eng
Содержание
Содержание
Введение 10
Глава 1. Общие вопросы измерений и контроля неэлектрических величин 12
1.1.
Классификация неэлектрических величин 12
1.2.
Особенности измерений неэлектрических величин
электрическими методами 14
1.2.1.
Условные обозначения измерительных преобразователей
и стандартизация выходных сигналов 14
1.2.2.
Нормализация выходных сигналов измерительных
преобразователей 18
1.3.
Физико-химические преобразователи аналитических приборов 23
1.3.1.
Основные положения и классификация 23
1.3.2.
Принципы построения измерительных ячеек аналитических
приборов 26
1.4.
Эталонные измерительные преобразователи 29
1.5.
Автоматизация сбора измерительной информации 32
1.5.1.
AS-интерфейс 32
1.5.2.
HART-протокол 34
1.5.3.
Локальная промышленная сеть PROFIBUS 36
Глава 2. Стандартные образцы в измерениях неэлектрических величин 39
2.1.
Основные определения и термины 39
2.2.
Метрологические характеристики стандартных образцов.
Аттестация образцов и сопровождающих документов 44
2.3.
Особенности конструктивного исполнения СО 46
2.4.
Классификация методов анализа состава и свойств веществ 48
2.4.1.
Гравиметрические (весовые) методы анализа 51
2.4.2.
Титриметрические методы анализа 53
2.5.
Формирование проб стандартных образцов 57
2.6.
Оценка метрологических характеристик стандартных образцов 59
2.7.
Порядок разработки стандартных образцов 63
Глава 3. Измерение и контроль линейных размеров 66
3.1.
Общие сведения 66
3.2.
Государственные поверочные схемы для средств измерений
времени, частоты и длины 67
3.2.1.
Государственная поверочная схема ГОСТ Р 8.763-2011 67
3.2.2.
Государственная поверочная схема ГОСТ Р 8.750-2011 70
3.3.
Измерение размеров в области нано- и микрометрового диапазонов 71
3.3.1.
Основные нормативно-технические документы 71
3.3.2.
Измерительные оптические и электронные микроскопы 72
3.3.3.
Атомно-силовые и туннельные микроскопы 78
3.3.4.
Эталонная база средств измерений в нано- и микрометровом
диапазонах линейных размеров 81
3.4.
Измерение параметров шероховатости поверхности 86
3.4.1.
Основные нормативные документы и методы измерений 86
3.4.2.
Контактные и бесконтактные средства измерений
шероховатости 89
3.4.3.
Стандартные образцы шероховатости поверхности
и штриховые меры шероховатости 93
3.4.4.
Государственная поверочная схема для средств измерений
шероховатости 95
3.5.
Измерение толщины защитных покрытий 98
3.5.1.
Основные сведения и нормативные документы 98
3.5.2.
Методы измерений толщины покрытий 100
3.5.3.
Государственная поверочная схема для средств измерений
толщины покрытий 109
3.5.4.
Меры толщины покрытий и схемы измерений 112
3.6.
Измерение и контроль линейных размеров в машиностроении 115
3.6.1.
Измерительные преобразователи и приборы 115
3.6.2.
Координатные измерительные машины 140
3.6.3.
Метрологическое обеспечение средств измерений линейных
размеров в машиностроении 143
3.7.
Геодезические и спутниковые дальномерные измерения 148
3.7.1.
Общие сведения 148
3.7.2.
Геодезические измерительные приборы 151
3.7.3.
Спутниковая геодезия 159
3.7.4.
Метрологическое обеспечение геодезических измерений 163
3.7.5.
Методика поверки электронных тахеометров 168
Глава 4. Измерение и контроль угловых размеров 172
4.1.
Общие сведения. Методы измерений 172
4.2.
Измерительные преобразователи и приборы для измерений
угловых размеров 176
4.2.1.
Электромеханические преобразователи угловых перемещений 176
4.2.2.
Гироскопические угловые преобразователи 178
4.2.3.
Поворотные шифраторы 181
4.2.4.
Лазерные гониометрические измерители угловых
перемещений 186
4.3.
Государственная поверочная схема для средств измерений
плоского угла и нормативные документы 188
Глава 5. Измерение и контроль механических величин 194
5.1.
Механика и механические физические величины 194
5.2.
Измерение массы и веса 195
5.2.1.
Общие сведения и нормативные документы 195
5.2.2.
Виды весоизмерительных преобразователей 199
5.2.3.
Классификация и метрологические характеристики
весоизмерительных приборов 203
5.2.4.
Классы и разряды эталонных и рабочих весоизмерителей 205
5.2.5.
Поверка весоизмерительных приборов 210
5.2.6.
Классификация и нормы точности измерительных мер массы 211
5.2.7.
Поверка эталонных и рабочих гирь 214
5.3.
Измерение силы 215
5.3.1.
Измерительные преобразователи и приборы 215
5.3.2.
Динамометрические установки и машины 219
5.3.3.
Эталонные динамометры 221
5.3.4.
Методы поверки испытательных машин 223
5.4.
Измерение крутящих моментов сил 224
5.4.1.
Общие сведения 224
5.4.2.
Измерительные преобразователи крутящих моментов 226
5.4.3.
Нормативные документы и государственная поверочная схема 229
5.5.
Измерение линейных и угловых скоростей и ускорений 231
5.5.1.
Общие сведения 231
5.5.2.
Средства измерений линейных и угловых скоростей
и ускорений 234
5.6.
Измерение и контроль параметров вибраций 244
5.6.1.
Общие сведения 244
5.6.2.
Измерительные преобразователи виброперемещений,
виброскоростей и виброускорений 246
5.6.3.
Методы вибрационной диагностики 250
5.6.4.
Принципы построения портативных приборов
вибродиагностики 252
5.6.5.
Цифровые стендовые комплексы вибродиагностики
авиационных двигателей 256
5.6.6.
Метрологическое обеспечение приборов и систем для
измерений параметров вибраций 259
5.7.
Методы и средства испытаний изделий и материалов
на механические воздействия 267
5.7.1.
Испытание изделий на вибрационные нагрузки 267
5.7.2.
Средства испытаний материалов на растяжение и сжатие 271
5.7.3.
Средства испытаний материалов на твердость и упругость 276
Глава 6. Измерение и контроль времени 287
6.1.
Общие сведения и шкалы времени 287
6.2.
Методы и средства измерений времени 289
6.3.
Метрологическое обеспечение средств измерений времени
и частоты 294
6.3.1.
Технические средства метрологического обеспечения 294
6.3.2.
Основные нормативно-технические документы
и государственная поверочная схема 301
Глава 7. Измерение и контроль оптических величин 305
7.1.
Общие сведения 305
7.2.
Средства измерений оптических величин 311
7.3.
Методы измерений параметров взаимодействия оптического
излучения с объектами контроля 315
7.4.
Метрологическое обеспечение оптических измерений 324
7.4.1.
Основные нормативно-технические документы 324
7.4.2.
Технические средства метрологического обеспечения 326
7.4.3.
Государственная поверочная схема для средств измерений
световых величин непрерывного и импульсного излучения 332
Глава 8. Измерение температуры и теплофизических величин 334
8.1.
Основные определения и понятия термометрии 334
8.2.
Температурные шкалы 338
8.3.
Нормативно-технические документы 341
8.3.1.
Государственные стандарты и методические указания 341
8.3.2.
Государственная поверочная схема для средств измерений
температуры 342
8.3.3.
Государственная поверочная схема для средств измерения
теплопроводности твердых тел в диапазоне от 0,02
до 20 Вт/(м·К) при температуре от 90 до 1100 К 350
8.4.
Методы измерений температуры и теплофизических величин 351
8.4.1.
Общие сведения 351
8.4.2.
Нормализация выходных сигналов преобразователей
температуры 353
8.4.3.
Контактные методы измерения температуры 355
8.4.4.
Датчики температуры с цифровым выходным сигналом
и программным управлением 361
8.4.5.
Цифровые термометры и измерители влажности 363
8.4.6.
Бесконтактные методы измерения температуры 368
8.5.
Методы измерений теплопроводности и теплоемкости 377
8.6.
Теплосчетчики 383
8.7.
Автоматические регуляторы температуры 387
8.8.
Технические средства метрологического обеспечения и методы
поверки 395
8.8.1.
Прецизионные средства воспроизведения температуры 395
8.8.2.
Структурное построение и метрологические характеристики
калибраторов температуры 401
8.8.3.
Поверка и оценка погрешностей калибраторов температуры 407
8.8.4.
Методы поверки измерительных преобразователей
температуры 411
8.8.5.
Методика поверки теплосчетчиков и оценка погрешностей 414
8.8.6.
Градуировка тепломеров по черному или серому телу 421
8.8.7.
Методика поверки измерительных тепловизоров 423
8.8.8.
Градуировка низкотемпературных термометров в реперных
точках шкалы МТШ-90 429
Глава 9. Измерение и контроль давления 434
9.1.
Виды измеряемых давлений и единицы измерений 434
9.2.
Методы измерений и классификация средств измерений давления 437
9.3.
Нормативно-технические документы в области измерений
давления и силы 443
9.3.1.
Государственные стандарты и методические указания 443
9.3.2.
Государственная поверочная схема для средств измерений
избыточного давления до 250 МПа 445
9.3.3.
Примеры построения локальных поверочных схем 448
9.4.
Средства измерений и контроля давления 451
9.4.1.
Датчики давления с унифицированными выходными
сигналами 451
9.4.2.
Интеллектуальные преобразователи давления 457
9.4.3.
Автономные измерители давления 459
9.5.
Технические средства метрологического обеспечения и методы
поверки 462
9.5.1.
Устройство и принцип действия задатчиков давления
и разряжения 462
9.5.2.
Эталонные задатчики давления серии «Воздух» 464
9.5.3.
Контроллеры и портативные калибраторы давления 468
9.5.4.
Эталонные грузопоршневые манометры 473
9.5.5.
Поверка датчиков давления с унифицированными
выходными сигналами 476
9.5.6.
Определение основной погрешности и вариации выходного
сигнала датчика 480
Глава 10. Измерение и контроль расхода жидкостей и газов 486
10.1.
Основные понятия и определения расходометрии 486
10.2.
Методы измерений и преобразователи расхода 487
10.2.1.
Классификация методов измерений 487
10.2.2.
Метод переменного перепада давления 488
10.2.3.
Метод постоянного перепада давления 491
10.2.4.
Вихревой метод измерения расхода 493
10.2.5.
Кориолисовы преобразователи расхода 496
10.2.6.
Тахометрические преобразователи расхода 498
10.2.7.
Ультразвуковые (акустические) преобразователи расхода 499
10.2.8.
Электромагнитные преобразователи расхода 501
10.2.9.
Счетчики газа барабанные с жидкостным затвором 503
10.3.
Цифровые расходомеры. Технические характеристики 504
10.4.
Автоматизированная система учета и контроля энергоресурсов
«Пульсар» 508
10.5.
Метрологическое обеспечение средств измерений расхода
жидкостей и газов 509
10.5.1.
Нормативно-технические документы 509
10.5.2.
Государственная поверочная схема для средств измерений
объемного и массового расходов воды 512
10.5.3.
Государственная поверочная схема для средств измерений
объемного и массового расходов газа 515
10.5.4.
Классификация поверочных установок 519
10.5.5.
Структурное построение проливного эталона единицы
массового расхода жидкости 520
10.5.6.
Определение метрологических характеристик поверочной
установки УПСЖ 50/ВМ 523
10.5.7.
Имитатор расхода «Метран-550ИР» 528
10.5.8.
Поверка вихреакустического преобразователя расхода
«Метран-300ПР» имитационным методом 530
10.5.9.
Методика поверки счетчиков газа 535
Глава 11. Измерение уровня жидких и сыпучих материалов 539
11.1.
Основные методы измерений уровня 539
11.2.
Нормативно-технические документы. Государственная
поверочная схема 546
11.3.
Контактные уровнемеры промышленной автоматики 548
11.4.
Бесконтактные интеллектуальные уровнемеры 552
11.5.
Средства контроля уровня как часть современной АСУ ТП 555
11.6.
Анализ погрешностей измерения массы нефтепродуктов
в резервуарах с использованием измерителей уровня 556
Глава 12. Измерение физико-химического состава материалов и веществ.
Аналитические приборы 560
12.1.
Общие сведения 560
12.2.
Термины в области аналитических измерений 563
12.3.
Измерение водородного показателя рН и концентрации ионов 565
12.3.1.
Основные определения и шкала рН 565
12.3.2.
Измерительные электроды pH-метров и иономеров 567
12.3.3.
Комбинированные измерительные электроды 571
12.3.4.
Микропроцессорные рН-метры и иономеры 575
12.4.
Измерение электрической проводимости веществ 578
12.4.1.
Общие сведения 578
12.4.2.
Кондуктометрические преобразователи 579
12.5.
Измерение концентрации растворенного кислорода 582
12.6.
Универсальные аналитические приборы с электрохимическими
датчиками 586
12.6.1.
Структурные схемы и технические характеристики 586
12.6.2.
Нормативно-технические документы и государственные
поверочные схемы 591
12.6.3.
Поверочные установки 599
12.6.4.
Методика поверки и оценка погрешностей 604
12.7.
Измерение мутности 609
12.7.1.
Общие сведения 609
12.7.2.
Методы и средства измерений мутности 611
12.7.3.
Метрологическое обеспечение средств измерений мутности 616
12.8.
Измерение и контроль влажности 619
12.8.1.
Общие сведения 619
12.8.2.
Методы и средства измерений влажности 620
12.8.3.
Метрологическое обеспечение средств измерений влажности 626
12.9.
Измерение и контроль концентрации газов и газовых смесей 629
12.9.1.
Общие сведения 629
12.9.2.
Методы и средства измерений концентрации компонентов
газовых смесей 631
12.9.3.
Цифровые многокомпонентные газоанализаторы 641
12.9.4.
Метрологическое обеспечение газоаналитических приборов 645
Приложение 1. Список используемых сокращений 650
Приложение 2. Методы поверки средств измерений при передаче размеров
единиц величин 652
Приложение 3. Особенности построения новых первичных эталонов
основных единиц на базе ФФК 655
Литература 665
Предметный указатель 669
Введение
Измерение и контроль широкого набора неэлектрических величин необходимо
проводить при решении многих научно-технических, производственных и дру-
гих народно-хозяйственных задач. В последние годы наряду с традиционными
техническими измерениями линейных и угловых размеров, температуры, давле-
ния, расхода и уровня особая роль в области измерений неэлектрических вели-
чин отводится контролю и анализу физико-химических свойств веществ и ма-
териалов. Сейчас такие средства измерений объединены под общим названием
«аналитические приборы», эталонной базой которых являются стандартные
образцы. Особенно широкое применение современные аналитические приборы
находят в нефтегазовой и химической промышленности, в агропромышленном
комплексе, в системах экологического мониторинга и медико-биологических
исследованиях, средствах неразрушающего контроля и диагностики.
Переход экономики России к рыночным отношениям и ее внедрение в ми-
ровое сообщество выдвигает перед метрологическими службами новые задачи,
связанные с повышением точности средств измерений неэлектрических вели-
чин, достоверности результатов измерений и контроля с учетом зарубежного
опыта. Актуальность метрологических задач обусловила необходимость даль-
нейшего развития как эталонной базы для измерения неэлектрических вели-
чин, так и нормативно-технической документации, включая ее гармонизацию.
В ближайшие годы намечается переопределение основных физических единиц
и переход на квантовые первичные эталоны. В соответствии с задачами страте-
гического развития эталонной базы России до 2025 года основная цель — на до-
стижение единства и требуемой точности измерений для повышения качества
контрольно-измерительных процессов и, соответственно, продукции.
Успешное решение данных задач невозможно без внедрения современ-
ной эталонной базы и стандартных образцов, цифровых методов обработки
сигналов и наукоемкого оборудования в процесс измерения неэлектрических
физических величин. Другой важнейшей метрологической задачей является
создание оптимальных методик поверки и оценки погрешностей измерения
неэлектрических физических величин на основе современной теоретической
и экспериментальной базы.
Во второй половине ХХ века вопросы измерений и контроля неэлектриче-
ских величин получили широкое отражение в работах Д. И. Агейкина, Ф. Е. Тем-
никова, В. В. Клюева, А. И. Якушева, А. М. Туричина, П. В. Новицкого, внес-
ших значительный вклад в развитие теории и практики измерений и контроля
неэлектрических физических величин. Современный этап развития измерений
и контроля неэлектрических физических величин электрическими методами
характеризуется рядом особенностей, к которым можно отнести: применение
интеллектуальных преобразователей и контрольно-измерительных средств, ис-
пользование унифицированных модулей удаленного сбора и обработки инфор-
мации, внедрение гибкого программного обеспечения и современных сетевых
технологий в многоуровневые системы контроля и управления. Стремительное
развитие современной радиоэлектроники, цифровой техники и цифровых ме-
тодов обработки сигналов отражается как на средствах измерений, так и на тех-
нических средствах метрологического обеспечения. Созданы новые высокоточ-
ные средства измерений неэлектрических величин, эталоны и вспомогательное
оборудование. Разработаны стандартные интерфейсы датчиков и помехоза-
щищенные средства передачи данных, существенно упрощающие процессы
удаленного сбора измерительной информации и проектирования сложных
контрольно-измерительных средств, включая автоматизированные поверочные
установки. Появились новые гармонизированные нормативно-технические до-
кументы по измерению геометрических величин, физико-химических параме-
тров сред, температуры, давления, расхода и уровня.
Предлагаемая работа составлена с учетом отмеченных выше особенностей
развития измерительной техники. Особое внимание уделено задачам метроло-
гического обеспечения, в первую очередь технической реализации вторичных
эталонов и стандартных образцов, которые, как правило, недостаточно освеща-
ются в соответствующей литературе.
Представленные материалы составлены с учетом требований государствен-
ного образовательного стандарта для студентов вузов метрологических и при-
боростроительных специальностей и могут быть полезны аспирантам, инже-
нерам и специалистам, занимающимся вопросами разработки, производства
и оценки качества средств измерений, контроля и испытаний.
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
И КОНТРОЛЯ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
1.1. Классификация неэлектрических величинВ теории измерений понятия величины и измеряемой величины (ИВ) введены
для описания и исследования количественных и качественных свойств мно-
жества объектов материальных систем. При этом под размером величины по-
нимается количественная определенность величины, присущая конкретному
материальному объекту или явлению и устанавливаемая измерением размера
данной величины в виде числового значения. Свойства материальных величин,
которые не имеют размера, устанавливаются измерением качественных харак-
теристик по принятым шкалам измерений (шкалы твердости, шкалы цветно-
сти, шкалы октановых чисел и т. д.).
Получение количественного значения величины в процессе измерений
всегда сопровождается сравнением измеряемой величины с мерой (за исклю-
чением первичных референтных методов). В качестве измерительных мер ис-
пользуют эталоны и стандартные образцы с высокоточными метрологически-
ми характеристиками.
В общем случае по принадлежности к физическим процессам также мож-
но выделить две основные группы величин: электрические и неэлектрические.
При этом следует отметить, что число подлежащих измерению и контролю раз-
личных неэлектрических величин и физико-химических свойств веществ и ма-
териалов в науке и технике во много раз больше числа всех возможных электри-
ческих и магнитных величин [1]. Поэтому измерение неэлектрических величин
и физико-химических свойств веществ и материалов достигло сейчас высокого
уровня развития и образует наиболее широкую область измерительной техники,
включая аналитические приборы. Номенклатура данных приборов превышает
1000 наименований, а их действие основано на более 100 физических эффек-
тах. Особенно велика роль высокоточных измерений неэлектрических величин
в машиностроении и приборостроении, теплоэнергетике, нефтяной и газовой
промышленности, агропромышленном комплексе, экологии, биологии и меди-
цине. Классификацию неэлектрических величин проведем по видам измере-
ний в соответствии с нормативным документом МИ 2314-2006 «Кодификатор
групп средств измерений». Данный кодификатор определяет перечень типов
средств измерений (СИ) и используется при регистрации приборов, допущен-
ных к практическому применению, в соответствии с Государственным реестром
РФ. В принятом документе выделяют следующие виды измерений неэлектри-
ческих величин:
• измерения геометрических величин (линейных и угловых размеров);
• измерения механических величин (массы, силы, моментов силы и инер-
ции, скорости, ускорения, работы, энергии, коэффициентов трения
и упругости, твердости и др.);
• измерения давления и вакуума;
• измерения параметров потока, расхода и уровня;
• температурные и теплофизические измерения;
• измерения времени и частоты;
• виброакустические измерения;
• оптические и оптико-физические измерения;
• измерение характеристик ионизирующих излучений и ядерных
констант;
• измерения медицинского и биологического назначения;
• измерения физико-химического состава и свойств веществ.
Представленная классификация неэлектрических величин (НВ) наиболее
полно отражает широту различных видов преобразований измерительной ин-
формации, а также существующих групп средств измерений и эталонной базы
НВ, каждая из которых по отдельности может являться предметом подробно-
го рассмотрения. Соответственно, в основе построения средств измерений НВ
лежит система измерительных преобразователей, которые можно разделить
на две большие группы: первичные преобразователи (датчики) и вторичные —
для промежуточных, масштабных и оконечных преобразований. Особая роль
отводится первичным измерительным преобразователям — датчикам, которые
находятся непосредственно на объекте исследования и существенно определя-
ют качество измерительного процесса. По своей сути большинство преобразо-
вателей не содержат в своем составе измерительной меры.
1.2. Особенности измерений неэлектрических величин
электрическими методами
1.2.1. Условные обозначения измерительных преобразователей
и стандартизация выходных сигналов
В настоящее время подавляющее большинство измерительных преобразовате-
лей неэлектрических величин имеют на своих выходах сигналы электрического
происхождения (аналоговые, дискретные или цифровые). Это обусловлено сле-
дующими основными преимуществами электрических сигналов:
высокая инструментальная точность электрических си • гналов, так как
измерения проводятся относительно скорости света, измеренной с очень
высокой точностью;
• возможность передачи измерительных сигналов на большие расстояния
с высокой помехоустойчивостью;
• возможность длительного хранения огромных массивов измерительной
информации;
• обеспечение полной автоматизации измерительных процессов;
• получение более простых и надежных конструктивных решений.
Многообразие как неэлектрических, так и электрических преобразований
в измерительных процессах НВ и усложнение принципиальных, структурных
и функциональных схем, привели к необходимости решения задач условных
графических обозначений в схемах и унификации выходных сигналов широко-
го ряда измерительных преобразователей.
Одна из первых попыток упорядочения условных обозначений элемен-
тов электротехнических схем была сделана в 1952 году в виде разработанных
междуведомственных нормалей. В последующие годы система графических
обозначений элементов электротехнических и радиоэлектронных устройств
постоянно совершенствовалась. Так, например, в 1955 году был разработан
ГОСТ 7624-55, а затем ГОСТ 7624-62 и ГОСТ 2.702-68. Наконец, в 1971 году была
введена Единая система конструкторской документации (ЕСКД), составной ча-
стью которой являются государственные стандарты на условные графические
обозначения в принципиальных и структурных схемах, соответствующие реко-
мендациям МЭК. Система ЕСКД обязательна для применения во всех отраслях
промышленности. При этом стандарты ЕСКД также непрерывно обновляются,
в том числе на радиоэлектронные устройства и приборы. Основополагающая
система единых обозначений и определений для составных частей и видов схем,
аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств была дана в стандартах
ГОСТ 2.710-81 и ГОСТ 2.701-84.
В соответствии с нормативными документами рекомендуемые условные
обозначения первичных измерительных преобразователей (датчиков) показа-
ны на рис. 1.1. В основу обозначения датчиков положен символ в виде квадрата
с обозначением направления передачи информации. В квадрате можно указать
измеряемый параметр.
Наглядные условные обозначения введены также для вторичных измери-
тельных преобразователей. При этом квадрат разделяют наклонной линией
с обозначением преобразуемых величин. Примеры условных обозначений пре-
образователей приведены на рис. 1.2.
Важнейшей характеристикой любых преобразователей является функция
преобразования, которая описывает статические свойства преобразователя
и представляет зависимость выходного сигнала от входного:
Общий вид функции преобразования для аналоговых преобразователей
входных величин показан на рис. 1.3. Погрешность преобразования в данном
случае определяется разностью между номинальной (усредненной) характери-
стикой преобразователя и реальной.
