ЛЕКЦИЯ
Учебная дисциплина «Метрология,стандартизация и сертификация»
Тема № 4 «Технические основы метрологическогообеспечения»
Литература
1. Стандартизация, метрология,сертификация. Под ред. Смирнова А.М. ВУ РХБЗ, дсп, 2001. 322 с. (инв. 3460).
2. Сергеев А.Г., Латышев М.В., ТерегеряВ.В. Стандартизация, метрология, сертификация. Учебное пособие. – М.: Логос,2005. 560 с.
3. Метер А.М.Руководство к лабораторным работам по военной метрологии. Учебное пособие,КВВКУХЗ, 1998.Наглядные пособия и приложения
1. «Лектор-2000».
2. Комплект слайдов.
ВВЕДЕНИЕ
На прошлой лекции мы познакомились спонятием «метрологическое обеспечение» и узнали, что оно базируетсяна следующих основах: научной, нормативной, организационной и технической.Сегодня мы подробнее остановимся натехнической основе метрологическогообеспечения.
1. Учебный вопрос. Технические основы метрологическогообеспечения
физический измерение метрологический давление
Техническая основа метрологическогообеспечения включает в себя ряд систем:
— государственных испытаний СИ;
— государственной поверки и калибровки СИ;
— стандартных образцов состава и свойстввещества и материалов;
— стандартных справочных данных офизических константах и свойствах веществ и материалов.
Мы на лекции рассмотрим лишь следующиесоставляющие:
1. государственные эталоны единиц ФВ;
2. передача размеров единицфизических величин;
3. средства измерений.Система государственных эталонов
Эталон — средство измерений или комплекс средств измерений,предназначенные для воспроизведения и хранения единицы физической величины ипередачи ее размера образцовым средствам измерений. Эталоны РФ по подчиненностиподразделяются на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные).
Основноеназначение эталонов — служить технической базой воспроизведенияи хранения единиц физических величин.
Нарисунке 1 показана метрологическая цепь передачи размеров единиц от первичныхэталонов рабочим, от них разрядным рабочим эталонам и далее рабочим мерам и ИП.
Еслиэталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, он называется первичным.Первичные эталоны воспроизводят единицу измерения, в соответствии с ееопределением (метр, килограмм, секунда и т.д.). Первичный эталон может быть национальными международным.
Национальныйэталон утверждается в качестве исходного СИ для страны национальным органом пометрологии. В России – это Госстандарт РФ (Государственный комитет потехническому регулированию и метрологии). Международные эталоны хранит иподдерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ).
Первичныйили специальный эталон официально утверждается в качестве исходного для страныи называется Государственным.
Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают ихразмеры с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений. Первичныеэталоны в зависимости от условий воспроизведения могут иметь разновидность — специальные первичные эталоны. Специальные эталоны воспроизводят единицы вусловиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона стребуемой точностью технически неосуществима (малые и большие энергии,давления, температуры, особые состояния вещества и т.д.). Первичные и специальныеэталоны являются исходными для страны и их утверждают в качествегосударственных эталонов и присваивается наименование «Государственныйпервичный эталон» или «Государственный специальный эталон».
Ко вторичным эталонам относят:эталоны — копии, эталоны сравнения, рабочие эталоны. Эталоны-копиипредназначены для передачи размера единицы рабочим эталонам. Эталоны — сравнения — для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзянепосредственно сличить друг с другом. Рабочие эталоны — для поверкисредств измерений. К рабочим эталонам относятся военные эталоны.
Эталоны утверждаются установленнымпорядком: государственные эталоны — Госстандартом РФ, а специальные военныеэталоны — Министерством обороны РФ. Так в Министерстве обороны были утвержденыследующие военные эталоны:
ВЭ-13. Военный эталон абсолютногодавления. Диапазон значений воспроизводимой хранимой и передаваемой единицыдавления от 10-3 до 103 Па. Масса эталона 1500 кг;
ВЭ-14. Военный эталон единицы массы.Диапазон значений единицы массы от 1 мг до 1 кг. Масса эталона 500 кг.
