Средства измерений и правила их выбора

Для осуществления практических измерений необходимы технические средства, которые или непосредственно несут в себе эталон измеряемой величины, или преобразовывают измеряемую величину для удобства ее сравнения с эталоном.

Эталон (стандарт измерения) может быть физической мерой, измерительным инструментом, стандартным образцом или измерительной системой, предназначенной для того, чтобы определять, реализовывать, сохранять или воспроизводить единицу или одно и более значений величины, чтобы служить в качестве эталона.

Иерархия эталонов начинается с международного эталона как вершины и идет вниз до рабочего эталона:

1) международный эталон (килограмм);

2) национальный эталон – эталон, признанный национальным законодательством, чтобы служить в данной стране в качестве базы для присваивания значений другим стандартам измерения рассматриваемой величины;

3) первичный эталон - эталон, который широко признается как имеющий высокие метрологические качества и значения которого принимаются без ссылок на другие эталоны той же величины. Пример первичного эталона - стабилизирующий лазер с интерферометром для реализации величины «длина». Эти приборы используются в качестве национальных эталонов многими национальными метрологическими институтами и некоторыми первоклассно оборудованными калибровочными лабораториями;

4) вторичный эталон- эталон, значение которого присваивается путем сравнения с первичным эталоном той же величины. Обычно первичные эталоны используются для калибровки вторичных;

5) рабочий эталон- это эталон, который используется для обычной калибровки или поверки материальных мер, измерительных инструментов или стандартных образцов. Обычно рабочий эталон калибруется на основании вторичного эталона. Рабочий эталон, используемый в повседневной работе для обеспечения правильности проведения измерений, называется проверочным эталоном. Не существует общего требования в отношении точности рабочего эталона. В одном месте он может быть достаточно хорош в качестве исходного эталона или даже в качестве национального эталона в другом месте;

6) исходный эталон - эталон, обладающий, как правило, наивысшими метрологическими свойствами, имеющийся в распоряжении в данном месте или в данной организации, в соответствии с которым получают размер единицы при измерениях, выполняемых в этом месте. Калибровочные лаборатории используют исходные эталоны для калибровки своих рабочих эталонов;

7) эталон сравнения - эталон, используемый в качестве промежуточного для сравнения эталонов. Резисторы используются как эталоны сравнения для сравнения эталонов напряжения;

8) передвижной эталон – этоэталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для транспортировки и используемый для сравнения эталонов между собой. Портативный, работающий на цезиевой батарее эталон частоты может быть использован как передвижной эталон частоты. Калиброванные динамометрические элементы (ячейки нагрузки) используются в качестве передвижных эталонов силы.

Измерители, несущие в себе эталон:

1. Меры концевые - набор пластин определенной толщины служат для эталонного набора и контроля линейных размеров, а также для настройки приборов, работающих относительным способом.

2. Масштабные линейки (точность - 1 мм). Любая измеряемая (контролируемая) деталь может быть замерена измерительным прибором с гарантией точности измерений, если цена деления прибора в 3 раза выше допуска измеряемого размера.

3. Штангенциркули, микрометры.

4. Скобы рычажные, индикаторы часового типа (можно измерить любую линейную величину с допуском 0,003 мм).

Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся плоскопараллельные концевые меры длины, гири, конденсаторы постоянной емкости и т. п.

Образцовые средства измерений – это меры, измерительные приборы или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых. Они служат для контроля нижестоящих по поверочной схеме измерительных средств, в то же время их периодически поверяют по эталонам. Точность образцовых средств измерения имеет большое значение для обеспечения единства измерений.

Рабочие средства измерений – это меры, устройства или приборы, применяемые для измерений, не связанных с передачей единицы физической величины (например, концевая мера длины, используемая для контроля размеров изделия или для наладки станков).

Передача размеров единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерения производится в соответствии с поверочной схемой, устанавливающей средства, методы и точность передачи единицы размера. Точность указанных измерительных средств понижается в 1,6-3 раза с переходом на одну ступень от более точных средств к менее точным по поверочной схеме.

Современное машиностроительное производство требует от метрологии измерять линейные величины с точностью выше 1 мкм. Эта точность может быть измерена только на электронном уровне. Дискрета (частота) перемещения электронного сигнала позволяет регистрировать точность в 0,1 мкм. В качестве приборов для контроля таких величин служат измерительные преобразователи-датчики, которые или индуктивно, или световым пучком, или изменением давления реагируют на изменяемую величину и преобразуют или в электрический, или в пневматический сигнал, или в изменение светового потока.

Примеры измерительных преобразований: 1 - манометр; 2 - индуктивный размерный датчик, в основе работы которого лежит принцип изменения магнитной проницаемости (магнитного сопротивления катушки) в зависимости от изменения измеряемой величины.

Современные тенденции развития средств измерений заключаются в том, что измерительное средство должно без участия человека производить замер, его сравнение с эталоном и выдавать итог замера или в виде цифровой информации или при достижении допуска средство контроля должно воздействовать на исполнительный орган системы управления станком и автоматически отключать, когда размеры детали вошли в допуск. Такие средства измерения называют средствами активного контроля (контрольно-диагностические системы).

