Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрологические основы теплотехнических измерений. Учебное пособие
.pdf
АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
А.П. Лепявко
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Учебное пособие
Москва
2015
1
2
УДК 531. 7.87
Лепявко А.П. Метрологические основы теплотехнических
измерений: Учебное пособие. Вторая редакция. – М.: АСМС,
2015. – 180 с.
В учебном пособии изложены сведения из общей метрологии,
необходимые специалистам-метрологам, работающим в области
теплотехнических измерений.
Приведены основные понятия и определения, классификация
погрешностей измерений и средств измерений. Показано отличие
понятий «неопределенность» и «погрешность».
Рассмотрены общие принципы и последовательность оценивания точности (неопределенности или погрешности) результата
измерений, а также основные принципы нормирования метрологических характеристик средств измерений.
Рассмотрены отличия поверки и калибровки средств измерений в Российской Федерации и в общемировой практике.
В приложении приведены примеры вычислений неопределенности и погрешности при практических измерениях, а также
при калибровке и поверке средств теплотехнических измерений.
Учебное пособие предназначено для слушателей АСМС по
специализации «Поверка и калибровка средств теплотехнических
измерений (средств измерений давления, температуры и расхода)».
ISBN 978-5-93088-164-6 © АСМС, 2015
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Традиционно к области теплотехнических измерений относят
измерения давления, температуры и расхода. Эти измерения
связаны технологически, что нашло отражение в их наименовании.
Теплотехнические измерения используются во многих облас-
тях: прежде всего в теплоэнергетике, газовой, нефтяной и химической промышленности, холодильной и криогенной технике,
коммунальном хозяйстве и т.д.
В действующем кодификаторе групп средств измерений
(МИ 2314–2006) отсутствует такой вид измерений, как «теплотехнические». При этом средства теплотехнических измерений
отнесены к следующим видам:
«Измерения давления, вакуумные измерения» (код 30);
«Теплофизические и температурные измерения» (код 32);
«Измерения параметров потока, расхода, уровня, объема ве-
ществ» (код 29) в части измерений расхода и параметров (скорости) потока;
«Элементы измерительных систем» (код 44) в части средств
измерений, используемых для измерения избыточного и абсолютного давлений, температуры, расхода.
К теплотехническим относят также средства измерений, ко-
торые отсутствуют в кодификаторе, а именно:
измерительные преобразователи и цифровые приборы изме-
рений температуры;
расходомеры переменного перепада давления;
теплосчетчики.
Измерения, получившие название «теплотехнические», объе-
динены не только технологически, но и методически. Они имеют
общую метрологическую основу. В отличие от некоторых других
областей измерительной техники, в этой области в большинстве
случаев как у средств, так и методик выполнения измерений нормируют, оценивают и определяют погрешности и неопределенности не «абсолютные», а «относительные» или «приведенные».
В XXI веке в российской метрологии произошли значительные изменения. Широко применяются международные нормативные документы. Появились новые понятия и термины – такие,
как «неопределенность» и «прецизионность». Вышел новый за-
4
кон «Об обеспечении единства измерений». В пособии автор попытался отразить эти изменения.
После издания первой редакции пособия в 2012 г. вышло
много новых нормативных документов. «Руководство по выражению неопределенности измерения» получило статус российского стандарта. С выходом РМГ 29–2013 изменена терминология в российской метрологии и она приближена к международной.
Настоящее пособие предназначено для специалистов, повы-
шающих квалификацию в Академии стандартизации, метрологии
и сертификации (АСМС) по специализации «Поверка и калибровка средств теплотехнических измерений», но может быть использовано специалистами, деятельность которых связана как с
калибровкой и поверкой средств измерений давления, температуры и расхода, так и с практическими измерениями этих величин.
Вопросы и пожелания, которые возникают при чтении данно-
го пособия, можно направить электронной почтой по адресу
tti@asms.ru.
5
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Термины приведены в соответствии с российскими норма-
тивными документами, это:
Федеральный закон «Об обеспечении единства измерений»
(далее по тексту – «Закон»);
РМГ 29–2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и опре-
деления»;
ГОСТ 16263–70. «ГСИ. Метрология. Термины и определе-
ния».
Термины, приведенные в РМГ 29–2013, в основном соответ-
ствуют терминам, приведенным в Международном словаре по
метрологии (далее по тексту – VIM3) и во многом отличаются от
терминов в РМГ 29–99. В случаях принципиального различия содержания терминов в РМГ 29–2013 и РМГ 29–99 приводятся оба
этих термина.
