Построение и применение метрологических схем (формализация метрологических моделей)
Схема какого-либо объекта естьсемиотическая модель этого объекта,отражающая его наиболее важные характерные черты. Схемы объектов строят в зависимости от целевого назначения:
- исследование объекта (его структуры, функционирования и др.);
- объяснение объекта заинтересованным лицам.
Схема может сопровождаться текстом. Распределение информации между схемой и сопроводительным текстом может значительно различаться в зависимости от целевого назначения схемы и используемой в ходе ее построения контекстной информации. Предельными случаями можно считать схемы, «содержащие всю необходимую информацию» (не нуждающиеся в дополнительных пояснениях) и схемы, в виде наборов опорных сигналов (понятные без пояснений только профессионалам). Реально схемы первого вида не существуют, но в некотором приближении можно представить себе достаточно полную схему, рассчитанную на человека, владеющего известным объемом определенной контекстной информации.
Схемы второго рода (очевидно неполные) могут не отражать логику связей между элементами, поскольку логика привносится в них извне – специфическими контекстными знаниями читающего или представляющего схему. К неполным схемам относятся предельно редуцированные семиотические модели, схемы с многократно кодированными элементами, схемы «с пропусками» элементов и связей. Примерами таких схем являются блок-схемы из прямоугольников (см., например, рисунки в предыдущем модуле), машиностроительные чертежи общего вида, схемы алгоритмов.
Чтение схем осуществляется по определенным правилам, например:
- если схема сопровождается глоссарием или описанием схемных элементов и связей и/или их условных обозначений, следует ознакомиться с этими материалами до ее чтения и декодирования;
- схема представляет завершенный объем информации, значит, перед изучением подробностей следует рассмотреть всю схему в целом;
- графические изображения на схеме обычно отображают и структурные элементы системы, и связи между ними. Под элементом системы в данном случае мы понимаем такой ее объект, который выполняет определенные функции и в условиях поставленной задачи не подлежит расчленению на части;
- схемные элементы могут иметь разный характер, что отражается с помощью различий в обозначениях и конфигурации;
- связи могут иметь разный характер, что отражается с помощью различий в обозначениях линий связи или расположения взаимосвязанных элементов;
- схема как любая другая форма представления определенной информации может оказаться неполной или внутренне противоречивой, содержащей ошибки. В подобном случае можно поступать так же, как с дефектной информацией в другой форме (можно самостоятельно корректировать незначительные недостатки или в принципе отказаться от использования схемы из-за нерентабельности внесения исправлений).
С позиций системотехники схему сложного объекта следует рассматривать как модель реальной системы, отражающую ее элементный состав, наличие связей и обладающую свойством инвариантности (неизменности) во времени. В состав схемы следует включать только те свойства системы, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования, и отражают приемлемую для практического использования совокупность значимых свойств системы.
Построение большинства схем осуществляется экспертными методами, причем в литературных источниках не приводятся ни алгоритмы, ни рецепты построения схем. Определенный опыт, накопленный в данной области, позволяет предложить метод, который представляется полезным, поскольку позволяет упорядочить работу. В основу метода положены следующие допущения:
- схема строится для представления системного объекта;
- в основу построения схемы кладут ее целевое предназначение;
- схема строится для определенного пользователя (для группы исследователей, для специалистов, для научной общественности, для обучающихся);
- в системе есть главные элементы и связи, которые должны найти отражение в схеме для любого пользователя (при разных уровнях дифференциации элементов объекта и снятия неопределенности);
- имеют право на существование несколько разных схем, однотипно представляющих один и тот же объект.
Построение любой схемы можно рассматривать как решение слабо структурированной задачи при наличии существенной неопределенности, которую постепенно снимают в процессе решения. Процесс получения структурной схемы можно рассматривать как исследование системы на основе экспериментальных и теоретических сведений о характере функционирования системы в заданных обстоятельствах. Членение системы на блоки и элементы нужно осуществлять в соответствии с необходимостью детализации описания структуры и наглядности отображения ее свойств.