Примеры технических систем контроля, диагностики и телемеханики для ОАО «РЖД».

1. АПСТМиА – аппаратно-программные средства телемеханики и автоматики для оперативного контроля и управления рассредоточенными технологическими объектами учета расхода энергоресурсов.

Основные особенности:1) системы реального времени; 2) простота монтажа эксплуатации; 3) возможность подключения разнородных технически средств; 4) развитый и удобный графический интерфейс; 5) простота адаптации и самостоятельного внесения изменений.

На базе АПСТМиА разработаны:

- микропроцессорные системы автоматики перекачивающих станций;

- системы управления резервуарным парком, автоматическим пожаротушением;

- системы телемеханики магистральных газо- и нефтепродуктопроводов, городских газораспределительных пунктов;

- автоматизированные системы диспетчерского контроля и управления;

- системы контроля и управления компрессорных агрегатов.

2. Термоэлектрический определитель марки материалов

3. Датчики давления и блоки питания предназначены для работы в системах контроля и управления производственным процессом. Основные области применения: нефтяная и газовая промышленность, энергетика, металлургическая и химическая промышленность, железнодорожный транспорт.

4. Узлы систем контроля, диагностики и управления тепловозами и электровозами.

ФГУП «Старт» в течение ряда лет изготавливает наукоемкое оборудование для нужд ОАО «РЖД»:

- унифицированная микропроцессорная система управления электропередачей и электроприводом тепловоза;

- микропроцессорная система управления, регулирования и диагностики тепловоза;

- микропроцессорная система управления и диагностики электровоза ЭП1;

- блок управления выпрямительно-инверторными преобразователями электровоза ВЛ80Р

Средства измерения по назначению можно разделить на универсальные и специальные. Специальные средства предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа. По числу параметров, проверяемых при одной установке детали, различают одномерные и многомерные измерительные и контрольные средства, а по степени механизации процесса измерения – ручные, автоматизированные и автоматические.

Универсальные измерительные инструменты и приборы - к ним относятся

1) штангенциркули, предназначенные для измерения наружных и внутренних размеров; штангенглубиномеры, служащие для контроля глубины отверстий и пазов, предназначенные для разметочных работ и определения высоты деталей; микрометрические измерительные инструменты;

2) индикаторы часового типа;

3) оптико-механические приборы.В одних приборах этого типа (измерительных микроскопах, проекторах, длиномерах) повышение точности отсчета и точности измерений достигается благодаря значительному оптическому увеличению измеряемых объектов; в других (оптиметрах, ультраоптиметрах) – сочетанием механических передаточных механизмов с оптическим автокаллимационным устройством. Все эти приборы широко применяют в измерительных лабораториях и в цехах. Они могут быть контактными (оптиметры, длиномеры), так и бесконтактными (микроскопы, проекторы) и позволяют измерять детали по одной (оптиметры, длиномеры), двум (микроскопы, проекторы) и трем (универсальные измерительные микроскопы) координатам.

Погрешность измерений – отклонение результатов измерений от истинного значения измеряемой величины.

Единство измерений не может быть обеспечено только совпадением погрешностей. Требуется еще достоверность измерений, которая говорит о том, что погрешность измеряемой величины не выходит за пределы отклонений установленной чертежом на изделии, ГОСТом, стандартом предприятия или поставленной научной целью измерений.

Единство измерений - это состояние измерений, при котором их результаты отражены в узаконенных единицах, погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

2.2.2. Методы измерений. Виды контроля

 

Метод измерения – это совокупность правил и приемов использования средств измерений, позволяющая решить измерительную задачу.

Различают прямые и косвенные методы измерения. При прямых измерениях значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных. Большинство измерительных средств основано на прямых измерениях, т.е. непосредственном сравнении измеряемой величины с ее мерой. Например, измерение температуры термометром, диаметра вала штангенциркулем, толщины тонкой фольги на оптиметре в диапазоне показаний шкалы и т.п. При косвенных измерениях искомое значение величины находят вычислением по известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

Совокупные измерения сопряжены с решением систем уравнений, составленных по результатам одновременных измерений нескольких однородных величин, характеризующих данный предмет или изделие.

Пример: Метеорология - замеряют силу ветра, влажность воздуха, фронты и т. д. Затем все параметры сводят в уравнение и предсказывают погоду.

Пример: Замеряют твердость и пластичность в материале.

По характеру изменения измеряемой величины измерения бывают:

1. Статические измерения, применяют для измерения случайных процессов, а затем определяют среднестатистическую величину.

2. Постоянные (динамические); применяют для контроля непрерывных технологических процессов и технологического оборудования (станки, прессы, подвижной состав).

По количеству измерительной информации измерения бывают:

1) однократные;

2) многократные; применяют если требуется высокая точность измерений (для избежания случайных погрешностей), а также если на измерение может повлиять окружающая среда или климатические условия.

По способу считывания информации с измерительного прибора измерения бывают:

1) абсолютные (эталонная и измеряемая величина совпадают);

2) относительные.

