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. 09.01. Структура физико-химических измерений Рис. 09.02. Схема емкостного датчика влажности Рис. 09.03. Схема резистивного датчика влажности Рис. 09.04. Схема оптического ВУФ датчика влажности - L(альфа) на длине волны 121,6 нм Рис. 09.04. Схема оптического ВУФ датчика влажности - L(альфа) на длине волны 121,6 нм Рис. 09.05. Схема психрометра

Под Измерения физико-химические физико-химическими измерениями в системе Госстандарта РФ принято понимать все измерения, связанные с контролем состава веществ, материалов и изделий. Измерения химического состава веществ могут проводиться самими различными методами, поскольку в измерительном процессе в большинстве случаев измеряется какое-либо свойство материала, а затем состав находят из связи состав-свойство. Таким свойством могут быть механические свойства, электромеханические, тепловые, оптические. Из этого следует, что физико-химические измерения опираются в сути своей на уже рассмотренные виды измерений.

Основной отличительной особенностью физико-химических измерений является важная роль процесса подготовки пробы к анализу. В самом деле, при хранении пробы, при ее транспортировке от места забора к аналитическому прибору и в самом процессе анализа возможны самые разнообразные трансформации состава. К таким трансформациям могут привести изменения температурного режима, изменения влажности, давления. Важным моментом является так называемое влияние третьей компоненты на результат анализа. В химии хорошо известен каталитический эффект - т. е. влияние на скорость химических реакций веществ, не участвующих в химических превращениях, но изменяющих скорость их протекания, а в ряде случаев определяющих конечный результат химической реакции.

По этой причине нельзя отождествлять, например, собственно измерения теплопроводности газов и анализ состава газовых смесей на Хроматографхроматографе с детектором теплопроводности. То же самое относится к другому распространенному виду физико-химических измерений - Масс-спектрометрмасс-спектрометрам. Эти приборы являются средством измерения массы по траектории движения ионов различной массы в магнитном поле.

Указанная особенность физико-химических измерений приводит к двум очень важным моментам. Первое - физико-химические измерения в сути своей используют весь арсенал приборов и методов из других видов измерения. И второе - в физико-химических измерениях очень большое значение имеет стандартизация методики измерений - последовательности действий, включая забор пробы, хранение, транспортировку, подготовку пробы к анализу, получение аналитического сигнала и обработку результатов измерений. В ряде случаев необходимая информация о составе вещества может быть получена только с использованием измерения нескольких свойств, например, массы и теплопроводности или массы и показателя преломления.

Характерным примером важности процесса пробоподготовки в аналитических измерениях является хроматография. Ниже мы рассмотрим более подробно основные принципы создания хроматографов. Здесь укажем, что в измерительной технике хроматографы занимают достойное место среди других приборов. Тем не менее хроматография не является методом измерения, а скорее есть способ пробоподготовки, позволяющий транспортировать к измерительному устройству различные компоненты смесей веществ в разные моменты времени. В зависимости от типа детектора хроматограф может быть механическим, тепловым, электроизмерительным или оптическим прибором.

Возможность определять состав веществ и материалов по различным свойствам отражается на методах оценки систематических погрешностей. В самом деле, использование различных уравнений измерения для определения одной и той же величины, например концентрации какого-либо компонента в смеси газов, жидкостей или твердых тел позволяет с большей степенью достоверности определять состав вещества.

Все аналитические методы можно разделить по способу подготовки пробы на два класса - элементный анализ, в котором определяется состав вещества по элементам периодической системы, и анализ по компонентам, в котором измеряемые составляющие вещества ни во время подготовки пробы, ни в процессе анализа на элементы не разлагаются.

По физическим свойствам анализируемой среды физико-химические измерения делятся на анализ состава газов, анализ состава жидкостей и анализ состава твердых тел. Особое место в та ком подходе занимает гигрометрия -определение содержания воды в газах в виде паров, в жидкостях в виде капельной влаги и в твердых телах в виде кристаллизационной воды. Основные методы, используемые в физико-химических измерениях можно представить в виде схемы, данной на рис. 9.1Рис. 09.01. Структура физико-химических измерений.

Еще одной отличительной особенностью физико-химических измерений является разнообразие методов и приборов для определения микроконцентраций и макроконцентраций одного и того же компонента в определенной среде. Под этим термином здесь подразумевается, что в зависимости от относительного содержания компонента в смеси нужно использовать в ряде случаев совершенно разные подходы. По грубым оценкам в газе в 1 см3 содержится приблизительно 2,6×1019 частиц. В жидкости и в твердом теле это значение на несколько порядков больше. Соответственно, для решения всевозможных задач измерения содержания определенного вещества во всевозможных смесях необходимо иметь прибор для измерения величин, изменяющихся в 1019-1023 раз. Для большинства компонентов эта задача трудноразрешима. В самом деле для реализации такого анализатора необходимо с одной стороны иметь счетчик отдельных частиц, а с другой стороны иметь средство измерения сверхчистого вещества с уровнем примесей 10-19яю&10-23. Очевидно, что подобные измерения представляют собой совершенно разные задачи и решать их если и возможно, то с использованием совершенно разных подходов. Тем не менее практическая необходимость создания сверхчистых материалов привела к тому, что для ряда конкретных задач подобные методы и приборы были созданы.

ВлажностьВлажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т. д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

ВлагосодержаниеВлагосодержание - величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(9.01)

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(9.02)

где Т -абсолютная температура, n0- постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см3 при нормальных условиях, т. е. при p0= 760 Торр= 1015 Гпа и T0 = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т. е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%.Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т.к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Влагосостояние Влагосостояние - процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(9.03)

Влажность относительнаяОтносительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между Температуратемпературой и максимально возможной Влажность абсолютнаяабсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(9.04)

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах. Эти данные приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Давление насыщенных паров
над плоской поверхностью воды

t°c Рнк, мбар Анкг/м3 t°C Рнк, мбар Анкг/м3
0 6,108 4,582 31 44,927 33,704
1 6,566 4,926 32 47,551 35,672
2 7,055 5,293 33 50,307 37,740
3 7,575 5,683 34 53,200 39,910
4 8,159 6,120 35 56,236 42,188
5 8,719 6,541 36 59,422 44,576
6 9,347 7,012 37 62,762 47,083
7 10,013 7,511 38 66,264 49,710
8 10,722 8,043 39 69,934 52,464
9 11,474 8,608 40 73,777 55,347
10 12,272 9,206 41 77,802 58,366
11 13,119 9,842 42 82,015 61,527
12 14,017 10,515 43 86,423 64,839
13 14,969 11,229 44 91,034 68,293
14 15,977 11,986 45 95,855 71,909
15 17,044 12,786 46 100,89 75,686
16 18,173 13,633 47 106,16 79,640
17 19,367 14,529 48 111,66 83,766
18 20,630 15,476 49 117,40 87,772
19 21,964 16,477 50 123,40 92,573
20 23,373 17,534 51 129,65 97,262
21 24,861 18,650 52 136,17 102,153
22 26,430 19,827 53 142,98 107,268
23 28,086 21,070 54 150,07 112,581
24 29,831 22,379 55 157,46 118,125
25 31,671 23,759 56 165,16 123,900
26 33,608 25,212 57 173,18 129,917
27 35,649 26,743 58 181,53 136,009
28 37,796 28,354 59 190,22 142,700
29 40,055 30,048 60 199,26 149,482
30 42,430 31,830      

На стандартных справочных данных, приведенных в табл. 9.1, основаны практически все пересчеты характеристик влажности. На их основе можно, например, по известной абсолютной влажности и температуре найти относительную влажность, точку росы и т. д., выразить практически любую характеристику влажности газов.

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах - гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т.д. и т.п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность Гигрометргигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

  • волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;

  • емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;

  • резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;

  • пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;

  • датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;

  • оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. Схема емкостного датчика в одном из возможных вариантов дана на рис. 9.2Рис. 09.02. Схема емкостного датчика влажности. На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Al2O3. На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Резистивные датчики изготавливаются в виде структуры, схема которой дана на рис. 9.3Рис. 09.03. Схема резистивного датчика влажности.

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения - закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью Iλ, равное:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(9.05)

где Iλ - интенсивность излучения, падающего на поглощающий столб; N - концентрация поглощающих атомов (число молекул в единице объема); l - длина поглощающего столба, δλ- молекулярная константа, равная площади «тени», создаваемой одним атомом и выраженной в соответствующих единицах.

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм - в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество - это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

У оптических датчиков имеется и один общий недостаток - влияние на показание мешающих компонентов. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т. д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Тем не менее можно выбрать длины волн в ВУФ, где поглощение кислорода минимально, а поглощение паров воды максимально. Например, удобной областью является излучение резонансной линии водорода с длиной волны А, = 121,6 нм. На этой длине волны у кислорода наблюдается «окно» прозрачности в то время, как пары воды заметно поглощают. Другой возможностью является использование излучения ртути с длиной волны 184,9 нм. В этой области кислород излучения не поглощает и весь сигнал поглощения определяется парами воды.

Одна из возможных конструкций оптического датчика влажности дана на рис. 9.4Рис. 09.04. Схема оптического ВУФ датчика влажности - L(альфа) на длине волны 121,6 нм. Резонансная водородная лампа с окном из фтористого магния располагается на расстоянии в несколько миллиметров от фотоэлемента с катодом из никеля. Никелевый фотоэлемент имеет длинноволновую границу чувствительности -190 нм. Окна из фтористого магния имеют коротковолновую границу прозрачности 110 нм. В этом диапазоне длин волн (от 190 до 110 нм) в спектре водородной лампы присутствует только резонансное излучение 121,6 нм, которое и используется для измерения абсолютной влажности без какой-либо монохроматизации.

У оптического датчика, схема которого изображена на рис. 9.4Рис. 09.04. Схема оптического ВУФ датчика влажности - L(альфа) на длине волны 121,6 нм есть еще одна особенность - возможность изменять чувствительность изменением расстояния от лампы до фотоприемника. В самом деле, с увеличением расстояния наклон характеристики dU/dN выходного сигнала от концентрации прямо пропорционален величине зазора между лампой и фотодиодом.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(9.06)

где N - концентрация (число) молекул в единице объема; δλ - сечение поглощения, I - длина поглощающего промежутка.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название Психрометрпсихрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности. Схема психрометра дана на рис. 9.5Рис. 09.05. Схема психрометра.

Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

В заключение кратко остановимся на методах измерения Влажностьвлажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое - что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе - что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно.

Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.

© Центр дистанционного образования МГУП