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. 06.01. Классы и типы термометров Рис. 06.02. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (формула 6.8) Рис. 06.02. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (формула 6.8) Рис. 06.03. Содержание параводорода в чистом водороде при различных температурах

Под Температура температурой в этом разделе понимается основная, т. е. введенная произвольно, физическая величина, определяющая:

  • законы изменения состояния идеального газа;

  • коэффициент полезного действия идеального термодинамического цикла Карно;

  • среднюю кинетическую энергию хаотического (теплового) движения молекул;

  • мощность излучения абсолютно черного тела;

  • определяющая распределение атомов по уровням энергии.

Любое из этих определений практически является определением температуры.

Особенно подчеркнем, что неправильно отождествлять понятие температуры с другими физическими величинами, связанными однозначно с нею. Чаще всего приходится встречаться с определением температуры как энергии теплового движения молекул. Если бы это утверждение было бы истинным, то не было бы никакой необходимости вводить новую величину и определять ее единицу, т. к. и величина и единица энергии существуют в физике независимо от специфики тепловых явлений. Тем не менее именно температура, а не энергия, позволяет связать законы физики, в которых необходимо рассматривать тепловые процессы.

Итак, температура является основной величиной, и именно эту величину чаще всего измеряют на практике. Соответствующая измерительная техника называется Термометртермометрами, если речь идет о невысоких температурах, или Пирометрпирометрами, если речь идет о температурах пламени или плазмы (пиро - огонь, метр - измеряю). Производные тепловые величины также измеряются специфическими приборами, которые будут упомянуты ниже.

Все типы термометров принято разбивать на два класса в зависимости от методики измерений (рис. 6.1Рис. 06.01. Классы и типы термометров). Традиционный и наиболее массовый вид термометров -контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Вторую группу составляют неконтактные термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения. Часто такие приборы называют Радиометр радиометрами.

Контактные приборы и методы по принципу действия разделяются на:

    а) Термометр волюметрический Термометры контактные волюметрические, в которых измеряется изменение объема (volume) жидкости или газа с изменением температуры.

    б) Термометр дилатометрический Термометры дилатометрические, в которых о температуре судят по удлинению различных материалов при изменении температуры. В ряде случаев датчиком служит пластинка, изготовленная из двух металлов с разными температурными коэффициентами расширения и изгибающаяся при нагревании или охлаждении.

    в) Термопар Термопары, представляющие из себя два разнородных, спаянных по концам проводника. При наличии разности температур спаев в термопаре возникает электрический ток, который и служит мерой изменения температуры. Температура измеряется по термоЭДС или по величине силы тока термопары.

    г) Термосопротивление Термосопротивления - термометры, принципом действия которых является измерения сопротивления проводника с изменением температуры.

Неконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:

    а) Радиометрия Радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение в инфракрасном диапазоне длин волн.

    б) Тепловидение Тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например температуру жидкостей в резервуарах и трубах.

    в) Пирометрия Пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламен, плазмы, астрофизических объектов. Используется принцип сравнения либо яркости объекта со стандартом яркости (яркостный пирометр и яркостная температура), либо цвета объекта с цветом стандарта (цветовой пирометр и цветовая температура), либо тепловой энергии, излучаемой объектом, с энергией, испускаемой стандартным излучателем (радиационный пирометр и радиационная температура).

Для того чтобы упростить восприятие основных принципов и методов термометрии, напомним основные понятия.

Термодинамическая температура определяется как параметр состояния при термодинамическом равновесии тел. Для идеального газа, под которым понимается ансамбль невзаимодействующих атомов, расстояния между которыми много больше их собственных размеров, справедлив закон Менделеева- Клапейрона, связывающий параметры состояния - температуру Т, давление р и объем V:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.1)

где m - масса газа и ц - молекулярный вес частиц газа.

