ГОСТ 8.157-75 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Шкалы температурные практические.
ГОСТ 8.157-75
Группа Т80
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Государственная система обеспечения единства измерений
ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ
State system for ensuring the uniformity of measurements. Practical temperature scales
Дата введения 1976-01-01
Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 12 мая 1975 г. N 1246 срок введения установлен с 01.01.76
ВЗАМЕН ГОСТ 8550-61 (в части МПТШ-48) и ГОСТ 12442-66
ПЕРЕИЗДАНИЕ. Декабрь 1985 г.
Настоящий стандарт устанавливает практические температурные шкалы, предназначенные для обеспечения единства измерений температуры в диапазоне от 0,01 до 100000 К, и методы их осуществления.
В стандарте учтены рекомендации Международного комитета мер и весов и его Консультативного комитета по термометрии.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Совокупность практических температурных шкал, установленных настоящим стандартом, образует единую систему температурных шкал, непрерывную от 0,01 до 100000 К. Практические температурные шкалы реализуются различными методами.
1.2. Практические температурные шкалы установлены таким образом, что температуры, измеренные по ним, насколько возможно близки к термодинамическим температурам.
1.3. Единицей температуры по практическим температурным шкалам, установленным настоящим стандартом, так же как и единицей термодинамической температуры, является кельвин (К).
Градус Цельсия равен кельвину. Температурные разности выражаются в кельвинах или градусах Цельсия.
1.5. Методы воспроизведения практических температурных шкал, установленных настоящим стандартом, определяют требования к средствам измерений, входящим в состав государственных эталонов для соответствующих диапазонов температуры.
2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ И МЕТОДЫ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
2.5. Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68) устанавливается для диапазона температур от 13,81 до 6300 К.
МПТШ-68 основана на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым приписаны определенные значения температур - основных реперных (постоянных) точек, и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами реперных точек интерполяцию осуществляют по формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и значениями температуры.
Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ. Равновесные состояния и приписанные им значения температуры приведены в приложении 2.
Относительное сопротивление термометра должно быть не менее
Для области температур ниже 0 °С соотношение между сопротивлением термометра и температурой определяют стандартной функцией и специальными уравнениями для вычисления поправок к этой функции (п.2.5.2).
Для области от 0 до 630,74 °С соотношение между сопротивлением термометра и температурой выражается двумя уравнениями в форме полиномов (п.2.5.3).
В качестве эталонного прибора для температур от 630,74 до 1064,43 °С применяют термоэлектрический термометр с электродами из платинородия (10% родия) и платины. Соотношение между электродвижущей силой и температурой выражается уравнением второй степени (п.2.5.4).
Для области температур выше 1337,58 К (1064,43 °С) температуру определяют в соответствии с законом излучения Планка (п.2.5.5).
2.5.2. Для области от 13,81 до 273,15 К температуру определяют по формуле
а) на участке от 13,81 до 20,28 К поправочная функция имеет вид
б) на участке от 20,28 до 54,361 К поправочная функция имеет вид
в) на участке от 54,361 до 90,188 К поправочная функция имеет вид
г) на участке от 90,188 до 273,15 К справочная функция имеет вид
Уравнение (12a) эквивалентно уравнению
2.5.4. Для области от 630,74 до 1064,43 °С температуру рассчитывают по уравнению
2.5.6. Воспроизведение МПТШ-68 осуществляется аппаратурой, методами и технологией для реализации реперных точек и эталонными приборами, соответствующими рекомендациям, указанным в справочном приложении 7.
2.5.7. Ориентировочные значения расхождений между значениями по МПТШ-68 и МПТШ-48 приведены в справочном приложении 8.
