Приложение I (справочное). Калибровка измерителей радиации

Приложение I
(справочное)

Калибровка измерителей радиации

I.1 Калибровка измерителей радиации

Измерители радиации должны быть откалиброваны с использованием так называемого черного тела. Интенсивность излучения внутри абсолютно черного тела (Вт/м ²) сравнивается с выходным сигналом (В) радиометра. Калибровочная кривая представляет собой прямую линию с небольшим смещением в системе координат (у = ах + b), показывающую выходной сигнал (V) как функцию освещенности (Вт/м ²) (см. рисунок I.7). Для калибровки радиометр должен работать в том же режиме, что и для измерения излучения под теплогенератором с использованием той же проводки, того же усилителя и других используемых компонентов. Настройки усилителя и колеса делителя также должны оставаться неизменными при калибровке и измерении под теплогенератором. Измеритель радиации должен быть полностью работоспособен во время калибровки, включая водяное охлаждение и продувку азотом для поддержания надлежащей температуры и расхода в соответствии с 7.4.3.

I.2 Устройство и метод калибровки абсолютно черного тела

I.2.1 Общие положения

В этом методе используется черное тело со сферической полостью из керамического материала с внутренним диаметром 300 мм, которое можно нагреть до температуры не менее 600 °С. Сферическая полость имеет отверстие (апертуру) того же диаметра, что и калибруемый радиометр.

На рисунке I.1 показано схематическое изображение калибровочной печи черного тела, на рисунке I.2 показан вид калибровочной печи снаружи и изнутри.

1 - калибровочная печь с термостатом; 2 - калибровочная печь с термостатом защиты от перегрева; 3 - электрические нагревательные элементы; 4 - керамический кронштейн; 5 - черное тело с датчиком фактической температуры; 6 - теплоизоляция; 7 - заглушка для отверстия; 8 - апертурная трубка; 9 - сферическая керамическая полость; 10 - положение измерителя радиации во время калибровки

Рисунок I.1 - Схематическое изображение калибровочной печи для абсолютно черного тела

1 - апертурная заглушка; 2 - датчик температуры абсолютно черного тела (Pt100); 3 - калибровочная печь; 4 - апертурная трубка; 5 - радиационный метр; 6 - механическая направляющая для поддержки измерителя радиации; 7 - трубки водяного охлаждения и продувки азотом; 8 - сферическая керамическая полость; 9 - термостат духовки

Рисунок I.2 - Пример калибровочной печи, внешний и внутренний вид

Температура калибровочной печи (черного тела) определяется датчиком температуры Pt100 (см. [6]), класса точности А, АА или 1/10 В диапазона температур 0 °С - 600 °С, который размещается в середине черного тела.

Для калибровки радиометр вводится через отверстие в сферическую полость в черном теле (которое нагревается до заданной температуры и стабилизируется) так, чтобы передняя поверхность радиометра находилась на одном уровне с поверхностью внутренней сферической полости. Радиометр должен плотно входить в апертурную трубку с максимальной разницей диаметров 5 мм. Следует избегать любого контакта радиометра с горячей апертурной трубкой.

Излучение от внутренней горячей поверхности черного тела теперь передается на радиометр, который дает соответствующий выходной сигнал (V). Чтобы черное тело не остыло из-за более холодного воздуха из испытательной комнаты, керамическая заглушка отверстия должна быть удалена из отверстия как можно быстрее, а излучающее устройство должно быть помещено в отверстие в течение максимум 4 с. В соответствии с 7.4.3 продувка азотом должна быть достаточной только для продувки интегрирующей сферы и сведения к минимуму эффекта охлаждения черного тела во время калибровки.

Во время калибровки необходимо контролировать температуру измерителя радиации и выходной сигнал. Калибровочное значение усредняется при постоянной температуре радиометра с удовлетворительным постоянством в течение периода, превышающего 4 с.

