Тема 4. Измерение гидростатических и гидродинамических величин

4.1 Измерение давления, разности давлений и вакуума

Единицы измерений давлений

Международным комитетом по метрологии в качестве единицы давления принят Ньютон на метр квадратный Н/м². На шкалах измерителей давлений могут наноситься кратные значения этой единицы, например, мН/м², кН/м², бар (1 бар = 10⁵ Н/м²). В качестве несистемной единицы широко используется атмосфера: 1 атм = 1 кгс/см² = 10^-3 Н/м².

Способы измерения давлений

В физике давлением называют единицу силы, действующей на единицу поверхности.

Давление может быть непосредственно определено путем измерения силы, действующей на данную поверхность. На этом методе измерения основаны грузопоршневые манометры в которых сила, действующая на поршень с известной площадью, уравновешивается гирями. Разновидностью таких манометров являются жидкостные манометры, в которых измеряемое давление определяется по высоте и удельному весу столба жидкости. Грузопоршневые и жидкостные манометры не требуют калибровки по эталонным измерителям давления, так как их показания могут быть определены путем измерения линейного размера и массы.

Кроме этих двух приведенных методов измерения давления, являющихся абсолютными, имеется множество косвенных методов, основанных на использовании различных законов прикладной физики.

Косвенные механические методы измерения давления основаны на определении упругого прогиба отформованных определенным образом чувствительных элементов под действием контролируемого давления, а также сжимаемости газов и жидкостей.

В области измерения взрывных давлений мерой достигнутого максимального давления может служить пластическая деформация чувствительного элемента, а также электрические, оптические и химические явления, возникающие при определенных давлениях.

Подобно тому, как многие физические методы легли в основу косвенных методов измерения давления, само определение давления в свою очередь применяют для косвенного определения различных физических величин, например, расхода, уровня, плотности, количества, температуры.

На рисунке 1 приведена абсолютная шкала давлений, сопоставленная с диапазонами измерения манометров. Видно, что диапазон измеряемых для прикладных и научных целей давлений превышает 18 порядков. Сопоставление различных методов показывает, что принципиально одинаковые методы измерения давления в различных диапазонах этой шкалы реализуется с помощью различных технических решений (рисунок 1).

Очень часто измерители давлений работают в особых условиях. Рассмотрим некоторые из этих особых условий.

Рисунок 1 – Абсолютная шкала давлений с диапазонами измерения манометров (в каждой строке приведены однотипные или подобные чувствительные элементы).

Лекция 5

Методы измерений

Измерения и их классификация

Методы измерения определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата быстротой процесса измерения и другими данными. Существует множество методов измерений, а одну физическую величину можно измерить несколькими методами.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делят на 3 основных вида: прямые, косвенные, совокупные.

Прямыми называют измерения, заключающиеся в экспериментальном сравнении измеряемой величины с мерой этой величины или в отсчете показаний измерительного прибора, непосредственно дающего значения измеряемой величины. Например: измерения длины линейкой, температуры – термометром, давления – манометром и т. д.

Из всех прямых методов можно выделить несколько основных: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений.

В основе косвенных и совокупных измерений лежат прямые измерения.

Косвенными называют измерения результат которых определяют на основании прямых измерений разноименных величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Например, объем параллепипеда можно определить по результатам прямых измерений длины в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, электрическое сопротивление К по UиIи т. п.

Находить значения некоторых величин легче и проще путем косвенных измерений, чем путем прямых. Иногда прямые измерения невозможно практически осуществить, как, например, плотность твердого тела, которую определяют по массе и объему.

Разновидностью косвенных измерений являются совместные измерения. Совместными называют измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным прямых измерений разноименных величин.

Совокупными называют измерения, в которых значения измеряемых величин находят по данным повторных прямых или косвенных измерений одной или нескольких одноименных величин при различных сочетаниях мер или при изменяющихся условиях.

Пример 1

Классифицируйте измерение силы электрического тока с помощью амперметра прямого включения на 5 А и измерение сопротивления в электрической цепи методом «амперметра-вольтметра» с использованием зависимости Ома для цепи постоянного тока.

Ответ:

а) Измерение силы тока осуществлено методом непосредственной оценки в результате прямых измерений абсолютной величины. Измерение однократное.

б) Измерение электрического сопротивления получено путем расчета по R=U/Iкак косвенное. Измерялись две разноименные величины – измерение совместное. При этом данные для расчета получены методом непосредственной оценки по показаниям амперметра и вольтметра – в результате прямых измерений.

Пример 2

Температура печи для термической обработке отливок контролируется термопарой с фиксацией результатов измерения на шкале самописца. Классифицируйте измерения, осуществляемые при поддержании необходимой температуры в печи.

Ответ:

Самописец с помощью термопары осуществляет прямые измерения с непосредственной оценкой, абсолютные, в динамическом режиме (на его движущейся ленте отражается изменение температуры во времени)

Пример 3

При определении температурного коэффициента для пленочного резистора измеряют значения его электрического сопротивления в заданном диапазоне температур. Измерения и температуры и сопротивления в каждом отдельном случае прямые. В итоге получают систему уравнений. Для каждого из этих уравнений коэффициенты известны – они получены в результате прямых измерений.

В результате каких (совокупных или совместных) измерений получено значение температурного коэффициента?

Ответ:

В виду того, что измеряли две различные физические величины – температуру и электрическое сопротивление – следует сделать вывод, что температурный коэффициент получен в результате совместных измерений (измерения были бы совокупными, если бы мы одновременно измеряли одноименные величины).

Методы прямых измерений

1 Метод непосредственной оценки

Этот метод дает значение измеряемой величины.

Измерение сильно пульсирующих давлений контролируемой среды и измерение давлений при вибрациях контролируемого объекта.

