авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Псковский государственный политехнический институт С.И. Дмитриев И.Г. Ершова ...»

-- [ Страница 2 ] --

Измерительный инструмент – бесшкальное средство измерения, не имеющее преобразовательных элементов, предназначенное для контроля размеров и (или) для контроля формы и относительного положения по верхностей. К измерительному инструмент у относят:

• калибры (предельные калибры-пробки и скобы, конусные калиб ры, резьбовые, шлицевые, шпоночные и др., см. рис. 2.4);

• измерительный инструмент (щупы, шаблоны, поверочные и си нусные линейки, угольники, контрольные призмы, контрольные плиты и т.д.).

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительные приборы классифицируются:

• по физическому принципу действия;

• по назначению;

• по количеству измеряемых координат;

• по наличию контакта с поверхностью детали.

По физическому принципу:

• механические;

• пневматические;

• гидравлические;

• оптические;

• электрические;

• электронные;

• комбинированные.

По назначению:

• приборы общего назначения (универсальные) – для измерения размерно-геометрических параметров деталей, формы и относительного расположения поверхностей вне зависимости от конструкции деталей (штангенциркуль, микроскоп и др.);

• специальные измерительные приборы – приборы для измерения параметров зубчатых колес, шероховатости, больших размеров, внутрен них размеров и др.).

По количеству измеряемых координат:

• однокоординатные;

• двухкоординатные;

• трехкоординатные.

По наличию контакта с поверхностью детали:

• контактные;

• бесконтактные.

Измерительная установка – совокупность функционально объеди ненных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для вы работки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непо средственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте (например, установка для измерений удельного сопротивления электро технических материалов, установка для испытаний магнитных материа лов). Некоторые виды измерительных установок получили название изме рительных машин. Например, координатно-измерительная машина для из мерения параметров сложных изделий в двухмерном или трехмерном про странствах.

Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомога тельных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназна ченная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Калибры Калибры-пробки гладкие Калибры для резьбы метрической полные неполные дюймовой Калибры-скобы гладкие трубной регулируемые нерегулируемые трапецеидальной упорной Калибры для шпоночных Калибры для контроля конусов соединений Проволочки и ролики для измерения Калибры для шлицевых средних диаметров соединений Калибры для контроля взаимного Калибры конусные для расположения поверхностей резьб Калибры для контроля длин, уступов, Калибры для контроля высот, глубин подшипников Рис. 2.4. Классификация калибров В зависимости от назначения измерительные системы разделяются на измерительные информационные (ИИС), измерительные контролирую щие, измерительные управляющие и др.

Измерительную систему, снабженную средствами автоматического получения и обработки измерительной информации называют автомати ческой измерительной системой. В автоматизированных производствах измерительные контролирующие системы работают автоматически и их называют системами автоматического контроля (САК).

Измерительное устройство – категория средств измерений, охваты вающая измерительные приборы и измерительные преобразователи.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объ единенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных средств, предназначенных для выполнения в составе ИИС конкретной из мерительной задачи.

Средство контроля – техническое устройство, вещество и (или) ма териал для проведения контроля.

Классификация средств измерения и контроля геометрических вели чин приведена на рис. 2.5. Классификация средств автоматизации и меха низации контроля – на рис 2.6.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ Элементарные Комплексные Устройства Измерите- Измерите- Измерительно- Измерите Измерительные Меры сравнения льные льные вычислительные льные преобразователи приборы системы комплексы установки (компараторы) Однозначные Аналоговый Первичный Многозначные Цифровые Промежуточный Наборы мер Регистрирующие Масштабный Магазины мер Показывающие Аналоговый Установочные Аналого-циф ровой Ввозимые Цифро-анало говый Встроенные Рис. 2.5. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям Средства автоматизации и механизации контроля Автоматические Приборы и устройства Преобразователи средства контроля разные машины электроконтактные автоматы измерительные измерительные пневмоэлектроконтактные полуавтоматы роботы Приборы активного координатно-измери индуктивные контроля тельные машины Устройства и узлы к контрольно-измери фотоэлектрические ПАК тельные модули реле измерительные емкостные электронные системы механотронные фильтры тактильные стабилизаторы оптикоэлектронные прочие прочие Рис. 2.6. Классификация средств автоматизации и механизации контроля 2.5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ 2.5.1. Методы измерений Под методом измерения понимается совокупность используемых измерительных средств и условий их применения. Методы измерений весьма разнообразны. Их появление обусловлено научно-техническим прогрессом. Методы измерения можно классифицировать по различным признакам.

По физическому принципу, положенному в основу измерения:

• электрические;

• магнитные;

• акустические;

• оптические;

• механические и т. д.

По режиму взаимодействия средства и объекта измерений:

• статические;

• динамические.

По применяемому в СИ виду измерительных сигналов:

• аналоговые;

• цифровые.

Наиболее разработанной является классификация по совокупности приёмов использования принципов и средств измерений. По этой класси фикации методы измерения подразделяются следующим образом (табл. 2.1).

В зависимости от характера оценки полученной измерительной ин формации различают методы:

• абсолютный (непосредственной оценки);

• относительный (сравнение с мерой).

Метод измерений называют методом непосредственной оценки (аб солютный), если значение измеряемой величины определяют непосредст венно по отсчетному устройству измерительного прибора:

x = n [x ], где х – искомая физическая величина;

n – значение физической величины;

[x] – единица физической величины.

Метод прост, не требует дополнительных вычислений и высокой квалификации оператора. Недостатки метода – с увеличением измеряемо го размера увеличивается погрешность измерения, т. е. приборы с боль шими пределами измерения имеют, как правило, невысокую точность.

Метод измерения называют методом сравнения (относительный), если измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (эталоном):

x = (m ± n ) [x ], где m – размер меры;

n – разница между размером меры (например, блоком концевых мер) и размера, воспроизводимого измеренной деталью.

Таблица 2.1.

