Класс точности средств измерений

В зависимости от основной погрешности средствам измерений присваивают соответствующие классы точности. Класс точности— это обобщенная характеристика средства измерения, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средства измерения, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Средства измерений выпускают на следующие классы точ­ности: 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0. Класс точности средств из­мерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств (под точностью средств измерений понимают качество измерений, отражающее близость нулю его погрешностей). На циферблаты, шкалы, щитки, корпуса средств измерений всегда наносят условные обозначения класса точности, включающие числа и прописные буквы латинского ал­фавита.

Пределом допускаемой погрешности средства измерений на­зывается наибольшая (без учета знака) погрешность средства изме­рений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Предел допускаемой основной погрешности может выражаться одним из трех способов: в форме абсолютной, отно­сительной и приведенной погрешностей.

Для средств измерений, у которых нормируются абсолютные погрешности, класс точности обозначается прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами. В определенных случаях добавляется индекс в виде арабской цифры. Такое обо­значение класса точности не связано с пределом допускаемой по­грешности, т.е. носит условный характер.

Для средств измерений, у которых нормируется приведенная или относительная погрешность, класс точности обозначается числами и существует связь между его обозначением и значением предела допускаемой погрешности.

При выражении предела основной допускаемой погрешности в форме приведенной погрешности класс точности обозначается числами, которые равны этому пределу, выраженному в процен­тах. При этом обозначение класса точности зависит от способа выбора нормирующего значения. Если нормирующее значение выражается в единицах измеряемой величины, то класс точности обозначается числом, совпадающим с приведенной погрешностью. Например, если _n = 1,5%, то класс точности обозначается 1,5 (без кружка). Если нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части, то обозначение класса точности (при _n = 1,5%) будет иметь вид 1,5 (в кружке).

При выражении предела допускаемой основной погрешности в форме относительной погрешности необходимо руководствоваться следующим.

Предел допускаемой основной погрешности согласно выражению (2.6)

5д = ±(ДдД)100, (2.10)

где Ад — предел допускаемой абсолютной погрешности; X — из-1 меренное значение.

В том случае, когда предел относительной погрешности остается постоянным во всем диапазоне измерений, выражение (2.10)1 принимает вид:

6, = ±(ДдД)100 = ±е, (2.11)

где с — постоянное число.

Если же предел относительной погрешности изменяется, то

8, = ±(Дд/*)100 = {с + сЦ(Х_к/Х) -1]}, (2.12)

где с — постоянное число, равное относительной погрешности на! верхнем пределе измерения; й — постоянное число, равное по-1 грешности на нижнем пределе измерения, выраженной в процен-1 тах от верхнего предела; Х_к — конечное значение диапазона изме­рений.

Примеры обозначений класса точности средств измерений представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.11 Примеры обозначения класса точности средств

3.1. Измерение давления и разности давлений

Единицей измерения давления в системе СИ являете паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь 1 м² (Н/м²). При применении этой единицы могут использоваться приставки для образования кратных и дольных единиц — в первую очередь с целью сокращения числа значащих цифр в записываемом значении (например, 5,28 МПа вместо 5 280 000 Па).

Измерение давления отечественными приборами производится в кгс/см² (килограмм-сила на сантиметр квадратный) ] кгс/м² (килограмм-сила на метр квадратный). При использовании для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяногоили ртутного столба.Кроме перечисленных единиц из­мерения применяют физическую атмосферу, равную нормаль­ному давлению атмосферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 °С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст.)

Измерение давления отечественными приборами производится в кгс/см² (килограмм-сила на сантиметр квадратный) ] кгс/м² (килограмм-сила на метр квадратный). При использовании для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяногоили ртутного столба.Кроме перечисленных единиц из­мерения применяют физическую атмосферу, равную нормаль­ному давлению атмосферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 °С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст. = 101,325 кПа = 1,0332 кгс/см²). Соотношения между применя­емыми единицами измерения давления приведены в табл. 3.1.

