Способы обеспечения единства измерений в метрологии

Способы обеспечения единства измерений в метрологии

Первоочередной задачей единства измерений является унификация единиц физических величин. Она осуществляется в настоящее время на базе широкого внедрения единой Международной системы единиц (СИ).

Второй задачей обеспечения единства измерений является задача создания и непрерывного усовершенствования эталонов на базе освоения новых физических явлений, характеризующихся фундаментальными физическими константами.

Третья основная задача единства измерений - создание образцовых средств измерений и разработка методики передачи размеров единиц физических величин рабочим средствам измерений.

Четвертой задачей обеспечения единства измерений является разработка способов выражения показателей точности измерений и формы представления результатов измерений, обеспечивавших возможность их сравнительной оценки и совместного использования.

Системы единиц

Система единиц физических величин — совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин. Например, международная система единиц (СИ).

Классификация способов измерения: прямые, косвенные, совокупные, совместные.

Прямые измерения — это такие измерения, при которых искомое значение физической величины определяется непосредственно путём сравнения с мерой этой величины. Например, прямым является измерение длины рулеткой или линейкой.

Косвенные измерения — измерения, при которых значение величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, значение сопротивления находится при помощи двух измерений (последовательных или одновременных) — напряжения и силы тока и расчёта на основании закона Ома.

Совместные измерения — одновременные измерения нескольких разнородных величин для нахождения зависимости между ними. Примером совместных измерений может служить определение зависимости сопротивления проводника от температуры

Совокупные измерения — это проведение ряда измерений нескольких однородных величин. Классический пример совокупных измерений — калибровка набора гирь по одной эталонной гире, проводимая путем измерений различных сочетаний гирь этого набора,и решения полученных уравнений.

Непосредственные, дифференциальные, компенсационные методы измерений.

Метод измерений - совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

Метод непосредственной оценки - метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Примерами таких измерений являются: измерение длины с помощью линейки, размеров деталей микрометром, угломером, давления манометром и т. д.

Дифференциальный метод измерений – метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Примером применения дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое является искомой величиной.

Нулевой метод (компенсационный) – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Пример – измерения массы взвешиванием на равноплечих рычажных весах с полным уравновешиванием чашек.

Элементы теории погрешности: абсолютная, относительная, приведенная погрешности. Типы шкал приборов и диапазоны.

Виды погрешностей

Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Ее значение это разность между результатом измерения Х и истинным значением Хo измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности измерения абсолютная погрешность к истинному значению измеряемой величины.

Приведенная погрешность средства измерений – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона (нормирующее значение). Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений или диапазон измерения.

Типы шкал приборов

Шкалой измерений называется принятая по соглашению последовательность значений одноименных величин различного размера.

Выделяют следующие виды шкал измерительных приборов:

1) односторонняя шкала;

2) двусторонняя шкала;

а) симметричная шкала (миллиамперметр);

4) безнулевая шкала.

Односторонняя шкала - это шкала, у которой ноль располагается в начале, конечное значение – максимальное значение измеряемой величины.

Двусторонняя шкала - это шкала, у которой ноль располагается не в начале шкалы.

Симметричная шкала - это шкала, у которой ноль располагается в центре.

Диапазон показаний шкалы - это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней - конечное значение данной шкалы.

Диапазон измерений - это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.

Систематическая погрешность

Систематической погрешностью называется погрешность, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся во времени при повторных измерениях одной и той же величины. Исключается введением поправки. Причины: окружающая среда, износ измерительное средства.

Для исключения систематической погрешности в производственных условиях проводят поверку средств измерений, устраняют те причины, которые вызваны воздействиями окружающей среды, сами измерения проводят в строгом соответствии с рекомендуемой методикой, принимая в необходимых случаях меры по ее совершенствованию.

Случайная погрешность

Случайной погрешностью измерения называется погрешность, которая при многократном измерении одного и того же значения не остается постоянной. Такие погрешности вызываются большим числом неконтролируемых причин, влияющих на процесс измерения (неровности на поверхности объекта, дуновение ветра, скачки напряжения и т.д.).

