поверке вводят поправки к показаниям образцового средства измерений, а соотношение 1:5 – когда эти поправки не вводят. Очень важным при этом является соотношение диапазонов измерений образцового и поверяемого средств измерений. Верхний предел измерений образцового средства измерений должен быть равен или незначительно превышать верхний предел измерений поверяемого средства измерений.
Необходимая точность образцовых средств измерений, а иногда и их типы регламентируются нормативными документами по поверке конкретных средств измерений. Сама операция поверки средств измерений, по существу, представляет собой передачу размера единицы от образцовых к рабочим средствам измерений. Та же операция (рис. 11.1) осуществляется при передаче размера единицы от эталонов к образцовым средствам измерений.
Для средств технических измерений применяются следующие методы поверки: непосредственное сличение средства измерения с образцовым средством измерений того же вида; прямое измерение поверяемым средством измерений величины, воспроизводимой образцовой мерой.
При поверке измерительного прибора методом прямого измерения величин, воспроизводимых образцовыми мерами, значения последних выбирают равными соответствующим (чаще всего оцифрованным) отметкам шкалы измерительного прибора.
При поверке измерительного прибора методом непосредственного сличения с образцовым на вход этих измерительных приборов подается поочередно несколько значений измеряемой величины (обычно соответствующих оцифрованным отметкам) и определяют разность показаний образцового и поверяемого прибора. Определение этой разности осуществляется одним из двух способов (рис. 11.2).
По первому способу путем изменения измеряемой величины устанавливают ее значение, соответствующее поверяемой отметке на шкале образцового прибора ОП (см. рис. 11.2, а), а по шкале поверяемого прибора определяют погрешность .
По второму способу значение измеряемой величины устанавливают по шкале поверяемого прибора ПП (см. рис. 11.2, б), а погрешность определяют по шкале образцового прибора ОП.
Рис. 11.2. Способы поверки измерительных приборов
Первый способ удобен при автоматизации поверочных работ. Он позволяет с помощью одного образцового прибора и одного устройства, воспроизводящего измеряемую величину, поверять сразу несколько приборов. Второй способ позволяет точнее, чем первый, определять погрешность, так как шкалы образцового прибора имеют большее число делений, чем шкалы поверяемого. Такое преимущество данного способа проявляется только при тщательной установке указателя поверяемого прибора на оцифрованные отметки шкалы.
Как при поверке измерительных приборов методом прямого измерения величин, воспроизводимых мерами, так и при поверке методом непосредственного сличения с образцовым прибором наибольшую, полученную во всем диапазоне измерения погрешность принимают за основную погрешность поверяемого измерительного прибора.
Для измерительных приборов, у которых нормировано значение вариации, при поверке показания снимают минимум дважды: при плавном возрастании измеряемой величины и при ее плавном убывании. При этом устанавливаются такие значения измеряемой величины, при которых указатель подходит к соответствующей отметке
412
шкалы с одной или с другой стороны, не переходя ее. За значение вариации принимается наибольшее значение из полученных для всех поверяемых отметок в диапазоне измерений.
Поверка измерительных преобразователей осуществляется обычно теми же методами, что и поверка измерительных приборов при пяти и более заранее принятых значениях измеряемой величины, равномерно распределенных по диапазону измерений.
Воспроизведение или измерение входной величины осуществляется соответственно образцовой мерой или образцовым измерительным прибором, а для измерения выходного сигнала также используют образцовый измерительный прибор. Результат поверки представляется погрешностью и вариацией по входу или по выходу.
Для сложных средств измерений, состоящих из нескольких взаимосвязанных узлов, и для измерительных систем применяют поэлементную или комплектную поверку.
Комплектной называют поверку, при которой средство измерений поверяется в целом – в полном комплекте.
Поэлементной называют поверку, при которой определяется погрешность отдельных частей поверяемого средства измерений, а его общая погрешность определяется по найденным погрешностям этих частей.
На практике поэлементную поверку нередко проводят в сочетании с комплектной.
Результаты поверки для многих средств измерений представляются в виде протокола, который является основным документом, имеющим юридическое значение.
11.3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СРЕДСТВ
ИЗМЕРЕНИЙ ДАВЛЕНИЯ
Основу метрологического обеспечения средств измерений давления составляет группа государственных эталонов, в состав которой входят один первичный и пять специальных эталонов.
Государственный первичный эталон единицы давления представляет собой комплекс средств измерений, включающий группу из пяти поршневых приборов переменного состава, набор гирь и специальную аппаратуру для создания и поддержания гидростатического давления.