/>
Рисунок 1 — Метрологическая цепь передачи размеровединиц физических величин
Необходимость разработки и утвержденияспециальных военных эталонов диктуется особыми условиями воспроизведения ипередачи размеров единиц физических величин в армейских условиях. Военныйэталон является вторичным по отношению к первичному государственному эталону.Система передачи размеров единиц физических величин
Для обеспечения правильной передачиразмеров единиц физических величин во всех звеньях метрологической цепи (отэталонов к образцовым средствам измерения и от них к рабочим средствамизмерения) должен быть установлен определенный порядок. Этот порядок установленГОСТ 8.061. ГСИ. Поверочные системы.
Поверочные системы подразделяются нагосударственные, ведомственные и локальные.
Государственная поверочная система распространяется на все средства измеренийданной физической величины, применяемые в стране.
Ведомственная поверочная система распространяется на средстваизмерений, подлежащих поверке внутри ведомства.
Локальная поверочная система распространяется на средстваизмерений, подлежащих поверке в данном органе государственной или ведомственнойметрологической службе.
Государственная поверочная схемавключаетв себя чертеж и текстовую часть, содержащую пояснения к чертежу. Ведомственнаяи локальная поверочные схемы оформляются в виде чертежа.
На чертеже поверочной схемы указываютсясредства измерения от которых единица физической величины передается и средстваизмерения к которым эта единица передается. Все средства измерения заключаютсяв прямоугольник. Кроме того, на чертеже указывается метод передачи физическойвеличины. (СЛАЙД № 9) Существуетчетыре метода передачи размера ЕФВ:
1. Непосредственное сличение без средствсравнения.
2. Сличение при помощи средств сличения.
3. Метод прямых измерений.
Пример схемыповерки для нормальных элементов.
/>
Рис. — Поверочная схема для нормальных элементов
На чертежеповерочной схемы указываются:
1. наименование средства измерения иметоды поверки;
2. номинальные значения или диапазонызначений физических величин;
3. допускаемые значения погрешностейсредств измерения;
4. допускаемые значения погрешностейметодов поверки.Система средств измерений
Средства измерений можно классифицироватьпо следующим принципам:
— по виду измеряемой величины — температуры, давления и разрежения, количества и расхода вещества, состава,уровня, размеров и др.;
— принципу действия — механические,электрические, пневматические, гидравлические, радиоактивные и др.;
— назначению — эталоны, образцовые,лабораторные, технические (рабочие);
— характеру представления информации — индикаторные, показывающие и регистрирующие, а также системы обработкиинформации.
Кроме того, существует деление средствизмерения по числу контролируемых величин, по дистанционному признаку, похарактеру контроля во времени (непрерывного и дискретного действия), поразмерам средств измерений.
С целью унификации средств измеренияразработана Государственная система промышленных приборов и средствавтоматизации (ГСП). Система обобщает и согласует метрологическиепоказатели и эксплуатационные характеристики средств измерения, обеспечиваяобщую технологическую базу для производства, а также взаимокомплектуемость ивзаимозаменяемость деталей, узлов и приборов.
ГСП охватывает всю номенклатуруотечественного приборостроения, деля их по функциональным признакам. Этопозволяет в каждой функциональной группе провести минимизацию номенклатурыизделий, их унификацию, блочно-модульное их устройство, совместимость приборови устройств.
Технические средства измерений,используемые в вооружении, военной, специальной технике и имуществе различныхвидов Вооруженных Сил и родов войск называются войсковыми средствами измерений(ВСИ). ВСИ являются видом военной техники.
Наибольшее распространение в вооружении исредствах РХБ защиты получили ВСИ давления, температуры, расхода, уровня,электрических величин и ионизирующих излучений.
2. Учебный вопрос. Средства измерения давления
Давлениемназывается сила, равномерно действующая на площадь и перпендикулярно к нейнаправленная.
В международной системе единиц СИ давлениевыражают в Паскалях (Па) 1 Па = 1 н/м2. Внесистемные единицы давления, которыеиспользуются для технических измерений: техническая атмосфера (кгс/см2),миллиметры водяного столба, миллиметры ртутного столба.
