Метрологические показатели измерительных средств и методы измерений

В 1994 г. введен новый рекомендательный документ «Рекомен­дации. Метрология. Основные термины и определения», раз­работанный НИИ метрологии.

Измерениемназывается нахождение значения физической ве­личины опытным путем с помощью специальных технических средств.

К основным показателям относятся: цена деления шкалы, ин­тервал деления шкалы, допускаемая погрешность измерительного средства, пределы измерения и измерительное усилие.

Измерить- определить действительный размер с заданной _N точностью с помощью каких-либо универсальных измерительных средств.

Проконтролировать- установить факт годности или негодно­сти проверяемого размера.

Мера - средство измерения, предназначенное для воспроизве­дения физической величины

Калибраминазываются меры, имеющие форму поверхности, противоположную (обратную) контролируемому объекту.

Измерительный прибор- средство измерения, предназначен­ное для выработки сигнала измерительной информации, выдавае­мой отсчетными устройствами (шкальными, цифровыми, регистри­рующими).

По характеру оценки измеряемой величины различают абсо­лютный и относительный методыизмеренияи соответствующие им средства измерения.

При абсолютном методе оценка значения всей измеряемой величины производится непосредственно по шкале при­бора.

Относительный (сравнительный) метод основан на сравнении измеряемой величины с установочной мерой, по которой прибор предварительно настраивается на нуль.

Метод измерений может быть прямым или косвенным в зави­симости от способа получения измеряемой величины.

Прямой метод характеризуется непосредственной оценкой из­меряемой величины по показанию прибора, при косвенном методе измеряют некоторые величины, свя­занные с искомой функциональной зависимостью.

По характеру взаимодействия средств измерения с измеряемым объектом методы и средства измерения разделяются на контактные и бесконтактные.

В зависимости от количества одновременно выявляемых раз­личных параметров методы и средства измерения разделяют на диф­ференцированные (поэлементные) и комплексные.

Дифференцированным (поэлементным) называется измерение, при котором измеряют каждый из ее элементов или параметров, характеризующих точность.

Комплексными называются измерения, при которых опреде­ляется влияние всех элементов вместе, в их взаимосвязи между собой.

По характеру взаимосвязи результатов измерения с техноло­гическим процессом производится разделение приборов на актив­ные и пассивные.

Приборы активного контроля предназначены для измерения параметров в процессе работы и дают информацию о необходимости изменения режимов обработки до окончания технологического процесса.

Приборами пассивного контроля оценивают параметры уже готового изделия, производят измерения после окончания обработки и фиксируют полученную точность обработки детали.

Диапазон измерения(предел изменения прибора) - диапазон значений физической величины который может быть измерен данным средством и для которого нормируется допускаемая погрешность.

Цена деления(шкалы) - разность значений измеряемой вели­чины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Обычно применяются цены деления из ряда 1:2:5.

Измерительное усилие- сила, с которой измерительный нако­нечник прибора воздействует на измеряемую поверхность в направ­лении измерения.

Погрешность прибора- разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины.

Погрешность измерения- отклонение значений величины, найденной путем ее измерения, от истинного значений измеряемой величины.

ШКАЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В теории измерений принято, в основном, пять типов шкал:

· наи­менования

· порядка

· интервалов

· отношений

· абсолютная

Шкалы наименованийхарактеризуются только отношением экви­валентности. Примером такой шкалы является оценка цвета по наименованиям (атласы цветов).

Шкалы порядкахарактеризуются отношением эквивалентности и порядка. Для практического использования такой шкалы необхо­димо установить ряд эталонов. К шкалам порядка относятся, например, шкала землетрясений, шкала силы ветра, шкала твердости тел и т. п.

Шкала разностейотличается от шкалы порядка тем, что кроме отношений эквивалентности и порядка добавляется эквивалентность интервалов (разностей) между различными количественными про­явлениями свойства. Она имеет условные нулевые значения, а ве­личина интервалов устанавливается по согласованию. Характерным примером такой шкалы является шкала интервалов времени. Ин­тервалы времени можно суммировать (вычитать).