Влияние случайных погрешностей может быть уменьшено при многократном повторении опыта.

Промах

Грубые погрешности – это погрешности, не характерные для технологического процесса или результата, приводящие к явным искажениям результатов измерения. Наиболее часто они допускаются неквалифицированным персоналом при неправильном обращении со средством измерения неверным отсчетом показаний.

Если в процессе измерений удается найти причины, вызывающие существенные отличия, и после устранения этих причин повторные измерения не подтверждают подобных отличий, то такие измерения могут быть исключены из рассмотрения. Иначе – обрабатывать их статистическими методами.

В кручочек

— для приборов, у которых относительная погрешность

δ = Δ/х составляет 0,1, 0,4, 1,0% непосредственно от полученного значения измеряемой величины х.

Просто цифра

0,5, 1,6, 2,5 и т. д. — для приборов, приведенная погрешность γ = Δ/XN которых составляет 0,5, 1,6, 2,5% от нормирующего значения XN (Δ пределы допустимой абсолютной погрешности). При этом XN принимается равным большему из модулей пределов измерений, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краю или вне диапазона измерений;

Дробь

0,02/0,01 — для приборов, у которых измеряемая величина не может отличаться от значения х, показанного указателем, больше, чем на [ С + d (| Хк/х\ - 1)]%, где С и d — числитель и знаменатель соответственно в обозначении класса точности; Хк - больший (по модулю) из пределов измерений прибора.

Тип средств измерений

Термометры расширения

Термометры сопротивления (ТС)

Термоэлектрические преобразователи (ТЭП) - термопары

Кварцевые термометры

Пирометры

Термометры расширения – жидкостные стеклянные.

Принцип действия основан на расширении жидкости в зависимости от температуры.

Достоинства: высокая точность, простота, дешевизна.

Недостаток: плохая видимость шкалы, невозможность передачи на расстояние, невозможность ремонта.

Бывают палочный (отметки на стекле) и с вложенной шкалой (градусник).

Используют: Спирт этиловый, Керосин, Ртуть, Эфир.

Цена деления – 0.01..10С

Применяют для лабораторных измерений, местного контроля температуры технологических объектов, трубопроводов.

Двухпроводная схема

Двухпроводная схема подключения термометра сопротивления к измерительному мосту. Уравнение равновесия: Rt+2Rn=R2(R3/R1)

В простейшей двухпроводной схеме влияние сопротивления подводящих проводов не устраняется. Напряжение измеряется не только на ЧЭ, но и на соединительных проводах.

Такая схема может быть использована в случае, если сопротивлением подводящих проводов (r1,r2) можно пренебречь по сравнению Rt.

Трёхпроводная схема

Трехпроводная схема подключения термометра сопротивления к измерительному мосту. Уравнение равновесия: Rt+Rn=(R2+Rn)R3/R1

При трехпроводной схеме подключения измерительный преобразователь по очереди измеряет сопротивление цепи «датчик+провода подключения» (Rt + r2+ r3) и цепи «провода подключения» (r1+r2), вычисляет разность этих значений и получает точное значение сопротивления датчика.

Эта схема обеспечивает значительно более точные измерения за счёт того, что появляется возможность измерить в отдельном опыте сопротивление подводящих проводов и учесть их влияние на точность измерения сопротивления датчика.

Равенство сопротивлений соединительных проводов и их температурных зависимостей является основным условием применимости трехпроводной схемы.

Однако данная схема не учитывает, что провода ввиду погрешностей изготовления могут обладать разным сопротивлением (в следствии неоднородности материала, изменения сечения по длине и пр.) такие погрешности вводят меньшие отклонения в отображаемой температуре чем при двух проводной схеме, однако при больших длинах проводов могут быть существенны.

Это наиболее распространненная схема подключения, применяемая для измерений на удалении датчика от 3 до 100 м, позволяющая в диапазоне до 300 градусов иметь погрешность порядка 0,5 %, т.е. 0,5 С на 100 С.