Можно предложить следующий порядок построения схемы:
- определение целевого назначения схемы (цели и задачи исследования модели объекта);
- определение важнейших функций системы в соответствии с целевым назначением схемы;
- определение главных структурных элементов системы, обеспечивающих реализацию важнейших функций системы, и выявление связей;
- выбор системы условных обозначений структурных элементов и связей;
- построение «основной части» схемы (предварительный вариант);
- развитие схемы;
- проверка, критика, оценка, модернизация схемы.
В ходе построения схемы и по его окончании проводится проверка схемы на адекватность отображаемому объекту. Схема признается удовлетворительной после апробации предполагаемым пользователем, включая проверку адекватности восприятия схемы.
Специфика схем, предназначенных для объяснения объекта заинтересованным лицам, заключается в двух моментах: схемы следует строить с учетом предполагаемого уровня информированности будущих пользователей (используется имеющееся знание), но вместе с тем они должны нести новую информацию. При недостатке знаний у пользователя ему следует представить дополнительную (не включенную в схему) письменную или устную текстовую информацию.
Схемы бывают необходимы при описании измерительных процедур, методик выполнения измерений, методик поверки и калибровки средств измерений, при описании средств измерений в технической проектной и эксплуатационной документации, а также при метрологической и стандартизационной экспертизе.
Метрологическая схема не только несет концентрированную информацию, но и позволяет строить модели появления составляющих погрешностей, чтобы затем проводить необходимые точностные расчеты. Сложность применения метрологических схем на сегодняшний день в значительной мере связана с отсутствием какой бы то ни было их регламентации в нормативных документах и научно-технической литературе.
Часто встречающиеся в литературе и технической документации понятия «схема измерения», «схема поверки», «схема контроля», «схема средства измерений» и некоторые другие не имеют четких определений, принципов построения и условных обозначений элементов, чем существенно затрудняется их использование. Прямое заимствование определений из стандартов ЕСКД, регламентирующих схемы, невозможно, а использование значительной части условных обозначений непродуктивно из-за существенных различий в содержании и целевом назначении конструкторских и метрологических схем.
Следует определить назначение и состав схем средств измерений, схем измерений физических величин, схем измерительного приемочного контроля объектов, схем контрольных точек (сечений) контролируемых объектов, а также возможности совмещения схем разных видов. При необходимости можно разрабатывать специальные схемы поверки, калибровки и метрологической аттестации средств измерений.
В современных условиях часто не обращают внимания на разницу между схемами измерений конкретной физической величины, носителем которой является объект, и схемами измерительного контроля объекта. Основное различие между измерением и контролем состоит в том, что результатом измерений является оценка физической величины, а результатом контроля – заключение о годностиобъекта по контролируемому параметру (по заданной величине). Поэтому в отличие от схемы измерения схема контроля включает указание числа и расположения контрольных точек (сечений) объекта, необходимых для создания его адекватной экспериментальной модели, которую сопоставляют с нормативной моделью для оценки годности объекта. Следовательно, схема контроля объекта по некоторому нормированному параметру (физической величине) в ряде случаев не исчерпывается схемой измерения этой физической величины, а должна включать дополнительную информацию.
Схема измерения может совпадать со схемой контроля в том случае, когда физическая величина воспроизводится на объекте однократно и контрольные точки (сечения) в принципе отсутствуют (контроль массы детали, сопротивления высокоомного резистора, объема тела) или модель объекта строится по результатам измерения в одной контрольной точке/сечении (наибольшая глубина водоема, длина швейной иглы). Схема измерения имеет ограниченную область применения, например она необходима при измерениях ненормированных объектов, что часто встречается в научных исследованиях. Однако при исследовании объекта, на котором номинально одна физическая величина фактически воспроизводится как бесконечное множество однородных величин, схема измерений обязательно должна быть дополнена схемой контрольных точек (сечений) объекта.
Контрольная точка – условное наименование, определяющее область «съема измерительной информации об исследуемой физической величине» с измеряемого объекта средством измерения или область «контакта» единичного чувствительного элемента с объектом измерения. «Точка» может иметь значительную протяженность (площадь или объем), как например, при контроле призматической детали гладким микрометром или при измерениях температуры среды жидкостным термометром. При использовании средств измерений с несколькими чувствительными элементами в одно контрольное сечение может входить соответствующее множество контрольных точек. Термин «контрольная точка (контрольное сечение)» не означает, что осуществляется процесс контроля объекта, это традиционное наименование точек съема информации об измеряемой физической величине, в том числе при экспериментальных исследованиях, когда «контроль» исследуемых параметров не имеет смысла.
