Основные элементы и метрологические характеристики средств измерений

Измерительное устройство – самостоятельная часть измерительного прибора (установи, системы). Например, индикатор у индикаторного прибора – нутромера.

Измерительный преобразователь (первичный) – средство, служащее для выработки сигнала измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Например, рычажная система для увеличения измеряемой величины в целях удобства восприятия глазом.

Измерительная цепь – совокупность преобразовательных СИ (преобразующих сигнал измерительной информации, например, механическое перемещение в электрический сигнал).

В измерительную цепь могут входить:

- базирующий элемент (стол прибора, плита, основание и др.);

- чувствительный элемент – датчик (измерительный наконечник, губки и др.);

- измерительный механизм (первичный преобразователь – рычажная или зубчатая передача или другая, вызывающая перемещения элементов СИ);

- отсчетное (показывающее) устройство (шкала, шкала со стрелкой, цифровое табло);

- регистрирующее устройство (самописец, печатающее устройство, дисплей);

- устройство для перемещения и крепления отдельных узлов СИ и объекта измерения (колонки, крепежные узлы и др.).

Нониус (верньер) – устройство для определения дробных частей одного деления основной шкалы (вспомогательная шкала). Нониус имеет небольшое количество делений (10 – 20), по сравнению с основной шкалой. Первая отметка нониуса является началом шкалы нониуса и одновременно указывает значения размера на основной шкале. Если первая отметка нониуса (нулевая) совпадает с какой-то отметкой основной шкалы, то отсчитывают целое значение размера только по основной шкале. Если же нулевая отметка нониуса не совпадает ни с одной отметкой основной шкалы, то отсчет состоит из двух частей. Целое значение размера, кратное 1 мм (если цена деления основной шкалы 1 мм), берут на основной шкале по ближайшему меньшему значению (слева от нулевой отметки нониуса) и добавляют дробное значение размера по нониусу в зависимости от того, какая отметка нониуса совпадает с какой-нибудь отметкой основной шкалы. Принцип построения нониуса заключается в том, что деления его шкалы наносят «растянутым» относительно делений основной шкалы и интервалы делений (длины делений) нониуса отличаются от интервалов основной шкалы на величину отсчета (цену деления). Количество делений нониуса точно укладывается в определенное количество делений основной шкалы. Например, нужно сделать так, чтобы можно было отсчитывать 0,1 долю деления основной шкалы. Для этого на нониус нужно нанести первую отметку вправо от нулевой отметки нониуса на расстоянии, меньшем, чем интервал (длина) деления основной шкалы, на величину отсчета (цену деления) с, т.е. на с = 0,1 мм. Следовательно, интервал (длина) деления b шкалы нониуса будет равен 0,9 мм (b = a – c, где a = 1 мм - интервал (длина) деления основной шкалы, c – величина отсчета (цена деления); тогда b = 1 – 0,1 = 0,9 мм). Все последующие отметки шкалы нониуса наносят с таким же интервалом. Из-за того, что интервалы делений шкалы нониуса меньше, чем на основной шкале, постепенно накапливается «отставание» положения отметок нониуса от отметок основной шкалы и десятая отметка нониуса совпадает с девятой отметкой от первой совпадающей отметкой основной шкалы (накапливается отставание на 1 мм). Чаще интервалы нониуса «растягивают» так, что на величину отсчета (цену деления) приходится около двух делений основной шкалы (иногда 3 и более). Так удобнее для меньших величин отсчета. Например, цена деления 0,05 мм. Тогда длина каждого деления нониуса составляет 1,95 мм, а количество делений увеличивается до 20. Принцип построения нониуса может быть использован при конструировании шкальных отсчетных устройств металлорежущих станков и приспособлений (например, для лимба подач). Конкретные примеры измерений с помощью нониусов будут рассмотрены на лабораторных занятиях.

Рабочий участок шкалы – часть шкалы, для которой установлены предельные (наибольшие возможные) погрешности измерений СИ.

Нормированный (калиброванный) участок шкалы – наиболее точная часть шкалы, для которой установлена действительная погрешность. Например, для индикатора часового типа 0 – 10 мм с ценой деления 0,01 мм этот участок расположен в начале второго оборота большой стрелки в пределах 10 делений шкалы, т.е. в пределах 0,1 мм. В пределах этого участка возможна погрешность измерения СИ 5 – 8 мкм. Обычно погрешность в начале и в конце шкалы больше, чем в середине (например, у указанного индикатора, до одного оборота большой стрелки, т.е. до 0,1 мм выбирается боковой зазор между зубьями зубчатой пары, а после 0,1 мм идет накопление погрешности за счет увеличения размера).

Отметка шкалы – знак (индекс), соответствующий отдельным значениям измеряемой величины (штрих, риска, точка, зубец).

Отсчет – отвлеченное число (не связанное с единицей величины), отсчитанное по отсчетному устройству или полученное счетом последовательных отметок (одна, две и так далее отметки).

Число отсчета – число, обозначенное на шкале, соответствующее некоторому значению измеряемой величины или указывающее порядковый номер отметки шкалы (без указания единицы измерения).

Показание – значение величины, определяемое по отсчетному устройству, которое представляет собой именованное значения, т.е. число, выраженное в принятых единицах величины (может совпадать или не совпадать с отсчетом; например, у измерительной линейки совпадает).