Воспроизведение единицы измерения давления с наивысшей точностью в области избыточных давлений 106 2,5 108 Па осуществляется государственным первичным эталоном, включающим грузопоршневые манометры, специальный набор мер массы и установку для поддержания давления. Для воспроизведения единицы давления вне указанного диапазона от 10 8 до 4 105 Па и от 109 до 4 109 Па, а также разности давлений до 4 104 Па используются специальные эталоны. Передача единицы измерения давления от эталонов рабочим средствам измерения осуществляется многоступенчато: от первичного и специальных эталонов вторичным эталонам, затем последовательно образцовым средствам с первого по четвертый разряды включительно и затем рабочим средствам измерения.
Последовательность и точность передачи единицы измерения давления от эталонов к рабочим средствам с указанием способов поверки и сравнения показаний определяются общегосударственными поверочными схемами, т.е. соответствующими ГОСТу. Поскольку на каждой ступени передачи единицы измерения погрешности возрастают в 2,5 5 раз, соотношение между погрешностями рабочих средств измерения давления и первичного эталона составляет 102 103.
Грузопоршневые манометры
В грузопоршневых манометрах измеряемое давление уравновешивается силой тяжести неуплотненного поршня с грузами. Манометры используются в качестве образцовых средств воспроизведения единицы давления в диапазоне от 10 1 до 1013 Па, а также для точных измерений давления в лабораторной практике.
Схема поршневого манометра, имеющего диапазон измерения 6 МПа (МП-60), представлена на рис. 11.3. Поршень 1 с тарелкой 2 для грузов 3 перемещается внутри цилиндра 4. Поршневая пара под-
гоняется таким образом, чтобы зазор между поршнем 1 и цилиндром 4 не превышал 0,01 мм.
При таком зазоре, даже при высоких давлениях, скорость опускания поршня, из-за утечки рабочей жидкости, не превышает 1 мм/мин. Для обеспечения равномерного зазора между цилиндром и поршнем последний в момент измерения вращают по часовой стрелке. В манометрах с диапазоном измерения 0,6 МПа и выше вращение поршня осуществляется вручную. В манометрах с диапазоном измерения 0,06 и 0,25 МПа вращение поршня производится электрическим двигателем.
Внутренняя полость поршневого манометра тщательно заполняется рабочей жидкостью (керосином, касторовым или трансформаторным маслом). Заливка жидкости производится при открытом вентиле 5 через отверстие в дне резервуара 6; поршнем 7 винтового пресса 8 жидкость засасывается внутрь манометра. С помощью пресса 8 в процессе измерения обеспечивается подъем поршня 1 с грузами до высоты, заданной указателем. К стоякам 9 с запорными вентилями 10 подключаются поверяемые манометры. Вентиль 11 служит для слива жидкости из поршневого манометра.
Для получения заданного давления на тарелку 2 с учетом ее массы с поршнем накладываются грузы, создающие определенную силу тяжести. При суммарной массе поршня с грузами m создаваемое давление
p = mg / S,
где S – эффективная площадь поршня 1, равная сумме площади торца поршня и половины площади зазора; g – ускорение свободного падения.
Учитывая, что калибровка грузов производится для нормального ускорения свободного падения, при измерениях должны вводиться поправки на местное ускорение свободного падения.
Площадь поршня в рассмотренной конструкции манометров составляет 0,5 и 1 см2, что обеспечивает отсутствие прогиба поршня под тяжестью грузов. Класс точности манометров 0,02; 0,05. Давление во внутренней полости грузопоршневых манометров может создаваться винтовым прессом 8 без использования грузопоршневой колонки. В этом случае вентилем 12 колонка отключается, а созда-
ваемое давление измеряется образцовым манометром, подключенным к одному из стояков 9.
Рис. 11.3. Схема грузопоршневого манометра МП-60
Низкая погрешность воспроизведения и измерения давления с помощью грузопоршневых манометров определяется высокой точностью задания массы грузов, площади сечения поршня и ускорения свободного падения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Какие основные задачи решает метрологическая служба России?
2.Что понимают под единообразием средств измерений?
3.Что такое поверка средств измерений?
4.Для чего предназначены эталоны?
5.Что понимается под поверочной схемой?
6.На какие виды подразделяются поверочные схемы?
7.С какой целью проводится регулировка средств измерений?
8. Какую регулировку проводят для уменьшения аддитивной
и мультипликативной погрешности?
9.Что такое градуировка или тарировка средств измерений?
10.Как выбирают соотношение между допустимыми погрешностями образцового и поверяемого средства измерения?
11.Какой принцип действия грузопоршневого манометра?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В основе выбора датчика для обеспечения тех или иных измерений лежит принцип максимального соответствия требований измерений и возможностей (характеристик) датчика.
Адекватный выбор требует априорных знаний как об объекте измерений, так и о датчиках, из числа которых должен быть сделан выбор. Если требуемого соответствия достичь не удается, то необходимо убедиться, что требования к датчику являются принципиально реализуемыми, т.е. не противоречат природе вещей. При наличии такой уверенности приступают к разработке (заказу) недостающего датчика.
