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. 07.09. Классификация приборов для магнитных измерений Рис. 07.10. Конструкции магнитомеханических преобразователей Рис. 07.10. Конструкции магнитомеханических преобразователей Рис. 07.11. Взаимное расположение магнитов в тесламетре Гаусса Рис. 07.11. Взаимное расположение магнитов в тесламетре Гаусса Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита

Классификация магнитных преобразователей и приборов по принципу физического явления можно условно разделить на два класса в соответствии с рассмотренными в предыдущем разделе силовым взаимодействием и с явлением электромагнитной индукции. Существует еще промежуточная группа приборов и преобразователей, основанных на гальваномагнитных и магнетронных явлениях. Схема, обозначающая разделенные таким образом приборы для магнитных измерений, приведена на рис. 7.9Рис. 07.09. Классификация приборов для магнитных измерений.

Механические преобразователи содержат в качестве чувствительного элемента магниты и контуры с током и делятся на пассивные и активные. Пассивные выглядят в виде свободно поворачивающихся стрелок и используются либо для определения направления вектора В, либо для оценки величины В по уравновешивающему механическому моменту стрелки известным моментом.

Активные механические преобразователи основаны на свободных колебаниях стрелки в измеряемом поле и определяют величину вектора В по периоду или частоте колебаний стрелки.

В квантовых преобразователях используется явление прецессии электронных или ядерных моментов атомов, составляющих вещество, вокруг направления магнитного поля. Принцип действия таких приборов основан на резонансном увеличении поглощения энергии внешнего ВЧ или СВЧ

поля на частотах, соответствующих разности энергий дискретных уровней в атоме. Другим квантовым эффектом, связанным с наличием магнитных полей, является эффект Зеемана - расщепление спектральных линий атомов на ряд дополнительных линий. При этом величина расщепления однозначно связана с величиной магнитного поля. О величине электрического поля, окружающего атомы, можно судить и по уширению контуров спектральных линий - так называемое уширение Штарка.

Магнитометрические индукционные приборы, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции, в качестве чувствительного элемента содержат катушку. При этом выходным сигналом является э. д. с., наводимая в этой катушке. Если поле постоянно, то катушку нужно двигать или вращать в поле, т. к. э.д.с. зависит от производной ds/dt.

Ферроиндукционные преобразователи в качестве чувствительного элемента содержат ферромагнитный сердечник, который перемещается в пространстве и создает э. д. с. индукции за счет изменения параметров магнитной цепи. Этот принцип станет более понятным из дальнейшего рассмотрения конкретных схем ферромагнитных приборов.

Сверхпроводниковые магнитные приборы образуют специфическую группу преобразователей в связи с тем, что особенности явления сверхпроводимости позволяют создать целый набор преобразователей, в которых используются различные эффекты сверхпроводимости. Одним из таких эффектов является эффект Мейснера - вытеснение магнитного поля из объема сверхпроводника при достижении критической температуры. Магнитное поле не может проникнуть внутрь сверхпроводника, поскольку у него нет сопротивления и носители заряда, свободно перемещаясь внутри сверхпроводника, компенсируют внешнее магнитное поле.

Другой совокупностью эффектов сверхпроводимости, которая открыла возможности применения этого явления в измерительной технике, являются Эффект Джозефсонаэффекты Джозефсона. Сущность этого эффекта состоит в появлении переменного тока в цепи, состоящей из двух сверхпроводников, разделенныхтонким слоем диэлектрика. Частота этого тока зависитот разности потенциалов и атомных констант:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(7.15)

где е - заряд электрона; h - постоянная Планка. Ток через контакт Джозефсона появляется только начиная с некоторого критического значения, которое сильно зависит от внешнего магнитного поля.

Гальваномагнитные и магнетронные преобразователи специфичны тем, что с одной стороны принцип их работы связан с силовыми взаимодействиями (искривление траекторий движения свободных зарядов), а с другой - близки к индукционным явлениям. Принципиально можно согласиться с теми авторами, которые считают, что силы, действующие в магнитном поле на движущиеся заряды в неподвижных телах (силовые взаимодействия) и силы, действующие на свободные заряды в движущихся телах (явления электромагнитной индукции), имеют одну природу.

Прибор магнитомеханический Магнитомеханическими называют такие магнитные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии постоянного магнита с магнитным полем. В зависимости от наличия или отсутствия противодействующего момента магнитомеханические приборы можно разделить на две группы. К первой группе относятся приборы, в которых магнит свободно поворачивается под действием магнитного поля и принимает положение, соответствующее направлению вектора магнитной индукции. Две наиболее распространенных конструкции показаны на рис. 7.10 (а, б)Рис. 07.10. Конструкции магнитомеханических преобразователей.

