МИ 153-78
Государственная система обеспечения единства измерений. Методика поверки средств измерений температурных коэффициентов линейного расширения твердых тел

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ И
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ (ВНИИФТРИ)

МЕТОДИКА
ПОВЕРКИ РАБОЧИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ
ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МИ 153-78

Москва
ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ
1979

РАЗРАБОТАНА Всесоюзным Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)

Директор В.К. Коробов

Исполнители: Я.С. Агранович, В.А. Медведев

ПОДГОТОВЛЕНА К УТВЕРЖДЕНИЮ Сектором госиспытаний и стандартизации

Руководитель сектора И.И. Турунцова

Исполнитель И.Ш. Генфон

УТВЕРЖДЕНА Научно-техническим советом ВНИИФТРИ 28 декабря 1977 г. (протокол № 12)

СОДЕРЖАНИЕ

МЕТОДИКА
ПОВЕРКИ РАБОЧИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ
КОЭФФИЦИЕНТОВ ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МИ 153-78

Настоящая методика распространяется на дилатометры, предназначенные для определения температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) твердых тел в диапазоне 3⋅10^-7 до 2⋅10^-4 K^-1 с допустимой погрешностью от 1⋅10^-7 до 1⋅10^-5 K^-1 при температурах 20 - 300 K, и устанавливает методы и средства их первичной и периодической поверок.

1. ОПЕРАЦИИ И СРЕДСТВА ПОВЕРКИ

1.1. При проведении поверки должны выполняться операции и применяться средства, указанные в таблице.

Примечание. Разрешается применение отдельных вновь разработанных или находящихся в эксплуатации средств поверки, прошедших метрологическую аттестацию в установленном порядке.

2. УСЛОВИЯ ПОВЕРКИ

2.1. При проведении поверки температура и влажность воздуха в помещении должны соответствовать указанным в НТД поверяемого дилатометра.

2.2. Применяемые образцовые меры (образцы с известной зависимостью ТКЛР от температуры - ГОСТ 8.158-75) по форме и размерам должны быть идентичны образцам, исследуемым на поверяемом дилатометре.

2.3. При проведении поверки последовательность операций при измерениях должна соответствовать указанной в НТД на дилатометр.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ПОВЕРКИ

3.1. Проверка комплектности дилатометра

3.1.1. При проверке комплектности дилатометра должно быть установлено ее соответствие комплектности, указанной в технической документации.

3.2. Внешний осмотр

3.2.1. При проведении внешнего осмотра должно быть установлено соответствие дилатометра следующим требованиям:

отсутствие повреждений, влияющих на работу дилатометра;

размещение образцовой меры в дилатометре, а также монтаж схем регулирования и измерения в соответствии с указанным в технической документации на дилатометр.

3.3. Определение погрешности Δ

3.3.1. Случайную и систематическую составляющие погрешности Δ определяют измерением ТКЛР образцовой меры на поверяемом дилатометре; измерения проводят в соответствии с инструкцией по эксплуатации поверяемого дилатометра.

3.3.2. ТКЛР определяют в начале, середине и конце температурного диапазона работы дилатометра пять раз на каждом участке.

3.3.3. В указанных (см. п. 3.3.2) участках температурного диапазона находят средние значения ТКЛР образцовой меры в интервале ΔТ, выбранном в соответствии с техническими условиями на поверяемый дилатометр (например, ΔТ = 5, 10, 20 или 50 K). Каждое из найденных средних значений ТКЛР относят к температуре середины интервала:

3.3.4. Среднее значение ТКЛР вычисляют по формуле

где l₀ - длина образцовой меры, приведенная в паспорте на меру;

Δl_i - приращение длины образцовой меры.

3.3.5. Каждое из найденных значений ТКЛР приводят к одному и тому же целочисленному значению температуры Т^п в середине выбранного интервала методом линейной интерполяции с помощью значений первых разностей Δα (Т), приведенных в паспорте на образцовую меру.

3.3.6. Случайную составляющую погрешности  вычисляют по формуле

где  -значение α_i, приведенное к температуре Т^п:

t_q - коэффициент Стьюдента.

3.3.7. Систематическую составляющую Δ_с погрешности определяют по формуле

где  - среднее значение ТКЛР образцовой меры в интервале измерений (см. п. 3.3.3), вычисляемое по формуле

здесь , ,  - значения ТКЛР меры, приведенные в паспорте на нее в интервале измерений; m - число значений  в этом же интервале.

Формула (6) выведена интегрированием по методу трапеций.

3.3.8. Погрешность Δ поверяемого дилатометра для начала, середины и конца рабочего диапазона температур вычисляют по формуле

где Δ_м - допустимая погрешность образцовой меры, указанная в паспорте.

3.3.9. Погрешность Δ не должна превышать значения, указанного в НТД на поверяемый дилатометр.

3.3.10. Результаты поверки заносят в протокол, форма которого приведена в обязательном приложении I.

3.3.11. Пример расчетов по обработке результатов поверки приведен в обязательных приложениях II и III.

4. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОВЕРКИ

4.1. При выпуске дилатометра из производства и после ремонта результаты поверки заносят в паспорт дилатометра.