Изменение объема веществ при нагревании является основой волюметрического метода измерения температуры. Согласно кинетической теории и определению шкал термометров объем жидкости или газа изменяется с температурой линейно:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.2)

Для твердых тел с температурой линейно изменяется длина I:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.3)

Для металлов температурный коэффициент имеет порядок величины:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.4)

Термометры, в которых используется принцип удлинения тел при нагревании, называются дилатометрическими. Частным случаем дилатометрических контактных термометров являются приборы сдатчиками в виде биметаллических пластин, изготовленных из двух металлов с различными температурными коэффициентами расширения. При изменении температуры биметаллические пластины изгибаются и это качество позволяет широко их использовать в различных терморегуляторах и термореле.

В Термометр терморезисторныйтерморезистивных термометрах используется свойство проводников изменять сопротивление при изменении температуры. Температурная зависимость сопротивления имеет вид

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.5)

Коэффициент β для металлов положителен, для графита (углерода) - отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление графитовых стержней уменьшается.

В термопарах используется хорошо известный в физике эффект возникновения разности потенциалов между точками спайки двух разнородных проводников. Если температуру одного из спаев поддерживать постоянной, например, опустив его в термостат с тающим льдом, то разность потенциалов на концах термопары или ток через нее можно однозначно связать с температурой второго спая.

Физическая сущность методов неконтактной термометрии основана на хорошо известном факте, что все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, излучают тепловую энергию. Создание средств измерения температуры, основанных на регистрации собственного теплового излучения тел составляет предмет неконтактных методов измерения температуры. При этом регистрируется либо полная энергия излучения (радиометры), либо спектральное распределение теплового излучения, либо яркость собственного излучения объектов (пирометры).

Полная энергия теплового излучения, просуммированная для всех длин волн связана с температурой законом Стефана-Больцмана:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.6)

где ω - объемная плотность энергии; σ - постоянная Стефана-Больцмана, равная:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.7)

Измеренная таким образом температура получила название радиационной в отличие от равновесной термодинамической температуры, определяемой уравнением (6.1). Напомним, что под Абсолютно черное телоабсолютно черным телом (АЧТ) подразумевается излучение замкнутой полости в состоянии термодинамического равновесия через малое отверстие, площадь которого пренебрежимо мала в сравнении с площадью стенок полости при условии, что коэффициент поглощения электромагнитного излучения стенками полости, так называемый коэффициент черноты, близок к единице. В этом случае спектральная плотность излучения описывается законом Планка:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.8)

где L0 - спектральная плотность излучения АЧТ; λ - длина волны излучения; Т - термодинамическая температура, C1 и C2 - константы излучения АЧТ, равные:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.9)

Зависимость плотности излучения АЧТ от длины волны при разных температурах дана на рис. 6.2Рис. 06.02. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (формула 6.8).

Из рис. 6.2Рис. 06.02. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (формула 6.8) следует, что излучение АЧТ имеет максимум, положение которого определяется значением термодинамической температуры, т. е.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.10)

где b = 2898 мкм•К.

Этот закон, хорошо известный в физике как закон Вина, позволяет измерять температуру, фиксируя длину волны максимума излучения нагретого тела. Поскольку реальные тела не соответствуют определениям абсолютно черного тела, измеренная таким образом температура будет отличаться оттермодинамической. Ее принято называть цветовой, поскольку нагретое тело имеет всегда цветовой оттенок, определяемый максимумом мощности излучения в определенном диапазоне длин волн.

Указав на различные определения температуры как физической величины и упомянув о физическом смысле таких понятий, как термодинамическая температура, яркостная температура, цветовая температура и радиационная температура, имеет смысл напомнить о различных температурных шкалах, встречающихся в современных термометрах.

В курсе Метрологияметрологии рассматривали структуру температурного эталона. Здесь придется напомнить некоторые основные моменты, в основном для того, чтобы облегчить возможность перевода значений температуры из одной шкалы в другую.