I.2.2 Калибровка температуры при нормальных условиях

Калибровку при эталонных условиях 20 °С необходимо проводить в климатической камере. Температура должна быть установлена на проектную уставку 20,0 °С с погрешностью  0,5 °С. Отверстие измерителя радиации должно быть закрыто, чтобы предотвратить попадание света или других источников излучения. Перед началом калибровки измеритель радиации должен быть помещен в калибровочное положение и стабилизирован в печи при температуре 20,0 °С в течение не менее 8 ч. После перевода измерителя радиации в рабочее состояние необходимо выдержать дополнительное время стабилизации температуры в течение 30 мин. Во время этой калибровки не должна течь охлаждающая вода, а поток азота должен соответствовать 7.4.3.

В качестве альтернативы калибровку можно выполнить в эталонных условиях, оставив радиометр в печи на ночь без циркуляции охлаждающей воды, чтобы обеспечить достижение устойчивого состояния. Поэтому измеритель радиации следует как можно глубже втолкнуть в печь. Температура может колебаться от 18 °С до 22 °С из-за условий комнатной температуры. В этом случае для калибровки необходимо использовать фактически измеренную температуру. После ввода измерителя радиации в эксплуатацию необходимо выдержать время стабилизации температуры еще 30 мин. Во время этой калибровки не должна течь охлаждающая вода, а поток азота должен соответствовать 7.4.3.

В качестве альтернативы также допустима следующая процедура: измеритель радиации должен быть помещен в помещение с комнатной температурой (20 5) °С. Поток азота должен соответствовать 7.4.3. Охлаждающая вода должна проходить через измеритель радиации с нормальным расходом, а температура воды должна быть установлена на номинальное заданное значение 20,0 °С с погрешностью  0,5 °С. Измеритель радиации должен быть размещен плотно в цилиндрическом пространстве в изолированном корпусе из изоляционного материала с проводимостью не менее  = 0,035 Вт/мК и термическим сопротивлением не менее R = 1,7 м ²К/Вт (например, Styrodur С изоляционная пена или другой материал). См. рисунок I.3 для примера такого корпуса. Как только дозиметр находится в рабочем состоянии, перед началом калибровки соблюдается время стабилизации температуры не менее 30 мин.

На рисунке I.3 показано схематическое изображение возможного корпуса для калибровки эталонной температуры.

1 - изоляция с толщиной стенки 50 мм; 2 - изоляция с толщиной стенки не менее 65 мм; 3 - размещение измерителя радиации в цилиндрическом пространстве

(Изготовлен из экструдированного твердого пенополистирола Styrodur С производства концерна BASF. Для других материалов могут потребоваться другие размеры)

Рисунок I.3 - Окно калибровки альтернативных эталонных условий

I.2.3 Температурная калибровка при более высоких температурах

Для темных излучателей достаточно калибровки до максимальной температуры черного тела 420 °С ¹⁾. Температура черного тела считается стабильной, если она не изменяется более чем на 0,5 °С в течение часа. Температура черного тела измеряется в центре сферы с помощью калиброванного датчика температуры с общей погрешностью [T менее (300 3) °С и T более 300 °С 1 % измерения] датчика и комбинации калибров.

-----------------------------

¹⁾_{По состоянию на 2016 г. этой температуры достаточно. В будущем для новых разработок может потребоваться более высокая максимальная температура для калибровки.}

-----------------------------

Для определения температуры абсолютно черного тела используется Pt100 (см. [6]) с классом точности А, АА или 1/10В или лучше в диапазоне температур от 0 °С до 600 °С вместе с показанием не менее 0,1 °С и точностью  0,05 %. Датчик должен быть откалиброван с глубиной погружения не менее 25 см. Pt100 должен быть предварительно состарен производителем, чтобы обеспечить постоянный сигнал во времени. Требуется сертификат калибровки Pt100 в диапазоне от 20 °С до 550 °С, включая дисплей измерений. Если сертификат калибровки включает таблицу или кривую поправок, эту поправку необходимо использовать для определения фактической температуры абсолютно черного тела, необходимой для калибровки и расчета.