Шкалы отношенийописывают свойства, к которым применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следова­тельно, вычитания и умножения. Эти шкалы имеют естественное нулевое значение, а единицы измерений устанавливаются по согла­сованию. Примером шкалы отношений является шкала мас­сы.

Абсолютные шкалыобладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное опреде­ление единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описыва­емых шкалами отношений). Среди абсолютных шкал выделяются абсо­лютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Такой величиной является, например, коэффициент полезного действия.

Погрешности измерений, их виды и источники

Узнать абсолютное значение измеряемой величины нельзя, так как результаты наших измерений несвободны от погрешностей. По­этому измерения одной и той же постоянной величины при сохране­нии одних и тех же внешних условий часто дают неодинаковые ре­зультаты, отличающиеся на небольшую величину. Погрешностью измерения называется отклонение результата измерения X_i от истинного значения

Погрешности измерений подразделяют на систематические, случайные и грубые (промахи).

Систематической называется такая погрешность, значение ко­торой при повторных измерениях повторяется или закономерно из­меняется. Эти погрешности либо увеличивают результат каждого измерения, либо уменьшают его на одну и ту же величину. Напри­мер, если измерительную головку установить на нуль по конце­вой мере, действительный размер которой меньше номинального на 1 мкм, то при всех измерениях будет погрешность 1 мкм со зна­ком минус.

Влияние систематических погрешностей можно устранить, ес­ли ликвидировать причины их появления или внести поправку в ре­зультат измерений, равный величине погрешности, но с обратным знаком, как например это делается, когда известно, что часы отста­ют на 3 минуты.

Случайной называется погрешность измерения, принимающая при повторных измерениях одной и той же величины и в тех же ус­ловиях разные значения по величине и знаку. Случайные погрешности вызываются многочисленными случайными причинами: влияни­ем неодинаковости измерительного усилия, влиянием зазора между деталями измерительного прибора, погрешностью при отсчете пока­заний прибора, неточностью установки измеряемого изделия отно­сительно измерительного устройства и др.

Величину и знак возможной случайной погрешности заранее, т.е. до проведения измерения, установить нельзя. Практикой уста­новлено, что распределение случайных погрешностей измерений в большинстве случаев близко к закону нормального распределения. Поэтому допускают, что погрешности, одинаковые по величине, но разные по знаку, равновероятны. Наибольшее число измерений имеют малые погрешности, близкие к нулю (малые по величине по­грешности встречаются чаще, чем большие). Ввиду того, что одина­ково вероятны как плюсовые, так и минусовые случайные погреш­ности, при достаточно большом количестве повторных измерений среднее арифметическое значение ряда повторных измерений дает наиболее точное значение измеряемой величины (размера).

При многократных измерениях погрешность измерения от случайных ошибок уменьшается в n ^0,5 раз, где п - число измерений.

На основе закона нормального распределения случайных ве­личин можно многократным измерением одних и тех же величин одним и тем же измерительным средством уменьшить влияние слу­чайных ошибок, так как они усредняются и в итоге повышается точ­ность результата измерения. На машиностроительных и приборо­строительных заводах многократность измерений как способ повы­шения надежности и достоверности результата измерений применя­ют довольно часто.

Проведя несколько повторных измерений одной и той же ве­личины и получив различные результаты, определяют среднее арифметическое значение ряда измерений X и принимают его за значение измеряемой величины Х_ист, т.е. принимают Х_ист = X.

Из результатов многократных измерений можно получить бо­лее полную информацию об интересующей нас величине, например о размере опытной детали, если провести еще несложную математи­ческую обработку результатов всех проведенных измерений. Прак­тика показывает, что при современных требованиях к производству точных изделий боязнь небольшой математической обработки ре­зультатов измерений является врагом точности.

Поэтому, ценность результата многократных измерений значительно повышается, если
кроме среднего арифметического значения X будет определена пре­
дельная погрешность среднего арифметического в виде σ которая
зависит от значения амплитуды рассеяния размеров и количества
проведения измерений п.