При измерении давления различают абсолютное, избыточное и вакуумметрическое давление. Под термином «абсолютное давле­ние»подразумевают полное давление, под которым находится жидкость или газ. Оно равно сумме давлений — избыточного (р_я) и атмосферного (р_я):

Р=Ри+Ра, (^ЗЛ)

ИЛИ Ри⁼Р~Ра> (З-²)

т.е. избыточное давлениеравно разности между абсолютным дав­лением, большим атмосферного, и атмосферным давлением.

Под термином «вакуумметрическое давление»(разрежение или вакуум) понимается разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим атмосферного:

Рв=Р_а-Р- (3.3)

Устройства для измерения давления и разности (перепада) давлений получили общее название манометры.Их классифици­руют следующим образом:

барометры— для измерения атмосферного давления (отсюда атмосферное давление иногда называют барометрическим);

манометры абсолютного давления— для измерения абсолют­ного давления;

манометры избыточного давления— для измерения избыточ­ного давления (сокращенно в практике их обычно называют ма­нометрами);

вакуумметры— для измерения вакуумметрического давления, т. е. давления ниже атмосферного (в практике применяется тер­мин «разрежение»);

напоромеры и тягомеры— для измерения малого (до 40 кПа) избыточного давления й вакуумметрического давления (разреже­ния) газовых сред;

моновакуумметры— для измерения избыточного и вакууммет­рического давлений одновременно;

тягонапоромеры— для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;

дифференциальные манометры (дифманометры)— для измере­ния разности (перепада) давлений;

микроманометры— для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности дав­лений.

Чувствительные элементы всех манометров воспринимают Два давления — р₁ и р₂ и вырабатывают сигнал, пропорциональ­ный их разности. У манометров избыточного давления, вакуум­метров, тягомеров и напоромеров давление р₂ обычно равно ат­мосферному. Дифманометры также могут использоваться для из­мерения как избыточного, так и вакуумметрического давления, если один из двух штуцеров для подвода давления соединить с атмосферой.

По принципу действия манометры делят на две основные группы: жидкостные и деформационные (с упругими чувствительными элементами).

Жидкостные манометры (рис. 11) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над ней образовались две полости, воспринимающие давления р₁ и р₂. В этих манометрах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости к или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхность сосудов. К приборам первой группы относятся U-образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплавковые манометры, к приборам второй группы — колокольные.

U-образный (двухтрубный) манометр (рис. 11, а) состоит из одной прозрачной трубки , согнутой в виде латинской буквы U(или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки вертикально укреплены на основании, и по всей их высоте нанесена двусторонняя шкала с нулем посередине. Трубки заливают жидкостью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. При применении! И-образный манометр должен устанавливаться вертикально пои отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости h в обеих трубках, что не всегда удобно. Обычно с помощью U -образного манометра давление, разрежение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Если отсчет Iвысоты столба жидкости h по U -образному манометру производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы прибора в 1 мм при отсчете в двух коленах пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают ±2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U -образные приборы снабжают зеркальной шкалой. В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают ±1 мм столба рабочей жидкости. Отечественная промышленность выпускает двухтрубные манометры типа ДТ-5 и ДТ-6.

Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 11, б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда D значительно больше диаметра трубки d (обычно отношение (d/D¹ > 1/400). I При измерении давления в объекте его соединяют с атмосферой. При изменении разрежения с объектом соединяют измерительную трубку, а с атмосферой — сосуд. При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а мень­шее — в

Рис. 11. Жидкостные манометры:

а — 11-образный (двухтрубный); б — чашечный (однотрубный); в -поплавковый; г — колокольный

измерительную трубку. Когда под действием давления или разрежения жидкость в измерительной трубке поднимется на высоту h_х, а в широком сосуде опустится на высоту h₂, то высота столба h, соответствующая значению измеряемой величины, бу­дет равна

Если Р_х — площадь сечения измерительной трубки, а Р₂ — ши­рокого сосуда, то

поскольку объем жидкости в измерительной трубке равен объему жидкости, вытесненной из широкого сосуда.

Решив уравнения (3.4), (3.5) относительно к, получим:

Величиной d¹/D¹ > 1/400 ввиду ее малости обычно пренебре­гают и отсчет ведут по столбу жидкости h_х только в одной измери­тельной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U-образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет вы­соты столба может быть произведен с погрешностью, не превышающей ±1 мм столба рабочей жидкости.