Эта зависимость выражается уравнением
Для построения температурной шкалы по микроволновому излучению используют тепловое излучение с длинами волн более 1 мм.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
|
|
|
мм рт.ст. | Па |
|
2 | 266,6 | 1,3863 |
3 | 400,0 | 1,4652 |
4 | 533,3 | 1,5221 |
5 | 666,6 | 1,5707 |
6 | 799,9 | 1,6123 |
7 | 933,3 | 1,6490 |
8 | 1066,6 | 1,6820 |
9 | 1199,9 | 1,7120 |
10 | 1333,2 | 1,7396 |
11 | 1466,5 | 1,7653 |
12 | 1599,9 | 1,7893 |
13 | 1733,2 | 1,8119 |
14 | 1866,5 | 1,8333 |
15 | 1999,8 | 1,8536 |
16 | 2133,2 | 1,8729 |
17 | 2266,0 | 1,8914 |
18 | 2400,0 | 1,9092 |
19 | 2533,0 | 1,9262 |
20 | 2666,0 | 1,9427 |
21 | 2800,0 | 1,9586 |
22 | 2933,0 | 1,9740 |
23 | 3066,0 | 1,9889 |
24 | 3200,0 | 2,0033 |
25 | 3333,0 | 2,0174 |
26 | 3466,0 | 2,0311 |
27 | 3600,0 | 2,0444 |
28 | 3733,0 | 2,0575 |
29 | 3866,0 | 2,0702 |
30 | 4000,0 | 2,0827 |
31 | 4133,0 | 2,0949 |
32 | 4266,0 | 2,1068 |
33 | 4400,0 | 2,1185 |
34 | 4533,0 | 2,1300 |
35 | 4666,0 | 2,1413 |
36 | 4800,0 | 2,1524 |
37 | 4933,0 | 2,1634 |
38 | 5066,0 | 2,1741 |
39 | 5200,0 | 2,1848 |
40 | 5333,0 | 2,1952 |
41 | 5466,0 | 2,2055 |
42 | 5600,0 | 2,2156 |
43 | 5733,0 | 2,2255 |
44 | 5866,0 | 2,2353 |
45 | 6000,0 | 2,2450 |
46 | 6133,0 | 2,5444 |
47 | 6266,0 | 2,2638 |
48 | 6399,0 | 2,2730 |
49 | 6533,0 | 2,2821 |
50 | 6666,0 | 2,2911 |
60 | 7999,0 | 2,3745 |
70 | 9333,0 | 2,4489 |
80 | 10666,0 | 2,5163 |
90 | 11999,0 | 2,5781 |
100 | 13332,0 | 2,6354 |
110 | 14665,0 | 2,6888 |
120 | 15999,0 | 2,7390 |
130 | 17332,0 | 2,7865 |
140 | 18665,0 | 2,8315 |
150 | 19998,0 | 2,8744 |
160 | 21332,0 | 2,9153 |
170 | 22665,0 | 2,9546 |
180 | 23998,0 | 2,9924 |
190 | 25331,0 | 3,0287 |
200 | 26664,0 | 3,0637 |
210 | 27998,0 | 3,0976 |
220 | 29331,0 | 3,1304 |
230 | 30664,0 | 3,1622 |
240 | 31997,0 | 3,1931 |
250 | 33331,0 | 3,2231 |
260 | 34664,0 | 3,2524 |
270 | 35997,0 | 3,2808 |
280 | 37330,0 | 3,3086 |
290 | 38663,0 | 3,3357 |
300 | 39997,0 | 3,3622 |
310 | 41330,0 | 3,3880 |
320 | 42663,0 | 3,4134 |
330 | 43996,0 | 3,4382 |
340 | 45330,0 | 3,4625 |
350 | 46663,0 | 3,4863 |
360 | 47996,0 | 3,5097 |
370 | 49329,0 | 3,5326 |
380 | 50663,0 | 3,5551 |
390 | 51996,0 | 3,5772 |
400 | 53329,0 | 3,5990 |
410 | 54662,0 | 3,6204 |
420 | 55995,0 | 3,6414 |
430 | 57329,0 | 3,6621 |
440 | 58662,0 | 3,6825 |
450 | 59995,0 | 3,7026 |
460 | 61328,0 | 3,7224 |
470 | 62662,0 | 3,7419 |
480 | 63995,0 | 3,7611 |
490 | 65328,0 | 3,7800 |
500 | 66661,0 | 3,7987 |
510 | 67994,0 | 3,8172 |
520 | 69328,0 | 3,8354 |
530 | 70661,0 | 3,8533 |
540 | 71994,0 | 3,8711 |
550 | 73327,0 | 3,8886 |
560 | 74661,0 | 3,9059 |
570 | 74994,0 | 3,9230 |
580 | 77327,0 | 3,9399 |
590 | 78660,0 | 3,9566 |
600 | 79993,0 | 3,9731 |
610 | 81327,0 | 3,9894 |
620 | 82660,0 | 4,0056 |
630 | 83993,0 | 4,0215 |
640 | 85326,0 | 4,0373 |
650 | 86660,0 | 4,0530 |
660 | 87993,0 | 4,0684 |
670 | 89326,0 | 4,0877 |
680 | 90659,0 | 4,0989 |
690 | 91992,0 | 4,1139 |
700 | 93726,0 | 4,1287 |
710 | 94659,0 | 4,1435 |
720 | 95992,0 | 4,1580 |
730 | 97325,0 | 4,1725 |
740 | 98659,0 | 4,1868 |
750 | 99992,0 | 4,2009 |
760 | 101325,0 | 4,2150 |
770 | 102658,0 | 4,2289 |
780 | 103991,0 | 4,2427 |
790 | 105325,0 | 4,2564 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ОСНОВНЫЕ РЕПЕРНЫЕ (ПОСТОЯННЫЕ) ТОЧКИ МПТШ-68
|
|