Характеристики и области применения различных методов измерения Наименование Характеристика методов Область применения метода измерения Абсолютный Прибор показывает абсолют- Измерение микромет ное значение измеряемой ве- ром, штангенциркулем, (непосредст венной оценки) личины длинномером Прибор показывает отклоне- Измерение оптиметром, Относитель ние значения измеряемой ве- индикаторным нутроме ный личины от размера устано- ром (метод сравне вочной меры или иного об ния с мерой) разца Значение искомой величины Измерение диаметров или отклонение её отсчиты- микрометром или инди Прямой вают непосредственно по катором на стойке прибору Значение искомой величины Измерение угла синус или отклонение от неё нахо- ной линейкой;

диаметра дят по результатам измере- по длине дуги и углу, Косвенный ния другой величины, свя- опирающемуся на неё занной с искомой определён ной зависимостью Контроль резьбы на про Определяется или ограничи екторе и комплексными вается сумма погрешностей Комплексный калибрами, двухпро отдельных геометрических фильная проверка зубча элементов изделия тых колёс Контроль среднего диа Определяется погрешность метра, шага, и угла про Элементный каждого геометрического филя резьбы;

основного (дифференци элемента изделия в отдельно- шага, профиля, накоп альный) сти ленной погрешности, шага зубчатых колёс Измерительная поверхность Измерение механиче прибора соприкасается с кон- скими приборами Контактный тролируемой поверхностью детали Чувствительный элемент Измерение на проекто прибора не соприкасается с рах пневматическими и Бесконтактный контролируемой поверхно- ёмкостными приборами стью Схема применения метода сравнения представлена на рис. 2.7. При этом методе мера выступает не в виде неотъемлемой части конструкции измерительного прибора, а как самостоятельное средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Возможность использования средства измерения для измерения методом сравнения определяется тем, что диапазон измерения данного средства больше его диапазона показаний. Некоторые приборы предна значены только для измерения методом сравнения (например, когда шкала прибора состоит из одной нулевой отметки).

n m Блок концевых мер для настройки прибора Рис. 2.7. Схема измерения методом сравнения Выбор метода определяется соотношением между диапазоном пока заний средства измерения и значением измеряемой величины. Если диапа зон показаний меньше измеряемой величины, то используют метод срав нения. Этот метод используют при контроле деталей в массовом и серий ном производстве, т. е. тогда, когда нет частых переналадок измерительно го прибора на новое значение измеряемой величины и, когда достаточной является информация об отклонении измеряемой величины от установлен ного значения. Использование метода сравнения позволяет применять при конструировании приспособлений малогабаритные типовые преобразова тели.

По сравнению с абсолютным методом сравнительный имеет более высокую точность, метод имеет ещё другое название – относительный.

Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей:

• нулевой;

• замещения;

• совпадений.

Сущность нулевого метода состоит в том, что при сравнении изме ряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой, их различие сво дят к нулю. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором.

Разновидность метода сравнения с мерой – метод замещения (за мещение измеряемой величины мерой с известным значением).

При методе совпадений разность между измеряемой величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал.

Примером может служить измерение размера при помощи штангенцирку ля с нониусом: наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса.

Следует отметить, что приборы, предназначенные для метода срав нения, могут быть также использованы и для метода непосредственной оценки. Например, на оптиметре, предназначенном для измерения методом сравнения с мерой, можно измерять изделия методом непосредственной оценки, если размер изделия находится в пределах длины шкалы.

С другой стороны возможно приборы, предназначенные для изме рения методом непосредственной оценки использовать для измерения ме тодом сравнения с мерой. Например, для контроля изделий применяют микрометр, предварительно установленный на номинальный размер изде лия по концевой мере длины.

В зависимости от приёмов получения измерительной информации и характера оценки измеряемой величины:

• прямые;

• косвенные.

При прямом измерении искомое значение величины находят непо средственно из опытных данных по показаниям прибора (измерение мик рометром, измерительной линейкой).

При косвенном измерении искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

В зависимости от специально поставленной цели:

• комплексный;

• дифференциальный.

Комплексный метод измерения направлен к ограничению пре дельных контуров изделий, которые (контуры) определяются величинами и расположением полей допусков.

Дифференциальный (элементный) метод измерения характери зуется тем, что параметры каждого элемента изделия измеряют независимо от других элементов.

Комплексный метод имеет ряд преимуществ перед дифференциаль ным:

• суммарное проявление погрешностей различных элементов, при котором возможна их взаимная компенсация;

• выявление именно тех погрешностей, которые проявляются при эксплуатации;

• производительность.

В зависимости от наличия контакта измерительной поверхности измерительного средства с поверхностью измеряемого изделия:

• контактный;

• бесконтактный.

Так, измерение диаметра вала измерительной скобой осуществляет ся контактным методом, измерение параметров изделия на измерительной машине, снабжённой электронными щупами, – бесконтактным методом.

При контактных методах измерений контакты подразделяются с учётом формы соприкасающихся поверхностей на:

• точечные (микрометром проверяют диаметр шара);

• линейные (микрометром проверяют диаметр цилиндра);

• поверхностные (плоскопараллельной концевой мерой длины проверяют паз).

При бесконтактных методах измерения (с помощью проекционных приборов, пневматических, интерференционных и др.) отсутствует сопри косновение поверхностей измеряемого изделия с измерительными поверх ностями прибора.

Очевидно, что выбор метода измерений зависит от его теоретиче ской обоснованности, наличия необходимых средств измерений, их вида (мера, измерительный прибор и др.) и конструктивных особенностей. На пример, чтобы решить такую простейшую измерительную задачу, как из мерение высоты заводской трубы, можно выбрать один из следующих ме тодов:

• поднимаясь с рулеткой на трубу, произвести измерение (метод сравнения с мерой);

• снабжённому высотомером вертолёту подняться до уровня трубы и измерить расстояние до земли (метод непосредственной оценки);

• вычислить высоту трубы как катет прямоугольного треугольника на основании прямых измерений горизонтального расстояния до трубы и вертикального угла, образованного основанием и вершиной трубы (метод косвенных измерений).

Если метод измерений предусматривает разработку основных приё мов применения средств измерений, то методика измерений – это по су ти дела технология выполнения измерений с целью наилучшей реализа ции выбранного метода измерений. Методика измерений предопределяет требования к выбору средств измерений, порядок выполнения операций, необходимость соблюдения установленных условий измерений, числа из мерений, способов обработки их результатов. В нашей стране разрабаты ваются нормативно-технические документы, устанавливающие конкрет ные методики измерений. Вместе с тем, хотя понятие «методика измере ний» и используется в метрологической практике, оно не стандартизиро вано в рамках ГСИ. Учитывая имеющийся опыт разработки методик из мерений, можно сформулировать следующее определение этого понятия:

методика измерений – это установленная совокупность операций и пра вил, выполнение которых при измерении обеспечивает получение резуль татов измерений в соответствии с данным методом.

