151505 (Измерение вязкости), страница 2

Погрешность измерений - разность между полученным при измерении значением величины и ее истинным значением. Погрешность измерений связана с несовершенством методов и средств измерений, с недостаточным опытом наблюдателя, с посторонними влияниями на результат измерения. Подробно причины погрешностей и способы их устранения или минимизации рассмотрены в специальной главе, поскольку оценка и учет погрешностей измерений являются одним из самых важных разделов метрологии.

Точность измерений - характеристика измерения, отражающая близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность выражается величиной, обратной модулю относительной погрешности, т. е.

(1.1)

где Q - истинное значение измеряемой величины, Д - погрешность измерения, равная

(1.2)

где Х - результат измерения. Если, например, относительная погрешность измерения равна 10^-2%, то точность будет равна 10⁴.

Правильность измерений - качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей, т. е. погрешностей, которые остаются постоянными или закономерно изменяются в процессе измерения. Правильность измерений зависит от того, насколько верно (правильно) были выбраны методы и средства измерений.

Достоверность измерений - характеристика качества измерений, разделяющая все результаты на достоверные и недостоверные в зависимости оттого, известны или неизвестны вероятностные характеристики их отклонений от истинных значений соответствующих величин. Результаты измерений, достоверность которых неизвестна, могут служить источником дезинформации.

При выполнении различных работ по метрологическому обеспечению измерений используются специфические категории, которые тоже нуждаются в определении. Эти категории следующие:

Аттестация - проверка метрологических характеристик (погрешности измерений, точности, достоверности, правильности) реального средства измерения.

Сертификация - проверка соответствия средства измерения стандартам данной страны, данной отрасли с выдачей документа-сертификата соответствия. При сертификации кроме метрологических характеристик проверке подлежат все пункты, содержащиеся в научно-технической документации на данное средство измерения. Это могут быть требования по электробезопасности, по экологической безопасности, по влиянию изменений климатических параметров. Обязательным является наличие методов и средств поверки данного средства измерения.

Поверка - периодический контроль погрешностей показаний средств измерения по средствам измерения более высокого класса точности (образцовым приборам или образцовой мере). Как правило, поверка заканчивается выдачей свидетельства о поверке или клеймлением измерительного прибора или поверяемой меры.

Градуировка - нанесение отметок на шкалу прибора или получение зависимости показаний цифрового индикатора от значения измеряемой физической величины. Часто в технических измерениях под градуировкой понимают периодический контроль работоспособности прибора по мерам, не имеющим метрологического статуса или по встроенным в прибор специальным устройствам. Иногда такую процедуру называют калибровкой и это слово пишется на рабочей панели прибора.

Этот термин на самом деле в метрологии занят, и калибровкой согласно стандартам называют несколько иную процедуру.

Калибровка меры или набора мер - поверка совокупности однозначных мер или многозначной меры на различных отметках шкалы. Другими словами, калибровка - это поверка меры посредством совокупных измерений. Иногда термин «калибровка» употребляют как синоним поверки, однако калибровкой можно называть только такую поверку, при которой сравниваются несколько мер или деления шкалы между собой в различных сочетаниях.

2. Измерения механических величин

2.1 Линейные измерения

В технологических линейных измерениях наиболее часто востребованными являются следующие:

а) Толщины листовых материалов;

б) Толщины пленок (краска, влага, металл);

в) Глубина травления и гравирования;

г) Шероховатости поверхности;

д) Давления;

е) Вязкости ;

ж) Твердости;

з) Уровня жидкостей.

Традиционные измерения перемещений представляют собой хорошо известные линейки, нониусы и микрометрические винты. Линейки изготавливаются либо в виде жесткой конструкции, либо в виде гибкой ленты (рулетки). Измерения проводятся непосредственным сравнением размера предмета с делениями шкалы линейки. Нониус представляет собой дополнительную шкалу, нанесенную на подвижную каретку, перемещающуюся свободно вдоль линейки. Шкалы нониуса нанесены таким образом, что девять делений линейки разделены на десять равных частей.

Если проводить измерения, то имеется возможность определить размеры с точностью до 1/10 доли деления основной линейки. Для этого достаточно определить, какое деление нониуса совпадаете целым делением основной шкалы. Если, например, с делением основной шкалы совпадает первое деление нониуса, то это означает, что измеряемая длина на 1/10 часть деления основной шкалы больше того значения, у которого располагается нулевое деление нониуса. Если совпадает второе деление, то размер на 2/10 больше, и т. д.

Чаще всего используется так называемый прямой нониус, у которого цены деления на 1/10 часть меньше цены деления основной шкалы. Иногда применяют обратный нониус, у которого цена деления на 1/10 больше цены деления основной шкалы, т. е. 11 делений делятся на 10 частей. Пользоваться им следует также, как и прямым нониусом, т. е. целую часть измеряемой величины считывать с меньшего значения основной шкалы, между которыми остановился нуль нониуса, а десятые доли определять по совпадению деления шкалы нониуса с делением основной шкалы.

В некоторых измерительных инструментах, чаще всего в угломерных, применяется круговой нониус. Принципиально он ничем не отличается от линейного нониуса, только деления на нем нанесены на небольшую дуговую линейку (алиаду), свободно перемещающуюся вдоль основной шкалы (лимба).

Микрометрический винт дает возможность отсчитывать более мелкие доли деления основной шкалы, чем нониус. Микрометрический винт представляет собой тщательно изготовленный винт с шагом в 0,5 или в 1,0 мм. Головка винта представляет собой лимб, или барабан с делениями, позволяющий производить отчеты либо 1/50, либо 1/100 оборота. Таким образом, зажимая объект измерений между упорами микрометрического винта, можно измерить размеры объекта с точностью до 1/100 мм и выше, если принять во внимание возможность оценки доли деления.

