Руководство по измерению давления и вакуума
| Вид материала | Руководство |
- Билет №3, 172.94kb.
- И. П. Волк рлэ як-18т руководство, 1114.6kb.
- Законы эволюции вселенной час ть 10. Механизм формирования, 684.99kb.
- Н. А. Козырева как механика физического вакуума. Жвирблис В. Е. 1994, 245.74kb.
- Научная и производственная элита по вопросам измерения давления впервые собралась, 40.25kb.
- Методика обработки кривых восстановления давления, полученных при исследовании газовой, 153.93kb.
- Разработка системы автоматического управления компрессора сверхвысокого давления, 14.49kb.
- Литература. 27, 287.37kb.
- Роль атмосферного давления в поведении рыбы, 42.82kb.
- Невский завод, 56.79kb.
Перечень в табл. 8-1 не является полным и весь набор влияний должен быть определен для каждого конкретного случая. При оценке неопределенностей типа В следует избегать «двойного счета» эффектов, которые уже сделали свой вклад в оценку неопределенностей типа А. Например, разрешение цифрового измерительного прибора не следует включать в расчет неопределенности само по себе, если оно уже повлияло на результат определения повторяемости (неопределенности типа А).
После определения величин влияния должны быть определены математические отношения между ними и измеренными величинами давления. По такой формуле определяется вклад в общую неопределенность при измерениях давления вследствие неопределенности каждой величины влияния. Это обычно достигается путем вычисления коэффициента чувствительности для каждой величины влияния, по сути, изменения в вычисленном значении величины давления вследствие изменения в «одной единице» значения величины влияния, а затем умножая его на стандартную неопределенность в величине влияния. Коэффициенты могут иметь большой диапазон физических величин, некоторые из которых очевидны, а некоторые нет.
Некоторые соотношения давление/величина влияния просты и могут дать простые «фиксированные», т.е. независимые от давления неопределенности (такие как разрешение цифрового прибора) или неопределенности, которые просто пропорциональны давлению (такие как неопределенность давления за счет плотности жидкости: чем выше давление, тем длиннее столбик и тем больше неопределенность давления).
Однако многие математические зависимости более сложны и обычно используется один из двух методов для расчета коэффициентов чувствительности. По традиционному методу коэффициенты определяются путем вычисления частной производной по давлению каждой величины влияния. Менее элегантный метод заключается в использовании ЭВМ для последовательного приращения, как положительного, так и отрицательного, каждой величины влияния и расчета соответствующих изменений величины давления. Кроме того, заменяется типовой набор значений всех величин влияния, соответствующих каждой величине давления.
Какой бы метод не использовался, затем выполняется оценка неопределенности измерения, связанной с каждой величиной влияния, например, 0,5 С (температура), 0,2 мм (высотная коррекция), 0,1 (вертикальность) и 0,5 Па (разрешение). Значения могут представлять собой стандартные отклонения, доверительные интервалы, полудиапазонные пределы прямоугольных или других статистических распределений и должны быть преобразованы в форму стандартной неопределенности. Каждая стандартная неопределенность затем умножается на соответствующий коэффициент чувствительности для расчета влияния каждой неопределенности на измерение давления.
Затем результаты суммируются (в квадратной степени, если нет корреляции; см. раздел 8.3) для получения суммарной стандартной неопределенности и, учитывая эффективное число степеней свободы, находят расширенную неопределенность путем умножения на коэффициент охвата k, соответствующий требуемому доверительному уровню.
- Распространение ошибок и «привнесенная» неопределенность
Как было ранее сказано (см. раздел 7.2), единство измерений достигается посредством неразрывной последовательности калибровок. Тогда как этот метод обеспечивает наилучшую оценку значения любого измерения, каждый шаг в последовательности вносит некоторую дополнительную неопределенность. Причиной этого является то, что каждый прибор в последовательности будет иметь возможный дрейф, ограниченное разрешение, неопределенность в выборках на каждом шаге и т.д. Неопределенность в любой точке последовательности состоит из накопленного результата всех предыдущих неопределенностей. Однако на практике пользователям не следует беспокоить себя этими подробностями, поскольку они будут включены в «привнесенную» неопределенность при условии, что они используют прибор на базе единства измерений.