Во многих областях техники необходимо контролировать быстро меняющиеся или колеблющиеся давления. При этом в задачу измерения не входит непрерывный контроль за указанными процессами. Но даже при кратковременных измерениях возможен выход прибора из строя в результате, например, заклинивания передаточных механизмов. Эти явления особенно сильно сказываются при пульсации давлений с частотой, приближающейся к собственной резонансной частоте манометра.

Применяют следующие способы, позволяющие уменьшить вредное влияние резких колебаний давления или вибраций на показания пружинных манометров.

1 Чувствительный элемент соединяют эластичной тягой с показывающим механизмом манометра. Для повышения инерционности последнего дополнительно устанавливают груз или демпфер. Практически это осуществляется путем заливки герметичного корпуса манометра глицерином.

2 На входе прибора устанавливают гидравлические сопротивления (например, дросселирующие диафрагмы) Эффект дросселирования может быть усилен, если вызываемое возрастанием давление увеличение объема чувствительного элемента дополнительно повышается за счет наличия ресивера, эластичной емкости или просто дополнительного шланга.

3 Устанавливают стрелочный механизм с удлиненными цапфами осей, зубчатым сектором увеличенной ширины и подвижными деталями из износостойких пластмасс.

Взрывозащищенные манометры для газов высокого давления

При измерении давления сжатых газов энергия, накапливающаяся в упругом чувствительном элементе, способствует возникновению взрыва. Особенно взрывоопасен кислород в присутствии небольших количеств органических веществ. Устройства защиты ?????? исключить возможность выброса при взрыве отдельных деталей, например, циферблата в направлении лицевой стороны прибора.

Измерение давления агрессивных сред.

Защита чувствительных элементов мембранных манометров от агрессивных сред обеспечивается путем покрытия защитными пленками из нержавеющих сталей, тантала, фторопласта, химически чистого серебра, оцинкования и т. п.

4.1.1. Жидкостные манометры и барометры

Жидкостные измерители давлений применяют в основном для измерения небольших давлений или разностей давлений при высоком статическом давлении. В качестве запорных жидкостей в основном применяют спирт, воду, ртуть или специальные жидкости с низким давлением пара (кремний органические масла – силикон и др.).

Манометры с вертикальными трубками

Промышленность выпускает различные модели простых одно- и двутрубных U-образных манометров. На рисунке 2 приведена схема однотрубчатого манометра Прандтля, в котором давление измеряется по положению мениска 4 в трубке. Улучшение точности отсчета достигается за счет использования оптической системы, состоящей из лупы и вогнутого зеркала. Температура, при которой измеряется давление, контролируется термометром 5.

Грузовые и поршневые манометры

В грузовых и поршневых манометрах измеряется усилие, развиваемое измеряемым давлением на поршень, перемещающемся в полом цилиндре. В качестве уравновешивающей силы используется груз, усилие пружины или электромагнитная сила.

В простых грузопоршневых манометрах применяются плоские гири, устанавливаемые вручную. (рисунок 3) При этом возникает значительный момент инерции, и поршень после однократного воздействия длительное время вращается.

При увеличении измеряемых давлений приходится использовать поршни малого диаметра, чтобы не устанавливать большие гири. При этом появляется опасность разрушения поршня, вследствие чего в выпускаемых промышленностью поршневых манометрах грузы устанавливаются на специальной направляющей штанге, соединяемой с поршнем механической передачей.

4

Рисунок 2 Однотрубный манометр Прандтля

1 вогнутое зеркало

2 дешифирующий капилляр

3 лупа

4 мениск

5 термометр

6 уровень

.1.2 Пружинные манометры (манометры с упругими чувствительными элементами)

Пружинные манометры, появление которых в середине прошлого столетия было вызвано потребностями машиностроения в настоящее время применяют повсеместно для измерения давления. Эти приборы просты в эксплуатации, их конструкция отвечает требованиям массового производства.

Недостатком пружинных манометров являются:

- необходимость индивидуальной тарировки каждого прибора по образцовым приборам;

- точность ограничена отклонением истинной характеристики материала от идеально-упругой; -

приборы допускают лишь незначительную перегрузку.В пружинных манометрах

Рисунок 3 Схема грузопоршневого манометра

1 цилиндр; 2 поршень; 3 тарелка; 4 груз; 5 штуцер для заливки рабочей жидкости; 6 поршень; 7 поверяемый манометр; 8 маховичок

мерой измеряемого давления служит упругое перемещение манометрической пружины, передаваемое на стрелочный механизм. Наиболее широкое применение носили трубчатые пружины.

Трубчатые пружины в общем случае представляют собой упругую трубку, открытый конец которой укреплен в штуцере, а второй запаянный конец свободно перемещается под действием давления, подводимого в трубку через штуцер.

Трубчатые пружины были изобретены в 1845 г. немецким инженером Шинцем. В 1848 г. парижский инструментальщик Бурдон, связанный с Шинцем деловыми отношениями, запатентовал трубку, носящую до настоящего времени его имя – трубку Бурдона. По принципу действия трубчатые пружины делятся на 3 группы:

- пружины растяжения и сжатия;

- пружины изгиба;

- торсионные пружины.

На рисунке 4 показана схема манометра Бурдона.

Трубчатая пружина 1 имеет овальное сечение. Под действием подаваемого из штуцера 11 в трубку 1 давления, ее овальное сечение «раздувается», стремясь приблизиться по форме к кругу. В закрепленных пружинах с изогнутой осью возникают силы: внутри – сжатие, снаружи – растяжение. При освобождении пружины эти силы, стремясь взаимно уравновеситься, распрямляют пружину. При этом центр изгиба пружины перемещается из одного положения в другое. Радиус изгиба пружины увеличивается, а угол закручивания ее уменьшается. Это перемещение передается стрелочному механизму.

