Московский государственный университет печати

Козлов М.Г.


         

Метрология и стандартизация

Учебник


Козлов М.Г.
Метрология и стандартизация
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Часть I. МЕТРОЛОГИЯ

1.

Введение в метрологию

1.1.

Исторические аспекты метрологии

1.2.

Основные понятия и категории метрологии

1.3.

Принципы построения систем единиц физических величин

1.4.

Воспроизведение и передача размера единиц физических величин. Эталоны и образцовые средства измерения

1.5.

Измерительные приборы и установки

1.6.

Меры в метрологии и измерительной технике. Поверка средств измерений

1.7.

Физические константы и стандартные справочные данные

1.8.

Стандартизация в обеспечении единства измерений. Метрологический словарь

2.

Основы построение систем единиц физических величин

2.1.

Системы единиц физических величин

2.2.

Формулы размерности

2.3.

Основные единицы системы СИ

2.4.

Единица длины системы СИ - метр

2.5.

Единица времени системы СИ - секунда

2.6.

Единица температуры системы СИ - Кельвин

2.7.

Единица силы электрического тока системы СИ - Ампера

2.8.

Реализация основной единицы системы СИ - единицы силы света - канделы

2.9.

Единица массы системы СИ - килограмм

2.10.

Единица количества вещества системы СИ - моль

3.

Оценка погрешностей результатов измерения

3.1.

Введение

3.2.

Систематические погрешности

3.3.

Случайные погрешности измерений

Часть II. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

4.

Введение в измерительную технику

5.

Измерения механических величин

5.1.

Линейные измерения

5.2.

Измерения шероховатости

5.3.

Измерения твердости

5.4.

Измерения давления

5.5.

Измерения массы и силы

5.6.

Измерения вязкости

5.7.

Измерение плотности

6.

Измерения температуры

6.1.

Методы измерения температуры

6.2.

Контактные термометры

6.3.

Неконтактные термометры

7.

Электрические и магнитные измерения

7.1.

Измерения электрических величин

7.2.

Принципы, лежащие в основе магнитных измерений

7.3.

Магнитные преобразователи

7.4.

Приборы для измерения параметров магнитных полей

7.5.

Квантовые магнитометрические и гальваномагнитные приборы

7.6.

Индукционные магнитометрические приборы

8.

Оптические измерения

8.1.

Общие положения

8.2.

Фотометрические приборы

8.3.

Спектральные измерительные приборы

8.4.

Фильтровые спектральные приборы

8.5.

Интерференционные спектральные приборы

9.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

9.1.

Особенности измерения состава веществ и материалов

9.2.

Измерения влажности веществ и материалов

9.3.

Анализ состава газовых смесей

9.4.

Измерения состава жидкостей и твердых тел

9.5.

Метрологическое обеспечение физико-химических измерений

Часть III. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

10.

Организационные и методические основы метрологии и стандартизации

10.1.

Введение

10.2.

Правовые основы метрологии и стандартизации

10.3.

Международные организации по стандартизации и метрологии

10.4.

Структура и функции органов Госстандарта РФ

10.5.

Государственные службы по метрологии и стандартизации РФ

10.6.

Функции метрологических служб предприятий и учреждений, являющихся юридическими лицами

11.

Основные положения государственной службы стандартизации РФ

11.1.

Научная база стандартизации РФ

11.2.

Органы и службы систем стандартизации РФ

11.3.

Характеристика стандартов разных категорий

11.4.

Каталоги и классификаторы продукции как объект стандартизации. Стандартизация услуг

12.

Сертификация измерительной техники

12.1.

Основные цели и задачи сертификации

12.2.

Термины и определения, специфические для cертификации

12.3.

12.3. Системы и схемы сертификации

12.4.

Обязательная и добровольная сертификация

12.5.

Правила и порядок проведения сертификации

12.6.

Аккредитация органов по сертификации

12.7.