В линейно-угловыхизмерениях под контрольной точкой понимают место взаимодействия чувствительного элемента средства измерений с поверхностью контролируемого объекта редуцированное на схеме к геометрической точке. Под контрольным сечением понимают либо сечение объекта плоскостью, проходящей через линию измерения (контролируемое или исследуемое сечение), либо прямую линию между двумя чувствительными элементами средства измерений в месте контакта с поверхностью контролируемого объекта. Если контрольное сечение несет множество номинально одинаковых величин, которые в процессе измерений могут быть признаны отличными, вопрос о получении представительных результатов в данном сечении выходит за пределы информации в схеме контрольных сечений и описывается в методике выполнения измерений или в схемах измерений либо измерительного контроля. При наличии у средства измерений более двух чувствительных элементов конфигурация контрольного сечения включает все контрольные точки, и контрольное сечение может превратиться в двумерную или трехмерную фигуру.
Схемы контрольных точек (контрольных сечений) должны включать:
1. Эскиз детали с указанием контрольных точек (контрольных сечений) объекта. Элементы, не подлежащие контролю, могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля. При необходимости эскиз контролируемого объекта выполняется с указанием параметров расположения контрольных точек или сечений на необходимом для этого числе проекций (разрезов, сечений).
2. Обозначения направлений измерительных перемещений, если они не являются очевидными (например, при контроле биения в заданном направлении).
3. Направления и характер вспомогательных относительных перемещений чувствительного элемента средства измерений и контролируемого объекта (указывают при необходимости).
Примечание. К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают поиск направления линии измерений на объекте (например, покачивание нутромера в отверстии для поиска нормального сечения), или необходимы для получения значений измеряемой величины в исследуемом контрольном сечении (вращение детали при измерении биений, перемещение измерительной головки по нормали к линии измерения при измерении полного радиального или торцового биения и т.п.).
Схемы контрольных точек (контрольных сечений) могут дополняться вербальными описаниями требований к их расположению и идентификации на объекте измерений, например:
- «Контрольные сечения располагать равномерно на всей длине цилиндрической поверхности. Крайние сечения должны находиться на расстоянии не менее 2 мм от торцов, ограничивающих контролируемую ступень вала».
- «Контрольные точки располагать по равномерной сетке с одинаковыми шагами на всей площади плоской поверхности. При обнаружении экстремумов провести дополнительные измерения в исследуемой области по более густой сетке и внести в схему измерений новые контрольные точки, либо зафиксировать видоизмененную (корректированную) сетку с неравномерными шагами».
- «Перемещение измерительной головки при контроле полного радиального биения в сечениях №№ 1…N осуществлять с сохранением начала отсчета отклонений в системе координат, связанной с базовой осью».
Примеры схем расположения контрольных точек для случаев исследования прямолинейности и плоскостности, а также примеры указания контрольных сечений при измерении размеров поперечного сечения цилиндрического валика, при контроле радиального и полного радиального биений одной из цилиндрических поверхностей детали типа «вал» представлены на рисунке 12.1. На схемах не указаны направления измерений, поскольку очевидно, что линии измерений нормальны к исследуемым поверхностям. Базовые элементы деталей и базирующие устройства средств измерений не показаны, поскольку они не являются элементами схем контрольных точек (сечений).