2.5.2. Виды и формы контроля В технике наряду с понятием «измерение» широко применяется по нятие «контроль». Применительно к машиностроению контроль – это со вокупность экспериментальных операций, имеющие целью установление факта нахождения значения физической величины в пределах заданных границ или вне этих границ.

Организация контроля зависит от технических требований и произ водственных условий (табл. 2.2). Различают следующие формы контроля:

• 100 % готовых изделий;

• выборочный готовых изделий;

• статистический (инженерные обоснования и расчётная система выборочного контроля).

Основные виды контроля:

• комплексный и дифференциальный;

• активный и пассивный;

• автоматический и неавтоматический.

Активным контролем называют такой контроль, по результатам ко торого осуществляется воздействие на технологический процесс с целью обеспечения заданного качества. Пассивный контроль – контроль при ко тором результаты измерения параметров детали не используются для не посредственного воздействия на технологический процесс.

Активный контроль классифицируется:

• до обработки;

• в процессе обработки;

• после обработки.

Как активный, так и пассивный контроль могут быть автоматиче ским или неавтоматическим.

Таблица 2.2.

Характеристика форм контроля Используемые Форма Условия и области измерительные контроля применения средства 100% кон- Нестабильность техноло- Калибры (в основном для троль гото- гического процесса. серийного производства).

вых деталей Рассеивание размеров пре- Универсальные измеритель (полный).

восходит поле допуска (в ные средства (в основном том случае, когда намерен- для индивидуального и мел но идут на бракование час- косерийного производства).

ти деталей).

Специализированные изме Сортировка деталей на рительные средства (кон группы для групповой трольные автоматы, полуав сборки. томаты, механизированные Контроль ответственных и ручные приспособления, в (аварийных) параметров. том числе многомерные и многопозиционные).

Выбороч- После обработки, при ко- В основном универсальные ный кон- торой применяется кон- средства измерений и спе троль гото- троль в процессе её выпол- циальные измерительные вых изде- нения. устройства.

лий. Контроль неответственных параметров.

Статистиче- Приёмка продукции потре- Универсальные средства ский кон- бителем (особенно боль- измерения.

троль. ших партий). Специальные средства.

Стабильность технологиче- Универсальные и специаль ского процесса. ные средства измерений.

2.6. ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ Важнейшими свойствами средств измерений являются те, от кото рых зависит качество (точность) получаемой с их помощью измерительной информации. Эти свойства определяются метрологическими характери стиками средств измерений. Метрологические характеристики относятся к показателям функциональным и технической эффективности средств из мерений. Это важнейшие показатели. Их перечень составляется примени тельно к каждой группе средств измерений.

Перечни метрологических характеристик, как показывает анализ, различаются весьма существенно. Это объясняется, прежде всего, разно образием видов и типов средств измерений, а также различным подходом разработчиков к нормированию.

ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристи ки средств измерений» устанавливает четкие критерии выбора нормируе мых метрологических характеристик.

Метрологические характеристики средств измерений — это ха рактеристики, оказывающие влияние на результаты измерений (номиналь ное значение меры, номинальная функция преобразования измерительного преобразователя, цена деления шкалы измерительного прибора и др.) и на погрешности измерений (характеристики систематической и случайной составляющих погрешности, чувствительности к влияющим величинам и др.). Нормирование метрологических характеристик, оказывающих влия ние на результаты измерений, не вызывает затруднений. Эти характери стики закладываются при проектировании средств измерений и затем ука зываются в нормативно-технической и эксплуатационной документации.

Они, как правило, не нуждаются в контроле, – контролируются отклонения действительных значений (функций) от номинальных, определяющие по грешности измерений.

Нормирование метрологических характеристик, влияющих на по грешности измерений, в настоящее время является весьма сложным.

Различают номинальные метрологические характеристики, указы ваемые в нормативно-технической документации, и действительные, ус танавливаемые экспериментальные. Характеристики могут быть статиче скими, определяющими показатели точности в статическом или в устано вившемся режиме работы и динамическими, определяющими изменение выходного измерительного сигнала во времени.

Метрологические характеристики средств измерений задаются для нормальных и рабочих условий, регламентируемых ГОСТ 8.050-73.

Основные метрологические характеристики средств измерений при ведены ниже.

Цена деления шкалы – разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. В измери тельных приборах величина длины деления шкалы обычно составляет 1…2,5 мм.

Шкала средств измерения имеет начальное и конечное значения.

Они соответствуют наименьшему и наибольшему значениям измеряемой величины, которые могут быть подсчитаны по шкале средства измерения.

Градуировочная характеристика средства измерений (функция преобразования) – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы. Функция преобразования описывает статические свойства пре образователя и в общем случае записывается в виде:

y = f ( x, ri ).

В подавляющем большинстве случаев стремятся иметь линейную функцию преобразования. Функция преобразования идеального измери тельного прибора при отсутствии помех описывается уравнением y = kx.

Она линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало координат. Реальная передаточная функция в статическом режиме имеет вид:

y = k (1 + ) x + 0 + [ f ( x)].

Действительная функция может отличаться от желаемой смещением нуля 0, наклоном и нелинейной составляющей [f(x)]. Такие отклоне ния действительной функции измерительного прибора приводят к возник новению аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности измерения.

Функцию преобразования рассматривают обычно в трех аспектах:

• номинальная (желаемая) функция преобразования. При равно мерной шкале прибора номинальная функция преобразования – прямая;

• функция преобразования, обусловленная схемой измерительного прибора;

• действительная функция преобразования, учитывающая погреш ности изготовления и сборки измерительного прибора.

Различие между приведенными выше функциями преобразования рассмотрим на примере рычажного измерительного прибора, представ ленного на рис. 2.8.

Из рисунка 2.8 следует:

x = r1 sin ;

= arcsin (x / r1 );

l = r2 arcsin ( x / r1 ), где x – измеряемая величина (входной сигнал);

– величина угла поворота рычага при изменении входного сигнала;

r1, r2 – плечи рычага;

l – выходной сигнал.

x r l r Рис. 2.8. Схема рычажного измерительного прибора Различные функции преобразования рычажного измерительного прибора представлены на рис. 2.9.