Состояние фазового равновесия | Значение температуры, К (°С) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода) | 13,81 (-259,34) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода при давлении 33,330 кПа (250 мм рт.ст.) | 17,042 (-256,108) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (точка кипения равновесного водорода) | 20,28 (-252,87) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона (точка кипения неона) | 27,102 (-246,048) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода) | 54,361 (-218,789) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода) | 90,188 (-182,962) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды) | 273,16 (0,01) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды) | 373,15 (100) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка) | 692,73 (419,58) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра) | 1235,08 (961,93) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота) | 1337,58 (1064,43) |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
|
|
0 | 0,27315·10 |
1 | 0,2508462096788033·10 |
2 | 0,1350998699649997·10 |
3 | 0,5278567590085172·10 |
4 | 0,2767685488541052·10 |
5 | 0,3910532053766837·10 |
6 | 0,6556132305780693·10 |
7 | 0,8080358685598667·10 |
8 | 0,7052421182340520·10 |
9 | 0,4478475896389657·10 |
10 | 0,2125256535560578·10 |
11 | 0,7679763581708458·10 |
12 | 0,2136894593828500·10 |
13 | 0,4598433489280693 |
14 | 0,7636146292316480·10 |
15 | 0,9693286203731213·10 |
16 | 0,9230691540070075·10 |
17 | 0,6381165909526538·10 |
18 | 0,3022932378746192·10 |
19 | 0,8775513913037602·10 |
20 | 0,1177026131254774·10 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
|
|
13 | 0,00123061 |
14 | 0,00145973 |
15 | 0,00174541 |
16 | 0,00209474 |
17 | 0,00251512 |
18 | 0,00301428 |
19 | 0,00359962 |
20 | 0,00427780 |
21 | 0,00505495 |
22 | 0,00593668 |
23 | 0,00692804 |
24 | 0,00803316 |
25 | 0,00925504 |
26 | 0,01059585 |
27 | 0,01205690 |
28 | 0,01363901 |
29 | 0,01534261 |
30 | 0,01716768 |
31 | 0,01911363 |
32 | 0,02117944 |
33 | 0,02336343 |
34 | 0,02566335 |
35 | 0,02807645 |
36 | 0,03059953 |
37 | 0,03322916 |
38 | 0,03596155 |
39 | 0,03879305 |
40 | 0,04171968 |
41 | 0,04473760 |
42 | 0,04784292 |
43 | 0,05103178 |
44 | 0,05430036 |
45 | 0,05764486 |
46 | 0,06106161 |
47 | 0,06454679 |
48 | 0,06809690 |
49 | 0,07170835 |
50 | 0,07537756 |
51 | 0,07910123 |
52 | 0,08287595 |
53 | 0,08669859 |
54 | 0,09056600 |
55 | 0,09447515 |
56 | 0,09842336 |
57 | 0,10240774 |
58 | 0,10642583 |
59 | 0,11047506 |
60 | 0,11455312 |
61 | 0,11855789 |
62 | 0,12278722 |
63 | 0,12693914 |
64 | 0,13111189 |
65 | 0,13530363 |
66 | 0,13951284 |
67 | 0,14373800 |
68 | 0,14797773 |
69 | 0,15223058 |
70 | 0,15649541 |
71 | 0,16077108 |
72 | 0,16505643 |
73 | 0,16935049 |
74 | 0,17365240 |
75 | 0,17796117 |
76 | 0,18227605 |
77 | 0,18659628 |
78 | 0,19092107 |
79 | 0,19524992 |
80 | 0,19958212 |
81 | 0,20391714 |
82 | 0,20825445 |
83 | 0,21259344 |
84 | 0,21693388 |
85 | 0,22127523 |
86 | 0,22561712 |
87 | 0,22995916 |
88 | 0,23430105 |
89 | 0,23864248 |
90 | 0,24298315 |
91 | 0,24732290 |
92 | 0,25166128 |
93 | 0,25599836 |
94 | 0,26033369 |
95 | 0,26466718 |
96 | 0,26899870 |
97 | 0,27332807 |
98 | 0,27765516 |
99 | 0,28197988 |
100 | 0,28630201 |
101 | 0,29062154 |
102 | 0,29493841 |
103 | 0,29925245 |
104 | 0,30356359 |
105 | 0,30787183 |
106 | 0,31217710 |
107 | 0,31647939 |
108 | 0,32077856 |
109 | 0,32507467 |
110 | 0,32936765 |
111 | 0,33365751 |
112 | 0,33794416 |
113 | 0,34222768 |
114 | 0,34650800 |
115 | 0,35078519 |
116 | 0,35505910 |
117 | 0,35932989 |
118 | 0,36359754 |
119 | 0,36786199 |
120 | 0,37212331 |
121 | 0,37638151 |
122 | 0,38063657 |
123 | 0,38488851 |
124 | 0,38913732 |
125 | 0,39338316 |
126 | 0,39762594 |
127 | 0,40186567 |