Эффект Зейбека

Эффект Зеебека (открыт в 1822, применен в 1826) - явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

1) Диффузионная составляющая

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Следовательно, для поддержания постоянного тока в рассматриваемой цепи необходимо поддерживать постоянство разности температур контактов: к более нагретому контакту непрерывно подводить теплоту, а от холодного — непрерывно ее отводить.

2) Контактная составляющая

Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. В результате в окружающем металлы пространстве появляется электрическое поле. Если оба спая термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов равны и направлены в противоположные стороны, то есть компенсируют друг друга. Если же температура спаев различна, то будут неодинаковы и внутренние контактные разности потенциалов. Это ведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной термо-ЭДС

Эффект Томпсона

При пропускании тока через проводник, нагреваемый в средней точке, один его конец немного нагревается, а другой слегка охлаждается. Какой именно нагревается, а какой охлаждается – это зависит от направления тока в цепи.

Объяснение: Так как в нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. При движении электронов в обратном направлении происходит поглощение энергии (теплоты) Томсона.

Требования к материалам ТЭП, стандартные ТЭП, уравнение термопары.

Два любых разнородных проводника могут образовать термопару, но не любая термопара может использоваться для практических температурных измерений. К материалам для термопар (термоэлектродным материалам) предъявляется ряд требований: жаропрочность, химическая стабильность, воспроизводимость материалов (для обеспечения взаимозаменяемости термопар), заключающаяся в одинаковой зависимости термоЭДС термопары от температуры.

Стандартные ТЭП

ТВР (А) — вольфрамрений-вольфрамрениевые;

ТПР (В) — платинородий-платинородиевые;

ТПП (S, R) — платинородий платиновые;

ТХА (К) — хромель-алюмелевые;

TXK (L) — хромель-копелевые;

ТХК (Е) — хромель-константановые;

THH (N) — никросил-нисиловые;

ТМК (T) — медь-константановые;

ТЖК (J) — железо-константановые.

Унифицированный сигнал

Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. В промышленных условиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4-20 мА работают в низкоомных цепях, которые меньше подвержены такому влиянию. Для передачи токовых сигналов можно использовать соединительные провода, более дешевые по сравнению, например, с компенсационными. Требования к величине их сопротивления также могут быть снижены.

Применяется смещенный диапазон 4—20 мА, то есть наименьшее значение сигнала (например, 0) соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16 мА.

Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.

Нормирующий преобразователь

При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.

Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.

Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:

Структурная схема нормирующего преобразователя

Преобразователь ТЭП подключается к зажимам термоэлектродными удлиняющими проводами TЭ1 и ТЭ2 (по составу они разные). Это сделано для того, чтобы вывести сво­бодные концы ТЭП к входным зажимам НП 1, 2, рядом с которыми внутри НП находится термочувствительный элемент, входящий в схему компенсации изменения термоЭДС при изменении темпера­туры свободных концов t₀ ТЭП. В простейшем случае схемой ком­пенсации является мостовая схема МТК. Одно из плеч моста состав­ляет медный резистор R_M при трех других неизменных резисторах R₁, R₂, R₃. При изменениях t₀ меняется термо­ЭДС. Эти изменения компенсируются сигналом небаланса моста U_{2 3}, который вызван изменением R_M в соответствии с изменением t₀. Скорректированная на t₀ термоЭДС ТЭП поступает на входной усилитель УС_ВХ, который и последующие элементы аналогичны эле­ментам преобразователей для ТС. Выходное напряжение усилителя УС_ВХ изменяется в пределах (0...1) В, независимо от пределов измере­ния (напряжение равно нулю на нижнем пределе измерения и 1 В — на верхнем).

Следующей ступенью является устройство гальванического раз­деления входных и выходных цепей НП (это повышает помехозащи­щенность измерительной линии, в которую включен НП); Ф — фильтр, обеспечивающий подавление помехи переменного напряже­ния. К выходу последнего подключен выходной усилитель с унифици­рованным выходным сигналом по току или напряжению (изображена схема для токового выходного сигнала). УС_ВЫХ представля­ет собой дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, на вход 1 которого поступает напряжение U_] с фильтра Ф (пропорциональный измеряемой термоЭДС), а на вход 2 — напряжение с резистора обратной связи Rос, равное (IвыхRос). Усилитель реагирует на разностный сигнал ΔU=U₁-I_выхR_ос и устанавливает такой ток, при котором ΔU=0.

