Раздел 1 Метрология

Краткий конспект лекций по дисциплине «Метрология, стандартизация, сертификация» для студентов РГУ

 

Раздел 1 Метрология

1.1. Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Метрология изучает:

1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;

2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;

3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.

Выделяют несколько основных направлений метрологии:

1) общая теория измерений;

2) системы единиц физических величин;

3) методы и средства измерений;

4) методы определения точности измерений;

5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;

6) эталоны и образцовые средства измерений;

7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения.

Важным понятием в метрологии является единство измерений, под которым подразумевают такие измерения, при которых итоговые данные получаются в узаконенных единицах, в то время как погрешности данных измерений получены с заданной вероятностью. Необходимость существования единства измерений вызвана возможностью сопоставления результатов различных измерений, которые были проведены в различных районах, в различные временные отрезки, а также с применением разнообразных методов и средств измерения.

Терминология

в метрологии используются следующие величины и их определения: 1) физическая величина, представляющая собой общее свойство в отношении… 2) единица физической величины, что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое…

Классификация измерений

Классификация средств измерений может проводиться по следующим признакам (рисунок 1.1).

 

Рисунок 1.1

 

1. По характеристике точности измерения делятся на равноточные и неравноточные.

Равноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерений (СИ), обладающих одинаковой точностью, в идентичных исходных условиях.

Неравноточными измерениями физической величины называется ряд измерений некоторой величины, сделанных при помощи средств измерения, обладающих разной точностью, и (или) в различных исходных условиях.

2. По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные.

Однократное измерение – это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое.

Многократные измерения – это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, – четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность.

3. По типу изменения величины измерения делятся на статические и динамические.

Статические измерения – это измерения постоянной, неизменной физической величины. Примером такой постоянной во времени физической величины может послужить длина земельного участка.

Динамические измерения – это измерения изменяющейся, непостоянной физической величины.

4. По предназначению измерения делятся на технические и метрологические.

Технические измерения – это измерения, выполняемые техническими средствами измерений.

Метрологические измерения – это измерения, выполняемые с использованием эталонов.

5. По способу представления результата измерения делятся на абсолютные и относительные.

Абсолютные измерения – это измерения, которые выполняются посредством прямого, непосредственного измерения основной величины и (или) применения физической константы.

Относительные измерения – это измерения, при которых вычисляется отношение однородных величин, причем числитель является сравниваемой величиной, а знаменатель – базой сравнения (единицей). Результат измерения будет зависеть от того, какая величина принимается за базу сравнения.

6. По методам получения результатов измерения делятся на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения – это измерения, выполняемые при помощи мер, т. е. измеряемая величина сопоставляется непосредственно с ее мерой. Примером прямых измерений является измерение величины угла (мера – транспортир).

Косвенные измерения – это измерения, при которых значение измеряемой величины вычисляется при помощи значений, полученных посредством прямых измерений, и некоторой известной зависимости между данными значениями и измеряемой величиной.

Совокупные измерения – это измерения, результатом которых является решение некоторой системы уравнений, которая составлена из уравнений, полученных вследствие измерения возможных сочетаний измеряемых величин.

Совместные измерения – это измерения, в ходе которых измеряется минимум две неоднородные физические величины с целью установления существующей между ними зависимости.

 

Единицы измерения

В основе Международной системы единиц лежат семь единиц, охватывающих следующие области науки: механику, электричество, теплоту, оптику,… 1) единица длины (механика) – метр; 2) единица массы (механика) – килограмм;

Погрешность измерений

Согласно закону теории погрешностей, если необходимо повысить точность результата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то число… Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий… Кроме того, по признаку зависимости от характера проявления, причин возникновения и возможностей устранения,…

Раздел 2 Стандартизация

Основные термины и определения

2. Цель стандартизации – достижение оптимальной степени упорядочения в той или иной области посредством широкого и многократного использования… 3. Аспект стандартизации – направление стандартизации выбранного объекта… Так, аспектами стандартизации конкретной продукции являются:

Объекты стандартизации

Показателями стандартов являются характеристики объектов стандартизации, выраженные с помощью условных единиц, обозначений или понятий. Показатели… В настоящее время сформировалась государственная система стандартизации… Нормативные документы по стандартизации делятся на следующие разновидности:

Примеры международных стандартов

В качестве примера приведем международные стандарты систем экологического менеджмента ISO 14000.

Появление ISO 14000 - серии международных стандартов систем экологического менеджмента на предприятиях и в компаниях - называют одной из наиболее значительных международных природоохранных инициатив. Система стандартов ISO 14000, в отличие от многих других природоохранных стандартов, ориентирована не на количественные параметры (объем выбросов, концентрации вещества и т.п.) и не на технологии (требование использовать или не использовать определенные технологии, требование использовать "наилучшую доступную технологию").