4

Рисунок 4 Конструкция манометра Бурдона

1 трубчатая пружина; 2 держатель пружины; 3 наконечник пружины; 4 сегмент; 5 тяга; 6 зубчатое зацепление; 7 ось стрелки; 8 спиральная пружина; 9 стрелка; 10 циферблат со шкалой; 11 штуцер давления

.1.3 Мембранные манометры

Принцип действия мембранных манометров основан на измерении деформации гофрированной мембраны, односторонне нагружаемым давлением (рисунок 5).

Максимальный прогиб мембран (1 мм) значительно меньше хода трубчатых пружин (2–3) мм). Поэтому кинематическая передача на стрелку прибора должна иметь большее передаточное число. Мембраны обладают значительной жесткостью и поэтому менее восприимчивы к вибрациям. Защита от агрессивных жидкостей и газов обеспечивается нанесением на мембраны защитных покрытий или пленок. Диапазоны измерения мембранных манометров находятся в пределах (0,6–25) 10⁵Н/м². По точности измерения обычно выпускаемые промышленностью мембранные манометры соответствуют классу 1,6 (≤ 2,0 % погрешность измерения).

Рисунок 5 Конструкция мембранного манометра

1 нижний фланец; 2 присоед. штуцер; 3 мембранная камера; 4 верхний фланец; 5 мембрана; 6 соединительный болт; 7 шаровой шарнир; 8 тяга; 9 сегмент; 10 зубчатое зацепление; 11 стрелка; 12 циферблат

4.2 Измерение вакуума

4.2.1 Общие сведения и основные термины

Вакуумом (от. vacuum– пустота) называют состояние разряженного газа, когда давление значительно ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Вакууму обычно соответствует область давлений ниже 10⁵Па. В технике вакуум получают с помощью вакуумных насосов различных принципов действия.

Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул со стенками сосуда и числом взаимных столкновений молекул. Это характеризуется для конкретного процесса отношением средней длины свободного пути молекулы к конкретному ( определенному) линейному размерусосуда. Это отношение носит название числа КнудсенаKnи положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий, сверхвысокий.

Степень разрежения, достигаемая в откачиваемых сосудах, определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием двух противоположных процессов: откачки газа с помощью насосов и натекание его через неплотности, а также в результате технологического газовыделения.

Низкий вакуум характеризуется разрежением газа, при котором средняя длина свободного пути частиц во много раз меньше характерного линейного размера, существенного для рассматриваемого процесса: . Низкому вакууму обычно соответствует область давлений от 10⁵до 100 Па.

Средний вакуум характеризуется разрежением газа, при котором средняя длина свободного пути частиц соизмерима с характерным линейным размером, существенным для рассматриваемого процесса: . Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па. Высокий вакуум характеризуется разрежением газа, при котором средняя длина свободного пути частиц значительно превышает характерный линейный размер, существенный для рассматриваемого процесса:. Высокому вакууму соответствует область давлений от 0,1 до 10^-5Па.

Сверхвысокий вакуум характеризуется разрежением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Сверхвысокому вакууму соответствует область давлений ниже 10^-5Па.

Длина свободного пути частицы – длина пути частицы между двумя последовательными столкновениями с другими частицами.

Средняя длина свободного пути частицы – среднее арифметическое значение длин свободного пути частиц.

Предельное остаточное давление – наименьшее давление, которое может быть достигнуто в определенных условиях конкретными устройствами для откачки.

Форвакуум – вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.

Откачка – уменьшение молекулярной концентрации газа с помощью устройств, удаляющих или поглощающих газ.

Натекание – проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый (откачанный) сосуд.

Остаточный газ – газ, оставшейся в вакуумной системе после откачки.

Разреженный газ – газ с молекулярной концентрацией ниже его концентрации при нормальных условиях.

Герметичность вакуумной системы – свойство элементов вакуумных систем их соединений обеспечивать настолько малое проникновение газа через них, чтобы им можно было пренебречь в рабочих условиях.

4.2.2 Устройства для создания вакуума

Вакуумный насос – насос, предназначенный для откачки с целью получения вакуума.

Одноступенчатый вакуумный насос – насос, в котором перепад давлений создается действием одной рабочей ступени.

Многоступенчатый вакуумный насос – насос, в котором перепад давлений создается действием нескольких рабочих ступеней. Счет ступеней откачки ведется, начиная со ступени, создающей наивысший вакуум.

Механический вакуумный насос – вакуумный насос, откачивающее действие которого основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей насоса.

Объемный вакуумный насос – механический вакуумный насос, в котором перемещение газа осуществляется за счет периодического изменения объема рабочей камеры.

Возвратно-поступательный объемный вакуумный насос – механический вакуумный насос, рабочей частью которого является возвратно-поступательно движущийся поршень.

Жидкостно-кольцевой вакуумный насос – вращательный объемный вакуумный насос, в котором рабочие камеры образуются лопатками рабочего колеса и прилегающими к стенке корпуса вращающимся кольцам рабочей жидкости, например, водокольцевой насос.

Центробежный вакуумный насос – механический вакуумный насос, откачивающее действие которого основано на передаче импульса от вращающегося рабочего колеса в радиальном направлении.

Осевой вакуумный насос – механический вакуумный насос, откачивающее действие которого основано на передаче газу импульса от вращающегося колеса в направлении оси вращения.

4.2.3 Измерение вакуума

Полное давление измеряют специальными приборами – манометрами.

Манометры, предназначенные для измерения давлений меньше атмосферного, называют вакуумметрами.