2 l x Рис. 2.9. Функции преобразования: 1 – номинальная, 2 – обусловленная схемой, 3 – действительная Чувствительность измерительного прибора – отношение измене ния сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изме нению измеряемой величины.

Различают абсолютную и относительную чувствительность. Абсо лютная чувствительность определяется формулой (см. рис. 2.10).

S = l / x.

x l x Рис. 2.10. Схема измерения размеров деталей Относительная чувствительность определяется формулой:

S 0 = l /( x / x), где l – изменение сигнала на выходе;

х – измеряемая величина;

x – из менение измеряемой величины.

Абсолютная чувствительность может быть выражена как S = tg, где – угол наклона номинальной функции преобразования (см. рис. 2.9).

Чувствительность средств измерений должна быть постоянной для всего диапазона измерений (функция преобразования при этом – линей ная).

Порог чувствительности (разрешающая способность) – наимень шее изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапа зона измерений.

Смещение уровня настройки – погрешность, равная разности уровней за установленное время работы средства измерения. Под уровнем настройки понимается значение выходного сигнала, соответствующее значению измеряемой величины, по которому производилась настройка.

Некоторые средства измерений обладают вариацией показаний, под которой понимается разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к ней со стороны мень ших и больших значений измеряемой величины.

Характеристики погрешностей средств измерений – характери стики систематической и случайной составляющих погрешностей и слу чайной составляющей погрешности от гистерезиса, либо характеристики погрешности средств измерений (если нецелесообразно разделение на со ставляющие).

Нормируемыми характеристиками систематической составляющей S погрешности являются ее предельные значения SР с математическим ожиданием М[S] и средним квадратическим отклонением [S] распреде ления S по совокупности средств измерений данного типа. М[S] и [S] указывают для средств измерений, выпускаемых партиями, если их можно использовать для оценки погрешности измерений (т. е. если можно пре небречь изменениями этих характеристик в зависимости от времени и влияющих величин или возможно их нормирование в виде функций вре мени и условий применения). В остальных случаях нормируют только пределы SР. Их определяют, как границы интервала, в котором значение S всех средств измерений данного типа должно иметь вероятность Р, рав ную 1. Вероятность Р = 1 не контролируется, но по условию |S| |SР| производится отбраковка неисправных средств измерений при приемо сдаточном контроле и поверке. На практике SР удобно устанавливать, за даваясь каким-либо значением вероятности Р, близким к 1. Например, если известно, что распределение S вновь изготовленных средств измерений подчиняется нормальному закону, то, задаваясь Р = 0,997, можно устано вить границы SP = M [ S ] ± 3 [ S ].

o Нормируемой характеристикой случайной составляющей погреш o ности средств измерений является предел Р[ ] допускаемых значений o среднего квадратического отклонения [ ].

Если средство измерений предназначено для работы в условиях, при которых необходимо учитывать корреляцию случайной погрешности во времени, дополнительно может нормироваться нормализованная автокор o реляционная функция r ().

o Нормируемой характеристикой случайной составляющей н по грешности от гистерезиса является предел (без указания знака) вариации Нр выходного сигнала или показания средства измерений.

Характеристикой погрешности средств измерений (при нормальных или рабочих условиях измерений) является значение погрешности. При ее нормировании устанавливают пределы (положительный и отрицательный) р допускаемой погрешности и предел Нр допускаемой вариации.

Нормирование пределов р допускаемой погрешности средств из мерений без указания составляющих погрешности – наиболее простой и удобный для контроля способ нормирования. Однако его применяют не всегда. Согласно ГОСТ 8.009 – 84 это допустимо:

• если среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности в каждой точке диапазона измерений не превышает установ ленной доли предела допускаемой погрешности р q max o [] ;

• если средство измерений не предназначено для совместного при менения с другими средствами измерений и его погрешность в рабочих условиях применения практически полностью может быть определена нормированными границами (верхней в и нижней н), соответствующими нормальным условиям.

Например, для штриховых мер длины, обладающих незначительной случайной погрешностью, нормируют предел допускаемой основной по грешности р. Силоизмерительные машины, напротив, характеризуются существенной случайной погрешностью. Поэтому для них требуется раз дельное нормирование систематической и случайной погрешностей.

Метрологические характеристики конкретных средств измерений в определенный момент времени постоянны. Но с течением времени они из меняются из-за износа средств измерений, их старения, разрегулировки отдельных элементов, а по совокупности средств измерений данного типа они являются случайными вследствие разброса параметров технологиче ского процесса изготовления средств измерений и условий их эксплуата ции. Поэтому при нормировании метрологических характеристик необхо димо предусматривать возможность оценки соответствия конкретного средства измерений установленным нормам, а также оценки предельной погрешности при использовании этого средства измерений (для этой цели лучше всего подходит предел допускаемых значений метрологической ха рактеристики). Кроме того, должна быть предусмотрена возможность оп ределения вероятностных характеристик распределения погрешности ре зультата измерений, проводимых любым средством измерений данного типа (для этой цели подходят математическое ожидание и среднее квадра тическое отклонение значений метрологической характеристики по сово купности средств измерений данного типа, как пригодные для статистиче ского суммирования).

Рассмотренные выше характеристики являются метрологическими.

Кроме них существует большая группа характеристик, называемых немет рологическими. К ним относятся показатели надежности, устойчивости к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабо чего режима, напряжение питания, потребляемая мощность и др.

ГЛАВА 3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ 3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ Вследствие погрешностей, присущих средству измерений, выбран ному методу и методике измерений, отличия внешних условий, в которых выполняется измерений, от установленных, а также из-за других причин результат практически каждого измерения отягощен погрешностью. Эта погрешность вычисляется или оценивается и приписывается полученному результату.

Погрешность результата измерений (кратко – погрешность изме рений) – отклонение результата измерения от истинного значения изме ряемой величины. Пределы допускаемых погрешностей измерений регла ментируют ГОСТ 8.051-81 ГСИ «Погрешности, допускаемые при измере нии линейных размеров до 500 мм» и ГОСТ 8.549-86 «Погрешности, до пускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм с неуказанными допусками».

Погрешности измерений могут быть классифицированы по различ ным признакам.

1. По размерности (способу выражения):

• абсолютные;

• относительные;

• приведенные.

