Методы и средства измерений качества ОС

Лекции по разделу «Методы и средства измерений качества ОС». Подготовка к тесту 1

Метрология (от лат. metron – мера и …логия) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

В настоящее время метрология развивается по нескольким направлениям. Если ещё в начале XX века под словом метрология понимали науку, главной задачей которой было описание всякого рода мер, применяемых в разных странах, областях, городах, то теперь это понятие приобрело гораздо более широкий научный и практический смысл, расширилось содержание метрологической деятельности. Сформированы и развиваются три взаимосвязанные ветви: теоретическая, законодательная и практическая (прикладная) метрология.

Теоретическая (фундаментальная) метрология разрабатывает фундаментальные основы метрологии. Она, являясь базой измерительной техники, занимается изучением проблем измерения в целом и образующих измерение элементов: средств и приборов измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измерений и пр.

Законодательная метрология устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физических величин, включающие комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также вопросы регламентации и государственного контроля, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Практическая (прикладная) метрология рассматривает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.

Одной из основных задач законодательной и прикладной метрологии является обеспечение достоверными измерениями исследований, разработки, производства, эксплуатации многообразных технологических процессов и технических устройств; контроль за состоянием окружающей среды, расходованием материальных ресурсов, медицинского обеспечения населения, обороны страны.

Рекомендуемые материалы

В июле 2008 года в нашей стране был принят Федеральный закон об обеспечении единства измерений. Массовость измерений, огромное разнообразие измеряемых физических величин, методов и средств измерений, применяемых в науке и технике, потребовали создания в рамках Государственной системы стандартизации (ГСС) единой системы метрологического обеспечения разработки, производства, испытаний и эксплуатации продукции, научных исследований и других видов деятельности во всех отраслях народного хозяйства.

Научной основой метрологического обеспечения является метрология.

 

Бесконечное множество физических объектов, окружающих нас, обладает безмерным множеством различных качеств и свойств. Из этого неисчислимого количества человек выделяет некоторое ограниченное число свойств, общих в качественном и количественном отношении для ряда однородных объектов и достаточных для их описания.

Величина – свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Необходимо помнить, что любое измерение как познавательный процесс заключается в сравнении путём физического эксперимента данной величины с её значением, принятым за единицу сравнения, т.е. с мерой.

Измерение физической величины есть совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с её единицей и получение значения этой величины.

С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и производят отсчёт. В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам.

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин. На рис. 1.2 показана классификация видов измерений.

По способу получения численного значения измеряемой величины

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно (измерение температуры термометром, длины – линейкой).

Термин «прямое измерение» возник как противоположный термину «косвенное измерение». Строго говоря, измерение всегда является прямым и рассматривается как сравнение величины с её единицей. В этом случае лучше применять термин «прямой метод измерений».

Прямые измерения проводят следующими основными методами: непосредственной оценки, сравнения с мерой, нулевым, замещением, дополнением и дифференциальным.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Например, определение плотности ρ тела цилиндрической формы по результатам прямых измерений массы m, высоты h и диаметра D.

Совокупные измерения – это проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях этой величины в различных сочетаниях. При этом надо учесть, что для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа этих величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними. Как видно из приведённых определений, совокупные и совместные измерения весьма близки друг к другу. Отличие состоит в том, что при совокупных измерениях одновременно определяют несколько одноимённых величин, а при совместных – разноимённых.

Наиболее известный пример совместных измерений – определение зависимости сопротивления резистора от температуры.

По числу измерений

Однократное измерение – это измерение, выполненное один раз. На практике большинство измерений являются однократными. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производят один раз. Но при этом надо иметь ввиду, что весьма велика возможность грубой ошибки – промаха. Во многих случаях рекомендуется выполнить не менее двух-трёх измерений, памятуя известный принцип «семь раз отмерь, один раз отрежь».

Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. Его проводят для уменьшения влияния случайной составляющей погрешности измерения.

По характеру измерений во времени

Статическое (от греч.) измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое (от греч. – сила) измерение – это измерение изменяющейся по размеру физической величины. Термин «динамическое» относится к измеряемой величине. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение всё более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными, поэтому разделение измерений на динамические и статические является достаточно условным.

По связи с объектом

Контактный (от лат. contactus – прикосновение) метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения. Примером может служить измерение температуры термометром.