Вакуумметры могут состоять из преобразователя давления (ПД) и измерительного блока (ИБ). Преобразователь давления – устройство, присоединяемое вакуумплотно к вакуумной камере, воспринимающее непосредственно измеряемое давление и преобразующее его в другую физическую величину. Измерительный блок вакуумметра – устройство, обеспечивающее требуемый электрический режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.

Вакуумметры классифицируют по принципу действия и методу измерения давления.

По методу измерения различают вакуумметры, основанные на абсолютных и косвенных измерениях давлений. Вакуумметры, основанные на абсолютных измерениях давления, измеряют непосредственно давление как силу, действующую на площадь чувствительного элемента. Это жидкостные, грузопоршневые и деформационные вакуумметры, отличающиеся независимостью показаний от рода газа. Наименьшее давление, которое можно измерить вакуумметрами этой группы 10^-4– 10^-5Па.

Принцип действия «косвенных» вакуумметров основан на использовании зависимости некоторых физических процессов от давления. Такие вакуумметры измеряют физические величины, связанные с давлением определенными функциональными зависимостями. (так, например, ЭДС, частоту и т. п.). Это ионизационные, вязкостные, радиометрические и тепловые вакуумметры. Показания вакуумметров косвенного метода измерения зависят от рода газа. Диапазон измерений и вид градуировачной характеристики устанавливают по результатам их градуировок по соответствующему газу с помощью образцовых средств измерений. Метрические характеристики промышленных вакуумметров обычно приводят для воздуха или азота. Некоторые приборы этой группы позволяют измерить давления до 10^-12Па.

Жидкостные вакуумметры

Принцип действия жидкостных вакуумметров основан на уравновешивании измеряемого давления (или разности давлений) давлением столба жидкости. Об измеряемом давлении судят по высоте уравновешивающего столба жидкости, т. е. измерение давления сводится к измерению линейной величины. Жидкость в этих вакуумметрах является чувствительным элементом, реагирующим на изменение давления. Жидкостные вакуумметры подразделяют на U-образные и компрессионные.

U

Рисунок 6 U-образные вакуумметры с открытым (а) и с закрытым (б) каналом

-образные вакуумметры – жидкостные манометры, состоящие из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости. ПростейшийU-образный вакуумметр (рисунок 6) представляет собой изогнутую в виде буквыUстеклянную трубку постоянного сечения, заполненную рабочей жидкостью. Внутренний диаметр стеклянной трубки во избежание погрешности измерений, вызванной действием капиллярных сил, должен быть не менее 7 мм. Один конец трубки соединяют с вакуумной системой, другой может быть открытым или закрытым (рисунок 6, а, б). Давление в закрытом колене д. б. значительно меньше измеряемого. Для поддержания давления на этом уровне, применяют периодическую или постоянную откачку.

Измеряемое давление, р, Па, рассчитывают по формулам:

- манометр с открытым коленом;

- манометр с закрытом коленом,

где Ра – атмосферное давление, Па;

ρ_ж– плотность рабочей жидкости, кг/м³;

g– ускорение свободного падения, м/с²;

∆h– разность уровней жидкости, м.

Диапазон измеряемых давлений зависит от выбранной жидкости, геометрических размеров прибора и способа отсчета положений уровней жидкости.

В качестве рабочих жидкостей выбирают жидкости с малым давлением насыщенного пара и малой способностью к растворению газов. Для измерения давлений близких к атмосферному, необходимо выбирать жидкости с большой плотностью (ртуть Hg), а для измерения самых малых давлений – жидкости с минимальной плотностью.

Значения плотности различных жидкости при 293 К приведены ниже.

Жидкость	Плотность, ρ, кг/м3
Вода	998
Спирт этиловый	789
Дибутилфтолат	1046
Ртуть	13546
Масла:
ВМ-3	850
ВМ-5	870
5Ф4Э	1200

Погрешность измерения давления зависит от погрешности отсчетов уровней жидкости, а также неравномерностей сечения трубок, влияние температуры и т. п.

Для практического применения существует много разновидностей U-образных вакуумметров – чашечный, укороченный, поплавковый, двухжидкостный, с переменным сечением трубки и др. Наибольшее распространение получил укороченный двухтрубный вакуумметр.

Диапазоны измеряемых давлений промышленных двухтрубных вакуумметров составляют от 0 до 98 гПа. Вакуумметры маркируются по верхней границе измерения, например,

МВ 9,8 – 0 – 9,8 гПа

МВ 24,5 – 0 – 24,5 гПа

МВ 9,8 – 0 – 9,8 гПа

Компрессионный вакуумметр – жидкостный манометр, в котором для измерения абсолютного давления разряженного газа последний подвергают предварительному сжатию.

Принцип действия вакуумметра (рисунок 7) следующий. Находящийся в измерительном баллоне (3) газ с объемомVи давлением Р, которое необходимо измерить сжимается в измерительном капилляре 2 до некоторого объемаV₁в результате искусственного подъема жидкости из резервуара 4. Давление в измерительном капилляре Р₁уравновешивается давлением столба жидкости в сравнительном капилляре 1 и давлением газа в вакуумной системе:

.

Измеряемое давление, Па, подсчитывают по формуле

,

где - постоянная вакуумметра, мм^-1;

h

Рисунок 7 Компрессионный манометр

₀– координата вершины запаянного конца капилляра, мм;

d– внутренний диаметр измерительного капилляра, мм.

В качестве рабочей жидкости выбирают ртуть чаще всего, т. к. она не смачивает стекло и плохо растворяет газы. При работе с компрессионным вакуумметром значения h₀–h₁иh₂–h₁недолжны быть меньше 7 мм.

