Метрологическое обеспечение средств измерений влажности твердых веществ и материалов

1982 г. Утверждается Государственная поверочная схема по ГОСТ 8.432-82.

1982 г. При Госстандарте создается научно-техническая комиссия «Измерение влажности», в состав которой входят представители различных министерств и ведомств и ведущие НИИ метрологии.

1980-1990 гг. Лаборатория прикладной влагометрии совместно с ведущими НИИ министерств и ведомств разрабатывает и внедряет в практику измерений влагомеры твердых веществ и материалов различного назначения и средства их поверки.

1984-1989 гг. Разработаны СО - имитаторы масличности и влажности, предназначенные для

поверки ЯМР-анализаторов, и внесены в Госреестр СИ под № ГСО 3107-3112-84, ГСО 2108-2110-89.

2000-2008 гг. Организована повсеместная поверка установок воздушно-тепловых.

2006-2010 гг. Разработан и внедрен в практику измерений региональных ЦСМ комплекс СО на основе натуральных материалов, предназначенный для поверки влагомеров зерна, зернопродуктов, древесины (ГСО 8990-2008, ГСО 8989-2008, ГСО 9564-2010, ГСО 8837-2006).

2008-2009 гг. Разработан и утвержден Государственный первичный эталон единиц массовой доли и массовой концентрации влаги в твердых веществах и материалах ГЭТ 173-2008.

2009 г. Утверждена Государственная поверочная схема для средств измерений содержания влаги в твердых веществах и материалах по ГОСТ Р 8.681-2009.

2010 г. Разработан и утвержден ГВЕТ Государственный вторичный эталон единиц массовой доли и массовой (молярной) концентрации компонентов в твердых и жидких веществах и материалах на основе объемного титриметричес-кого метода анализа.

2011 г. Разработаны на базе УВТО и внедрены в практику измерений установки измерительные эталонные 1-го разряда массовой доли влаги в твердых веществах и материалах ЭУВТ-1.

УДК 681.586.772+543.275.1

метрологическое обеспечение средств измерений влажности твердых веществ

и материалов

В статье приведена история создания СО-имитаторов, предназначенных для поверки диэлькометрических влагомеров. Приведены схемы изготовления СО. Особое внимание уделено практической значимости СО-имитаторов и СО на основе натуральных веществ. Отмечены этапы развития лаборатории метрологии влагометрии и стандартных образцов, основные ее разработки и перспективы.

The article describes the history of simulator CRMs, intended for the verification of dielkometric moisture meters. CRM manufacturing scheme is given. Special attention is paid to practical relevance of simulator CRMs and CRMs based on natural substances. The milestones of the laboratory of moisture measurement and reference material metrology, its main developments and prospects are pointed out.

Ключевые слова: метрологическое обеспечение, государственный первичный эталон, стандартные образцы, массовая доля влаги, поверка.

Key words: measurement assurance, State Primary Standard, moisture mass fraction, certified reference materials, verification.

А.С. Запорожец

канд. хим. наук, старший научный сотрудник, руководитель группы 243 лаборатории 241, ведущий научный сотрудник ФГУП «УНИИМ» 620000, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 Тел./факс: (343) 350-16-98, 350-20-39 E-mail: vlaga@uniim.ru

Е.Г. Парфенова

научный сотрудник ФГУП «УНИИМ»

Метрологические вопросы обеспечения единства измерений в области влагометрии зерна начали развиваться в 60-е гг. в связи с появлением острой необходимости в экспрессном и точном измерении влажности (массовой доли влаги) на всех стадиях производства,

переработки и хранения зерна и зернопродуктов.

Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 17.12.1959 г. была поставлена задача организовать серийный выпуск влагомеров, однако,

поскольку разработка влагомеров велась без должной координации и отсутствия метрологического обеспечения, требуемой точности достигнуто не было.

В 1970 г. Свердловский филиал ВНИИМ (СФ ВНИ-ИМ) проводит сравнительные испытания нескольких отечественных и зарубежных влагомеров зерна и на основании результатов испытаний, показавших неудовлетворительное состояние в области влагометрии зерна, определяет основные задачи для развития проблемы обеспечения единства и достоверности измерений.

Проблема обеспечения единства измерений в области влагометрии зерна решается силами четырех министерств (Госстандарт, Минприбор, Минзаг и Минсельхоз). Основными задачами при решении проблемы являлись:

- создание влагомеров на новой элементной базе, организация их серийного выпуска и внедрение в практику производства, хранения и переработки зерна;

- разработка системы метрологического обеспечения экспрессных измерителей влажности;

- разработка комплекса нормативных документов по вопросам методов измерения влажности, методов испытаний и поверки средств измерений влажности зерна и зернопродуктов.