2. По закономерности (характеру) проявления:

• систематические;

• случайные;

• грубые;

• промахи.

3. По условиям изменения измеряемой величины:

• статические;

• динамические.

4. По источнику (месту) возникновения:

• метода;

• средства измерения;

• отсчета.

5. По влиянию внешних условий:

• основная;

• дополнительная.

Абсолютная погрешность измерения – разность между значением величины, полученным при измерении, и ее истинным значением, выра жаемая в единицах измеряемой величины x = xизм xист.

Истинное значение величины вследствие наличия погрешностей ос тается неизвестным. Его применяют при решении теоретических задач метрологии. На практике пользуются действительным значением величи ны, которое заменяет истинное значение. Погрешность измерения (х) на ходят по формуле:

x xизм xдейств, где хизм – значение величины, полученное на основании измерений;

хдейств. – значение величины, принятое за действительное.

За действительное значение при однократных измерениях нередко принимают значение, полученное с помощью образцового средства изме рений (погрешность которого на порядок меньше), при многократных из мерениях – среднее арифметическое из значений отдельных измерений, входящих в данный ряд.

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины.

x x = 100% 100%.

xист xдейств.

Основной недостаток относительной погрешности – зависимость ее от величины измеряемого размера.

Приведенная погрешность – отношение абсолютной погрешности к нормированному значению ХN:

x = x 100%.

xN За значение ХN обычно применяют верхний предел средства измере ния.

Абсолютная и относительная погрешности используются для выбора измерительных приборов. Приведенная погрешность используется для ус тановления класса средства измерений.

Класс точности средства измерения – обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точ ности измерений, выполняемых с помощью этих средств. Например, класс точности концевых мер длины характеризует близость их размера к номи нальному. Классы точности средств измерений указываются в документа ции и обычно обозначаются на самых измерительных приборах (цифер блатах, щитках, корпусах) прописными буквами латинского алфавита либо римскими цифрами.

Систематическая погрешность измерения (кратко – систематиче ская погрешность) – составляющая погрешности результата измерения, ос тающаяся постоянной для данного ряда измерений или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической ве личины.

По характеру проявления систематические погрешности подразде ляются на постоянные и изменяющиеся. Постоянные систематические погрешности (аддитивные) – погрешности, длительное время сохраняю щие свое значение (например, в течение всей серии измерений). Это наи более часто встречающийся вид погрешности. Постоянные систематиче ские погрешности при измерении имеют место, если реальная градуиро вочная характеристика смещена относительно номинальной на некоторую величину х (рис. 3.1 а, б). Эти погрешности можно почти полностью уст ранить введением соответствующей поправки.

Изменяющиеся систематические погрешности (мультипликатив ные) – это погрешности, возникающие от некоторого независимого от Х изменения чувствительности прибора. В этом случае погрешность оказывается про порциональной текущему значению Х. Изменяющиеся систематические погрешности подразделяются на прогрессивные и периодические.

Прогрессивные систематические погрешности (дрейфовые) – не прерывно возрастающие или убывающие погрешности (например, по грешности от износа измерительных наконечников, контактирующих с де талью при ее контроле (см. рис. 3.1 в, г). В некоторых приборах (рычажно механических) могут быть заложены степенные функции преобразования, тогда прогрессивные систематические погрешности имеют графики, пред ставленные на рис. 3.1, д, е, ж, з.

Периодическая систематическая погрешность – погрешность, значение которой является функцией времени или функцией перемещения указателя измерительного прибора (например, наличие эксцентриситета в угломерных приборах с круговой шкалой вызывает систематическую по грешность, изменяющуюся по периодическому закону в приборах с зубча тыми преобразователями). Пример периодической систематической по грешности представлен на рис. 3.1, и, к.

Изменяющиеся систематические погрешности могут быть скоррек тированы введением поправки лишь в данный момент времени.

Следует отметить, что в последнее время, приведенное выше опре деление систематической погрешности, подвергается обоснованной крити ке. Весьма аргументировано предлагается [2] считать систематическую по грешность специфической «вырожденной» случайной величиной, обла дающей некоторыми, но не всеми свойствами случайной величины, изу чаемой в теории вероятности и математической статистике.

Случайная погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся непредсказуемым случайным образом при по вторных измерениях одной и той же величины.

Эти погрешности определяются сложной совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Их частные значения не могут быть предсказаны, а может быть выделена лишь зона рассеивания с некоторой вероятностью.

Как правило, погрешности измерения (если исключить систематиче скую) подчиняются нормальному закону распределения с математическим ожиданием mx = 0 и дисперсией х2.

н б) a) р x l x x xн xр x x в) г) x lн р x x x x1 x д) е) р x l н x x x x1 x ж) з) x lн р x x x x x и) к) x р l н x x1 x x x Рис. 3.1. Разновидности систематических погрешностей измерения: а, б – постоянные;

в, г, д, е, ж, з – изменяющиеся прогрессивные;

и, к – изменяющиеся периодические Дисперсия х2 или среднее квадратическое отклонение х характери зуют величину рассеивания результатов измерения относительно mx. При нормальном законе распределения и большом числе измерений N поле рассеивания х при вероятности р оценивается:

х = ± 3х, (р = 0,9973);

х = ± 2х, (р = 0,954);

х = ± х, (р=0,8).

В соответствии с рекомендацией ИСО случайная погрешность изме рения принята с вероятностью 0,954, т.е. равной ± 2х. При ограниченном числе измерений (что происходит на практике) величину случайной по грешности оценивают:

x = ±t p S x, где tp – параметр распределения Стьюдента;

р – уровень вероятности;

Sх – оценка среднего квадратического отклонения.

1N Sx = ( xi x), N 1 i = где x – оценка математического ожидания, N x.

x= i N i = К случайным погрешностям относят также так называемые грубые погрешности и промахи.

Грубые погрешности – имеют место в том случае, если среди ре зультатов измерений есть выделяющиеся результаты. Грубые погрешности не исключают из результатов измерений, не проделав соответствующих статистических обоснований. Чтобы выявить грубую погрешность необхо димо:

• выделить наиболее выделяющийся результат (хk) и сравнить его со средним значением x выборки результатов измерений;

• рассчитать статистику (y):

x xk y= N / Sx.

