Измерения давлений, геометрических размеров и расстояний.

Измерения давлений. Значения измеряемых давлений жидких и газообразных сред в разных областях науки и техники существенно различаются. На практике требуется измерять давления от 10^-6 Па (при исследованиях космоса) и до 10^-12 Па (при подземных взрывах). Достаточно широк и частотный диапазон измеряемых давлений, характеризуемый областью частот от 0 до десятков килогерц.

Наивысшие точности, требуемые при метрологических измерениях давления, характеризуются пределами допускаемых основных погрешностей образцовых средств измерений ±(0, 01 — 0, 02) % в диапазоне давлений от 0, 05 до 250 МПа. Измерения в диапазоне давлений от 10^-3 до 10³ Па производят с меньшей точностью (допускаемая основная погрешность образцовых средств измерений ±2 %).

Выпускаемые электрические средства измерений давления используют в диапазоне от 10^-4 до 10¹⁰ Па; они имеют приведенную погрешность ±(0, 1—5) %.

Давления ниже 0, 01 Па, встречающиеся при измерении степени разреженности газов, измеряют тепловыми вакуумметрами (см. § 11-2). Еще меньшие давления (порядка 10^-4 Па и ниже) можно измерять с помощью ионизационных вакуумметров. Погрешность тепловых и ионизационных вакуумметров составляет ±(2, 5—5) %.

Измерение давлений от 0, 01 до 10^-6 Па в статическом и динамическом режимах производят в основном с помощью электрических манометров, построенных по схеме прямого и уравновешивающего преобразования давления. Манометры прямого преобразования с тензорезистивными преобразователями применяют для измерения и регистрации давлений, изменяющихся с частотой от 0 до 50 кГц. Приведенная погрешность манометров ±(0, 5—1) %. При необходимости измерения давления во многих точках применяют многоканальную тензометрическую аппаратуру (тензостанции); приведенная погрешность ±1.5 %.

Измерение давлений с высокой точностью в диапазоне частот 0—500 Гц может быть выполнено манометрами уравновешивающего преобразования; приведенная погрешность ±0, 05 %.

Для измерения давлений более 10⁷ Па обычно применяют манометры прямого преобразования с пьезоэлектрическими или магнитоупругими преобразователями. При этом манометры с пьезоэлектрическими преобразователями (приведенная погрешность ±2, 5%), как правило, используют при измерении давлений, изменяющихся с частотой 1—50 кГц.

При измерении больших динамических давлений (например, давлений при взрывах) также используют пьезоэлектрические преобразователи. Регистрацию давления в таком случае производят электронным осциллографом.

Для измерения давлений в диапазоне от 0, 01 до 40 МПа в статическом и динамическом режимах предназначены серийно выпускаемые манометры ГСП. Основная приведенная погрешность этих манометров составляет ±(0, 6—1, 5) %.

Измерения геометрических размеров и расстояний. Диапазон измеряемых на практике геометрических размеров и расстояний достаточно широк. Измеряемые угловые размеры ограничиваются полной окружностью (360°), линейные размеры и расстояния — от долей микрометра до нескольких тысяч и более километров.

Метрологическое обеспечение линейных и угловых измерений находится на высоком уровне. Погрешность воспроизведения единицы длины — метра характеризуется средним квадратическим отклонением результата измерения, не превышающим 5× 10^-9.

Измерения размеров и расстояний, в основном, производят приборами с преобразователями перемещений. Наиболее часто используют аналоговые приборы с реостатными, индуктивными или емкостными преобразователями. Также применяют цифровые приборы с преобразователями считывания или с лазерными интерферометрами.

В табл. 15-11 даны примерные значения диапазонов измеряемых линейных размеров и расстояний, а также достигнутая точность наиболее распространенных аналоговых и цифровых приборов указанного назначения.

Для измерения угловых размеров наиболее распространены аналоговые приборы с реостатными и индуктивными преобразователями ввиду их простоты, надежности и дешевизны. Погрешности измерения углов составляют ± (0, 5—1, 0)'. Более высокую точность обеспечивают цифровые приборы с преобразователями считывания, погрешность которых ±(1—10)". Такую же погрешность при измерении малых углов дают приборы с индуктосинами.