Погрешности измерения компрессионными вакуумметрами обусловлены неточностью определения постоянной вакуумметра положение уровней ртути в капиллярах, депрессией ртути в капиллярах, отличием формы мениска ртути от формы запаянного конца измерительного капилляра, неточностью принятых в расчет значений ρ_жиg, а также погрешностью, вызванной откачивающим действием струи ртутного пара, направленной из вакуумметра к вымораживающей ртутные пары ловушке.

Компрессионные вакуумметры обычных конструкций позволяют измерять давление в диапазоне 10^-3…4·10³Па. Минимальная погрешность измерения 2 – 3 %. Обычно такие вакуумметры применяют в качестве образцовых приборов.

Деформационные вакуумметры

В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента, происходящей под действием разности давлений на упругом элементе. Такие вакуумметры различают по типу чувствительного элемента и способу измерения деформации.

По типу чувствительного элемента: трубчатые, сильфонные и мембранные вакуумметры. Их показания не зависят от рода газа. Трубчатые вакуумметры (трубки Бурдона) представляют собой запаянную с одного конца тонкостенную трубку эллиптического сечения, изогнутую по дуге окружности. Другим концом трубку соединяют с вакуумной системой. При изменении давления в трубке меняется ее кривизна, что и приводит к перемещению запаянного конца трубки и повороту на некоторый угол стрелки, связанной с ним через систему зубчатых передач.

Показания прибора зависят от атмосферного давления. Обычно атмосферному давлению соответствует нулевое показание прибора. Измеряемое давление рассчитывают по формуле:

, Па

где n– отсчет измеряемого давления в делениях шкалы прибора;N– число делений шкалы, соответствующее разности показаний при Р=Р_аи Р=0.

Пределы измерения этих вакуумметров от 10⁵Па и ниже.

В мембранных вакуумметрах чувствительным элементом служит тонкая плоская или гофрированная герметичная мембрана, по прогибу которой под действием разности давлений судят об измеряемом давлении. С одной стороны мембраны создается давление, пренебрежимо малое по сравнению с измеряемым, что обеспечивает возможность измерения абсолютного давления. Мембранные вакуумметры работают в диапазоне давлений от 10³до 10^-4.

Тепловые вакуумметры.

Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разряженного газа от давления. Давление измеряют косвенным методом, т.е. измеряют какую либо физическую величину, зависящую от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности. Вид этой зависимости устанавливается экспериментально в результате градуировки вакуумметра по образцовому средству измерения. Градуировочные характеристики тепловых вакуумметров нелинейные.

Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой баллон, внутри которого расположен нагреваемый электрическим током чувствительный элемент – нить.

Существует два способа измерения давления тепловыми вакуумметрами:

- при постоянном токе нагрева чувствительного элемента;

- при постоянной температуре нити.

Мерой давления при методе постоянной температуры являются ток нагрева; напряжение или электрическая мощность, подводимые к нити, которую определяют по ее сопротивлению, с помощью термопары и т.п.

Показания тепловых вакуумметров зависят от рода газа, т.к. от рода газа зависит теплопроводность.

Диапазон измерения тепловых вакуумметров составляет от 0,13 до10³Па. Погрешность измерения относительная может достигать до 60 %. На показания тепловых вакуумметров значительно влияет загрязнение чувствительного элемента и температура баллона.

Некоторые марки выпускаемых вакуумметров тепловых

Марка	Диапазон измерения	Погрешность относительная, %
ВТ-3	0,13-7*102	±30
ВТ-2А-П	0,13-1,3*102	±30
РВТ-1	1,3-3,9*103	±60
ВТСО-1	0,5-7*103	± (5-10)

Ионизационные вакуумметры

Принцип действия ионизационных вакуумметров основан на зависимости тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разряженного газа, от измеряемого давления.

Ионизационные вакуумметры по способу ионизации газа подразделяют на три типа:

- электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим полем; от 300 до 10^-11Па;

- радиоизотопные, в которых для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников; от 10⁵до10^-3Па;

- магнитные электроразрядные, принцип действия которых основан на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления; от 10²до 10^-12Па.

Чувствительность ионизационных вакуумметров всех типов зависит от рода газа, давление которого измеряется.

Лекция 6

КВАЛИМЕТРИЯ

Показатели качества

Квалимерия – наука, изучающая вопросы измерения качества. Здесь используются те же законы и правила, что и в области измерения физических величин, но есть и некоторые особенности.

1. Многообразие нашего мира определяется свойствами различных его сторон. Определенная группа свойств относится к такому обобщающему понятию, как качество (труда, продукции, организационной деятельности и т.п.)

2. Любое свойство может быть выражено в большей или меньшей степени, т.е. имеет количественную характеристику. Такой характеристикой является мера. Мерами свойств, определяющих качество, служат показатели качества.

3. Показатели качества в квалиметрии группируются в следующих областях:

• Показатели назначения;

• Показатели надежности (безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности);

• Показатели экономного использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов;

• Эргономические показатели;

• Эстетические показатели;

• Показатели технологичности;

• Показатели стандартизации, унификации и др.

К показателям технологичности продукции относят удельную трудоемкость изготовления, удельную материалоемкость изделия, удельную энергоемкость и среднюю разовую оперативную трудоемкость технического обслуживания данного вида.

Экономические показатели характеризуют затраты на изготовление и испытания опытных образцов, себестоимость изготовления продукции и т.п.

4. Показатели качества отражают общественную потребность продукции в конкретных условиях, в то время как физические величины отражают объективные свойства природы. Так, например, масса – физическая величина, а масса изделия – показатель его траспортабельности; скорость – физическая, а эксплуатационная скорость автобуса – показатель его назначения; освещенность – физическая величина, а освещенность на рабочем месте – эргономические показатели.