С номинальной функцией преобразования связаны характеристики чув-
ствительности и порога чувствительности. Для линейной функции преобразо-
вания, проходящей через начало координат, чувствительность преобразователя
определяется отношением s = y/x = k, а для нелинейной — как Введение
Измерение и контроль широкого набора неэлектрических величин необходимо
проводить при решении многих научно-технических, производственных и дру-
гих народно-хозяйственных задач. В последние годы наряду с традиционными
техническими измерениями линейных и угловых размеров, температуры, давле-
ния, расхода и уровня особая роль в области измерений неэлектрических вели-
чин отводится контролю и анализу физико-химических свойств веществ и ма-
териалов. Сейчас такие средства измерений объединены под общим названием
«аналитические приборы», эталонной базой которых являются стандартные
образцы. Особенно широкое применение современные аналитические приборы
находят в нефтегазовой и химической промышленности, в агропромышленном
комплексе, в системах экологического мониторинга и медико-биологических
исследованиях, средствах неразрушающего контроля и диагностики.
Переход экономики России к рыночным отношениям и ее внедрение в ми-
ровое сообщество выдвигает перед метрологическими службами новые задачи,
связанные с повышением точности средств измерений неэлектрических вели-
чин, достоверности результатов измерений и контроля с учетом зарубежного
опыта. Актуальность метрологических задач обусловила необходимость даль-
нейшего развития как эталонной базы для измерения неэлектрических вели-
чин, так и нормативно-технической документации, включая ее гармонизацию.
В ближайшие годы намечается переопределение основных физических единиц
и переход на квантовые первичные эталоны. В соответствии с задачами страте-
гического развития эталонной базы России до 2025 года основная цель — на до-
стижение единства и требуемой точности измерений для повышения качества
контрольно-измерительных процессов и, соответственно, продукции.
Успешное решение данных задач невозможно без внедрения современ-
ной эталонной базы и стандартных образцов, цифровых методов обработки
сигналов и наукоемкого оборудования в процесс измерения неэлектрических
физических величин. Другой важнейшей метрологической задачей является
создание оптимальных методик поверки и оценки погрешностей измерения
неэлектрических физических величин на основе современной теоретической
и экспериментальной базы.
Во второй половине ХХ века вопросы измерений и контроля неэлектриче-
ских величин получили широкое отражение в работах Д. И. Агейкина, Ф. Е. Тем-
никова, В. В. Клюева, А. И. Якушева, А. М. Туричина, П. В. Новицкого, внес-
ших значительный вклад в развитие теории и практики измерений и контроля
неэлектрических физических величин. Современный этап развития измерений
и контроля неэлектрических физических величин электрическими методами
характеризуется рядом особенностей, к которым можно отнести: применение
интеллектуальных преобразователей и контрольно-измерительных средств, ис-
пользование унифицированных модулей удаленного сбора и обработки инфор-
мации, внедрение гибкого программного обеспечения и современных сетевых
технологий в многоуровневые системы контроля и управления. Стремительное
развитие современной радиоэлектроники, цифровой техники и цифровых ме-
тодов обработки сигналов отражается как на средствах измерений, так и на тех-
нических средствах метрологического обеспечения. Созданы новые высокоточ-
ные средства измерений неэлектрических величин, эталоны и вспомогательное
оборудование. Разработаны стандартные интерфейсы датчиков и помехоза-
щищенные средства передачи данных, существенно упрощающие процессы
удаленного сбора измерительной информации и проектирования сложных
контрольно-измерительных средств, включая автоматизированные поверочные
установки. Появились новые гармонизированные нормативно-технические до-
кументы по измерению геометрических величин, физико-химических параме-
тров сред, температуры, давления, расхода и уровня.
Предлагаемая работа составлена с учетом отмеченных выше особенностей
развития измерительной техники. Особое внимание уделено задачам метроло-
гического обеспечения, в первую очередь технической реализации вторичных
эталонов и стандартных образцов, которые, как правило, недостаточно освеща-
ются в соответствующей литературе.
Представленные материалы составлены с учетом требований государствен-
ного образовательного стандарта для студентов вузов метрологических и при-
боростроительных специальностей и могут быть полезны аспирантам, инже-
нерам и специалистам, занимающимся вопросами разработки, производства
и оценки качества средств измерений, контроля и испытаний.
1.2.2. Нормализация выходных сигналов измерительных
преобразователей
Нормализующие преобразователи (нормализаторы) — это устройства, преоб-
разующие выходные измерительные сигналы с датчиков в однородные сигналы
унифицированных уровней, принятых во многих странах и обеспечивающих
решение ряда задач по информационной совместимости и помехоустойчивости
измерительных каналов при передаче и обработке информации в измеритель-
ных системах [3, 4]. Стандартизация типов и уровней сигналов в информаци-
онных системах значительно сокращает расходы по замене вышедшего из строя
оборудования и, соответственно, простои предприятий и цехов. Как было отме-
чено, широкое распространение получили унифицированные токовые выход-
ные сигналы, образующие линии связи типа «токовая петля». Такие сигналы
меньше подвержены влиянию помех, передаются на значительные расстояния
и могут обеспечить одновременную передачу как аналоговых, так и цифровых
измерительных сигналов (например, при использовании HARТ-протокола) [2].
Крупнейшими мировыми производителями датчиков (в том числе интел-
лектуальных) и нормализующих преобразователей для систем контроля и сбора
данных являются фирмы: Siemens, Pepperl+Fuchs, Dataforth, Grayhill, Advantech,
Omron и др [4].
Один из вариантов структурной схемы измерительной цепи термометра с ис-
пользованием нормализующего преобразователя (НП) и выходной линией «то-
ковая петля» приведен на рис. 1.6. Представленная измерительная цепь содер-
жит первичный измерительный преобразователь (ПИП), в качестве которого
используется терморезистор RТ с трехпроводным подключением к вторичному
преобразователю — мосту постоянного тока. В качестве выходного нормали-
зующего преобразователя (НП) используется преобразователь «напряжение—
ток», формирующий на выходе источника информации стандартный токовый
сигнал 4–20 мА [6]. При этом производится сугубо аналоговое преобразование
в соответствии с формулой (1.1), принимающее вид
см. уравнение в книге (1.3)
где k — безразмерный коэффициент преобразования.
Рассмотрим некоторые примеры измерительных преобразователей с уни-
фицированными выходными сигналами в виде напряжения и тока [4, 5].
На рис. 1.7 показана схема преобразователя сопротивления Rx в напряжение
с трехпроводной соединительной линией. Если пренебречь сопротивлением
проводов соединительной линии, то выходное напряжение преобразователя
с использованием измерительного операционного усилителя (DA) в инверсном
включении определится из соотношения
см. уравнение в книге (1.4)
где Uo — источник опорного напряжения.
Влияние соединительных проводов в данном преобразователе уменьшает-
ся за счет того, что один из этих проводов (r1) включен последовательно с Rx,
второй (r2) — последовательно с Ro, а третий (r3) — последовательно с высоким
входным сопротивлением операционного усилителя. При учете этих сопротив-
лений и выполнении условий r1 << Rx, r2 << Ro получим
см. уравнение в книге (1.5)
На рис. 1.8 показана схема измерительного преобразователя постоянного
напряжения в ток (с заземленной нагрузкой). Схема содержит операционный
усилитель, прецизионные резисторы Ro … R4 и резистор нагрузки RH. Номи-
нальная функция преобразования в данном случае будет иметь вид
IН = UвхR2/(RoR1) (1.6)
при условии, что R4(R3 + R4)1 = [1 + Ro(R3 + R4)1]R1(R1 + R2)1. Расчетные соотно-
шения для других видов нормирующих преобразователей подробно рассмотре-
ны в [4].
В реальных условиях измерительная цепь, показанная на рис. 1.6, подвер-
жена воздействию как поперечных помех или помех нормального вида (Noise
Normal-Mode), так и помех общего вида или продольных помех (Noise Common-
Mode). Поперечные помехи (NNM) действуют между входными зажимами изме-
рительных преобразователей наряду с поступающим измерительным сигналом Продольные помехи обусловлены неэквипотенциальным заземлением источни-
ка и удаленного приемника информации. В целях повышения помехозащи-
щенности и надежности передачи измерительной информации современные
нормализующие преобразователи наряду с формированием унифицированных
выходных сигналов выполняют ряд дополнительных функций:
• подавление помехи нормального вида (NMR) с помощью НЧ-фильтров;
• подавление помехи общего вида (CMR) с помощью гальванической раз-
вязки между входными и выходными сигналами;
• линеаризацию выходных сигналов;
• многоуровневую изоляцию источников питания;
• обеспечение разветвления (распараллеливания) измерительных сигна-
лов многоканальных информационных систем;
• обеспечение защиты от перенапряжения и высоковольтных пульсаций
входного сигнала.
Отмеченные преимущества электрических сигналов позволяют наиболее
оптимально решить актуальные задачи автоматизации измерений и контроля
неэлектрических ФВ и существенно повысить качество и достоверность резуль-
татов измерений [3, 4]. Современный этап развития электроники, вычисли-
тельной техники и новейших информационных технологий открывает новые
возможности использования неэлектрических преобразователей с электриче-
скими выходными сигналами в сложных информационных системах. Приме-
нение электрических выходных сигналов обеспечивает:
• преобразование непрерывных сигналов в дискретную и цифровую
формы;
• возможность формирования унифицированных (стандартных) выход-
ных уровней непрерывных и цифровых измерительных сигналов с раз-
нородных преобразователей неэлектрических ФВ;
• разработку широкого набора датчиков и исполнительных устройств
с унифицированными выходными сигналами;
• создание интеллектуальных датчиков неэлектрических ФВ;
• организацию интерфейсов датчиков и исполнительных устройств;
• использование сетевых технологий при создании сложных контрольно-
измерительных средств, работающих в режиме реального времени.
Конструктивное исполнение нормализующих преобразователей для средств
сбора информации показано на рис. 1.9.
Крупнейшим мировым производителем нормирующих преобразова-
телей является фирма Dataforth (США). Фирма предлагает широкий набор изолированных модулей нормализаторов аналоговых сигналов серий SCM5,
SCM7, DSCA, DSCT, DSCL и других для контрольно-измерительных систем
промышленной автоматизации. Кроме того, имеются достаточно уникальные
преобразователи действующего значения входного сигнала переменного тока
в пропорциональный выходной сигнал постоянного тока. Все модули сертифи-
цированы и одобрены для безопасных применений [7].
Важнейшее направление автоматизации измерений неэлектрических вели-
чин связано с разработкой интеллектуальных, т. е. программно-управляемых,
датчиков неэлектрических величин Такие датчики имеют в своем составе
встроенное микропроцессорное устройство, обеспечивающее обработку ин-
формации, формирование цифровых и аналоговых выходных сигналов и вы-
полнение интерфейсных функций на полевом уровне распределенных систем
контроля. При этом сбор измерительной информации с интеллектуальных дат-
чиков и подключение их к блоку обработки — контроллеру или ЭВМ может про-
изводиться с помощью стандартных цифровых интерфейсов промышленной
автоматики RS-232, RS 422, RS 449, RS 485, САN или специальных цифровых
интерфейсов датчиков и исполнительных устройств. Использование цифровых
интерфейсов также открывает широкие возможности по внедрению сетевых
технологий в структурную организацию сложных контрольно-измерительных
средств и автоматизированных систем управления технологическими процес-
сами (АСУ ТП), работающих в режиме реального времени. Применение ло-
кальных измерительно-вычислительных сетей позволяет осуществить переход
от систем с централизованным управлением к многоуровневым (многопроцес-
сорным) системам контроля и управления, существенно повышающим метро-
логическую достоверность, информационную надежность и быстродействие
систем, работающих в реальном масштабе времени.
1.3. Физико-химические преобразователи аналитических
приборов
1.3.1. Основные положения и классификация
Физико-химические преобразователи для определения состава различных ве-
ществ представляют огромную группу средств измерений, базирующихся
на методах аналитической химии. Использование химических реакций в из-
мерительных процессах по определению состава и свойств различных веществ
обусловило появление нового класса СИ — аналитических приборов.
В современных электронных аналитических приборах наиболее широко
используются электрохимические методы анализа с преобразованием результа-
та химической реакции в растворах и расплавах в электрический сигнал. Соот-
ветственно, в основе таких методов измерений — электродные процессы с фор-
мированием электродных потенциалов при протекании химической реакции,
величина которых зависит от состава и свойств определяемого вещества.
Электродный потенциал — это разность электрических потенциалов между
измерительным электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. Воз-
никновение электродного потенциала обуславливается переносом заряженных
частиц через границу раздела фаз (металла и жидкости), например, при погло-
щении (адсорбции) ионов или полярных молекул. При достижении равновесного
состояния в результате реакции потенциал измерительного электрода будет ра-
вен потенциалу раствора. Однако абсолютную разность потенциалов между точ-
ками, находящимися в двух разных фазах, нельзя измерить экспериментально.
Поэтому при формировании измерительной ячейки для определения величины
электродного потенциала необходимо применять дополнительные нейтральные
электроды, относительно которых проводятся измерения.
Применяемые электроды разделяют на следующие виды:
• электроды индикаторные (рабочие) — это электроды, потенциал кото-
рых зависит от активности (концентрации) определяемого вещества (ио-
нов) в растворе;
• электроды сравнения — это нейтральные электроды, относительно ко-
торых измеряется потенциал индикаторных электродов;
• вспомогательные электроды часто используются в электролитических
ячейках при электролизе.
В качестве электрода сравнения чаще всего используют нормальный (стан-
дартный) водородный электрод, потенциал которого Е0 условно принимается
равным нулю.
Конструктивно водородный электрод состоит из платиновой пластинки,
покрытой платиновой чернью и погруженной в раствор кислоты с определен-
ной концентрацией ионов водорода Н+ (рис. 1.10). Пластинка омывается пото-
ком газообразного водорода Н2. Между водородом, поглощаемым (адсорбиро-
ванным) платиновой чернью, и ионами водорода в растворе устанавливается
равновесие. Для обеспечения стабильного состояния равновесия необходима
тщательная очистка водорода от примесей. Потенциал водородного электрода
определяется уравнением Нернста.
По принципу действия индикаторные электроды разделяют на два вида:
металлические — с электронным обменом на границе • раздела фаз, т. е.
с электронной проводимостью;
• мембранные — с ионной проводимостью (ионоселективные).
Мембранные электроды также разделяют на группы: стеклянные, твердые
с гомогенной или гетерогенной мембраной, жидкостные, газовые и электроды
для измерения активности биологических веществ.
Общий вид и конструктивное исполнение металлических и мембранных
электродов показаны на рис. 1.11.
Таким образом, в основе проектирования электрических измерительных пре-
образователей и датчиков аналитических приборов лежит измерительная ячейка
с системой индикаторных и сравнительных электродов. При этом в качестве эта-
лонной базы используются стандартные образцы в виде водных растворов, газо-
вых смесей, твердых и порошковых материалов, которые рассмотрены в главе 2.
Электрохимические методы анализа делятся на пять основных групп:
потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию, кондуктометрию
и диэлектрометрию.
Потенциометрия объединяет методы, основанные на измерении ЭДС об-
ратимых электрохимических цепей. В данных методах потенциал рабочего
электрода близок к равновесному состоянию, т. е. выравниванию химических
потенциалов среды и электрода. Потенциометрия разделяется на несколько
разновидностей: оксидиметрию (редоксметрию), основанную на окислительно-
восстановительных реакциях, ионометрию, а также потенциометрическое ти-
трование с использованием специального реактива.
Вольтамперометрия основана на исследовании зависимости тока поляри-
зации от напряжения, прикладываемого к электрохимической ячейке. Элек-
трохимическая поляризация — это отклонение электродного потенциала Е
от стационарного потенциала, который электрод приобретает в отсутствие
внешнего тока. В этом случае потенциал рабочего электрода значительно от-
личается от равновесного значения. Вольтамперометрия широко используется
для определения веществ в растворах и расплавах.
Кулонометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении коли-
чества вещества, выделяющегося на электроде в процессе электрохимической
реакции в соответствии с законами Фарадея (законы электролиза). При куло-
нометрии потенциал рабочего электрода отличается от равновесного значения.
Кондуктометрия базируется на методах, в которых измеряют электропро-
водность электролитов (водных и неводных растворов, расплавов, коллоидных
систем и твердых веществ) в межэлектродном пространстве.
Методы не связаны с потенциалом электродов, которые обычно близки
к равновесному значению.
Диэлектрометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении
диэлектрической проницаемости вещества, обусловленной ориентацией в элек-
трическом поле (молекул, ионов, обладающих дипольным моментом).
Рассмотренные выше электрохимические методы нашли широкое примене-
ние при проектировании электрохимических измерительных преобразователей
аналитических контрольно-измерительных приборов различного назначения.
1.3.2. Принципы построения измерительных ячеек
аналитических приборов
Конструктивно любой электрохимический преобразователь представляет со-
бой измерительную ячейку, заполненную исследуемым раствором (электро-
литом) или другим материалом, с помещенными в нее двумя или несколькими
электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную
цепь. Как элемент электрической цепи такая ячейка может характеризоваться
сопротивлением (проводимостью), развиваемой ЭДС, падением напряжения
от проходящего тока, емкостью или индуктивностью. Выделяя зависимость
одного из этих параметров (например проводимости) от измеряемой вели-
чины, можно создать электрохимические преобразователи для измерения
состава и концентрации жидких и газообразных сред, твердых и расплав-
ленных солей и ряда других веществ. В зависимости от выделяемых параме-
тров электрические ячейки (преобразователи) разделяют на несколько групп:
электролитические резистивные (кондуктометрические), гальванические,
полярографические и специализированные преобразователи для анализа
нефтепродуктов.
Электролитические резистивные преобразователи основаны на зависимости
сопротивления (проводимости) электролитической ячейки от состава и концен-
трации раствора. Вариант схемы такого преобразователя показан на рис. 1.12а.
В схему преобразователя введен дополнительный электрод (терморезистор,
Rт) для автоматической коррекции температурной погрешности. Зависимость удельной электропроводности от концентрации некоторых растворенных ве-
ществ приведена на рис. 1.12б. Для тщательно дистиллированной воды электро-
проводность близка к нулю и возрастает по мере повышения концентрации
растворенных в ней веществ.
Приборы, построенные на принципе измерения электропроводности (кон-
дуктометрические измерители), широко применяются для измерения концен-
трации солей, оснований и кислот в жидких растворах и расплавах, для изме-
рения солености воды, концентрации газов, а также для измерения влажности
в твердых, жидких и газообразных средах. Для измерения влажности древеси-
ны, кожи, фанеры и т. п. используются игольчатые электроды, вдавливаемые
на определенную глубину в исследуемый материал.
Промышленные кондуктометрические преобразователи обеспечивают из-
мерения электропроводности в жидких средах с относительной погрешностью
(1–5) % при температуре 0–150 °С.
Гальванические измерительные преобразователи основаны на возникновении
разности потенциалов Ех между двумя электродами, опущенными в раствор
электролита, т. е. электролитическая ячейка в данном случае является источни-
ком гальванической ЭДС (рис. 1.13). Это явление обусловлено тем, что металли-
ческий электрод частично растворяется в электролите, образуя положительно
заряженные ионы металла. Как отмечалось ранее, потенциал электрода отно-
сительно раствора (электродный потенциал) измерить невозможно, поэтому
гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов: изме-
рительного электрода и вспомогательного полуэлемента, электрод ный потен-
циал которого должен оставаться постоянным. Измерительная схема на рис. 1.13
построена по принципу компенсационного преобразования. На вход измери-
тельного усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, подается ЭДС — Ех гальванического преобразователя. При этом U = Ех − Uк, где
Uк — компенсирующее напряжение цепи обратной связи усилителя. Если коэф-
фициент усиления достаточно высок, то Ех Uк или Ех IR. Основные требо-
вания к измерительной цепи — это высокое входное сопротивление усилителя
и низкий дрейф нуля [14].
Наиболее распространенными разновидностями гальванических измери-
тельных преобразователей являются преобразователи рН-метров и нормальные
элементы. При неизменной концентрации электролита и постоянной темпера-
туре ЭДС гальванической ячейки может иметь очень высокую стабильность.
Это свойство используется для разработки нормальных элементов, применяемых
в качестве рабочих и эталонных мер, а также для создания первичного этало-
на вольта. В зависимости от концентрации электролита нормальные элементы
разделяются на насыщенные и ненасыщенные (класс точности только 0,002).
Основные параметры нормальных элементов приведены в табл. 1.1.
Максимальный ток потребления для насыщенных элементов составляет
не более 1 мкА, а для ненасыщенных — не более 10 мкА.
Полярографические преобразователи применяются для качественного и ко-
личественного химического анализа. Принцип действия основан на исполь-
зовании явления поляризации (изменении электродного потенциала) на одном
из электродов электролитической ячейки при протекании через нее электриче-
ского тока от внешнего источника. Для того что бы поляризация происходила
только на одном электроде, площадь рабочего (поляризующего) электрода вы-
бирается в несколько сотен раз меньше площади другого электрода. Потенциал
выделения ионов данного вида зависит от их концентрации и характеризуется
вольт-амперной характеристикой (полярограммой).
Данные преобразователи часто используются в анализаторах тяжелых ме-
таллов в питьевых, сточных и природных водах, продуктах питания и про-
довольственном сырье. Если в исследуемом растворе содержатся ионы не-
скольких видов (например Pb++, Cd++, Zn++), то каждый вид ионов имеет свою
полярограмму и, соответственно, результирующая полярограмма получается
многоступенчатой.
Преобразователи для анализа нефтепродуктов представляют особую группу
взрывобезопасных устройств. К ним можно отнести:
• измерительные преобразователи кислотного числа (количества едкого
калия — КОН) на основе экзотермической реакции нейтрализации жир-
ных кислот;
• преобразователи цветности нефтепродуктов на основе определения све-
топоглощения в видимой области спектра в диапазоне 450–700 нм;
• преобразователи для определения фракционного состава;
• анализаторы температуры вспышки.
Эталонной базой аналитических преобразователей являются стандартные
образцы состава и свойств материалов и веществ.
1.4. Эталонные измерительные преобразователи
Эталонные преобразователи предназначены для поверки, калибровки и регу-
лировки рабочих средств измерений в лабораторных, промышленных и поле-
вых условиях. Отечественными и зарубежными производителями разработан
ряд таких преобразователей, в том числе датчиков с цифровым выходом. При-
меры некоторых из них будут рассмотрены ниже.
Эталонные преобразователи давления серии ПДЭ (Россия) предназначены
для высокоточного измерения (поверки) и непрерывного преобразования ана-
логовых сигналов в цифровой код абсолютного, избыточного давления — раз-
ряжения жидкостей и газов. Преобразователи изготавливаются в виде единой
конструкции. В качестве чувствительного элемента используется пластина
поликристаллического кремния с мембраной, на которую нанесены полупро-
водниковые тензорезисторы. Выходной электрический сигнал напряжения
разбаланса моста датчика поступает на электронное устройство для усиления
и преобразования в цифровой код. Преобразователь может использоваться со-
вместно с калибраторами давления или ЭВМ с USB-портом.
Преобразователи серии ПДЭ выпускаются в нескольких модификациях:
ПДЭ-10, ПДЭ-20 — без цифровой индикации; ПДЭ-10И, ПДЭ-20И — с цифро-
вой индикацией; ПДЭ-010, ПДЭ-020 ЕИ — взрывозащищенные.
Основные пределы измерений:
• абсолютное давление (ДА) — 0–2,5 МПа;
• избыточное давление (ДИ) — 2,5 кПа — 60 МПа;
• давление — разряжение — 100–600 кПа.
Пределы основных допускаемых погрешностей преобразователей давления
в соответствии с ГОСТ 8.401:
0,02 • % — для класса точности А0;
• 0,03 % — для класса точности А;
• 0,05 % — для класса точности В;
• 0,1 % — для класса точности С.
Условия эксплуатации: −20…+60 °C (IP65).
Эталонные датчики температуры предназначены для передачи единицы из-
мерения температуры рабочим и эталонным средствам измерений методом непо-
средственного сличения в комплекте с прецизионными цифровыми термометра-
ми. В промышленной автоматике и измерительной технике широко используются
два вида преобразователей: эталонные преобразователи сопротивлений и эталон-
ные термоэлектрические преобразователи (термопары). Выбор эталонных датчи-
ков температуры осуществляется в соответствии с ГОСТ 8.558-93.
Эталонные преобразователи сопротивлений платиновые могут работать в ди-
апазоне температур от −200 до 1100 °C. В табл. 1.2 в качестве примера приведены
основные метрологические характеристики эталонных терморезисторов серий
ЭТС-100 и ПТС-100 (Россия) в реперных точках функции преобразования. Дан-
ные терморезисторы внесены в Госреестр РФ.
При подсоединении эталонных терморезисторов к электронному блоку ис-
пользуется 4-проводная схема подключения.