Схема контроля (схема измерительного контроля) конкретного геометрического параметра объекта является составной частью методики контроля и должна отображать реализацию процесса измерительного контроля.
| 1 2 3 А Б Б 1 2 3 А в |
| 1 2 3 4 5 6 7 А Б В Г б |
| 1 2 3 4 5 6 а |
| 1 2 3 1 2 3 г |
| 1 2 3 1 2 3 д |
| Рисунок 12.1 – Схемы расположения контрольных точек и сечений: а – для измерения прямолинейности профиля; б– для измерения плоскостности (контрольные точки А1, А2,…, Г7 расположены на пересечении прямых, образующих регулярную сетку); в – для измерения поперечных размеров цилиндрического ролика; г – для измерения радиального биения наружной цилиндрической поверхности (показано вспомогательное перемещение – относительные перемещения контролируемого объекта и чувствительного элемента СИ, обычно реализуемое за счет вращения детали); д – для измерения полного радиального биения наружной цилиндрической поверхности (дополнительно показана необходимость координированного взаимного перемещения чувствительного элемента и детали) |
Схема контроля объекта по заданному геометрическому параметру должна включать:
1. Эскиз детали с выделенными элементами, подлежащими контролю и базовыми элементами (если они не совпадают с контролируемым). Элементы, не подлежащие контролю и не являющиеся базовыми, могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля.
2. Указание контрольных точек (контрольных сечений) объекта. При необходимости выполняется дополнительный эскиз контролируемого объекта со всеми контрольными точками (контрольными сечениями) и указанием параметров расположения контрольных точек или сечений или отдельная схема контрольных точек (сечений).
3. Схематическое изображение средства измерений в одном или нескольких видах («проекциях»), с обязательным включением условных обозначений базирующих элементов средства измерений и его чувствительных элементов. Остальные элементы средства измерений, вспомогательные устройства, установочные меры изображают при необходимости.
Примечание. Чувствительные элементы могут совпадать с базирующими. Так для накладных приборов типа микрометров гладких и рычажных базирующие элементы (пятки прибора) одновременно являются его чувствительными элементами.
4. Обозначения направлений и указание характера (непрерывный, периодический) измерительных перемещений, а также (при необходимости) схематические изображения обеспечивающих эти перемещения кинематических элементов.
Примечание. Не указывают кинематические элементы, являющиеся органической частью применяемых СИ, например, направляющие штока измерительной головки.
5. Обозначения направлений и указание характера (при необходимости) всех вспомогательных и установочных перемещений, необходимых для осуществления контроля (для получения адекватной модели контролируемого объекта), а также схематические изображения обеспечивающих эти перемещения кинематических элементов.
Примечание. К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают перенос линии измерений в новую контрольную точку (сечение), а также совмещение линии измерений с экстремальными значениями контролируемых параметров (например, покачивание нутромера для поиска наименьшего диаметра отверстия в контролируемом сечении). Установочные перемещения – те, которые применяются для обеспечения правильной установки прибора в пространстве и при настройке прибора на меру.
6. Изображение настройки средства измерений на меру (блок или ансамбль мер). Если измерение осуществляется методом замещения, такое изображение может быть необходимым, например, для указания настроечных и/или установочных перемещений. Так при настройке индикаторного нутромера по блоку концевых мер с боковиками установочные перемещения не совпадают со вспомогательными перемещениями, осуществляемыми при измерении цилиндрического отверстия.
Примечание. Самостоятельная схема настройки средства измерений может быть выполнена, например, в случаях настройки многомерного средства контроля на сложную меру или несколько мер (ансамбль мер).
В схему контроля может входить схема контрольных точек (сечений), если такое совмещение не затрудняет чтение. Изображение на схеме контроля может включать две проекции, если это необходимо для указания установочных и вспомогательных перемещений.
Для изображения контрольных схем и схем измерений по возможности следует использовать условные обозначения из ЕСКД, но необходима также разработка специальных обозначений (измерительные головки, стандартные стойки и штативы, чувствительные и базирующие элементы СИ и т.д.).
Примеры условных обозначений различных элементов для схем контроля приведены ниже. На рисунке 12.2 – условные обозначения контактных чувствительных элементов средств измерений. Бесконтактные элементы (оптические, пневматические, электрические) обозначаются разработчиком схемы самостоятельно с обязательным указанием соответствующего условного обозначения и необходимых пояснений вне схемы.
| а б в г д е Рисунок 12.2 – Условные обозначения контактных чувствительных элементов средств измерений геометрических параметров: а – сферические, б – плоский, в – ножевой, г – конические, д – тороидальный, е – цилиндрический |
Условные обозначения базирующих элементов приведены на рисунке 12.3.