Бесконтактный метод измерений – метод измерений, основанный на том, что чувствительный элемент средства измерений не приводится в контакт с объектом измерения. Например, измерение температуры пирометром.

По характеру результата измерений

Абсолютное (от лат. absolutus – безусловный, неограниченный) измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант (от лат. constans – постоянный). Измерение силы F = mg основано на измерении основной величины – массы m и использовании физической постоянной g. Понятие «абсолютное измерение» применяется как противоположное понятию «относительное измерение» и рассматривается как измерение величины в её единицах.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноимённой, принимаемой за исходную. Примером может служить измерение активности радионуклида в источнике по отношению к активности радионуклида в однотипном источнике, аттестованном в качестве эталонной меры активности.

По условиям измерений

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Кроме того, различают технические и технологические измерения, контроль.

Технические измерения – это измерение количественных и качественных характеристик свойств продукции (линейных и угловых размеров, массы, шероховатости и т.п.).

Технологические (от греч.– искусство, мастерство, умение и …логия) измерения – измерение режимов, характеристик и параметров технологического процесса (уровня, температуры, давления, расхода, плотности, состава среды и т.п.).

Измерения – основной познавательный процесс науки и техники, с помощью которого значения неизвестных величин становятся известными путём сравнения с однородными, известными значениями величин. Вместе с тем измерения параметров тех или иных объектов почти никогда не носили чисто информационный характер, они всегда служили целям развития (уточнения) знаний об объектах наблюдений, управления процессами, системами, качеством продукции.

Контроль – операция, заключающаяся в определении соответствия измеряемых величин допускам, установленным на их значения для обеспечения нормального функционирования технического объекта или процесса.

Суть контроля сводится к осуществлению двух основных этапов:

1. Получение информации о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эту информацию можно назвать первичной.

2. Сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями, т.е. обнаружение соответствия или несоответствия фактических данных требуемым. Информацию о рассогласовании (согласовании) фактических и требуемых данных можно назвать вторичной.

Таким образом, первый этап контроля – это измерение параметров объекта, а второй – логическая операция по сопоставлению результатов измерения и требуемых характеристик.

Технический контроль – это проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям.

По влиянию на объект контроля, в результате которого объект (продукция) может сохранить свои свойства или необратимо изменить их, его делят на неразрушающий и разрушающий.

Неразрушающий контроль – это такой вид контроля, после которого продукция может быть использована по прямому назначению.

Неразрушающие методы позволяют вести сплошной контроль. Необходимость перехода от выборочного контроля к сплошному возрастает с усложнением контролируемой продукции. Из всех известных методов контроля качества наибольшими функциональными возможностями обладают физические методы неразрушающего контроля, которые в настоящее время являются самой массовой технологической операцией.

В соответствии с ГОСТ 18353–79 различают следующие методы неразрушающего контроля:

1. Капиллярный метод основан на капиллярном проникновении в полость дефекта индикаторной жидкости (керосин, скипидар и др.), хорошо смачивающей материал объекта, что позволяет выявить поверхностные дефекты.

2. Методы течеискания используют для выявления только сквозных дефектов в изделиях и перегородках.

3. Акустический метод основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих и (или) возбуждаемых в объекте контроля.

4. При магнитном методе анализируют взаимодействие магнитного поля с контролируемым объектом.

5. Электрический метод основан на регистрации параметров электрического поля, взаимодействующего с контролируемым объектом (собственно электрический метод), или поля, возникающего в объекте контроля в результате внешнего взаимодействия (термоэлектрический и трибоэлектрический методы).

6. Вихретоковый метод реализован на основе анализа взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте.

7. Радиоволновой метод использует регистрацию изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с объектом контроля.

8. Тепловой метод контроля основан на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов.

9. При оптическом методе неразрушающего контроля наблюдают или регистрируют параметры оптического излучения, взаимодействующего с объектом контроля.

10. Радиационный метод контроля основан на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с объектом контроля.

Причины возникновения погрешностей многочисленны и разнообразны. Следует различать погрешность средства измерений и погрешность результата измерения этим же прибором.

Погрешность результата измерений – отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Она имеет размерность измеряемой величины. Истинное значение величины неизвестно, его применяют только в теоретических исследованиях. На практике используют действительное значение величины Х_д, в результате чего абсолютную погрешность измерения ΔХ определяют по формуле

ΔХ = Х_изм – Х_д,

где Хизм – измеренное значение величины.

