Документ "ГОСТ 8.157-75 Государственная система обеспечения единства измерений. Шкалы температурные практические"

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ШКАЛЫ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ

ГОСТ 8.157-75

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ
Москва

СОДЕРЖАНИЕ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 12 мая 1975 г. № 1246 срок введения установлен

с 01.01.76

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).

1.4. Допускается применение единицы температуры - градуса Цельсия (°С). Между температурой Т, выраженной в Кельвинах, и температурой t, выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

t = T - T₀,                                                                                                  (1)

где Т₀ = 273,15К.

Градус Цельсия равен кельвину. Температурные разнести 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

2.1. Температурная шкала термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ, основанная на зависимости магнитной восприимчивости x термометра из церий-магниевого нитрата от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,01 до 0,8 К. Эта зависимость выражается законом Кюри

х = С/Т,                                                                                                    (2)

Где С - константа, определяемая градуировкой - магнитного термометра.

2.2. Шкала ³Не 1962 г., основанная на зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелия-3 от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,8 до 1,5К. Эта зависимость выражается уравнением

2.3. Шкала ⁴Не 1958 г., основанная на зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелия-4 температуры Т устанавливается для диапазона температур от 1,5 до 4,2К. Эта зависимость представлена в табличной форме (приложение 1).

2.4. Температурная шкала германиевого термометра электрического сопротивления ТШГТС, основанная на зависимости сопротивления R германиевого термометра от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 4,2 до 13,81 К. Эта зависимость выражается соотношением

                                                                                   (4)

2.5. Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68) устанавливается для диапазона температур от 13,81 до 6300К.

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.

2.5.1. В качестве эталонного прибора для области температур от 13,81 до 903,89 К применяют платиновый термометр сопротивления. Относительное сопротивление W_T термометра определяют по формуле

W_T = R_T/R_273,15К,                                                                                       (5)

Относительное сопротивление термометра должно быть не менее

1,39250 при Т = 373,15 К

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

W_Т = W_ст(T)+ΔW(T),                                                                                (6)

Поправки ΔW(T) при температурах основных реперных точек получают из измеренных значений W_Т и соответствующих значений W_ст(T), приведенных в приложении 5. Отличия измеренных значений W_Т от значений W_ст(T) в реперных точках рассчитывают по уравнениям, приведенным в приложении 6.

Поправки ΔW(T) при промежуточных температурах определяют интерполяционными формулами. Область между 13,81 и 273,15К разделена на четыре участка, в каждом из которых ΔW(T) определяют полиномом от Т. Константы в полиномах определяют из значений ΔW(T) в реперных точках и из условий равенства производных d ΔW(T)/dT на границах соседних температурных участков:

а) на участке от 13,81 до 20,28К поправочная функция имеет вид

ΔW(T) = А₁+В₁Т+C₁Т²+D₁T³,                                                                 (7)

где А₁, В₁, C₁ и D₁ - константы, определяемые из значений поправок (ΔW = W - W_ст), измеренных в тройной .точке равновесного водорода, при температуре 17,042 К и в точке кипения равновесного водорода, а также из значения производной поправочной функции в точке кипения равновесного водорода, вычисленного по уравнению (8);

б) на участке от 20,28 до 54,361 К поправочная функция имеет вид

ΔW(T) = А₂ + В₂Т + С₂Т² - D₂T³,                                                              (8)

где A₂, B₂, С₂ и D₂ - константы, определяемые из значений поправок (ΔW = W - W_ст), измеренных в точке кипения равновесного водорода, в точке кипения неона и в тройной точке кислорода, а, также из значения производной поправочной функции в тройной точке кислорода, вычисленного по уравнению 9;

в) на участке от 54,361 до 90,188 К поправочная функция имеет вид

ΔW(T) = А₃ + В₃Т + С₃Т²,                                                                         (9)

где А₃, В₃ и С₃ - константы, определяемые из значений поправок (ΔW = W - W_ст), измеренных в тройной точке и в точке кипения кислорода, а также из значения производной поправочной функции в точке кипения кислорода, вычисленного по уравнению 10;

г) на участке от 90,188 до 273,15 К поправочная функция имеет вид

ΔW(T) = A₄t + C₄t³(t - 100ºC),                                                                 (10)

где t = T - 273,15 К; A₄ и С₄ - константы, определяемые из значений поправок (ΔW = W - W_ст), измеренных в точке кипения кислорода и в точке кипения воды или в точке затвердевания олова (примечание к приложению 2).

2.5.3. Для области от 0 до 630,74°С температуру t в градусах Цельсия рассчитывают по уравнению

,         (11)

где ;

W (t') = R(t')/R (0°С);                                                                                (12a).

Уравнение (12а) эквивалентно уравнению

W (t') = l + А t' + B t'²,                                                                              (12б)

где A = α (1 + δ /100°С); B = - 10^-4 α∙δ°C^-2.