Основным предметом ISO 14000 является система экологического менеджмента. Типичные положения этих стандартов состоят в том, что в организации должны быть введены и соблюдаться определенные процедуры, должны быть подготовлены определенные документы, должен быть назначен ответственный за определенную область. Основной документ серии - ISO 14001 не содержит никаких "абсолютных" требований к воздействию организации на окружающую среду, за исключением того, что организация в специальном документе должна объявить о своем стремлении соответствовать национальным стандартам. Такой характер стандартов обусловлен, с одной стороны, тем, что ISO 14000, как международные стандарты, не должны вторгаться в сферу действий национальных нормативов. С другой стороны, предшественником ISO являются "организационные" подходы к качеству продукции, согласно которым ключом к достижению качества является выстраивание надлежащей организационной структуры и распределение ответственности за качество продукции. Система стандартов ISO 14000 также использовала зарекомендовавшую себя модель международных стандартов по системам контроля качества продукции (ISO 9000) в соответствии с которыми в настоящий момент сертифицировано более 70000предприятий и компаний по всему миру. Первые стандарты из серии ISO 14000 были официально приняты опубликованы в конце 1996 года. Предполагается, что система стандартов будет обеспечивать уменьшение неблагоприятных воздействий на окружающую среду

2.4. Органы и службы по стандартизации.

Государственный комитет по стандартизации.

Деятельность по стандартизации осуществляют соответствующие региональные и местные органы и организации. Орган рассматривается как юридическая или административная единица, имеющая конкретные задачи и структуру. Основная функция такого органа – разработка и утверждение норм документов, доступных широкому кругу потребителей.

Национальным органом по стандартизации в России является Государственный комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандарт России). Госстандарт России выполняет следующие функции:

- координирует деятельность государственных органов управления, касающихся вопросов стандартизации, сертификации, метрологии;

- взаимодействует с органами власти республик в составе РФ и других субъектов Федерации в области стандартизации, сертификации, метрологии;

- направляет деятельность технических комитетов и субъектов хозяйственной деятельности по разработке, применению стандартов, другим проблемам сообразно своей компетенции;

- подготавливает проекты законов и других правовых актов в пределах своей компетенции;

- устанавливает порядок и правила проведения работ по стандартизации, метрологии, сертификации;

- принимает большую часть государственных стандартов, общероссийских классификаторов технико-экономической информации.;

- осуществляет государственную регистрацию норм, документов, а также стандартных образцов веществ и материалов;

- руководит деятельностью по аккредитации испытательных лабораторий и органов по сертификации;

- осуществляет государственный надзор за соблюдением обязательных требований стандартов, правил метрологии и обязательной сертификации;

- представляет Россию в международных организациях, занимающихся вопросами стандартизации, сертификации, метрологии и в межгосударственном совете СНГ;

- сотрудничает с соответствующими национальными органами зарубежных стран;

- руководит работой научно-исследовательских институтов и территориальных органов, выполняющих функции Госстандарта в регионах;

- осуществляет контроль и надзор за соблюдением обязательных требований ГОСТов, правил обязательной сертификации;

- участвует в работах по международной, региональной и межгосударственной (в рамках СНГ) стандартизации;

- устанавливает правила применения в России международных, региональных и межгосударственных стандартов, норм и рекомендаций;

- при разработке ГОСТов определяет организационно-технические правила, формы и методы взаимодействия субъектов хозяйственной деятельности, как между собой, так и с государственными органами управления, которые будут включены в нормативные документы;

- организует подготовку и повышение квалификации специалистов в области стандартизации.

Руководство и координацию работ по стандартизации в области строительства осуществляет Госстрой России. Работы по государственной стандартизации планируются. Составление планов находится в ведении Госстандарта РФ и Госстроя РФ.

Госстандарт определяет стратегические направления по стандартизации, анализирует все заказы, планы работы технических комитетов, предложения субъектов хозяйственной деятельности и разрабатывают годовые планы по стандартизации.

2.5. Контроль и надзор за соблюдением требований стандарта.

Государственный контроль и надзор за соблюдением обязательных требований стандартов осуществляется в России на основании закона РФ «О стандартизации» и составляет часть государственной системы стандартизации.

К основным задачам государственного надзора можно отнести: предупреждение и пресечение нарушений обязательных требований государственных стандартов, правил обязательной сертификации и закона «О единстве измерений» всеми субъектами хозяйственной деятельности, предоставление информации органам исполнительной власти и общественным организациям по результатам проверок.

Проводят государственный надзор должностные лица – государственные инспекторы. Главный государственный инспектор России – Председатель Госстандарта РФ, а главные государственные инспекторы республик в составе РФ и других субъектов Федерации – руководители центров стандартизации и метрологии, т. е. территориальных органов государственного надзора.

Государственный контроль за соблюдением обязательных требований стандартов осуществляют и другие организации. Госторгинспекция проводит контроль за качеством и безопасностью потребительских товаров. Государственный комитет по охране окружающей среды осуществляет государственный экологический контроль. Государственной санитарно- эпидемиологической службе предоставлены полномочия по надзору за соблюдением санитарного законодательства при разработке, производстве, применении всех видов продукции.