9. Практические рекомендации
- Общие сведения
Важно помнить рекомендации по выбору устройства, поскольку более подходящее устройство, выбранное с самого начала, облегчит его практическое применение. В данном разделе приведены некоторые общие указания.
Сначала рассмотрим некоторые общие вопросы, а затем рекомендации по отдельным классам приборов. Нужно заметить, что неполная информация по конкретным приборам не подразумевает, что они не важны, но имеется в виду, что нужно руководствоваться общими указаниями, которые обычно достаточны.
- Правильные измерения – измерения следует проводить так, чтобы удовлетворять согласованным и установленным требованиям
- Правильные средства – измерения нужно проводить с использованием оборудования и методов, которые показали свое соответствие назначению
- Правильные специалисты – персонал, занимающийся измерениями, должен быть компетентным, соответственно квалифицированным и хорошо информированным
- Правильные процедуры – наличие хорошо определенных процедур, соответствующих национальным или международным стандартам
- Явная совместимость – измерения должны быть воспроизводимы
- Систематическая оценка – должна проводится оценка технических характеристик измерительных средств и состояния процедур с участием внутренних или независимых экспертов
Ряд общих факторов, влияющих на измерение давления, описаны далее. С учетом большого разнообразия средств измерения давления, не все приведенное ниже будет соответствовать каждому конкретному случаю.
- Вибрация или пульсации
Вибрация всего измерительного прибора и пульсации барических сред являются двумя самыми распространенными причинами отказа манометров с механическим отклонением (например, трубчатые манометры и мембранные манометры), хотя эти проблемы широко известны. Мембранные манометры могут быть повреждены под воздействием пульсаций барической среды, даже при низкой амплитуде колебаний, если она совпадет с частотой собственных колебаний датчика, что вынуждает его резонировать (или «звонить»). Конструкции на основе маслонаполненных полостей и изолирующих мембран или использование демпфирующих объемов или устройств, которые ограничивают расход, могут обеспечить защиту от пульсаций. Вибрации лучше всего устраняются в месте их возникновения, если это возможно, или иногда с помощью гибких сильфонов.
- Температура
Многие манометры используют гибкий элемент, свойства которого изменяются под воздействием температуры и приводят к ошибочным показаниям величины давления. Часто можно применить температурную компенсацию в определенных пределах, хотя в более экстремальных случаях может потребоваться какое-то местное охлаждение или нагрев, или отделение датчика от источника экстремальных температур. Электронные схемы, встроенные во многие приборы, работают только в указанных температурных пределах и отличаются для конкретных типов приборов.
Для очень важных лабораторных измерений нужно учитывать воздействие прямых солнечных лучей.
- Защита от высоких давлений
Манометры могут выдерживать воздействие давлений несколько выше их рабочего диапазона измерений. Однако приборы значительно отличаются по своим характеристикам и такие допуски имеют свои пределы (очень близкие к рабочему диапазону), поэтому можно рекомендовать установку запорных клапанов.
9.1.4.Взвешенные частицы
В случае прилипания твердых частиц к измерительному элементу могут возникать ошибки. Фильтры помогают справиться с этой проблемой.
При измерениях в жидкостях твердые частицы могут создать проблемы при осаждении в местах, где жидкость неподвижна, такие как каналы давления датчиков или «мертвые колена» труб, ведущих к датчику. Это осаждение может привести к забиванию трубы или каналу давления датчика или к быстрой местной коррозии вследствие точечной коррозии в местах прилипания частиц. Тщательный монтаж может снизить этот эффект, если известна плотность твердых частиц. Если твердые вещества сами являются смесями, в которых твердые частицы различаются по величине плотности от менее плотности воды до больших значений, как в случае со сточными водами, то следует предусмотреть возможность продувки чистой водой для регулярного удаления накопленных твердых веществ.
- Фазовые переходы
Некоторые материалы могут создавать проблемы с фазовыми переходами, такие как затвердение, вследствие температурных изменений. Это особенно заметно, когда вода замерзает в датчике и приводит к выходу из строя прибора. Важно предотвратить появление фазовых переходов, возможно, с помощью дополнительных нагревателей. Кристаллизация также может создать проблемы.