Паскаль (Па) — малая величина, пригоднадля измерения очень малых давлений. Для измерения средних и высоких давленийцелесообразно применять кратные единицы: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) идр.
1 Па=1,02.10-5 кгс/см2 =7,5.10-3 мм рт ст=0,102 мм вод ст = 10-5 Бар
1 кгс/см2 = 9,8.104 Па = 735,6 мм ртст=10000 мм вод ст= 0,98 Бар
1 мм. рт ст=133,6 Па =1,36.10-3кгс/см2=13,6 мм вод ст= 1,33.10-3Бар
1 мм вод ст =9,807 Па =1.10-4кгс/см2=7,36.10-2мм рт ст= 9,8.10-5Бар
Различаютатмосферное (Ратм), избыточное (Ри), абсолютное (Ра)давления и давление разрежения (Рр), которые связаны между собой следующейзависимостью:
Ра = Ри + Ратм
/>
Атмосферное давление измеряется обычнобарометром. Оно называется барометрическим Рб и зависит от погоды,географического положения. Высоты над уровнем моря и т.д.
Давление выше атмосферного являетсядополнительным к атмосферному давлением, т.е. избыточным.
Избыточное давление измеряют манометром.
Если из замкнутого сосуда вакуум-насосомудалить воздух, то давление в сосуде станет меньше атмосферного. При этом,абсолютное давление определяют как разность между атмосферным давлением иразрежением (вакуумом):
Ра = Ратм – Рр или Рр = Ратм – Ра
где Рр – разрежение, измеряемоевакуумметром.
Таким образом, максимальный вакуум (Рр)может быть, когда мы из замкнутого сосуда удалим весь воздух (Ра=0),тогда Рр = Ратм.
При изменении давления в движущихся средахпод давлением понимают статическое и динамическое давление.
Статическое давление – это давление,зависящее от запаса потенциальной энергии газовой (жидкостной) среды, иопределяется оно статическим напором. Оно может быть избыточным иливакуумметрическим, в частном случае может быть равно атмосферному.
Динамическое давление это давление,обусловленное скоростью движения потока газа (жидкости). Оно определяется черезскоростной (динамический) напор по формуле
/> (5.1)
где Рg – динамическое давление(напор), Па;
r — плотность движущегося газа (жидкости), кг/м3;
v – скорость движущегося потока, м/с.
Полное давление движущейся среды слагаетсяиз статического Рст и динамического Рд давлений:
Р = Рст + Рд
Давление является важнейшим параметром,характеризующим протекание процессов при эксплуатации ВВТ. Использованиедавления в широком диапазоне вызывает необходимость применения разнообразныхсредств измерения.
Дляизмерения давления и разрежения используются приборы:
1. барометры – приборы, измеряющиеатмосферное давление;
2. манометры – приборы, измеряющиеизбыточное давление;
3. вакуумметры – приборы, измеряющиеразрежение;
4. напоромеры – приборы, измеряющиемалые избыточные давления;
5. тягомеры – приборы, измеряющиемалые разрежения (до 40кПа);
6. тягонапоромеры – приборы,измеряющие малые давления и разрежения (+20 ¸ — 20 кПа);
7. дифференциальные манометры –приборы, измеряющие разность давлений в двух точках.
Попринципу действия приборы для измерения давления подразделяются на:
жидкостные– измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости;
деформационные– измеряемое давление определяется значением деформации различных упругихэлементов или значением развиваемой ими силы. Деформационные приборы широкоприменяются для измерения давления и его перепадов благодаря своейпортативности, простоте и большому диапазону измерения – от нескольких Па доГПа. В качестве упругих элементов используют трубчатые пружины, мембраны,сильфоны и др. устройства.
грузопоршневые– измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня илидополнительного груза;
электрические– измеряемое давление определяется по изменению электрических свойств некоторыхматериалов при воздействии на них давления.
компрессионные;
термокондуктометрические.