Кроме абсолютной, погрешность может быть относительной:

δ=ΔХ/Х* 100 %

и приведённой:

δ пр =(ΔХ/Хmax-Хmin)* 100 %                 

Погрешность средства измерений есть разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Погрешность измерений зависит от метрологических характеристик используемых средств измерений, совершенства выбранного метода измерений, внешних условий, а также от свойств объекта измерения и измеряемой величины. Погрешности измерений обычно превышают погрешности используемых средств измерений, однако, используя специальные методы устранения ряда погрешностей и статистическую обработку данных многократных наблюдений, можно в некоторых случаях получить погрешность измерения меньше погрешности используемых средств измерений.

Стандартом установлено, что численный показатель точности измерений (в том числе и в погрешности) должен иметь не более двух значащих цифр.

При записи результатов измерений наименьшие разряды числовых значений результата измерений и численных показателей точности должны быть одинаковы.

Функция  преобразования  средства  измерений  есть  соотношение  между  его  выходным  и  входным  сигналами  (см. рис.)

                                   Y = Y3{Y2[Y1(Х)]}.               )

Она может быть линейной, что предпочтительнее, или нелинейной (см. рис.).

Погрешность средства измерений есть разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Если на входе прибора имеется сигнал Х₁ (рис. 1.3), то на выходе измеренное значение – Y₁, а номинальное (действительное) значение – Y_н. Очевидно, абсолютная погрешность измерения на выходе будет ΔY = Y₁ – Y_н.

Если номинальная функция преобразования линейна, а реальная нелинейна, то зависимость погрешности измерения по выходу ΔY имеет вид кривой, показанной на рис. 4, т.е. эта зависимость в принятом масштабе «повторяет» реальную функцию преобразования.

По форме представления погрешности разделяют на абсолютные, относительные и приведённые.

Абсолютную погрешность, остающуюся постоянной на всём диапазоне измерений, называют аддитивной (от лат. additivus – прибавляемый). Если она имеет систематический характер, то её можно скорректировать путём установки положения указателя прибора на нулевую отметку шкалы. Поэтому иногда её называют погрешностью нуля.

Абсолютную погрешность, увеличивающуюся с ростом входного сигнала, называют мультипликативной (от лат. multiplico – умножаю, увеличиваю). Она обычно является следствием изменения чувствительности измерительных преобразователей, входящих в измерительную цепь. Мультипликативную погрешность иногда называют погрешностью чувствительности.

Аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности средств измерений показаны на рис. 1.5.

Распределение относительной погрешности измерения δ по диапазону измерений показано на рис. 1.6. Поскольку относительная погрешность при малых значениях Х велика, диапазон измерений прибора выбирают таким образом, чтобы измеряемая величина находилась в последней трети шкалы.

Рис. 7.

На рис. 7 показана структурная схема погрешности измерения и её составляющие.

По характеру изменения результатов при повторных измерениях погрешности разделяют на систематическую и случайную.

Систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности результата измерений, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематическую погрешность наиболее просто выявить путём сопоставления результатов измерений физической величины, проведённых с помощью исследуемого средства измерений, а также однородного, но более точного.

Случайной называется погрешность результата измерений, изменяющаяся случайным образом (по знаку и величине) при повторных измерениях, проведённых с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины. В процессе любого измерения присутствуют многочисленные влияющие величины, учесть которые практически невозможно, но их совместное воздействие сказывается на получении результатов измерений, а следовательно, и на погрешности измерений. В связи с этим до проведения измерений предсказать значение случайной погрешности затруднительно. К случайным погрешностям в большинстве случаев относят и так называемые грубые погрешности (промахи), характерные значительным превышением над ожидаемой (указанной в нормативно-технической документации) погрешностью с учётом данных условий измерений.

По причине возникновения погрешности разделяют на инструментальные, методические и субъективные.

Инструментальная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений, т.е. несовершенством средства измерений, его конструктивно-технологическими особенностями и влиянием внешних условий. К инструментальным погрешностям обычно относят также помехи на входе средства измерений, вызванные его подключением к объекту измерения. Инструментальная погрешность является одной из наиболее ощутимых составляющих погрешности. Она может быть систематической и случайной.