Для повышения точности измерений важно, чтобы ожидаемые измеренные значения соответствовали рабочему диапазону радиометра. Пример: если выходной диапазон измерителя излучения составляет от 0 до 10 В, самые высокие значения, ожидаемые во время измерения, должны находиться в верхнем выходном диапазоне (выше 70 % от максимального показания). На практике это означает, что во время калибровки при 420 °С показания измерителя радиации должны быть выше 7 В.

Примечание - Черное тело ( = 1) с температурой 420 °С обеспечивает такое же излучение, как темный излучатель ( < 1) с локальной температурой трубки 650 °С.

Калибровка должна выполняться для темных излучателей со следующими температурами абсолютно черного тела (см. таблицу I.1) и освещенностями. Допускается отклонение температуры на  5 % от запланированной температуры, если фактическая температура регистрируется и используется при расчете.

Таблица I.1 - Калибровка трубчатых нагревателей

Температура абсолютно черного тела, °С	Освещенность, Вт/м 2
20	0
200	Примерно 2500
300	Примерно 7000
420	Примерно 12 000

I.2.4 Расчет калибровки

Интенсивность излучения E, Вт/м ² при температуре Т (К), исходя из температуры измерителя излучения 20 °С, вычисляют по формуле Стефана-Больцмана

.

(I.1)

где E - излучение калибровочной печи при температуре 20,0 °С, Вт/м ²;

Т - температура калибровочной печи (K);

, Вт/(м ²K ⁴).

Чувствительность при каждой температуре вычисляют по формуле

,

(I.2)

где S - чувствительность радиометра, В/(Вт/м ²);

E - разница в освещенности, Вт/м ²;

U - разница напряжения датчика, В.

Калибровку необходимо проводить во всем диапазоне освещенности трубчатого нагревателя. Это достигается путем калибровки при различных температурах абсолютно черного тела. Измерения должны быть выполнены не менее четырех раз для каждой температуры, и должно быть рассчитано среднее значение. Перед проведением измерений калибровочная печь и измеритель радиации должны находиться в устойчивом состоянии при каждой температуре измерения.

Чувствительность 1/S для всего диапазона излучения определяют из этих индивидуальных данных чувствительностей 1/S с помощью графических методов и статистических средств. Излучение отображается в зависимости от выходного напряжения измерителя радиации (см. рисунок I.7) на диаграмме. Коэффициент корреляции задается наиболее подходящей прямой линией по формуле у = ах + b (см. I.6 для получения более подробной информации об используемом методе).

Прямая линия теоретически должна проходить через начальную точку. Из-за внешних воздействий на чувствительный элемент измерителя радиации (таких как тепло, выделяемое двигателем измельчающего колеса) будет небольшое смещение от начальной точки, измеренной при эталонных условиях 20,0 °С. Хотя это постоянный коэффициент, это смещение необходимо добавить к формуле у = ах как константу b, чтобы получить формулу у = ах + b. Калибровочная кривая дается наиболее подходящей прямой линией, выраженной в виде формулы

у = ах + b.

I.3 Подробная процедура калибровки в качестве отредактированного примера

I.3.1 Калибровочные измерения

Этап А. Калибровочное измерение начинают при нормальных условиях 20,0 °С в соответствии с I.2.2. Фактическая температура черного тела, температура радиометра и показания напряжения радиометра собираются путем регистрации данных в течение 20-30 с. Этот процесс повторяется четыре раза, и определяются средние значения.

Шаг В. Калибровочную печь устанавливают на требуемую температуру калибровки до тех пор, пока она не стабилизируется (см. также I.2.3). Апертурная пробка снимается и радиометр помещается в течение примерно 4 с. Собираются фактические показания температуры черного тела и радиометра, а также показания напряжения радиометра (предпочтительно путем регистрации данных). Апертурная трубка снова закрывается сразу же после удаления измерителя радиации, чтобы предотвратить слишком сильное падение температуры. Этот процесс повторяется не менее четырех раз, ожидая стабилизации калибровочной печи и радиометра между каждым измерением.

Примечание - На практике между измерениями требуется время стабилизации не менее 15 мин.

Шаг С. Шаг В повторяется для всех температур калибровки.