Таблица 15-2

Измерения линейных размеров и расстояний от долей микрометров до 100 мм часто встречаются в машиностроении. Для измерения таких величин используют аналоговые и цифровые приборы. В аналоговых приборах с индуктивными и емкостными преобразователями приведенная погрешность составляет ± 1 % При измерении линейных размеров на металлорежущих станках с числовым программным управлением применяют цифровые приборы с кодирующими преобразователями линейных перемещений. Погрешность измерения размеров такими приборами в пределах 10 мм не превышает 0, 3 мкм.

Для точных измерений малых длин в пределах единиц и десятков миллиметров, а также шероховатости поверхностей при меняют приборы с лазерными интерферометрами, приведенная погрешность которых ±0, 0025 %. Применение лазерной техники позволяет осуществлять бесконтактный контроль и измерение размеров объектов, находящихся в труднодоступных местах, в сложных условиях производства (изготовление деталей в вакууме, при высоких или низких температурах и т. п.).

Измерения уровней жидких и сыпучих материалов в пределах от 100 мм до 100 м обычно производят аналоговыми приборами прямого и уравновешивающего преобразования с преобразователями больших перемещений (реостатными, емкостными). Измерение уровней в широком диапазоне изменений с приведен ной погрешностью ±2, 5 % обеспечивают емкостные уровнемеры Их применяют при измерении уровня жидкости, находящейся при повышенном давлении, взрывоопасной жидкости. Для бесконтактных измерений уровня различных веществ используют ионизационные, ультразвуковые или акустические уровнемеры.

Для измерения больших расстояний (десятки километров) с высокой точностью получили распространение цифровые лазерные дальномеры. Серийно выпускаемые лазерные дальномеры используют для измерения расстояний до 20—30 км в любое время суток с погрешностью ±10 мм. Лазерные дальномеры используют также при исследовании космического пространства («Луноход-1» для измерения расстояний был снабжен лазерным дальномером). При измерении расстояний, достигающих сотен и тысяч километров, применяют радиодальномеры.

Измерения геометрических размеров и расстояний производятся при работе промышленных роботов. В роботах эти функции выполняются как аналоговыми преобразователями перемещений (реостатными, индуктивными), так и цифровыми (считывания). Для определения расстояний движущиеся элементы робота оснащаются лазерными дальномерами дальнего (до 10 м), ближнего (до 10 см) и сверхближнего (доли миллиметров) действия, позволяющие роботу автоматически ориентироваться в зоне обслуживания н перемещать требуемые предметы. Точность определения положения (точность позиционирования) современных роботов характеризуется погрешностью ±(0, 05—0, 1) мм при расстояниях 30—50 мм и ±1° угла поворота в пределах 180°.

Измерения концентрации компонентов газообразных и жидких сред. В промышленном производстве, сельском хозяйстве, при научных исследованиях, в процессе контроля качества окружающей среды, в медицине и т. д. необходимо производить анализ газовых и жидких сред. Основной задачей анализа является определение вида компонентов этих сред и измерение их концентраций.

Измерения концентрации газов. При анализе состава газов чаще всего приходится измерять концентрацию кислорода, водорода, оксида и диоксида углерода, озона, метана, сернистых соединений и т. п. Диапазон измеряемых концентраций газов необычайно широк. Для газов, используемых в технологических процессах производства, измеряемые концентрации достигают единиц и десятков процентов, например концентрация водорода в системах охлаждения электрических машин, кислорода в металлургии и др. Концентрация газов, представляющих опасность для населения и окружающей среды, не должна превышать долей и единиц процентов. Нормальная концентрация, например, озона в воздухе составляет 7• 10^-6 %, углекислого газа 3× 10^-2 %, оксида углерода 10^-10 % и т.д.

Точность измерения концентрации газов определяется в значительной мере состоянием метрологического обеспечения приборов газового анализа. С учетом трудности изготовления и хранения образцовых газовых смесей, используемых при градуировке и поверке соответствующих приборов, эта точность для концентраций более 0, 1 % характеризуется минимальной погрешностью ±0, 5 %. При измерении концентраций менее 0, 1 % погрешность превышает ±1 %.

Для измерения концентрации газов используют газоанализаторы. Для измерения и регистрации концентрации смесей (обычно двухкомпонентных) применяют автоматические газоанализаторы с приведенной погрешностью ±(2, 5—5) %.