Проверкам в процессе государственного надзора подвергается продукция(на всех видах ее жизненного цикла); услуги населению, виды работ, которые подлежат обязательной сертификации; техническая документация на продукцию, деятельность испытательных центров, лабораторий и органов по сертификации.

Государственный инспектор имеет право:

- свободного доступа в служебные и производственные помещения проверяемого предприятия, получать всю необходимую документацию, проводить отбор проб и образцов, выдавать предписания об устранении выявленных отклонений, запрещать или приостанавливать поставку (реализацию) продукции, несоответствующую обязательным требованиям государственных стандартов, и в случае отказа от предъявления ее к проверке;

- по результатам проверок облагать нарушителей штрафами, выдавать запрет на реализацию;

- направлять необходимые материалы в арбитражный суд, органы прокуратуры или суд, если выданные им предписания или постановления не выполняются предприятием – объектом государственного надзора.

Основная форма государственного контроля и надзора – выборочная проверка. В процессе проверки проводятся испытания, измерительный контроль, технический осмотр, идентификация, другие мероприятия, обеспечивающие достоверность и объективность результатов. Государственный надзор за соблюдением обязательных требований государственных стандартов и за сертифицированной продукцией осуществляет государственный инспектор или комиссия, возглавляемая им.

Контролю подвергается образец (или проба), отбираемый в соответствии с установленной в стандарте на данную продукцию методикой. Идентификация и технический осмотр продукции проводятся государственным инспектором с привлечением специалистов предприятия, а испытания образцов осуществляют сотрудники, проверяемого субъекта хозяйственной деятельности под наблюдением этого инспектора. Результаты испытаний образцов распространяются на всю партию продукции, от которой они отобраны. При отсутствии у проверяемого предприятия испытательной базы испытания должны проводиться в аккредитованных испытательных лабораториях.

Если контроль касается продукции, которая подлежала обязательной сертификации, государственный инспектор проверяет наличие и подлинность, выданного ранее сертификата соответствия, правильность применения знака соответствия до начала испытаний образца.

Проверка соблюдения правил обязательной сертификации касается аккредитованных испытательных центров (лабораторий). Проверяющая комиссия устанавливает: наличие лицензии на право осуществления сертификационных испытаний и аттестата аккредитации испытательного центра, соответствие видов испытуемой продукции профилю лаборатории, состояние нормативной базы и испытательного оборудования, соблюдения программы и методик испытаний. Если проверяется работа органа по сертификации, то комиссия, прежде всего, убеждается в правомочности работы органа и наличии необходимого фонда нормативных документов на сертифицируемую продукцию. Контролируется правильность оформляемой документации (сертификатов соответствия) и ее регистрация, обоснованность выдачи сертификатов.

По результатам испытаний оформляется протокол испытаний, проведенная проверка заканчивается составлением акта. На основании акта государственный надзор выдает проверяемому субъекту предписание или постановление о применении мер действия за нарушения, обнаруженные в ходе проверок. Акт подписывают проверяющая и проверяемая стороны.

Раздел 3 Сертификации продукции и услуг

3.1 Сертификация продукции (далее - сертификация) — процедура подтверждения соответствия, посредством которой независимая от изготовителя (продавца, исполнителя) и потребителя (покупателя) организация удостоверяет в письменной форме, что продукция соответствует установленным требованиям. сертификация осуществляется в целях: создания условий для деятельности организаций и предпринимателей на едином товарном рынке Российской Федерации, а также для участия в международном экономическом, научно-техническом сотрудничестве и международной торговле; содействия потребителям в компетентном выборе продукции; защиты потребителя от недобросовестности изготовителя (продавца, исполнителя); контроля безопасности продукции для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества; подтверждения показателей качества продукции, заявленных изготовителем. сертификация может иметь обязательный и добровольный характер.

 

Система сертификации

Системы сертификации подлежат государственной регистрации в установленном специально уполномоченным федеральным органом исполнительной власти в… Сертификат соответствия (далее - сертификат) - документ, выданный по правилам… Знак соответствия - зарегистрированный в установленном порядке знак, которым по правилам, установленным в данной…

Обязательная сертификация

Организация и проведение работ по обязательной сертификации возлагаются на специально уполномоченный федеральный орган исполнительной власти в… Формы обязательной сертификации продукции устанавливаются специально… Подтверждение соответствия может также проводиться посредством принятия изготовителем (продавцом, исполнителем)…

Добровольная сертификация

Добровольная сертификация продукции, подлежащей обязательной сертификации, не может заменить обязательную сертификацию такой продукции. Добровольная сертификация осуществляется органами по добровольной… Юридическое лицо, образовавшее систему добровольной сертификации, устанавливает правила проведения работ в системе…

Раздел 4 Методы и средства измерения геометрических величин

 

Измерение линейных размеров

1. Метод непосредственной оценки. 2. Методы сравнения с мерой - дифференциальный и совпадения. Несмотря на то, что методы сравнения с мерой потенциально могут иметь меньшую погрешность измерения, все же метод…

Универсальные методы измерения линейных и угловых размеров

Прогрессивными методами измерения линейных и угловых размеров являются бесконтактные оптические методы измерения. В качестве СИ при этом широко применяются большие и малые инструментальные микроскопы (рис. 4.6) и измерительные проекторы (рис. 4.7).