- Вязкость
Тогда как переменная вязкость может не приводить к ошибкам измерений в статических системах, более высокая вязкость может повлиять на частотную характеристику прибора. Это может оказаться желательным , если нужно усреднить быстрые флуктуации вокруг статического значения. И наоборот, это может оказаться нежелательным, если нужно определить эти самые флуктуации. Нужно указать, что температура сильно влияет на вязкость и следует принимать соответствующие меры при выполнении измерений. Один манометр, а именно, вакуумметр с вращающимся ротором используется для измерения вязкости, чтобы определить давление в вакууме.
- Изменения давления окружающей среды и сквозняки
Манометры могут подвергаться воздействию атмосферного давления, которое в ряде случаев может быть большим. Сквозняки, включая потоки воздуха от систем кондиционирования, могут привести к случайным показаниям чувствительных манометров низкого давления и к отрицательному воздействию на некоторые чувствительные приборы, такие как грузопоршневой манометр.
- Назначение
Ряд измерений давления направлены на косвенное измерение других величин, при этом давление является удобной величиной для выполнения таких измерений. Даже, если измерение величины давления проведено очень хорошо, это не обязательно будет означать, что другая величина будет определена так же хорошо, если при этом имеются другие факторы, влияющие на эту связь. Например, если ныряльщик захочет узнать, насколько глубоко он погрузился и будет использовать давление для определения глубины, то без учета переменной плотности воды это скажется на точности полученных результатов.
- Ориентация и наклон
Некоторые приборы чувствительны к их ориентации или пространственному положению. Грузопоршневой манометр особенно чувствителен и не будет правильно работать, если поршень не будет выставлен строго вертикально. Чувствительные мембранные манометры нужно также устанавливать в правильное положение для обеспечения воспроизводимых результатов.
9.1.10 Ускорение силы тяжести
Для выполнения точных измерений с помощью грузопоршневых манометров и U-образных жидкостных манометров нужно знать величину ускорения силы тяжести g. Ее можно найти путем измерений на месте, вычислений или интерполяции измеренных значений. Колебания значений g на поверхности Земли равны, примерно, 0,5 % в зависимости от широты местности плюс, примерно, 0,003 % на каждые 100 м высоты. Небольшое влияние могут также оказывать местные топографические условия и приливные силы. Кей и Лэйби [35] приводят уравнение для расчета значения g в зависимости от широты и высоты. Альтернативой вычислениям может быть получение местного значения g в Великобритании по данным Британской геологической съемки (БГС). БГС выполнила измерения g по всему Соединенному Королевству (так же как это делает государственная высотная съемка Великобритании для получения реперных точек высот над уровнем моря). После этого нужно лишь ввести небольшие поправки в ускорение силы тяжести на высоту и широту в месте производства измерений.
- Трубчатые манометры
Применяя трубчатые манометры для измерения постоянного давления, можно позволить рабочему давлению быть равным 75 % от предела измерения прибора. Однако, если давление колеблется, максимальное значение измеряемого давления не должно превышать 60 % от предела измерения. Это общепринятая практика и она рекомендуется Британским стандартом BS 1780: 1985 [4]. Многие пользователи вводят свои дополнительные процедуры, в особенности, когда манометр должен выдерживать случаи экстремального давления, которое значительно выше, чем обычные рабочие давления.
Следует соблюдать рекомендации по безопасности, изложенные в разделе 9.5.2 в отношении установки манометров с учетом безопасных условий эксплуатации.
- Грузопоршневые манометры
Рабочий диапазон измерений. Самое низкое давление, при котором ГПМ будет правильно работать, колеблется в пределах 2-20 % от его максимального рабочего давления. Иногда утверждают (и калибровочные паспорта это подразумевают), что их можно использовать при давлениях с такими низкими величинами, как это может позволить масса самого поршня. Это неверно. Даже если поршень будет свободно вращаться, он выдаст результаты с неопределенностью, которую рассчитать правильно будет затруднительно. Минимальные давления, при которых можно гарантировать достоверные измерения, можно получить лишь с помощью калибровки.
Рабочая среда. Для работы в гидравлических системах, выбор рабочей жидкости является компромиссом между требованиями системы, например, низкая вязкость для быстрой реакции и минимальное торможение вращения поршня, но предотвращая при этом слишком большие протечки жидкости мимо поршня. Жидкость должна быть совместима со всеми элементами системы и ее электрическая проводимость должна быть учтена, например, при калибровке пьезоэлектрических устройств.
