Классификация измерительных средств и методов измерения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

и задания к выполнению контрольной работы

по дисциплине

«Прикладная метрология»

(ГОС-2000)

для студентов всех форм обучения

специальности 050501.65 Профессиональное обучение
(машиностроение и технологическое оборудование) (030500.08),

специализации

«Сертификация, метрология и управление качеством
в машиностроении» (030502.08)

Екатеринбург 2012

Методические указания и задания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Прикладная метрология». – Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2012. – 26 с.

Составитель: доцент, канд. пед. наук М.А.Черепанов

В методических указаниях приведены краткие теоретические сведения и методика выполнения контрольной работы. Представлены варианты заданий.

Обсуждены на заседании кафедры материаловедения, технологии контроля в машиностроении и методики профессионального обучения.

Протокол от 13 января 2012 г., № 7.

Заведующий кафедрой Б.Н. Гузанов

Рекомендованы к печати методической комиссией машиностроительного института РГППУ. Протокол от «18» января 2012 г., № 5.

Председатель методической

комиссии МаИ РГППУ А.В. Песков

© ФГАОУ ВПО «Российский государственный

профессионально-педагогический

университет», 2012

© Черепанов М.А., 2012

Введение

Метрология (от греч. «метро» – мера, «логос» – учение) – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности измерений [13]. В современном обществе она играет огромную роль. Это связано с тем, что практически нет ни одной сферы человеческой деятельности, где бы не использовались результаты измерений. В нашей стране ежедневно выполняется свыше 20 млрд различных измерений. Затраты на обеспечение и проведение измерений составляют около 20% общих затрат на производство продукции.

Знания в области метрологии необходимы работникам производственной сферы, а также специалистам по реализации продукции, менеджерам, экономистам, которые должны использовать достоверную измерительную информацию в своей деятельности [10].

С помощью измерений получают информацию о состоянии производственных, экономических и социальных процессов. Измерительная информация служит основой для определения качества продукции, для принятия решений при внедрении систем качества, используется в научных экспериментах и т.д. И только ее достоверность и точность обеспечивают правильность решений на всех уровнях управления, а недостоверная информация приводит к снижению качества продукции, авариям, неверным решениям.

Для количественного определения (измерения) того или иного параметра, характеристики продукции, процесса (т.е. любого объекта) необходимо: выбрать параметры, которые характеризуют интересующие нас свойства объекта; установить степень достоверности, с которой следует определять выбранные параметры, а также допуски, нормы точности и т.д.; выбрать методы и средства измерений для достижения требуемой точности; обеспечить готовность средств измерений выполнять свои функции измерений (посредством периодической поверки, калибровки средств измерений по соответствующим эталонам); обеспечить учет или создание требуемых условий для проведения измерений, обработку результатов измерений и оценку характеристик погрешностей [12].

Как правило, требования, предъявляемые к объекту (детали или процессу), отражаются в нормативно-технологических документах, основными из которых являются чертежи и операционные карты технического контроля с указанием в последних предельных значений или допусков контролируемых размеров, средств измерений и времени на проведение операций контроля. От исполнителей контроля требуется знание средств измерений и методик выполнения измерений конкретным измерительным средством.

Целью выполнения контрольной работы по дисциплине «Прикладная метрология» является выбор средства измерений размеров для гладких наружных и внутренних поверхностей и методики выполнения измерений.

При выполнении контрольной работы необходимо:

- провести анализ требований к точности контролируемой (измеряемой) детали;

- учитывая имеющийся парк средств измерений, назначить методы и средства измерений заданных размеров детали;

- предложить методику проведения поверки выбранного средства измерения;

- формировать умения пользоваться справочной литературой, ГОСТами, правилами, рекомендациями и другой технической литературой.

Теоретическая часть

Основы технических измерений

Классификация измерительных средств и методов измерения

Измерением (РМГ 29-99) называется совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения измеряемой величины. Результатом измерения является значение величины, полученное путем ее измерения. Основное уравнение измерения: Q = q×[Q], где Q – значение физической величины; q – числовое значение данной физической величины в принятых единицах; [Q] – единица данной физической величины.

Единство измерений – это состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы. Без единства измерений невозможно сопоставление результатов измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Для характеристики качества измерений применяют такие термины, как «точность», «правильность», «сходимость» и «воспроизводимость» измерений.

Точность измерений – качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов, как систематических, так и случайных.

Правильность – качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах. Результаты измерений правильны постольку, поскольку они не искажены систематическими погрешностями.

Сходимость – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях (одним и тем же средством измерений, одним и тем же оператором). Для методик выполнения измерений это одна из важнейших характеристик.

Воспроизводимость – качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в разных местах, разными методами и средствами измерений). В процедурах испытаний продукции воспроизводимость является одной из важнейших характеристик.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерений происходит из-за несовершенства метода измерений, непостоянства условий наблюдений, а также из-за недостаточного опыта наблюдателя.