128 | 0,40610242 |
129 | 0,41033628 |
130 | 0,41456709 |
131 | 0,41879507 |
132 | 0,42302015 |
133 | 0,42724233 |
134 | 0,43146169 |
135 | 0,43567831 |
136 | 0,43989210 |
137 | 0,44410322 |
138 | 0,44831159 |
139 | 0,45251730 |
140 | 0,45672033 |
141 | 0,46092077 |
142 | 0,46511861 |
143 | 0,46931387 |
144 | 0,47350660 |
145 | 0,47769682 |
146 | 0,48188459 |
147 | 0,48606985 |
148 | 0,49025274 |
149 | 0,49443319 |
150 | 0,49861135 |
151 | 0,50278707 |
152 | 0,50696058 |
153 | 0,51113172 |
154 | 0,51530065 |
155 | 0,51946737 |
156 | 0,52363180 |
157 | 0,52779409 |
158 | 0,53195417 |
159 | 0,53611211 |
160 | 0,54026792 |
161 | 0,54442167 |
162 | 0,54857336 |
163 | 0,55272291 |
164 | 0,55687048 |
165 | 0,56101606 |
166 | 0,56515958 |
167 | 0,56930112 |
168 | 0,57344076 |
169 | 0,57757848 |
170 | 0,58171423 |
171 | 0,58584806 |
172 | 0,58997999 |
173 | 0,59411008 |
174 | 0,59823835 |
175 | 0,60236478 |
176 | 0,60648931 |
177 | 0,61061208 |
178 | 0,61473310 |
179 | 0,61885229 |
180 | 0,62296972 |
181 | 0,62708540 |
182 | 0,63119939 |
183 | 0,63531164 |
184 | 0,63942213 |
185 | 0,64353094 |
186 | 0,64763807 |
187 | 0,65174352 |
188 | 0,65584730 |
189 | 0,65994947 |
190 | 0,66404996 |
191 | 0,66814886 |
192 | 0,67224607 |
193 | 0,67634176 |
194 | 0,68043577 |
195 | 0,68452825 |
196 | 0,68861913 |
197 | 0,69270841 |
198 | 0,69679617 |
199 | 0,70088232 |
200 | 0,70496694 |
201 | 0,70905004 |
202 | 0,71313161 |
203 | 0,71721174 |
204 | 0,72129026 |
205 | 0,72536733 |
206 | 0,72944288 |
207 | 0,73351690 |
208 | 0,73758947 |
209 | 0,74166059 |
210 | 0,74573026 |
211 | 0,74979841 |
212 | 0,75386518 |
213 | 0,75793043 |
214 | 0,76199430 |
215 | 0,76605672 |
216 | 0,77011770 |
217 | 0,77417730 |
218 | 0,77823545 |
219 | 0,78229223 |
220 | 0,78634756 |
221 | 0,79040151 |
222 | 0,79445409 |
223 | 0,79850523 |
224 | 0,80255506 |
225 | 0,80660352 |
226 | 0,81065054 |
227 | 0,81469625 |
228 | 0,81874059 |
229 | 0,82278364 |
230 | 0,82682531 |
231 | 0,83086561 |
232 | 0,83490461 |
233 | 0,83894224 |
234 | 0,84297857 |
235 | 0,84701353 |
236 | 0,85104726 |
237 | 0,85507963 |
238 | 0,85911069 |
239 | 0,86314046 |
240 | 0,86716894 |
241 | 0,87119611 |
242 | 0,87522199 |
243 | 0,87924657 |
244 | 0,88326994 |
245 | 0,88729200 |
246 | 0,89131269 |
247 | 0,89533224 |
248 | 0,89935049 |
249 | 0,90336744 |
250 | 0,90738309 |
251 | 0,91139753 |
252 | 0,91541074 |
253 | 0,91942274 |
254 | 0,92343343 |
255 | 0,92744283 |
256 | 0,93145101 |
257 | 0,43545805* |
258 | 0,93946371 |
259 | 0,94346822 |
260 | 0,94747152 |
261 | 0,95147352 |
262 | 0,95547430 |
263 | 0,95947385 |
264 | 0,96347219 |
265 | 0,96746931 |
266 | 0,97146513 |
267 | 0,97545980 |
268 | 0,97945325 |
269 | 0,98344541 |
270 | 0,98743642 |
271 | 0,99142614 |
272 | 0,99541471 |
273 | 0,99940199 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
|
|
|
Реперная (постоянная) точка | ||
Тройная точка равновесного водорода | 13,81 | 0,00141206 |
Точка 17,042 К равновесного водорода | 17,042 | 0,00253444 |
Точка кипения равновесного водорода | 20,28 | 0,00448517 |
Точка кипения неона | 27,102 | 0,01221272 |
Тройная точка кислорода | 54,361 | 0,09197252 |
Точка кипения кислорода | 90,188 | 0,24379909 |
Точка кипения воды | 373,15 | 1,39259668 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ РАВНОВЕСНОГО ВОДОРОДА, НЕОНА, КИСЛОРОДА И ВОДЫ
|
|
|
Равновесие между жидкой и парообразной фазами | Температурный диапазон применения, К | Формула |
Равновесного водорода | 13,81-23,0 | , где
=1,711466
=-44,01046 К
=0,0235909 К =-0,000048017 К |
Неона | 27,0-27,2