Методическая погрешность – это составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений. Вследствие упрощений, принятых в уравнениях для измерений, нередко возникают существенные погрешности, для компенсации действия которых следует вводить поправки. Иногда погрешность метода может проявляться как случайная.

Субъективная (от лат. subjectus – лежащий внизу, находящийся в основе) погрешность измерения – составляющая погрешности, обусловленная индивидуальными особенностями оператора. Она возникает вследствие индивидуальных особенностей оператора (степень внимательности, сосредоточенности, усталости и т.п.). В большинстве случаев субъективные погрешности являются случайными.

Промах – погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.

По характеру изменения физической величины погрешности делят на статические и динамические.

Статическая погрешность измерения – погрешность результата измерений, свойственная условиям статического измерения. Статическая погрешность Δ_ст – это погрешность измерения в случае, когда измеряемая величина за время измерений не меняется (рис. 1.10). Абсолютная погрешность в этом случае остаётся постоянной.

Динамическая погрешность измерения – это погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения. Динамическая погрешность Δd представляет собой разность между погрешностью средства измерений в динамическом режиме  Δ~  и его статической погрешностью  Δст,  соответствующей значению величины в данный момент времени (рис. 1.10)

Δd = Δ~ – Δ_ст.

Сущность возникновения динамической погрешности состоит в том, что динамические характеристики средства измерений (запаздывание в передаче сигнала, искажение его формы и др.) приводят к несоответствию значений измеряемой величины на входе и выходе средства измерений в данный момент времени.

Твёрдость материала тела

 

Механические свойства материалов данного состава и обработки зависят от вида напряжённого состояния, создаваемого в образцах при испытаниях, условий нагружения, скорости, температуры и состояния внешней среды. Различают статические и усталостные, а также динамические испытания.

1. Статические и усталостные испытания

При растяжении образца на испытательной машине до разрушения, графически фиксируется зависимость между приложенным усилием и удлинением образца, т.н. диаграмма деформации.

2. Динамические испытания и вязкость разрушения.

Твёрдость – характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность.

Твёрдость – сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твёрдого тела, а именно: алмаза, шарика, пирамиды или конуса из закалённой стали.

В зависимости от метода испытания и испытуемого материала твёрдость может оцениваться разными критериями. В большинстве случаев твёрдость определяется по размерам оставшегося на поверхности отпечатка (методы Бринелля, Виккерса и Роквелла).

При определении твёрдости минералов чаще всего используют метод царапания.

Метод Бринелля (по имени шведского инженера Бринелля, J.A. Brinell, 1849 – 1928) – способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытуемую поверхность стального закалённого шарика диаметром D 1,0, 2,0, 2,5, 5,0 или 10,0 мм.

Метод Виккерса (по названию английского военно-промышленного концерна «Виккерс», Vickers Limited) – способ определения твёрдости материала вдавливанием в испытуемую поверхность алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырёхугольной пирамиды с двугранным углом при вершине.

Метод Роквелла (по имени американского металлурга ХХ века С. Роквелла, S.P. Rockwell) – способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного конуса или стального закалённого шарика диаметром 1,588 мм.

Соответственно числа твёрдости обозначаются. При этом измеряют глубину отпечатка.

Наружные измерения. Микрометры

Микрометр для наружного измерения состоит из двух основных узлов (рис. 2.4): скобы 2 с пяткой 1 и стеблем 3 с внутренней резьбой и микрометрического измерительного винта 5 с закреплённым на нём барабаном 7. Контролируемое изделие зажимают между измерительными плоскостями микрометра. Постоянство измерительного усилия в пределах 500 – 900 г обеспечивает трещотка 8.

                       1     2      3     4      5          6                    7              8  9

1 – измерительная пятка; 2 – скоба; 3 – стебель; 4 – стопорный винт; 5 – микрометрический винт со шкалой; 6 – шкала микрометрического  нониуса;  7 – барабан;  8 – трещотка; 9 – стопорный винт барабана

Микрометры  применяют  для  измерения  длин  0 – 25,  25 – 50 мм и так далее до 1.000 мм. По точности показаний их разделяют на три класса. Например, погрешность показаний микрометра 0 – 25 мм не превышает ±2, ±4 и ±8 мкм.

Измерение давления

Различают следующие виды давления (ГОСТ 8.271–77).