5. Как и физические величины, показатели качества имеют размерность или м.б. безразмерными.

6. Количественной характеристикой показателей качества, как и физических величин, является их размер, который нужно отличать от значения – выражения размера в определенных единицах. Размер и значение от выбора единиц не зависит. Например, трудоемкость изготовления и (или) эксплуатации продукции определяется качеством времени, затраченного на изготовление и (или) эксплуатацию единицы продукции, и выражается для промышленных изделий в нормо-часах. Ясно, что трудоемкость изготовления конкретного узла или агрегата (показатель технологичности продукции) не изменится, если ее выразить, например, в человеко-днях. Не изменяются и экономические показатели, такие, как себестоимость или цена изделия от того, что будут выражены не в рублях, а в копейках.

Отвлеченное число, входящее в значения показателя качества, называется числовым значением. Вот оно то и зависит от выбора единиц.

7. Значения показателей качества, как и значения физических величин, могут быть абсолютными и относительными. Абсолютные значения физических величин всегда имеют размерность, а относительные – всегда безразмерны. В отличии от этого абсолютные значения показателей качества м.б. как размерными, так и безразмерными, а относительные – только безразмерными.

Примерами относительных значений показателей технологичности продукции являются:

• Относительная трудоемкость изготовления и (или) эксплуатации

,

где Т_В.Р– трудоемкость по видам производимых работ, Т – трудоемкость изготовления и (или) эксплуатации.

• Относительная себестоимость изготовления и (или) эксплуатации

,

где С_В.Р– себестоимость по видам производимых работ, С_Т– технологическая себестоимость изготовления и (или) эксплуатации;

8. Аналогично делению физических величин на основные и производные показатели качества делятся на единичные и комплексные.

Единичные относятся к одному из свойств, определяющих качество, комплексные – сразу к нескольким свойствам. Комплексные показатели качества могут быть связаны с единичными через функциональные зависимости, отражающие объективные законы природы, а могут быть некоторой комбинацией их, соответствующей определению комплексного показателя.

Примерами комплексных показателей качества продукции первого типа служат такие показатели как, например, транспортабельность лесоматериалов (их количество в партии, м³и масса, кг).

Количество лесоматериалов в партии:

,

где l,b,h– длина, ширина, толщина досок стандартных размеров;n– количество досок;

Масса лесоматериалов

,

Где ρ – плотность сухой древесины (7*10²кг/м³) является единичным показателем качества ее.

Примером комплексного показателя назначения второго типа является годовая производительность автобуса

,

где - соответственно коэффициенты использования парка автобусов, пробега автобуса и его вместимости;- эксплуатационная скорость автобуса, км/ч;- средняя продолжительность времени в наряде, ч.

Комплексные показатели качества, относящиеся к определенной группе его свойств, называются групповыми.

9. Показатели качества, как и физические величины, меняются с течением времени. В одних случаях этим изменением можно пренебречь, в других – нельзя. Качество продукции, например, снижается к концу ее службы, причем в течении этого периода м.б. интервалы, когда продукции не эксплуатировалась из-за неисправностей, нахождения на техобслуживании или в ремонте. Эти обстоятельства учитываются показателями надежности, к числу которых относятся показатели сохраняемости, безотказности, ремонтопригодности, долговечности и др. По своей природе они в корне отличаются от всех остальных показателей качества продукции и оперировать с ними, как с другими, нельзя (т.е. включать со своими весами в формулы).

Измерение качества

Показатели качества в квалиметрии играют ту же роль, что физические величины в технических измерениях, однако значения этих показателей еще ничего не говорят об объекте измерения – качестве. Для того, чтобы оценить качество какой либо продукции по отношению к качеству другой, нужно сравнить значения их показателей качества. На основании сравнения можно будет сделать заключение о том, качество какой продукции выше, а это уже результат измерения качества по шкале порядка. Если не удается определить, на сколько или во сколько раз выше, то качество будет измерено по шкале интервалов или по шкале отношений.

Таким образом одна из систем измерения качества состоит из двух этапов:

1. Определение значений показателей качества;

2. Сравнение значений показателей качества.

Если значения показателей качества находится нерасчетным путем, то их определение – обычная измерительная задача. Она может решаться инструментальным или экспериментальным методом, разновидностями которого можно считать органолептический или социологический метод измерений.

Инструментальный метод основывается на использовании технологических средств измерений. Этим методом определяется, например, масса продукции, габаритный размер изделия, время работы станка без ремонта и т.п. Измерения могут выполняться по любой из измерительных шкал, но чаще всего используется шкала отношений. Это самый распространенный метод, особенно в промышленности.

Экспериментальный метод измерения показателей качества применяется тогда, когда использование технологических средств в измерении невозможно, сложно или экономически неоправданно. Очень часто к нему прибегают, например, при определении экономических и эстетических показателей. Экспертами используются все измерительные шкалы, но чаще всего шкалы порядка и интервалов.

В органолептическом методе измерения качества, продукции в качестве первичных измерительных преобразователей используются органы чувств экспертов – зрение обоняние, осязание, вкус, слух. Широкое распространение органолептический метод получил в медицине, парфюмерной промышленности, текстильной и др.

Комбинаторный метод измерения качеств сочетает инструментальное и органолептическое измерение.

Социологический метод измерения показателей качества строится на массовых опросах населения или отдельных его социальных групп, члены которых выступают в роли экспертов. Опрос может проводится методами анкетирования, голосования, интервьюирования и т.п. Здесь большую роль играет выбор методики опроса, обработка информации, которая требует средств автоматизации. Социологический метод используется для определения значений показателей качества товаров народного потребления, выявления общественного мнения и т.п.