Магнитомеханические преобразователи первого типа используются в приборах, предназначенных для измерения направления магнитного поля - в Компаскомпасах, Буссольбуссолях, Инклинаторинклинаторах и т. д.

Ко второму типу магнитомеханических преобразователей относят такие, в которых магнитный момент уравновешивается механическим моментом. Такие приборы и преобразователи могут использоваться для измерения модуля В по измерению величины уравновешивающего момента. На рис. 7.10 (в)Рис. 07.10. Конструкции магнитомеханических преобразователей показана схема такого преобразования, используема в приборе системы Боброва. Здесь магнит 1 укрепляется на кварцевых нитях 2 и на скобе 3 таким образом, чтобы при повороте магнита его момент уравновешивался бы упругим моментом нити, возникающем при ее закручивании. Угол закручивания регистрируется по отражению луча света от зеркала 4, наклеенного на магнит. В приборе имеется демпфирующая система 5, гасящая высокочастотные колебания магнита.

Если закручивающий момент пропорционален углу закручивания а, то условие равновесия индикаторного устройства имеет вид

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(7.16)

где m - момент постоянного магнита; θ - угол между векторами <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
; с - жесткость кварцевой нити.

Из равенства 7.16 следует, что магнитомеханический преобразователь второго типа позволяет измерять величину магнитной индукции, если его показания соответствующим образом проградуировать.

Существуют магнитомеханические преобразователи, в которых на одной и той же нити укреплены два магнита. В этом случае, если их расположить одноименными полюсами друг к другу, такая система не будет чувствительной к постоянному магнитному полю. Такие преобразователи получили название астатических и используются для измерений параметров неоднородного магнитного поля.

Одно из основных достоинств механических преобразователей состоит в возможности их использования для абсолютного измерения модуля магнитной индукции B0. Впервые этот метод был предложен Гаусс К.Ф.Гауссом и состоит в измерениях периода качания в горизонтальной плоскости магнита, помещенного в измеряемое поле, и наблюдении угла отклонения другого магнита, вызываемого первым магнитом. Положения, в котором находятся отклоняющий магнит NS и стрелка второго магнита ns могут быть любыми, однако для упрощения расчетов и понимания сущности метода достаточно рассмотреть положения, предложенные Гауссом (рис. 7.11Рис. 07.11. Взаимное расположение магнитов в тесламетре Гаусса).

При таком расположении отклоняющего магнита NS и отклоняемого ns существует однозначная связь между магнитной индукцией B0 и углом отклонения q магнита ns. В современных тесламетрах вместо отклоняющего магнита NS устанавливают катушки с током - кольца Гельмгольца, которые создают изменяющиеся с полупериодом Т магнитное поле.

Принцип действия Тесламетртесламетра, схема которого дана на рис. 7.11Рис. 07.11. Взаимное расположение магнитов в тесламетре Гаусса, состоит в измерении угла закручивания нити подвеса стрелки отклоняемого магнита в двух положениях: без влияния отклоняющего магнита и при наличии последнего. Если отклоняющий магнит создает переменное поле с амплитудой dB0, то изменение угла отклонения магнита ns однозначно связано с амплитудой dB0 и амплитудой угла отклонения ns, равного θm. Связь между этими величинами дается формулой:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(7.17)

где М - магнитный момент магнита NS; <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- проекция амплитуды изменяющегося магнитного поля на плоскость колебаний; с - коэффициент кручения нити подвеса магнита ns. Из формулы 7.17 следует, что измерив угол отклонения θm магнита ns и зная амплитуду изменения переменного поля, вызванного магнитом NS, можно измерять кoэффициeнт S, который будет являться чувствительностью механического преобразователя к магнитной индукции в переменном поле.

В реальных конструкциях можно не измерять и не вычислять все необходимые для измерения параметры, влияющие на показания магнетометра по схеме Гаусса. Если в процессе измерения не изменяется расстояние между магнитами, не изменяется схема расположения отклоняющего и отклоняемого магнита, создающего переменное магнитное поле, то абсолютное значение составляющей вектора магнитной индукции в плоскости расположения магнитов пропорционально углу закручивания нити.

В качестве примера использования описанного принципа приведем схему абсолютного магнитного теодолита, разработанного во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Схема прибора дана на рис. 7.12Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита.

Абсолютный магнитный теодолитАбсолютный магнитный теодолит используется как средство измерения горизонтальной составляющей магнитного поля земли, а также для воспроизведения единиц магнитной индукции и магнитного потока. Для этой цели в конструкции теодолита предусмотрена вторая пара колец Гельмгольца (5 на рис. 07.12Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита). Значения магнитной индукции и магнитного потока задаются пропусканием определенного постоянного тока через катушки 5, который вызовет определенное отклонение магнита с зеркалом 1 (рис. 7.12Рис. 07.12. Схема абсолютного магнитного теодолита).

© Центр дистанционного образования МГУП