2.5.4. Для области от 630,74 до 1064,43°С температуру рассчитывают по уравнению

E_t = a + bt + ct²,                                                                                       (13)

Платиновый электрод эталонного термоэлектрического термометра должен иметь относительное сопротивление W (100°С) не менее 1,3920. Платинородиевый электрод должен содержать 10 % родия и 90 % платины.

Термоэлектрический термометр должен быть таким, чтобы значения электродвижущей силы E _(630,74°С), Е _(961,93°С) и Е _{(1064,43°С)} удовлетворяли следующим соотношениям в микровольтах:

Е _{(1064,43°С)} = 10300 ± 50;                                                                          (14)

Е _{(1064,43°С)} - Е _(961,93°С) = 1183 + 0,158[Е _{(1064,43°С)} - 10300]±4;                 (15)

Е _{(1064,43°С)} - E _(630,74°С) =4,766 + 0,631 [Е _{(1064,43°С)} - 10300] ±8                (16)

2.5.5. Для области выше 1337,58 К (1064,43°С) температуру Т определяют по уравнению

где L (Т) и L_λ [T (Au)] -спектральные плотности энергии излучения черного тела для длины волны λ при температуре Т и в точке затвердевания золота Т (Au). Значение константы С₂ = 0,014388 м∙К.

2.5.6. Воспроизведение МПТШ-68 осуществляется аппаратурой, методами и технологией для реализации реперных точек и эталонными приборами, соответствующими рекомендациями, указанными в справочном приложении 7.

2.5.7. Ориентировочные значения расхождений между значениями по МПТШ-68 и МПТШ-48 приведены в. справочном приложении 8.

2.6. Температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ), основанная на зависимости спектральной плотности энергии излучения L(T) черного тела от температуры Т в микроволновом диапазоне излучения, устанавливается для диапазона температур от 6300 до 100000 К.

Эта зависимость выражается уравнением.

где L (T) и L [Т (Au)] - спектральная плотность энергии излучений черного тела в диапазоне микроволнового радиоизлучения при температуре Т и в точке затвердевания золота Т (Au).

Для построения температурной шкалы по микроволновому излучению используют тепловое излучение с длинами волн более 1 мм.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ЗАВИСИМОСТЬ МЕЖДУ ДАВЛЕНИЕМ ρ НАСЫЩЕННЫХ ЛАРОВ ИЗОТОПА ГЕЛИЯ-4 И ТЕМПЕРАТУРОЙ Т В КЕЛЬВИНАХ

Таблица рассчитана для ускорения свободного падения, равного 9,80666 м/с².

Продолжение таблицы

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ОСНОВНЫЕ РЕПЕРНЫЕ (ПОСТОЯННЫЕ) ТОЧКИ МПТШ-6

Значения температур даны для состояния равновесия при давлении р, равном 101,325 кПа (760 мм рт. ст.), за исключением тройных точек и точки 17,042 К

Примечание. Состояние равновесия между твердой и жидкой фазами олова (точка затвердевания олова) имеет значение t = 231,9б81ºС и может быть использовано вместо точки кипения воды»

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
СТАНДАРТНАЯ ФУНКЦИЯ W_ст (Т) ДЛЯ ПЛАТИНОВЫХ ТЕРМОМЕТРОВ
СОПРОТИВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР от 13,81 до 273,15 K

Значения коэффициентов A₁

Стандартная функция W_ст при Т = 273,15К переходит в функцию W(T). заданную уравнениями (11) и (12) для а = 3,9259668∙10^-3°С^-1 и δ = 1,496334°С таким образом, что при этой температуре совпадают значения функций, а также их первых и вторых производных.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ТАБЛИЦА ЗНАЧЕНИЙ W_ст (T)

Продолжение

ПРИЛОЖЕНИЕ 5
ТАБЛИЦА ЗНАЧЕНИЙ W_ст (T) ДЛЯ ТЕМПЕРАТУР РЕПЕРНЫХ
(ПОСТОЯННЫХ) ТОЧЕК

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ РАВНОВЕСНОГО ВОДОРОДА, НЕОНА, КИСЛОРОДА И ВОДЫ

p₀ = 101,325 кПa(760 мм рт. ст.)

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.

Значение R (0°С) термометра обычно составляет 25 Ом, а сила измерительного тока такого термометра обычно равна 1 или 2 мА. Детали термометра, находящиеся в непосредственной близости к чувствительному элементу, изготовляют из чистых материалов, не реагирующих с платиной.

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.

В качестве изоляционных материаловприменяют слюду, кварц и окись алюминия, которые обычно обеспечивают необходимую изоляцию вплоть до t = 500°C. Однако, когда температура приближается к 630°С, условия становятся более трудными и могут легко возникать ошибки порядка 1 мК или больше. В случае применения слюды создается дополнительная трудность, так как, если слюду нагревать до температуры выше 450°С, может образоваться значительное количество воды. Воду необходимо периодически устранять откачкой или осушением, иначе изоляция чувствительного элемента будет быстро ухудшаться.