а б

Рисунок 4.6 – а-малый инструментальный микроскоп, б - автоматизированный измерительный проектор

 

 

Раздел 5 Методы и средства измерения механических величин

 

К механическим величинам относятся:

- механическое напряжение;

- деформация;

- давление;

- сила;

- крутящий момент.

Все перечисленные механические параметры связывает то, что в результате их действия возникают механические напряжения, которые измерить непосредственно довольно сложно и трудоемко, поэтому используются некоторые промежуточные преобразования механического напряжения, в результате чего измеряется не оно само, а какая-то более удобная для измерения величина. Чаще всего такой величиной является величина электрическая: электрическое сопротивление, напряжение, ток, индуктивность и пр. Существуют и такие принципы преобразования, в которых механическое напряжение вызывает изменение каких-либо электрофизических параметров среды, например, оптической плотности, коэффициента преломления или поглощения, магнитной проницаемости и пр.

Условно процесс преобразования механических параметров можно представить в виде структурной формулы:

X → Z → Y,

где X, Z и Y являются соответственно множествами входных параметров, промежуточных и выходных величин.

В общем случае указанные переменные являются векторными величинами, поэтому необходимо учитывать как их абсолютную величину, так и направление. Но, как известно, учет векторного характера переменных аппаратурно и методически сильно усложняет процесс измерения, а также значительно сужает число возможных методов преобразования, поэтому в большинстве случаев измеряют скалярные величины. В тех же случаях, когда необходимо знать также направление действия измеряемого параметра, используются координатные методы измерения, заключающиеся в применении или многомерных СИ, или СИ, распределенных по соответствующим координатам. Наиболее характерным примером измерений, при которых необходимо учитывать направление действия параметра, является измерение механических напряжений, силы тяги и пр.

 

Измерение давления

Еще одним характерным примером использования датчиков давления, в которых масса газа определяется по давлению в емкости, является отпуск газа,… Таким образом, необходимо более подробно рассмотреть методы измерения именно… ­ измерение абсолютного или избыточного давления;

Общие вопросы измерения давления

Большое разнообразие аппаратуры, в том числе и датчиковой, для измерения давлений объясняется тем, что понятие «давление» охватывает протяженную область значений – от сверхвысокого вакуума до сверхвысоких избыточных давлений. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Наконец, измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.

Давление – это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку.

Величина давления р жидкости или газа на стенку сосуда, который они полностью заполняют, определяется силой dF, действующей по нормали к элементу поверхности ds стенки сосуда:

p = dF/ds.

На жидкость действует также сила тяжести. Поэтому, например, в случае, когда столб жидкости находится в открытой вертикальной емкости, давление в точке на расстоянии h от поверхности равно сумме атмосферного давления p₀ и массы столба жидкости, действующей на единицу площади:

p = p₀+ pgh,

где р — плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести.

Если на жидкость действует еще какое-либо ускорение, необходимо учитывать также влияние силы инерции на величину давления.

Атмосферное давление p₀, называемое барометрическим или гравитационным, является следствием земного притяжения, удерживающего частицы воздуха у поверхности Земли. На практике измерения осуществляются чаще всего относительно исходного атмосферного давления. Разность давлений внутри сосуда и атмосферного давления снаружи сосуда называется избыточным давлением, причем избыточное давление может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Сумма барометрического и избыточного давления называется абсолютным давлением.

Барометрическое давление в разных слоях атмосферы зависит от высоты их расположения над уровнем моря и изменяется по экспоненциальному закону:

p_H = p₀[ехр(–ρ/ρ₀)Н],

где p₀ и p_H — соответственно давления на уровне моря и на высоте Н от уровня моря; ρ₀ — плотность воздуха на уровне моря.

На рис. 5.1 показано изменение давления в атмосфере Земли в зависимости от высоты над уровнем моря.

Рисунок 5.1– Распределение давления в атмосфере в зависимости от высоты над уровнем моря

 

Измерение давления в неподвижной жидкости или газе в замкнутых сосудах, полостях и трубопроводах сводится к измерению силы F, действующей на поверхность S стенки, ограничивающей среду – объект измерения. В движущейся жидкости или газе различают три вида давления: статическое давление неподвижной среды Р_s, динамическое давление р_d, обусловленное скоростью v движущейся жидкости или газа, и полное давление р, представляющее сумму этих двух давлений:

Р = Р_s + Р_d .