А.Жидкостные средства измерения давления.
Жидкостныеприборы отличаются простотой устройства при относительно высокой точностиизмерения. Их действие основано на уравновешивании внешнего давления столбомзатворной (рабочей) жидкости, в качестве которой используют воду, ртуть,спирты, масла.
а) –U-образный; б) – U-образный двухжидкостный; в) – с наклонной трубкой(микроманометр); г) колокольный.
Простейшимприбором для измерения давления или разности давлений является двухтрубныйU-образный манометр. По разности столбов жидкости в двух трубках манометра – hопределяют давление по формуле
Р = r. g. h(1)
где Р –измеряемое давление, Па;
r — плотность жидкости, кг/м3;
g –ускорение силы тяжести, м/с2;
h – разность уровней жидкости, м.
Верхнийпредел измерения таких манометров составляет 1 – 10 кПа. При этом погрешностьне превышает 2%.
U –образные манометры могут быть и двухжидкостными. При этом используются близкиепо плотности две несмешивающиеся жидкости, например вода и толуол. Плотностьлегкой жидкости (толуол, r1=884 кгс/м3), а более тяжелой (воды) r2=1000кгс/м3. Разность между менисками более тяжелой жидкости, находящейся внизу, приоказании давления (разрежения) на одну из трубок манометра — h, замеряется ивыражается в метрах. Тогда давление определяется по формуле:
Р = gh(r2-r1) (2)
Подбираяплотности двух несмешивающихся жидкостей, можно измерять большие давления иделать меньшие ошибки в отсчете.
Для болееточного определения малых давлений используют жидкостной манометр с наклоннойтрубкой (микроманометр) под различными углами a. При этом определяется по шкаленаклонной трубки длина L, заполненная жидкостью, от нулевой точки и переводитсяв высоту h по вертикали
h= L.sina (3)
Точностьотсчетов наклонных манометров повышается по сравнению с вертикальными в 1/sinaраз. Так, если a=5040’, то sin 5040’@ 0,1, тогда h = L/10, т.е. в этом случаепредставляется возможность произвести отсчет в 10 раз точнее, чем в обычномодножидкостном манометре.
Всевышеописанные манометры широко используются в основном в лабораторной практике.
Б.Деформационные средства измерения давления
Работадеформационных манометров основана на уравновешивании давления среды силами,возникающими при упругой деформации различного рода упругих элементов. Этадеформация в виде линейных или угловых перемещений передается показывающей илисамопишущей части манометра. Одновременно она может быть преобразована вэлектрический или пневматический сигнал для дистанционной его передачи навторичные средства контроля.
Вдеформационных приборах в качестве чувствительных элементов используютсятрубчатые пружины, упругие мембраны, сильфоны.
Трубчатые(пружинные) приборы относятся к наиболее распространенным приборам измерениядавления.
Основнойдеталью их является согнутая по дуге трубка (пружина). Один конец ее соединен спространством, где измеряется давление, другой конец трубки запаян. В сечениитрубка имеет элипсовидную форму (U), которая под действием измеряемого давлениягаза или жидкости стремиться к окружности. В металле возникают механическиенапряжения, приводящие к деформации пружины (трубки). При подаче на входприбора избыточного давления трубка разжимается, а при подаче разряжения — сжимается. При этом свободный конец трубки, изменяя свое положение, черезпередаточный механизм перемещает стрелку по шкале.
Перемещениясвободного конца незначительны (до 8-100). Стрелка же прибора вращается приэтом за счет передаточного механизма от 0 до 2700. Наиболее распространеннымиприборами такого типа являются манометры ОБМ, МОШ и МТ, которые применяются дляизмерения избыточных давлений жидких и газообразных сред. Специальныеманометры: АМ (аммиачный), МК (кислородный).
Трубчатыеприборы изготавливаются и используются для измерения вакуума. Трубчатыйвакуумметр конструктивно аналогичен манометру. Отличие состоит только в шкале инаправлении перемещения стрелки. В вакуумметрах оно может происходить как почасовой стрелке, так и против. Мановакууметры имеют шкалу с нулем в среднейчасти. Шкала, расположенная слева от нуля, служит для измерения вакуума, ашкала, расположенная справа, — для измерения избыточного давления.