Средство измерений (СИ) по РМГ 29-99 – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспринимающее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течении известного интервала времени. В зависимости от поставленной задачи или от отличительных признаков, имеющихся в средствах измерения, их подразделяют на меры, стандартные образцы, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Например, килограммовая гиря является мерой воспроизведения массы (веса) в 1 кг. Слово «воспроизведение» обозначает следующее: если мы используем меру, то всегда «воспроизводим» значение размера, который на нем указан.

Меры подразделяются:

- на однозначные, т.е. воспроизводящие физическую величину одного размера (например, колбочка);

- многозначные, т.е. воспроизводящие физические величины разных размера (например, линейка, мерный сосуд, шприц и т.д.);

- набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);

- на магазин – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Стандартные образцы (СО) – это образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Стандартные образцы утверждены ГОСТ 8.315-97.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Другими словами, прибор должен выдать информацию о значении измеряемого размера. Примерами измерительных приборов являются штангенприборы, микрометрические приборы, оптиметры, инструментальные микроскопы и т.д.

Измерительные приборы по способу индикации подразделяются:

- на показывающие (показывают отсчитываемые показания);

- регистрирующие (предусматривают регистрацию показаний).

Показывающие измерительные приборы в свою очередь подразделяются:

- на приборы прямого действия (например, амперметр, микрометр);

- приборы сравнения (например, весы, компараторы).

Для измерительных приборов обязательно должны быть нормированы их метрологические характеристики.

По способу определения значений измеряемой величины измерительные приборы подразделяют на две группы: приборы прямого действия и приборы сравнения.

Измерительный прибор прямого действия – прибор с одним или несколькими преобразователями сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи (без возвращения к выходной величине). Например, перемещения измерительного наконечника индикатора часового типа или измерительной головки в зависимости от размера контролируемого изделия преобразуются в перемещения указателя прибора относительно неподвижной шкалы.

Измерительный прибор сравнения – прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Сравнение осуществляется с номинальными размерами плоскопараллельных концевых мер длины при измерении линейных размеров изделий и с номинальными размерами угловых мер при измерении плоских углов изделий. К приборам сравнения относятся рычажные скобы, оптиметры, индикаторные нутромеры и др.

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 колес) или одного параметра различных изделий (например шероховатости или твердости).

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

Универсальные средства измерений для линейных и угловых измерений в зависимости от конструкции и принципа действия подразделяются на следующие группы:

1) механические (штриховые приборы с линейным нониусом: штангенприборы, универсальные угломеры и т.д.; микрометрические приборы: микрометры гладкие, микрометрические нутромеры и глубиномеры и т.д.);

2) рычажно-механические (рычажные, зубчатые, рычажно-зубчатые, пружинные);

3) оптические (инструментальные и универсальные измерительные микроскопы, проекторы и т.д.);

4) оптико-механические (оптиметры, длиномеры и т.д.);

5) пневматические;

6) электрические.

Измерительный преобразователь – это техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи. Измерительные преобразователи или входят в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п., с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Для получения результата измерения средства измерений применяются с помощью определенного метода. Методом измерения (РМГ 29-99) называется прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. К совокупности относятся: приборы с определенными метрологическими характеристиками, установочные меры или установочные образцовые детали с их точностными характеристиками, температурный режим измерения, базирование измеряемого объекта, характер измерительного контакта, количество и расположение выбранных для измерения точек или участков на поверхности контролируемых объектов, условия отсчета и использования результатов измерения.

Под принципом измерений понимают физическое явление или эффект, положенное в основу измерения.

По способу получения результатов измерения делят на прямые и косвенные, абсолютные и относительные.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины находят на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Примером служит определение плотности D тела цилиндрической формы по результатам прямых измерений массы m, высоты h и диаметра d цилиндра, связанных с плотностью уравнением .

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Относительное измерение – это измерение отношения величины к одноименной величины, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величины, принимаемой за исходную. Примером такого измерения может служить измерение диаметра отверстия индикаторным нутромером, настроенным по концевым мерам.

Основные методы прямых измерений:

- метод непосредственной оценки основывается на том, что значение измеряемой величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений (измерение диаметра отверстия микрометрическим инструментом);

- метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение рычажной скобой, настроенной по концевым мерам длины).

Метод сравнения с мерой может быть реализован в частных разновидностях, таких как дифференциальный метод, метод совпадений, нулевой метод.

Дифференциальный метод – метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами. Примером является измерение длины индикатором часового типа на стойке при настройке по блоку плоскопараллельных концевых мер длины.

При методе совпадений измеряют разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (измерение длины штангенциркулем).

Нулевой метод сравнения с мерой предполагает, что результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, например измерение массы груза на весах.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делят на три класса:

- эталонные и специальные измерения максимально возможной точности;

- контрольно-поверочные измерения, выполняемые государственными и заводскими измерительными лабораториями;

- технические измерения, выполняемые в процессе производства изделий. При технических измерениях погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.