Динамическое давление, действующее на поверхность, нормальную направлению течения, увеличивает статическое давление на величину

Р_d = ρV² /2,

где V – скорость движения жидкости или газа; ρ – плотность среды.

Измерение статического и динамического давлений можно осуществлять с помощью двух отдельных датчиков давления Д₁ и Д₂, соединенных с выходными отверстиями трубки Пито (рис. 5.2). Выходной сигнал первого датчика будет пропорционален величине статического давления, а второго датчика – полного давления. Разность этих сигналов позволит определить величину динамического давления.

Отдельной областью являются измерения акустических давлений – знакопеременных давлений в газах и жидкостях в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Датчики акустических давлений должны реагировать только на переменную составляющую измеряемого давления, т. е. на выходной сигнал не должно влиять атмосферное давление.

 

Рисунок 5.2–Схема измерения полного давления с помощью трубки Пито

Единицей измерения давления и напряжения в системе СИ является Паскаль - давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной на поверхности 1 м и нормальной к ней. Однако на практике продолжают использоваться внесистемные единицы измерения давления, применение которых обусловлено практическими нуждами. В табл. 5.1 дан перевод наиболее распространенных единиц измерения давления.

Таблица 5.1

Единицы измерения давления	Па	бар	атм.	кг/см2	мм рт.ст.	мм вод.ст.
Па		10-5	0,9896×10-5	1,02×10-5	0,75×10-2	0,102
Бар	105		0,9896	1,02		1,02×104
Атм.		1,013		1,033
кг/см2	9,807×104	0,9807	1,033		7,35×103	104
мм.рт.ст.	0,75×10 -2	1,33×10-3	1,315×10-3	1,36×10-3		13,6
при 0°С
мм. вод. ст.	0,102	9,8×10-3	9,68×10-3	10-4	7,35
при +4°С
фунт/дюйм	0,1451×10-3	6,89×10-2	0,068	7,03×10-2	51,75	7,03×10-2

В акустических измерениях уровень звукового давления газовой среды (дБ) обычно оценивается в относительных единицах согласно формуле

N = 20 lg (Р / Р₀),

где Р – эффективное значение акустического давления, Па; Р₀ = 2×10^-5 Па – давление, соответствующее величине интенсивности звукового порога.

Перевод единиц из одной системы в другую в соответствии с приведенной выше формулой представлен в табл. 5. 2.

Таблица 5.2

дБ	мкбар	кг/см2	Па
		2×10-6	0,2
		4×10-6	0,4
		8×10-6	0,8
		1,6×10-5	1,6
		2×10-5	2,0
		6,4×10-5	6,4
		2×10-4
	632,4	6,3×10-4	63,2
		2×10-3
		6,3×10-3	632,4
		2×10-2
		6,3×10-2
	2×105	0,2	2×104
	6,324×105	0,632	6,324×104
	2×106	2,0	2×105

 

В зависимости от скорости изменения давления, т.е. характера зависимости Р(t), все разнообразие задач измерения давлений можно свести к трем вариантам: измерение статических и медленноменяющихся давлений, измерение быстроменяющихся давлений и измерение импульсных давлений.

На практике к группе статических принято относить давления, значение которых остается неизменным за время проведения измерений. Медленноменяющееся давление — это процесс, содержащий постоянную составляющую и гармонические составляющие с частотами до 20...30 Гц.

К быстроменяющимся и импульсным давлениям относят процессы со случайными и гармоническими составляющими в частотном диапазоне от десятков до сотен тысяч герц.

Быстроменяющиеся давления (рис. 5.3,б) включают в себя периодически меняющиеся и переходные процессы. Пульсация давления жидкости и газа и акустические шумы часто представляют собой случайный колебательный процесс (рис. 5.3б, г).

Импульсные давления имеют вид одиночных или периодически повторяющихся импульсов и характеризуются значительной амплитудой импульсов и коротким временем нарастания и спада процесса. Чаще всего эти процессы не имеют постоянной составляющей (рис. 5.3,д–ж).

Наиболее жесткие метрологические требования предъявляются к датчикам и системам, измеряющим статические и медленноменяющиеся процессы. Это объясняется тем, что датчики должны с допускаемыми погрешностями одновременно измерять переходные процессы и установившиеся давления, сопровождаемые пульсацией. Эти требования противоречивы и во многих случаях трудносовместимы в одном датчике, так как для измерения переходных процессов с малой погрешностью необходима высокая частота собственных колебаний и малая степень успокоения, а для малой погрешности измерения установившегося давления, сопровождаемого высокочастотной пульсацией, необходима низкая частота собственных колебаний и большая степень успокоения. Датчики, предназначенные для измерения быстроменяющихся и пульсирующих давлений, должны обладать малыми динамическими погрешностями, т. е. высокой частотой собственных колебаний и отсутствием механических и электрических резонансов в рабочем диапазоне частот измерения давлений и дестабилизирующих факторов. При этом для обеспечения допускаемых динамических погрешностей системы в целом все элементы системы (датчик–усилитель–преобразователь–регистратор) должны быть согласованы по частотным диапазонам измерений.