В Международная система СИсистеме СИ основной единицей является КельвинКельвин, который является единицей измерения в так называемой абсолютной термодинамической шкале. Размер Кельвина определяется как 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. Последняя есть температура равновесного состояния водяного пара, жидкой воды и льда. Для воспроизведения Кельвина интервал между абсолютным нулем температуры и температурой тройной точки воды делится на 273,16 части. Эти процедуры подробно описаны в предыдущем разделе, посвященном метрологии. В системе СИ узаконен как производная единица Градусградус ЦельсийЦельсия, определяемый как:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.11)

Во многих странах Западного полушария и в первую очередь в США общепринятой является Шкала Фаренгейташкала Фаренгейта, в которой разность температур между таянием льда и кипением воды делится на 180 частей, а температуре таяния льда приписана температура 32 Т. Соответственно, разность температур в Шкала Кельвинашкале Кельвина и Фаренгейта относятся как 100/180 или как 5/9 т. е.:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.12)

Перевод °С в °F легко можно сделать по формуле:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.13)

В абсолютной термодинамической шкале температура в Кельвинах через температуру в градусах Фаренгейта выразится как:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.14)

Довольно редко, но все еще встречаются термометры, отградуированные в градусах Реомюра. Шкала РеомюраШкала Реомюра строится таким образом, что разность температур плавления льда и кипения воды делится на 80 частей. Причиной этого является тот факт, что спирт с водой (основная термометрическая жидкость) расширяется между точками замерзания воды и точкой кипения на 8% своего объема. Размер градуса в шкале Реомюра можно воспроизвести изменением объема водно-спиртовой жидкости на 0,08/80 = 0,001 первоначального объема. Соответственно, температурные интервалы в шкале Кельвина и Реомюра относятся как 100/80 или как 5/4, т. е.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.15)

Для пересчета температур справедливо:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(6.16)

В системе СИ, как уже упоминалось, основной величиной принята термодинамическая температура, а единица в разных температурных диапазонах определяется по так называемым реперным точкам - фиксированным значениям температур, соответствующих либо тройным точкам, либо плавлению, либо затвердеванию чистых веществ, в основном чистых металлов. Вещества сфиксированными температурными характеристиками делятся на определяющие реперные температурные точки и вторичные. Такое подразделение делается по той причине, что у некоторых веществ температуры плавления или отвердевания хорошо воспроизводятся, а для некоторых при воспроизведении наблюдаются заметные расхождения. Определяющие реперные точки Шкала МПТШ-90шкалы МПТШ-90 приведены в разделе, посвященном метрологии (табл. 2.3).

Вторичные точки шкалы МПТШ-90 следующие.

Точки затвердевания: Hg, H2O, Jn, Bi, Cd, Pb, Sb, Ni, Co, Pd, Pt, Rh, Jr, W.

Вторичные точки в основном используются в области высоких температур, что дает возможность продлить практическую температурную шкалу до точки затвердевания вольфрама - до 3660 К.

Рис. 6.3. Содержание параводорода в чистом водороде при различных температурахРис. 06.03. Содержание параводорода в чистом водороде при различных температурах.

Следует обратить внимание, что реперных точек на температурах кипения водорода две (см. табл. 2.3). Это определяется тем, что молекулярный водород имеет две модификации: так называемый параводород и ортоводород. Эти модификации отличаются ориентацией собственных моментов - спинов - валентных электронов. У ортоводорода спины параллельны, у параводорода они антипараллельны. При равновесной температуре устанавливается равновесие между ортоводородом и параводородом. Такая среда называется равновесным водородом, и в ней отношение количества ортоводорода к количеству параводорода при повышении температуры стремится к 3/1. Практически начиная с температур 160 К это соотношение выполняется достаточно точно. При понижении температуры от 160 К доля ортоводорода уменьшается и в пределе при Т <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
0 в смеси остается только параводород.

© Центр дистанционного образования МГУП