D. Выбор средств контроля и измерения для испытаний

Понятие и термин “средство измерений” получили широкое
распространение в метрологической практике с начала 70-х годов. К этому
времени стала ясной необходимость, особенно для технических измерений,
разработки единой метрологической методологии, охватывающей все
области измерений и измеряемые величины. В связи с этим было признано
удобным ввести некоторый термин, который охватывал бы любое
техническое устройство, предназначенное для выработки, переработки,
преобразования, отображения информации о размерах измеряемых величин.

По ГОСТ 16263 средство измерений – это техническое средство,
используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические
свойства. Это определение соответствует ИСО и МЭК, согласно которым
средство измерений – это устройство, предназначенное для выполнения
измерений “само по себе” или с применением другого оборудования.
Классификация видов средств измерений приведена на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Классификация видов средств измерений

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения
физической величины заданного размера. Например, гиря – мера массы;
измерительный резистор – мера электрического сопротивления;

Однозначная мера – это мера, воспроизводящая физическую величину
одного размера. Например, гиря, плоскопараллельная концевая мера длины,
измерительный резистор, конденсатор постоянной ѐмкости и т.п.

Многозначная мера – мера, воспроизводящая ряд одноимѐнных
величин различного размера. Например, штриховая мера длины, конденсатор
переменной ѐмкости и т.п.

Набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не
только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью
воспроизведения ряда одноимѐнных величин различного размера. Например,
набор гирь, набор плоскопараллельных концевых мер длины, набор угловых
мер, набор измерительных конденсаторов и т.п.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для
выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для
непосредственного восприятия наблюдателем. Как правило, измерительный
прибор имеет устройства для преобразования измеряемой величины в сигнал
измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной
для восприятия. Устройства для индикации часто содержат шкалу со
стрелкой или другим указателем, диаграмму с пером или цифровой
указатель, благодаря чему можно отсчитывать показания или регистрировать
значения физической величины. В случае сопряжения прибора с ЭВМ отсчѐт
производят при помощи монитора.

Различают следующие типы измерительных приборов.
Аналоговый измерительный прибор – это прибор, показания которого
являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Эти
приборы имеют ряд преимуществ: относительную простоту, низкую
стоимость, высокую информативность аналогового сигнала. Вместе с тем к недостаткам аналоговых измерительных приборов следует отнести наличие у
большинства из них инерционных подвижных частей, снижающих их
быстродействие и помехоустойчивость.

Структурная схема аналогового измерительного прибора прямого
действия представлена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Структурная схема аналогового измерительного прибора
прямого действия

Цифровой измерительный прибор – это измерительный прибор,
автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной
информации, показания которого представлены в цифровой форме.
Например, кругломер, профилограф–профилометр и т.п.

В отличие от аналоговых приборов в цифровых измерительных
приборах обязательно автоматически выполняются следующие операции: 26
квантование измеряемой величины по уровню; дискретизация еѐ по времени;
кодирование информации.

Представление измерительной информации в виде кода обеспечивает
удобство еѐ регистрации и обработки, возможность длительного хранения в
запоминающих устройствах, передачу на значительные расстояния без
искажений практически по любым каналам связи, непосредственный ввод в
ЭВМ для обработки, а также исключает вносимые оператором при отсчѐте
субъективные погрешности.

Преимуществами цифровых измерительных приборов перед
аналоговыми являются:

· удобство и объективность отсчѐта;

· высокая точность результатов измерения;

· широкий динамический диапазон при высокой разрешающей
способности;
высокое быстродействие за счѐт отсутствия подвижных
электромеханических элементов;

· возможность автоматизации процесса измерения;

· высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим
воздействиям.

К недостаткам цифровых измерительных приборов следует отнести их
схемную сложность и относительно высокую стоимость.

В настоящее время элементной базой цифровых измерительных
приборов являются микросхемы, что позволяет достигнуть высокого
быстродействия и малых габаритных размеров приборов.

Обобщѐнная структурная схема цифрового измерительного прибора
приведена на рис. 1.10.

Она содержит входной аналоговый преобразователь АП, аналого-
цифровой преобразователь АЦП, образцовую меру М, цифровое средство
отображения информации ЦСОИ и устройство управления УУ. Аналоговый
преобразователь преобразует измеряемую величину x(t) в функционально с
ней связанную аналоговую величину y(t), более удобную для преобразования
в цифровой код. В качестве АП используют усилители, делители, фильтры и
т.п.

Рис. 1.10. Обобщѐнная структурная схема цифрового измерительного
прибора

 

Показывающий измерительный прибор – это измерительный прибор,
допускающий только отсчитывание показаний. К ним можно отнести
микрометр, цифровой вольтметр и т.п.

Регистрирующий измерительный прибор – это измерительный прибор,
в котором предусмотрена регистрация показаний. В свою очередь,
регистрирующие измерительные приборы делятся на самопишущие, в
которых предусмотрена запись показаний в форме диаграмм (самопишущий
вольтметр, барограф, термограф, профилограф и т.п..), и на печатающие, в которых предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Интегрирующий измерительный прибор – это прибор, в котором
подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по
другой независимой переменной. Например, электрический счѐтчик,
профилограф-профилометр и т.п.

Измерительный преобразователь – средство измерений,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и
(или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию
наблюдателем.

Вспомогательное средство измерений – это средство измерений
величин, влияющих на метрологические свойства другого средства
измерений при его применении или поверке. Например, термометр для
измерения температуры газа в процессе измерений объѐмного расхода этого
газа.