ГПМ, работающие с газами, обычно используются с очищенным воздухом или с азотом, свободным от кислорода. Азот обычно обеспечивает наиболее безотказную работу. Подача газа должна быть настроена на давление несколько большее, чем максимальное рабочее давление. При работе с низкими давлениями можно использовать ручной насос, а при давлениях ниже атмосферного может потребоваться ротационный вакуумный насос.
Измерительные приборы, которые нужно калибровать по ГПМ, могли быть ранее использованы с различными рабочими средами, остатки которых могут загрязнять ГПМ, поэтому нужно принять соответствующие меры против этого. Это может быть чистка прибора или использование соответствующего сепаратора, который удерживает рабочую среду при передаче давления через барьер. Ниже давлений порядка 0,5 МПа, при которых гидравлические ГПМ не работают правильно, сепараторы позволяют калибровать гидравлические приборы по газовым приборам. Однако нужно заметить, что все такие методики увеличивают неопределенность измерений.
Ускорение силы тяжести. Значение ускорения силы тяжести меняется, примерно, на 0,5% по поверхности Земли. Эти изменения поэтому имеют очень большое влияние на направленную вниз силу, которую масса создает, и кроме самых грубых случаев использования, нужно знать местное значение ускорения силы тяжести. В разделе 9.1.10 приведены сведения, как можно получить местные значения.
Сквозняки. ГПМ чувствительны к сквознякам даже от, казалось бы, не мощных систем кондиционирования и их следует ограждать для минимизации такого влияния. Полезным будет включить и выключить системы кондиционирования на конечных стадиях измерений для проверки их влияния.
Температура и влажность. Большинство ГПМ имеют поршни и цилиндры, выполненные из стали или карбида вольфрама и их площади меняются в пределах 9-27 частей на миллион/С. Поэтому для высокоточных измерений важно измерить температуру поршня и цилиндра для того, чтобы выполнить температурную коррекцию. Однако нельзя непосредственно измерить температуру плавающего поршня, поэтому ее нужно определить по температуре соседних элементов. Если комнатная температура нестабильна, то разница температур между поршнем и соседними элементами может быть значительной и ее нужно оценить при выполнении расчетов неопределенностей измерений. Термографы (записывающие термометры) часто используются для контроля комнатной температуры, но нужно заметить, что они могут иметь очень большие постоянные времени и, следовательно, будут показывать стабильные значения температур в присутствии кратковременных температурных колебаний, которые влияют на работу ГПМ. Близко расположенные электродвигатели, например, для автоматического вращения поршней могут затруднить измерения температуры так же, как и прямые солнечные лучи.
Температура воздуха и влажность (а также атмосферное давление) меняют плотность воздуха и, следовательно, выталкивающую силу, воздействующую на массы. Это, в свою очередь, влияет на результирующую направленную вниз силу ГПМ и нужно вводить поправки для измерений с повышенными требованиями [21]. Если воздух более влажен, то может потребоваться защита открытых частей прибора от коррозии.
Вибрация и вертикальность. Вибрация может оказывать очень вредное влияние на работу ГПМ, если ее величина достаточна для возбуждения колебаний масс в любой плоскости, что приводит к наложению пульсаций или шумовых сигналов на измеряемое давление. Поэтому оборудование нужно устанавливать на прочно закрепленные твердые стенды, которые бы не изгибались значительно при нормальных условиях работы, включая установку и удаление каких-либо тел. В некоторых обстоятельствах может оказаться необходимым применить виброизоляцию стенда, но важно, чтобы он не вносил дополнительный наклон.
Ось ГПМ должна быть строго вертикальной. Это способствует тому, что сила воздействия на рабочую среду массы поршня и других масс будет максимальной. Любое отклонение от вертикальности изменяет и уменьшает усилие и, следовательно, давление, создаваемое конкретной парой поршень-цилиндр и комбинацией масс. Для поршней с жестко закрепленной весовой платформой нужно использовать чувствительный спиртовой уровнемер для юстировки прибора. Если юстировка обеспечит то, чтобы показания уровнемера оставались постоянными при нескольких положениях вращения поршня, то можно предположить, что ось поршня перпендикулярна «уровню». При других конструкциях прибора, например, с консольным кольцевым держателем веса без жесткой платформы это может оказаться невозможным. В таком случае горизонтальная юстировка должна выполняться по отношению к верхнему среза цилиндра, хотя точность такого метода будет зависеть от перпендикулярности верхнего среза цилиндра по отношению к его отверстию. Для наиболее точных измерений не вертикальность должна быть не более 2 дуговых минут.