Указатель шкалы – стрелка, лезвие, нить, световой луч, штрих нониуса, конец столбика жидкости, кромка (например, торцевая кромка барабана микрометра).

Пределы измерений СИ – наименьшее и наибольшее значения величины, которые могут быть измерены данным СИ.

Пределы измерений по шкале – наименьшее и наибольшее значения величины, которые могут быть измерены по шкале (например, у длинномера ИВЗ-1 пределы измерений СИ 0 –250 мм, а по шкале 0 –100 мм).

Деление шкалы – промежуток между соседними отметками шкалы.

Длина (интервал) деления шкалы – расстояние между осями (центрами) 2-х соседних отметок шкалы (измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы). Длину деления выбирают такой, чтобы удобно было вести отсчет.

Цена деления С (величина отсчета) – разность значений величины, соответствующих 2-м соседним отметкам шкалы (обычно: 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1 мм).

Передаточное число – показывает связь между ценой и длиной деления шкалы: u= а / с, где а – длина деления, с – цена деления. При конструировании СИ задают а и с, по которым создается механизм с определенным u. При создании шкал стремятся к тому, чтобы а и с обеспечивали нужную цену деления (величину отсчета) без отсчитывания дробных частей деления шкалы.

Диапазон измерений (предел измерений) –разница между верхним и нижним пределом измерений, для которой нормированы допускаемые погрешности СИ (например, для штангенциркуля 0 – 250 мм диапазон 250 мм).

Диапазон показаний – область значений отсчетного устройства, ограниченная его начальным и конечным значениями (соответствует пределам измерения по шкале, что точнее выражает понятие).

Линия измерения – прямая, проходящая через точки контакта СИ и измеряемого объекта.

Измерительное усилие – сила, с которой СИ воздействует на измеряемую поверхность в направлении линии измерения. Оно необходимо для контактных СИ в целях обеспечения устойчивого замыкания измерительной цепи. Слишком малое усилие снижает чувствительность СИ, не обеспечивает достаточного контакта при малейшем загрязнении измеряемой и измерительной поверхностей. Измерительное усилие в пределах диапазона показаний СИ не должно изменятся более установленных значений для разных СИ (допускаемый перепад усилия). Не следует путать измерительное усилие СИ и усилие измерения. Они могут совпадать и не совпадать. Если СИ имеет устройство для создания определенного измерительного усилия (например, гладкий обычный микрометр), то они совпадают (при соблюдении правил измерений), если нет, то не совпадают. Например, при измерении штангенциркулем измерительное усилие задается оператором и не зависит от СИ. При измерении обычным гладким микрометром зависит только от «трещотки», если оператор правильно накладывает его на объект или объект вводит между измерительными поверхностями.

Модуль нониуса (γ) – количество делений основной шкалы, соответствующее одному делению шкалы нониуса. Например, у штангенциркуля с ценой деления 0,05 мм γ = 2 (одному делению нониуса соответствуют два деления основной шкалы).

Чувствительность СИ – отношение изменения сигнала на выходе СИ к вызывающему его изменению измеряемой величины. Абсолютная чувствительность S = Δl / Δx, относительная чувствительность S₀ = Δl (Δx / x), где Δl – изменение сигнала на выходе, x – измеряемая величина, Δx – изменение измеряемой величины. Чем больше чувствительность, тем меньшую долю измеряемой величины модно измерить. Величина чувствительности является мерой, при помощи которой сравнивают однотипные приборы. Величина, обратная чувствительности, называется ценой деления шкалы прибора (С).

Стабильность СИ – качественный признак, отражающий неизменность во времени его метрологических характеристик, нестабильность СИ – количественный признак, отражающий изменение метрологических характеристик СИ за установленный интервал времени. Нестабильность определяют на основе длительных исследований. При этом периодически сличают данные СИ с более стабильным СИ. Обычно устанавливают нестабильность за год. Для некоторых СИ, особенно некоторых мер, нестабильность является одним из важнейших признаков.

Точность СИ – характеристика качества СИ, отражающая близость его погрешности к нулю. Чем меньше погрешность, тем точнее СИ.

Класс точности СИ – обобщающая характеристика СИ, определяемая предельными погрешностями и другими свойствами СИ, влияющими на их точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды СИ. Классы точности устанавливают не для всех СИ. Например, для штангенинструментов классы точности не установлены, для обычных гладких микрометров установлены классы 1 и 2, для концевых мер длины 00, 0, 1, …, 4.

Класс точности СИ не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих СИ. Например, класс точности концевых мер длины характеризует близость их размера к номиналу, допускаемое отклонение от плоскопараллельности, притираемость и стабильность меры, т.е. определяет комплекс признаков.

Для каждого класса точности стандартного СИ в стандарте устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ этого класса. СИ данного класса должны соответствовать установленным характеристикам не только при выпуске, но и в процессе эксплуатации и хранения. Обозначение класса точности наносят на циферблате, корпусе, щитке и других частях СИ арабскими цифрами. Наиболее грубый класс точности не обозначают. Таким образом, если класс точности не обозначен, то он вообще не установлен или наиболее грубый. Необходимо помнить, что рабочие СИ должны быть значительно точнее проверяемых ими параметров (в 3 – 5 раз).