|
|
Кислорода | 90,1-90,3
| |
Воды | 373,05-373,25 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
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 как 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.
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 450 °С.
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.
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, и сопротивление, вызываемое мгновенным охлаждением, можно устранить отжигом при температуре 500 °С 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 90 К 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 подходящему охранному кольцу. Чтобы получить хороший тепловой контакт между чувствительным элементом и окружающей средой, этот элемент помещают в тонкостенную (толщина стенки ~0,25 мм) гильзу обычно из платины, наполненную гелием.
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 постоянного 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 °C, а платинородиевую проволоку - до 1450 °C. Если отжиг проведен до того, как электроды помещены в изолирующую арматуру, то после этой процедуры термометр необходимо снова нагреть до температуры не менее 1100 °C 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 изменениях температурных градиентов вдоль электродов. Например, электродвижущая сила не должна изменяться по мере увеличения глубины погружения термоэлектрического термометра в среду однородной температуры.
3. Давление
Гидростатическое давление, возникающее в ваннах для реализации реперных точек, может вызвать небольшие, но подлежащие учету температурные эффекты; они указаны в табл.1.
4. Тройная точка воды
Метод, рекомендуемый для приготовления тройной точки, состоит в формировании толстого слоя льда вокруг осевого колодца для термометра охлаждением изнутри, а затем в оттаивании достаточного количества этого слоя льда также изнутри, вследствие чего получают новую поверхность раздела вода-лед, примыкающую к колодцу. В течение первых часов, следующих за приготовлением тройной точки воды, температура, измеряемая в осевом колодце, поднимается довольно быстро на несколько десятитысячных кельвина, становясь стабильной по прошествии периода от одного до трех дней. Это первоначальное изменение температуры, вероятно, вызывается ростом ледяных кристаллов или медленным исчезновением натяжения в кристаллах. Тройная точка, приготовленная таким образом и содержащаяся в ледяной ванне, способна сохранять температуру постоянной с отклонением не более 0,1 мК в течение нескольких месяцев. Даже в ампулах с водой из различных источников, если 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, падающим на ампулу, в связи с чем рекомендуется проводить измерения в ампулах, достаточно защищенных от излучения.
5. Тройная точка, точка 17,042 К и точка кипения равновесного водорода
Водород имеет две молекулярные модификации (обозначается приставками "орто" и "пара"); их наличие объясняется различными относительными ориентациями двух ядерных спинов в двуатомных молекулах. Равновесная орто-пара концентрация зависит от температуры и при комнатной температуре соответствует примерно 75% ортоводорода и 25% параводорода (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 0,21% орто- и 99,79% параводорода. 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.
Следует принять меры предосторожности, чтобы избежать прямого излучения по капилляру в полость и чтобы на всем своем протяжении от полости до манометра капилляр имел более высокую температуру, чем температура на поверхности жидкого водорода в полости.