Статистика имеет t-распределение Стьюдента с числом степеней свободы = N - 1 и на уровне значимости = g/2, где g = 1 - р;

р – уро вень вероятности.

Если g t kp = t, то k-ый результат (xk) измерений выбрасывать из общего ряда нельзя, т.е. учитывается.

Если g t kp, то результат измерений не учитывается.

Промахи – резко выделяющиеся результаты измерений. Промахи из результатов измерений исключаются.

Необходимо иметь ввиду, что разделение погрешности на система тические постоянные, систематические изменяющиеся и случайные явля ется лишь приемом их анализа, т.е. такое разделение было введено для удобства обработки результатов измерений исходя из характера их прояв ления. Разделение погрешности на систематическую постоянную, прогрес сирующую и случайную составляющие представляет собой попытку опи сать различные участки частотного спектра этого широкополосного про цесса: инфранизкочастотный, низкочастотный и высокочастотный. В ре альной действительности все эти составляющие проявляются, как правило, совместно. Например, систематические погрешности процесса измерения, связанные с использованием конкретного измерительного прибора, пере ходят в разряд случайных, если для измерений будет использовано множе ство таких приборов. Например, неправильная градуировка шкалы прибо ра вызовет систематическую погрешность при использовании одного при бора и случайную при измерениях многими аналогичными приборами.

Статическая погрешность – погрешность результата измерения, обусловленная условиями статического измерения. Статическая погреш ность – отклонение постоянного значения измеряемой величины на выходе средства измерения от истинного ее значения в установившемся состоя нии.

Динамическая погрешность – погрешность результата измерения, обусловленная условиями динамического измерения. Динамические по грешности возникают, если на результат измерения оказывает влияние скорость изменения измеряемой величины. Эта погрешность определяется как разность результатов показаний средства измерений в динамическом и статическом режимах его эксплуатации при одной и той же измеряемой величине.

Динамические погрешности возникают в результате влияния внеш них и внутренних сил, масс элементов средств измерений, их ускорений под воздействием сил, колебательных процессов. Примерами источников возникновения динамических погрешностей являются: изменение во вре мени контролируемых параметров, перемещение изделия (линейное и вращательное), наличие разрывов на поверхности измеряемого изделия (канавки, шлицы), погрешности формы, трение о поверхности детали, яв ление автоколебаний, явление удара соприкасающихся поверхностей при разарретирывании наконечников и др. Динамические явления приводят к запаздыванию появления выходного сигнала и увеличению погрешности показаний. Например, на рис, 3.2 представлено влияние динамических факторов на результаты измерений размера при установке вала на измери тельную позицию.

б) а) l Время to t Время срабатывания Рис. 3.2. Влияние динамических факторов на результат измерения диаметра вала:

а - схема измерения;

б - переходная характеристика измерительного прибора, l- выходной сигнал Реакция средства измерения на периодическое воздействие пред ставляет собой периодическую функцию с амплитудой и фазой, зависящи ми от частоты воздействия. На рис. 3.3 представлено влияние динамиче ских факторов на результаты при измерении радиального биения вала в центрах. При измерении с медленным вращением детали (1) даже при на личии эксцентриситета (е) или погрешностей формы (например, овально сти) динамических погрешностей не возникает, т.к. наконечник находится в постоянном контакте с контролируемой поверхностью и изменения из мерительного усилия незначительны. При увеличении угловой скорости (2) детали из-за инерционности подвижных частей измерительного при бора измерительное усилие в точке соприкосновения наконечника с по верхностью детали уменьшается. В результате изменения измерительного усилия изменяется деформация воспринимающих механических элементов прибора (толкателей или рычагов). При этом в фазе подъема участка про филя измерительное усилие и деформации возрастают, а в фазе спада уча стка профиля они уменьшаются. Следовательно, даже при постоянном контакте наконечника с поверхностью контролируемого изделия будет возникать первая динамическая составляющая погрешности измерения, вызванная изменением деформацией воспринимающих элементов. Нако нец, при достаточно высокой угловой скорости произойдет отрыв измери тельного наконечника, что приведет к появлению второй составляющей динамической погрешности.

Для изучения динамических погрешностей пользуются двумя час тотными характеристиками средств измерений (см. рис. 3.4):

• амплитудно-частотная (АЧХ);

• фазочастотная (ФЧХ).

АЧХ – зависимость амплитуды показаний прибора от скорости из менения измеряемой величины.

ФЧХ – зависимость угла фазы от скорости изменения измеряемой величины.

а) б) w2 w w1 w д статическая характеристика Время ц е время запаздывания (опережения) w Рис. 3.3. Влияние динамических факторов на результаты измерения радиального биения вала:

а - схема измерения;

б - графики изменения выходного сигнала в зависимости от величины скорости вращения детали, е - эксцентриситет, w - угловая скорость вращения, А - амплитуда колебаний, д - динамическая погрешность а) Ад з= Аcm механические измерительные системы 1 безинерционные измерительные системы пневматические измерительные системы 1 W K= Wo ц б) р W K= Wo Рис. 3.4. Амплитудно - частотная (а) и фазочастотная (б) характеристики средств измерений: Ад – амплитуда колебаний выходного сигнала в динамическом режиме работы;

Асm – в статическом;

W0 – собственная частота средства изме рения 3.2. Основные составляющие погрешности измерения Измерение – неотъемлемая часть любого технологического процесса.

Погрешности обработки наряду с погрешностями измерения являются со ставной частью суммарной погрешности изготовления деталей. Погреш ность обработки складывается из влияния технологических и метрологиче ских факторов. В настоящее время погрешности обработки и измерения изучаются независимо друг от друга, хотя они по существу вызываются одинаковыми факторами и подчинены одним и тем же законам. Таким об разом, при анализе измерительных и технологических систем должен быть единый, общий подход.

При измерениях всегда имеют место четыре фактора:

• метод измерения;

• измерительный прибор;

• внешняя среда;

• контролер.

Эти факторы являются источниками следующих составляющих по грешности измерения:

• погрешность метода;

• погрешность измерительного прибора;

• погрешность из-за воздействия внешней среды;

• погрешность отсчета (субъективная).

3.2.1. Погрешность метода измерений Методическая погрешность измерения обусловлена:

• отличием принятой модели объекта измерения от модели, адек ватно описывающей его свойства, которое определяется путем измерения;

• влиянием способов применения СИ;

• влиянием алгоритмов (формул), по которым производятся вычис ления результатов измерений;

• влиянием других факторов, не связанных со свойствами исполь зуемых средств измерения.