Чистота. Чистота узла поршень-цилиндр особенно важна и, чтобы избежать загрязнения от кислой среды на коже человека, не следует непосредственно прикасаться к его внутренним поверхностям. Применяется целый ряд методов чистки, при этом следует руководствоваться инструкциями изготовителя.
Методы чистки узлов, работающих с газом, в общем, включают в себя применение растворителей, полировку салфетками и сушку обдуванием поверхностей для удаления посторонних частиц. Важно использовать растворители, не оставляющие следов. Узлы с меньшими зазорами можно чистить с помощью чистого туалетного мыла с промывкой горячей водой. Предполагается, что мыльный остаток будет действовать как смазка граничного слоя.
Если чистка не была тщательной, то угловое торможение ГПМ с газовой рабочей средой будет заметно выше, в особенности, при низких давлениях, когда вращающий момент меньше. ГПМ также будет менее чувствителен к малым изменениям давления (например, добавление небольшого веса) и может скрипеть. Ни при каких обстоятельствах нельзя продолжать эксплуатацию такого прибора без его чистки, так как это может привести к постоянному повреждению или к изменению эффективной площади. После чистки поршням и цилиндрам нужно дать достаточно времени для достижения одинаковой температуры перед повторной сборкой.
ГПМ с масляной рабочей средой менее подвержены проблемам, связанным с загрязнением и чистка с помощью растворителей необходима лишь в крайних случаях. Элементы нужно всегда повторно смазывать перед сборкой, эксплуатацией или хранением.
С массами нужно обращаться осторожно и содержать их в чистоте. Любое масло, грязь, коррозия или другие повреждения повлияют на массовые значения и, следовательно, на общую точность получаемого давления. Массы нужно хранить в пылезащитном чехле или в закрытой коробке.
Гидравлические системы нужно систематически проверять на наличие посторонних веществ, которые могут повредить поршень и цилиндр. Применение фильтров может минимизировать риск повреждения, но их нужно устанавливать там, где они не создадут перепадов давления.
- Рекомендации по вакуумным измерениям
- Общие сведения
Многие современные вакуумметры можно устанавливать в любом положении без отрицательного влияния на их показания. Невзирая на это, стандартной практикой в установке вакуумметров является их вертикальное положение с соединительным патрубком к вакуумной системе в их основании. Это предотвращает попадание любых загрязнений в прибор. При ситуациях, связанных с возможностью значительного загрязнения, рекомендуется предусмотреть дополнительную защиту с помощью спеченных фильтров, клапанов, спиралей и т.п., хотя нужно учитывать их влияние на газовый поток. Ориентация также важна для некоторых типов термоэлектрических вакуумметров. Изменение положения измерительной головки может привести к конвективной теплопередаче возле проволочного нагревателя, отличающейся от той, которая имела место при калибровке. Это может привести к ошибкам при измерении.
В тех случаях, когда измерительные головки вакуумметров не установлены вертикально, рекомендуется, чтобы приборы, которые можно юстировать или регулировать (например, манометры Пирани, емкостные вакуумметры), были калиброваны в том положении, в котором они будут обычно эксплуатироваться.
Некоторые вакуумметры особенно чувствительны к вибрациям, например, вакуумметры с вращающимся ротором и чувствительные емкостные вакуумметры (те, у которых показания полной шкалы менее 1000 Па). В таких случаях может оказаться необходимым уменьшить эти влияния, например, с помощью сильфонов.
Термоэлектрические вакуумметры содержат термодатчики, которые сохраняют точность измерения температуры окружающей среды (часто в пределах 0…50 С). Это может быть значительно ниже, чем установленная максимально допустимая температура окружающей среды для измерительной головки, что может привести к неточности. Там, где это возможно, измерительную головку нужно защищать от теплового излучения. Если теплопередача возможна через соединительные трубопроводы, то их нужно охлаждать.