Эталонные термоэлектрические преобразователи (платинородиевые — пла-
тиновые) серий ППО и ПРО работают в диапазоне температур 300–1800 °C и ис-
пользуются в качестве средств поверки при аттестации термопар. Основные
характеристики эталонных термоэлектрических преобразователей показаны
в табл. 1.3.
Значения термо-ЭДС термопреобразователей при температуре рабочего
конца 1084,62 °C и при температуре свободных концов 0 °C для ППО составляют
10,6 мВ, для ПРО — порядка 5,7 мВ.
Прецизионные АЦП и ЦАП предназначены для высокоточной обработки
первичной информации в цифровых информационных системах. В системах промышленной автоматики и контрольно-измерительных средствах такие
преобразователи могут работать как в многоканальном, так и одноканальном
режимах функционирования. При этом имеется возможность обеспечения со-
вместимости с современными интерфейсами Ethernet, RS-485, CAN, USB 2.0.
Высокоточные АЦП применяют для преобразования входных аналоговых
сигналов в цифровую форму. В настоящее время отечественными и зарубеж-
ными фирмами производится очень широкий набор прецизионных модулей
АЦП для автоматизации информационных систем различного назначения.
Так, научно-производственной группой «Р-Технолоджи» разработаны АЦП
для многоканальных контрольно-измерительных средств. В составе данных
устройств — ряд высокоскоростных универсальных АЦП серии QMBox. Наи-
более высокая точность достигнута в многоразрядных АЦП (до 128 входов)
серии QMBox17. При этом преобразователи могут непосредственно подклю-
чаться к компьютеру по шине USB 2.0. Программное обеспечение позволяет
приступить к работе с АЦП сразу после подключения, без предварительной
градуировки.
Основные характеристики прецизионного АЦП типа QMBox17-16 приведе-
ны в табл. 1.4.
Данное 18-разрядное АЦП используется в сложных контрольно-измери-
тельных средствах для эффективного решения задач, связанных с обработкой
больших потоков входной информации и необходимостью работы в реальном
масштабе времени.
Прецизионные ЦАП решают обратную задачу, т. е. преобразование сигна-
ла цифровой информации в аналоговый сигнал, например, для управления различными исполнительными устройствами. Ряд высокоточных ЦАП был
разработан фирмой Analog Devices. К ним можно отнести многоразрядные
ЦАП серий AD 7244 (14 разрядов), AD 7846 (16 разрядов), AD 760 (18 разрядов).
Интегральная нелинейность преобразования данных АЦП не хуже 1-й едини-
цы младшего разряда.
1.5. Автоматизация сбора измерительной информации
1.5.1. AS-интерфейс
AS-интерфейс (Actuators/Sensors interface — интерфейс датчиков и исполнитель-
ных устройств) является интеллектуальной открытой сетью нижнего уровня
автоматизированных систем измерений и контроля. Интерфейс предназначен
для непосредственного подключения интеллектуальных датчиков, преобразо-
вателей и исполнительных механизмов к автоматизированной системе в соот-
ветствии с требованиями европейских нормативов EN 50259 и международного
стандарта IEC 620262.
Состав цифровых сетей в современных системах автоматизации рассмотрен
в [7]. AS-интерфейс в данной структуре находится на нижнем (полевом) уровне
распределенных систем, т. е. на уровне сети оконечных устройств. К основным
особенностям AS-i относятся:
подключение датчиков и механизмов с помощ • ью одного двухпроводного
соединительного кабеля специальной формы;
• передача измерительных сигналов и команд одновременно с напряжени-
ем питания;
• возможность подключения датчика в любой точке соединительного ка-
беля методом прокалывания;
• возможность полного исключения аналоговых цепей.
Для обеспечения высокой помехозащищенности при передаче цифровой
информации используется кодирование Манчестера. Система модуляции — де-
модуляции, команды и параметры интерфейса рассмотрены в [5].
Структура локальной вычислительной сети нижнего уровня на базе AS-
интерфейса показана на рис. 1.14. Интерфейс включает в свой состав одно
ведущее устройство — master, к которому можно подключить до 62 ведомых
устройств — slave (датчиков и исполнительных механизмов). Время опроса дат-
чиков не превышает 5 мс. Максимальная длина линии — 300 м. Для увеличения
длины линии используются повторители.
Соединительная линия представляет собой плоский кабель желтого цвета
и имеет строго определенную геометрическую форму сечения в виде трапеции
с выступом (рис. 1.15а), который обеспечивает однозначное положение кабеля
в соединительных модулях и исключает ошибку переполюсовки питания. Под-
соединение к кабелю производится методом прокалывания с помощью зажима.
Имеется возможность перехода с плоского кабеля на круглый (рис. 1.15б).
Топология сети AS-интерфейса достаточно проста и позволяет подключать
ведомые устройства к схеме управления по различным конфигурациям: «шина»,
«звезда», «кольцо» или «дерево». На рис. 1.16 приведены примеры геометриче-
ского расположения датчиков (топология) и исполнительных устройств в сети.
Степень защиты интерфейса и переходных устройств соответствует стан-
дарту IP-67. Сети на базе AS-интерфейса отличаются экономичностью и очень
большим выбором технических средств (шлюзов) для объединения с другими
цифровыми промышленными сетями верхнего уровня контроля и управления.
1.5.2. HART-протокол
При проектировании систем реального времени возникла необходимость одно-
временной передачи по одному каналу аналоговой и цифровой информации.
Такая задача может быть решена для измерительных систем, использующих
датчики с токовым выходом в каналах связи «токовая петля». Для решения этой
задачи американской компанией Rosemount был разработан специальный про-
токол (коммуникационный стандарт) — Highway Addressable Remote Transducer
(HART), который в середине 90-х годов стал открытым коммуникационным
стандартом. Данный стандарт позволяет провести объединение интеллек-
туальных датчиков в систему и обеспечивает их дистанционную настройку,
калибровку и диагностику на значительном расстоянии от управляющего
устройства. Стандарт снабжается специальным программным обеспечением,
позволяющим в полной мере использовать возможности современных интел-
лектуальных датчиков и исполнительных механизмов.
Сущность HART-протокола подробно рассмотрена в [2]. Как видно
из рис. 1.17, цифровая составляющая HART-сигнала (0,5 мA) в виде частотно-
модулированных радиоимпульсов (логическая «1» — 1200 Гц, логический «0» —
2200 Гц) накладывается на аналоговый токовый сигнал 4–20 мA. Поскольку
среднее значение синусоиды за период равно нулю, то HART-сигнал не влияет
на измерительный сигнал 4–20 мA. В цикле А передается команда с ведуще-
го устройства, а в цикле В — отклик интеллектуального датчика. Все HART-
сообщения передаются побайтно. Байт содержит стартовый и стоповый им-
пульсы. При организации системы связи с датчиками используют два режима
работы, поддерживающие обмен данными по HART-протоколу.
Режим «точка — точка» предназначен для одновременной передачи анало-
говых и цифровых сигналов. Один из вариантов подключения датчика для дан-
ного режима показан на рис. 1.18. В этом режиме непосредственное соединение
устройства низовой автоматики (датчика, преобразователя, исполнительного
устройства и т. п.) осуществляется любым двухпроводным кабелем на расстоя-
нии до трех километров. Скорость передачи — 1,2 Кбит/с. В качестве первично-
го ведущего устройства, как правило, используют ЭВМ с модемом или програм-
мируемый логический контроллер (ПЛК).
В качестве вторичного управляющего устройства может использовать-
ся портативный отладочный НАRТ-коммуникатор для удаленной настрой-
ки интеллектуальных полевых приборов. При этом данное устройство может
подключаться в любой точке линии связи. Так как цифровой сигнал совмещен
с аналоговым сигналом, процесс передачи аналогового сигнала происходит без
прерывания.
В многоточечном режиме обмена (рис. 1.19) интеллектуальный датчик пере-
дает и получает информацию только в цифровом виде. К одной паре проводов
может быть подключено до 15 датчиков. Все датчики в многоточечном режиме
имеют свой адрес, а коммуникатор может работать с любым из них. Расширение
системы может осуществляться с помощью НАRТ-мультиплексора, имеющего
до 32 входных каналов. Каждый канал рассчитан на 15 датчиков, работающих
в многоточечном режиме.
1.5.3. Локальная промышленная сеть PROFIBUS
В настоящее время при разработке автоматизированных контрольно-
измерительных средств, АСУ ТП, АСУП с использованием цифровых методов обработки сигналов наблюдается переход от традиционных систем построения
с централизованным управлением к распределенным многоуровневым сетевым
технологиям. Эта тенденция обусловлена прежде всего повышением требова-
ний к надежности, быстродействию и гибкости управления, а также экономиче-
скими соображениями [7]. Исследования показали, что количество проводных
соединений в централизованной системе как минимум в два раза больше, чем
в распределенной цифровой сети. Поэтому в большинстве случаев экономиче-
ски более целесообразно установить на площади цеха или участка несколько
локальных контроллеров или интеллектуальных устройств связи с объектом
(УСО), объединенных в единую сеть с открытым доступом и согласованных,
например, с сетью верхнего уровня Ethernet.
В промышленной автоматике широкое распространение получило семей-
ство локальных цифровых сетей PROFIBUS, разработанное фирмой Siemens
в середине 90-х годов (DIN 19245/EN 50170-2). Сеть PROFIBUS поддерживается
многими фирмами — производителями аппаратных средств и представляет со-
бой классическую сеть на базе общей шины с передачей маркера. Соответственно,
все функциональные узлы присоединяются к сети с помощью шины. При этом
доступ узлов к шине осуществляется строго детерминированным способом,
т. е. только один узел, контроллер или рабочая станция в данный момент может
начать передачу сообщения. Право на передачу дается маркером (token) — спе-
циальной битовой комбинацией, которая последовательно циркулирует между
устройствами.
Взаимодействие устройств в шине определяется моделью master — slave,
включающей ведущие и ведомые станции. К шине можно присоединить до 127
активных (ведущих) и пассивных (ведомых) станций. Физическая среда переда-
чи — это экранированная витая пара в соответствии со спецификацией интер-
фейса RS-485 с максимальной длиной 1200 м (при использовании повторителей
до 4800 м). Скорости передачи данных — 9,6; 19,2; 187 и 500 Кбит/с. В новых раз-
работках предусмотрено применение оптоволоконного кабеля.
Сеть PROFIBUS разработана для поддержки на одной шине интеллектуаль-
ных датчиков одновременно с более сложными устройствами (компьютерами,
ПЛК, регуляторами и др.) и существует в трех основных вариантах:
• PROFIBUS-FMS ориентирован для работы на верхних уровнях управле-
ния и организации сети нескольких активных станций ПЛК, ЭВМ;
• PROFIBUS-DP применяется в сетях нижнего уровня и обеспечивает вы-
сокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами;
• PROFIBUS-PA применяется для построения сети, соединяющей дат-
чики, исполнительные устройства и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне. По многим параметрам стан-
дарт PROFIBUS-PA (IEC 61158-2) схож со стандартом Foundation Fieldbus
(FF), который был разработан в 1995 году.
На рис. 1.20 показан один из вариантов структурной схемы трехуровневой
распределенной АСУ ТП с использованием локальной сети PROFIBUS.
В общем случае для выбора сетевого стандарта при проектировании автома-
тизированных распределенных контрольно-измерительных систем и АСУ ТП
разработчик должен учитывать следующие основные особенности: геометри-
ческие размеры сети и число уровней управления, время доставки сообщения
и экономическую эффективность.
ГЛАВА 2
СТАНДАРТНЫЕ
ОБРАЗЦЫ
В ИЗМЕРЕНИЯХ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
2.1. Основные определения и термины
В измерениях и контроле неэлектрических величин особая роль отводится ана-
логам технических эталонов — стандартным образцам свойств материалов и ве-
ществ, предназначенных для обеспечения единства и требуемой точности из-
мерений. Особенно велика эта роль для огромной группы современных средств
измерений — аналитических приборов, базирующихся на методах качественного
и количественного физико-химического анализа при химико-технологических,
медико-биологических, сельскохозяйственных, экологических и других измере-
ниях. По своему назначению стандартные образцы выполняют роль мер (также
с присвоением разрядов), однако в отличие от классических технических мер они,
как правило, реализуются в виде части или порции однородного вещества (ма-
териала). При этом данная часть является носителем воспроизводимой единицы
ФВ, а не ее части. Правила работы со стандартными образцами устанавливаются
нормативно-техническими документами РФ. Одно из полных определений тер-
мина «стандартный образец» с учетом РМГ 29 дано в ГОСТ 8. 315-97.
Стандартный образец (СО) — средство измерений в виде определенного ко-
личества вещества или материала, предназначенное для воспроизведения и хра-
нения размеров величин, характеризующих состав или свойство этого вещества
(материала), значения которых установлены в результате метрологической атте-
стации. Утвержденный СО используется для передачи размера ФВ при поверке,
калибровке, градуировке СИ, а также аттестации методик выполнения измере-
ний. Различают стандартные образцы свойств веществ и стандартные образцы
состава веществ.
СО свойств веществ или материалов характеризуют физические, химиче-
ские, биологические и другие свойства вещества.
СО состава веществ или материалов характеризуют содержание определен-
ных компонентов в составе веществ, характер структурных соединений, состав
химических элементов и т. п.
Проба СО — представительное количество материала, отобранное для опре-
деления содержания требуемого вещества (материала).
Проба холостая содержит все компоненты вещества (материала), кроме опре-
деляемой. Применяют для учета и устранения мешающего влияния примесей.
Наименьшая проба СО — наименьшее количество вещества или материала,
сохраняющее все метрологические характеристики, приписанные образцу.
Навеска — точно взвешиваемая часть пробы.
Аналит — компонент, искомый или определяемый в пробе.
Гомогенность вещества — это однородность состава вещества (материала).
Экземпляр СО — это отдельная упаковка в таре материала, в которую он
расфасован.
Комплект СО — совокупность нескольких (более двух) экземпляров, по-
ставляемых и применяемых совместно, имеющих разные аттестованные значе-
ния одной и той же величины.
Набор СО — совокупность нескольких экземпляров образцов разных типов,
скомплектованных с учетом удобства их применения для выполнения конкрет-
ных метрологических работ.
Тип стандартного образца — это совокупность экземпляров (комплек-
тов) СО одного и того же назначения, изготавливаемых из одного и того же вида
вещества (материала) по одной и той же технической документации, устанав-
ливающей технические требования к образцу. Основные виды стандартных об-
разцов приведены на рис. 2.1.
Методы анализа СО — совокупность приемов и методов аналитических ис-
следований для определения как количественных, так и качественных характе-
ристик образцов (в классической метрологии это метод измерений).
Так, например, при цветовых измерениях в калориметрии определяются
качественные (неколичественные) свойства объекта в виде наборов СО цвета
(атласы цветов), а при измерениях в медицине используются образцы для опре-
деления количественных характеристик состава и свойств веществ. Выделяют
химические, физические и физико-химические методы анализа.
Аналитический сигнал — это любое свойство вещества, которое можно ис-
пользовать для установления качественного и количественного состава объек-
та, например спектр поглощения или испускания.
Точка эквивалентности — это момент (например, в титриметрии), когда ко-
личество раствора известной концентрации эквивалентно количеству опреде-
ляемого вещества в СО.
Референтная методика (метод) измерений — это методика измерений, при-
нятая для получения результатов измерений (разд. 1.2).
Матрица химического состава СО — это компонент или совокупность ком-
понентов, образующих данное вещество или материал и являющихся его осно-
вой. Выделяют простые матрицы, если СО состоит из чистых компонентов,
и сложные, если компоненты представлены в частично известной среде.
Первичный стандартный образец — это утвержденный образец с наивысши-
ми метрологическими свойствами, аттестованное значение которого установле-
но первичным методом измерения, т. е. без сравнения с эталоном единицы изме-
рения. В соответствии с ГОСТ 8.694-2010 для стандартных образцов определено
несколько методов, потенциально относящихся к первичным (безэталонным)
методам измерений:
• титриметрия;
• гравиметрия;
• кулонометрия;
• понижение температуры застывания;
• масс-спектрометрия с изотопным разбавлением.
Вторичный стандартный образец — это образец, аттестованное значение ко-
торого установлено сравнением с первичным эталоном.
Метрологические характеристики СО — это комплекс характеристик, пред-
назначенный для определения результатов измерений состава и свойств образцов
и оценивания погрешностей (неопределенностей) полученных результатов.
Метрологическая аттестация СО — это заключительный этап работ, прово-
димый в целях определения метрологических характеристик образца с выдачей
сопроводительного документа (паспорта) СО. Выделяют первичную (в целях
утверждения типа ГОСТ Р 8.753-2011) и повторную аттестации.
Программа аттестации СО — раздел технической документации (ТЗ, ТУ)
на разработку образца, устанавливающий объем, виды и последовательность
работ по метрологической аттестации образца и сроки их проведения.
Методика аттестации СО — раздел технической документации (ТЗ, ТУ)
на разработку образца, устанавливающий перечень определяемых метрологи-
ческих характеристик, методы, средства и алгоритмы измерений, способы об-
работки результатов измерений и форму их представления.
Аттестованное значение СО (АСО) — это значение аттестуемой характе-
ристики образца, установленное при его аттестации и приводимое в паспорте
с указанием погрешности.
Референтная методика (метод) измерений — это методика измерений, при-
нятая для получения результата измерений.
Прослеживаемость результатов измерений АСО — это прослеживаемая
связь аттестованных значений АСО к соответствующим единицам СИ или
опорным значениям. Термин «прослеживаемость» также допускается опреде-
лять как достоверность полученных результатов измерений с установленными
неопределенностями при сравнении их с эталонными значениями наивысшего
метрологического уровня (ГОСТ 8.763-2011).
Категория СО — признак, определяющий уровень его признания (утверж-
дения) и область применения. Выделяют следующие категории стандартных
образцов:
государственный (ГСО), признанный национальным • органом по метро-
логии, стандартизации и сертификации;
• межгосударственный (МСО), признанный в соответствии с принятыми
правилами, установленными Межгосударственным советом по метроло-
гии, стандартизации и сертификации;
• отраслевой (ОСО), утвержденный органом, наделенным полномочиями
от государственной системы управления, применяемый на предприяти-
ях или в организациях отрасли;
• стандартный образец предприятия (СОП), утвержденный руководи-
телем предприятия и применяемый в соответствии с нормативными
документами.
Срок годности экземпляра СО — интервал времени, исчисляемый с даты вы-
пуска экземпляра образца, в течение которого гарантируется соответствие ме-
трологических характеристик СО, указанным в его паспорте.
Метрологическая аттестация состава и свойств стандартных образцов про-
водится в соответствии с утвержденными нормативно-техническими документами (НТД) России, учитывающими зарубежный опыт. Основные действую-
щие документы РФ по стандартным образцам приведены в табл. 2.1.
По метрологической соподчиненности СО подразделяются на следующие:
• стандартные образцы, входящие в состав поверочных схем в качестве ра-
бочих эталонов соответствующего разряда;
• первичные и вторичные стандартные образцы, обеспечивающие цепоч-
ки «прослеживаемости» к единицам Международной системы единиц
(SI) или к иным принятым в РФ единицам.
Следует отметить, что для первичных СО аттестованные значения уста-
навливаются с использованием первичного метода измерений, имеющего наи-
высшие метрологические свойства, определенные без сравнения с эталоном
единицы величины того же рода. Для вторичных стандартных образцов атте-
стованные значения устанавливаются сравнением с первичным СО.
Таким образом, для использования АСО в качестве эталона необходимо,
чтобы аттестованные значения имели прослеживаемую связь к соответствую-
щим единицам СИ или опорным значениям шкал ФВ.
Метрологический надзор за выпуском и применением АСО в сфере государ-
ственного регулирования проводят Федеральное агентство по техническому ре-
гулированию и метрологии, а также другие федеральные органы исполнитель-
ной власти, уполномоченные правительством РФ осуществлять данный вид
надзора в установленной сфере деятельности.
Государственный метрологический надзор может распространяться на дея-
тельность юридических лиц и индивидуальных предпринимателей в случае до-
бровольной аттестации СО.
2.2. Метрологические характеристики стандартных
образцов. Аттестация образцов и сопровождающих
документов
Значения всех метрологических характеристик (МХ) СО устанавливаются в про-
цессе аттестации образца и приводятся в паспорте на него. При этом приме-
нение СО должно осуществляться в соответствии с требованиями нормативно-
технических документов (НТД) на методы анализа (измерений), испытаний,
контроля, поверки и градуировки СИ, а также аттестованных методик выпол-
нения измерений с использованием поверочных схем.
В соответствии с требованиями НТД к основным метрологическим харак-
теристикам (МХ) стандартных образцов, которые нормируются в документа-
ции СО, относятся:
аттестованное значение образца, т. е. • значение, воспроизводимое им
и установленное при его аттестации с указанием погрешности;
• погрешность (неопределенность) аттестованного значения СО — раз-
ность между аттестованным и истинным значением величины, воспро-
изводимой той частью образца, которая используется при измерении;
• характеристика однородности СО — характеристика свойства образца,
выражающегося в постоянстве значения величины, воспроизводимой его раз-
личными частями, используемыми при измерениях;
• характеристика стабильности СО — это характеристика свойства образ-
ца, выражающегося в сохранении значений метрологических характери-
стик в установленных пределах, в течение указанного в паспорте срока
годности при соблюдении заданных условий хранения и применения;
• функции влияния СО — это зависимость метрологических характери-
стик образца от изменения внешних влияющих величин в заданных
условиях применения.
В зависимости от применяемого СО возможно использование и других ме-
трологических характеристик.
Рекомендации к работам по проведению аттестации (испытаний) СО в целях
определения метрологических характеристик монолитных, жидких, дисперс-
ных (делимых) и газообразных веществ даны в документах: ГОСТ Р 810-2012,
ГОСТ Р 8.694-2010, РМГ 93-2009, руководство ИСО — ISO Guide 35: 2006. Клю-
чевым вопросом в установлении метрологических характеристик (МХ) образца
при его аттестации является разработка программы и методики определения
МХ образца с использованием методов химического и физико-химического
анализа [9, 10].
Программа определения МХ при аттестации (испытании) стандартного об-
разца должна содержать вводную часть и следующие разделы:
• общие положения;
• подготовка материала (пробы) СО к работам по определению МХ;
• соисполнители, участвующие в работе по определению МХ;
• методика определения метрологических характеристик СО;
• способ установления метрологической прослеживаемости СО;
• форма представления результатов определения МХ образца;
• сроки проведения работ по определению МХ образца.
Методика определения МХ стандартного образца при аттестации включает
в себя вводную часть и следующие разделы:
• методика определения аттестованного значения СО;
• методика определения однородности СО;
• методика определения стабильности СО;
• формы представления результатов измерений при определении однород-
ности и стабильности образца.
В целях правильности определения метрологических характеристик при
аттестации стандартных образцов проводится метрологическая экспертиза
программы и методики определения МХ образцов. При этом метрологическую
экспертизу программы и методики проводят аккредитованные в установлен-
ном законодательством РФ порядке специалисты. К ним относятся эксперты-
метрологи в области стандартных образцов. При проведении метрологической
экспертизы программы и методики оценивают следующее (ГОСТ 8 810-2012):
• правильность употребления метрологических терминов и понятий;
• нородности и стабильно-
сти материала СО;
• соответствие выбранных методик (методов) измерений требованиям
стандартов ГОСТ Р 8.563, ГОСТ Р 8.694;
• обоснованность выбора средств измерений СО и испытательного
оборудования;
• соответствие алгоритма расчета стандартной неопределенности от не-
однородности и нестабильности СО в соответствии с требованиями
ГОСТ Р 8.694;
• обоснованность выбора способа установления метрологической просле-
живаемости;
• соответствие формы представления определяемых метрологических ха-
рактеристик СО.
С течением времени значение аттестуемой характеристики АСО может из-
мениться по сравнению с аттестованным значением. Если значение АСО вы-
ходит за пределы диапазона, указанного в паспорте, необходимо проведение
повторной аттестации АСО/СО или изъятие этого образца.
2.3. Особенности конструктивного исполнения СО
В отличие от классических эталонов метрологии большинство аттестованных
ГСО изготовляют в виде экземпляров проб, например упаковок, пробирок, бу-
тылок, баллонов или отдельных образцов твердых тел. Общий вид комплектов
стандартных образов показан на рис. 2.2а–д.
Требования к условиям хранения и материалу упаковок образцов сформу-
лированы в ГОСТ Р 8.810-2012. В состав требований входят:
• определение условий хранения ГСО — температура, влажность,
освещенность;
• требования к материалу упаковки, в которой должен находиться СО в те-
чение времени исследования стабильности образца;
• периодичность измерений значения аттестуемой характеристики СО при
определении стабильности образца с применением метода исследования
стабильности.
