 |
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.
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.
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.
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.
|
|
|