Диапазонизмерений манометров от 100 кПа до 1000 МПа, вакуумметров от минус 0,1 МПа до 0МПа.
Сильфонпредставляет собой тонкостенный металлический стакан с гофрированными стенками.Иногда внутри сильфона помещают пружину (многовитковая трубчатая пружина) дляусиления его жесткости. Тогда эти приборы называются трубчато-сильфонные.
Сильфоныизготовляют из бронзы различных марок, углеродистой стали, нержавеющей стали,алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоныдиаметром от 8-10 до 80-100 мм и толщиной стенки 0,1-0,3 мм.
Поддействием давления сильфон деформируется и дно его поднимает шток, жесткосвязанный с рычагом, который через передаточный механизм воздействует настрелку. Сильфонные манометры изготовляются для измерения избыточного давленияот 0,025 до 0,4 МПа (@0,25-4,0 атм).
Мембранныеприборы имеют в качестве чувствительного элемента мембрану. Мембраны могут бытьупругими и эластичными (вялыми).
Упругаямембрана — круглая, плоская или гофрированная пластина, изготовленная изразличных марок стали, бронзы, латуни. Прогиб под действием избыточногодавления плоских мембран изменяется не линейно с увеличением давления, поэтомуу манометров с такими мембранами используется небольшая часть возможногопрогиба мембраны. Гофрированные мембраны могут применяться при большихпрогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейностьхарактеристики. На линейность характеристики оказывает существенное влияниеглубина гофр. Чем больше глубина гофр, тем линейность статическойхарактеристики выше. При необходимости получения большего прогиба с линейнойхарактеристикой используют соединения мембран в виде мембранных коробок или блоки,собранные из нескольких мембранных коробок.
Эластичнаямембрана — зажатый между фланцами плоский или гофрированный диск, выполненныйиз прорезиненной ткани, тефлона и др. Эластичные мембраны также имеют небольшойход (до 10 %), на котором характеристика их линейна.
Мембранныеприборы, у которых мембраны покрыты слоем из химически стойкого материала,могут использоваться для измерения давления и разряжения в агрессивных средах.
Мембранныеприборы применяются в основном для измерения небольших давлений и разрежений вкачестве напоромеров, тягомеров и тягонапоромеров. Максимальный диапазонизмерения напоромеров 0…2,5 МПа, тягомеров от -0,1 до 0 МПа.
В.Электрические средства измерения давления
Всеэлектрические средства измерения давления и разрежения являютсяпреобразователями давления в какую-либо электрическую величину и изменение еепри изменении давления. Например: изменение сопротивления, электродвижущейсилы, индуктивности и др. Таким образом, измерительный преобразовательвырабатывает сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшегопреобразования, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.Чтобы наблюдатель получил сигнал для непосредственного восприятия, необходимоиметь прибор для замера сопротивления (логометр, электрический мост),электродвижущей силы (потенциометр, милливольтметр) и др.
К числуэлектрических средств измерения давления можно отнести пьезометрические(пьезоэлектрические), индукционные и тензометрические. В пьезометрическихприборах используется пьезометрический эффект, под которым понимают появлениеэлектрических зарядов на поверхности ряда кристаллических диэлектриков при ихдеформации.
Виндукционных приборах используется упругий элемент (например трубчатаяпружина), соединенный с индукционной катушкой, с реостатом и др.
Тензометрическиеприборы имеют в качестве чувствительного элемента мембрану с наклеенными на неетензорезисторами. Их принцип действия заключается в непосредственномпреобразовании деформации упругой мембраны под действием давления в изменениеэлектрического сопротивления резисторов.