Металлические ротаметры

Металлические ротаметры (Рис. 3) включают в себя металлическую трубу с переменным сечением 1, внутри которой располагается поплавок 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом 3. Под воздействием постоянного давления (например, протекающей жидкости) поплавок занимает определенное положение. Также ферромагнитная шайба из стали закреплена на стрелке указателя расхода. Под воздействием магнита поплавка возникает отклонение стрелки. Шкала размечена под определенную жидкость или газ. Такие ротаметры в автоматизированных системах снабжены преобразователем угла поворота в напряжение или в цифровую форму.

Постоянное магнитное поле

Преимущества:

• магнитная система относительно проста
• измерение расходов, изменяющихся с высокой частотой
• отсутствие помех
• измерение расхода веществ с малой электрической проводимостью
• быстродействие

Но постоянному магнитному полю свойственен существенный недостаток – поляризация электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно, появляются существенные дополнительные погрешности

Другим недостатком преобразователя расхода с постоянным магнитным полем является трудность усиления напряжения постоянного тока, особенно при большом внутреннем сопротивлении преобразователя.

Для съема выходной э. д. с. преобразователя расхода служат электроды 2 и 3, проходящие через стенку трубы 1.

.

Переменное магнитное поле

При применении в электромагнитных расходомерах переменного магнитного поля имеются ограничения и помехи.

• Вместе с токами проводимости в преобразователе расхода протекают токи смещения.
• При переменном магнитном поле наряду с полезным сигналом возникает паразитная, так называемая трансформаторная ЭДС, индуцируемая в контуре площадью S, образованном электродами, выводными проводами и измерительным прибором.

1 – труба, 2,3 – электроды, 4 – электромагнит, ПЭПР – первичный электромагнитный преобразователь, УП – промежуточный измерительный усилитель-преобразователь. Rн – сопротивление внешней нагрузки (вторичный прибор)

При sin-ой изменяющейся магнитной индукцией имеем:

При достаточно высокой частоте f поляризация отсутствует, но появляется паразитный трансформаторная ЭДС (Eт), которая наводится рабочим магнитным полем.

В современных расходомерах для ее полного устранения используется сдвиг по фазе на 90° между Е и Ет. В этом случае измерительная схема содержит два канала, один из которых предназначен для измерения полезного сигнала, второй—для компенсации трансформаторной ЭДС. С помощью фазочувствительных детекторов по первому каналу пропускается только информативный сигнал, который затем измеряется показывающим или регистрирующим прибором. По второму каналу проходит только сигнал, пропорциональный Ет который затем по цепи отрицательной обратной связи поступает на вход схемы и компенсирует трансформаторную ЭДС.

43. Теплосчетчики. Основные термины и определения. Факторы, учитываемые при расчете тепла.

Для регистрации расхода теплоносителя в составе теплосчетчика применяется расходомер (или два расходомера). Для вычисления количества теплоты нам достаточно одного расходомера, чаще его устанавливают на подающем трубопроводе. Для регистрации утечек или разбора теплоносителя из системы отопления устанавливают второй расходомер на обратном трубопроводе. Разница в показаниях прошедшего теплоносителя на подающем и обратном трубопроводе будет количество теплоносителя оставленного на объекте (слитый теплоноситель, утечка и т.д.).
Для вычисления температуры теплоносителя, в составе теплосчетчика используются температурные датчики, которые устанавливаются по одному в подающий и обратный трубопровод.

Количество тепла определяется как произведение расхода теплоносителя прошедшего через систему отопления и разницы температур на входе и выходе из неё.

Q = G · (t1 - t2),

где G - массовый расход теплоносителя; t1 и t2 - температуры теплоносителя на входе в систему и на выходе из неё соответственно.