Производство и изготовление ГСО относятся к опасным производственным
объектам (ГОСТ Р 8.776-2011). Работы по их проектированию, наладке, ремонту
регулируются Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных
производственных объектов».
Баллоны и оборудование, используемое для изготовления ГСО, их экс-
плуатация, транспортирование и хранение должны соответствовать правилам
и нормам, а также иметь разрешение Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору на применение конкретных типов (ви-
дов) технических устройств. Запрещается изготовлять ГСО во взрывоопасных
концентрациях.
Содержание этикетки СО (ГОСТ Р 8. 753-2011) должно включать:
• для СО утвержденных типов — знак утверждения типа;
• наименование изготовителя СО;
• наименование стандартного образца;
• регистрационный номер по Государственному реестру СО для утверж-
денных типов (для ГСО) или номер по реестру организации, корпорации,
объединения, ведомства и других юридических лиц (для ОСО, СОП);
• номер партии (экземпляра) СО;
• артии (экземпляра);
• срок годности СО;
• предупреждение о вреде для здоровья и опасности.
2.4. Классификация методов анализа состава и свойств веществ
Определение качественных и количественных характеристик СО базируется
на фундаментальных методах аналитической химии [9]. При этом качественный
анализ заключается в определении отдельных элементов (или ионов), из ко-
торых состоит анализируемое вещество — аналит. Конечной целью количе-
ственного анализа является определение (измерение) содержания химических
элементов, соединений в исследуемом аналите. При этом содержание опреде-
ляемого компонента устанавливается аналитическим сигналом. Связь между
аналитическим сигналом и содержанием компонента называют градуировочной
характеристикой, которая может быть представлена в виде графиков, таблиц
или формул. Значение 1-й производной градуировочной функции определяет
чувствительность метода. Порог чувствительности характеризуется величиной
обнаруживаемого минимума вещества.
Следует отметить, что анализ является достаточно сложным процессом
и представляет собой совокупность взаимосвязанных операций, включая
пробоподготовку, очистку, растворение, концентрирование, сушку, проведе-
ние испытаний, обработку и оценку полученных результатов испытаний (из-
мерений). Каждый аналитический метод имеет свою область применения
и характеризуется:
• временем, необходимым для проведения анализа;
• порогом чувствительности;
• точностью и воспроизводимостью результатов;
• правильностью результатов.
Принцип определения химического состава вещества любым методом сво-
дится к тому, что состав вещества определяется по его свойствам.
Свойства веществ разделяют на две группы:
• интенсивные — не зависящие от количества вещества (длина волны, по-
казатель преломления, частота линии в спектре и т. д.), они используют-
ся для целей качественного анализа;
• экстенсивные — зависят от количества вещества и обладают свойством ад-
дитивности (суммирования), используются для количественного анализа.
Свойства веществ фиксируются аналитическими сигналами.
Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их свойств
обусловили разнообразие методов анализа. Поэтому в современной литерату-
ре методы химического анализа классифицируются по различным признакам.
Наиболее часто используется классификация по принципу получения анали-
тического сигнала (АС). Соответственно, все методы аналитической химии
основаны на получении и измерении аналитического сигнала. Основные ме-
тоды аналитической химии показаны на рис. 2.3. В зависимости от принципа
получения АС все методы разделяют на три основные группы [13, 14].
Химические методы анализа (в том числе и электрохимические) осно-
ваны на использовании химических реакций различных типов (например
окислительно-восстановительных или кислотно-основных). При этом про-
водят реакцию, а затем наблюдают аналитический эффект или измеряют АС.
К основным направлениям данного метода относят гравиметрию (весовой ана-
лиз) и титриметрию.
В биохимических исследованиях микроорганизмов (например, при опреде-
лении количества молочной кислоты) используют как весовые, так и титриме-
трические методы анализа.
Физические методы анализа основаны на измерении физических свойств ве-
ществ, зависящих от химического состава. В этом случае химические реакции
либо совсем не используются, либо играют вспомогательную роль. При этом
наблюдение аналитического эффекта обеспечивается непосредственно анали-
том и основной упор делается на измерение АС.
Физико-химические методы анализа основаны на измерении физических
свойств веществ, которые появляются или изменяются в результате химиче-
ских реакций. При этом сначала проводят реакцию, а затем измеряют АС фи-
зического свойства продукта реакции или используют измерение физического
свойства в ходе реакции до установления конечной точки титрования.
Химические методы анализа часто называют классическими, а физические
и физико-химические методы анализа — инструментальными, т. е. с использо-
ванием измерительной аппаратуры.
Наибольшее значение среди химических методов количественного анали-
за имеют гравиметрические и титриметрические методы определения состава
и свойств СО. В общем случае эти методы являются стандартными для оценки
правильности определения. Основная область их применения — прецизионное
определение больших и средних количеств веществ.
Классические методы анализа наиболее часто используются на предприяти-
ях химической промышленности для контроля хода различных технологических процессов, качества сырья и готовой продукции. На основе этих методов осу-
ществляется и фармацевтический анализ при определении качества лекарств
и лекарственных средств.
2.4.1. Гравиметрические (весовые) методы анализа
Гравиметрия — это химический метод количественного анализа вещества,
основанный на точном измерении массы аналита (например выпавшей в осадок)
после ее фильтрации и просушки или составных частей аналита, выделенных
в виде соединения точно известного состава. Гравиметрический метод химиче-
ского анализа относится к наиболее точным классическим методам. Средняя
точность определения (измерения) компонента составляет порядка 0,1–0,2 %.
Достижимая погрешность может достигать 0,05 %. При этом любой химический
анализ базируется на химической реакции
см. в книге (2.1)
где Р — продукт химической реакции, R — вещество (реагент), принимающее
участие в химической реакции.
В зависимости от вида (типа) вещества (твердое, жидкое, газообразное) при
определении количества вещества можно использовать разные методы получе-
ния результата данной реакции [8, 9]. Широко используют также электрогра-
виметрические методы определения состава вещества. В общем случае по спо-
собам отделения определяемого компонента различают три гравиметрических
метода анализа: выделения, осаждения и отгонки.
Метод выделения заключается в том, что определяемый компонент (аналит)
выделяют из пробы в свободном состоянии, т. е. сразу в виде элемента. Затем его
точно взвешивают. Например, при определении катионов металлов их восста-
навливают до свободного металла, который взвешивают.
Метод отгонки базируется на том, что определяемый компонент при нагре-
вании формируется в виде летучего соединения. При этом содержание аналита
определяют по изменению массы исходной пробы в процессе отгонки летучего
соединения. Метод отгонки используется в количественном анализе органиче-
ских лекарственных препаратов.
Метод осаждения заключается в получении осаждаемой формы (ОФ) опре-
деляемого компонента в виде малорастворимого соединения, которое фильтру-
ют, высушивают или прокаливают. По полученному продукту рассчитывают
массу аналита. Высушивание проводят в сушильных шкафах, а прокалива-
ние — в электропечи. Метод осаждения является самым распространенным
в гравиметрическом анализе. Чаще всего его используют для определения ио-
нов, дающих малорастворимые соединения. На основе методов осаждения раз-
работаны гравиметрические способы и методики определения большинства
катионов металлов, анионов, а также ряда органических веществ с использова-
нием как неорганических, так и органических осадителей. Основные операции
гравиметрического метода осаждения показаны на рис. 2.4.
Расчет величины навески пробы делают по уравнению реакции на аналити-
ческих весах. При фильтровании отделяют осадок от раствора. В качестве филь-
тров используют бумажные беззольные фильтры, фарфоровые или стеклянные
фильтрующие тигли, которые подбирают в зависимости от способа дальнейшей
термообработки. Промывание используют для удаления из осадка ионов, кото-
рые не могут улетучиться при дальнейшем прокаливании.
Гравиметрические методы определения состава веществ имеют ряд до-
стоинств перед другими методами анализа. Выделяют надежность и точность
метода. В данном случае предел определения ограничивается растворимостью
осадка и чувствительностью аналитических весов. Общий вид высокоточных
аналитических весов AF 225 DR фирмы SHINCO (Япония) показан на рис. 2.5.
Максимальный измеряемый вес — до 150 г. Точность измерений — 0,0001 мг.
Точность определения может достигать 0,05 %.
Так, для весов с точностью взвешивания 0,0001 г
систематическая ошибка измерений определяется
соотношением
см. уравнение в книге (2.2)
где а — навеска; n — число прокаливаний; m —
гравиметрическая масса.
Тогда при а = 0,2598 г, n = 3 и m = 0,1754 г опре-
деленная по (2.2) систематическая ошибка будет
равна 0, 0005 = 0,05 %
Благодаря этим достоинствам гравиметриче-
ский метод широко используется при проведении
аттестации эталонных образцов, при определении концентрации стандартных
растворов различных веществ, а также при арбитражных анализах.
К основным недостаткам гравиметрического метода относят длительность
проведения анализа. На анализ обычно затрачивается несколько часов. Поэто-
му данный метод не применяют для контроля хода технологических процессов,
а используют для контроля качества сырья и готовой продукции. К другим не-
достаткам относят трудоемкость и малую чувствительность.
2.4.2. Титриметрические методы анализа
Титриметрический анализ — это метод количественного химического и электро-
химического анализа, основанный на точном измерении объема израсходован-
ного (вводимого) раствора реагента R c точно известной концентрацией. Ранее
такой метод назывался объемным. Сейчас под объемным анализом понима-
ют совокупность методов, основанных на измерении объема жидкой, газовой
или твердой фаз. Данный метод основан на процессе титрования, который был
предложен Ж. Гей-Люссаком.
Титрование — это процесс определения состава вещества, при котором
в пробу Х постепенно с помощью высокоточной измерительной бюретки при-
бавляют небольшие порции реагирующего с ним другого вещества (реагента)
до того момента, пока все определяемое вещество в пробе не вступит с ним в ре-
акцию. Реагент для титрования называют титрантом.
Реакция должна протекать по строго определенному стехиометрическому
уравнению, побочные реакции должны быть исключены. Титрант реагента
с точно известной концентрацией часто называют стандартным или рабочим.
Момент титрования, при котором количество прибавленного титранта стано-
вится химически эквивалентным количеству определяемого вещества, называ-
ют точкой эквивалентности.
Обычно титрант добавляют к анализируемому веществу в виде раствора
с точно известной концентрацией растворенного вещества. При этом количе-
ство титранта, вступившего в реакцию, определяется по объему затраченного
раствора [10]. В настоящее время титрант можно добавлять не только в виде рас-
твора, но и в виде порошка, таблеток или пропитанной бумаги. К стандартным
(исходным) растворам предъявляют строгие требования. Ими могут быть толь-
ко химически чистые (примеси меньше 0,01 %), устойчивые и хорошо раство-
римые вещества.
Титриметрические методы анализа являются одним из основных мето-
дов химического и электрохимического анализа с достижимой погрешностью
определения не хуже 0,5 %. Широта данных методов определения состава обу-
словила различные виды их классификации.
Так, по типу химических реакций с реагентом выделяют следующие виды
титрования:
окислительно-восстановительное • (редоксиметрия);
• кислотно-основное (метод нейтрализации);
• комплексометрическое (с использованием комплексных соединений);
• осадительное (седиметрия).
По типу применяемого титранта выделяют:
• титрование щелочью (алкалиметрия);
• титрование кислотами (ацидиметрия);
• комплексонометрия и др.
По приемам титрования выделяют:
• прямое (непосредственная реакция с титрантом);
• обратное (метод титрования по остатку);
• заместительное (косвенное титрование).
При прямом титровании пробу анализируемого вещества титруют стан-
дартным раствором до точки эквивалентности. Конец титрования, когда коли-
чество стандартного реактива эквивалентно количеству определяемого в рас-
творе вещества, устанавливают визуально по изменению окраски при реакции
или инструментально на основе физико-химических методов анализа (потен-
циометрического или амперометрического). Чем точнее определена точка экви-
валентности, тем меньше ошибка анализа.
Обратное титрование, или по остатку, применяют, когда определяемое ве-
щество не реагирует со стандартным раствором или реагирует недостаточно
быстро. В этом случае к пробе анализируемого вещества прибавляют заведо-
мый избыток стандартного раствора и остаток его после реакции с определяе-
мым веществом титруют другим стандартным раствором.
Титрование по замещению применяют, когда непосредственное определе-
ние данного вещества затруднительно. В этом случае анализируемое вещество
посредством реакции переводят в другое соединение, которое титруют стан-
дартным раствором.
К объемному методу относят также многие методы газового анализа, ког-
да при выполнении измерений определяют объем какого-либо поглотившегося
или выделившегося газа.
По аналитическому сигналу точки эквивалентности процесса титрования
выделяют:
• титрование с изменением цвета реагента или пробы при химической
реакции;
• титрование с резким измерением электрических параметров процесса
титрования (напряжения, тока, проводимости и др.) при электрохими-
ческих методах анализа (инструментальное титрование).
Наиболее точных результатов определения состава веществ можно достичь
при автоматизации процесса титрования и использовании электрохимических
методов анализа. Электрохимические методы анализа базируются на электро-
дных процессах и возникающих электродных потенциалах, которые форми-
руются на границе электрод — электролит в измерительных ячейках. Электро-
дный потенциал (глава 1) — это разность электрических потенциалов между
электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. При этом изме-
ряют разность потенциалов между индикаторным электродом и выбранным
электродом сравнения с известным потенциалом, условно принятым за нуль
(рис. 1.10).
На практике наиболее широкое применение получили автоматиче-
ские кулонометрические и потенциометрические титраторы, основанные
на окислительно-восстановительных реакциях.
Общий вид автоматических титраторов для измерения состава материалов
и веществ показан на рис. 2.6.
В качестве индикаторных (рабочих) электродов в потенциометрических ти-
траторах применяют индифферентные металлы Pt, Au, Ag и др. Иногда исполь-
зуют и ионоселективные мембранные электроды. Для определения конечной
точки титрования (точки эквивалентности) в виде резкого скачка потенциала
измерительной цепи применяют графические и расчетные методы. При этом
строят графики зависимости величины потенциала от количества добавляемого реагента (титранта), т. е. E = f (Rтитранта). Примеры некоторых кривых потенцио-
метрического титрования с максимальной крутизной в точке эквивалентности
показаны на рис. 2.7.
Для более точного определения точки эквивалентности лучше использо-
вать метод первой производной Е/R от интегральной кривой с точкой пере-
гиба. Метод потенциометрического титрования особенно часто применяют
при анализе растворов, содержащих несколько ионов без их предварительного
разделения.
В общем случае использование электрохимических методов анализа по-
зволяет добиться высокой точности и воспроизводимости определения состава
и обеспечить полной автоматизации измерений.
2.5. Формирование проб стандартных образцов
Проведение химического анализа начинают с отбора и подготовки пробы СО.
Если они проведены неправильно, то тщательно измеренный аналитический
сигнал не дает правильной информации о содержании определяемого компо-
нента. Погрешность при пробоотборе делает бессмысленным использование
высокоточных методов измерений. Приемы и порядок отбора проб установлены
ГОСТ Р 8.694-2010.
Первоочередная задача разработки и аттестации СО заключается в установ-
лении необходимого количества исходного материала, из которого будет изго-
товлен образец с требуемыми свойствами. Следует учитывать, что некоторые
комбинации «материал — свойство» очень редкие, что требует поиска компро-
миссных решений. В некоторых случаях может быть использован метод смеши-
вания или добавок.
Количество необходимого материала определяется следующими
факторами:
• числом экземпляров разрабатываемого СО;
• числом проб, необходимых для исследования однородности;
• числом проб, необходимых для исследования стабильности;
• числом проб, необходимых для исследования возможности выполнения
программ и определения метрологических характеристик СО;
• количеством материала, необходимого для одного измерения.
В связи с тем, что срок годности СО зависит от стабильности материала,
этот параметр также влияет на количество исходного материала. Выбор ме-
тодик определения однородности и стабильности экземпляров материала СО
подробно рассмотрен в ГОСТ Р 8.694-2010. При отборе различают генеральную,
лабораторную и анализируемую пробы.
Генеральная проба отбирается непосредственно из объекта. Она может быть
в пределах от 1 до 50 кг, а для некоторых объектов (например руды) — от одной
до пяти тонн.
Лабораторная проба с массой материала от 25 г до 1 кг формируется путем
сокращения генеральной пробы. При этом ее разделяют на три части. Одну
часть применяют для предварительных исследований, другую — для арбитраж-
ных анализов, третью используют в качестве анализируемой пробы.
Содержание определяемого компонента в анализируемой пробе должно от-
ражать среднее содержание этого компонента в исследуемом объекте.
При отборе пробы необходимо учитывать:
• агрегатное состояние объекта (газ, жидкость, твердое вещество);
• частиц неоднородности;
• возможность изменения объекта во времени;
• способ измерения аналитического сигнала;
• требуемую точность определения состава и свойств.
Следует отметить, что все стадии анализа при отборе и исследовании пар-
тии проб и внутриэкземплярной неоднородности связаны между собой и по-
грешность однородности и стабильности при отборе пробы определяет общую
точность определения компонента.
Обобщенный пример этапов измерительной цепи и демонстрации про-
слеживаемости результата измерений начиная с исследования пробы приве-
ден на схеме, показанной на рис. 2.8. В представленной схеме матричные ат-
тестованные СО (АСО) могут быть использованы для демонстрации точности
результатов измерений. Матричные образцы при аттестации СО показывают
определенную степень контроля качества (КК) измерений. Чистые матричные
материалы, чистые экстракты и т. п. могут быть использованы в целях проверки
методики (метода) измерений или для установления поправочного коэффици-
ента (ГОСТ 8.694-2010).
Градуировку, поверку, калибровку средств измерений необходимо прово-
дить по эталонам или АСО, имеющим прослеживаемость к соответствующим
национальным или международным эталонам, а в случае отсутствия послед-
них — к принятым опорным значениям.
При этом градуировка, поверка, калибровка СИ должны обеспечивать точ-
ные измерения, чтобы не вносить дополнительной неопределенности. Опорным
значением может быть единица СИ, воспроизводимая эталоном, или условная
шкала, хранимая национальным метрологическим институтом.
Добавки, холостые пробы-добавки и т. д. могут быть использованы для
исследования каких-либо участков измерительной цепи или при установ-
лении значений аттестуемой характеристики материала СО. Для установле-
ния и демонстрации прослеживаемости результатов измерений необходимо
контролировать:
• взвешивание пробы;
• чистоту реактивов, растворителей, «чистых материалов»;
• градуировку, поверку, калибровку СИ, а также калибровку мерной
посуды;
• помехи в измерительном сигнале;
• обоснованные статистические методы для проведения расчетов;
• загрязнения, потери в измерительном процессе.
Все эти факторы могут быть подвергнуты требуемому контролю путем под-
тверждения правильности методики (метода) измерений. При этом правиль-
ность любой методики измерений должна быть надлежащим образом продемон-
стрирована и, соответственно, подтверждена установленными требованиями.
Оценка согласованности результатов измерений, полученных при межлабора-
торном эксперименте, может быть частью подтверждения правильности мето-
дики измерений и отбора проб.
2.6. Оценка метрологических характеристик
стандартных образцов
Состав метрологических характеристик СО, оценку которых необходимо
производить и аттестовать, был рассмотрен в разд. 2.2. В основе аттестации
СО — разработка программы определения метрологических характеристик
(МХ) и методики определения МХ стандартного образца, входящих в состав
технологической документации на образец. Программу и методику разраба-
тывает организация, осуществляющая планирование и выполнение работ
по определению МХ образца. При этом необходимо установить правильность,
воспроизводимость и достоверность аналитической методики, обеспечиваю-
щей требуемую точность измерений. Кроме того, методика должна обеспечи-
вать метрологическую прослеживаемость к единицам величин, воспроизво-
димым государственным первичным эталоном или национальным эталонам
зарубежных государств.
В общем случае оценка МХ образцов является довольно сложной метроло-
гической задачей. Это обусловлено огромным количеством исследуемых одно-
компонентных или многокомпонентных твердых, жидких и газообразных ве-
ществ. Анализ нормативных документов России по оценке неопределенностей
(погрешностей) МХ образцов показал, что оценка может проводиться по раз-
личным направлениям:
по результатам, полученным в нескольких лабораториях • одним или не-
сколькими методами;
• по результатам исследований, полученным в одной лаборатории не-
сколькими методами:
• с применением эталонов;
• с использованием аттестованных МВИ;
• по результатам косвенных измерений (по процедуре приготовления)
и оценке влияющих величин.
Полная оценка МХ для отдельных экземпляров и наборов СО с исполь-
зованием межлабораторных исследований при отборе проб и установле-
нии неопределенности аттестованного значения образца (АСО) рассмотрена
в ГОСТ 8.694-2010 и ГОСТ Р 8.810-2012 (разработка программы). При этом учи-
тываются все основные факторы, влияющие на неопределенность результата
измерений АСО, к которым относят:
• неоднородность материала СО;
• нестабильность значений аттестуемой характеристики образца;
• способ определения АСО.
С учетом данных источников суммарную стандартную неопределенность
АСО можно определить из уравнения (ГОСТ Р 8. 694-2010)
см. уравнение в книге (2.3)
где uc
2 — суммарная стандартная неопределенность; u2
chair — стандартная не-
определенность, обусловленная способом определения АСО; u2
bb — стандартная
неопределенность, обусловленная неоднородностью вещества; u2
lts — стан-
дартная неопределенность, обусловленная долговременной нестабильно-
стью; u2
sts — стандартная неопределенность, обусловленная кратковременной
нестабильностью
Срок службы АСО определяют с учетом влияющих факторов на нестабиль-
ность образца. Методику с использованием уравнения (2.3), как правило, ис-
пользуют при разработке первичных СО, находящихся в сфере государственно-
го регулирования.
Другое направление оценки МХ (РМГ 93-2009) базируется на основе уже ат-
тестованных эталонов (ГСО) или методик МВИ с использованием результатов
исследований, проведенных в одной лаборатории. Наиболее часто данное на-
правление применяется при оценке метрологических характеристик вторич-
ных образцов категорий ОСО, МСО, СОП.
Уравнение для оценки суммарной неопределенности АСО в данном случае
аналогично (2.3):
см. уравнение в книге (2.4)
где uh
2 — стандартная неопределенность от неоднородности; u2
stab — стандартная
неопределенность от нестабильности.
Для примера рассмотрим один из методов определения погрешности атте-
стованного значения СО, проведенного в одной лаборатории на базе сличения
с уже аттестованными эталонами и с учетом формулы (2.4).
Порядок расчета неопределенности АСО с применением эталона начинают
с выбора и обоснования эталонной базы. Эталоны должны иметь действующие
сертификаты о калибровке, содержащие значение расширенной неопределен-
ности u() c указанием коэффициента охвата k и стандартного отклонения,
полученных результатов измерений в условиях повторяемости r. Стандартное
отклонение промежуточной прецизионности I(T) эталона при оценивании не-
стабильности СО должно удовлетворять условию (ГОСТ Р ИСО 5725-3-2002)
см. уравнение в книге (2.5)
где uДОП — допускаемое значение расширенной неопределенности аттестуемого
значения образца в соответствии с ТЗ на разработку.
При выборе конкретных эталонов (ГСО) для определения аттестованных
значений образцов руководствуются следующими соотношениями:
см. уравнение в книге (2.6)
где u() — значение расширенной неопределенности применяемого эталона
с указанием коэффициента охвата; r — стандартное отклонение результатов
измерений в условиях повторяемости.
Измерения при определении АСО проводят согласно правилам выполнения
измерений на эталоне с поверочной установкой или МВИ, рекомендуемой раз-
работчиком образца. Для СО монолитных и дисперсных (делимых) материалов
необходимо предварительно оценить стандартную неопределенность от неод-
нородности u2
h в соответствии с требованиями РМГ 93-2009. При поэкземпляр-
ной аттестации образца стандартную неопределенность от неоднородности
не учитывают (u2
h = 0).
При многократных наблюдениях общее число измерений j, необходимых
для оценки аттестованного значения СО, определяют по допускаемому стан-
дартному отклонению sДОП среднего значения результатов в условиях повторяе-
мости по соотношению
см. уравнение в книге (2.7)
где k — коэффициент охвата.
Далее находят значения величин и по формулам (РМГ 93-2009)
см. уравнение в книге (2.8)
По полученным значениям, используя табл. 2.2, определяют число наблю-
дений j.