4.2. На дилатометры, удовлетворяющие требованиям настоящей методики, выдают свидетельство установленной формы.

4.3. Не допускается выпуск в обращение и применение средств измерений, прошедших поверку с отрицательными результатами.

4.4. При отрицательных результатах поверки погашают клеймо и в документ о поверке вносят указание о непригодности поверенных средств измерений.

ПРИЛОЖЕНИЕ I
(обязательное)

ПРОТОКОЛ

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ II
(обязательное)

Пример
расчетов по обработке результатов поверки дилатометра

1. Проведение измерений

1.1. Внести в протокол поверки данные о поверяемом дилатометре и примененной мере.

1.2. Выбрать начало, середину и конец диапазона работы дилатометра. Например, если рабочий диапазон температур 80 - 300 K (см. приложение III), то выбираем температуры 85 K, 180 K и 280 K.

1.3. Выбрать интервал температур нагрева. Например, ΔT ≈ 7 K.

1.4. Охладить образцовую меру до минимальной температуры данного участка. Например, T₁ = 80,21 K. Записать значение T₁ в графу 2 протокола поверки.

1.5. Нагреть меру на ΔT ≈ 7 K. Когда наступит ее стабилизация, измерить Т₂ и результат записать в графу 3 протокола. Например, Т₂ = 87,64 К.

1.6. Вычислить ΔT = Т₂ - T₁ = 87,64 - 80,21 = 7,43 K, результат записать в графу 4.

1.7. Вычислить температуру отнесения по формуле (1) данной методики.

Результат записать в графу 5 протокола.

1.8. Записать на отдельном листе значение Δl, измеренное дилатометром, и вычислить  по формуле (2) методики. Полученное значение записать в графу 6 протокола. Значение l₀ меры использовать из ее паспорта. Например, расчет дал  = 8,79⋅10^-6 K^-1.

1.9. Повторить последовательность изложенных в пп. 1.4 - 1.8 операций пять раз подряд, записывая каждый раз данные в соответствующие графы протокола (см. приложение III) в строку «Начало диапазона».

1.10. Нагреть образцовую меру до температуры ~ 180 K.

1.11. Вблизи этой температуры нагреть меру на ΔT ≈ 7 K и произвести все операции аналогично пп. 1.4 - 1.8 (см. приложение III) пять раз подряд. Данные занести в протокол в строку «Середина диапазона».

1.12. Нагреть образцовую меру до температуры ~ 280 K.

1.13. Вблизи этой температуры нагреть меру на ΔT ≈ 7 K и повторить все операции аналогично пп. 1.4 - 1.8 (см. приложение III) пять раз подряд. Данные занести в протокол в строку «Конец диапазона».

2. Определение погрешности

2.1. Найти средние значения температур отнесения для начала, середины и конца рабочего диапазона и выбрать температуры приведения, близкие к этим значениям. Например, для начала диапазона

Выберем температуру приведения T₁ = 85 K. Для середины диапазона T₂ = 181 K. Для конца аналогично получим T₃ = 276 K. Занесем результаты в графу 7 протокола.

2.2. Вычислить приведенные значения  для каждого участка диапазона.

2.2.1. Для начала диапазона T^п = 85 K; T_отн = 83,92 K. Найдем разность T^п - T_отн = 85 - 83,92 = 1,08 K. Поскольку разность более 1 K, приведение осуществим в два этапа.

2.2.1.1. Сначала вычислим приведенное значение ТКЛР для T = 84 K. Из паспорта на образцовую меру найдем разность значений ТКЛР между 84 и 83 K. Она равна 0,115⋅10^-6 K^-1. Следовательно, поправка приведения Δαʹ = 0,115⋅10^-6⋅0,08 = 0,0092⋅10^-6 K^-1. Тогда значение ТКЛР, приведенное к Т = 84 K, αʹ = 8,79⋅10^-6 + 0,0092⋅10^-6 ≈ 8,80⋅10^-6 K^-1.

2.2.1.2. Затем определим значение ТКЛР, приведенное к T^п = 85 K. Разность значений ТКЛР меры между 85 и 84 K равна 0,113⋅10^-6 K^-1. Следовательно,  = αʹ + 0,113⋅10^-6 = 8,80⋅10^-6 + 0,113⋅10^-6 ≈ 8,91⋅10^-6 K^-1. Этот результат заносим в графу 8 протокола.

Затем аналогично, тоже в два этапа, установим , так как T^п - T_отн2 = 85 - 83,75 = 1,25 K, т.е. тоже более 1 K. Сначала найдем приведенное значение для T = 84 K, а затем для T = 85 K.