С этого времени в стране проводятся интенсивные исследования методов определения влажности и создания влагомеров, основанных на различных методах измерения.

Опыт отечественной и мировой практики показал, что наиболее перспективным из экспрессных методов является емкостный (диэлькометрический) метод [1], и

в 70-е гг. в связи с развитием техники появляются первые емкостные (диэлькометрические) влагомеры зерна с датчиками засыпного типа и становятся самой многочисленной и популярной группой приборов в стране.

Широкое распространение эти приборы получили благодаря ряду неоспоримых достоинств, главными из которых являются: возможность использования их для широкого класса материалов, быстродействие, малая энергоемкость, удовлетворяющая требованиям производства точность измерений, простота конструкций, возможность введения приборов в системы автоматического управления и технологические процессы, сравнительно низкая стоимость.

Для метрологического обеспечения этих влагомеров необходимо было разработать средства поверки стандартных образцов (СО), позволяющие обеспечить серийный выпуск влагомеров.

Группа сотрудников (В.И. Коряков, А.С. Запорожец, В.М. Лахов, В.В. Горшков, А.М. Меньшиков, М.Е. Дол-гирев, А.Л. Зырянов, В.И. Черноухова, В.В. Пархоменко, С.Н. Мяконьких, Л.И. Сорокина, М.В. Ексина, О.И. Колодкин и др.) под руководством В.Г. Романова с привлечением сотрудников УЛТИ (Ю.Н. Тюрина, А.Н. Левинсона) проводит интенсивные исследования по разработке эффективных средств метрологического обеспечения (см. фото).

Правомерность применения имитаторов - веществ, не содержащих воду, для поверки влагомеров была основана на том, что влагомер фактически измеряет не влажность, а физический параметр, функционально

Certified Reference Materials № 3, 2012 ^^

связанный с ней. Исходя из этого СО-имитатор должен воспроизводить физические параметры вещества, информативные для данного типа влагомера и соответствующие его физической модели.

На основании проведенных исследований впервые в мировой практике были разработаны СО-имитаторы влажности зерна. Они представляют собой вещества на основе эпоксидных компаундов с неорганическими наполнителями, не содержат воду, воспроизводят физические параметры вещества, информативные для данного типа влагомера и отличаются высокой стабильностью.

СО-имитаторы были защищены пионерским изобретением № 549724 (авторы В.Г. Романов, Ю.Н. Тюрин, В.И. Коряков, А.С. Запорожец, А.Н. Левинсон) [2], а в 1975 г. внесены в Госреестр СИ под номерами ГСО 713-75, 714-75, 715-75.

Разработка и узаконение первых стандартных образцов для поверки емкостных влагомеров зерна (ГСО 713-715) обеспечили серийный выпуск влагомеров зерна.

В 1976 г. в СФ ВНИИМ был создан отдел метрологии влагометрии, в состав которого вошли лаборатории исходных мер влагометрии - лаборатория 241 (руководитель В.Г. Романов) - и прикладной влагометрии -лаборатория 243 (руководитель В.И. Коряков).

В последующие годы под руководством В.И. Коря-кова создается новое направление во влагометрии -«Система метрологического обеспечения средств изме-

рений влажности на базе СО-имитаторов». Основными аспектами создания системы стали:

- разработка и обоснование типажа влагомеров (лабораторных, полевых, поточных), участие в их разработке и внедрении в с/х производстве и промышленных отраслях;

- разработка метрологического обеспечения (стандартных образцов, изготовленных на основе модельных веществ и имитирующих различные физические величины в соответствии с методами измерений);

- организация серийного выпуска СО, разработка оборудования и технологической документации (ТУ, технических регламентов) и внедрения их в практику измерений;

- разработка комплекса нормативных документов на методы испытаний и поверки средств измерений влажности.

Кроме того, острая необходимость измерения влажности в других отраслях промышленности стимулировала разработку и выпуск влагомеров различного назначения, вследствие чего потребовалось организовать массовое оснащение приборостроительных и метрологических организаций стандартными образцами. На базе СФ ВНИИМ были созданы участки по изготовлению и выпуску СО.

Для серийного выпуска СО-имитаторов были отработаны два способа изготовления СО-имитаторов: на основе эпоксидных и компаундов и полупромышленного способа на основе полиэтилена низкого давления (рис. 1, 2).