Г.Грузопоршневые средства измерения давления
Грузопоршневыеманометры используются для поверки пружинных манометров. Это образцовыеманометры классов точности 0,05 и 0,2 с верхними пределами измерения от 250 кПадо 250 МПа (2,5 — 2500 атм). Принцип действия их заключается в том, чтоизмеряемое давление создается в результате нагружения поршня образцовымигрузами и его давления на жидкость
P=G/F, (4)
где P — давление, Па;
G — вес поршня с грузом, находящимся на нем, Н;
F — площадь поршня, м2.
Кгрузопоршневому манометру через соответствующие штуцера подсоединяются дватрубчатых (пружинных) манометра, один из которых образцовый, а второй — поверяемый, Класс точности образцового манометра должен быть в 3-4 раза вышекласса точности поверяемого. Нагружая поршень грузопоршневого манометраобразцовыми грузами создают различные давления на жидкость, которая передаетэти давления на образцовый и поверяемый трубчатые манометры.
Особенность грузопоршневого манометра заключается в использованиив данном устройстве двух основных методов поверки: метода образцовогосигнала и метода образцового прибора. При использовании образцовогоманометра реализуется метод образцового прибора, а при использованиигрузов метода образцового сигнала.
Д.Сигнализаторы давления
Любойтехнологический процесс, в котором используется повышенное давление, имеетдопустимую величину рабочего давления, превышение которого может привести каварии, взрыву, выводу оборудования из строя. В связи с этим такое оборудованиеимеет автоматическую защиту, позволяющую производить «сброс» предельногодавления или остановку процесса.
Для этихцелей используются сигнализаторы давления, которые подразделяются на четыреосновных типа: пружинные, поршневые, мембранные, сильфонные. Пружинные ипоршневые сигнализаторы используют при давлении 2,5-60 МПа (25-600 атм),сильфонные и мембранные при давлениях 0,02-0,25 МПа (0,2-2,5 атм).
/>
Рис. — Схема грузопоршневого манометра
1 — маховик; 2 — корпус; 3 — поршень; 4, 6, 12 — игольчатые вентили; 5, 11 — штуцеры; 7 — колонка с каналом; 8 — тарелка; 9 — грузы; 10 -воронка; 13 — вентиль для спускамасла; 14 – поршень
По принципудействия и устройству сигнализаторы давления подобны аналогичным манометрам, вкоторых сигнальное устройство имеет два установочных контакта: минимальный(нижний) и максимальный (верхний), которые замыкаются подвижным контактом.Расположение установочных контактов можно изменять.
Газовые манометры имеют отличительнуюокраску корпуса или металлического кольца, прижимающего стекло манометра. Цветокраски манометров показан ниже.
Вид газа Цвет окраски корпуса или прижимногокольца
Кислород Голубой
Ацетилен Белый
Водород Темно-зеленый
Аммиак Желтый
Хлор и фосген Защитный (серовато-зеленый)
Пропан и другие горючие газы Красный
Другие негорючие газы Черный
(СЛАЙД № 28) В большинстве случаев в В и С РХБ защиты используются деформационныеприборы (манометры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры).
Манометры:МТ – чувствительный элемент трубчатая пружина;
МТС –трубчато-сильфонные;
МТМ –трубчато-мембранные.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На сегодняшнем занятии мы рассмотрелиследующие учебные вопросы:
— технические основы системметрологического обеспечения.
— средства измерения давления.
Задание на самоподготовку
(2 часа на самоподготовку)
Дополнить конспект лекции.
Получитьлитературу:
Основная
1. Стандартизация, метрология,сертификация. Под ред. Смирнова А.М. ВУ РХБЗ, дсп, 2001. 322 с. (инв. 3460).
Дополнительная
1. Сергеев А.Г., Латышев М.В., ТерегеряВ.В. Стандартизация, метрология, сертификация. Учебное пособие. – М.: Логос,2005. 560 с.
2. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология исертификация. Учебник. 4-е изд. –М.: Юрайт. 2004. 335 с.
3. Метер А.М.Руководство к лабораторным работам по военной метрологии. Учебное пособие,КВВКУХЗ, 1998.
В ходе занятия быть готовыми:
1. Ответить на вопросы преподавателя.
2. Представить рабочие тетради сотработанными вопросами согласно задания.
/>