Эталон единицы температуры

Температура является важной величиной, играющей в науке, промышленности, жизни людей иногда определяющую роль. До 40% всех измерений составляет измерения температуры. При этом возрастают требования к точности температурных явлений.

Температура окружающей среды представляет собой активную величину. Это вносит в измерения существенные особенности, начиная с определения активной физической величины: обычно определение активной физической величины основано на взаимодействии каких-либо процессов.

В определение единицы термодинамической температуры «заложено» взаимодействие различных состояний воды, находящихся в термодинамическом равновесии: кельвин – 1/273,6 часть температуры тройной точки воды. Это определение позволяет построить термодинамическую температурную шкалу.

Особенность термодинамической температуры состоит также в том, что она является неаддитивной физической величиной. Поэтому, если для эталонов длины, массы и других аддитивных величин можно опираться на воспроизведение размеров установленных единиц (метр, килограмм и др.), то для температуры воспроизведения одной эталонной точки не позволит точно устанавливать другие температурные точки. Таким образом, для измерения температуры требуется осуществить точное воспроизведение многих температурных точек, совокупность которых образует температурную шкалу. Температуры, определяемые по этой шкале, должны максимально совпадать с термодинамической шкалой температуры Кельвина.

Сформулированным требованиям на современном этапе термометрических исследований отвечает Международная температурная шкала 1990 г. (МТШ-90). При этом основной реперной точкой шкалы остается кельвин, воспроизводимый в тройной точке воды. Эталон, воспроизводящий размер кельвина, очевидно, был и остается основным «держателем» единицы температуры.

В свое время Кельвин и позже Д. И. Менделеев обосновали целесообразность построения термодинамической шкалы температуры по одной реперной точке, поскольку такая шкала позволяет определять абсолютную температуру точнее, чем в случае шкалы с двумя реперными точками. В первом случае определенное числовое значений приписывается только одной экспериментально получаемой точке шкалы. При этом тройная точка воды может быть воспроизведена с погрешностью (СКО) не хцже 0,00005 °С, т.е. с наивысшей точностью, полученной при измерении температуры. Это тепловое равновесие воды в твердой, жидкой газообразной фазах и использовано для построения исходного эталона температуры.

Принятым в 1993 г. постановлением Госстандарта России температурная шкала МТШ-90 поддерживается двумя государственными (первичными) эталонами единицы температуры.

Государственный первичный эталон в диапазоне температур 0,8 – 273,16 К хранится во ВНИИФТРИ. Эталон имеет ряд измерительных установок: в диапазонах 0,8 – 4,2 К; 4,2 – 13,81 К и выше. В диапазоне измерений 0,8 – 4,2 К эталон имеет высокие метрологические характеристики: СКО не хуже 0,0006 К, неисключенная систематическая погрешность 0,001 К. в диапазоне измерений 4,2 – 13,81 К значение СКО результатов наблюдений составляет 0,0005 К, неисключенная систематическая погрешность не хуже 0,003К. для наилучшего приближения к термодинамической температурной шкале в указанных диапазонах измерений используется газовый термометр. В эталонных установках, воспроизводящий температуру выше 13,81 К, используются платиновые термометры сопротивления.

При введении новой температурной шкалы были достигнуты некоторые усовершенствования в области измерений температуры: повышена точность измерений, расширен диапазон действий МШТ-90 (область низких температур от 13,8 К до 0,65 К). Новая шкала в отличие от МПШТ-68 достаточно «гладкая» в результате использования платинового термометра сопротивления в качестве интерполяционного прибора в диапазоне от 13,8 К до 1235 К. При измерении в диапазоне температур выше 1337,33 К (точка плавления золота) используется фотоэлектрическая аппаратура. Вместе с тем МШТ-90 сохраняет принцип построения шкалы на основе реперных точек в приписанными им новыми значениями температур. Следует учитывать, что при дальнейших исследованиях шкала МШТ-92 будет уточняться.