Сертификация услуг

Заключение

Приложения

Указатели
12   именной указатель
583   предметный указатель
145   указатель иллюстраций
Рис. 05.10. Схема жидкостного манометра (вакуумметра): а) дифференциальный манометр; б) абсолютный манометр Рис. 05.11. Манометр Мак-Леода Рис. 05.12. Дифференциальный манометр - трубка Пито Рис. 05.13. Схема дифференциального манометра - трубки Вентури Рис. 05.14. Схема пружинного манометра Рис. 05.15. Схема датчика давления типа «Сапфир»: Тр - тензорезистор; полость заполнена кремнийорганической жидкостью Рис. 05.16. Схема термопарного датчика давления Рис. 05.17. Схема измерения массы на безмене Рис. 05.18. Схема весов с двумя коромыслами

Твердость Твердостью в технике называют характеристику материала, отражающую способность к неупругой деформации. Наиболее часто твердость определяют методом вдавливания в материал шарика (метод Бринеля), призмы (метод Роквелла) или алмазной пирамиды (метод Виккерса).

В методе Бринеля твердость определяется как отношение силы, вдавливающей шарик из стали стандартного размера, к площади опечатка. Твердостью по шкале Бринеля в так называемых градусах Бринеля определяется так:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.5)

где Р - сила нагрузки в килограммах силы (1 кгс = 9,8 Ньютона); D - диаметр шарика, мм; d - диаметр лунки, мм.

Соответственно твердость по Бринелю измеряется в градусах Бринеля, имеющих размерность в практической системе единиц кгс/мм2 .

В методе Роквелла характеристикой твердости является отношение вдавливающей силы к глубине внедрения стандартного шарика или призмы в материал.

В методе Виккерса алмазная пирамида внедряется острием в тело со шлифованной поверхностью. Твердость определяется как отношение силы вдавливания к 1 мм2 площади отпечатка. По аналогии ствердостью Бринеля твердость по Виккерсу равна:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.6)

где Sотп - площадь отпечатка пирамиды на шлифованной поверхности.

Разнообразие методов определения твердости связана с необходимостью контролировать эту величину как для пластичных материалов с низкой твердостью, так и для очень твердых веществ и минералов.

В геологии широко используется оценка твердости веществ по эффекту, который проявляется при контакте одного тела с поверхностью другого. Характеристикой твердости является факт наличия царапины, которую оставляет более твердое тело на поверхности менее твердого. В качестве стандартов твердости на практике используют две шкалы - Шкала Мосашкала Моса и Шкала Брейтгаупташкала Брейтгаупта. В обеих шкалах самым мягким стандартом является тальк, а самым твердым - алмаз. В шкале Моса диапазон твердости разбит на 10 частей, в шкале Брейтгаупта - на 12. Стандартные по твердости минералы перечислены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Стандартные образцы твердости по Мосу и Брейтгаупту

Минерал Твердость по
шкале Моса
Твердость по шкале
Брейнтгаупта
1. Тальк 1 1
2. Гипс 2 2
3. Слюда - 3
4. Известковый шпат 3 4
5. Плавиковый шпат 4 5
6. Апатит 5 6
7. Роговая обманка - 7
8. Полевой шпат 6 8
9. Кварц 7 9
10. Топаз 8 10
11. Корунд 9 11
12. Алмаз 10 12

Для определения твердости по шкале Моса или Брейтгаупта достаточно поцарапать поверхность исследуемого материала минералами, приведенными в табл. 5.2. Самое мягкое из перечисленных веществ, оставляющее царапину на исследуемом образце, определяет твердость либо по Мосу (от 1 до 10), либо по Брейнтгаупту (от 1 до 12).

ДавлениеДавлением по определению называется сила, действующая на единицу поверхности тела:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.7)

В системе СИ единицей давления служит 1 Паскаль, равный силе в 1 Ньютон, действующей на площадь в 1 м2 .

Измерения давления замечательны тем, что для них в технике и в практике сохранилось и используется большое количество внесистемных и жаргонных единиц. Например, принятой внесистемной единицей является один Торичелли (1 Top), больше известный у нас как миллиметр ртутного столба

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.8)

Также широко в технике используется единица давления - 1 физическая (нормальная)атмосфера, равная

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.9)

Численная связь дана для плотности ртути 13,595 г/см3 и ускорения свободного падения д = 9,80655 м/с2.

Часто употребляется внесистемная единица - бар, равная

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.10)

Приборы для измерения давления в общем случае называются Манометр манометрами. В том случае, если манометры предназначены для измерения атмосферного давления, их называют Барометр барометрами. Если необходимо измерить давление ниже атмосферного, такие манометры называют Вакууметр вакууметрами.

Манометры по принципу действия делятся на жидкостные, пружинные и электрические.