Абсолютное – давление, при измерении которого за начало отсчёта принимают абсолютный нуль давления. Абсолютный нуль  давления  может  существовать  либо  в  замкнутом  объёме, из которого удалены все молекулы, либо при полном прекращении движения молекул, т.е. при абсолютной температуре, равной 0 К.

Атмосферное – абсолютное давление околоземной атмосферы.

Избыточное давление – разность между полным абсолютным давлением и абсолютным давлением окружающей среды.

Основные типы приборов для измерения давления

Манометр (от греч. manos – неплотный и …метр) – измерительный прибор или установка для измерения давления или разности давлений.

Манометр абсолютного давления – манометр для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля.

Барометр (от греч. baros – тяжесть и …метр) – манометр абсолютного давления для измерения давления околоземной атмосферы. Барометр с непрерывной записью показаний называют барографом.

Манометр избыточного давления – манометр для измерения разности между абсолютным давлением, большим абсолютного давления окружающей среды, и абсолютным давлением окружающей среды. В большинстве случаев абсолютным давлением окружающей среды является атмосферное давление.

Вакуумметр – манометр для измерения давления разреженного газа. Вакуумметр для измерения давления разреженного газа с верхним пределом измерения не более 40 кПа, называют тягомером. Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – состояние газа при давлениях р, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (р > 1 мм рт. ст.), средний (10–3 мм рт. ст. < р < 1 мм рт. ст.),  высокий  (10–8  мм  рт.  ст. < р < 10–3 мм рт. ст.).  Давление р < 10–8 мм рт. ст. соответствует сверхвысокому вакууму.

Мановакуумметр – манометр для измерения избыточного давления и давления разреженного газа. Мановакуумметр для газовых сред с верхним пределом измерения не более 20 кПа называют тягонапоромером.

Дифференциальный манометр – манометр для измерения разности двух давлений. Дифманометр с верхним пределом измерения не более 40 кПа называют микроманометром.

Измеритель парциальных давлений – манометр для измерения давления, которое оказывал бы один из газов, входящих в газовую смесь, если бы из неё были удалены все остальные газы, при условии сохранения первоначальных объёма и температуры.

По принципу действия манометры классифицируют следующим образом.

1. Жидкостной – манометр, принцип действия которого основан на уравновешивании измеряемого давления, или разности давлений, давлением столба жидкости.

1.1. U-образный манометр – жидкостной манометр, состоящий из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости.

1.2. Компрессионный (от лат. compressus – сжатый) – жидкостной манометр, в котором для измерения абсолютного давления разреженного газа последний подвергается предварительному сжатию ртутью.

2. Колокольный – манометр, давление в котором определяют по перемещению колокола, погружённого в жидкость, или развиваемой им силе от измеряемого давления.

3. Кольцевой – дифференциальный манометр, измеряемая разность давлений в котором определяется по углу поворота кольцевого корпуса или по моменту силы, создаваемому подвешенным к корпусу грузом.

4. Грузопоршневой – манометр, принцип действия которого основан на уравновешивании измеряемого давления давлением, создаваемым весом поршня с грузоподъёмным устройством, и грузов с учётом сил жидкостного трения.

5. Деформационный (от лат. deformatio – искажение) – манометр, принцип действия которого основан на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.

5.1. Мембранный (от лат. membrane – перепонка) – дифференциальный манометр, в котором чувствительным элементом является мембрана или мембранная коробка.

5.2. Сильфонный – деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является сильфон.

5.3. Трубчато-пружинный – деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является трубчатая пружина.

5.4. Манометр с вялой мембраной – деформационный манометр, в котором измеряемое давление воспринимается вялой мембраной и преобразуется в силу, уравновешиваемую дополнительным устройством.

6. Электрический – манометр, принцип действия которого основан на зависимости электрических параметров преобразователя давления от измеряемого давления.

6.1. Пьезоэлектрический (от греч. pieso – давлю, сжимаю и …электрический) – манометр, принцип действия которого основан на зависимости электрического заряда пьезоэлемента от измеряемого давления.

6.2. Манометр сопротивления – электрический манометр, принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от измеряемого давления.

6.3. Ионизационный – манометр, принцип действия которого основан на зависимости тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления.

6.4. Электронный ионизационный – ионизационный манометр, в котором ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим полем.