В тех случаях, когда толкования терминов, приведенные
в VIM3, кажутся более простыми и логичными, помимо определений из РМГ 29 приводятся определения из международного
словаря.
1.1. Метрология. Измерение. Единство измерений
Измерениями занимается наука метрология.
«Метрология – наука об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности» (РМГ 29–2013).
В VIM3 приведено более короткое, но и более общее опреде-
ление:
«Метрология – наука об измерениях и их применении».
Эти определения нельзя считать полными. Они отражают
только одну сторону метрологии – метрологии как науки. Но
метрология включает в себя и практическую деятельность – метрологическое обеспечение различных областей промышленности,
торговли и в целом жизнедеятельности страны.
В Законе дано следующее определение измерения:
«Измерение – совокупность операций, выполняемых для оп-
ределения количественного значения величины».
«Величина (quantity) – свойство материального объекта или
явления, общее в качественном отношении для многих объектов
6
и явлений, но в количественном отношении индивидуальное для
каждого из них» (РМГ 29–2013).
Примечание. В русском языке слово «величина» может иметь
различное содержание.
Например, в словаре русского языка Ожегова приводится такое
толкование:
«Величина – 1) размер, объем, протяженность предмета. 2) (пред-
мет, явление, и т.п.) то, что можно измерить».
При этом первое определение термина «величина» используется в
математике, второе – в метрологии.
Чтобы исключить двойственность понятия «величина», в ГОСТ
16263–70 и РМГ 29–99 использовался термин «физическая величина».
В английском языке примерно такая же ситуация.
Из англо-русского словаря В. К. Мюллера:
«Value – 1) ценность; 2) стоимость, цена, справедливое возмеще-
ние; 3) оценка; 4) значение (слова); 5. мат. величина, значение».
Поэтому в метрологии используется сочетание quantity value
(размер величины).
«Quantity – 1) количество, размер. 2) мат. величина».
При измерении производится сравнение двух однородных
величин X и [x], одна из которых [x] принята за единицу.
«Единица величины – фиксированное значение величины, ко-
торое принято за единицу данной величины и применяется для
количественного выражения однородных с ней величин» (Закон).
Основное уравнение измерения
X = x ∙ [x], (1.1)
где x – числовое значение.
В Большой советской энциклопедии приведено определение
измерения, которое просто описывает приведенное выше уравнение:
«Измерение – это операция, посредством которой определяет-
ся отношение одной измеряемой величины к другой однородной
величине, принимаемой за единицу».
Примечание. При строгом подходе приведенное выше уравнение
применимо для измерения не всех величин. Оно не может быть применено для порядковых величин, таких как твердость по шкале Роквелла,
октановое число топлива, сила землетрясения по шкале Рихтера.
7
В VIM3 и РМГ 29–2013 приводится другое, более сложное
определение измерения:
«Измерение величины (measurement) – процесс эксперимен-
тального получения одного или более значений величины, которые могут быть обоснованно приписаны величине».
В этом определении учитывается то, что всякое измерение
имеет неопределенность. Фактически результатом измерения яв-
ляется некоторая область действительных значений измеряемой
величины около измеренного значения (значений, которые могут
быть обоснованно приписаны величине).
Измерения проводятся для получения результата
измерений – измерительной информации и принятия решения на
основе полученной информации.
В производстве на основе полученной измерительной информации принимается решение о продолжении технологического процесса или внесении корректив в его проведение. При испытаниях делается вывод о соответствии или несоответствии изделия предъявляемым требованиям. При коммерческом учете результат измерения является основанием для финансовых взаиморасчетов.
К измерительной информации предъявляются следующие
требования.
1. Она должна быть выражена в узаконенных (допущенных
к применению) единицах.
2. Она должна быть получена с гарантированными показа-
телями точности.
3. Она должна быть получена с требуемой для решения кон-
кретной технической задачи точностью.
Требования 1 и 2 определяют принцип единства измерений.
Эти требования регулируются Законом. Выполнение этих
требований контролируется государством.
В соответствии с Законом «Единство измерений – состояние
измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к
применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы».
Все три требования к измерительной информации определя-
ют метрологическое обеспечение. Третье требование – получение
информации с требуемой для решения конкретной технической
задачи точностью связано с целесообразностью.
8
Метрология включает в себя три основных направления: тео-
ретическая метрология, законодательная метрология, прикладная
метрология. В РМГ 29–2013 даны следующие определения:
«Теоретическая метрология – раздел метрологии, предме-
том которого является разработка фундаментальных основ метрологии».
«Законодательная метрология – раздел метрологии, предме-
том которого является установление обязательных и юридических требований к применению единиц величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства
и требуемой точности измерений».
