Стандартные образцы в области измерений комплекса теплофизических величин

УДК: 006.9:53.089.68:536.083

СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИй

комплекса теплофизических величин

В. В. Казанцев, В. Н. Сенникова

Представлена информация о разработанных в ФГУП УНИИМ стандартных образцах удельной энтальпии и удельной теплоемкости, температур и теплот фазовых переходов, применяемых для испытаний, поверки и калибровки калориметрических установок, приборов дифференциальной калориметрии и термогравиметрии, дифференциального термического анализа.

Ключевые понятия: стандартные образцы, теплофизические величины, эталон, сличения.

Key concepts: certified reference materials, thermophysical quantities, measurement standard, comparisons.

Комплекс теплофизических величин (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, теплота фазовых переходов, удельная теплота сгорания и ряд других), которые являются производными, вместе с основной величиной - температурой является одним из самых востребованных в науке и промышленности.

Теплофизические свойства веществ и материалов имеют важное значение, например, при разработке и создании новой техники и технологий, объектов атомной энергетики, для которых создаются и используются новые конструкционные материалы, предназначенные для эксплуатации при высоких температурах.

Метрологическому обеспечению измерений этих величин всегда уделялось большое внимание, но определенную значимость оно приобретает в связи с принятием Федерального закона [1] и необходимостью создания новых теплоизоляционных материалов, и прежде всего для строительной индустрии, энергоэффективных технологий и средств измерений соответствующих теплофизических величин.

Решением вопросов метрологического обеспечения измерений теплофизических величин, включая разработку государственных первичных эталонов и систем передачи единиц рабочим средствам измерений, занимаются практически все государственные научные метрологические институты, и вместе с ними в решение включены Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов и Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

ФГУП УНИИМ около 35 лет занимается разработкой стандартных образцов удельной теплоемкости твердых тел, температур и теплот фазовых переходов, при этом сотрудничает с метрологическими институтами и научными организациями с целью создания СО с расширенными измерительными возможностями.

Для измерений указанных величин используются калориметрические установки, приборы дифференциальной калориметрии и термогравиметрии, дифференциального

34

Производство и применение стандартных образцов

термического анализа. В Госреестр средств измерений утвержденных типов внесено 19 типов таких приборов преимущественно зарубежного производства, из них 11 типов за последние 5 лет.

В таблице 1 приведены характеристики нескольких утвержденных типов средств измерений.

Сложность и нетранспортабельность большинства калориметрических установок вызвали необходимость в средствах поверки в виде стандартных образцов теплофизических свойств, в частности СО удельной энтальпии

и удельной теплоемкости. В ФГУП УНИИМ разработано 8 типов государственных СО теплофизических свойств (СОТС), некоторые разработаны совместно с ФГУП ВНИИМ им. Менделеева и ФГУП ВНИИФТРИ.

В таблице 2 приведены основные характеристики разработанных СО.

СО на основе корунда, хлористого калия, нержавеющей стали применяются для градуировки и поверки калориметрических установок смешения с падающим образцом и установок непосредственного адиабатического нагрева, установок сканирующей калориметрии и тер-

Таблица 1

Средства измерений теплофизических величин

№ Наименование, тип СИ Диапазон, погрешность Номер Госреестра Изготовитель

1 Анализаторы термические универсальные «Setsys evolution», «Labsys», «Line 96» (20-2100) °С ± 2 °С (1-150) кДж/кг ± 5 % 31895- 06 «Setaram Instrumentation», Франция

2 Калориметры сканирующие дифференциальные «Pyris 6» DSC, (50-450) °С ± 0,5 °С (20-110) Дж/г ± 3 % 29299- 05 «PerkinElmer LLC», США

3 Калориметры дифференциальные сканирующие DSC Q (-180-725) °С ± 1 °С (200-1500) Дж/(кгК) ± 1 % 27678- 07 «ТА Instruments», США

4 Калориметры дифференциальные сканирующие DSC (25-1500) °С ± 3 °С (1-30 000) кДж/кг ± 3 % 24833- 08 «Netzsch-Geratebau GmbH», Германия

5 Калориметры дифференциальные сканирующие DSC822e, DSC823e, (25-700) °С ± 0,8 °С (1-150) кДж/кг ± 5 % 21623- 06 «Mettler-Toledo GmbH», Швейцария

6 Установки дифференциального термического анализа «Термоскан-2» (25-1000) °С ± 1,2 °С (3,6-1200) Дж/г ± 3,6 Дж/г 34077- 07 ООО «Аналитприбор», С.-Петербург

мического анализа. Для градуировки и поверки установок комплексного определения теплофизических свойств разработаны и используются СО теплот фазовых переходов на основе галлия, индия, олова, цинка и сурьмы.

Прослеживаемость аттестованных значений СО обеспечивается применением комплекса государственных первичных эталонов единицы удельной теплоемкости, позволяющего воспроизводить и передавать единицу в широком диапазоне температур: ГЭТ 79—75 (ФГУП ВНИ-ИФТИ) в диапазоне (90—273,15) К; ГЭТ

60—74 (ФГУП ВНИИМ им. Д. И. Менделеева) в диапазоне (273,15—700) К; ГЭТ 67—75 (ФГУП УНИИМ) в диапазоне (1337—1800) К, ДЕТУ (ННЦ «Институт метрологии», г. Харьков) в диапазоне (1800—3000) К. Каждый из эталонов возглавляет поверочную схему, регламентированную соответствующим стандартом, например, для ГЭТ 67—75 [2].