Приведенное значение для T = 84 K: Δαʹʹ = 0,115⋅10^-6⋅0,25 = 0,0287⋅10^-6 K^-1. Δαʹ = 8,82⋅10^-6 + 0,0287⋅10^-6 = 8,85⋅10^-6 K^-1.  = 8,85⋅10^-6 + 0,113⋅10^-6 = 8,96⋅10^-6 K^-1. Занесем результат в графу 8 протокола. Найдем . T_отн3 = 85,13 K. T^п = 85 K. Следовательно, T^п - T_отн3 =85 - 85,13 = -0,13 K. Найдем разность ТКЛР меры между 86 и 85 K по паспорту меры. Она равна 0,111⋅10^-6 K^-1. Тогда поправка приведения Δαʹʹʹ = 0,111⋅10^-6⋅(-0,13) = -0,0144⋅10^-6 K^-1. Следовательно, приведенное значение  + Δαʹʹʹ = 8,96⋅10^-6 - 0,0144⋅10^-6 = 8,94⋅10^-6 K^-1. Продолжая аналогичные вычисления, получим  = 9,08⋅10^-6 K^-1,  = 9,16⋅10^-6 K^-1. Результаты занесем в графу 8 протокола.

2.2.2. Для середины диапазона T_отн1 = 178,84 K; Т^п = 181 K; T^п - T_отн1 = 181 - 178,84 = 2,16 K. Поскольку разность более 2 K, приведение проведем в три этапа.

Вначале приведем к температуре 179 K. По паспорту меры найдем разность значений ТКЛР между 179 и 178 K. Она равна 0,028⋅10^-6 K^-1. Следовательно, значение ТКЛР, приведенное к T = 179 K, составляет αʹ = Δαʹ +  = 0,0280,028⋅10^-6⋅0,16 + 14,66⋅10^-6 ≈ 14,66⋅10^-6 K^-1.

Затем последовательно приведем ТКЛР к температурам 180 и 181 K. Из паспорта на меру возьмем разность ТКЛР между 180 и 179 K и между 181 н 180 K. Она равна соответственно Δαʹʹ = 0,027⋅10^-6 K^-1 и Δαʹʹʹ = 0,027⋅10^-6 K^-1. Следовательно  = αʹ + Δαʹʹ + Δαʹʹʹ = 14,66⋅10^-6 + 0,027⋅10^-6 + 0,027⋅10^-6 = 14,71⋅10^-6 K^-1. Результат занесем в графу 8 протокола. Далее, T_отн2 = 180,02 K; T^п = 181 K; T^п - T_отн2 = 181 - 180,02 = 0,98 K.

Следовательно, Δα₂ = 0,027⋅10^-6⋅0,98 = 0,0265⋅10^-6 K^-1. Значит  =  + Δʹα₂ = 14,82⋅10^-6 + 0,0265⋅10^-6 ≈ 14,85⋅10^-6 K^-1. Занесем результат в графу 8 протокола. Проведя аналогичные вычисления, найдем  = 14,88⋅10^-6 K^-1;  = 14,82⋅10^-6 K^-1;  = 14,80⋅10^-6 K^-1. Результаты занесем в графу 8 протокола.

2.2.3. Для конца диапазона проведем аналогичные вычисления; если разность между T^п и T_отн превышает 1 K, то приведение осуществляем в два этапа, если превышает 2 K, то в три этапа и т.д.

Для конца диапазона получим  = 16,63⋅10^-6 K^-1;  = 16,54⋅10^-6 K^-1;  = 16,53⋅10^-6 K^-1;  = 16,51⋅10^-6 K^-1;  = 16,47⋅10^-6 K^-1. Занесем результаты в графу 8 протокола.

2.3. Значение  для каждого участка диапазона вычислим по формуле (4) методики. Результаты запишем в графе 9 протокола.

2.4. Вычислим последовательно разности  и  для каждого участка диапазона. Результаты занесем, в графы 10 и 11.

2.5. Определим случайную составляющую погрешности  для каждого участка диапазона по формуле (3) методики. Результаты занесем в графу 12 протокола.

2.6. Вычислим  для каждого участка диапазона по формуле (6) методики. Данные возьмем из паспорта меры. Для начала диапазона самая низкая температура в интервале ΔT - Т₁ составляет 80,21 K, самая высокая Т₂ - 89,21 K. Из паспорта выпишем все значения ТКЛР меры, лежащие между 80 и 89 K через 1 K. Всего значений 10.

По формуле (6) методики определим

(суммируем значения от α₀₂ при T = 81 K до α₀₉ при T = 88 K).

Для середины диапазона самая низкая температура в интервале ΔТ - Т₂ равна 174,51 K, самая высокая Т₂ - 187,13 K. Из паспорта выпишем все значения ТКЛР меры, лежащие между 174 и 187 K. Всего значений 14. По формуле (6) методики определим

(суммируем значения от α₀₂ при T = 175 K до α₀₁₃ при T = 186 K). Аналогичные вычисления для конца диапазона дают  = 16,44⋅10^-6 K^-1. Результаты запишем в графу 23 протокола.

2.7. Вычислим систематическую составляющую Δ_с по формуле (5) методики. Результаты запишем в графу 14 протокола.

2.8. Вычислим погрешность Δ для начала, середины и конца рабочего диапазона поверяемого дилатометра по формуле (7) методики. Результаты запишем в графу 15 протокола.

Например, для начала диапазона

Значение Δ_м возьмем из паспорта на меру.

ПРИЛОЖЕНИЕ III
(обязательное)

Пример заполнения протокола поверки