 

.

Рисунок 5.3–Характер изменения давления во времени:
а – медленноменяющееся давление; б – медленноменяющееся давление, сопровождаемое пульсацией; в – быстроменяющееся давление с постоянной составляющей; г – быстроменяющееся давление без постоянной составляющей;
д – импульсное давление; е, ж – ударное или взрывное давление

 

Сенсоры деформации

Обобщенная структура СД приведена на рис. 5.4, где условно представлена входная величина деформации εх, которая, воздействуя на несущий элемент… У = F(εх, Э, Твн). Чаще всего роль ЧЭ выполняют тензорезисторы (ТР), которые закрепляются на подложке или объекте измерения специальными…

Датчики силы

Структурная схема ДС приведена на рис. 5.7, где приняты следующие обозначения: - ε-ЧЭ – деформационный чувствительный элемент; - ЭС – электрическая схема;

Тензорезистивные методы и средства преобразования давления

Ранее рассмотренные математические зависимости изменения сопротивления тензорезистивных материалов от механической деформации наиболее полно используется в датчиках для измерения давления, имеющие в своем составе чувствительный элемент в виде металлической и полупроводниковой мембраны, на которой сформированы пленочные или диффузионные тензорезисторы, объединенные в мостовую схему (рис. 5.10 и 5.11).

Рисунок 5. 10 – Расположение тензорезисторов на УЭ

Рисунок 5.11– Мостовые схемы датчиков давлений

Раздел 6 Методы и средства измерения тепловых параметров

 

К тепловым параметрам принято относить следующие величины:

· температура различных сред;

· тепловые потоки.

Измерение температуры как технологического параметра широко используется, в современных системах, оборудовании и нефтегазовой отрасли в целом. Температура по степени изменяемости является вторым после давления параметром. Кроме того, она является часто лишь косвенным параметром, применяемым при основных измерениях других параметров. Так, при измерениях расхода газа и жидкостей измерение температуры является обязательным, так как на нее вносится поправка, а при некоторых методах измерения температура является и основной контролируемой величиной, характерными примерами чего могут служить тепловые расходомеры, термокаталитические газовые ячейки, датчики влажности и пр.

При измерениях плотности и массы нефтепродуктов температура контролируется для повышения точности измерения путем внесения поправок на нее, так же дело обстоит и с учетом газа. При получении нефтепродуктов термическими методами от точности и достоверности измерения температуры зависит качество получаемой продукции. И таких примеров важности и необходимости измерения температуры можно привести множество.

 

Принципы преобразования тепловых параметров

6.1.1. Терморезистивный метод Терморезистивный метод является наиболее распространенным и хорошо… Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом (ТК).…

Объемные термочувствительные элементы

Обширную группу полупроводниковых терморезисторов составляют композиционные терморезисторы (так называемые термисторы) [6, 10]. Термисторы имеют в… На рис. 6.3 приведены конструкции стержневых, бусинковых, дисковых,…

Раздел 7 Методы измерения уровня жидких веществ

 

Измерения уровня различных материалов достаточно широко используются в технологических процессах, в энергетике, на транспорте, летной и РК технике. Путем измерения уровня можно получить информацию о массе нефтепродуктов или горючего в нефтерезервуарах, танкерах, баках самолетов и ракет и проч. Количественно уровень выражается в единицах длины. Устройства, предназначенные для измерения уровня веществ, называются уровнемерами (УМ).

Разнообразие контролируемых сред, условий применения уровнемеров не позволяет использовать какой-либо один или несколько физических принципов преобразования, поэтому, как правило, тип УМ и принцип его действия выбирают исходя из конкретных измеряемых продуктов, их состояния и условий применения. Иногда для обеспечения надлежащей точности и достоверности измерения, для контроля уровня одного и того же вещества могут применяться УМ, основанные на различных принципах преобразования. Это используется, например, в случае образования в контролируемой жидкости фракций, возникающих в процессе хранения, переработки и пр.

Так, образование пены в процессе нагревания, ферментации и прочих процессов затрудняет использование ультразвуковых и ёмкостных УМ, для радиационных же и поплавковых УМ присутствие пены не является критическим фактором. С другой стороны, радиационные УМ используются, в основном, как сигнализаторы уровня, а поплавковые УМ при измерении в обычном режиме (при отсутствии пены) имеют меньшую точность измерения по сравнению с ультразвуковыми и ёмкостными. Поэтому в данном случае для обеспечения требуемой точности измерения на объект целесообразно устанавливать УМ разного принципа действия, например, ультразвуковой и поплавковый.