Рис. 1. Схема изготовления СО на основе ЭД-20 I - смеситель; II - смеситель компаунда; III - система пластификатора; IV - запрессовывающее устройство; VI - выпрессовывающее устройство; V, VII - сушильный шкаф; VIII - шаровая мельница; 1+6 - емкости для исходных веществ

Рис. 2. Схема изготовления СО на основе полиэтилена I - барабанный смеситель; II - экструдер; III - охлаждающая ванна; IV - гранулятор; V, VIII - сушильный шкаф; VI - шаровая мельница;

VII - ванная; IX - стол для сортировки гранул

Для этого было специально изготовлено оборудование, разработаны технологические инструкции, технические условия.

В 80-90-е гг. проводится серийный выпуск СО, предназначенных для поверки влагомеров зерна, кормов, травяной муки, сырья льна, строительных материалов и др., и массовое оснащение ими предприятий СССР. В эти же годы лаборатория активно сотрудничает со странами СЭВ (ГДР, Румыния, ПНР, Болгария) в рамках двухстороннего сотрудничества и передает опыт применения СО в области влагометрии. Международное сотрудничество продолжается и в настоящее время с научными метрологическими центрами и промышленными предприятиями и организациями Финляндии, Дании, Белоруссии, Казахстана, Литвы, Германии.

В 1981 г. сотрудниками отдела влагометрии и СКБ СФ ВНИИМ разработана установка высшей точности УВТ-15А-81, возглавлявшая Государственную поверочную схему по ГОСТ 8.432-82. Левая ветвь поверочной схемы реализуется на базе термогравиметрических методов (методов сушки), правая - на основе применения СО-имитаторов.

В 1982 г. при Госстандарте создается научно-техническая комиссия «Измерение влажности», в состав которой входят представители различных министерств и ведомств и ведущие НИИ метрологии (председатель - В.Г. Романов, секретарь - А.С. Запорожец). В рамках работы комиссии проводится планирование деятельности по разработке экспрессных влагомеров и средств их метрологического обеспечения, разработка и пересмотр нормативных документов на методы изме-

рения влажности, применяемые в различных отраслях в соответствии с требованиями современного научно-технического уровня.

В 1980-1990 гг. лаборатория прикладной влагометрии совместно с ведущими НИИ министерств и ведомств разрабатывает и внедряет в практику измерений влагомеры твердых веществ и материалов различного назначения и средства их поверки [3]:

- средства поверки диэлькометрических влагомеров: ГСО 2005^2008-81, ГСО 2445*2447-81, ГСО 2184*2185-82, ГСО 2289*2290, ГСО 2291*2292-82, ГСО 4334*4336-2009;

- средства поверки ЯМР-анализаторов: ГСО 2108*2110-89, ГСО 3107*3112-84;

- аппаратуры нейтронного и ядерно-нейтронного каратажа и др.

Практически все СО были защищены авторскими свидетельствами на изобретения (АС № 773482, № 1056019, № 1065806, № 1133532 и др.).

В начале 90-х гг. на российском рынке появилось большое количество приборов нового поколения, основанных на методах ИК-сушки, а также приборов, основанных на физических и физико-химических методах, предусматривающих запрессовку, дробление, размол материала в датчике, что делает применение СО-имитаторов затруднительным или невозможным.

Для поверки таких влагомеров необходимо было разрабатывать средства поверки, соответствующие требованиям влагомеров нового поколения, и начали разрабатываться СО на основе натуральных веществ.

СегйАес! |^егепсе М^епак № 3, 2012 ^^

Стандартные образцы на основе натуральных веществ и СО-имитаторы имеют свои достоинства и недостатки. СО-имитаторы обладают высокой временной стабильностью и могут использоваться в течение многих лет. Однако эти СО «привязаны» к физическому методу и должны иметь физическую величину (диэлектрическую проницаемость, время релаксации и др.), соответствующую измеряемому веществу, и конструкцию, соответствующую типу датчика прибора, для поверки которого он предназначен. СО на основе натуральных веществ обладают высокой универсальностью, их можно использовать для поверки влагомеров, основанных на любом методе и имеющих различную конструкцию первичных преобразователей (датчиков) и способа использования (свободная засыпка, дробление, истирание, и др.). При этом СО на основе натуральных веществ характеризуются ограниченным сроком действия (малой временной стабильностью), указанным в паспорте на конкретный тип СО.