Измерения заключаются в сравнении показаний конденсационного термометра, сконструированного указанным образом, и платиновых термометров сопротивления, смонтированных в плотно пригнанных гнездах, высверленных в металлическом блоке и расположенных как можно ближе к полости.
Правильность измерений можно проверить, показав, что полученные значения не зависят от отношения объема жидкого водорода к объему пара в полости.
6. Точка кипения неона
7. Тройная точка и точка кипения кислорода
Тройная точка и точка кипения кислорода могут быть реализованы способом, подобным описанному для водорода. Особенно следует позаботиться о чистоте кислорода в конденсационном термометре. Кислород является достаточно чистым, когда нормальная точка кипения остается постоянной при неоднократной откачке его паров.
8. Точка кипения воды
Температуру равновесия между жидкой водой и ее паром обычно реализуют динамическим методом: термометр погружают в насыщенные пары воды. Для эталонных работ рекомендуется использовать закрытые системы, в которых кипятильник и манометр соединены с маностатом, наполненным воздухом или, предпочтительнее, гелием.
Кипятильник должен быть сконструирован так, чтобы избежать загрязнений воды. Термометр необходимо защитить от излучений тех деталей аппаратуры, температура которых отлична от точки кипения. Если температура равновесия достигнута, то, после приведения результатов измерения к постоянному давлению, полученное значение температуры не будет зависеть от продолжительности измерений скорости подачи тепла в кипятильник и глубины погружения термометра.
Изменение содержания дейтерия в воде вызывает изменение температуры кипения воды в том же направлении, что и для тройной точки воды, но примерно в три раза меньше.
9. Точка затвердевания олова и цинка
Температуры затвердевания могут быть реализованы с очень высокой воспроизводимостью наблюдением за горизонтальной частью кривой "температура-время", характеризующей медленное затвердевание очень чистых металлов.
Для плавления и затвердевания олова и цинка можно использовать тигель из очень чистого искусственного графита (99,999% по массовой доле) диаметром около 5 см, с осевым колодцем для термометра. Глубина погружения термометра в металл должна быть достаточной для устранения влияния теплопередачи по проводам термометра на температуру его чувствительного элемента. Удобно держать тигель с металлом в пирексовой или кварцевой пробирке в инертной атмосфере и нагревать его в печи с металлическим блоком.
Процедура охлаждения металла при определении точки затвердевания должна быть такой, чтобы чувствительный элемент термометра имел возможно лучший тепловой контакт с поверхностью раздела твердой и жидкой фаз металла и находился с ней в тепловом равновесии. Вскоре после начала кристаллизации должна появиться или твердая оболочка, оформившаяся на стенках тигля, или твердая корка вокруг колодца для термометра.
Температура равновесия между твердым и жидким металлом слегка изменяется в зависимости от давления в соответствии в табл.1 настоящего приложения.
Олово высокой чистоты (составляющей 99,9999% по массовой доле) при охлаждении из жидкого состояния переохлаждается на 20-30 К перед затвердеванием. Точка затвердевания олова может быть успешно реализована по следующей методике (при этом удается избежать избыточного переохлаждения печи). Начиная с того момента, когда температура превысила температуру точки затвердевания на несколько кельвинов, печь медленно охлаждают со скоростью примерно 0,1 К/мин до тех пор, пока расплавленный металл не достигнет температуры плавления. Затем пробирку с тиглем, содержащим расплав, и контрольный термометр сопротивления либо перемещают к верхнему краю печи, либо полностью удаляют из печи. В обоих случаях образец быстро охлаждается. При обнаружении быстрого понижения температуры, что указывает на кристаллизацию, пробирку с тиглем тут же погружают в печь, которая все еще медленно охлаждается. В течение медленно протекающего процесса затвердевания реализуется характерная кривая охлаждения для металла высокой чистоты, имеющая температурную площадку. Воспроизводимость этого плоского участка для конкретного образца не хуже ±0,1 мК за определенное время, зависящее от скорости охлаждения печи.
Способ реализации точки затвердевания цинка высокой чистоты (99,9999% по массовой доле) несколько отличен от описанного, поскольку цинк переохлаждается незначительно. Тонкий слой твердого металла образуется в центральном колодце для термометра, если удалить термометр. Когда расплавленный металл достигнет температуры плавления, охладить его до комнатной температуры и вставить на место или предварительно вставить на его место кварцевый стержень приблизительно на 30 с перед тем как вернуть термометр обратно.