«Практическая (прикладная) метрология – раздел метроло-
гии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии».
1.2. Классификация измерений
Измерения можно классифицировать по различным призна-
кам.
Статические и динамические измерения
Абсолютно неизменных величин, за исключением физических констант, в природе не существует. Поэтому под статическими измерениями понимаются измерения таких величин, изменением которых в процессе их проведения при требуемых показателях точности можно пренебречь.
В РМГ 29–2013 приведены следующие определения:
«Статическое измерение – измерение величины, принимае-
мой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения».
«Динамическое измерение – измерение, при котором средства
измерений используют в динамическом режиме».
«Динамический режим (использования средства измерений) –
режим использования средства измерений, связанный с изменением условий (факторов) за время проведения измерительного
эксперимента, которые влияют на результат измерения (оценку
измеряемой величины), в том числе изменение измеряемой величины за время измерения».
Подавляющее большинство теплотехнических измерений могут считаться статическими.
9
Непрерывные и дискретные измерения
При непрерывном измерении все элементы средства измере-
ний работают непрерывно.
При дискретном измерении измерительная информация по-
ступает периодически, через некоторые промежутки времени.
Хотя бы один элемент средства измерений работает прерывисто.
За счет этого часть измерительной информации теряется.
Примером средств измерений, которые обеспечивают непре-
рывные измерения, являются аналоговые регистрирующие пишущие
приборы. Примером средств измерений, в которых реализуются
дискретные измерения, – печатающие регистрирующие приборы.
Однократные и многократные измерения
В большинстве практических случаев проводятся однократные измерения. Многократные измерения проводятся в тех случаях, когда требуется повысить надежность результата измерений
или когда на результат измерения значительное влияние оказывает случайная погрешность.
Аналоговые и цифровые измерения
При аналоговом измерении устанавливается прямая связь
между значением измеряемой величины и значением величины
измерительного сигнала (отклонением указателя, значением тока,
высотой столбика жидкости в стеклянном термометре и т.д.).
При цифровом измерении точное числовое значение результата выводится из средства измерений или вырабатывается в нем.
По определению, цифровыми средствами измерений называются такие, в которых по принципу действия происходит кван-
тование измеряемой величины по уровню. При квантовании
происходит разделение измерительной информации на некоторое
количество ступеней. Каждому из некоторого бесконечного множества значений аналоговой величины ставится в соответствие
одно значение.
Выходной сигнал цифрового средства измерений (например,
измерительного преобразователя с токовым выходным сигналом)
может быть аналоговым, но квантованным.
Примечание. Русский термин «цифровой» (от «цифра» – знак,
обозначающий число) не вполне соответствует английскому термину
«digital» – цифровой, дискретный (от «digit» – палец или однозначное
число от 0 до 9).
10
Средства измерений, реализующие цифровой метод, как пра-
вило, точнее. Другим преимуществом цифровых методов является более высокое качество передачи информации на расстояние.
В большинстве цифровых средств измерений также происходит дискретизация измеряемой величины во времени. Цифровые
измерения всегда приводят к потере информации за счет квантования и дискретизации.
Необходимо отметить, что результатом любого измерения, в
том числе и аналогового, является цифровое значение. При этом
также происходит квантование, но эту операцию проводит непосредственно оператор.
Преимуществом аналоговых измерений является наглядность.
Наблюдение за стрелочными приборами гораздо проще, чем за показаниями цифровых приборов. Аналоговый регистратор передает
оператору существенно больше информации, чем ряд чисел. Поэтому часто прибегают к преобразованию полученной цифровой информации в аналоговую – к графическому изображению, что особенно важно для отображения изменяющихся во времени величин.
Эта графическая информация отображается на экране дисплея. В некоторых случаях ведется регистрация результатов ответственных измерений (графики изменения измеренных значений) на бумажном носителе.
При этом сами измерения остаются цифровыми, но их результат преподносится в аналоговом виде.
Прямые и косвенные измерения
Относительно разделения измерений на прямые и косвенные
в технической литературе имеется много различных мнений. Если определения косвенных измерений в различных источниках
практически не различаются, то определения прямых измерений
имеются разные, причем в большинстве случаев эти определения
нельзя считать исчерпывающими. В книгах по метрологии для
пояснения сущности прямого измерения все обходятся какими-то
примерами. Сам термин «прямое измерение» появился для того,
чтобы отличать такие измерения от косвенных.
Прямые измерения
Под прямыми измерениями, наверное, можно понимать такие
измерения, результат которых определяется значением одной
входной величины.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]