| а б в г д е ж з |
| и к л м н о Рисунок 12.3 – Условные обозначения базирующих элементов средств измерений геометрических параметров: а – плоский, б – сферический, в – ножевой, г– призматический с ножевой призмой, д – призматический с плоскими гранями, е – призматический с дисковыми роликами, ж – призматический с цилиндрическими роликами, з – конический (центр), и – оправка цилиндрическая, к – оправка коническая, л – оправка разжимная шариковая, м – оправка разжимная цанговая, н – патрон кулачковый, о – патрон цанговый |
На остальных рисунках представлены условные обозначения измерительных головок и первичных измерительных преобразователей (рисунок 12.4), условные обозначения промежуточных измерительных преобразователей (рисунок 12.5), направляющие продольного перемещения и вращательного движения (рисунок 12.6), примеры обозначений вспомогательных перемещений (рисунок 12.7), а также измерительных или «отсчетных» перемещений (рисунок 12.8).
| а б в г Рисунок 12.4 – Условные обозначения измерительных головок и первичных измерительных преобразователей: а – аналоговые головки, б – дискретная (цифровая, числовая) головка, в – аналоговый первичный измерительный преобразователь, г – дискретный первичный измерительный преобразователь |
| а б в г Рисунок 12.5 – Условные обозначения промежуточных измерительных преобразователей: а, б – аналоговые, в– дискретный (цифровой), г – сложный (многоступенчатая цепочка измерительных преобразователей) |
| а б в г д Рисунок 12.6 – Условные обозначения направляющих: а– продольного перемещения с трением скольжения, б – продольного перемещения с трением скольжения и фиксацией, в – продольного перемещения с трением качения, г – вращения с трением скольжения, д – вращения с трением качения |
| а б в г д Рисунок 12.7 – Перемещения вспомогательные (примеры условных обозначений): а – прямолинейное непрерывное, б – прямолинейное непрерывное в прямом и обратном направлениях, в – прямолинейное дискретное в прямом и обратном направлениях, г – прямолинейное непрерывное в двух взаимно перпендикулярных направлениях (двухкоординатное), д – круговое непрерывное |
| а б в г Рисунок 12.8 – Перемещения измерительные или «отсчетные» (примеры обозначений): а – прямолинейное непрерывное в прямом и обратном направлениях, б – прямолинейное дискретное в прямом и обратном направлениях, в – прямолинейное непрерывное в двух взаимно перпендикулярных направлениях (двухкоординатное), г – круговое непрерывное |
На рисунке 12.9 представлены примеры схем контроля биений поверхностей деталей типа «вал»: радиального биения при базировании детали в двух призмах а и торцового при базировании в одной призме б. Показаны также вспомогательные базы у левого торца вала и силовое замыкание (сила F), вспомогательное вращательное движение вала, обеспечивающее измерение отклонений радиусов-векторов или осевых отклонений по всему контрольному сечению. На рисунке 12.9а представлены три контрольных сечения (1, 2 и 3), равномерно расположенные вдоль контролируемой поверхности, и показано вспомогательное перемещение измерительной головки (прерывистое прямолинейное перемещение вдоль оси детали, которое может осуществляться путем перестановки измерительной головки). На рис. 12.9б показано только одно контрольное сечение, лежащее на радиусе R.
Если схема будет использоваться не только для описания МВИ, но и для функционального анализа погрешностей и расчетов составляющих, будут необходимы значения R, L, l, которые должны быть приведены непосредственно на схеме или в сопровождающем ее текстовом описании.
| а б Рисунок 12.9 – Схемы контроля радиального а и торцового б биений поверхностей |
| F |
| 1 2 3 |
| L |
| l |
| F |
| R |
Отсчетные устройства в соответствии с обозначениями на схемах – аналоговые измерительные головки. Направления измерительных перемещений не указываются, поскольку они очевидны.
Унифицированный подход к построению метрологических схем позволит обеспечить единообразное описание методик выполнения измерений, операций и процессов контроля в технической документации, что является очень важным для выполнения измерений и трактовки результатов измерительного контроля. Унификация схем облегчит также функциональный анализ спроектированных МВИ при оценке погрешностей измерений и при их метрологической экспертизе.
Приложение __