Оценка стандартной неопределенности от способа определения uchar образца
проводится в условиях повторяемости результатов n измерений х1, х2, …, хn, где
n j. При этом вычисляют среднее значение результатов измерений и их стан-
дартное отклонение s по формулам
см. уравнение в книге (2.9)
Используя стандартное отклонение повторяемости по критерию хи-квадрат,
проводят сравнение полученного значения s по неравенству
см. уравнение в книге (2.10)
где n − 1 — число степеней свободы, 2
0,95() — квантиль распределения с
степенями свободы, значения которых приведены в табл. 2.3.
Если неравенство (2.10) выполняется, то аттестованное значение СО вы-
числяют с учетом среднего значения всех результатов измерений по стан-
дартной неопределенности от способа определения аттестованного значения,
соотношением
см. уравнение в книге (2.11)
Если неравенство (2.10) не выполняется, то полученные результаты измере-
ний бракуют и повторяют процедуру оценки заново.
2.7. Порядок разработки стандартных образцов
Создание СО в общем случае включает в себя следующие основные этапы
(ГОСТ 8.315-97):
• разработка технического задания на СО, в состав которого входят про-
ект программы (последовательность работ по аттестации) и (или) ме-
тодики проведения аттестации образца по перечню определяемых ме-
трологических характеристик, включая способы обработки результатов
измерений;
• проведение исследований и экспериментальных работ по изготовлению
экземпляров СО;
• О в соответствии с про-
граммой и методикой аттестации;
• разработка технической и нормативной документации на СО и оформле-
ние отчета о разработке;
• проверка технической документации на тип СО;
• утверждение типа СО и его регистрация.
Техническое задание на разработку стандартного образца составляет
и утверждает организация-разработчик с учетом требований ГОСТ 15001.
Для установления аттестованных значений вторичных СО используют ме-
тодики аттестации с применением эталонных СИ и утвержденных МВИ.
Утвержденные типы СО всех категорий подлежат внесению в реестры, кото-
рые ведут органы, осуществляющие утверждение.
Общие требования к программам и методикам аттестации рассмотрены
в рекомендациях МИ 2838-2003 и ГОСТ 8.694-20010. Перед началом проведения
работ с производством и определением метрологических характеристик СО не-
обходимо составить план эксперимента. Основная часть планирования экспе-
римента заключается в установлении количества исходного материала, а также
в выборе методик (методов) измерений, используемых при определении одно-
родности, стабильности, значений аттестуемой характеристики материала СО.
Особенно важен при планировании работ выбор числа отбираемых проб мате-
риала, зависящих от различных факторов.
При подготовке программы разработки необходимо указать, какой именно
вид СО и какую конкретную матрицу (материал) предполагается разрабатывать.
В разрабатываемой программе должно быть подробно изложено определение
метрологических характеристик СО и нормирование неопределенности атте-
стованного значения. Основополагающим условием при разработке программы
определения метрологических характеристик СО является правильный выбор
опорных значений с установкой прослеживаемой связи аттестованных значе-
ний. Решение о признании (утверждении) СО принимают:
• межгосударственный совет — по признанию межгосударственных СО;
• национальный орган по метрологии — по утверждению государствен-
ных СО;
• компетентный орган, наделенный соответствующими полномочиями
от государственного органа управления или объединения юридических
лиц, — по утверждению отраслевых СО;
• руководитель предприятия или его заместитель — по утверждению СО
предприятия.
В состав разрабатываемых технических документов на тип СО входят также
проекты описания типа, паспорт СО и этикетки. В качестве примера в табл. 2.4
приведены некоторые утвержденные за последние годы государственные стан-
дартные образцы (ГСО).
Как уже отмечалось, СО, находящиеся в сфере государственного регулиро-
вания, должны проходить обязательную процедуру утверждения типа и зано-
ситься в Госреестр СО России.
ГЛАВА 3
ИЗМЕРЕНИЕ
И КОНТРОЛЬ
ЛИНЕЙНЫХ
РАЗМЕРОВ
3.1. Общие сведения
В науке и технике измерение линейных размеров требуется выполнять в очень
широком диапазоне значений — от долей нанометров, соизмеримых с разме-
рами атомов и атомных решеток, до сотен и тысяч километров при решении
геодезических, навигационных или астрономических задач. Соответствен-
но, в зависимости от участка этого огромного диапазона эталонная база, ме-
тоды и средства измерений линейных размеров могут отличаться друг от дру-
га. При этом эффективность метрологического обеспечения (МО) измерений
в широком диапазоне размеров существенно упрощается при создании единого
эталона длины, времени и частоты [1].
Так как установить жесткие границы поддиапазонов линейных размеров
не представляется возможным, то для разграничения огромного парка суще-
ствующих средств измерений и контроля необходимо условно выделить не-
сколько поддиапазонов линейных размеров и характерных для них перекры-
вающихся по диапазонам групп приборов.
В машиностроении диапазон измерений линейных размеров, как правило,
лежит в пределах 1–10000 мм. Особенностью этого диапазона размеров является
то, что при измерениях наряду с оптическими, электрическими и электронны-
ми СИ используются широкий набор механических приборов, концевых мер,
приспособлений и инструментов (штангенциркулей, глубиномеров, нутроме-
ров, микрометров и др.). Выбор инструмента обуславливается предельными
размерами объекта и погрешностью измерений.
Диапазон измерений при геодезических, дальномерных и координатных рабо-
тах охватывает размеры от десятков метров до 100 км. В качестве измерительных
инструментов в данном случае используются оптические и лазерные приборы.
К ним относятся теодолиты, лазерные линейки и дальномеры, тахеометры,
оптические нивелиры, геодезические GPS- и ГЛОНАСС-приемники.
Диапазон дальних и сверхдальних измерений линейных размеров (расстояний,
высот) лежит в пределах от одного до многих сотен и тысяч километров. В каче-
стве измерителей используют сложные радиотехнические и лазерные спутни-
ковые системы ориентации и навигации. Широкое распространение получили
наземные и планетарные (астрономические) локационные системы.
Огромный диапазон линейных размеров обусловил большой набор
нормативно-технических документов, поверочных установок, рабочих этало-
нов и средств измерений. В общем случае широкий диапазон линейных раз-
меров перекрывается двумя государственными поверочными схемами для СИ
времени, частоты и длины — ГОСТ Р 8.763-2011 (МИ 2060-90) в диапазоне длин
от 1 • 109 до 50 м и ГОСТ Р 8.750-2011, охватывающий диапазон рабочих СИ длин
от 20 м до 40000 км, включая спутниковые дальномеры и навигационные систе-
мы. Краткое описание данных поверочных схем рассмотрено ниже.
3.2. Государственные поверочные схемы для средств
измерений времени, частоты и длины
3.2.1. Государственная поверочная схема ГОСТ Р 8.763-2011
Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне
от 1 • 109 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм устанавливает порядок
передачи единицы длины от государственного первичного эталона длины —
метра рабочим средствам измерений с использованием вторичных и рабочих
эталонов. При этом следует учитывать, что государственный первичный эталон
единицы длины — «оптический метр» (ГЭТ 2-2010), может быть представлен
второй половиной единого эталона времени, частоты и длины в виде сложного
технического комплекса....
Измерение и контроль широкого набора неэлектрических величин необходимо
проводить при решении многих научно-технических, производственных и дру-
гих народно-хозяйственных задач. В последние годы наряду с традиционными
техническими измерениями линейных и угловых размеров, температуры, давле-
ния, расхода и уровня особая роль в области измерений неэлектрических вели-
чин отводится контролю и анализу физико-химических свойств веществ и ма-
териалов. Сейчас такие средства измерений объединены под общим названием
«аналитические приборы», эталонной базой которых являются стандартные
образцы. Особенно широкое применение современные аналитические приборы
находят в нефтегазовой и химической промышленности, в агропромышленном
комплексе, в системах экологического мониторинга и медико-биологических
исследованиях, средствах неразрушающего контроля и диагностики.
Переход экономики России к рыночным отношениям и ее внедрение в ми-
ровое сообщество выдвигает перед метрологическими службами новые задачи,
связанные с повышением точности средств измерений неэлектрических вели-
чин, достоверности результатов измерений и контроля с учетом зарубежного
опыта. Актуальность метрологических задач обусловила необходимость даль-
нейшего развития как эталонной базы для измерения неэлектрических вели-
чин, так и нормативно-технической документации, включая ее гармонизацию.
В ближайшие годы намечается переопределение основных физических единиц
и переход на квантовые первичные эталоны. В соответствии с задачами страте-
гического развития эталонной базы России до 2025 года основная цель — на до-
стижение единства и требуемой точности измерений для повышения качества
контрольно-измерительных процессов и, соответственно, продукции.
Успешное решение данных задач невозможно без внедрения современ-
ной эталонной базы и стандартных образцов, цифровых методов обработки
сигналов и наукоемкого оборудования в процесс измерения неэлектрических
физических величин. Другой важнейшей метрологической задачей является
создание оптимальных методик поверки и оценки погрешностей измерения
неэлектрических физических величин на основе современной теоретической
и экспериментальной базы.
Во второй половине ХХ века вопросы измерений и контроля неэлектриче-
ских величин получили широкое отражение в работах Д. И. Агейкина, Ф. Е. Тем-
никова, В. В. Клюева, А. И. Якушева, А. М. Туричина, П. В. Новицкого, внес-
ших значительный вклад в развитие теории и практики измерений и контроля
неэлектрических физических величин. Современный этап развития измерений
и контроля неэлектрических физических величин электрическими методами
характеризуется рядом особенностей, к которым можно отнести: применение
интеллектуальных преобразователей и контрольно-измерительных средств, ис-
пользование унифицированных модулей удаленного сбора и обработки инфор-
мации, внедрение гибкого программного обеспечения и современных сетевых
технологий в многоуровневые системы контроля и управления. Стремительное
развитие современной радиоэлектроники, цифровой техники и цифровых ме-
тодов обработки сигналов отражается как на средствах измерений, так и на тех-
нических средствах метрологического обеспечения. Созданы новые высокоточ-
ные средства измерений неэлектрических величин, эталоны и вспомогательное
оборудование. Разработаны стандартные интерфейсы датчиков и помехоза-
щищенные средства передачи данных, существенно упрощающие процессы
удаленного сбора измерительной информации и проектирования сложных
контрольно-измерительных средств, включая автоматизированные поверочные
установки. Появились новые гармонизированные нормативно-технические до-
кументы по измерению геометрических величин, физико-химических параме-
тров сред, температуры, давления, расхода и уровня.
Предлагаемая работа составлена с учетом отмеченных выше особенностей
развития измерительной техники. Особое внимание уделено задачам метроло-
гического обеспечения, в первую очередь технической реализации вторичных
эталонов и стандартных образцов, которые, как правило, недостаточно освеща-
ются в соответствующей литературе.
Представленные материалы составлены с учетом требований государствен-
ного образовательного стандарта для студентов вузов метрологических и при-
боростроительных специальностей и могут быть полезны аспирантам, инже-
нерам и специалистам, занимающимся вопросами разработки, производства
и оценки качества средств измерений, контроля и испытаний.
ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
ИЗМЕРЕНИЙ
И КОНТРОЛЯ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
1.1. Классификация неэлектрических величинВ теории измерений понятия величины и измеряемой величины (ИВ) введены
для описания и исследования количественных и качественных свойств мно-
жества объектов материальных систем. При этом под размером величины по-
нимается количественная определенность величины, присущая конкретному
материальному объекту или явлению и устанавливаемая измерением размера
данной величины в виде числового значения. Свойства материальных величин,
которые не имеют размера, устанавливаются измерением качественных харак-
теристик по принятым шкалам измерений (шкалы твердости, шкалы цветно-
сти, шкалы октановых чисел и т. д.).
Получение количественного значения величины в процессе измерений
всегда сопровождается сравнением измеряемой величины с мерой (за исклю-
чением первичных референтных методов). В качестве измерительных мер ис-
пользуют эталоны и стандартные образцы с высокоточными метрологически-
ми характеристиками.
В общем случае по принадлежности к физическим процессам также мож-
но выделить две основные группы величин: электрические и неэлектрические.
При этом следует отметить, что число подлежащих измерению и контролю раз-
личных неэлектрических величин и физико-химических свойств веществ и ма-
териалов в науке и технике во много раз больше числа всех возможных электри-
ческих и магнитных величин [1]. Поэтому измерение неэлектрических величин
и физико-химических свойств веществ и материалов достигло сейчас высокого
уровня развития и образует наиболее широкую область измерительной техники,
включая аналитические приборы. Номенклатура данных приборов превышает
1000 наименований, а их действие основано на более 100 физических эффек-
тах. Особенно велика роль высокоточных измерений неэлектрических величин
в машиностроении и приборостроении, теплоэнергетике, нефтяной и газовой
промышленности, агропромышленном комплексе, экологии, биологии и меди-
цине. Классификацию неэлектрических величин проведем по видам измере-
ний в соответствии с нормативным документом МИ 2314-2006 «Кодификатор
групп средств измерений». Данный кодификатор определяет перечень типов
средств измерений (СИ) и используется при регистрации приборов, допущен-
ных к практическому применению, в соответствии с Государственным реестром
РФ. В принятом документе выделяют следующие виды измерений неэлектри-
ческих величин:
• измерения геометрических величин (линейных и угловых размеров);
• измерения механических величин (массы, силы, моментов силы и инер-
ции, скорости, ускорения, работы, энергии, коэффициентов трения
и упругости, твердости и др.);
• измерения давления и вакуума;
• измерения параметров потока, расхода и уровня;
• температурные и теплофизические измерения;
• измерения времени и частоты;
• виброакустические измерения;
• оптические и оптико-физические измерения;
• измерение характеристик ионизирующих излучений и ядерных
констант;
• измерения медицинского и биологического назначения;
• измерения физико-химического состава и свойств веществ.
Представленная классификация неэлектрических величин (НВ) наиболее
полно отражает широту различных видов преобразований измерительной ин-
формации, а также существующих групп средств измерений и эталонной базы
НВ, каждая из которых по отдельности может являться предметом подробно-
го рассмотрения. Соответственно, в основе построения средств измерений НВ
лежит система измерительных преобразователей, которые можно разделить
на две большие группы: первичные преобразователи (датчики) и вторичные —
для промежуточных, масштабных и оконечных преобразований. Особая роль
отводится первичным измерительным преобразователям — датчикам, которые
находятся непосредственно на объекте исследования и существенно определя-
ют качество измерительного процесса. По своей сути большинство преобразо-
вателей не содержат в своем составе измерительной меры.
1.2. Особенности измерений неэлектрических величин
электрическими методами
1.2.1. Условные обозначения измерительных преобразователей
и стандартизация выходных сигналов
В настоящее время подавляющее большинство измерительных преобразовате-
лей неэлектрических величин имеют на своих выходах сигналы электрического
происхождения (аналоговые, дискретные или цифровые). Это обусловлено сле-
дующими основными преимуществами электрических сигналов:
высокая инструментальная точность электрических си • гналов, так как
измерения проводятся относительно скорости света, измеренной с очень
высокой точностью;
• возможность передачи измерительных сигналов на большие расстояния
с высокой помехоустойчивостью;
• возможность длительного хранения огромных массивов измерительной
информации;
• обеспечение полной автоматизации измерительных процессов;
• получение более простых и надежных конструктивных решений.
Многообразие как неэлектрических, так и электрических преобразований
в измерительных процессах НВ и усложнение принципиальных, структурных
и функциональных схем, привели к необходимости решения задач условных
графических обозначений в схемах и унификации выходных сигналов широко-
го ряда измерительных преобразователей.
Одна из первых попыток упорядочения условных обозначений элемен-
тов электротехнических схем была сделана в 1952 году в виде разработанных
междуведомственных нормалей. В последующие годы система графических
обозначений элементов электротехнических и радиоэлектронных устройств
постоянно совершенствовалась. Так, например, в 1955 году был разработан
ГОСТ 7624-55, а затем ГОСТ 7624-62 и ГОСТ 2.702-68. Наконец, в 1971 году была
введена Единая система конструкторской документации (ЕСКД), составной ча-
стью которой являются государственные стандарты на условные графические
обозначения в принципиальных и структурных схемах, соответствующие реко-
мендациям МЭК. Система ЕСКД обязательна для применения во всех отраслях
промышленности. При этом стандарты ЕСКД также непрерывно обновляются,
в том числе на радиоэлектронные устройства и приборы. Основополагающая
система единых обозначений и определений для составных частей и видов схем,
аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств была дана в стандартах
ГОСТ 2.710-81 и ГОСТ 2.701-84.
В соответствии с нормативными документами рекомендуемые условные
обозначения первичных измерительных преобразователей (датчиков) показа-
ны на рис. 1.1. В основу обозначения датчиков положен символ в виде квадрата
с обозначением направления передачи информации. В квадрате можно указать
измеряемый параметр.
Наглядные условные обозначения введены также для вторичных измери-
тельных преобразователей. При этом квадрат разделяют наклонной линией
с обозначением преобразуемых величин. Примеры условных обозначений пре-
образователей приведены на рис. 1.2.
Важнейшей характеристикой любых преобразователей является функция
преобразования, которая описывает статические свойства преобразователя
и представляет зависимость выходного сигнала от входного:
Общий вид функции преобразования для аналоговых преобразователей
входных величин показан на рис. 1.3. Погрешность преобразования в данном
случае определяется разностью между номинальной (усредненной) характери-
стикой преобразователя и реальной.
С номинальной функцией преобразования связаны характеристики чув-
ствительности и порога чувствительности. Для линейной функции преобразо-
вания, проходящей через начало координат, чувствительность преобразователя
определяется отношением s = y/x = k, а для нелинейной — как Введение
Измерение и контроль широкого набора неэлектрических величин необходимо
проводить при решении многих научно-технических, производственных и дру-
гих народно-хозяйственных задач. В последние годы наряду с традиционными
техническими измерениями линейных и угловых размеров, температуры, давле-
ния, расхода и уровня особая роль в области измерений неэлектрических вели-
чин отводится контролю и анализу физико-химических свойств веществ и ма-
териалов. Сейчас такие средства измерений объединены под общим названием
«аналитические приборы», эталонной базой которых являются стандартные
образцы. Особенно широкое применение современные аналитические приборы
находят в нефтегазовой и химической промышленности, в агропромышленном
комплексе, в системах экологического мониторинга и медико-биологических
исследованиях, средствах неразрушающего контроля и диагностики.
Переход экономики России к рыночным отношениям и ее внедрение в ми-
ровое сообщество выдвигает перед метрологическими службами новые задачи,
связанные с повышением точности средств измерений неэлектрических вели-
чин, достоверности результатов измерений и контроля с учетом зарубежного
опыта. Актуальность метрологических задач обусловила необходимость даль-
нейшего развития как эталонной базы для измерения неэлектрических вели-
чин, так и нормативно-технической документации, включая ее гармонизацию.
В ближайшие годы намечается переопределение основных физических единиц
и переход на квантовые первичные эталоны. В соответствии с задачами страте-
гического развития эталонной базы России до 2025 года основная цель — на до-
стижение единства и требуемой точности измерений для повышения качества
контрольно-измерительных процессов и, соответственно, продукции.
Успешное решение данных задач невозможно без внедрения современ-
ной эталонной базы и стандартных образцов, цифровых методов обработки
сигналов и наукоемкого оборудования в процесс измерения неэлектрических
физических величин. Другой важнейшей метрологической задачей является
создание оптимальных методик поверки и оценки погрешностей измерения
неэлектрических физических величин на основе современной теоретической
и экспериментальной базы.
Во второй половине ХХ века вопросы измерений и контроля неэлектриче-
ских величин получили широкое отражение в работах Д. И. Агейкина, Ф. Е. Тем-
никова, В. В. Клюева, А. И. Якушева, А. М. Туричина, П. В. Новицкого, внес-
ших значительный вклад в развитие теории и практики измерений и контроля
неэлектрических физических величин. Современный этап развития измерений
и контроля неэлектрических физических величин электрическими методами
характеризуется рядом особенностей, к которым можно отнести: применение
интеллектуальных преобразователей и контрольно-измерительных средств, ис-
пользование унифицированных модулей удаленного сбора и обработки инфор-
мации, внедрение гибкого программного обеспечения и современных сетевых
технологий в многоуровневые системы контроля и управления. Стремительное
развитие современной радиоэлектроники, цифровой техники и цифровых ме-
тодов обработки сигналов отражается как на средствах измерений, так и на тех-
нических средствах метрологического обеспечения. Созданы новые высокоточ-
ные средства измерений неэлектрических величин, эталоны и вспомогательное
оборудование. Разработаны стандартные интерфейсы датчиков и помехоза-
щищенные средства передачи данных, существенно упрощающие процессы
удаленного сбора измерительной информации и проектирования сложных
контрольно-измерительных средств, включая автоматизированные поверочные
установки. Появились новые гармонизированные нормативно-технические до-
кументы по измерению геометрических величин, физико-химических параме-
тров сред, температуры, давления, расхода и уровня.
Предлагаемая работа составлена с учетом отмеченных выше особенностей
развития измерительной техники. Особое внимание уделено задачам метроло-
гического обеспечения, в первую очередь технической реализации вторичных
эталонов и стандартных образцов, которые, как правило, недостаточно освеща-
ются в соответствующей литературе.
Представленные материалы составлены с учетом требований государствен-
ного образовательного стандарта для студентов вузов метрологических и при-
боростроительных специальностей и могут быть полезны аспирантам, инже-
нерам и специалистам, занимающимся вопросами разработки, производства
и оценки качества средств измерений, контроля и испытаний.
1.2.2. Нормализация выходных сигналов измерительных
преобразователей
Нормализующие преобразователи (нормализаторы) — это устройства, преоб-
разующие выходные измерительные сигналы с датчиков в однородные сигналы
унифицированных уровней, принятых во многих странах и обеспечивающих
решение ряда задач по информационной совместимости и помехоустойчивости
измерительных каналов при передаче и обработке информации в измеритель-
ных системах [3, 4]. Стандартизация типов и уровней сигналов в информаци-
онных системах значительно сокращает расходы по замене вышедшего из строя
оборудования и, соответственно, простои предприятий и цехов. Как было отме-
чено, широкое распространение получили унифицированные токовые выход-
ные сигналы, образующие линии связи типа «токовая петля». Такие сигналы
меньше подвержены влиянию помех, передаются на значительные расстояния
и могут обеспечить одновременную передачу как аналоговых, так и цифровых
измерительных сигналов (например, при использовании HARТ-протокола) [2].
Крупнейшими мировыми производителями датчиков (в том числе интел-
лектуальных) и нормализующих преобразователей для систем контроля и сбора
данных являются фирмы: Siemens, Pepperl+Fuchs, Dataforth, Grayhill, Advantech,
Omron и др [4].
Один из вариантов структурной схемы измерительной цепи термометра с ис-
пользованием нормализующего преобразователя (НП) и выходной линией «то-
ковая петля» приведен на рис. 1.6. Представленная измерительная цепь содер-
жит первичный измерительный преобразователь (ПИП), в качестве которого
используется терморезистор RТ с трехпроводным подключением к вторичному
преобразователю — мосту постоянного тока. В качестве выходного нормали-
зующего преобразователя (НП) используется преобразователь «напряжение—
ток», формирующий на выходе источника информации стандартный токовый
сигнал 4–20 мА [6]. При этом производится сугубо аналоговое преобразование
в соответствии с формулой (1.1), принимающее вид
см. уравнение в книге (1.3)
где k — безразмерный коэффициент преобразования.
Рассмотрим некоторые примеры измерительных преобразователей с уни-
фицированными выходными сигналами в виде напряжения и тока [4, 5].
На рис. 1.7 показана схема преобразователя сопротивления Rx в напряжение
с трехпроводной соединительной линией. Если пренебречь сопротивлением
проводов соединительной линии, то выходное напряжение преобразователя
с использованием измерительного операционного усилителя (DA) в инверсном
включении определится из соотношения
см. уравнение в книге (1.4)
где Uo — источник опорного напряжения.
Влияние соединительных проводов в данном преобразователе уменьшает-
ся за счет того, что один из этих проводов (r1) включен последовательно с Rx,
второй (r2) — последовательно с Ro, а третий (r3) — последовательно с высоким
входным сопротивлением операционного усилителя. При учете этих сопротив-
лений и выполнении условий r1 << Rx, r2 << Ro получим
см. уравнение в книге (1.5)
На рис. 1.8 показана схема измерительного преобразователя постоянного
напряжения в ток (с заземленной нагрузкой). Схема содержит операционный
усилитель, прецизионные резисторы Ro … R4 и резистор нагрузки RH. Номи-
нальная функция преобразования в данном случае будет иметь вид
IН = UвхR2/(RoR1) (1.6)
при условии, что R4(R3 + R4)1 = [1 + Ro(R3 + R4)1]R1(R1 + R2)1. Расчетные соотно-
шения для других видов нормирующих преобразователей подробно рассмотре-
ны в [4].