Отличительной особенностью методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документа ции на используемое СИ, поскольку от него не зависят, а должны опреде ляться оператором в каждом конкретном случае. В связи с этим оператор должен четко различать фактически измеряемую им величину и величину, подлежащую измерению.

Погрешность метода измерений может возникнуть из-за несовер шенства метода измерений или допущенных его упрощений, установлен ных методикой измерений. Например, погрешность метода (м) при кос венном измерении y = f (x1, x2, …, xn) рассчитывается по формуле:

2 y y y x2 2 +... + x xn, x12 + м = x x 1 2 n где xn – погрешность каждого прямого измерения.

При косвенном измерении, схема которого приведена на рис. 2.1 по грешность метода ( м ) рассчитывается:

D S 2S S + 1 h, м D = h h где h – погрешность прямого измерения величины h;

S – погрешность величины S.

Если измерение прямое и используется метод непосредственной оценки, то погрешность метода принимается равной нулю.

При прямом измерении методом сравнения с мерой x = (m ± n) по грешность метода можно оценить по формуле погрешности косвенного измерения:

M = (1 m) 2 + (1 n) 2.

x При относительных измерениях в погрешность метода включается погрешность меры или эталона, по которым настраивается СИ.

Наиболее сложно определить погрешность метода при измерении отклонений формы и расположения поверхностей. Это связано с тем, что нормирование допусков формы и расположения поверхностей детали осуществляется относительно прилегающих поверхностей. Следователь но, измерение соответствующих отклонений формы и расположений так же должно осуществляться от прилегающих поверхностей. Поэтому воз никает необходимость в материализации прилегающих поверхностей. Ма териализацию прилегающих поверхностей обычно осуществляют за счет контрольных оправок, поверочных линеек, мерных прокладок, лекальных линеек и т.п. Однако на практике часто прилегающую поверхность мате риализуют за счет реальной поверхности. В этом случае обязательно не обходимо учитывать погрешность метода, связанную с погрешностью формы этой реальной поверхности.

3.2.2. Погрешность измерительного прибора Погрешность измерительного прибора (инструментальная) возника ет из-за несовершенства конструкции измерительного прибора, погрешно сти изготовления элементов прибора, внешних условий эксплуатации при бора и пр.

В общем виде результирующую погрешность измерительного при бора можно представить следующим образом:

ип сх + т + э + о + п, где сх – погрешность схемы измерительного прибора (теоретическая по грешность);

т – технологическая погрешность;

э – эксплуатационная по грешность;

о – погрешность отсчета;

п – погрешность преобразователя (измерительной головки).

Инструментальную погрешность условно разделяют на основную и дополнительную д погрешность. Погрешность прибора в нормальных условиях называют основной, погрешность в условиях, отличающихся от нормальных (реальных) – дополнительной.

Основную и дополнительную погрешности подразделяют на три со ставляющих:

• погрешность схемы измерительного прибора;

• технологическая погрешность;

• эксплуатационная погрешность.

3.2.2.1. Погрешность схемы измерительного прибора Погрешность схемы (или теоретическая погрешность) возникает на стадии проектирования прибора. При конструировании приборов в целях упрощения изготовления прибора, устранения влияния зазоров и т.п. не редко отступают от идеальной схемы, точно осуществляющей заданное движение.


Эти упрощения и изменения приводят к применению схемы прибора, лишь приближенно осуществляющей требуемый закон передачи движения, вследствие чего возникает «теоретическая» ошибка механизма, называемая погрешностью схемы. Упрощенная схема механизма состоит из меньшего числа более простых звеньев, благодаря чему прибор проще изготовить. Применение «приближенной» схемы механизма приводит к определенному технико-экономическому эффекту, поскольку упрощается технология изготовления деталей и сборки прибора и одновременно по вышается точность изготовления звеньев прибора. Кроме того, суммарная погрешность прибора с упрощенной схемой, как правило, оказывается меньше, чем прибора с точной, но сложной схемой. Это связано с тем, что систематическая погрешность прибора, вызванная применением прибли женной схемы, перекрывается уменьшением технологических погрешно стей из-за упрощения формы деталей.

Для погрешности схемы механизма характерно то, что она в каждом положении ведущего звена имеет вполне определенное значение, поэтому эта погрешность является систематической, изменяющейся по определен ному закону.

Погрешность схемы рассчитывается как разность между характери стикой прибора (функцией преобразования), обусловленной его схемой и требуемой (желаемой) характеристикой (функцией преобразования) и в общем случае:

сх = lсх (xi, ri ) l0 ( x), где lсх (xi, ri) – функция преобразования, обусловленная схемой измери тельного прибора;

lo(x) – желаемая (требуемая) функция преобразования.

Оценим погрешность схемы измерительного прибора, приведенного на рис. 3.5, а.

а) x б б l сх r1 r б) l сх r б x б r Рис. 3.5. Схемы для расчета погрешности схем измерения Исходя из схемы величина входного сигнала:

x = r1 sin.

Отсюда:

sin = x / r1 ;

= arcsin x / r1.

Величина выходного сигнала:

sin l c x = r2 tg = r2.

1 sin После подстановки получим:

x x l c x = r2 = r2.

r1 x 2 2 x r1 1 r r lo = Учитывая, что x, получим формулу для расчета погрешности r схемы:

r2 x r2 x сх = lcx - l0 =.

r1 x 2 r Погрешность схемы, рассчитанная по полученной формуле, напри мер, при исходных данных: r1 = r2 = 50 мм;

х = 10 мм составляет около 0, мм.

При использовании схемы, приведенной на рис. 3.5, б погрешность схемы отсутствует:

x = r1 sin ;

lсх = r2 sin = r2 ( x / r1 ) ;

l0 = (r2 / r1 ) x ;

сх = lсх l0 = r2 (x / r1 ) (r2 / r1 ) x = 0.

3.2.2.2. Погрешность технологическая Технологическая погрешность возникает на стадии изготовления прибора. Источники этой погрешности – неточность изготовления и сбор ки самого средства измерения.