Для метрологического обеспечения нового поколения влагомеров были проведены работы по расширению назначения УВТ 15А-81 и установок образцовых 1-го разряда (УВТО) на пищевые продукты и продовольственное сырье. В 2008 г. лабораториями 243 и 241 на базе УВТ 15А-81 был разработан Государственный первичный эталон единиц массовой доли и массовой концентрации влаги в твердых веществах и материалах ГЭТ 173-2008, возглавляющий Государственную поверочную схему для средств измерений содержания влаги в твердых веществах и материалах по ГОСТ Р 8.681-2009 [4].

В работе по созданию эталона приняли участие В.И. Коряков, С.В. Медведевских, М.Ю. Медведевских, В.В. Горшков и др.

Особенностью эталона является наличие нескольких способов обезвоживания, каждый из которых положен в основу эталонной установки, что обусловлено широкой номенклатурой твердых веществ и материалов с различной степенью дисперсности, формами связи воды с веществом, содержания летучих компонентов, термостойкостью.

Эталонные установки:

высокотемпературной вакуумной сушки - для воспроизведения единицы массовой доли влаги в диапазоне 0,5-80 % в продукции растениеводства и сельского хозяйства, пищевых продуктах и продовольственном сырье, продукции лесопильно-деревообрабатывающей промышленности (рис. 3);

воздушно-тепловой сушки - для воспроизведения единицы массовой доли влаги в диапазоне 0,5-80 % в кусковых, дробленных, порошкообразных материалах неорганического и органического происхождения (сырье рудное и нерудное черной и цветной металлургии, продукция неорганической химии, сырье горнохимическое и удобрения, стройматериалы, сырье и полуфабрикаты огнеупорные, почвы, грунты, продукция целлюлозно-бумажной промышленности) (рис. 4);

низкотемпературной вакуумной сушки - для воспроизведения единицы массовой доли влаги в диапазоне 0,5-20 % в материалах и продуктах с летучими веществами органического и неорганического происхождения (угли и продукты переработки угля, кокс, продукция крахмалопаточной и овощесушильной промышленности, ферментные препараты) (рис. 4);

сушки в токе инертного газа - для воспроизведения единицы массовой доли влаги в диапазоне 0,5-50 % в материалах и продуктах с веществами, окисляющимися при повышенных температурах кислородом воздуха

Рис. 3. Установка высокотемпературной вакуумной сушки

Рис. 4. Установки воздушно-тепловой, низкотемпературной вакуумной сушки и сушки в токе инертного газа

Рис. 5. Установка измерительная эталонная 1-го разряда массовой доли влаги в твердых веществах и материалах ЭУВТ-1

Рис. 6. Установка измерительная эталонная 2-го разряда массовой доли влаги в твердых веществах и материалах ЭУТ-2т

(бурых углей и продуктов их переработки, горючих сланцев, химических волокон и каучуков) (рис. 4).

В 2011 г. в ФГУП «УНИИМ» в соответствии с ГОСТ Р 8.681 для обеспечения прослеживаемости результатов измерений массовой доли влаги в твердых веществах и материалах были разработаны установки измерительные эталонные 1-го разряда массовой доли влаги в твердых веществах и материалах ЭУВТ-1 на базе УВТО (по ТУ 4381-001-02567751-2011) (рис. 5) и ЭУВТ-2т (по ТУ 438100-003-02567751-2011) (рис. 6). Организован серийный выпуск эталонов 1-го разряда ЭУВТ-1 и начато оснащение региональных центров метрологии данными установками.

Внедрение в практику измерений эталонных установок и СО обеспечило повсеместную поверку влагомеров твердых веществ и материалов в различных регионах страны.

Наиболее востребованными на сегодняшний день являются стандартные образцы массовой доли влаги зерна и продуктов его переработки (ГСО 8990-2008, ГСО 8989-2008, ГСО 9564-2010); стандартные образцы влажности пиломатериалов (ГСО 8837-2006) [5]; стандартные образцы масличности и влажности (ГСО 3107*3112-84).

На предприятиях системы «Росатом» успешно внедрены стандартные образцы-имитаторы массовой доли влаги в порошке диоксида урана ГСО 9566-2010 (рис. 7, 8), разработанные НИИТФА совместно с ФГУП «УНИИМ».