Критерием достаточной чистоты образца цинка или олова является то, что значение температуры, соответствующее плоскому участку кривой плавления, меняется не более чем на 1 мК.
10. Точки затвердевания серебра и золота
Температуру равновесия между жидкой и твердой фазами серебра и золота реализуют в закрытых тиглях либо из очень чистого искусственного графита, либо из плавленого кварца. Если тигель графитовый, рекомендуется предотвратить доступ воздуха к нему во избежание окисления графита.
Расплавленное серебро должно быть защищено, чтобы не допустить растворения в нем кислорода, вызывающего понижение точки затвердевания.
Слиток металла необходимо нагреть до однородной температуры, на несколько кельвинов превышающей температуру точки плавления металла, и затем медленно охладить.
Термоэлектрический термометр, подлежащий эталонированию, помещенный в защитную трубку из подходящего огнеупорного материала, с огнеупорными изоляторами, разделяющими оба электрода, погружают в расплавленный металл, которому затем дают остыть. Глубина погружения термоэлектрического термометра в металл должна быть достаточной, чтобы исключить теплопередачу по электродам.
Достигнута ли температура равновесия, можно проверить по следующим признакам: электродвижущая сила термоэлектрического термометра не должна зависеть от небольших изменений глубины погружения в расплавленный металл во время последовательных охлаждений и должна оставаться постоянной не менее 5 мин во время одного охлаждения.
Чтобы использовать точку затвердевания золота в качестве реперной для области шкалы, определяемой в соответствии с законами излучения, необходимо иметь черное тело. Для его реализации тигель, содержащий золото, должен быть изменен таким образом, чтобы обеспечить погружение излучателя, имеющего однородную температуру, в золото. Черное тело легче осуществить, если излучатель изготовлен из материала, обладающего высокой излучательной способностью. Для этой цели очень подходит графит.
11. Вторичные реперные (постоянные) точки
Наряду с основными реперными точками МПТШ-68 имеются и другие реперные точки. Некоторые из них и их температуры по МПТШ-68 указаны в табл.2 настоящего приложения. За исключением температур тройных точек и температур, вычисляемых по уравнениям, определяющим зависимость давления паров от температуры, остальные являются температурами равновесия системы при давлении, равном 101,325 кПа (760 мм рт.ст.).
Таблица 1
Температура точек затвердевания металлов в зависимости от давления
|
|
|
|
Металл | Точка затвердевания, °С, при давлении 101,325 кПа (760 мм рт.ст.) | Коэффициент давления | |
|
| К/мм рт.ст. | К/см жидкости |
Ртуть | -38,862 | +0,0000071 | +0,000071 |
Индий | 156,634 | +0,0000064 | +0,000033 |
Олово | 231,9681 | +0,0000043 | +0,000022 |
Висмут | 271,442 | -0,0000046 | +0,000034 |
Кадмий | 321,108 | +0,0000082 | +0,000048 |
Свинец | 327,502 | +0,0000105 | +0,000082 |
Цинк | 419,58 | +0,0000057 | + 0,000027 |
Сурьма | 630,74 | +0,0000001 | +0,000005 |
Таблица 2
Вторичные реперные (постоянные) точки
|
|
Состояние фазового равновесия | Температура, К (°С) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами нормального водорода (тройная точка нормального водорода) | 13,956 (-259,194) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами нормального водорода (точка кипения нормального водорода) , где =1,734791; =-44,62368 К; =0,0231869 К ; =-0,000048017 К для интервала температур от 13,956 до 30 К | 20,397 (-252,753) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами неона (тройная точка неона) | 24,555 (-248,595) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона , где =4,61152; =-106,3851 К; =-0,0368331 К ; =4,24892·10 К для интервала температур от 24,555 до 40 К | 27,102 (-246,048) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами азота (тройная точка азота) | 63,148 (-210,002) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами азота (точка кипения азота) , где =5,893139; =-404,13105 К; =-2,3749; =-0,0142505 К ; =72,5342·10 К для интервала температур от 63,148 до 84 К | 77,348 (-195,802) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода , где =5,961546; =-467,45576 К; =-1,664512; =-0,01321301 К ; =-50,8041·10 К для интервала температур от 54,361 до 94 К | 90,188 (-182,962) |