Последовательность логических шагов в реализации принципа максимального соответствия требований и возможностей схематически сводится к следующему.
1.Формулируются исходные данные, принципиально очер-
чивающие область поиска. К их числу относятся ожидаемый диапазон изменения измеряемого параметра и агрегатное состояние объекта измерения, например:
1) содержание газовой фазы в криогенной жидкости 0…100 %;
2) температура жидкого водорода –255…–250 °С;
3) температура воздуха –50…+150 °С.
Результатом этого шага является констатация наличия, как правило, обширной области (совокупности) датчиков определенного назначения, основанных на разных принципах преобразования, диапазон работы которых включает в себя требуемый диапазон измерений.
С каждым последующим шагом возможности выбора будут сокращаться, так как будет сужаться область поиска. Общим объединительным мотивом на всех этапах выбора необходимого датчика является непротиворечивое выполнение требований данного измерения.
2.Проводится обоснование выбора мест измерений парамет-
ра на объекте. Здесь может быть несколько важных соображений – экстремальность параметра в данном месте; представительность дан-
ного места для описания общей картины процессов на объекте; корреляция данного параметра в данном месте с другими параметрами, измерение которых намечается, и т.д.
Немаловажное значение имеет доступность данного места для размещения датчика. На этом шаге целесообразно рассмотрение альтернативных реализаций измерения требуемого параметра в данном месте.
Например, пусть необходимо измерить температуру потока криогенной жидкости в магистрали малого диаметра при высоком давлении. Анализ может привести к нежелательности нарушения целостности магистрали и приварки к ней штуцера для размещения датчика. Кроме того, может оказаться нежелательным создание гидравлических потерь на погружаемой в поток части датчика. Значит, может рассматриваться альтернативное измерение температуры на внешней стенке магистрали, и задача измерения температуры жидкости модифицируется в задачу идентификации температуры жидкости по измеряемой температуре внешней стенки магистрали.
Однако будем исходить далее из того, что место выбрано и прямое измерение возможно.
3.Из числа известных датчиков для измерений данного параметра выбираются датчики, размещение которых по геометрическим присоединительным размерам возможно. При этом выби-
раются датчики, имеющие нужную глубину погружения чувствительного элемента, а также, исходя из соображений локальности или осредненности измеряемого параметра, выбирают датчики с чувствительными элементами с сосредоточенными в нужной области параметрами.
4.Из выбранных датчиков отбираются работоспособные в эксплуатационных условиях (механическая надежность). При этом не-
обходимо учитывать как общие климатические (температура окружающей среды, давление, влажность и т.д.), механические (вибрации, удары, линейные и угловые ускорения и т.д.), так и всю совокупность специальных требований (агрессивность среды, скорость набегающего потока, температура и давление среды, цикличность и многоразовость воздействий, проникающая радиация и т.д.).
Необходимо понимать, что совокупное воздействие всех факторов на датчик существенно жестче, чем раздельное воздействие каждого фактора. Датчик должен обладать, по крайней мере, 25%-ным запасом прочности по отношению ко всей совокупности воздействий
втечение всего времени эксплуатации.
5.Для квазистатических измеряемых параметров отбираются датчики, обеспечивающие необходимую точность (стабильность функции преобразования в допустимых пределах) в условиях эксплуатации (метрологическая надежность). На этой стадии отбира-
ются датчики, принцип преобразования в которых обеспечивает необходимое метрологическое качество. При этом могут оказаться конкурентоспособными несколько принципов преобразования. Но может оказаться, что ни один из принципов преобразования не подходит по точности. В этом случае может быть предпринята попытка использования наилучших вариантов с последующей необходимостью коррекции результатов измерений. Для этого требуется знание функций влияния и необходима информация о поведении дестабилизирующих факторов в процессе измерений.
6.Для динамических измерений параметров отбираются датчики по динамическим характеристикам на соответствие динамике измеряемого параметра. Динамическая погрешность отобранных датчиков должна соответствовать допустимым значениям. В случае несоответствия должна быть рассмотрена возможность введения корректирующих поправок в результат измерений. Процедура введения поправок предполагает априорные знания о динамике процесса и динамических характеристиках выбранного датчика. Иногда лимитирующим фактором является кратковременность исследуемого процесса.
Вместе с тем точность и динамичность датчика находятся в постоянном противоречии с его механической и метрологической надежностью. В борьбе за выживаемость датчика нередко приходится жертвовать его быстродействием и точностью.
На квазистатические и динамические измерения распространяется принцип дополнительности. Измерительный эксперимент обеспечивает либо высокую точность измерений квазистатического (медленно меняющегося) параметра, либо малую динамическую погрешность (пра-