Сравнение показателей качества, значение которых измерены или получены расчетным путем, может производится по шкале интервалов, либо по шкале отношений. Качество как многомерный объект измерения характеризуется множеством показателей качества, значения которых одновременно нужно сравнивать у двух сопоставляемых образцов. Ситуации, которые при этом могут возникнуть показаны на рисунке 1, где значения третьего и седьмого показателей качества получены расчетным путем без использования результатов измерений.

При сравнении показателей качества по шкале интервалов учитывается характер их ????. Если измерение значения показателя таково, что влечет за собой повышение качества, то при сравнении по шкале интервалов разность между исходным и сравниваемым с ним значением показателя качества берется со знаком «+»; в противном случае – «–». При таком условии положительным результатом сравнения (рисунок 1,а) соответствует повышение качества продукции, отрицательным – снижение качества (рисунок 1,б). Наиболее сложным является случай, когда одни результаты сравнения оказываются положительными другие – отрицательными (рисунок 1,в). В этом случае для вынесения однозначного решения нужно переходить к более грубой модели качества, составленной из укрупненных комплексных показателей.

При сравнении показателей качества по шкале отношений характер их динамики учитывается следующим образом: отношение числовых значений показателей качества составляется так, чтобы при повышении качества по сравнению с исходным оно было больше единицы; при снижении качества – меньше единицы. Тогда при результатах сравнения больших единицы можно сказать, что качество повысилось, при меньших – понизилось. Единичный уровень соответствует неизменному качеству. Графически это выглядит также, как и на рисунке 1. Можно проводить сравнение показателей качества в таблице.

Пример 1.

Определить соответствие одной из марок конструкционной качественной стали 35 ГЛ требованием ГОСТа 977-88 «отливки стальные».

Таблица 1

Результаты сравнения значений показателей качества по шкале отношений, свидетельствует о том, что качество стали 35 ГЛ выше требований ГОСТ 977-88.

Измерение качества по шкале отношений возможно только в том случае, когда значения всех показателей качества определены по шкале отношений. Если хотя бы одно из них определено по шкале интервалов, качество может быть измерено только по шале интервалов. Если хоть один показатель качества измерен по шкале порядка, измерение качества возможно только по шкале порядка.

Результат измерения качества зависит от выбора исходного образца для сравнения. Если качество исходного образца низкое, то чуть более высокое по сравнению с ним качество все равно будет низким, и наоборот. В то же время нельзя выбирать исходный образец очень высокого или очень низкого качества. Для сравнения существуют эталоны качества.

Эталонные образцы, называемые эталонами качества можно разделить на 3 группы:

• Эталоны отражающие перспективный уровень качества; они предназначены для оценки качества серийной продукции при ее аттестации;

• Эталоны, отражающие перспективный уровень качества; они используются при разработке и выдаче технических заданий, составлении рабочих и технических проектов, направленных на достижение прогнозирующих показателей качества продукции;

• Эталоны, предназначенные для решения частных задач: определения и анализа динамики качества, сопоставления отдельных показателей качества и т.д.

В качестве эталона должен утверждаться реальный образец, а в качестве значений базовых показателей – значения его показателей качества. Сравнивать при измерении качества нужно образец с образцом, а не значения отдельных показателей качества со значениями, относящимися к разным эталонам.

При широкой номенклатуре показателей сведение их к одному единственному показателю качества сопряжено с большой потерей информации. Чтобы избежать этого, из общего числа показателей качества выбирают те, которые характеризуют качество с какой-нибудь одной стороны. С помощью таких показателей определяются, например, уровень качества изготовления продукции, ее нормативный, технический и технико-экономический уровни.

Уровень качества изготовления продукции – это характеристика ее качества, устанавливающая степень соответствия фактических значений показателей качества изготовленной продукции требованию нормативно-технических документов.

Наиболее широкой и обобщенной характеристикой качества продукции является ее технико-экономический уровень, включающий экономические показатели. Он используется при определении категории качества в системе аттестации продукции.

Экспертный метод

В квалиметрии экспертный метод применяется:

• -для измерения показателей качества;

• Для определения весовых коэффициентов.

Однако, он не является принадлежностью только квалиметрии. Экспертный метод применяется и при измерении физических величин, в медицине (консилиумы), в искусстве (жюри), в социально-политической сфере (референдумы) и т.п.

Применение экспертного метода предполагает соблюдение следующих условий:

• Экспертная оценка должна производиться только в том случае, когда нельзя использовать для решения вопроса более объективный метод;

• В работе экспертной комиссии не должно быть факторов, которые могли бы влиять на искренность суждений экспертов; мнения экспертов должны быть независимыми;

• Вопросы, поставленные перед экспертами, не должны допускать различного толкования;

• Эксперты должны быть компетентны в решаемых вопросах;

• Количество экспертов должно быть оптимальным;

• Ответы экспертов должны быть однозначными и обеспечивать возможность их математической обработки.

По способу проведения экспертизы различают:

• Непосредственное измерение;

• Ранжирование;

• Сопоставление.

При непосредственных измерениях экспертным методом значения физических величин или показателей качества определяются сразу в установленных единицах: в баллах, нормо-часах, рублях, единицах условного топлива и т.д. Такие измерения могут проводиться как по шкале отношений, так и по шкале интервалов или шкале порядка. Измерения по шкале отношений требуют наличие эталонов. К ним относятся органолептические методы измерения длины, массы, силы света и др. Непосредственное измерение весовых коэффициентов, сумма которых должна равняться единице, производится по шкале интервалов. Значения этих коэффициентов рассчитываются по формуле:

,

где n– количество экспертов;m– число «взвешиваемых» показателей;- коэффициент весомостиj-го показателя в баллахi-тым экспертом.