В реальных условиях измерительная цепь, показанная на рис. 1.6, подвер-
жена воздействию как поперечных помех или помех нормального вида (Noise
Normal-Mode), так и помех общего вида или продольных помех (Noise Common-
Mode). Поперечные помехи (NNM) действуют между входными зажимами изме-
рительных преобразователей наряду с поступающим измерительным сигналом Продольные помехи обусловлены неэквипотенциальным заземлением источни-
ка и удаленного приемника информации. В целях повышения помехозащи-
щенности и надежности передачи измерительной информации современные
нормализующие преобразователи наряду с формированием унифицированных
выходных сигналов выполняют ряд дополнительных функций:
• подавление помехи нормального вида (NMR) с помощью НЧ-фильтров;
• подавление помехи общего вида (CMR) с помощью гальванической раз-
вязки между входными и выходными сигналами;
• линеаризацию выходных сигналов;
• многоуровневую изоляцию источников питания;
• обеспечение разветвления (распараллеливания) измерительных сигна-
лов многоканальных информационных систем;
• обеспечение защиты от перенапряжения и высоковольтных пульсаций
входного сигнала.
Отмеченные преимущества электрических сигналов позволяют наиболее
оптимально решить актуальные задачи автоматизации измерений и контроля
неэлектрических ФВ и существенно повысить качество и достоверность резуль-
татов измерений [3, 4]. Современный этап развития электроники, вычисли-
тельной техники и новейших информационных технологий открывает новые
возможности использования неэлектрических преобразователей с электриче-
скими выходными сигналами в сложных информационных системах. Приме-
нение электрических выходных сигналов обеспечивает:
• преобразование непрерывных сигналов в дискретную и цифровую
формы;
• возможность формирования унифицированных (стандартных) выход-
ных уровней непрерывных и цифровых измерительных сигналов с раз-
нородных преобразователей неэлектрических ФВ;
• разработку широкого набора датчиков и исполнительных устройств
с унифицированными выходными сигналами;
• создание интеллектуальных датчиков неэлектрических ФВ;
• организацию интерфейсов датчиков и исполнительных устройств;
• использование сетевых технологий при создании сложных контрольно-
измерительных средств, работающих в режиме реального времени.
Конструктивное исполнение нормализующих преобразователей для средств
сбора информации показано на рис. 1.9.
Крупнейшим мировым производителем нормирующих преобразова-
телей является фирма Dataforth (США). Фирма предлагает широкий набор изолированных модулей нормализаторов аналоговых сигналов серий SCM5,
SCM7, DSCA, DSCT, DSCL и других для контрольно-измерительных систем
промышленной автоматизации. Кроме того, имеются достаточно уникальные
преобразователи действующего значения входного сигнала переменного тока
в пропорциональный выходной сигнал постоянного тока. Все модули сертифи-
цированы и одобрены для безопасных применений [7].
Важнейшее направление автоматизации измерений неэлектрических вели-
чин связано с разработкой интеллектуальных, т. е. программно-управляемых,
датчиков неэлектрических величин Такие датчики имеют в своем составе
встроенное микропроцессорное устройство, обеспечивающее обработку ин-
формации, формирование цифровых и аналоговых выходных сигналов и вы-
полнение интерфейсных функций на полевом уровне распределенных систем
контроля. При этом сбор измерительной информации с интеллектуальных дат-
чиков и подключение их к блоку обработки — контроллеру или ЭВМ может про-
изводиться с помощью стандартных цифровых интерфейсов промышленной
автоматики RS-232, RS 422, RS 449, RS 485, САN или специальных цифровых
интерфейсов датчиков и исполнительных устройств. Использование цифровых
интерфейсов также открывает широкие возможности по внедрению сетевых
технологий в структурную организацию сложных контрольно-измерительных
средств и автоматизированных систем управления технологическими процес-
сами (АСУ ТП), работающих в режиме реального времени. Применение ло-
кальных измерительно-вычислительных сетей позволяет осуществить переход
от систем с централизованным управлением к многоуровневым (многопроцес-
сорным) системам контроля и управления, существенно повышающим метро-
логическую достоверность, информационную надежность и быстродействие
систем, работающих в реальном масштабе времени.
1.3. Физико-химические преобразователи аналитических
приборов
1.3.1. Основные положения и классификация
Физико-химические преобразователи для определения состава различных ве-
ществ представляют огромную группу средств измерений, базирующихся
на методах аналитической химии. Использование химических реакций в из-
мерительных процессах по определению состава и свойств различных веществ
обусловило появление нового класса СИ — аналитических приборов.
В современных электронных аналитических приборах наиболее широко
используются электрохимические методы анализа с преобразованием результа-
та химической реакции в растворах и расплавах в электрический сигнал. Соот-
ветственно, в основе таких методов измерений — электродные процессы с фор-
мированием электродных потенциалов при протекании химической реакции,
величина которых зависит от состава и свойств определяемого вещества.
Электродный потенциал — это разность электрических потенциалов между
измерительным электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. Воз-
никновение электродного потенциала обуславливается переносом заряженных
частиц через границу раздела фаз (металла и жидкости), например, при погло-
щении (адсорбции) ионов или полярных молекул. При достижении равновесного
состояния в результате реакции потенциал измерительного электрода будет ра-
вен потенциалу раствора. Однако абсолютную разность потенциалов между точ-
ками, находящимися в двух разных фазах, нельзя измерить экспериментально.
Поэтому при формировании измерительной ячейки для определения величины
электродного потенциала необходимо применять дополнительные нейтральные
электроды, относительно которых проводятся измерения.
Применяемые электроды разделяют на следующие виды:
• электроды индикаторные (рабочие) — это электроды, потенциал кото-
рых зависит от активности (концентрации) определяемого вещества (ио-
нов) в растворе;
• электроды сравнения — это нейтральные электроды, относительно ко-
торых измеряется потенциал индикаторных электродов;
• вспомогательные электроды часто используются в электролитических
ячейках при электролизе.
В качестве электрода сравнения чаще всего используют нормальный (стан-
дартный) водородный электрод, потенциал которого Е0 условно принимается
равным нулю.
Конструктивно водородный электрод состоит из платиновой пластинки,
покрытой платиновой чернью и погруженной в раствор кислоты с определен-
ной концентрацией ионов водорода Н+ (рис. 1.10). Пластинка омывается пото-
ком газообразного водорода Н2. Между водородом, поглощаемым (адсорбиро-
ванным) платиновой чернью, и ионами водорода в растворе устанавливается
равновесие. Для обеспечения стабильного состояния равновесия необходима
тщательная очистка водорода от примесей. Потенциал водородного электрода
определяется уравнением Нернста.
По принципу действия индикаторные электроды разделяют на два вида:
металлические — с электронным обменом на границе • раздела фаз, т. е.
с электронной проводимостью;
• мембранные — с ионной проводимостью (ионоселективные).
Мембранные электроды также разделяют на группы: стеклянные, твердые
с гомогенной или гетерогенной мембраной, жидкостные, газовые и электроды
для измерения активности биологических веществ.
Общий вид и конструктивное исполнение металлических и мембранных
электродов показаны на рис. 1.11.
Таким образом, в основе проектирования электрических измерительных пре-
образователей и датчиков аналитических приборов лежит измерительная ячейка
с системой индикаторных и сравнительных электродов. При этом в качестве эта-
лонной базы используются стандартные образцы в виде водных растворов, газо-
вых смесей, твердых и порошковых материалов, которые рассмотрены в главе 2.
Электрохимические методы анализа делятся на пять основных групп:
потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию, кондуктометрию
и диэлектрометрию.
Потенциометрия объединяет методы, основанные на измерении ЭДС об-
ратимых электрохимических цепей. В данных методах потенциал рабочего
электрода близок к равновесному состоянию, т. е. выравниванию химических
потенциалов среды и электрода. Потенциометрия разделяется на несколько
разновидностей: оксидиметрию (редоксметрию), основанную на окислительно-
восстановительных реакциях, ионометрию, а также потенциометрическое ти-
трование с использованием специального реактива.
Вольтамперометрия основана на исследовании зависимости тока поляри-
зации от напряжения, прикладываемого к электрохимической ячейке. Элек-
трохимическая поляризация — это отклонение электродного потенциала Е
от стационарного потенциала, который электрод приобретает в отсутствие
внешнего тока. В этом случае потенциал рабочего электрода значительно от-
личается от равновесного значения. Вольтамперометрия широко используется
для определения веществ в растворах и расплавах.
Кулонометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении коли-
чества вещества, выделяющегося на электроде в процессе электрохимической
реакции в соответствии с законами Фарадея (законы электролиза). При куло-
нометрии потенциал рабочего электрода отличается от равновесного значения.
Кондуктометрия базируется на методах, в которых измеряют электропро-
водность электролитов (водных и неводных растворов, расплавов, коллоидных
систем и твердых веществ) в межэлектродном пространстве.
Методы не связаны с потенциалом электродов, которые обычно близки
к равновесному значению.
Диэлектрометрия объединяет методы анализа, основанные на измерении
диэлектрической проницаемости вещества, обусловленной ориентацией в элек-
трическом поле (молекул, ионов, обладающих дипольным моментом).
Рассмотренные выше электрохимические методы нашли широкое примене-
ние при проектировании электрохимических измерительных преобразователей
аналитических контрольно-измерительных приборов различного назначения.
1.3.2. Принципы построения измерительных ячеек
аналитических приборов
Конструктивно любой электрохимический преобразователь представляет со-
бой измерительную ячейку, заполненную исследуемым раствором (электро-
литом) или другим материалом, с помещенными в нее двумя или несколькими
электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную
цепь. Как элемент электрической цепи такая ячейка может характеризоваться
сопротивлением (проводимостью), развиваемой ЭДС, падением напряжения
от проходящего тока, емкостью или индуктивностью. Выделяя зависимость
одного из этих параметров (например проводимости) от измеряемой вели-
чины, можно создать электрохимические преобразователи для измерения
состава и концентрации жидких и газообразных сред, твердых и расплав-
ленных солей и ряда других веществ. В зависимости от выделяемых параме-
тров электрические ячейки (преобразователи) разделяют на несколько групп:
электролитические резистивные (кондуктометрические), гальванические,
полярографические и специализированные преобразователи для анализа
нефтепродуктов.
Электролитические резистивные преобразователи основаны на зависимости
сопротивления (проводимости) электролитической ячейки от состава и концен-
трации раствора. Вариант схемы такого преобразователя показан на рис. 1.12а.
В схему преобразователя введен дополнительный электрод (терморезистор,
Rт) для автоматической коррекции температурной погрешности. Зависимость удельной электропроводности от концентрации некоторых растворенных ве-
ществ приведена на рис. 1.12б. Для тщательно дистиллированной воды электро-
проводность близка к нулю и возрастает по мере повышения концентрации
растворенных в ней веществ.
Приборы, построенные на принципе измерения электропроводности (кон-
дуктометрические измерители), широко применяются для измерения концен-
трации солей, оснований и кислот в жидких растворах и расплавах, для изме-
рения солености воды, концентрации газов, а также для измерения влажности
в твердых, жидких и газообразных средах. Для измерения влажности древеси-
ны, кожи, фанеры и т. п. используются игольчатые электроды, вдавливаемые
на определенную глубину в исследуемый материал.
Промышленные кондуктометрические преобразователи обеспечивают из-
мерения электропроводности в жидких средах с относительной погрешностью
(1–5) % при температуре 0–150 °С.
Гальванические измерительные преобразователи основаны на возникновении
разности потенциалов Ех между двумя электродами, опущенными в раствор
электролита, т. е. электролитическая ячейка в данном случае является источни-
ком гальванической ЭДС (рис. 1.13). Это явление обусловлено тем, что металли-
ческий электрод частично растворяется в электролите, образуя положительно
заряженные ионы металла. Как отмечалось ранее, потенциал электрода отно-
сительно раствора (электродный потенциал) измерить невозможно, поэтому
гальванический преобразователь всегда состоит из двух полуэлементов: изме-
рительного электрода и вспомогательного полуэлемента, электрод ный потен-
циал которого должен оставаться постоянным. Измерительная схема на рис. 1.13
построена по принципу компенсационного преобразования. На вход измери-
тельного усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, подается ЭДС — Ех гальванического преобразователя. При этом U = Ех − Uк, где
Uк — компенсирующее напряжение цепи обратной связи усилителя. Если коэф-
фициент усиления достаточно высок, то Ех Uк или Ех IR. Основные требо-
вания к измерительной цепи — это высокое входное сопротивление усилителя
и низкий дрейф нуля [14].
Наиболее распространенными разновидностями гальванических измери-
тельных преобразователей являются преобразователи рН-метров и нормальные
элементы. При неизменной концентрации электролита и постоянной темпера-
туре ЭДС гальванической ячейки может иметь очень высокую стабильность.
Это свойство используется для разработки нормальных элементов, применяемых
в качестве рабочих и эталонных мер, а также для создания первичного этало-
на вольта. В зависимости от концентрации электролита нормальные элементы
разделяются на насыщенные и ненасыщенные (класс точности только 0,002).
Основные параметры нормальных элементов приведены в табл. 1.1.
Максимальный ток потребления для насыщенных элементов составляет
не более 1 мкА, а для ненасыщенных — не более 10 мкА.
Полярографические преобразователи применяются для качественного и ко-
личественного химического анализа. Принцип действия основан на исполь-
зовании явления поляризации (изменении электродного потенциала) на одном
из электродов электролитической ячейки при протекании через нее электриче-
ского тока от внешнего источника. Для того что бы поляризация происходила
только на одном электроде, площадь рабочего (поляризующего) электрода вы-
бирается в несколько сотен раз меньше площади другого электрода. Потенциал
выделения ионов данного вида зависит от их концентрации и характеризуется
вольт-амперной характеристикой (полярограммой).
Данные преобразователи часто используются в анализаторах тяжелых ме-
таллов в питьевых, сточных и природных водах, продуктах питания и про-
довольственном сырье. Если в исследуемом растворе содержатся ионы не-
скольких видов (например Pb++, Cd++, Zn++), то каждый вид ионов имеет свою
полярограмму и, соответственно, результирующая полярограмма получается
многоступенчатой.
Преобразователи для анализа нефтепродуктов представляют особую группу
взрывобезопасных устройств. К ним можно отнести:
• измерительные преобразователи кислотного числа (количества едкого
калия — КОН) на основе экзотермической реакции нейтрализации жир-
ных кислот;
• преобразователи цветности нефтепродуктов на основе определения све-
топоглощения в видимой области спектра в диапазоне 450–700 нм;
• преобразователи для определения фракционного состава;
• анализаторы температуры вспышки.
Эталонной базой аналитических преобразователей являются стандартные
образцы состава и свойств материалов и веществ.
1.4. Эталонные измерительные преобразователи
Эталонные преобразователи предназначены для поверки, калибровки и регу-
лировки рабочих средств измерений в лабораторных, промышленных и поле-
вых условиях. Отечественными и зарубежными производителями разработан
ряд таких преобразователей, в том числе датчиков с цифровым выходом. При-
меры некоторых из них будут рассмотрены ниже.
Эталонные преобразователи давления серии ПДЭ (Россия) предназначены
для высокоточного измерения (поверки) и непрерывного преобразования ана-
логовых сигналов в цифровой код абсолютного, избыточного давления — раз-
ряжения жидкостей и газов. Преобразователи изготавливаются в виде единой
конструкции. В качестве чувствительного элемента используется пластина
поликристаллического кремния с мембраной, на которую нанесены полупро-
водниковые тензорезисторы. Выходной электрический сигнал напряжения
разбаланса моста датчика поступает на электронное устройство для усиления
и преобразования в цифровой код. Преобразователь может использоваться со-
вместно с калибраторами давления или ЭВМ с USB-портом.
Преобразователи серии ПДЭ выпускаются в нескольких модификациях:
ПДЭ-10, ПДЭ-20 — без цифровой индикации; ПДЭ-10И, ПДЭ-20И — с цифро-
вой индикацией; ПДЭ-010, ПДЭ-020 ЕИ — взрывозащищенные.
Основные пределы измерений:
• абсолютное давление (ДА) — 0–2,5 МПа;
• избыточное давление (ДИ) — 2,5 кПа — 60 МПа;
• давление — разряжение — 100–600 кПа.
Пределы основных допускаемых погрешностей преобразователей давления
в соответствии с ГОСТ 8.401:
0,02 • % — для класса точности А0;
• 0,03 % — для класса точности А;
• 0,05 % — для класса точности В;
• 0,1 % — для класса точности С.
Условия эксплуатации: −20…+60 °C (IP65).
Эталонные датчики температуры предназначены для передачи единицы из-
мерения температуры рабочим и эталонным средствам измерений методом непо-
средственного сличения в комплекте с прецизионными цифровыми термометра-
ми. В промышленной автоматике и измерительной технике широко используются
два вида преобразователей: эталонные преобразователи сопротивлений и эталон-
ные термоэлектрические преобразователи (термопары). Выбор эталонных датчи-
ков температуры осуществляется в соответствии с ГОСТ 8.558-93.
Эталонные преобразователи сопротивлений платиновые могут работать в ди-
апазоне температур от −200 до 1100 °C. В табл. 1.2 в качестве примера приведены
основные метрологические характеристики эталонных терморезисторов серий
ЭТС-100 и ПТС-100 (Россия) в реперных точках функции преобразования. Дан-
ные терморезисторы внесены в Госреестр РФ.
При подсоединении эталонных терморезисторов к электронному блоку ис-
пользуется 4-проводная схема подключения.
Эталонные термоэлектрические преобразователи (платинородиевые — пла-
тиновые) серий ППО и ПРО работают в диапазоне температур 300–1800 °C и ис-
пользуются в качестве средств поверки при аттестации термопар. Основные
характеристики эталонных термоэлектрических преобразователей показаны
в табл. 1.3.
Значения термо-ЭДС термопреобразователей при температуре рабочего
конца 1084,62 °C и при температуре свободных концов 0 °C для ППО составляют
10,6 мВ, для ПРО — порядка 5,7 мВ.
Прецизионные АЦП и ЦАП предназначены для высокоточной обработки
первичной информации в цифровых информационных системах. В системах промышленной автоматики и контрольно-измерительных средствах такие
преобразователи могут работать как в многоканальном, так и одноканальном
режимах функционирования. При этом имеется возможность обеспечения со-
вместимости с современными интерфейсами Ethernet, RS-485, CAN, USB 2.0.
Высокоточные АЦП применяют для преобразования входных аналоговых
сигналов в цифровую форму. В настоящее время отечественными и зарубеж-
ными фирмами производится очень широкий набор прецизионных модулей
АЦП для автоматизации информационных систем различного назначения.
Так, научно-производственной группой «Р-Технолоджи» разработаны АЦП
для многоканальных контрольно-измерительных средств. В составе данных
устройств — ряд высокоскоростных универсальных АЦП серии QMBox. Наи-
более высокая точность достигнута в многоразрядных АЦП (до 128 входов)
серии QMBox17. При этом преобразователи могут непосредственно подклю-
чаться к компьютеру по шине USB 2.0. Программное обеспечение позволяет
приступить к работе с АЦП сразу после подключения, без предварительной
градуировки.
Основные характеристики прецизионного АЦП типа QMBox17-16 приведе-
ны в табл. 1.4.
Данное 18-разрядное АЦП используется в сложных контрольно-измери-
тельных средствах для эффективного решения задач, связанных с обработкой
больших потоков входной информации и необходимостью работы в реальном
масштабе времени.
Прецизионные ЦАП решают обратную задачу, т. е. преобразование сигна-
ла цифровой информации в аналоговый сигнал, например, для управления различными исполнительными устройствами. Ряд высокоточных ЦАП был
разработан фирмой Analog Devices. К ним можно отнести многоразрядные
ЦАП серий AD 7244 (14 разрядов), AD 7846 (16 разрядов), AD 760 (18 разрядов).
Интегральная нелинейность преобразования данных АЦП не хуже 1-й едини-
цы младшего разряда.
1.5. Автоматизация сбора измерительной информации
1.5.1. AS-интерфейс
AS-интерфейс (Actuators/Sensors interface — интерфейс датчиков и исполнитель-
ных устройств) является интеллектуальной открытой сетью нижнего уровня
автоматизированных систем измерений и контроля. Интерфейс предназначен
для непосредственного подключения интеллектуальных датчиков, преобразо-
вателей и исполнительных механизмов к автоматизированной системе в соот-
ветствии с требованиями европейских нормативов EN 50259 и международного
стандарта IEC 620262.
Состав цифровых сетей в современных системах автоматизации рассмотрен
в [7]. AS-интерфейс в данной структуре находится на нижнем (полевом) уровне
распределенных систем, т. е. на уровне сети оконечных устройств. К основным
особенностям AS-i относятся:
подключение датчиков и механизмов с помощ • ью одного двухпроводного
соединительного кабеля специальной формы;
• передача измерительных сигналов и команд одновременно с напряжени-
ем питания;
• возможность подключения датчика в любой точке соединительного ка-
беля методом прокалывания;
• возможность полного исключения аналоговых цепей.
Для обеспечения высокой помехозащищенности при передаче цифровой
информации используется кодирование Манчестера. Система модуляции — де-
модуляции, команды и параметры интерфейса рассмотрены в [5].
Структура локальной вычислительной сети нижнего уровня на базе AS-
интерфейса показана на рис. 1.14. Интерфейс включает в свой состав одно
ведущее устройство — master, к которому можно подключить до 62 ведомых
устройств — slave (датчиков и исполнительных механизмов). Время опроса дат-
чиков не превышает 5 мс. Максимальная длина линии — 300 м. Для увеличения
длины линии используются повторители.
Соединительная линия представляет собой плоский кабель желтого цвета
и имеет строго определенную геометрическую форму сечения в виде трапеции
с выступом (рис. 1.15а), который обеспечивает однозначное положение кабеля
в соединительных модулях и исключает ошибку переполюсовки питания. Под-
соединение к кабелю производится методом прокалывания с помощью зажима.
Имеется возможность перехода с плоского кабеля на круглый (рис. 1.15б).
Топология сети AS-интерфейса достаточно проста и позволяет подключать
ведомые устройства к схеме управления по различным конфигурациям: «шина»,
«звезда», «кольцо» или «дерево». На рис. 1.16 приведены примеры геометриче-
ского расположения датчиков (топология) и исполнительных устройств в сети.
Степень защиты интерфейса и переходных устройств соответствует стан-
дарту IP-67. Сети на базе AS-интерфейса отличаются экономичностью и очень
большим выбором технических средств (шлюзов) для объединения с другими
цифровыми промышленными сетями верхнего уровня контроля и управления.
1.5.2. HART-протокол
При проектировании систем реального времени возникла необходимость одно-
временной передачи по одному каналу аналоговой и цифровой информации.
Такая задача может быть решена для измерительных систем, использующих
датчики с токовым выходом в каналах связи «токовая петля». Для решения этой
задачи американской компанией Rosemount был разработан специальный про-
токол (коммуникационный стандарт) — Highway Addressable Remote Transducer
(HART), который в середине 90-х годов стал открытым коммуникационным
стандартом. Данный стандарт позволяет провести объединение интеллек-
туальных датчиков в систему и обеспечивает их дистанционную настройку,
калибровку и диагностику на значительном расстоянии от управляющего
устройства. Стандарт снабжается специальным программным обеспечением,
позволяющим в полной мере использовать возможности современных интел-
лектуальных датчиков и исполнительных механизмов.
Сущность HART-протокола подробно рассмотрена в [2]. Как видно
из рис. 1.17, цифровая составляющая HART-сигнала (0,5 мA) в виде частотно-
модулированных радиоимпульсов (логическая «1» — 1200 Гц, логический «0» —
2200 Гц) накладывается на аналоговый токовый сигнал 4–20 мA. Поскольку
среднее значение синусоиды за период равно нулю, то HART-сигнал не влияет
на измерительный сигнал 4–20 мA. В цикле А передается команда с ведуще-
го устройства, а в цикле В — отклик интеллектуального датчика. Все HART-
сообщения передаются побайтно. Байт содержит стартовый и стоповый им-
пульсы. При организации системы связи с датчиками используют два режима
работы, поддерживающие обмен данными по HART-протоколу.
Режим «точка — точка» предназначен для одновременной передачи анало-
говых и цифровых сигналов. Один из вариантов подключения датчика для дан-
ного режима показан на рис. 1.18. В этом режиме непосредственное соединение
устройства низовой автоматики (датчика, преобразователя, исполнительного
устройства и т. п.) осуществляется любым двухпроводным кабелем на расстоя-
нии до трех километров. Скорость передачи — 1,2 Кбит/с. В качестве первично-
го ведущего устройства, как правило, используют ЭВМ с модемом или програм-
мируемый логический контроллер (ПЛК).