Равновесие между твердой и паробразной фазами двуокиси углерода (точка возгонки двуокиси углерода) для интервала температур от 194 до 195 К | 194,674 (-78,476) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами ртути (точка затвердевания ртути) | 234,288 (-38,862) |
Равновесие между льдом и насыщенной воздухом водой (точка таяния льда) | 273,15 (0) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами феноксибензола (дифенилового эфира) (тройная точка феноксибензола) | 300,02 (26,87) |
Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами бензойной кислоты (тройная точка бензойной кислоты) | 395,52 (122,37) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами индия (точка затвердевания индия) | 429,784 (156,634) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами висмута (точка затвердевания висмута) | 544,592 (271,442) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами кадмия (точка затвердевания кадмия) | 594,258 (321,108) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами свинца (точка затвердевания свинца) | 600,652 (327,502) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами ртути (точка кипения ртути) для от 90·10 до 104·10 Па | 629,81 (356,66) |
Равновесие между жидкой и парообразной фазами серы (точка кипения серы) для от 90·10 до 104·10 Па | 717,824 (444,674) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами медь-алюминиевой эвтектики | 821,38 (548,23) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами сурьмы (точка затвердевания сурьмы) | 903,89 (630,74) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами алюминия (точка затвердевания алюминия) | 933,52 (660,37) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами меди (точка затвердевания меди) | 1357,6 (1084,5) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами никеля (точка затвердевания никеля) | 1728 (1455) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами кобальта (точка затвердевания кобальта) | 1767 (1494) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами палладия (точка затвердевания палладия) | 1827 (1554) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами платины (точка затвердевания платины) | 2045 (1772) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами родия (точка затвердевания родия) | 2236 (1963) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами иридия (точка затвердевания иридия) | 2720 (2447) |
Равновесие между твердой и жидкой фазами вольфрама (температура плавления вольфрама) | 3660 (3387) |
ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Справочное
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, ° С | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -70 | -80 | -90 | - 100 |
-100 | 0,022 | 0,013 | 0,003 | -0,006 | -0,013
| -0,013 | -0,005 | 0,007 | 0,012 |
|
|
0
| 0,000
| 0,006
| 0,012
| 0,018
| 0,024
| 0,029
| 0,032
| 0,034
| 0,033
| 0,029
| 0,022
|
, ° С | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
0 | 0,000 | -0,004 | -0,007 | -0,009 | -0,010 | - 0,010 | -0,010 | -0,008 | - 0,006 | -0,003 | 0,000 |
100 | 0,000 | 0,004 | 0,007 | 0,012 | 0,016 | 0,020 | 0,025 | 0,029 | 0,034 | 0,038 | 0,043 |
200 | 0,043 | 0,047 | 0,051 | 0,054 | 0,058 | 0,061 | 0,064 | 0,067 | 0,069 | 0,071 | 0,073 |
300 | 0,073 | 0,074 | 0,075 | 0,076 | 0,077 | 0,077 | 0,077 | 0,077 | 0,077 | 0,076 | 0,076 |
400 | 0,076 | 0,075 | 0,075 | 0,075 | 0,074 | 0,074 | 0,074 | 0,075 | 0,076 | 0,077 | 0,079 |
500 | 0,079 | 0,082 | 0,085 | 0,089 | 0,094 | 0,100 | 0,108 | 0,116 | 0,126 | 0,137 | 0,150 |
600 | 0,150 | 0,165 | 0,182 | 0,200 | 0,23 | 0,25 | 0,28 | 0,31 | 0,34 | 0,36 | 0,39 |
700 | 0,39 | 0,42 | 0,45 | 0,47 | 0,50 | 0,53 | 0,56 | 0,58 | 0,61 | 0,64 | 0,67 |
800 | 0,67 | 0,70 | 0,72 | 0,75 | 0,78 | 0,81 | 0,84 | 0,87 | 0,89 | 0,92 | 0,95 |
900 | 0,95 | 0,98 | 1,01 | 1,04 | 1,07 | 1,10 | 1,12 | 1,15 | 1,18 | 1,21 | 1,24 |
1000 | 1,24 | 1,27 | 1 ,30 | 1,33 | 1,36 | 1,39 | 1,42 | 1,44 |
|
|
|
, ° С | 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 |
1000 | - | 1,5 | 1,7 | 1,8 | 2,0 | 2,2 | 2,4 | 2,6 | 2,8 | 3,0 | 3,2 |
2000 | 3,2 | 3,5 | 3,7 | 4,0 | 4,2 | 4,5 | 4,8 | 5,0 | 5,3 | 5,6 | 5,9 |
3000 | 5,9 | 6,2 | 6,5 | 6,9 | 7,2 | 7,5 | 7,9 | 8,2 | 8,6 | 9,0 | 9,3 |