6.5. Магнитный электроразрядный – ионизационный манометр, принцип действия которого основан на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.

6.6. Радиоизотопный – ионизационный манометр, в котором для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников.

7. Тепловой манометр – манометр, принцип действия которого основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.

7.1. Термопарный – тепловой манометр, в котором использована зависимость термоэдс термопары от измеряемого давления.

8. Вязкостный – манометр, принцип действия которого основан на зависимости вязкости разреженного газа, определяемой движением в нём твёрдого тела, от измеряемого давления.

Сигнализатор давления – средство контроля, начинающее или прекращающее выдавать выходной сигнал при достижении заданного давления.

В настоящее время известно более 600 принципов действия средств измерений давления. Однако на практике используются около 30.

У всех манометров жидкостной системы измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым столбом жидкости.

Жидкостные манометры обладают высокой точностью и надёжностью, но они инерционны и во многих из них в качестве манометрической жидкости используется ртуть, что требует соблюдения особых мер безопасности и осложняет эксплуатацию манометров.

Простейший представитель жидкостных дифманометров с видимым уровнем – это стеклянная U-образная трубка, заполненная до середины манометрической жидкостью и снабжённая шкалой. Этот простой прибор представляет собой изогнутую стеклянную трубку 1, заполненную до половины жидкостью 3 (вода, ртуть). Трубку закрепляют по отвесу вертикально на твёрдом основании и по её высоте наносят шкалу 2 в миллиметрах. Измеряемая величина уравновешивается столбом h рабочей жидкости, равным сумме столбов h1 и h2 в обоих коленах трубки.

При измерении давления или разрежения один конец трубки оставляют открытым, а другой соединяют с объектом измерения, а при измерении разности давлений к обоим концам трубки подводят измеряемые давления.

Свойства манометрических жидкостей (плотность, поверхностное натяжение, коэффициент объёмного расширения и др.) существенно влияют на характеристики жидкостных манометров. В однотрубных и двухтрубных манометрах применяется преимущественно ртуть и вода, в а приборах с наклонной трубкой – спирт.

Деформационными называют манометры, у которых измеряемый перепад давления воспринимается чувствительным элементом (одна или несколько упругих или вялых мембран или сильфонов), уравновешивается упругими силами либо самого элемента при деформации, либо же дополнительными (чаще всего винтовыми) пружинами, и измеряется по величине деформации этого элемента.

Деформационные манометры появились позже жидкостных.

Достоинствами деформационных манометров являются:

– малая масса и, следовательно, малая инерция, обеспечивающая высокую частоту собственных колебаний;

– малое время запаздывания благодаря небольшому измерительному объёму;

– отсутствие ртути;

– пригодность работы на транспортных (мобильных) средствах;

Обратите внимание на лекцию "Приложение Б Операции с матрицами".

– небольшие габаритные размеры, не зависящие от величины давления.

Основные чувствительные элементы деформационных манометров – металлические мембраны и сильфоны. Значительно реже при небольших давлениях применяют вялые мембраны из резины или прорезиненной ткани. Деформационные манометры подразделяют на мембранные и сильфонные. В них давление уравновешивается силами упругости мембраны или сильфона.

В производственных условиях деформационные манометры вытеснили жидкостные, сфера деятельности которых сузилась до использования в качестве образцовых и контрольных, а также в лабораторной практике. В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления используют мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины.

Манометры с трубчатой пружиной в большинстве случаев являются приборами, в которых измеряемое давление последовательно преобразуется в перемещение незакреплённого конца пружины и связанного с ним показывающего, регистрирующего, сигнализирующего устройства Принцип действия манометров с трубчатой пружиной поясняет рис. 4.6. Чувствительный элемент манометра выполнен в виде полой трубчатой пружины 3, центральная ось которой представляет собой дугу окружности. Один конец пружины, в которой через радиальный штуцер 5 поступает давление, закреплён, а второй (закрытый) может перемещаться. Сечение трубчатых пружин может быть в виде эллипса (пружина Бурдона) или плоскоовальное. При подаче в трубку давления сечение деформируется, и пружина стремится распрямиться.

Предельное давление, при котором ещё сохраняется линейная зависимость между перемещением конца трубки и давлением, называется пределом пропорциональности трубки. Предел пропорциональности является важнейшей характеристикой трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для дальнейших измерений.