В качестве вторичного управляющего устройства может использовать-
ся портативный отладочный НАRТ-коммуникатор для удаленной настрой-
ки интеллектуальных полевых приборов. При этом данное устройство может
подключаться в любой точке линии связи. Так как цифровой сигнал совмещен
с аналоговым сигналом, процесс передачи аналогового сигнала происходит без
прерывания.
В многоточечном режиме обмена (рис. 1.19) интеллектуальный датчик пере-
дает и получает информацию только в цифровом виде. К одной паре проводов
может быть подключено до 15 датчиков. Все датчики в многоточечном режиме
имеют свой адрес, а коммуникатор может работать с любым из них. Расширение
системы может осуществляться с помощью НАRТ-мультиплексора, имеющего
до 32 входных каналов. Каждый канал рассчитан на 15 датчиков, работающих
в многоточечном режиме.
1.5.3. Локальная промышленная сеть PROFIBUS
В настоящее время при разработке автоматизированных контрольно-
измерительных средств, АСУ ТП, АСУП с использованием цифровых методов обработки сигналов наблюдается переход от традиционных систем построения
с централизованным управлением к распределенным многоуровневым сетевым
технологиям. Эта тенденция обусловлена прежде всего повышением требова-
ний к надежности, быстродействию и гибкости управления, а также экономиче-
скими соображениями [7]. Исследования показали, что количество проводных
соединений в централизованной системе как минимум в два раза больше, чем
в распределенной цифровой сети. Поэтому в большинстве случаев экономиче-
ски более целесообразно установить на площади цеха или участка несколько
локальных контроллеров или интеллектуальных устройств связи с объектом
(УСО), объединенных в единую сеть с открытым доступом и согласованных,
например, с сетью верхнего уровня Ethernet.
В промышленной автоматике широкое распространение получило семей-
ство локальных цифровых сетей PROFIBUS, разработанное фирмой Siemens
в середине 90-х годов (DIN 19245/EN 50170-2). Сеть PROFIBUS поддерживается
многими фирмами — производителями аппаратных средств и представляет со-
бой классическую сеть на базе общей шины с передачей маркера. Соответственно,
все функциональные узлы присоединяются к сети с помощью шины. При этом
доступ узлов к шине осуществляется строго детерминированным способом,
т. е. только один узел, контроллер или рабочая станция в данный момент может
начать передачу сообщения. Право на передачу дается маркером (token) — спе-
циальной битовой комбинацией, которая последовательно циркулирует между
устройствами.
Взаимодействие устройств в шине определяется моделью master — slave,
включающей ведущие и ведомые станции. К шине можно присоединить до 127
активных (ведущих) и пассивных (ведомых) станций. Физическая среда переда-
чи — это экранированная витая пара в соответствии со спецификацией интер-
фейса RS-485 с максимальной длиной 1200 м (при использовании повторителей
до 4800 м). Скорости передачи данных — 9,6; 19,2; 187 и 500 Кбит/с. В новых раз-
работках предусмотрено применение оптоволоконного кабеля.
Сеть PROFIBUS разработана для поддержки на одной шине интеллектуаль-
ных датчиков одновременно с более сложными устройствами (компьютерами,
ПЛК, регуляторами и др.) и существует в трех основных вариантах:
• PROFIBUS-FMS ориентирован для работы на верхних уровнях управле-
ния и организации сети нескольких активных станций ПЛК, ЭВМ;
• PROFIBUS-DP применяется в сетях нижнего уровня и обеспечивает вы-
сокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами;
• PROFIBUS-PA применяется для построения сети, соединяющей дат-
чики, исполнительные устройства и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне. По многим параметрам стан-
дарт PROFIBUS-PA (IEC 61158-2) схож со стандартом Foundation Fieldbus
(FF), который был разработан в 1995 году.
На рис. 1.20 показан один из вариантов структурной схемы трехуровневой
распределенной АСУ ТП с использованием локальной сети PROFIBUS.
В общем случае для выбора сетевого стандарта при проектировании автома-
тизированных распределенных контрольно-измерительных систем и АСУ ТП
разработчик должен учитывать следующие основные особенности: геометри-
ческие размеры сети и число уровней управления, время доставки сообщения
и экономическую эффективность.
ГЛАВА 2
СТАНДАРТНЫЕ
ОБРАЗЦЫ
В ИЗМЕРЕНИЯХ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
2.1. Основные определения и термины
В измерениях и контроле неэлектрических величин особая роль отводится ана-
логам технических эталонов — стандартным образцам свойств материалов и ве-
ществ, предназначенных для обеспечения единства и требуемой точности из-
мерений. Особенно велика эта роль для огромной группы современных средств
измерений — аналитических приборов, базирующихся на методах качественного
и количественного физико-химического анализа при химико-технологических,
медико-биологических, сельскохозяйственных, экологических и других измере-
ниях. По своему назначению стандартные образцы выполняют роль мер (также
с присвоением разрядов), однако в отличие от классических технических мер они,
как правило, реализуются в виде части или порции однородного вещества (ма-
териала). При этом данная часть является носителем воспроизводимой единицы
ФВ, а не ее части. Правила работы со стандартными образцами устанавливаются
нормативно-техническими документами РФ. Одно из полных определений тер-
мина «стандартный образец» с учетом РМГ 29 дано в ГОСТ 8. 315-97.
Стандартный образец (СО) — средство измерений в виде определенного ко-
личества вещества или материала, предназначенное для воспроизведения и хра-
нения размеров величин, характеризующих состав или свойство этого вещества
(материала), значения которых установлены в результате метрологической атте-
стации. Утвержденный СО используется для передачи размера ФВ при поверке,
калибровке, градуировке СИ, а также аттестации методик выполнения измере-
ний. Различают стандартные образцы свойств веществ и стандартные образцы
состава веществ.
СО свойств веществ или материалов характеризуют физические, химиче-
ские, биологические и другие свойства вещества.
СО состава веществ или материалов характеризуют содержание определен-
ных компонентов в составе веществ, характер структурных соединений, состав
химических элементов и т. п.
Проба СО — представительное количество материала, отобранное для опре-
деления содержания требуемого вещества (материала).
Проба холостая содержит все компоненты вещества (материала), кроме опре-
деляемой. Применяют для учета и устранения мешающего влияния примесей.
Наименьшая проба СО — наименьшее количество вещества или материала,
сохраняющее все метрологические характеристики, приписанные образцу.
Навеска — точно взвешиваемая часть пробы.
Аналит — компонент, искомый или определяемый в пробе.
Гомогенность вещества — это однородность состава вещества (материала).
Экземпляр СО — это отдельная упаковка в таре материала, в которую он
расфасован.
Комплект СО — совокупность нескольких (более двух) экземпляров, по-
ставляемых и применяемых совместно, имеющих разные аттестованные значе-
ния одной и той же величины.
Набор СО — совокупность нескольких экземпляров образцов разных типов,
скомплектованных с учетом удобства их применения для выполнения конкрет-
ных метрологических работ.
Тип стандартного образца — это совокупность экземпляров (комплек-
тов) СО одного и того же назначения, изготавливаемых из одного и того же вида
вещества (материала) по одной и той же технической документации, устанав-
ливающей технические требования к образцу. Основные виды стандартных об-
разцов приведены на рис. 2.1.
Методы анализа СО — совокупность приемов и методов аналитических ис-
следований для определения как количественных, так и качественных характе-
ристик образцов (в классической метрологии это метод измерений).
Так, например, при цветовых измерениях в калориметрии определяются
качественные (неколичественные) свойства объекта в виде наборов СО цвета
(атласы цветов), а при измерениях в медицине используются образцы для опре-
деления количественных характеристик состава и свойств веществ. Выделяют
химические, физические и физико-химические методы анализа.
Аналитический сигнал — это любое свойство вещества, которое можно ис-
пользовать для установления качественного и количественного состава объек-
та, например спектр поглощения или испускания.
Точка эквивалентности — это момент (например, в титриметрии), когда ко-
личество раствора известной концентрации эквивалентно количеству опреде-
ляемого вещества в СО.
Референтная методика (метод) измерений — это методика измерений, при-
нятая для получения результатов измерений (разд. 1.2).
Матрица химического состава СО — это компонент или совокупность ком-
понентов, образующих данное вещество или материал и являющихся его осно-
вой. Выделяют простые матрицы, если СО состоит из чистых компонентов,
и сложные, если компоненты представлены в частично известной среде.
Первичный стандартный образец — это утвержденный образец с наивысши-
ми метрологическими свойствами, аттестованное значение которого установле-
но первичным методом измерения, т. е. без сравнения с эталоном единицы изме-
рения. В соответствии с ГОСТ 8.694-2010 для стандартных образцов определено
несколько методов, потенциально относящихся к первичным (безэталонным)
методам измерений:
• титриметрия;
• гравиметрия;
• кулонометрия;
• понижение температуры застывания;
• масс-спектрометрия с изотопным разбавлением.
Вторичный стандартный образец — это образец, аттестованное значение ко-
торого установлено сравнением с первичным эталоном.
Метрологические характеристики СО — это комплекс характеристик, пред-
назначенный для определения результатов измерений состава и свойств образцов
и оценивания погрешностей (неопределенностей) полученных результатов.
Метрологическая аттестация СО — это заключительный этап работ, прово-
димый в целях определения метрологических характеристик образца с выдачей
сопроводительного документа (паспорта) СО. Выделяют первичную (в целях
утверждения типа ГОСТ Р 8.753-2011) и повторную аттестации.
Программа аттестации СО — раздел технической документации (ТЗ, ТУ)
на разработку образца, устанавливающий объем, виды и последовательность
работ по метрологической аттестации образца и сроки их проведения.
Методика аттестации СО — раздел технической документации (ТЗ, ТУ)
на разработку образца, устанавливающий перечень определяемых метрологи-
ческих характеристик, методы, средства и алгоритмы измерений, способы об-
работки результатов измерений и форму их представления.
Аттестованное значение СО (АСО) — это значение аттестуемой характе-
ристики образца, установленное при его аттестации и приводимое в паспорте
с указанием погрешности.
Референтная методика (метод) измерений — это методика измерений, при-
нятая для получения результата измерений.
Прослеживаемость результатов измерений АСО — это прослеживаемая
связь аттестованных значений АСО к соответствующим единицам СИ или
опорным значениям. Термин «прослеживаемость» также допускается опреде-
лять как достоверность полученных результатов измерений с установленными
неопределенностями при сравнении их с эталонными значениями наивысшего
метрологического уровня (ГОСТ 8.763-2011).
Категория СО — признак, определяющий уровень его признания (утверж-
дения) и область применения. Выделяют следующие категории стандартных
образцов:
государственный (ГСО), признанный национальным • органом по метро-
логии, стандартизации и сертификации;
• межгосударственный (МСО), признанный в соответствии с принятыми
правилами, установленными Межгосударственным советом по метроло-
гии, стандартизации и сертификации;
• отраслевой (ОСО), утвержденный органом, наделенным полномочиями
от государственной системы управления, применяемый на предприяти-
ях или в организациях отрасли;
• стандартный образец предприятия (СОП), утвержденный руководи-
телем предприятия и применяемый в соответствии с нормативными
документами.
Срок годности экземпляра СО — интервал времени, исчисляемый с даты вы-
пуска экземпляра образца, в течение которого гарантируется соответствие ме-
трологических характеристик СО, указанным в его паспорте.
Метрологическая аттестация состава и свойств стандартных образцов про-
водится в соответствии с утвержденными нормативно-техническими документами (НТД) России, учитывающими зарубежный опыт. Основные действую-
щие документы РФ по стандартным образцам приведены в табл. 2.1.
По метрологической соподчиненности СО подразделяются на следующие:
• стандартные образцы, входящие в состав поверочных схем в качестве ра-
бочих эталонов соответствующего разряда;
• первичные и вторичные стандартные образцы, обеспечивающие цепоч-
ки «прослеживаемости» к единицам Международной системы единиц
(SI) или к иным принятым в РФ единицам.
Следует отметить, что для первичных СО аттестованные значения уста-
навливаются с использованием первичного метода измерений, имеющего наи-
высшие метрологические свойства, определенные без сравнения с эталоном
единицы величины того же рода. Для вторичных стандартных образцов атте-
стованные значения устанавливаются сравнением с первичным СО.
Таким образом, для использования АСО в качестве эталона необходимо,
чтобы аттестованные значения имели прослеживаемую связь к соответствую-
щим единицам СИ или опорным значениям шкал ФВ.
Метрологический надзор за выпуском и применением АСО в сфере государ-
ственного регулирования проводят Федеральное агентство по техническому ре-
гулированию и метрологии, а также другие федеральные органы исполнитель-
ной власти, уполномоченные правительством РФ осуществлять данный вид
надзора в установленной сфере деятельности.
Государственный метрологический надзор может распространяться на дея-
тельность юридических лиц и индивидуальных предпринимателей в случае до-
бровольной аттестации СО.
2.2. Метрологические характеристики стандартных
образцов. Аттестация образцов и сопровождающих
документов
Значения всех метрологических характеристик (МХ) СО устанавливаются в про-
цессе аттестации образца и приводятся в паспорте на него. При этом приме-
нение СО должно осуществляться в соответствии с требованиями нормативно-
технических документов (НТД) на методы анализа (измерений), испытаний,
контроля, поверки и градуировки СИ, а также аттестованных методик выпол-
нения измерений с использованием поверочных схем.
В соответствии с требованиями НТД к основным метрологическим харак-
теристикам (МХ) стандартных образцов, которые нормируются в документа-
ции СО, относятся:
аттестованное значение образца, т. е. • значение, воспроизводимое им
и установленное при его аттестации с указанием погрешности;
• погрешность (неопределенность) аттестованного значения СО — раз-
ность между аттестованным и истинным значением величины, воспро-
изводимой той частью образца, которая используется при измерении;
• характеристика однородности СО — характеристика свойства образца,
выражающегося в постоянстве значения величины, воспроизводимой его раз-
личными частями, используемыми при измерениях;
• характеристика стабильности СО — это характеристика свойства образ-
ца, выражающегося в сохранении значений метрологических характери-
стик в установленных пределах, в течение указанного в паспорте срока
годности при соблюдении заданных условий хранения и применения;
• функции влияния СО — это зависимость метрологических характери-
стик образца от изменения внешних влияющих величин в заданных
условиях применения.
В зависимости от применяемого СО возможно использование и других ме-
трологических характеристик.
Рекомендации к работам по проведению аттестации (испытаний) СО в целях
определения метрологических характеристик монолитных, жидких, дисперс-
ных (делимых) и газообразных веществ даны в документах: ГОСТ Р 810-2012,
ГОСТ Р 8.694-2010, РМГ 93-2009, руководство ИСО — ISO Guide 35: 2006. Клю-
чевым вопросом в установлении метрологических характеристик (МХ) образца
при его аттестации является разработка программы и методики определения
МХ образца с использованием методов химического и физико-химического
анализа [9, 10].
Программа определения МХ при аттестации (испытании) стандартного об-
разца должна содержать вводную часть и следующие разделы:
• общие положения;
• подготовка материала (пробы) СО к работам по определению МХ;
• соисполнители, участвующие в работе по определению МХ;
• методика определения метрологических характеристик СО;
• способ установления метрологической прослеживаемости СО;
• форма представления результатов определения МХ образца;
• сроки проведения работ по определению МХ образца.
Методика определения МХ стандартного образца при аттестации включает
в себя вводную часть и следующие разделы:
• методика определения аттестованного значения СО;
• методика определения однородности СО;
• методика определения стабильности СО;
• формы представления результатов измерений при определении однород-
ности и стабильности образца.
В целях правильности определения метрологических характеристик при
аттестации стандартных образцов проводится метрологическая экспертиза
программы и методики определения МХ образцов. При этом метрологическую
экспертизу программы и методики проводят аккредитованные в установлен-
ном законодательством РФ порядке специалисты. К ним относятся эксперты-
метрологи в области стандартных образцов. При проведении метрологической
экспертизы программы и методики оценивают следующее (ГОСТ 8 810-2012):
• правильность употребления метрологических терминов и понятий;
• нородности и стабильно-
сти материала СО;
• соответствие выбранных методик (методов) измерений требованиям
стандартов ГОСТ Р 8.563, ГОСТ Р 8.694;
• обоснованность выбора средств измерений СО и испытательного
оборудования;
• соответствие алгоритма расчета стандартной неопределенности от не-
однородности и нестабильности СО в соответствии с требованиями
ГОСТ Р 8.694;
• обоснованность выбора способа установления метрологической просле-
живаемости;
• соответствие формы представления определяемых метрологических ха-
рактеристик СО.
С течением времени значение аттестуемой характеристики АСО может из-
мениться по сравнению с аттестованным значением. Если значение АСО вы-
ходит за пределы диапазона, указанного в паспорте, необходимо проведение
повторной аттестации АСО/СО или изъятие этого образца.
2.3. Особенности конструктивного исполнения СО
В отличие от классических эталонов метрологии большинство аттестованных
ГСО изготовляют в виде экземпляров проб, например упаковок, пробирок, бу-
тылок, баллонов или отдельных образцов твердых тел. Общий вид комплектов
стандартных образов показан на рис. 2.2а–д.
Требования к условиям хранения и материалу упаковок образцов сформу-
лированы в ГОСТ Р 8.810-2012. В состав требований входят:
• определение условий хранения ГСО — температура, влажность,
освещенность;
• требования к материалу упаковки, в которой должен находиться СО в те-
чение времени исследования стабильности образца;
• периодичность измерений значения аттестуемой характеристики СО при
определении стабильности образца с применением метода исследования
стабильности.
Производство и изготовление ГСО относятся к опасным производственным
объектам (ГОСТ Р 8.776-2011). Работы по их проектированию, наладке, ремонту
регулируются Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных
производственных объектов».
Баллоны и оборудование, используемое для изготовления ГСО, их экс-
плуатация, транспортирование и хранение должны соответствовать правилам
и нормам, а также иметь разрешение Федеральной службы по экологическому,
технологическому и атомному надзору на применение конкретных типов (ви-
дов) технических устройств. Запрещается изготовлять ГСО во взрывоопасных
концентрациях.
Содержание этикетки СО (ГОСТ Р 8. 753-2011) должно включать:
• для СО утвержденных типов — знак утверждения типа;
• наименование изготовителя СО;
• наименование стандартного образца;
• регистрационный номер по Государственному реестру СО для утверж-
денных типов (для ГСО) или номер по реестру организации, корпорации,
объединения, ведомства и других юридических лиц (для ОСО, СОП);
• номер партии (экземпляра) СО;
• артии (экземпляра);
• срок годности СО;
• предупреждение о вреде для здоровья и опасности.
2.4. Классификация методов анализа состава и свойств веществ
Определение качественных и количественных характеристик СО базируется
на фундаментальных методах аналитической химии [9]. При этом качественный
анализ заключается в определении отдельных элементов (или ионов), из ко-
торых состоит анализируемое вещество — аналит. Конечной целью количе-
ственного анализа является определение (измерение) содержания химических
элементов, соединений в исследуемом аналите. При этом содержание опреде-
ляемого компонента устанавливается аналитическим сигналом. Связь между
аналитическим сигналом и содержанием компонента называют градуировочной
характеристикой, которая может быть представлена в виде графиков, таблиц
или формул. Значение 1-й производной градуировочной функции определяет
чувствительность метода. Порог чувствительности характеризуется величиной
обнаруживаемого минимума вещества.
Следует отметить, что анализ является достаточно сложным процессом
и представляет собой совокупность взаимосвязанных операций, включая
пробоподготовку, очистку, растворение, концентрирование, сушку, проведе-
ние испытаний, обработку и оценку полученных результатов испытаний (из-
мерений). Каждый аналитический метод имеет свою область применения
и характеризуется:
• временем, необходимым для проведения анализа;
• порогом чувствительности;
• точностью и воспроизводимостью результатов;
• правильностью результатов.
Принцип определения химического состава вещества любым методом сво-
дится к тому, что состав вещества определяется по его свойствам.
Свойства веществ разделяют на две группы:
• интенсивные — не зависящие от количества вещества (длина волны, по-
казатель преломления, частота линии в спектре и т. д.), они используют-
ся для целей качественного анализа;
• экстенсивные — зависят от количества вещества и обладают свойством ад-
дитивности (суммирования), используются для количественного анализа.
Свойства веществ фиксируются аналитическими сигналами.
Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их свойств
обусловили разнообразие методов анализа. Поэтому в современной литерату-
ре методы химического анализа классифицируются по различным признакам.
Наиболее часто используется классификация по принципу получения анали-
тического сигнала (АС). Соответственно, все методы аналитической химии
основаны на получении и измерении аналитического сигнала. Основные ме-
тоды аналитической химии показаны на рис. 2.3. В зависимости от принципа
получения АС все методы разделяют на три основные группы [13, 14].
Химические методы анализа (в том числе и электрохимические) осно-
ваны на использовании химических реакций различных типов (например
окислительно-восстановительных или кислотно-основных). При этом про-
водят реакцию, а затем наблюдают аналитический эффект или измеряют АС.
К основным направлениям данного метода относят гравиметрию (весовой ана-
лиз) и титриметрию.
В биохимических исследованиях микроорганизмов (например, при опреде-
лении количества молочной кислоты) используют как весовые, так и титриме-
трические методы анализа.
Физические методы анализа основаны на измерении физических свойств ве-
ществ, зависящих от химического состава. В этом случае химические реакции
либо совсем не используются, либо играют вспомогательную роль. При этом
наблюдение аналитического эффекта обеспечивается непосредственно анали-
том и основной упор делается на измерение АС.
Физико-химические методы анализа основаны на измерении физических
свойств веществ, которые появляются или изменяются в результате химиче-
ских реакций. При этом сначала проводят реакцию, а затем измеряют АС фи-
зического свойства продукта реакции или используют измерение физического
свойства в ходе реакции до установления конечной точки титрования.
Химические методы анализа часто называют классическими, а физические
и физико-химические методы анализа — инструментальными, т. е. с использо-
ванием измерительной аппаратуры.
Наибольшее значение среди химических методов количественного анали-
за имеют гравиметрические и титриметрические методы определения состава
и свойств СО. В общем случае эти методы являются стандартными для оценки
правильности определения. Основная область их применения — прецизионное
определение больших и средних количеств веществ.
Классические методы анализа наиболее часто используются на предприяти-
ях химической промышленности для контроля хода различных технологических процессов, качества сырья и готовой продукции. На основе этих методов осу-
ществляется и фармацевтический анализ при определении качества лекарств
и лекарственных средств.
2.4.1. Гравиметрические (весовые) методы анализа
Гравиметрия — это химический метод количественного анализа вещества,
основанный на точном измерении массы аналита (например выпавшей в осадок)
после ее фильтрации и просушки или составных частей аналита, выделенных
в виде соединения точно известного состава. Гравиметрический метод химиче-
ского анализа относится к наиболее точным классическим методам. Средняя
точность определения (измерения) компонента составляет порядка 0,1–0,2 %.
Достижимая погрешность может достигать 0,05 %. При этом любой химический
анализ базируется на химической реакции
см. в книге (2.1)
где Р — продукт химической реакции, R — вещество (реагент), принимающее
участие в химической реакции.
В зависимости от вида (типа) вещества (твердое, жидкое, газообразное) при
определении количества вещества можно использовать разные методы получе-
ния результата данной реакции [8, 9]. Широко используют также электрогра-
виметрические методы определения состава вещества. В общем случае по спо-
собам отделения определяемого компонента различают три гравиметрических
метода анализа: выделения, осаждения и отгонки.
Метод выделения заключается в том, что определяемый компонент (аналит)
выделяют из пробы в свободном состоянии, т. е. сразу в виде элемента. Затем его
точно взвешивают. Например, при определении катионов металлов их восста-
навливают до свободного металла, который взвешивают.
Метод отгонки базируется на том, что определяемый компонент при нагре-
вании формируется в виде летучего соединения. При этом содержание аналита
определяют по изменению массы исходной пробы в процессе отгонки летучего
соединения. Метод отгонки используется в количественном анализе органиче-
ских лекарственных препаратов.