Нониусом оснащены широко применяемые в измерительной практике инструменты, называемые штангенциркулями.

Микрометры изготавливают в виде скобы с цифрами, один из которых перемещается микрометрическим винтом.

Измерительные устройства для линейных измерений на какой-либо поверхности делают в виде индикаторных устройств, т. е. подвижных штоков с зубчатым колесом. Так сделаны глубиномеры, толщиномеры, ростомеры. Шток как бы «ощупывает» поверхность и, передавая перемещение зубчатому колесу, регистрирует профиль поверхности.

Толщину листовых материалов измеряют также по поглощению светового или (β-γ активного излучения. Иногда для измерения толщин используют емкостные или индуктивные датчики.

Толщины пленок измеряют оптическими методами по отражению или поглощению света.

Большое число измерений ведется лупами или измерительными микроскопами. Принцип измерения состоит в измерении координаты какой-либо точки, путем визирования ее в микроскоп. Длину объекта находят по разности отсчета крайних точек объекта. Небольшие перемещения можно измерить окуляр-микрометром - окуляром, снабженным визирной сеткой, расположенной в фокусе окуляра. Визирная сетка может перемещаться в поле зрения окуляра микрометрическим винтом.

Перемещая сетку винтом, наводят риски на крайние точки объекта, и размеры определяют как разность отсчетов.

Повысить точность измерения длин можно путем компарирования (сравнения) длин объекта и стандартной шкалы. Если эта шкала выполнена в виде линейки, то компарируются отсчеты по этой линейке. Для повышения точности в длинномерах - компараторах (например в приборе ИЗА-2) отсчет производится с использованием линейки, нониуса и микрометрического винта. Производится это следующим образом: в один из микроскопов визируется точка объекта, координаты которой нужно определить. В другой микроскоп - измерительный - визируются деления шкалы, нанесенной на стекло. Измерительный микроскоп позволяет визировать по крайней мере два деления на стеклянной шкале. Отсчет снимается с линейки, нониуса и микрометрического винта.

В современных компараторах длин измерения проводятся сравнением размеров объекта с размером измерительной дифракционной решетки. Принцип работы такого отсчетного устройства иллюстрируется.

Измерительная решетка представляет собой пару решеток, одна из которых может быть отражательной. За прозрачной решеткой располагается источник света и фоторегистрирующее устройство, например фотодиод. Перемещая одну из решеток, нужно регистрировать число проходящих в фокусе объектива максимумов или минимумов. Сравнивая это число для крайних точек объекта, легко найти его размеры, если известен шаг решетки.

Измерительные решетки в настоящее время вытесняют визуальные компараторы. Причин этому можно назвать несколько. Самая главная - процесс измерения легко автоматизировать, т. е. нет нужды пользоваться зрительной трубой, что для массовых измерений утомительно. Вторая причина - высокая точность измерения, определяемая только периодом решетки. При этом высокая точность получается как для малых перемещений, так и для больших (порядка 1 м и более). Еще одна привлекательная черта измерительных решеток - возможность создания реверсивных механизмов и подключения компьютеров.

Измерительные решетки в линейных измерениях используются как универсальные меры, т. е. носители размера физической величины. Большинство мер в линейных измерениях подразделяются на штриховые и концевые меры. Штриховые меры - это отрезки длины между какими-либо штрихами на линейках, нониусах и микрометрических винтах. В отличие от них концевые меры - это стержни, плитки, щупы, скобы точно известного размера. Существуют также концевые меры различных классов точности - от плиток Иогансона, служащих для поверки микрометров, до грубых щупов, широко используемых в машиностроении и в общей технике.

3. Измерения вязкости

Вязкость - характеристика сил внутреннего трения. Сила трения в зависимости от вязкости, жидкости или газа выражается формулой:

(1)

где F - сила сопротивления перемещению слоев среды, которая направлена в сторону убывания скорости (знак минус в формуле); S - площадь действия силы и градиент скорости. Единица вязкости в системе СИ - Паскаль • секунда. В системе CGS единица вязкости - Пуаз:

(2)

3.1 Вискозиметры

Приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. В вискозиметрах используются два разных принципа:

• по скорости вытекания жидкости из малого отверстия или из капилляра;

• по скорости падения шарика в вязкой жидкости.

Первый принцип основан на формуле Пуазейля, дающей зависимость между объемом жидкости, вытекающей из трубки радиусом R и длиной I:

(1)

где P₁ и P₂ - давление на торцах трубки; R - радиус трубки; I - длина; t - время вытекания.

Второй принцип измерения вязкости основан на измерении скорости падения шара в вязкой среде (формула Стокса):

(2)

где v -скорость падения шара в жидкости; ρ - плотность материала шара; ρ' - плотность жидкости; r - радиус шара.

Одним из широко используемых приборов для измерения вязкости является вискозиметр Энглера, в котором измеряется время вытекания 200 г. жидкости по сравнению со временем вытекания 200 г воды через то же отверстие. Вязкость измеряют в градусах Энглера, что соответствует отношению времени вытекания жидкости ко времени вытекания воды при тех же условиях. Соотношение между Пуазами и градусами Энглера дается формулой:

(3)

где р - плотность жидкости в г/см³.

Вязкость, обозначенная в формуле (3) и определенная через силу сопротивления движению называется еще динамической вязкостью. Существует понятие кинематической вязкости - это вязкость, отнесенная к единичной плотности, т. е.:

(4)