СегШес! 1^егепсе М^епак № 3, 2012

Особенностями развития влагометрии последних лет является разработка и широкое внедрение приборов универсального назначения отечественного и зарубежного производства, предназначенных для широкого класса веществ и (или) показателей качества. Так, на российском рынке появилось большое количество анализаторов состава зерна отечественного и зарубежного производства, основанных на методе ИК-спектроскопии и позволяющих провести экспресс-анализ наиболее важных показателей качества - массовой доли влаги, азота (белка), сырой клейковины, зольности и др. Поэтому в 2010 г. для их поверки и испытаний совместными усилиями лабораторий 243 и 241 были разработаны СО состава зерна и продуктов его переработки ГСО 9734-2010, СО состава молока сухого ГСО 9563-2010. Для обеспечения прослеживаемости показателя массовой доли азота (белка) в стандартных образцах был использован Государственный вторичный эталон массовой доли и массовой (молярной) концентрации компонентов в твердых и жидких веществах и материалах на основе объемного титриметрического метода анализа - ГВЭТ 176-1-2010, в разработке которого приняли участие сотрудники лаборатории 241 М.Ю. Медведевских, Е.П. Собина, М.В. Крашенинина. Внешний вид эталона представлен на рис. 9 [6].

Высокую практическую значимость разработанных СО можно проиллюстрировать широкой областью их распространения (рис. 10).

В 2012 г. лаборатории 241 и 243 объединены в лабораторию метрологии влагометрии и стандартных образцов.

В связи с введением свода технических регламентов Таможенного союза перспективным направлением работы лаборатории метрологии влагометрии является разработка и поставка СО, предназначенных для поверки средств измерений, применяемых в сфере государственного регулирования в области обеспечения единства измерений. В 2012 г. СО состава зерна и продуктов его переработки ГСО 9734-2010 и СО состава молока сухого ГСО 9563-2010 получили статус межгосударственных, что будет способствовать их применению в странах ближнего и дальнего зарубежья.

В настоящее время в лаборатории ведется комплекс исследований по совершенствованию эталона, целью которых является расширение нижней границы диапазона измерений в 5 раз и расширение области применения эталона за счет кулонометрического метода - метода титрования реактивом Фишера -и метода высокотемпературной кулонометрии. При

Рис. 7. Общий вид ГСО

Рис. 8. Общий вид ГСО массовой доли влаги в порошке диоксида урана

Рис. 9. Внешний вид ГВЭТ 176-1-2010

Рис. 10. Карта распространения стандартных образцов влажности

внедрении методов кулонометрии открываются новые перспективы использования ГЭТ 173-2008 для решения следующих важных для народно-хозяйственного комплекса задач:

1. Решение вопросов метрологического обеспечения производства продукции органического синтеза и полимеров, синтетических красителей, бытовой химии, биопрепаратов и пищевых добавок и в целом продукции новых технологий и наноиндустрии.

2. Создание условий для внедрения в РФ международных стандартов ИСО для измерений в диапазоне

малых значений массовой доли влаги, регламентирующих применение метода Фишера.

3. Снижение риска штрафных санкций при определении товарной массы партии при экспорте минеральных удобрений, продукции органического синтеза, концентратов цветных металлов за счет более точного измерения массовой доли влаги.

4. Пересмотр, систематизация развития методов и средств метрологического обеспечения (при градуировке, калибровке, поверке) высокоточных импортируемых средств измерений массовой доли влаги.

ЛИТЕРАТУРА

1. Эффективность внедрения новой системы поверки емкостных влагомеров зерна на базе применения стандартных образцов / В.И. Коряков, А.С. Запорожец, М.В. Ексина, Г.В. Пархоменко // Метрология и точные измерения. - 1978. - № 9.

2. Имитатор влажного зерна для поверки влагомеров / В.Г. Романов [и др.] // Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. - 1977. - № 9. - С. 161.

3. Запорожец А.С. Стандартные образцы для поверки емкостных влагомеров зерна / А.С. Запорожец // Измерительная техника. - 1976. - № 7. - С. 58-59.

4. Медведевских М.Ю. Стандартные образцы в Государственной поверочной схеме для средств измерений массовой доли влаги в твердых веществах и материалах / М.Ю. Медведевских, А.С. Запорожец // Стандартные образцы. - 2010. - № 2. -С. 10-15.

5. Стандартные образцы влажности пиломатериалов в системе контроля качества древесины и пилопродукции / В.И. Коряков, А.С. Запорожец, Е.Г. Парфенова, М.О. Гущина // Стандартные образцы. - 2010. - № 2. - С. 27-31.

6. Разработка стандартных образцов массовой доли влаги и белка в зерне и зернопродуктах / В.И. Коряков, С.В. Медведевских, Е.Г. Парфенова, Е.П. Собина // Измерительная техника. - 2011. - № 10. - С. 62-65.

Certified Reference Materials № 3, 2012