Различные методы преобразования, применяемые при измерении уровня можно объединить в несколько блоков, каждый из которых основан на фундаментальных, физических законах.

1. Гравитационные методы, при которых прямо или косвенно используется проявление силы тяжести контролируемой среды (законы Архимеда, сообщающихся сосудов, весовой метод и т. д.).

2. Полевые методы, в которых используются различного рода физические поля для идентификации границы раздела «жидкость–воздух» и эффекты их поглощения и отражения в контролируемой среде.

3. Лучевые методы, при которых используются лучи частиц или сфокусированный оптический луч источника света или лазера.

Первая группа методов – гравитационная – представлена пневматическим, гидростатическим, совмещённым, весовым методами.

Полевые методы – это наиболее многочисленная группа методов, к ней относятся:

- ёмкостной;

- индуктивный;

- резистивный (омический);

- резонансный;

- СВЧ;

- ультразвуковой.

В группу лучевых методов входят и радиоизотопный и оптический методы.

Все перечисленные методы различаются трудоёмкостью, аппаратурным и метрологическим обеспечением, поэтому и применимость их в различных отраслях нефтегазового комплекса различна. Выбор конкретного метода измерения зависит от контролируемой среды, быстродействия, требуемой точности, диапазона измерения, рабочей температуры, различных технологических факторов (времени контроля, возможных химических реакций и т. д.).

Визуальные УМ

    а б Рисунок 7.1–Визуальные уровнемеры

Измерения напряжений (токов).

Для измерения тока и напряжения применяют методы непосредственной оценки и сравнения. В лабораторном практикуме по электротехнике используется в основном метод непосредственной оценки.

Для измерения тока амперметр включают последовательно с нагрузкой R₁ (в разрыв ветви) (рис. 8.1).

В связи с тем, что сопротивление амперметра R_А отлично от нуля, возникает методическая погрешность измерения, обусловленная включением амперметра:

Обычно R_А << R₁, поэтому .

Рисунок 8.1–Электрическая схема для измерения постоянного тока

 

Погрешность измерения тока за счет влияния сопротивления амперметра отрицательна, так как показание прибора несколько меньше того значения тока, которое было бы до момента включения прибора в цепь. Следовательно, максимальная погрешность измерения имеет место, если погрешность, определяемая классом точности прибора, также отрицательна.

Для измерения напряжения вольтметр присоединяют параллельно участку цепи, на котором нужно измерить падение напряжения (рис. 8.2).

Рисунок 9.2–Электрическая схема для измерения постоянного напряжения

 

Если к источнику ЭДС Е с внутренним сопротивлением R_i подключить резистор R, то в цепи будет протекать ток .

При этом падение напряжения на резисторе составит U = IR. После подключения вольтметра с входным сопротивлением R_V сопротивление внешней цепи (относительно источника энергии) уменьшится. В результате ток в неразветвленном участке цепи увеличится:

,

причем I > I^'. В результате возрастает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника R_i и соответственно уменьшаются падение напряжения на резисторе R и показания вольтметра U_V.

Абсолютная методическая погрешность измерения, возникающая за счет шунтирования резистора R сопротивлением R_V , равна

.

Относительная методическая погрешность определяется по формуле

.

Очевидно, что абсолютная и относительная методические погрешности измерения будут стремиться к нулю, если → 0. Поскольку значения R_i и R являются параметрами цепи и остаются неизменными, для уменьшения погрешности входное сопротивление вольтметра должно быть как можно больше (в идеале → ∞). Как указывалось ранее, большим входным сопротивлением обладают электронные вольтметры. Однако и их входное сопротивление R_вх имеет конечное значение, величина которого зависит от предела измерения. Поэтому некоторая малая погрешность δ_V всегда имеет место.

 

Исходя из заданной методической погрешности δ_V , можно определить требуемое значение входного сопротивления вольтметра R_вх из выражения:

.

При измерении напряжения переменного тока эквивалентная схема входного сопротивления вольтметра имеет вид, показанный на рис. 8.3.

Рисунок 8.3–Электрическая схема для измерения переменного напряжения

Комплексное входное сопротивление вольтметра:

.

Модуль входного напряжения:

.

Из приведенных выражений следует, что с увеличением частоты входное сопротивление вольтметра уменьшается из-за снижения емкостного сопротивления. В результате возникает дополнительная методическая частотная погрешность вольтметра. В описании прибора указывается значение R_вх и значение C_вх вольтметра для различных пределов измерения. Обычно R_вх =10⁵…10⁸ Ом, C_вх = 30…70 пФ.

Погрешность измерения за счет шунтирующего действия входной цепи вольтметра можно определить, если измеряемую цепь представить схемой (рис. 8.4), состоящей из эквивалентного генератора с ЭДС холостого хода U_X, соответствующего измеряемому напряжению и с внутренним сопротивлением R_экв, соответствующим эквивалентному сопротивлению в точках подключения вольтметра.