По реперным шкалам интервалов измеряется в баллах сила морского волнения, сила землетрясений и т.п. Непосредственно путем приписывания баллов (обычно от 0 до 10) могут измеряться по шкале порядка и такие свойства, для которых нет ни эталонов, ни объективных критериев. В последнем случае из соотношения баллов нельзя делать каких-либо количественных выводов.

Непосредственное измерение экспертным методом является наиболее сложным и представляет к экспертам наиболее высокие требования.

Ранжирование состоит в расстановке объектов измерения или показателей в порядке их предпочтения, по важности или весомости. Место, занятое при такой расстановке, называется рангом. Чем выше ранг, тем предпочтительный объект, весомее, важнее показатель. В таблице 2 показаны результаты экспертной оценкой по методу ранжирования качества отливок 7 литейных цехов, выпускающих отливки одинаковой номенклатуры.

Таблица 2

Номер объекта экспертизы	Оценка эксперта					Сумма рангов
	1-го	2-го	3-го	4-го	5-го
1	4	6	4	4	3	21
2	3	3	2	3	4	15
3	2	2	1	2	2	9
4	6	5	6	5	6	28
5	1	1	3	1	1	7
6	5	4	5	6	5	25
7	7	7	7	7	7	35

Результат измерения по шкале порядка качества отливок таков:

Наиболее высокое качество у 7 цеха – 35

Второй по качеству 4 цех – 28

Третий 6 цех – 25

Четвертый 1 цех – 21

Пятый 2 цех – 15

Шестой 3 цех – 9

Седьмой 5 цех – 7

Определить весовые коэффициенты для показателей качества отливок 7 различных цехов по формуле

Сопоставление бывает последовательным и попарным.

Последовательное составление каждого объекта экспертизы с совокупностью всех тех, которые ниже рангом, позволяют откорректировать ранжированный ряд, уточнить позиции входящих в него объектов с учетом их важности. Оно имеет смысл тогда, когда несколько объектов экспертизы можно рассматривать как один составной объект природы.

Порядок последовательного сопоставления следующий:

1. Объекты экспертизы располагаются в порядке их предпочтения (ранжирование).

2. Наиболее важному объекту приписывается балл или весовой коэффициент, равный 1; всем остальным в порядке уменьшения их относительной значимости – баллы или весовые коэффициенты от 1 до 0.

3. Сопоставляется первый объект с совокупностью всех остальных. Если по мнению эксперта их предпочтительнее, чем совокупность всех остальных вместе взятых, то результат его измерения в баллах или весовой коэффициент корректируется в сторону увеличения с таким расчетом, чтобы он стал больше суммы баллов или весовых коэффициентов всех остальных объектов экспертизы, которые ниже рангом. В противном случае результат измерения или весовой коэффициент первого объекта корректируется в сторону уменьшения так, чтобы он оказался меньше суммы баллов или весовых коэффициентов остальных объектов.

4. Сопоставляется второй объект с совокупностью всех остальных, стоящих рангом ниже. По установленному выше правилу корректируется его результат измерения или значение весового коэффициента. При этом нужно следить, чтобы не нарушилось предпочтение первого объекта перед совокупностью всех остальных, если оно установлено на предыдущем этапе. Такая процедура сопоставлений и корректировок продолжается вплоть до предпоследнего объекта.

5. Полученные результаты измерений или весовые коэффициенты нормируют, т.е. делят на общую сумму баллов или весовых коэффициентов. После этого они принимают значения в пределах от 0 до 1, а их сумма равна 1.

Попарное сопоставление, самое простое и наиболее оправданное с психологической точки зрения, рассмотрено в примере (таблица 3, 4).

Пример. Результат дегустации качества шоколада шести различных фирм, обозначенных номерами от 1 до 6, представлен в таблице 3 Предпочтению шоколада i-той фирмы наj-той соответствует 1, а противоположному отношению – 0. Расставить фирмы в ранжированный ряд по качеству шоколада.

Таблица 3

	1	2	3	4	5	6
1	-	1	0	1	1	1	4
2	0	-	0	1	1	1	3
3	1	1	-	1	1	1	5
4	0	0	0	-	0	0	0
5	0	0	0	1	-	0	1
6	0	0	0	1	1	-	2

Ответ: ранжированный ряд имеет вид:№4 №5 №6 №2 №1 №3

Как видно таблица 3 является избыточной. При попарном сопоставлении достаточно данных по одну сторону диагонали. Предпочтение при этом выражается указанием номера предпочтительного объекта так, как это показано в таблице 4.

Таблица 4

Номер объекта экспертизы
	*	1	3	4	5	6
1		*	3	1	1	1
2			*	2	2	2
3				3	3	3
4				*	5	6
5					*	6
6						*

Балл j-го объекта или весомостьj-го показателя рассчитывается по формуле (1). В данном случае

, (2)

Где - частота предпочтенияi-м экспертомj-го объекта экспертизы;

С – общее число суждений одного эксперта, связанное с числом объектов экспертизы mсоотношением

, (3)

Пример. Предположим, что пять экспертов выразили свое мнение о шести объектах экспертизы одинаково: так, как это представлено в таблице 3. Определить весомость каждого объекта и построить ранжированный ряд.

Решение. 1. Частоты предпочтений

2. Общее число суждений каждого эксперта

3. Балл или весомость каждого объекта экспертизы по общему мнению всех экспертов

4. Сумма

Полученные в п.3 значения G_jможно рассматривать уже как нормированные и, в частности, использовать как весовые коэффициенты.

5. Ранжированный ряд объектов экспертизы имеет вид:

Опрос экспертов может быть очным и заочным, групповым и индивидуальным, персонофенированным и анонимным. Свои мнения эксперты могут выражать в письменной форме (анкеты, таблицы) или в устной форме (интервью, дискуссии).