4 (Лекции по метрологии)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ПР-2 «Метрология, сертификация и диагностика»

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ПР-2

________________В.В. Клюев

«___»____________2007г.

Для студентов курса факультета ПР

Специальностей 2005. 01, 2005. 03

Кандидат технических наук, доцент Пухальский В. А.

ЛЕКЦИЯ № 4

по дисциплине 2204 «Метрология, стандартизация, сертификация и взаимозаменяемость»

ТЕМА «Метрология, технические измерения и средства измерений»

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«___»_______________2007 г.

Протокол №___

МГУПИ – 2007г.

Метрология, технические измерения и

средства измерения

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. К основным задачам метрологии относятся: установление единиц физических величин и государственных эталонов единиц физических величии; создание образцовых средств измерении; определение физических констант и физико-химических свойств ве­ществ и материалов, а также получение стандартных образцов этих свойств; разработка стандартных методов и средств испытания и контроля; разработка теории измерении и методов оценки погрешностей; надзор за приборостроением и эксплуатацией средств измерений; систематические поверки мер и измерительных приборов; ревизии состояния измерении на предприятиях и органи­зациях.

4.1. Понятия об измерениях и единицах физических величин

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных техни­ческих средств, например измерение размеров вала микро­метром. За единицу физической величины принимают единицу измерения, определяемую установленным число­вым значением, которое принято за исходную (основную или производную) единицу (например, метр – единица длины и т. п.).

Основное уравнение измерения имеет вид Q = qU, где Q и q – измеряемая физическая величина и ее число­вое значение в принятых единицах; U – единица физи­ческой величины.

Измерения производят для установления действитель­ных размеров изделий и соответствия их требованиям чертежа, а также для проверки точности технологи­ческой системы и подналадки ее для предупреждения брака.

Вместо определения значения физической величины часто проверяют, находится ли действительное значение этой величины (например, размер детали) в установленных пределах. Процесс получения и обработки информации об объекте (параметре детали, механизма, процесса и т. д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющих воздействий на факторы, влия­ющие на объект, называют контролем. При контроле дета­лей проверяют только соответствие действительных значений изометрических, механических, электрических и дру­гих параметров нормирования допускаемым значениям этих параметров, например, с помощью калибров (см. гл. 6).

Для введения единообразия в единицах измерения во всем мире на XI Генеральной конференции по мерам в 1960г. была принята Международная система единиц (СИ).

В СИ установлены семь основных единиц, используя которые, можно измерять все механические, электрические, магнитные, акустические и световые параметры, а также характеристики ионизирующих излучений и параметры в области химии. Основными единицами СИ являются: метр (м) – для измерения длины; килограмм (кг) – для измерения массы; секунда (с) – для измерения времени; ампер (А) – для измерения силы электрического тока; кельвин (К) – для измерения температуры; моль (моль) – для измерения количества вещества и кандела (кд) – для измерения силы света.

Кроме семи основных единиц, СИ устанавливает произ­водные единицы, образованные с помощью простейших уравнений связи между физическими величинами. Так, единицу скорости образуют с помощью уравнения, опре­деляющего скорость прямолинейно и равномерно движу­щейся точки: и = S/t, где u – скорость; S – длина прой­денного пути: t – время движения точки. Подстановка вместо S и t их единиц СИ дает [u] = [S]/[t] = 1 м/с. Поэтому за единицу скорости СИ принят метр в секунду (м/с), равный скорости прямjлинейно и равномерно дви­жущейся точки, при которой она за время 1 с проходит путь длиной в 1 м.

В системе СИ для обозначения десятичных кратных (умноженных на 10 в положительной степени) и дольных (умноженных на 10 в отрицательной степени) приняты следующие приставки: экса (Э) – 10¹⁸; пета (П) – 10¹⁵; тера (Т) – 10¹²;

гига (Г) – 10⁹; мега (М) – 10⁶; кило (К) – 10³; гекто (г) – 10­­²; дека (да) –10¹;

деци (д) – 10^-1; санти (с) – 10^-2; милли (м) – 10^-3; микро (мк) – 10^-6; нано (н) – 10^-9; пико (п) – 10^-12; фемто (ф) – 10^-15; атто (а) – 10^-18;

4.2. Классификация измерительных средств и методов измерений

Средство измерения – это техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. К средствам измерений отно­сятся, например, различные измерительные приборы и инструменты: штангенинструменты, микрометры и др.

Принцип действия средства измерения – физический принцип, положенный в основу построения данного сред­ства измерения. Часто принцип действия отражен непо­средственно в названии средства измерения, например оптиметр.

