или каналов) при помощи многозначной меры и ПО JOFRACAL, руководствуясь при этом инструкцией по обслуживанию данного программного продукта.4.1.5 Определение основной абсолютной погрешности канала измерений милливольтовых сигналов от термопар.Абсолютную погрешность калибратора канала измерений милливольтового сигнала определяют в десяти точках диапазона измерений от -78 до 78 мВ, равномерно расположенных во всем диапазоне.В соответствии с руководством по эксплуатации при помощи клавиатуры устанавливают калибратор в режим измерений мВ-сигнала. Выход калибратора напряжений соединяют при помощи разъема для подключения термоэлектрических преобразователей с мВ-входом калибратора температуры. Милливольтовый сигнал от калибратора напряжений, соответствующий первой поверяемой точке, подают на термопарный вход калибратора и снимают показания. Повторяют эту операцию для остальных поверяемых точек.Абсолютная погрешность в каждой поверяемой точке определяется как разность между значением напряжения, измеренного калибратором температуры, и действительным значением напряжения на выходе калибратора напряжений. Значения абсолютной погрешности во всех поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формуле, приведенной в Описании типа для Госреестра СИ.4.1.6Определение основной абсолютной погрешности канала измерений входных сигналов в милиамперах.Абсолютную погрешность калибратора при измерении токового сигнала определяют в шести точках диапазона измерений, соответствующим следующим значениям: 1,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0; 24,0 мА.В соответствии с руководством по эксплуатации при помощи клавиатуры устанавливают калибратор в режим измерений мА-сигнала. Токовый выход калибратора тока соединяют с пассивным токовым входом калибратора температуры. Сигнал от калибратора тока, соответствующий первой поверяемой точке, подают на токовый вход калибратора температуры и снимают показания. Повторяют эту операцию для остальных поверяемых точек.Абсолютная погрешность в каждой проверяемой точке определяется как разность между значением тока, измеренного калибратором температуры, и действительным значением тока на выходе калибратора тока. Значения абсолютной погрешности во всех поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формуле, приведенной в Описании типа для Госрсестра СИ.4.1.7Определение основной абсолютной погрешности канала измерений входных сигналов в Вольтах.Абсолютную погрешность калибратора при измерении сигнала напряжения постоянного тока определяют в десяти точках диапазона измерений, соответствующим следующим значениям; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0 В.В соответствии с руководством по эксплуатации при помощи клавиатуры устанавливают калибратор в режим измерений В-сигналаКалибратор напряжений соединяют с входом сигнала напряжения калибратора температуры. Сигнал от калибратора, соответствующий первой поверяемой точке, подают на вход калибратора температуры при помощи источника питания постоянного тока и снимают показания. Повторяют эту операцию для остальных поверяемых точек.Абсолютная погрешность в каждой поверяемой точке определяется как разность между значением напряжения, измеренного калибратором температуры, и действительным значением напряжения на выходе калибратора тока.Значения абсолютной погрешности во всех поверяемых точках не должны превышать значений, рассчитанных по формуле, приведенной в Описании типа для Госреестра СИ.4.1.8Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа.Определение погрешности установления заданной температуры по штатному платиновому термопреобразователю сопротивления углового типа проводят после положительного результата проверки канала измерений сопротивления штатного термопреобразователя сопротивления (TRUE).Абсолютную погрешность определяют в калибраторах температуры с использованием 2-х канального блока сравнения или же теплоизолирующей крышки с двумя отверстиями, и платинового термометра сопротивления эталонного 1-го разряда в 5-ти точках, равномерно расположенных в диапазоне воспроизводимых температур, включая нижний и верхний пределы диапазона.Эталонный термометр сопротивления и штатный ТС помещают в двухканальный блок сравнения с кольцевыми зазорами не более 0,1 мм или же помещают эталонный термометр и ТС через просверленные отверстия теплоизолирующей крышки в масляный резервуар до решетки специальной вставки.Эталонный 1-го разряда платиновый термометр сопротивления (ТСГ1Н-4В или ЭТС- 25) подключают к одному из каналов прецизионного измерителя температуры МИТ 8-15М, штатный термопреобразователь сопротивления - к соответствующему входу для этатонного термометра калибратора температуры.Загружают в МИТ 8-15М на канал, к которому подключен эталонный термометр, градуировочные коэффициенты (в соответствии с МТШ-90).Для калибраторов серии ATC-R перед начатом измерений необходимо войти в программу JOFRACAL и в соответствии с инструкцией по обслуживанию ввести пары значений температура- сопротивление («measured») для штатного ТС, взятые из сертификата о калибровке этого термопреобразователя.Устанавливают в калибраторе режим «Set follow True» и температуру, соответствующую первой контрольной точке. После десяти минутной выдержки термометров при установившимся режиме стабилизации (по эталонному термометру) в калибраторе снимают не менее 10 показаний эталонного термометра (с дисплея МИТ 8-15М) и установившейся температуры самого калибратора (с дисплея калибратора) и вычисляют средние арифметические значения температур.