Шаг D. Калибровка завершается повторением шага А, чтобы убедиться, что во время калибровки не произошло дрейфа датчика. Среднее значение измерений А и D рассчитывается для определения среднего напряжения радиометра при стандартных условиях.

Регистрация данных должна быть начата до размещения радиометра. Это позволяет получать полезные данные с первых нескольких секунд после размещения измерителя радиации. Требуемые измерения позже выбираются из зарегистрированных данных. Достаточно скорости регистрации данных 510 считываний в секунду.

См. рисунок I.4 (столбцы 1-4) для примера регистрации данных во время калибровочного измерения при 420 °С. Отображается только тот выбор, который необходимо применить.

Рисунок I.4 - Пример регистрации данных и выбора данных калибровочного измерения при температуре 420 °С

I.3.2 Выбор средних значений

См. рисунок I.4 для типичной документации по калибровочному измерению при 420 °С. На рисунке I.5 показано графическое представление выбора данных таблицы на рисунке I.4. Для определения правильных средних значений необходимо соблюдать следующие требования и процедуры:

- показания напряжения измерителя радиации приведены в столбце 4 на рисунке I.4. Измеренные значения определяются, как только кривая напряжения становится стабильной, - см. столбец 6 (см. также рисунок I.5). Определяют среднее напряжение этой выборки;

- выбранный диапазон используемой кривой напряжения должен быть стабильным не менее 4 с. (столбец 5 и рисунок I.5. В этом примере продолжительность равна 6 с.). В противном случае измерение должно быть отклонено и должно быть проведено новое измерение;

- температура измерителя радиации должна быть постоянной и составлять 20,0 °С с пределом погрешности  0,2 °С для выбранного диапазона (см. столбец 6 и рисунок I.5). По мере повышения температуры радиометра растет и напряжение радиометра, отмечая конец данных, пригодных для калибровки. Если температура поднимается слишком рано, измерение следует отменить и провести новое измерение;

- среднее значение температуры духовки определяется для сделанного выбора. См. столбец 7;

- эта процедура повторяется до тех пор, пока не будут получены четыре пригодных для использования калибровочных показания для всех калибровочных температур.

Рисунок I.5 - Графическое представление выбора данных из таблицы на рисунке I.4

I.3.3 Определение чувствительности 1/S по температуре

Все полученные данные калибровки должны быть записаны в таблицу для расчета чувствительности 1/S (см. рисунок I.4 в качестве примера такой таблицы). Чтобы вычислить правильно чувствительность 1/S по температуре, необходимо соблюдать следующие требования и процедуры:

- чувствительность 1/S определяют для каждого скорректированного среднего значения напряжения и фактической температуры абсолютно черного тела с использованием уравнений I.1 и I.2.

- определяют среднее значение четырех измерений температуры. Эти четыре отдельных значения 1/S для 420 °С, 300 °С и 200 °С не должны отличаться более чем на 1 % от среднего значения этих четырех измерений;

- определяют среднее значение эталонных измерений при 20 °С в начале и в конце. Проверяют, не дрейфовали ли значения во время калибровки при более высоких температурах.

I.3.4 Определение чувствительности 1/S радиометра

См. рисунок I.7. Для определения средней чувствительности 1/с измерителя радиации проводится линейная регрессия измеренных значений. Рекомендуется наносить напряжение радиометра и соответствующую энергию на график, а среднюю чувствительность 1/S определять с помощью функции линейной регрессии. Параметр "Через начало" должен быть отключен, чтобы получить правильную линию у = ах + b.

I.3.5 Документирование результатов калибровки

Результаты калибровки должны быть задокументированы в отчете. На рисунке I.7 приведен пример такого отчета. Этот отчет должен содержать, как минимум, следующую информацию:

- дата калибровки;

- установка измельчительного колеса;

- расход N2 при калибровке;

- все настройки синхронного усилителя;

- серийный номер интегрирующей сферы;

- серийный номер извещателя;

- сводка измерений;

- линия чувствительности;

- калибровочное уравнение у = ах + b.

Рисунок I.6 - Таблица, обобщающая результаты калибровки

Рисунок I.7 - График, показывающий калибровочную кривую для определения средней чувствительности 1/S