Средство измерения, предназначенное для воспроиз­ведения физической величины: заданного размера, назы­вают мерой. Различают однозначные меры, воспроизводя­щие физическую величину одного размера (например, концевые меры длины, гири, конденсаторы постоянной емкости и т. д.), и многозначные меры, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера (например, рулетки, разделенные на миллиметры, конденсаторы пере­менной емкости).

Эталон единицы физической величины – средство изме­рения (или комплекс средств измерений), официально утвержденное эталоном для воспроизведения единицы физических величин с наивысшей достижимой точностью и ее храпения (например, комплекс средств измерений для воспроизведении метра через длину световой волны). Примером точности эталонов может служить государствен­ный эталон времени, погрешность которого за 30 тыс. лет не превысит 1 с.

Эталонные средства измерения – это меры, измери­тельные приборы или преобразователи, утвержденные в качестве эталонных. Они служат для контроля нижестоящих по поверочной схеме измерительных средств и в то же время сами периодически под­вергаются проверке по эталонам. Их точность имеет большое значение для обеспечения един­ства и правильности из­мерений,

Измерительное сред­ство и приемы его ис­пользования в совокуп­ности образуют метод измерения. По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки – метод измерения, пои котором значение величины определяют непосред­ственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерение длины с помощью линейки, размеров деталей микрометром, угломером и т. д.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения вы­соты L детали 1 (рис. 4.1) миниметр 2 закрепляют в стойке. Стрелку миниметра устанавливают на нуль по какому-либо образцу (набору концевых мер 3), имеющему высоту N, равную номинальной высоте L измеряемой детали. Затем приступают к измерению партии деталей. О точности размеров L судят по отклонению ±Δ стрелки миниметра относительно нулевого положения. При измерении линей­ных величин независимо от рассмотренных методов различают контактный и бесконтактный методы измерений. Примером первого является измерение размера вала штангенциркулем, а второго – измерение того же вала с помощью проекционных приборов, например микроскопа.

В зависимости от взаимосвязи показании прибора с измеряемой физической величиной измерения подраз­деляют на прямые и косвенные, абсолютные и относительные.

При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных, например измерение угла угломером, диаметра ­– штангенцир­кулем.

При косвенном измерении искомое значение величины определяют на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например определение среднего диаметра резьбы с помощью трех проволочек на вертикальном длиномере, угла с помощью синусной линейки и т. д.

Абсолютное измерение основано на прямых измерениях величины и (или) использовании значений физических констант, например измерение размеров деталей штан­генциркулем или микрометром. Относительное измерение основано на сравнении измеряемой величины известным значением меры, например измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной вели­чине, принимаемой за исходную. Размер в этом случае определяется алгебраическим суммированием размера установочной меры и показаний прибора. Например, высоту L детали 1 (см. рис. 4.1) находят по отклонению Δ от размера N, по которому построен миниметр:

L = N ± Δ.

4.3. Метрологические показатели средств измерения

При выборе средства измерения в зависимости от за­данной точности изготовления деталей необходимо учиты­вать их метрологические показатели (рис. 4.2): цену деления шкалы, диапазоны показаний и измерений, пре­делы измерения, измерительное усилие и др. Основным элементом отсчетного устройства является шкала, по кото­рой снимается отсчет. Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним от­меткам шкалы, например 0,002 мм при длине (интервале) деления шкалы прибора, равной 1 мм (под интервалом деления шкалы понимаем расстояние между осями двух соседних отметок шкалы).

Начальное и конечное значения шкалы – соответственно наименьшее и наибольшее зна­чения измеряемой величины, указанные на шкале, харак­теризующие возможности шкалы измерительного средства и определяющие диапазон показаний.

Диапазон показаний – область значений шкалы, огра­ниченная конечным и начальным значениями шкалы. Диапазон измерений, состоящий из диапазонов показаний и перемещения измерительной головки по стойке при­бора, – это область значении измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Придел измерении – наибольшее пли наи­меньшее значение диапазона измерений.

Одной из основных характеристик контактных средств измерения линейных и угловых величин контактным мето­дом является измерительное усилие, которое возникает в зоне контакта чувствительного элемента средства изме­рений с деталью пли другим исследуемым объектом.

При анализе измерений сравнивают истинные значения физических величин с результатами измерений. Отклоне­ние Δ результата измерения X от истинного значении Q измеряемой величины называют погрешностью измерения:

Δ = X –Q

Под точностью измерений понимают качество измере­ний, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины (высокая точность изме­рений соответствует малым погрешностям).

Погрешности измерений обычно классифицируют по причине их возникновения и по виду погрешностей.

В зависимости от причин возникновения выделяют сле­дующие погрешности измерений.