Вакуумметры делятся на жидкостные, деформационные, компрессионные, радиометрические, вязкостные, тепловые, ионизационные, магнито-разрядные и радиоизотопные.

Манометр жидкостныйЖидкостные манометры или Вакууметр жидкостныйвакуумметры - устройства, в которых давление среды уравновешивается давлением столба жидкости, налитой в манометр. Схематично манометр имеет вид U-образной трубки (см. рис. 5.10Рис. 05.10. Схема жидкостного манометра (вакуумметра): а) дифференциальный манометр; б) абсолютный манометр), в которую налита манометрическая жидкость - вода, масло или ртуть. Один из концов манометра присоединяется к измеряемому объему, второй конец манометра либо запаян, либо подсоединяется к объему с известным давлением. В этом случае манометр называется дифференциальным, т. к. измеряет разность давлений в различных объемах.

В жидкостном манометре давление определяется по разности уровней жидкости в трубках при известной плотности жидкости р, налитой в манометр:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.11)

где h - разность уровней жидкости; g - ускорение свободного падения. Если р выражена в кг/м3, g в м/c2 и h в м, то давление выразится в Паскалях.

Если в манометр налита ртуть, то давление в Торрах численно будет равно разности уровней ртути в трубках

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.12)

Разновидностями жидкостных манометров являются вакууметр Мак-Леода, трубки Пито и трубки Вентури.

Манометр Мак-ЛеодаМанометр Мак-Леода используется для измерения малых давлений в условиях вакуума. Манометр представляет собой колбу с отростком, которая соединяется гибкой трубкой с чашкой, заполненной ртутью (см. рис. 5.11Рис. 05.11. Манометр Мак-Леода).

Процедура измерения состоит в том, что верхняя трубка манометра Мак-Леода соединяется с измеряемым объемом. Затем чашка со ртутью поднимается, ртуть заполняет объем манометра, оставляя «пузырь» в тонком капилляре. Давление в пузыре зависит не только от разности уровней в трубках, но и от соотношения объемов колбы и капилляра, которое может доходить до 1000. Таким образом можно измерить давление примерно в 1000 раз меньше, чем обычным жидкостным манометром без потери точности. Измерения манометром Мак-Леода громоздки, связаны с необходимостью работы с большими количествами ртути, но при этом этот метод позволяет получать наиболее достоверные результаты, т. к. ведутся прямые измерения давления.

Точность измерения давления жидкостными манометрами зависит от точности измерения уровня жидкости. В прецизионных манометрах отсчетные устройства дополняют нониусами или специальными зрительными трубами с измерительной шкалой. Такие приборы называются катетометрами.

Особый вид манометра представляют собой т.н. Трубки Питотрубки Пито, представляющие собой дифференциальные манометры, измеряющие разность давлений в струях жидкости или газа между статическим давлением и динамическим. Давление в движущемся потоке есть сумма внешнего давления Р, статического (ρgh) и динамического давления ρv2/2, где h - глубина погружения; р - плотность жидкости; v - скорость потока. Согласно закону Бернулли, сумма этих давлений остается постоянной вдоль всего потока (струи) так, что:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.13)

для любой точки потока.

Дифференциальный манометр в виде трубки Пито позволяет измерять разность давлений между точкой потока, в которой жидкость не двигается, и точкой, где жидкость имеет максимальную скорость v. Схема трубки Пито дана на рис. 5.12Рис. 05.12. Дифференциальный манометр - трубка Пито.

Уравнение измерения имеет вид:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.14)

Индекс 1 относится к точке 1 (отверстию) манометра на боковой стенке, где V1 = v, индекс 2 относится к точке 2, где поток остановлен и V2 = 0. Если положить, что разность статического давления ничтожна <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, то разность давлений (P1 - P2) оказывается однозначно связана со скоростью потока, т. е.:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.15)

Таким образом, трубка Пито - это манометр, позволяющий измерять скорость потока жидкости.

Другая полезная разновидность дифференциального манометра - так называемая Трубки Вентуритрубка Вентури, представляющая собой два колена жидкостного манометра, разделенные мембраной с малым относительно основной трубы отверстием (см. рис. 5.13Рис. 05.13. Схема дифференциального манометра - трубки Вентури).

Несложные операции с использованием закона Бернулли и закона неразрывности струи приводят к простому соотношению между перепадом давления ΔР и скоростью потока:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.16)

где d1 - диаметр трубы; d2 - диаметр отверстия в диафрагме.