Предельная погрешность среднего арифметического опреде­ляется по формуле

где σ - средняя квадратическая погрешность ряда измерений.

Если при многократных измерениях появится погрешность больше. За, то такую погрешность считают грубой, и результат из­мерения с такой погрешностью отбрасывают. Причинами грубой погрешности могут быть неправильное снятие показаний по шкале прибора или ошибка при записи результата измерения.

Эталоны, поверочная схема и порядок доведения значения эталона до производственных измерений

Слово "эталон" — французского происхождения (etalon); в буквальном смысле означает образец, мерило, идеальный или узаконенный образец чего-либо.Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизве­дение и хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измере­ний и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Если эталон воспроизводит единицу с наивысшей в стране точностью, то он называется первичным.

Эталоны, значения которых установлены по первичному эта­лону, называются вторичными. Они создаются и утверждаются для организации поверочных работ и для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия предназначен для хранения единицы и передачи ее размера рабочим эталонам.

Эталон сравнения применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть сличаемы друг с другом.

Эталон-свидетель применяется для проверки сохранности го­сударственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Рабочий эталон применяется для хранения единицы и переда­чи ее размера образцовым средствам измерения высшей точности и при необходимости наиболее точным рабочим мерам и измери­тельным приборам.

Единицу массы (килограмм) воспроизводят с помощью платиноиридиевого прототипа N 12. Он получен Россией в 1889 г. и узаконен в качестве эталона массы в нашей стране в 1918 г.

Единицу времени (секунду) воспроизводят посредством эталона, основой которого являются генераторы на атомарном водороде и кварцевые часы.
В настоящее время эталонная база насчитывает 150 государственных первичных и 60 вторичных эталонов.

Передача размеров единиц от эталонов рабочим мерам и из­мерительным приборам осуществляется посредством образцовых средств измерений. Образцовые средства измерений представляют собой меры, измерительные приборы или преобразователи, предна­значенные для поверки и градуировки по ним других средств изме­рений и в установленном порядке утвержденные в качестве образ­цовых. Образцовые средства измерения должны быть аттестованы, и на них выдаются свидетельства с указанием метрологических па­раметров и разряда. Все образцовые средства измерений подлежат обязательной периодической поверке в установленные правилами Госстандарта сроки.

Научно-техническую сторону передачи размеров от эталона до изделия обеспечивают поверочные схемы, представляющие со­бой документ, устанавливающий метрологическое соподчинение эталонов, образцовых средств измерений и порядок передачи разме­ра единицы образцовым и рабочим средствам измерений.

В поверочной схеме указываются наименование утвержденно­го государственного эталона, вторичных эталонов, образцовых и рабочих средств измерений и методов поверки; приводятся погреш­ности воспроизведения передачи размера единицы каждому средст­ву измерений, указанному в схеме. В ней наблюдается постепенное, теоретически и практически обоснованное снижение точности от высших звеньев к низшим, но лишь в такой степени, которая обес­печивает требуемую точность рабочих мер и приборов.

Поверкойназывается совокупность операций, выпол­няемых органом государственной метрологической служ­бы или соответствующей службой юридического лица с це­лью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным техническим требованиям

Если средство измерений по результатам поверки призна­но годным к применению, то на него или в техническую доку­ментацию наносится оттиск поверительного клейма или вы­дается свидетельство о поверке.

Обеспечение правильности передачи размера единиц величин регламентируется специальным докумен­том — поверочной схемой.

Поверочная схемапредставляет собой документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участву­ющих в передаче размера единицы от государственного эталона к рабочим средствам измерений с указанием ме­тодов и погрешности при передаче. Государственная поверочная схема распространяется на все средства измерений данного вида, применяемые в стра­не. Во главе этой схемы находится государственный эталон. Схемы, которые охватывают только средства измерений, находящиеся в обращении в отдельном министерстве или ведомстве, называются ведомственными.Во главе их нахо­дится рабочий эталон.

Государственные поверочные схемы утверждаются Гос­стандартом России, ведомственные и локальные — соответ­ственно ведомственными метрологическими службами или руководством организаций, на которые распространяется действие поверочной схемы.