В машиностроении при прямых измерениях в большинстве случаев измеряют отклонения длин и углов от номинального значения или от рабочей меры прибором сравнения, в качестве которого используют индикаторные головки, оптиметры, индуктивные преобразователи и т. п. Метод измерений, основанный на использовании рабочей меры и измерительного прибора сравнения, называется методом сравнения. Размер в этом случае определяют суммированием размера рабочей меры и показания прибора сравнения. Метод измерения может быть контактным, если он осуществляется при непосредственном контакте детали с измерительным наконечником прибора, и бесконтактным, если механический контакт отсутствует (лазерные, оптические, пневматические и другие измерения).

В зависимости от использованных физических принципов измерения существуют механические, электрические, пневматические, оптические, фотоэлектрические и другие приборы.

Существуют два вида контроля - дифференцированный и комплексный.

Дифференцированный (поэлементный) контроль характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности (например, контроль собственно среднего диаметра, шага и половины угла профиля резьбы).

Комплексный контроль позволяет оценивать годность деталей одновременно по нескольким параметрам например, путем сравнения действительного контура контролируемой детали, определяемого полями допусков на отдельные параметры, с предельными контурами (контроль деталей сложного профиля на проекторах) и контроль предельными калибрами.

2.2.3. Основные метрологические показатели средств измерения

Деление шкалы прибора –промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Длина (интервал) деления шкалы –расстояние между осями двух соседних отметок шкалы.

Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; например, 0,002 мм при длине (интервале) деления шкалы прибора, равной 1 мм.

Диапазон показаний (измерений по шкале) – область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями; например, диапазон показаний оптиметра ±0,1 мм.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допустимые погрешности средства измерений, например, диапазон измерения длин на проекционном вертикальном оптиметре ИКВ-3 0-200 мм.

Предел измерений – наибольшее или наименьшее значения диапазона измерений.

Измерительная сила – сила воздействия измерительного наконечника на измеряемую деталь в зоне контакта.

Предел допустимой погрешности средства измерения – наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению; например, пределы допустимой погрешности 100-миллиметровой концевой меры длины 1-го класса равны ±0,5 мкм.

Стабильность средства измерения – свойство, отражающее постоянство во времени его метрологических показателей.

Погрешность измерения – разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.

Точность измерений – характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю погрешностей их результатов.

Точность средств измерений – качество средств измерений, характеризующее близость к нулю их погрешностей.

Воспроизводимость измерений – близость результатов измерений одной и той же конкретной величины, выполняемых в различных условиях в различных местах различными методами и средствами.

Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного средства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Например, при перемещении измерительного наконечника измерительной пружинной головки ИГП на величину цены деления 0,5 мкм указатель перемещается на одно деление шкалы, равное 1 мм. Чувствительность этого прибора равна 1000: 0,5 = 2000. Для шкальных измерительных приборов типа пружинных головок, индикаторов часового типа чувствительность численно равна передаточному отношению механизма прибора.

Поправка – величина, которая должна быть алгебраически прибавлена к показанию измерительного прибора или к номинальному значению меры, чтобы исключить систематические погрешности и получить значение измеряемой величины или значение меры, более близкое их истинным значениям.

Нормируемые метрологические характеристики стандартизованы. К ним относятся систематическая составляющая погрешности измерения, случайная составляющая, динамические характеристики и др. Показатели точности и формы представления результатов измерения должны соответствовать стандартам. Например, точность измерения целесообразно представлять интервалом, в котором с установленной вероятностью находится суммарная погрешность измерения, отдельно интервалом систематической составляющей и т. д.

В зависимости от пределов допустимых погрешностей средств измерений, а также других их свойств, влияющих на точность измерения, многим типам измерительных средств присваивают соответствующие классы точности.

Для контроля точных процессов производства и повышения качества машин и других изделий необходимо не только непрерывно повышать точность, производительность и надежность средств измерения, но и правильно применять и систематически поверять средства измерения в процессе эксплуатации. Ошибочные результаты измерения из-за не­качественного выполнения собственно измерений столь же часты, как и при применении неточных средств измерения. Как в том, так и в другом случае возникает необнаруженный брак, который приводит к браку на последующих этапах процесса производства или к снижению качества изделий, их точности, надежности и долговечности.

Для устранения указанных недостатков в нашей стране создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Основные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средств воспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц от эталонов к рабочим средствам измерений.

Для обеспечения единства измерений введены обязательные испытания новых типов измерительных средств и надзор засостоянием и правильным использованием измерительной техники. Систематическая поверка приборов - это одна из главных гарантий их точности. Важное значение имеет также соблюдение нормальных условий измерений, установленных стандартами. Особо необходимо соблюдать требования к температуре объекта измерения и рабочего пространства. Например, на ВАЗе в метрологических центрах (термоконстантных помещениях с отдельным фундаментом) механосборочных цехов в зависимости от требуемой точности измерений поддерживают температуру в пределах (20 ± 0,15)°С ¸ (20 ± 0,5)°С