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.

Полезным критериев эффективности отжига и стабильности термометра является постоянство его сопротивления при температуре реперной точки, Для этой цели обычно используют тройную точку воды (273,16 К) и точку кипения гелия (4,215 К). Первая удобна для большинства высокотемпературных термометров, а вторая не только легко реализуется для термометров, встроенных в криогенную аппаратуру, но и имеет дополнительное преимущество - относительно малую чувствительность к изменениям температуры. Практикой установлено, что изменение сопротивления в тройной точке воды не должно превышать 4∙10^-6R(0°C) (эквивалентно ~ 1 мК при температуре выше 40 К) для серийных высокотемпературных термометров и 5∙10^-7R (0°С) для самых лучших термометров при условии крайне осторожного обращения с ними. Для термометров, используемых только при температурах до 100°С или ниже, изменение сопротивления в тройной точке воды не должно превышать 5∙10^-7R(0°С),

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°С, а платить родиевую проволоку - до 1450°С, Если отжиг проведен до того, как электроды помечены в изолирующую арматуру, то после этой процедуры термометр необходимо снова нагреть до температуры не менее 1100°С 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

Обычно давление определяют по показаниям ртутного манометра При этом средняя плотность чистой ртути, если ее температура находится в интервале от 0 до 40ºС и если столб ртути соответствует давлению р, которое необходимо измерить, выражается с достаточной точностью формулой

,                     (1)

где

A = 18115∙10^-8ºС^-1;

B =0,8∙10^-8ºС^-2;

x = 4,0∙10^-11Па^-1 = 5,3∙10^-9;

ρ(20°С, ρ₀) = 13545,87 кг/м³ - плотность чистой ртути при температуре t = 20ºС и при давлении ρ₀ = 101,325 кПа (760 мм рт. ст.).

Достаточно точное значение местного ускорения свободного падения может быть получено Потсдамской системой и при введении поправки, равной; - 14∙10^-5 м/с².

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

Температура тройной точки воды может быть реализована в герметичных: стеклянных ампулах, содержащих только воду высокой чистоты с изотопным составом, соответствующим в значительной мере океанской воде. Ампулы имеют осевой колодец для термометров; температура тройной точки воды реализуется в любом месте; где лед находится в равновесий с поверхностью вода - пар. На глубине h ниже поверхности вода -пар температура равновесия t между льдом и жидкой водой выражается формулой

t = A + Bh,                                                                                                (2)

где А = 0,01°С и В = - 7∙10^-4°С/м.

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 стабильно 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.

Различное содержание изотопов в природной воде может вызвать заметные расхождения в значениях температуры тройной точки. Океанская вода содержит около 0,016 моля дейтерия ²Н на 100 молей водорода ¹Н; 0,04 моля ¹⁷O и 0,2 моля ¹⁸О на 100 молей ¹⁶О. Такое содержание тяжелых изотопов по существу самое высокое, которое может встречаться в природной воде. Континентальные поверхности воды обычно содержат около 0,015 моля ²Н на 100 молей ¹Н; вода, поступающая от полярных снегов, может иногда содержать всего лишь 0,01 моля ²Н на 100 молей ¹Н.

Операция по очистке воды может слегка изменить ее изотопный состав, а изотопный состав поверхности раздела вода - лед несколько зависит от технологии охлаждения воды. Изменение изотопного состава воды обусловленное увеличением содержания дейтерия ²Н на 0,001 моля (при расчете на 100 молей ¹Н), соответствует повышению температуры тройной точки воды на 0,040 мК. Таковым и является расхождение между температурами тройных точек океанской и обычной континентальной поверхностной воды. Максимальное расхождение в температурах тройных точек природной массы составляет 0,250 мК.

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% пароводорода (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 01,21 % орто- и 99,79 % пароводорода. 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

Точка кипения неона может быть реализована способом, подобным описанному для водорода. Нормальный изотопный состав неона: 0,0026 моля ²¹Ne и 0,088 моля ²²Ne на 0,909 моля ²⁰Ne.

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 давлений в соответствии в табл. 1 настоящего приложения.

Олово высокой чистоты (составляющей 99,9999 % по массовой доле) при охлаждении из жидкого состояния переохлаждается на 20г-30К 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 плавленного 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 101,3 (25 кПа (760 мм рт. ст.).

Таблица 1

Температура точек затвердевания металлов в зависимости от давления

Примечание 1. К/мм рт. ст. = 7,5∙10^-3К/Па.

Таблица 2

Вторичные реперные (постоянные) точки

ПРИЛОЖЕНИЕ 8
Справочное
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ РАСХОЖДЕНИЙ (t₆₈-t₄₈) В КЕЛЬВИНАХ МЕЖДУ ЗНАЧЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО МПТШ-68 И МПТШ-48