Измерительная установка – это совокупность функционально
объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов,
измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств,
предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в
форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и
расположенная в одном месте.

Измерительную установку с включенными в неѐ образцовыми
средствами измерений называют поверочной установкой, измерительную
установку, входящую в состав эталона – эталонной, установку,
предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют
испытательным стендом. Некоторые виды измерительных установок
получили название измерительных машин. Например, координатно-
измерительная машина для измерения параметров сложных изделий в
двухмерном или трѐхмерном пространствах.

Измерительная система – совокупность средств измерения (мер,
измерительных приборов, измерительных преобразователей) и
вспомогательных устройств, соединѐнных между собой каналами связи,
предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в
форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или)
использования в автоматических системах управления.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на
измерительные информационные, измерительные контролирующие,
измерительные управляющие и др.

Измерительную систему, снабжѐнную средствами автоматического
получения и обработки измерительной информации, называют
автоматической измерительной системой. В автоматизированных
производствах измерительные контролирующие системы работают
автоматически, и их обычно именуют системами автоматического
контроля.

В зависимости от числа измерительных каналов различают одно-, двух,
трѐхканальные и т.д. измерительные системы.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально
объединѐнная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных
устройств, предназначенных для выполнения в составе конкретной
измерительной задачи.

По назначению приборы делятся на универсальные, предназначенные
для измерения одинаковых физических величин различных объектов, и
специализированные, используемые для измерения параметров однотипных
изделий (например, размеров резьбы или зубчатых колѐс) или одного
параметра различных изделий (например, шероховатости или твѐрдости).

По принципу действия, который положен в основу измерительной
системы, приборы подразделяют на механические, оптические, оптико-
механические, пневматические, электрические, рентгеновские, лазерные и др.

В каждом измерении можно выделить следующие элементы: объект
измерений, метод измерений с условиями измерений. Измерения проводит
оператор. Оператор и все эти элементы могут влиять на результат измерения.
При этом возникает погрешность, являющаяся одной из важнейших
характеристик качества измерений. Чтобы обеспечить высокую точность
измерений, их проведение необходимо тщательно подготовить.
Подготовка процесса измерения включает:

· анализ постановки измерительной задачи;

· создание условий для измерений;

· выбор средств и метода измерений;

· выбор числа измерений;

· подготовку оператора;

· апробирование средств измерений.

Качество измерений зависит от правильного выбора средств
измерений. Измерения, проведенные средствами измерений более низкого
класса точности, чем это требуется, имеют малую ценность, а иногда они
недопустимы, т.к. приводят к неправильной оценки точности измеряемой
величины.

Применение точных средств измерений связано с большими
материальными затратами. Поэтому при их выборе необходимо учитывать не
только метрологические, но экономические и другие показатели. Обычно при
выборе средств измерений учитывают измеряемую величину, метод
измерения, диапазон измерений, характеристики погрешности средств
измерений, условия проведения измерений, допускаемую погрешность измерений, стоимость средств измерений, простоту их в эксплуатации.

Основными характеристиками средств измерений является
погрешности. Они наиболее существенно влияют на качество измерений,
поэтому при выборе средств измерений их рассматривают в первую очередь.
При выборе измерительных средств по точности необходимо учитывать
требования к погрешности результата измерения и долю ее, приходящуюся
на погрешность используемых средств измерений.

При выборе средств измерений по точности определяют суммарную погрешность измерения и сравнивают ее с допустимой

ΔZ = Δм + Δси + Δусл + Δо < Δд,

где Δм – предельная погрешность метода измерения; Δси – предел
допускаемой погрешности используемых средств измерений; Δусл –
предельная погрешность, обусловленная влиянием внешних факторов; Δо –
предельная погрешность оператора; Δд – допускаемая погрешность
измерения.

Рассмотрим влияние погрешности измерений при разбраковке изделий.
Если бы контроль осуществляется абсолютно точными средствами
измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска, были бы признаны
годными, а те изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск,
были признаны негодными.

Из-за существования погрешности измерений при контроле часть
негодных изделий будет признана годными (брак контроля 2-ого рода), а часть годных изделий – негодными (брак контроля 1-ого рода).

В случае, когда сведения о точности технологического процесса
отсутствуют, но известен допуск контролируемого параметра,
руководствуются масштабами производства контролируемых параметров,
требованиями к их качеству, количеством контролируемых параметров и т.п.
и оценивают допустимые значения брака контроля 1-ого и 2-ого рода.
Воспользовавшись таблицей, приведенной в ГОСТ 8.051, находят отношение
среднего квадратичного отклонения погрешности измерений к допуску на
контролируемый параметр. Зная допуск, находят среднее квадратичное
отклонение S, по которому определяют допустимую погрешность измерения Δд=2S.

Рис 1.12. Брак контроля первого и второго рода

Например, допуск на контролируемый параметр равен 3мм, допустимый брак 1-го рода составляет 3,5%, допускаемый брак контроля 2-го рода 2,7%. По табл. 1.3 находим S/Δизд=8%.

Следовательно S=Δизд*0,08=3 *0,08=0,24 мм. Отсюда предельная погрешность измерения Δд=2*0,24=0,48 мм.

Таблица 1.3 – Зависимость брака контроля 1-го и 2-го рода от отношения S/Δизд при нормальном распределении измеряемых параметров