Расход жидкости Q определяют из соотношения:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.17)

Манометр пружинныйПружинные манометры или Вакууметр пружинныйвакуумметры представляют собой подвижную часть, размеры которой зависят от давления (так называемую «улитку»). Подвижная часть каким-либо образом соединяется с индикатором положения «улитки» (см. рис. 5.14Рис. 05.14. Схема пружинного манометра).

Пружинные манометры являются самым распространенным измерительным устройством при определении давления. Эти манометры просты в исполнении, надежны, не содержат жидкостных наполнений и при тщательной калибровке могут давать достаточно точные результаты.

Манометр электрическийЭлектрические манометры - устройства, в которых информация о давлении воспринимается как изменение какого-либо электрического параметра, например сопротивления или разности потенциалов. Это может быть камера с проводящим, чаще всего с угольным порошком, сопротивление которого зависит от положения гибкой мембраны. Это может быть камера, наполненная кремнийорганической жидкостью. Тогда под действием разности давлений (рис. 5.15Рис. 05.15. Схема датчика давления типа «Сапфир»: Тр - тензорезистор; полость заполнена кремнийорганической жидкостью) появляется разность потенциалов, пропорциональная давлению.

Промышленно изготавливаются многочисленные датчики на основе Тензорезистортензорезисторов - сопротивлений, изменяющихся в зависимости от разности давлений, различного рода пьезоэлектрики с прямым пьезоэффектом - появлением разности потенциалов между поверхностями кристаллов при наличии разности давления между ними.

Для измерения давления ниже атмосферного (измерения вакуума) кроме жидкостных и деформационных вакуумметров используется еще целый ряд устройств, принципиально отличающихся от рассмотренных выше. Такими вакуумметрами являются радиометрические приборы, вязкостные, ионизационные, магнитные, электроразрядные манометры.

В Манометр радиометрическийрадиометрическом манометре используется радиометрический эффект - возникновение силы отталкивания между двумя близко расположенными пластинами в разреженном газе, находящимся при разных температурах. Холодная пластина со стороны, обращенной к горячей пластине, бомбардируется молекулами с большей энергией, чем те же молекулы с противоположной стороны. В результате между пластинами возникает сила отталкивания. При низких давлениях эта сила на единицу площади равна

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.18)

Измерения проводятся по отклонению пластины при создании вакуума. Наиболее известные вакуумметры такого типа были созданы датским физиком Кнудсен М.Кнудсеном.

Действие Вакууметр вязкостныйвязкостного вакуумметра основано на измерении времени затухания колебания кварцевой нити или по закручиванию неподвижно закрепленного элемента от подвижного, вращающегося в разреженном газе. Здесь рабочими элементами обычно служат диски. Диапазон измерений таких вакуумметров составляет (1÷10-5) Па или (10-2÷10-7) Тор. .

В Вакууметр тепловойтепловых вакуумметрах используется эффектзависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Манометр представляет собой спай термопары, нагреваемый слабым электрическим током по схеме, изображенной на рис. 5.16Рис. 05.16. Схема термопарного датчика давления.

Вакууметр термопарныйТермопарные вакуумметры позволяют измерять вакуум в диапазоне 10-2÷10-4 Тор.

В Вакууметр ионизационныйионизационных вакуумметрах мерой давления является величина ионного тока, возникающего под действием электрического тока, приложенного между нагретым катодом и цилиндрическим анодом, окружающем катод. Диапазон измерений ионизационного вакуумметра составляет 10-2÷10-5 Тор или (1÷5*10-6 Па .

В Вакууметр магнитный электроразрядныймагнитном электроразрядном вакуумметре используется зависимость от давления тока самостоятельного разряда, возникающего в разреженном газе в скрещенных магнитном и электрическом полях. Существует несколько типов магнитных электроразрядных манометров: манометр Пеннинга с параллельными плоскими электродами и инверсионно-магнетронный манометр, в котором анод и катод представляют собой два соосных цилиндра.

Вакуумметры различных типов позволяют измерять давление в широких пределах изменения от атмосферного давления до давления 10-13 Тор (10-11 Па).

Под Масса массой тела подразумевается физическая величина, являющаяся мерой инертности тела или мерой взаимного притяжения двух количеств вещества. В курсе общей физики показывается, что масса инерционная, определенная через 1-ый закон Ньютона, тождественная масса гравитационной, определяемой через Закон всемирного тяготениязакон всемирного тяготения.