Для особо точных измерений нужно брать в учет влияние температурных перепадов (эффект температурной транспирации).
Измерительная головка должна быть подключена к вакуумной системе с помощью прямого, короткого и широко патрубка. Патрубок должен иметь внутренний диаметр не меньше, чем диаметр патрубка самого прибора. Длинные, узкие или угловые патрубки могут привести к значительным ошибкам измерения. Причиной этого является сопротивление потоку газа по длине патрубка, что особенно заметно при низких давлениях, где преобладают условия молекулярного потока.
Измерительная головка должна быть подсоединена максимально близко насколько это возможно к точке, в которой требуется измерить давление. В системах с накачкой или там, где имеется постоянная передача газа с одной области в другую, давление будет ниже вблизи впускного патрубка насоса. Следовательно, нужно учитывать положение вакуумметра в системе по отношению к насосам и к области давления.
Впуск газа через клапан в вакуумную камеру может привести к эффекту «накачки» прямо в измерительную головку. Это может привести к ложным показаниям величины давления и в случае применения приборов, содержащих тонкие проволочные структуры, это может их повредить. В этом случае нужно использовать дефлектор или другое отражательное приспособление на пути входного потока газов для их рассеяния.
Впускные патрубки измерительных головок не должны быть на одной линии друг с другом, чтобы ограничить их возможное взаимовлияние.
Тогда, когда измерительные головки не подсоединены к вакуумной системе, важно их содержать в чистоте и защищенными от пыли и посторонних предметов. Закрытые измерительные головки обычно снабжены защитными заглушками. Другие типы вакуумметров должны храниться в пылезащищенных коробках или в шкафах, когда они не эксплуатируются.
- Емкостные мембранные манометры в вакуумном режиме
Для вакуумных измерений рекомендуется устанавливать измерительную головку в вертикальном положении с патрубком, направленным вниз во всех случаях, где это возможно. Для этого имеются две причины. Во-первых, измерительные головки всегда калибруются в таком положении и изменение ее положения может оказать гравитационное влияние на саму мембрану, приводя к небольшим неточностям. В частности, когда плоскость мембраны горизонтальна, на мембрану воздействуют гравитационные силы, которые неотличимы от показаний величины давления, а когда эта плоскость вертикальна, то эта сила равна нулю и датчик лишь слегка отклоняется.
В большинстве конструкций емкостных мембранных вакуумметров при давлениях выше, примерно, 10 % от полной шкалы прибора, мембрана входит в контакт с электродом, что приводит к повышенным отсчетам давления. В особенности для датчиков низкого давления рекомендуется использовать запорный клапан для защиты измерительной головки от давлений, превышающих величину полной шкалы. Обычно, может потребоваться повторная установка нуля, хотя в крайних случаях могут иметь место неисправимые повреждения мембраны.
- Термоэлектрический вакуумметр
Работа в режиме постоянного напряжения имеет то преимущество, что задающая схема относительно проста, однако, поскольку температура нити меняется в зависимости от давления, эти приборы не столь точны при более высоких давлениях (приближающихся к атмосферному). Работа в режиме постоянной температуры имеет лучшие технические показатели при более высоких температурах, но требует наличия более сложных электронных схем.
Показания давления этих вакуумметров (описанные в разделе 5.9) зависят от вида газа. Природа этой зависимости сложна и показатели относительной чувствительности для различных газов меняются в зависимости от давления и характеристик прибора. Ряд примерных значений относительной чувствительности для давлений ниже 10 Па приведены в табл. 9-1, но заметим, что эти данные служат лишь для общего руководства.
Таблица 9-1. Относительные чувствительности стандартного термоэлектрического вакуумметра
| Тип газа | Относительная чувствительность |
| Азот | 1,0 |
| Сухой воздух | 1,0 |
| Водяной пар | 1,5 |
| Аргон | 0,7 |
| Водород | 1,4 |
| Гелий | 1,0 |
| Окись углерода | 1,0 |
| Двуокись углерода | 1,1 |
| Пары ртути | 0,3 |
| Криптон | 0,5 |
| Ксенон | 0,4 |
| Кислород | 1.0 |