При контроле топочных режимов на теплоэлектростанциях, при испытаниях двигателей, работающих на жидком топливе, при осуществлении мер защиты атмосферы от продуктов неполного сгорания топлива и т. п. необходимо измерять концентрацию газов СО и СО₂- Для измерения концентрации СО₂ обычно используют приборы, основанные на изменении теплопроводности газов. С их помощью измеряют концентрацию СО₂ с приведенной погрешностью ±2, 5 % в диапазонах концентраций 10—40 %.

Измерения концентрации водорода в пределах до 80 % производят также тепловыми газоанализаторами с приведенной погрешностью ±1, 5%. Для измерения концентрации кислорода используют приборы, основанные на парамагнитных свойствах кислорода, — термомагнитные газоанализаторы. С их помощью определяют концентрацию кислорода в воздухе, а также в промышленных смесях (до 80—100 %) с приведенной погрешностью ±(3-5) %.

Большинство газоанализаторов отличаются малым быстродействием (запаздывание 60—180 с). При измерениях быстро изменяющихся концентраций применяют ионизационные или термохимические газоанализаторы.

Для бесконтактных измерений концентраций агрессивных или взрывоопасных газов (сернистый газ, сероводород и др.) используют ионизационные газоанализаторы, способные к тому же работать при повышенных давлении и влажности газов.

Точные измерения (с погрешностью примерно ±1 %) концентраций сложных газовых смесей с одновременным определением их состава осуществляют оптическими газоанализаторами (спектрофотометрами) или хромотографами. Спектрофотометры используют при исследованиях атмосферы Земли и других планет.

Для контроля и соблюдения предельно допустимых концентраций вредных газов (СО, СО₂, SО₂, озона и др.) в атмосфере используют соответствующие типы газоанализаторов и автоматические системы контроля загрязнения воздуха.

Для измерения концентрации газов предназначаются приборы агрегатированного комплекса средств аналитической техники (АСАТ), в который включены тепловые, ионизационные, акустические и хроматографические газоанализаторы.

Измерения концентрации растворов. В лабораторной и производственной практике чаще всего требуется измерять концентрацию водных растворов. Компонентами водных растворов бывают неорганические вещества (металлы, соли, кислоты, основания и т. д.) и органические (нефтепродукты, микроорганизмы и др.).

Диапазон измеряемых концентраций таких компонентов различен. Например, в природной воде концентрация солей может меняться от 0, 01 до 100 мг/л, концентрация в ней нефтепродуктов не должна превышать 5× 10^-5 мг/л, концентрация водородных ионов, характеризующая кислотность или щелочность водных растворов, изменяется от 10^-14 до 1 г-ион/л и т.д.

Разнообразие анализируемых растворов, широкий диапазон измеряемых концентраций, специфика создания и хранения образцовых растворов ограничивают точность используемых средств измерений. В среднем приведенная погрешность приборов, используемых для измерения концентраций растворов, составляет ± (0, 5—2, 5) %.

При измерении кислотности и щелочности растворов в промышленности и сельском хозяйстве широко применяют рН-метры. С их помощью измеряют кислотность почвы, удобрений, красителей, химических реактивов и др. Достижимая точность измерения рН растворов характеризуется минимальной основной погрешностью средств измерений, используемых для воспроизведения шкалы рН. Согласно стандарту эта погрешность составляет ±0, 01 единиц рН.

Измерения рН растворов в диапазоне от 0 до 14 единиц рН с погрешностью ± (0, 02—0, 04) единиц рН производится электронными лабораторными рН-метрами. В производственных условиях для автоматического измерения и регистрации рН растворов в широком интервале их температур применяют автоматические рН-метры с погрешностью ±(0, 1—0, 5) единиц рН.

В теплоэнергетике, пищевой промышленности, в службах водоснабжения необходим контроль жесткости воды, характеризуемой концентрацией в ней солей Са, Na и Mg. Для измерения концентрации солей в воде применяют кондуктометры (солемеры) с электролитическими преобразователями; приведенная погрешность ±1, 5 %. Кондуктометры также используют при измерении концентрации кислот в воде. Автоматические измерения и регистрация концентраций жидких сред с выдачей унифицированного электрического сигнала производят автоматические кондуктометры ГСП с приведенной погрешностью ±(1—2, 5) %.