Стеклянный электрод

Стеклянный электрод — это обычно стеклянный шарик с толщиной стенок 0, 06-0, 1 мм., наполненный раствором кислоты или соли, в который для контакта погружена платиновая проволочка.

Стекло рассматривается как твердый электролит, способный вступать в ионное взаимодействие с раствором. Если тонкий слой такого стекла поместить между двумя растворами с различными концентрациями ионов Н+, эти ионы будут диффундировать сквозь стекло из раствора с высокой концентрацией ионов водорода в раствор с низкой концентрацией. Поверхность стекла такого шарика в растворе приобретает потенциал, величина которого зависит от концентрации водородных ионов в растворе. Поэтому стеклянные электроды используются для измерения рН.

Электрод сравнения (вспомогательный электрод)

Определимся с основной задачей электрода сравнения – это создание стабильного опорного потенциала. Собственно говоря, электрод сравнения конструктивно – это ионоселективный электрод, погруженный в электролит постоянного состава.

Традиционно используются хлорсеребряные электроды сравнения и приборы калибруются для использования этих электродов.

Схема электронного блока

Сигнал от электродной системы Ех подается на вход, повторителя 1, имеющего высокоомный вход. За счет изменения коэффициента усиления микросхемы 2 корректируются отклонения крутизны электродной системы «S» от номинального значения. В этом же каскаде сигналом от источника и, компенсируется координата изопотенциальной точки «Еи». В следующем каскаде вводятся компенсации как влияния температуры с помощью медного резистора Rt, находящегося в анализируемом растворе, так и координаты изопотенциальной точки «рНи». За счет этих сигналов исключается введение сигнала температурной компенсации в изопотенциальной точке. Признаком правильной настройки измерительного блока является отсутствие изменений выходного сигнала при изменении сопротивления R, в точке рН = рНи(Ех = Eи)

Выходной сигнал после каскада 3 поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП с цифровым 4-разрядным индикатором ЦИ и на преобразователь напряжения в ток ПНТ, обеспечивающего получение унифицированных токовых сигналов 0...5 и 4...20 мА. ПНТ имеет несколько каскадов, включающих гальваническое разделение, переключатели изменения диапазонов измерения, резисторы плавной регулировки. Прибор имеет при переменном нижнем пределе измерения диапазоны от 1 до 15рН и -2000...2000 мВ. Погрешность измерительного блока составляет ±0,05 рН и ±2 мВ. В микропроцессорных рН-метрах упрощается процесс настройки, поскольку градуировочные характеристики конкретной электродной системы вводятся в постоянную память микропроцессора. Используя сигналы электродной системы и термопреобразователя микропроцессор рассчитывает значение рН.

Гидравлическая схема

1 — преобразователь; 2 — электрод; 3 — фторопластовая трубка; 4 — бачок; 5 — медный термопреобразователь сопротивления; 6 — распределительная коробка; 7 — кабель электродов;8 — высокоточный радиотехнический кабель. Для подключения электродной системы к измерительному преобразователю ИП используется распределительная коробка 6, в которой с помощью специального разъема кабель электродов 7 соединяется с высокочастотным радиотехническим кабелем 8, идущим к измерительному преобразователю ИП. Глубина погружения электродов достигает 2 м, расстояние между первичным и измерительным преобразователями не превышает 150 м.

Способы обеспечения единства измерений в метрологии

Первоочередной задачей единства измерений является унификация единиц физических величин. Она осуществляется в настоящее время на базе широкого внедрения единой Международной системы единиц (СИ).

Второй задачей обеспечения единства измерений является задача создания и непрерывного усовершенствования эталонов на базе освоения новых физических явлений, характеризующихся фундаментальными физическими константами.

Третья основная задача единства измерений - создание образцовых средств измерений и разработка методики передачи размеров единиц физических величин рабочим средствам измерений.

Четвертой задачей обеспечения единства измерений является разработка способов выражения показателей точности измерений и формы представления результатов измерений, обеспечивавших возможность их сравнительной оценки и совместного использования.

Системы единиц

Система единиц физических величин — совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин. Например, международная система единиц (СИ).