Чаще всего в измерениях механических величин не делают отличия между массой (количества вещества) и весом - силой притяжения тела Землей. Для того чтобы сознательно относиться к процессу измерений, необходимо тщательно разграничивать эти физические величины. Сила (физическая величина) Сила вообще - это физическая величина, характеризующая взаимодействие тел и определяющая ускорение, с которым будет двигаться определенное количество вещества с массой m. Определение силы опирается на II-ой закон Ньютона:

F=m*a. (5.19)

В различных системах единиц в качестве основной, выбираемой произвольно, выбирается либо масса (Международная система СИсистема СИ, система СГС, система МТС), либо сила - практическая система единиц.

Основной метод определения массы - взвешивание - метод определения массы тела путем сравнения с массой эталонных тел - гирь.

Измерения массы проводятся методом компарирования по нескольким схемам. Самая древняя из схем - взвешивание на безмене, который представляет собой гирю постоянной массы, укрепленной на конце длинного стержня. На другой конец стержня укрепляется взвешиваемый груз по схеме, приведенной на рис. 5.17Рис. 05.17. Схема измерения массы на безмене.

При наличии равновесия будет выполнено равенство моментов сил:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.20)

Это дает возможность оцифровать стержень безмена в единицах массы. Самым распространенным до недавнего времени было взвешивание на двухплечих весах. В этом случае весы имеют два коромысла, на одно из которых помещают тело, а на второе - определенный набор мер массы -гирь. Схема весов с коромыслами приведена на рис. 5.18Рис. 05.18. Схема весов с двумя коромыслами.

Конструкция весов по схеме, приведенной на рис. 5.18, позволяет определять массу по равенству веса тела и гирь, а также оценивать небольшую разницу в них по углу отклонения стрелки на нижней шкале. Поскольку отклонение от положения равновесия конца стрелки за висит от разности веса тела и гирь ΔР = P2 - P1, как

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.21)

где I - расстояние от точки опоры С до точки установления нагрузки; L -длина стрелки весов и h - расстояние от центра инерции подвижной части весов до точки опоры С. Последняя является константой весов и, как правило, известна из паспортных данных.

Как было указано в части I основные источники погрешности при взвешивании на весах с двумя коромыслами - это неравенство плеч весов и сила Архимеда, действующая на гири и на тело. Если тело и гири изготовлены из разных по плотности материалов, то масса тела будет меньше истинной на величину е, а масса взвешиваемого тела будет равна:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>

где ε - поправка на архимедову силу, mT - масса тела и mг - масса гири.

Гири как меры массы изготавливаются нескольких классов точности. Допустимые нормированные стандартные отклонения массы гирь от номинала приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3.

Допустимые отклонения массы гирь, мг.
(в скобках указана поправка на архимедову силу для стальной гири)

Номинальная масса КЛАСС
2 3 4 5
1-2 мг
5 мг
10-20 мг
50-200 мг
500 мг
0,02(0.003)'
0,04(0,007)
0,04(0,007)
0,06(0,010)
0,10(0,017)
-
-
0,10(0,025)
0,15(0,038)
0,25(0,017)
-
-
0,50(0,13)
0,75(0,19)0
1,25(0,31)
-
-
-
-
-
1-2г

10-20 г
50-100 г
200 г
500 г
0,16(0,027)
0,32(0,05)
0,6(0,10)
1,0(0,16)
1,6(0,27)
3,2(0,5)
0,4(0,10)
0,8(0,20)
1,6(0,40)
2,4(0,60)
4,0(1,0)
8(2,0)
2,0 (0,50)
4,0(1,0)
8,0(2,0)
12(3,0)
20(5,0)
40(10)
-
-
40(10)
60(15)
100(25)
200(75)
1 кг
2кг
5кг
10кг
20 кг  
6,4(1,1)
13(2,1)
25(4,3)
50(8,3)
100(16,6)
16(4,0)
32(8,0)
64(16)
130(33)
250(63)
80(20)
160(40)
320(80)
650(160)
1250(310)
400(100)
800(200)
1600(400)
3200(810)
-

Примечание: Гири первого класса имеют точность в 2 - 3 раза более высокую, чем 2 класса.

© Центр дистанционного образования МГУП