Передача единиц теплофизических величин осуществляется при испытаниях, поверке, калибровке, градуировке средств измерений, аттестации методик

Таблица 2

СО теплофизических свойств

Номер Госреестра, Аттестуемая Диапазон температур, К Погрешность

материал СО характеристика

ГСО 149—86П, корунд Удельная энтальпия Удельная теплоемкость 90-2300 (0,1-0,3) % (0,1-1,5) %

ГСО 886—76, нержавеющая сталь Удельная энтальпия Удельная теплоемкость 400-1380 1 % 1,5 %

Удельная энтальпия 0,3 %

ГСО 136—78, хлористый калий Удельная теплоемкость Удельная теплота плавления Температура плавления 470-1000 1 % 0,5 % 0,6 оС

2312—82, галлий Температура плавления 303,04 0,06 К

ГСО 2313—82, индий Температура плавления Температура кристаллизации 429,85 429,79 0,06 К 0,08 К

Удельная теплота плавления 28,58 0,12кДж/кг

ГСО 2314—82, олово Температура плавления Температура кристаллизации 505,20 505,12 0,12 К 0,01 К

Удельная теплота плавления 59,92 0,25 кДж/кг

ГСО 2315—82, Температура плавления, 692,71 0,26 К

цинк Температура кристаллизации 692,67 0,03 К

ГСО 2316—82, сурьма Температура кристаллизации 903,76 0,03 К

36

Производство и применение стандартных образцов

измерений, при этом основными средствами передачи являются СО, в частности, в [3] имеется соответствующее указание.

Более половины утвержденных типов средств измерений теплофизических величин были испытаны и поверяются с использованием СО теплофизических свойств, разработанных ФГУП УНИИМ.

В соответствии с современными представлениями одна из функций СО заключается в их применении в качестве эталона сравнения для сличений государственных первичных эталонов единиц величин.

Например, ГЭТ 67—75, принадлежащий ФГУП УНИИМ, проходил сличения сначала с ГЭТ 60—74 (ФГУП ВНИИМ им. Д. И. Менделеева) в диапазоне (600—700) К, а в 2006— 2007 гг. в рамках темы КООМЕТ были проведены двусторонние сличения с эталоном ДЕТУ (ННЦ «Институт метрологии», г. Харьков) в диапазоне (1300—1800) К, при этом в качестве эталона сравнения был выбран ГСО 149—86П на основе синтетического корунда в виде монокристаллической окиси алюминия. Материал данного типа СО обладает рядом важных физических и теплофизических свойств: не имеет аллотропических изменений во всем диапазоне температур вплоть до температуры плавления, жаропрочен, термостоек, не взаимодействует с материалом контейнеров при высоких температурах. Хорошо освоенная технология изготовления гарантирует однородность по химическому составу и структуре, дает высокую степень чистоты, однородность и высокую стабильность свойств, в частности удельной теплоемкости и удельной энтальпии. В 1980-е гг.

•С

с использованием четырех эталонов в широком температурном диапазоне был исследован корунд синтетический (а-модификация А1203), и на основании полученных результатов были составлены и утверждены в 1984 г. таблицы стандартных справочных данных [4] удельной теплоемкости синтетического корунда в интервале температур (4—2300) К.

Результаты сличений подтвердили заявленные измерительные возможности эталонов, при этом для ГЭТ 67—75 в 2-х температурных диапазонах: (600—700) К и (1300—1800) К.

Основные задачи, которые должны быть решены в ближайшее время, связаны с совершенствованием ГЭТ 67—75 и разработкой новых типов СО теплофизических свойств, ориентированных на конкретные потребности науки и техники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федеральный закон № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

2. ГОСТ 159—75 «ГСИ. Государственный специальный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур (1337— 1800) К».

3. МИ 130—77 «Методика аттестации установок для определения удельной энтальпии твердых веществ и материалов».

4. ГСССД 65—84 «Корунд синтетический. Изобарная теплоемкость в диапазоне температур (4—2300) К».

ч

Авторы

КАЗАНЦЕВ Вячеслав Васильевич

Заместитель директора по качеству ФГУП УНИИМ, заведующий лабораторией, кандидат химических наук, член-корреспондент Метрологической академии. Направление деятельности: обеспечение единства измерений поверхностной плотности, толщины и других параметров покрытий.

Имеет более 50 публикаций, 4 патента на изобретение.

Адрес:

ФГУП УНИИМ, 620000, г. Екатеринбург,

ул Красноармейская, 4

телефон:

8 (343) 355-48-85

E-mail:

Kazantsev@uniim.ru

СЕННИКОВА Валентина Николаевна

Научный сотрудник лаборатории метрологии термометрии и поверхностной плотности ФГУП УНИИМ, Екатеринбург.

Адрес:

ФГУП УНИИМ, 620000, г. Екатеринбург, ул Красноармейская, 4 телефон: 8 (343) 350-21-68