 

Рисунок 8.4–Расчетная схема

Относительную погрешность измерения (в %) можно определить по формуле

На практике при измерениях на частотах меньше 20 кГц частотной погрешностью вольтметра можно пренебречь.

Основная приведенная погрешность зависит от значения измеряе­мо­го напряжения. Так, при измерении малых (в пределах 100…300 мВ) напряжений она может достигать 10…15 %, а при измерении больших уровней напряжения – уменьшается в 3–4 раза.

На погрешность измерения (на частотах выше 0,1…0,3 МГц) оказывают влияние индуктивность и активное сопротивление соединительных проводов. Поэтому их длины должны быть по возможности меньшими (до 0,5 м).

При измерении напряжений следует обратить особое внимание на выбор предела измерений (так же, как и при измерении тока).

У электронных вольтметров имеется два входных зажима, к которым подключается измеряемое напряжение U. Один зажим обычно соединен с корпусом прибора, поэтому его называют корпусным и обозначают . Другой зажим является потенциальным.

Для уменьшения погрешности измерения и влияния помех корпусный зажим вольтметра соединяется с корпусным зажимом генераторов и других приборов (используемых в эксперименте) или присоединяется к точкам цепи, потенциал которых ближе к нулевому. При этом следует избегать касания корпусов приборов.

Таким образом, при измерении напряжений нужно брать приборы с большим внутренним сопротивлением и выбирать пределы измерения так, чтобы при измерении стрелка прибора отклонялась на возможно больший угол.

Измерение мощности. Измерение мощности в цепях постоянного тока, активной и реактивной мощностей в цепях переменного тока (однофазных и трехфазных) промышленной частоты производится обычно электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами.

Схема подключения ваттметра PW для измерения в цепях постоянного тока или в однофазной цепи переменного тока приведена на рис. 8.5.

Рисунок 8.5–Электрическая схема для измерения мощности

 

Такая схема включения обеспечивает минимальную погрешность измерения, когда сопротивление нагрузки намного больше сопротивления токовой катушки ваттметра, что в большинстве случаев имеет место. При этом неподвижная (токовая) катушка ваттметра включается в разрыв цепи, а подвижная катушка (напряжения) подключается параллельно нагрузке.

Начала катушек (генераторные зажимы) обозначаются звездочкой (*) или знаком (+). Эти зажимы должны быть подключены к положительному полюсу источника питания.

В цепях постоянного тока потребляемая нагрузкой мощность определяется произведением тока в нагрузке на падение напряжения на ней: P = UI.

При измерении мощности в однофазной цепи переменного тока показание ваттметра соответствует активной мощности (Вт):

P = UIcosφ,

где U и I – среднеквадратические значения напряжения и тока нагрузки; φ – фазовый сдвиг между током и напряжением.

При этом обмотка напряжения ваттметра включается на фазное напряжение, а обмотка тока включается в рассечку провода фазы.

Реактивная мощность (в варах) в лабораторном эксперименте обычно не измеряется, а определяется из выражения

Q = UIsinφ.

Для нахождения мощности в трехфазной четырехполюсной цепи при несимметричной нагрузке необходимо взять алгебраическую сумму показаний трех ваттметров, включенных в каждую фазу:

Р = Р_А + Р_В + Р_С .

Электродинамические ваттметры, предназначенные для измерения мощности в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты (16…5000 Гц), выпускаются от 0,1 до 2,5 класса точности. Они рассчитаны на непосредственное включение в цепь с напряжением от 15 до 300 В при токе в цепи от 0,25 до 10 А.

 

Косвенные измерения

Кроме того, не всегда целесообразно производить непосредственное измерение всех интересующих величин, если они могут быть получены с достаточной… Измерение тока с помощью электронных вольтметров. Косвенный метод измерения… Ток, текущий через резистор R0, а следовательно, и по всей цепи (рис. 8.6), определяется законом Ома: , где U0 –…

Средства измерения электрических величин

Таблица 8.1 Наименование приборов, их элементов и физических величин Условное обозначение … Рассмотрим некоторые типы распространенных на практике ЭИП.  

Аналоговые измерительные головки (рис. 9)

 

Преимуществами аналоговых ИГ являются:

- возможность перестройки диапазона измерения путем использования резистивных шунтов (амперметры) и делителей напряжения (вольтметры), что позволяет их применять в самых различных областях;

- простота обслуживания и восприятия результатов измерения;

- возможность подстройки при испытаниях и калибровки.

К недостаткам ИГ следует отнести:

- невысокую точность измерения;

- малую ударо – и вибропрочность;

- значительную сложность (у аналоговых ИГ) дистанционной передачи результатов измерений.

 

Рисунок 8.10 - Измерительные головки

 

Цифровые ЭИП

Рассмотрим несколько типовых цифровых измерительных приборов (ЦИП). Представителями такого типа приборов являются электроизмерительные клещи,…