Метрологический анализ метода измерения малых давлений

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

Задание………………………………………………………………………...…2

Введение………………………………………………………………………….4

1. Общие  понятия о давлении…………………………………………………..5

2.  Единицы измерения давления……………………………………………….7

3. Общая  характеристика датчиков давления………………………..………..8

4. Принцип  выбора датчика давления………………………………………….9

5. Типы  датчиков давления…………………………………………………….11

6. Принципы  действия измерителей давления………………………………..13

7. Обзор  существующих датчиков давления………………………………….16

8. Датчик  давления «DPS +»

   8.1 Общее описание, область применения…………………………………..20

   8.2 Технические параметры…………………………………………………..21

   8.3 Схема подключения датчика……………………………………………..23

9. Расчет погрешности измерительного канала…………………………………25

10. Статистическая  обработка результатов многократных  наблюдений…....27

   10.1 Определение параметров, характеризующих закон распределения случайной величины……………………………………………………………..28

   10.2 Оценка нормальности закона распределения случайной величины, оценка степени расхождения его с нормальным законом распределения…...30

   10.3 Исключение грубых погрешностей. Точечная и интервальная оценка истинного значения измеряемой физической величины……………………...33

   10.4 Оценка истинного значения измеряемой  величины и его СКО с помощью доверительных интервалов неопределенности при заданных уровнях доверительной вероятности……………………………………………34

11. Вопросы  метрологического обеспечения стандартизации  и сертификации

   11.1 Стандартизация……………………………………………………………36

   11.2 Сертификация……………………………………………………………..40

Заключение………………………………………………………………………..43

Список  использованной литературы…………………………………………….44

     Введение 

     Метрология  изучает широкий круг вопросов, связанных  как с теоретическими проблемами, так и с задачами практики. К их числу относятся: общая теория измерений, единицы физичиских величин и их системы, методы и средства измерений, методы определения точности измерений, основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений, эталоны и образцовые средства измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерения. Большое значение имеет изучение метрологических характеристик средств измерений, влияющих на результаты и погрешности измерений.

     Целью данной работы является применение знаний в области метрологии по повышению качества измерений, правильного выбора и использования средств измерений, направленных на решение технических проблем, связанных с обеспечением качества продукции и услуг, стандартизации и сертификации производства на основе использования стандартов и норм контроля над их соблюдением.

     В данной курсовой работе требуется с использованием различных источников произвести обзор и сравнительный анализ современных методов и средств измерений малых давлений (0 – 100кПа) с указанием метрологических и эксплуатационных характеристик используемых при этом и средств измерений.

     Для выбранного средства измерения нужно  произвести:

• метрологическую характеристику измерительного канала;
• статистическую обработку результатов многократных измерений;
• нормирование погрешности средства измерений по результатам многократных экспериментов.

 
 
 
 

1. Общие понятия о давлении 

     Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, который некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль назвал барометром.

     В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: «Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной». В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления газов, из которой аналитическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опередил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: «При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается».

     В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать.

     Давление  имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях.

     Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

     Кинетическая  теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул. Предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1,3 кг/м³, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм  его плотность уже будет 65 кг/м³, т.е. в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг/м³, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм — плотность равна 1002 кг/м³, а при температуре 100°С и давлении 1 атм плотность равна 958 кг/м³.

     Избыточное  давление —  это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае — речь идет о вакууме. Давление называется относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным — когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении. 
 
 
 
 
 
 

2.  Единицы измерения  давления 

     В системе СИ единицей измерения давления является паскаль: 1 Па=1Н/м². Это значит, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1 атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой 1 метр на площадку 1 квадратный сантиметр при температуре +4°С и нормальном гравитационном ускорении.

     Между единицами давления существует следующая  взаимосвязь:

     1 Па = 1.45х 10^-4фунт-сила /дюйм² =9.869х 10^-6атм = 7.5х 10^-4см ртутного столба

     Для грубых оценок можно запомнить еще  одно соотношение: 0.1 мм Н₂О создает давление, приблизительно равное 1 Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0°С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой:

     1 атм = 760 торр = 101.325 Па .

     В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как psi. Для перевода psi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:

     1 psi = 6.89x10³Па = 0.0703 атм. 
 
 
 
 
 

      3. Общая характеристика датчиков давления 

     Принцип регистрации давления служит основой  для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Бурдона,  гофрированной мембраны.  Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления  имеют  на  выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

     В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полупроводниковые тензометры диффузионного  типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми  размерами и легко интегрируются с периферийными схемами.

     Полупроводниковые датчики давления диффузионного  типа широко используются в автомобильной  электронике,  во всевозможных компрессорах. Основные проблемы – это температурная  зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы. 
 
 
 
 
 
 
 

     4. Принцип выбора датчика давления 

     На  современном рынке представлено огромное количество датчиков давления, предназначенных для широкого круга  применений. Задача системного разработчика состоит как в том, чтобы разобраться в назначении и пригодности этих предложений для решения конкретной задачи, так и в том, чтобы сделать оптимальный выбор и отдать предпочтение какому-то конкретному изделию из множества вариантов.

     Выбор датчика давления для данного  применения включает составление его спецификации и выполняется примерно в следующей последовательности:

• определение назначения, типа и диапазона измеряемого давления (абсолютное, избыточное или дифференциальное, рабочее и максимальное воздействующее давление, статические или динамические давления, срок службы)
• анализ метрологических характеристик, учет влияния окружающих условий (перепадов температуры, вибрации, ударов, влажности, электромагнитных помех, электростатического разрушения, помех по цепям питания, выхода, КЗ)
• анализ требований к электрическому интерфейсу (аналоговый или цифровой выходной сигнал)
• учет требований для механической установки
• учет системной стоимости
• оптимальный выбор датчика

     В то же время для современного рынка датчиков давления характерно, что оптимальный выбор устройства можно выполнить в пределах линейки продукции одного и того же специализированного производителя, поскольку многие из них давно и прочно утвердились на рынке, долго работают, совершенствуя, по крайней мере, какую-то одну избранную технологию и максимально повышая ее возможности в данном применении. Поэтому вопросы подбора механических и электрических интерфейсов, а также исполнений по классам защиты и стойкости к воздействиям окружающей среды однозначно отходят на второй план. Выбор датчика можно производить по составленной спецификации или с запасом, хотя важно, чтобы запас не искажал ориентировочную цену. В результате задача несколько упрощается, так как на первое место выходит вопрос, к какому производителю обратиться, когда относительно данной ниши их сконцентрировано множество. Рекомендуется выбрать несколько известных производителей и сравнить датчики с аналогичной спецификацией, предлагаемые для данного применения.