Метод осаждения заключается в получении осаждаемой формы (ОФ) опре-
деляемого компонента в виде малорастворимого соединения, которое фильтру-
ют, высушивают или прокаливают. По полученному продукту рассчитывают
массу аналита. Высушивание проводят в сушильных шкафах, а прокалива-
ние — в электропечи. Метод осаждения является самым распространенным
в гравиметрическом анализе. Чаще всего его используют для определения ио-
нов, дающих малорастворимые соединения. На основе методов осаждения раз-
работаны гравиметрические способы и методики определения большинства
катионов металлов, анионов, а также ряда органических веществ с использова-
нием как неорганических, так и органических осадителей. Основные операции
гравиметрического метода осаждения показаны на рис. 2.4.
Расчет величины навески пробы делают по уравнению реакции на аналити-
ческих весах. При фильтровании отделяют осадок от раствора. В качестве филь-
тров используют бумажные беззольные фильтры, фарфоровые или стеклянные
фильтрующие тигли, которые подбирают в зависимости от способа дальнейшей
термообработки. Промывание используют для удаления из осадка ионов, кото-
рые не могут улетучиться при дальнейшем прокаливании.
Гравиметрические методы определения состава веществ имеют ряд до-
стоинств перед другими методами анализа. Выделяют надежность и точность
метода. В данном случае предел определения ограничивается растворимостью
осадка и чувствительностью аналитических весов. Общий вид высокоточных
аналитических весов AF 225 DR фирмы SHINCO (Япония) показан на рис. 2.5.
Максимальный измеряемый вес — до 150 г. Точность измерений — 0,0001 мг.
Точность определения может достигать 0,05 %.
Так, для весов с точностью взвешивания 0,0001 г
систематическая ошибка измерений определяется
соотношением
см. уравнение в книге (2.2)
где а — навеска; n — число прокаливаний; m —
гравиметрическая масса.
Тогда при а = 0,2598 г, n = 3 и m = 0,1754 г опре-
деленная по (2.2) систематическая ошибка будет
равна 0, 0005 = 0,05 %
Благодаря этим достоинствам гравиметриче-
ский метод широко используется при проведении
аттестации эталонных образцов, при определении концентрации стандартных
растворов различных веществ, а также при арбитражных анализах.
К основным недостаткам гравиметрического метода относят длительность
проведения анализа. На анализ обычно затрачивается несколько часов. Поэто-
му данный метод не применяют для контроля хода технологических процессов,
а используют для контроля качества сырья и готовой продукции. К другим не-
достаткам относят трудоемкость и малую чувствительность.
2.4.2. Титриметрические методы анализа
Титриметрический анализ — это метод количественного химического и электро-
химического анализа, основанный на точном измерении объема израсходован-
ного (вводимого) раствора реагента R c точно известной концентрацией. Ранее
такой метод назывался объемным. Сейчас под объемным анализом понима-
ют совокупность методов, основанных на измерении объема жидкой, газовой
или твердой фаз. Данный метод основан на процессе титрования, который был
предложен Ж. Гей-Люссаком.
Титрование — это процесс определения состава вещества, при котором
в пробу Х постепенно с помощью высокоточной измерительной бюретки при-
бавляют небольшие порции реагирующего с ним другого вещества (реагента)
до того момента, пока все определяемое вещество в пробе не вступит с ним в ре-
акцию. Реагент для титрования называют титрантом.
Реакция должна протекать по строго определенному стехиометрическому
уравнению, побочные реакции должны быть исключены. Титрант реагента
с точно известной концентрацией часто называют стандартным или рабочим.
Момент титрования, при котором количество прибавленного титранта стано-
вится химически эквивалентным количеству определяемого вещества, называ-
ют точкой эквивалентности.
Обычно титрант добавляют к анализируемому веществу в виде раствора
с точно известной концентрацией растворенного вещества. При этом количе-
ство титранта, вступившего в реакцию, определяется по объему затраченного
раствора [10]. В настоящее время титрант можно добавлять не только в виде рас-
твора, но и в виде порошка, таблеток или пропитанной бумаги. К стандартным
(исходным) растворам предъявляют строгие требования. Ими могут быть толь-
ко химически чистые (примеси меньше 0,01 %), устойчивые и хорошо раство-
римые вещества.
Титриметрические методы анализа являются одним из основных мето-
дов химического и электрохимического анализа с достижимой погрешностью
определения не хуже 0,5 %. Широта данных методов определения состава обу-
словила различные виды их классификации.
Так, по типу химических реакций с реагентом выделяют следующие виды
титрования:
окислительно-восстановительное • (редоксиметрия);
• кислотно-основное (метод нейтрализации);
• комплексометрическое (с использованием комплексных соединений);
• осадительное (седиметрия).
По типу применяемого титранта выделяют:
• титрование щелочью (алкалиметрия);
• титрование кислотами (ацидиметрия);
• комплексонометрия и др.
По приемам титрования выделяют:
• прямое (непосредственная реакция с титрантом);
• обратное (метод титрования по остатку);
• заместительное (косвенное титрование).
При прямом титровании пробу анализируемого вещества титруют стан-
дартным раствором до точки эквивалентности. Конец титрования, когда коли-
чество стандартного реактива эквивалентно количеству определяемого в рас-
творе вещества, устанавливают визуально по изменению окраски при реакции
или инструментально на основе физико-химических методов анализа (потен-
циометрического или амперометрического). Чем точнее определена точка экви-
валентности, тем меньше ошибка анализа.
Обратное титрование, или по остатку, применяют, когда определяемое ве-
щество не реагирует со стандартным раствором или реагирует недостаточно
быстро. В этом случае к пробе анализируемого вещества прибавляют заведо-
мый избыток стандартного раствора и остаток его после реакции с определяе-
мым веществом титруют другим стандартным раствором.
Титрование по замещению применяют, когда непосредственное определе-
ние данного вещества затруднительно. В этом случае анализируемое вещество
посредством реакции переводят в другое соединение, которое титруют стан-
дартным раствором.
К объемному методу относят также многие методы газового анализа, ког-
да при выполнении измерений определяют объем какого-либо поглотившегося
или выделившегося газа.
По аналитическому сигналу точки эквивалентности процесса титрования
выделяют:
• титрование с изменением цвета реагента или пробы при химической
реакции;
• титрование с резким измерением электрических параметров процесса
титрования (напряжения, тока, проводимости и др.) при электрохими-
ческих методах анализа (инструментальное титрование).
Наиболее точных результатов определения состава веществ можно достичь
при автоматизации процесса титрования и использовании электрохимических
методов анализа. Электрохимические методы анализа базируются на электро-
дных процессах и возникающих электродных потенциалах, которые форми-
руются на границе электрод — электролит в измерительных ячейках. Электро-
дный потенциал (глава 1) — это разность электрических потенциалов между
электродом и находящимся с ним в контакте электролитом. При этом изме-
ряют разность потенциалов между индикаторным электродом и выбранным
электродом сравнения с известным потенциалом, условно принятым за нуль
(рис. 1.10).
На практике наиболее широкое применение получили автоматиче-
ские кулонометрические и потенциометрические титраторы, основанные
на окислительно-восстановительных реакциях.
Общий вид автоматических титраторов для измерения состава материалов
и веществ показан на рис. 2.6.
В качестве индикаторных (рабочих) электродов в потенциометрических ти-
траторах применяют индифферентные металлы Pt, Au, Ag и др. Иногда исполь-
зуют и ионоселективные мембранные электроды. Для определения конечной
точки титрования (точки эквивалентности) в виде резкого скачка потенциала
измерительной цепи применяют графические и расчетные методы. При этом
строят графики зависимости величины потенциала от количества добавляемого реагента (титранта), т. е. E = f (Rтитранта). Примеры некоторых кривых потенцио-
метрического титрования с максимальной крутизной в точке эквивалентности
показаны на рис. 2.7.
Для более точного определения точки эквивалентности лучше использо-
вать метод первой производной Е/R от интегральной кривой с точкой пере-
гиба. Метод потенциометрического титрования особенно часто применяют
при анализе растворов, содержащих несколько ионов без их предварительного
разделения.
В общем случае использование электрохимических методов анализа по-
зволяет добиться высокой точности и воспроизводимости определения состава
и обеспечить полной автоматизации измерений.
2.5. Формирование проб стандартных образцов
Проведение химического анализа начинают с отбора и подготовки пробы СО.
Если они проведены неправильно, то тщательно измеренный аналитический
сигнал не дает правильной информации о содержании определяемого компо-
нента. Погрешность при пробоотборе делает бессмысленным использование
высокоточных методов измерений. Приемы и порядок отбора проб установлены
ГОСТ Р 8.694-2010.
Первоочередная задача разработки и аттестации СО заключается в установ-
лении необходимого количества исходного материала, из которого будет изго-
товлен образец с требуемыми свойствами. Следует учитывать, что некоторые
комбинации «материал — свойство» очень редкие, что требует поиска компро-
миссных решений. В некоторых случаях может быть использован метод смеши-
вания или добавок.
Количество необходимого материала определяется следующими
факторами:
• числом экземпляров разрабатываемого СО;
• числом проб, необходимых для исследования однородности;
• числом проб, необходимых для исследования стабильности;
• числом проб, необходимых для исследования возможности выполнения
программ и определения метрологических характеристик СО;
• количеством материала, необходимого для одного измерения.
В связи с тем, что срок годности СО зависит от стабильности материала,
этот параметр также влияет на количество исходного материала. Выбор ме-
тодик определения однородности и стабильности экземпляров материала СО
подробно рассмотрен в ГОСТ Р 8.694-2010. При отборе различают генеральную,
лабораторную и анализируемую пробы.
Генеральная проба отбирается непосредственно из объекта. Она может быть
в пределах от 1 до 50 кг, а для некоторых объектов (например руды) — от одной
до пяти тонн.
Лабораторная проба с массой материала от 25 г до 1 кг формируется путем
сокращения генеральной пробы. При этом ее разделяют на три части. Одну
часть применяют для предварительных исследований, другую — для арбитраж-
ных анализов, третью используют в качестве анализируемой пробы.
Содержание определяемого компонента в анализируемой пробе должно от-
ражать среднее содержание этого компонента в исследуемом объекте.
При отборе пробы необходимо учитывать:
• агрегатное состояние объекта (газ, жидкость, твердое вещество);
• частиц неоднородности;
• возможность изменения объекта во времени;
• способ измерения аналитического сигнала;
• требуемую точность определения состава и свойств.
Следует отметить, что все стадии анализа при отборе и исследовании пар-
тии проб и внутриэкземплярной неоднородности связаны между собой и по-
грешность однородности и стабильности при отборе пробы определяет общую
точность определения компонента.
Обобщенный пример этапов измерительной цепи и демонстрации про-
слеживаемости результата измерений начиная с исследования пробы приве-
ден на схеме, показанной на рис. 2.8. В представленной схеме матричные ат-
тестованные СО (АСО) могут быть использованы для демонстрации точности
результатов измерений. Матричные образцы при аттестации СО показывают
определенную степень контроля качества (КК) измерений. Чистые матричные
материалы, чистые экстракты и т. п. могут быть использованы в целях проверки
методики (метода) измерений или для установления поправочного коэффици-
ента (ГОСТ 8.694-2010).
Градуировку, поверку, калибровку средств измерений необходимо прово-
дить по эталонам или АСО, имеющим прослеживаемость к соответствующим
национальным или международным эталонам, а в случае отсутствия послед-
них — к принятым опорным значениям.
При этом градуировка, поверка, калибровка СИ должны обеспечивать точ-
ные измерения, чтобы не вносить дополнительной неопределенности. Опорным
значением может быть единица СИ, воспроизводимая эталоном, или условная
шкала, хранимая национальным метрологическим институтом.
Добавки, холостые пробы-добавки и т. д. могут быть использованы для
исследования каких-либо участков измерительной цепи или при установ-
лении значений аттестуемой характеристики материала СО. Для установле-
ния и демонстрации прослеживаемости результатов измерений необходимо
контролировать:
• взвешивание пробы;
• чистоту реактивов, растворителей, «чистых материалов»;
• градуировку, поверку, калибровку СИ, а также калибровку мерной
посуды;
• помехи в измерительном сигнале;
• обоснованные статистические методы для проведения расчетов;
• загрязнения, потери в измерительном процессе.
Все эти факторы могут быть подвергнуты требуемому контролю путем под-
тверждения правильности методики (метода) измерений. При этом правиль-
ность любой методики измерений должна быть надлежащим образом продемон-
стрирована и, соответственно, подтверждена установленными требованиями.
Оценка согласованности результатов измерений, полученных при межлабора-
торном эксперименте, может быть частью подтверждения правильности мето-
дики измерений и отбора проб.
2.6. Оценка метрологических характеристик
стандартных образцов
Состав метрологических характеристик СО, оценку которых необходимо
производить и аттестовать, был рассмотрен в разд. 2.2. В основе аттестации
СО — разработка программы определения метрологических характеристик
(МХ) и методики определения МХ стандартного образца, входящих в состав
технологической документации на образец. Программу и методику разраба-
тывает организация, осуществляющая планирование и выполнение работ
по определению МХ образца. При этом необходимо установить правильность,
воспроизводимость и достоверность аналитической методики, обеспечиваю-
щей требуемую точность измерений. Кроме того, методика должна обеспечи-
вать метрологическую прослеживаемость к единицам величин, воспроизво-
димым государственным первичным эталоном или национальным эталонам
зарубежных государств.
В общем случае оценка МХ образцов является довольно сложной метроло-
гической задачей. Это обусловлено огромным количеством исследуемых одно-
компонентных или многокомпонентных твердых, жидких и газообразных ве-
ществ. Анализ нормативных документов России по оценке неопределенностей
(погрешностей) МХ образцов показал, что оценка может проводиться по раз-
личным направлениям:
по результатам, полученным в нескольких лабораториях • одним или не-
сколькими методами;
• по результатам исследований, полученным в одной лаборатории не-
сколькими методами:
• с применением эталонов;
• с использованием аттестованных МВИ;
• по результатам косвенных измерений (по процедуре приготовления)
и оценке влияющих величин.
Полная оценка МХ для отдельных экземпляров и наборов СО с исполь-
зованием межлабораторных исследований при отборе проб и установле-
нии неопределенности аттестованного значения образца (АСО) рассмотрена
в ГОСТ 8.694-2010 и ГОСТ Р 8.810-2012 (разработка программы). При этом учи-
тываются все основные факторы, влияющие на неопределенность результата
измерений АСО, к которым относят:
• неоднородность материала СО;
• нестабильность значений аттестуемой характеристики образца;
• способ определения АСО.
С учетом данных источников суммарную стандартную неопределенность
АСО можно определить из уравнения (ГОСТ Р 8. 694-2010)
см. уравнение в книге (2.3)
где uc
2 — суммарная стандартная неопределенность; u2
chair — стандартная не-
определенность, обусловленная способом определения АСО; u2
bb — стандартная
неопределенность, обусловленная неоднородностью вещества; u2
lts — стан-
дартная неопределенность, обусловленная долговременной нестабильно-
стью; u2
sts — стандартная неопределенность, обусловленная кратковременной
нестабильностью
Срок службы АСО определяют с учетом влияющих факторов на нестабиль-
ность образца. Методику с использованием уравнения (2.3), как правило, ис-
пользуют при разработке первичных СО, находящихся в сфере государственно-
го регулирования.
Другое направление оценки МХ (РМГ 93-2009) базируется на основе уже ат-
тестованных эталонов (ГСО) или методик МВИ с использованием результатов
исследований, проведенных в одной лаборатории. Наиболее часто данное на-
правление применяется при оценке метрологических характеристик вторич-
ных образцов категорий ОСО, МСО, СОП.
Уравнение для оценки суммарной неопределенности АСО в данном случае
аналогично (2.3):
см. уравнение в книге (2.4)
где uh
2 — стандартная неопределенность от неоднородности; u2
stab — стандартная
неопределенность от нестабильности.
Для примера рассмотрим один из методов определения погрешности атте-
стованного значения СО, проведенного в одной лаборатории на базе сличения
с уже аттестованными эталонами и с учетом формулы (2.4).
Порядок расчета неопределенности АСО с применением эталона начинают
с выбора и обоснования эталонной базы. Эталоны должны иметь действующие
сертификаты о калибровке, содержащие значение расширенной неопределен-
ности u() c указанием коэффициента охвата k и стандартного отклонения,
полученных результатов измерений в условиях повторяемости r. Стандартное
отклонение промежуточной прецизионности I(T) эталона при оценивании не-
стабильности СО должно удовлетворять условию (ГОСТ Р ИСО 5725-3-2002)
см. уравнение в книге (2.5)
где uДОП — допускаемое значение расширенной неопределенности аттестуемого
значения образца в соответствии с ТЗ на разработку.
При выборе конкретных эталонов (ГСО) для определения аттестованных
значений образцов руководствуются следующими соотношениями:
см. уравнение в книге (2.6)
где u() — значение расширенной неопределенности применяемого эталона
с указанием коэффициента охвата; r — стандартное отклонение результатов
измерений в условиях повторяемости.
Измерения при определении АСО проводят согласно правилам выполнения
измерений на эталоне с поверочной установкой или МВИ, рекомендуемой раз-
работчиком образца. Для СО монолитных и дисперсных (делимых) материалов
необходимо предварительно оценить стандартную неопределенность от неод-
нородности u2
h в соответствии с требованиями РМГ 93-2009. При поэкземпляр-
ной аттестации образца стандартную неопределенность от неоднородности
не учитывают (u2
h = 0).
При многократных наблюдениях общее число измерений j, необходимых
для оценки аттестованного значения СО, определяют по допускаемому стан-
дартному отклонению sДОП среднего значения результатов в условиях повторяе-
мости по соотношению
см. уравнение в книге (2.7)
где k — коэффициент охвата.
Далее находят значения величин и по формулам (РМГ 93-2009)
см. уравнение в книге (2.8)
По полученным значениям, используя табл. 2.2, определяют число наблю-
дений j.
Оценка стандартной неопределенности от способа определения uchar образца
проводится в условиях повторяемости результатов n измерений х1, х2, …, хn, где
n j. При этом вычисляют среднее значение результатов измерений и их стан-
дартное отклонение s по формулам
см. уравнение в книге (2.9)
Используя стандартное отклонение повторяемости по критерию хи-квадрат,
проводят сравнение полученного значения s по неравенству
см. уравнение в книге (2.10)
где n − 1 — число степеней свободы, 2
0,95() — квантиль распределения с
степенями свободы, значения которых приведены в табл. 2.3.
Если неравенство (2.10) выполняется, то аттестованное значение СО вы-
числяют с учетом среднего значения всех результатов измерений по стан-
дартной неопределенности от способа определения аттестованного значения,
соотношением
см. уравнение в книге (2.11)
Если неравенство (2.10) не выполняется, то полученные результаты измере-
ний бракуют и повторяют процедуру оценки заново.
2.7. Порядок разработки стандартных образцов
Создание СО в общем случае включает в себя следующие основные этапы
(ГОСТ 8.315-97):
• разработка технического задания на СО, в состав которого входят про-
ект программы (последовательность работ по аттестации) и (или) ме-
тодики проведения аттестации образца по перечню определяемых ме-
трологических характеристик, включая способы обработки результатов
измерений;
• проведение исследований и экспериментальных работ по изготовлению
экземпляров СО;
• О в соответствии с про-
граммой и методикой аттестации;
• разработка технической и нормативной документации на СО и оформле-
ние отчета о разработке;
• проверка технической документации на тип СО;
• утверждение типа СО и его регистрация.
Техническое задание на разработку стандартного образца составляет
и утверждает организация-разработчик с учетом требований ГОСТ 15001.
Для установления аттестованных значений вторичных СО используют ме-
тодики аттестации с применением эталонных СИ и утвержденных МВИ.
Утвержденные типы СО всех категорий подлежат внесению в реестры, кото-
рые ведут органы, осуществляющие утверждение.
Общие требования к программам и методикам аттестации рассмотрены
в рекомендациях МИ 2838-2003 и ГОСТ 8.694-20010. Перед началом проведения
работ с производством и определением метрологических характеристик СО не-
обходимо составить план эксперимента. Основная часть планирования экспе-
римента заключается в установлении количества исходного материала, а также
в выборе методик (методов) измерений, используемых при определении одно-
родности, стабильности, значений аттестуемой характеристики материала СО.
Особенно важен при планировании работ выбор числа отбираемых проб мате-
риала, зависящих от различных факторов.
При подготовке программы разработки необходимо указать, какой именно
вид СО и какую конкретную матрицу (материал) предполагается разрабатывать.
В разрабатываемой программе должно быть подробно изложено определение
метрологических характеристик СО и нормирование неопределенности атте-
стованного значения. Основополагающим условием при разработке программы
определения метрологических характеристик СО является правильный выбор
опорных значений с установкой прослеживаемой связи аттестованных значе-
ний. Решение о признании (утверждении) СО принимают:
• межгосударственный совет — по признанию межгосударственных СО;
• национальный орган по метрологии — по утверждению государствен-
ных СО;
• компетентный орган, наделенный соответствующими полномочиями
от государственного органа управления или объединения юридических
лиц, — по утверждению отраслевых СО;
• руководитель предприятия или его заместитель — по утверждению СО
предприятия.
В состав разрабатываемых технических документов на тип СО входят также
проекты описания типа, паспорт СО и этикетки. В качестве примера в табл. 2.4
приведены некоторые утвержденные за последние годы государственные стан-
дартные образцы (ГСО).
Как уже отмечалось, СО, находящиеся в сфере государственного регулиро-
вания, должны проходить обязательную процедуру утверждения типа и зано-
ситься в Госреестр СО России.
ГЛАВА 3
ИЗМЕРЕНИЕ
И КОНТРОЛЬ
ЛИНЕЙНЫХ
РАЗМЕРОВ
3.1. Общие сведения
В науке и технике измерение линейных размеров требуется выполнять в очень
широком диапазоне значений — от долей нанометров, соизмеримых с разме-
рами атомов и атомных решеток, до сотен и тысяч километров при решении
геодезических, навигационных или астрономических задач. Соответствен-
но, в зависимости от участка этого огромного диапазона эталонная база, ме-
тоды и средства измерений линейных размеров могут отличаться друг от дру-
га. При этом эффективность метрологического обеспечения (МО) измерений
в широком диапазоне размеров существенно упрощается при создании единого
эталона длины, времени и частоты [1].
Так как установить жесткие границы поддиапазонов линейных размеров
не представляется возможным, то для разграничения огромного парка суще-
ствующих средств измерений и контроля необходимо условно выделить не-
сколько поддиапазонов линейных размеров и характерных для них перекры-
вающихся по диапазонам групп приборов.
В машиностроении диапазон измерений линейных размеров, как правило,
лежит в пределах 1–10000 мм. Особенностью этого диапазона размеров является
то, что при измерениях наряду с оптическими, электрическими и электронны-
ми СИ используются широкий набор механических приборов, концевых мер,
приспособлений и инструментов (штангенциркулей, глубиномеров, нутроме-
ров, микрометров и др.). Выбор инструмента обуславливается предельными
размерами объекта и погрешностью измерений.
Диапазон измерений при геодезических, дальномерных и координатных рабо-
тах охватывает размеры от десятков метров до 100 км. В качестве измерительных
инструментов в данном случае используются оптические и лазерные приборы.
К ним относятся теодолиты, лазерные линейки и дальномеры, тахеометры,
оптические нивелиры, геодезические GPS- и ГЛОНАСС-приемники.
Диапазон дальних и сверхдальних измерений линейных размеров (расстояний,
высот) лежит в пределах от одного до многих сотен и тысяч километров. В каче-
стве измерителей используют сложные радиотехнические и лазерные спутни-
ковые системы ориентации и навигации. Широкое распространение получили
наземные и планетарные (астрономические) локационные системы.
Огромный диапазон линейных размеров обусловил большой набор
нормативно-технических документов, поверочных установок, рабочих этало-
нов и средств измерений. В общем случае широкий диапазон линейных раз-
меров перекрывается двумя государственными поверочными схемами для СИ
времени, частоты и длины — ГОСТ Р 8.763-2011 (МИ 2060-90) в диапазоне длин
от 1 • 109 до 50 м и ГОСТ Р 8.750-2011, охватывающий диапазон рабочих СИ длин
от 20 м до 40000 км, включая спутниковые дальномеры и навигационные систе-
мы. Краткое описание данных поверочных схем рассмотрено ниже.
3.2. Государственные поверочные схемы для средств
измерений времени, частоты и длины
3.2.1. Государственная поверочная схема ГОСТ Р 8.763-2011
Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне
от 1 • 109 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм устанавливает порядок
передачи единицы длины от государственного первичного эталона длины —
метра рабочим средствам измерений с использованием вторичных и рабочих
эталонов. При этом следует учитывать, что государственный первичный эталон
единицы длины — «оптический метр» (ГЭТ 2-2010), может быть представлен
второй половиной единого эталона времени, частоты и длины в виде сложного
технического комплекса....