Поплавковые манометры (рис. 11, в) работают по принципу Рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом ма нометре имеются два Г-образных сосуда 1 и 2, соединенных труб­кой 3. Большое давление подводится к широкому сосуду, в кото­ром на поверхности рабочей жидкости (ртути или трансформа­торного масла) находится поплавок 4. Перемещение поплавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений Ар =р_{ -р₂, передается стрелке отсчетного (П) или регистрирующего (С) устройства прибора.

В колокольных манометрах (рис. 11, г) чувствительным элемен­том является тонкостенный стальной колокол 5, подвешенный на винтовой пружине 6. Колокол свободно плавает в разделительной жидкости (трансформаторное масло), будучи частично погружен­ным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большого давления («плюсовую») под колоколом от камеры меньшего дав­ления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений (р_{ -р₂) колокол и кинематически связанная с ним под­вижная часть передающего преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давле­ний не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Пе­ремещение подвижной части передающего преобразователя при­водит к изменению выходного сигнала.

Действие деформационных манометров основано на использова­нии деформации или изгибающего момента упругих чувстви­тельных элементов, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па (5 кгс/м²) до 1000 МПа (10000 кгс/м²). Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, манометров, вакуумметров. В качестве упругих чув­ствительных элементов в них используются трубчатые пружины, мембраны и сильфоны.

Одними из наиболее распространенных в практике измерений давления являются трубчато-пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 12, а). Трубчатая пружина пред­ставляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоскоовальное поперечное сечение (такие пружины называют трубками Бурдона). Один конец трубчатой пружины, сообща­ющийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный, соединяют с меха­низмом показаний прибора, передающим преобразователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления р_х пру­жина стремится уменьшить свою кривизну, вследствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это перемещение передается на отсчетное или регистрирующее устройство

манометра либо воспринимается передающим преобразователем (на рис. 12 изображен манометр П, имеющий передающий преобра­зователь Пр).

Некоторые модификации манометров снабжены контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой вели­чиной заданного значения. Такие приборы называют электроконтактными манометрами.

В мембранных манометрах упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 12, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофри­рованных мембран. Внутренняя полость коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмо­сферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра П.

В сильфонных манометрах (рис. 12, в) упругий чувствительный элемент выполнен в виде сильфона 1, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру 2, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого давления вызывает упругую деформацию сильфона и находя­щейся в нем винтовой пружины 3. Перемещение дна сильфона передается регистрирующему устройству прибора С.

Рис. 12. Манометры с упругим чувствительным элементом (деформационные):

а — трубчато-пружинный; б — мембранный; в — сильфонный

Принципиальные схемы деформационных манометров пред­ставлены на рис. 13. У мембранного дифманометра ДМ упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис. 13, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной водой мем­бранных коробок 1 и 3, закрепленных с обеих сторон в основании 2, которое с верхней и нижней крышками корпуса образует две камеры: нижнюю — плюсовую и верхнюю — минусовую. Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через от­верстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее — к верхней. Под действием разности давлений р =р₁ —р₂ нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя на­ходящуюся в ней воду в верхнюю коробку 3. Последняя расширя­ется, что воспринимается передающим преобразователем Пр.

Чувствительным элементом дифманометра, представленного на рис. 13, б, является вялая (мягкая) неметаллическая мембрана 4 с жестким центром 5, работающая совместно с винтовой цилинд­рической пружиной 7. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые под­водятся давления р_х и р₂. Под действием разности давлений Ар =р_{ -р₂ жесткий центр мембраны и связанный с ним шток 6 сердечника преобразователя Пр перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины 7. Преобразователь Пр вырабаты­вает сигнал измерительной информации, пропорциональный из­меряемой разности давлений.

У сильфонного дифманометра типа ДСС (рис. 13, в) чувстви­тельный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов 8 и 10, донышки которых жестко связаны штоком 9, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений р = р_х -р₂ сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, кинемати­чески связанного с компенсационным преобразователем Пр.