Технологическую погрешность можно разделить на две составляю щие:

• погрешность из-за неточности изготовления и сборки передаточ ного механизма (деталей измерительной цепи прибора);

• погрешность из-за неточности изготовления и сборки других элементов (базирующих, установочных и др.).

В первом приближении технологическую погрешность (тех) можно рассчитать по формуле:

n l cx r, тех = i i =1 ri где lсх – функция преобразования, обусловленная схемой;

ri – номинальные размеры деталей измерительного приспособления;

ri – погрешность изго товления или сборки деталей, входящих в измерительную цепь.

В качестве примера оценим технологическую погрешность средства измерения, которое приведена на рис. 3.6. Из схемы следует:

x = r1 sin ;

lсх = r2 sin = r2 ( x / r1 ) ;

( ) тех = r2 x / r12 r1 + ( x / r1 ) r2, где ri, r2 – погрешности изготовления плеч рычага.

Технологическая погрешность, рассчитанная по полученной форму ле, например, при исходных данных: r1 = r2 =50 мм;

r1 = r2 = ± 0,1 мм составляет 0,04 мм.

lсх r б б x r Рис. 3.6. Схема измерения к расчету технологической погрешности 3.2.2.3. Эксплуатационная погрешность Группа эксплуатационных погрешностей, возникающих в результате эксплуатации измерительного прибора, является наиболее многочислен ной. Источниками появления поэлементных эксплуатационных погрешно стей могут быть:

• отличие условий эксплуатации от нормальных – непостоянство температурного режима (температуры помещений, приспособления, дета лей), влажности, атмосферного давления, наличие загрязнений, недоста точное время прогрева электросхемы, наличие посторонних источников вибрации и др. помех;

• силовые деформации, вызывающие упругие перемещения и пе ремещения в пределах зазоров, непостоянство измерительного усилия во времени вследствие гистерезиса пружин, упругого последействия, непо стоянства сил трения, несбалансированности отдельных деталей прибора, динамических нагрузок и т. д.;

• контактные деформации, зависящие от измерительного усилия, шероховатости контролируемой поверхности, формы чувствительного элемента прибора и формы детали;

• изнашивание наконечников, подвижных частей деталей переда точных и масштабных механизмов, штоков, рычагов, подвижных частей преобразователей, электрических контактов, элементов подвесок, бази рующих элементов, подвижных частей кареток и т. п.

• непостоянство характеристик источников питания (напряжения, частоты, давления и т. п.), кроме того, возможно появления грубых откло нений в виде: попадания под наконечники крупных частиц абразива, ме талла, загрязнений, появление заеданий, поломок, утечек и т. п.

Результирующая величина эксплуатационной погрешности может быть определена установлением математических зависимостей состав ляющих погрешностей от факторов их определяющих и использованием метода суммирования. При этом целесообразно ограничить вычисление результирующей погрешности определением основных составляющих.

Многие из этих погрешностей при рассмотрении конкретного измеритель ного прибора оказывают незначительное влияние на результирующую по грешность, кроме того, в каждом конкретном случае может быть свой комплекс доминирующих эксплуатационных погрешностей.

Поскольку в рамках рассматриваемой работы нет возможности при вести исчерпывающие сведения о методах оценок всех составляющих экс плуатационной погрешности, то при необходимости следует обратиться к нормативной, справочной или учебной литературе. Например, методы рас чета температурных погрешностей подробно изложены в [10], расчеты по грешностей, возникающих из-за наличия зазоров в опорах, направляющих вращательного и поступательного перемещений подробно изложены в ра ботах [8], погрешности, связанные с упругими перемещениями элементов измерительного прибора, можно оценить по [8], с контактными деформа циями – [8] и т. д.

Ниже рассмотрены наиболее часто имеющие место эксплуатацион ные погрешности от температурных и силовых деформаций.

Погрешность от температурных деформаций Данная погрешность присутствует практически при всех измерениях размеров, и влияние её обычно растёт при увеличении требований к точно сти и уменьшении измеряемого размера. Поскольку размеры детали и из мерительного прибора изменяется под влиянием температуры, то при нор мировании требований к точности размеров практически во всём мире бы ло принято определять значение размеров при температуре 20°С (нор мальная температура). Если измерения производятся при другой темпера туре, то размер надо «привести» к этой температуре или смириться с по грешностью измерений из-за температурных деформаций. В Советском Союзе нормальная температура (20°С) была установлена в 1929 году. До этого, при введении единицы измерения линейных размеров в виде метра и изготовлении эталонов была принята нормальная температура значением 0°С (т. к. такое значение можно сравнительно просто воспроизвести в со суде с тающим льдом). Однако на производстве от этого значения нор мальной температуры из-за сложности воспроизведения такой температу ры пришлось отказаться. Выбор значения температуры в 20°С был обосно ван тем, что в рабочем помещении считается, что температура обычно на ходится в диапазоне 15…20°С. Принят был верхний предел диапазона ис ходя из того, что легче более прохладное помещение довести до этой тем пературы отоплением, чем снижать температуру более тёплого помещения (расходы на подогрев помещения в 4…10 раз меньше, чем при охлажде нии). В последние годы (1993 г.) в Международной организации по стан дартизации (ИСО) обсуждается вопрос об установлении нормальной тем пературы равной 24°С. Это связано с тем, что при этой температуре реже возникает необходимость в охлаждении помещения, где производятся из мерения;

тепловыделение оператора меньше влияет на температурные де формации из-за меньшей разницы температур среды и тепловыделений оператора;

более комфортные условия для работы оператора, т.к. процесс измерений обычно малоподвижен. Таким образом, измеряя объект измере ний необходимо знать его размер при температуре 20°С. Привести размер к 20°С не всегда возможно и появится погрешность из-за температурных деформаций.

Для установления причин появления погрешности от температурных деформаций представим схему измерения линейного размера в виде раз мерной измерительной цепи. Эта цепь состоит из нескольких звеньев, в том числе замыкающего звена (измерительный размер), компенсационного звена (отсчетное устройство) и других звеньев (вспомогательные устрой ства для закрепления отсчётной системы и базирования детали). Отсчётная система также часто представляет собой пространственную размерную цепь. Составляющие звенья размерной измерительной цепи изготавлива ются разных размеров, разной конфигурации и из разных материалов, имеющих разный коэффициент линейного расширения.

Причинами возникновения температурных деформаций отдельных звеньев размерной измерительной цепи являются:

• отклонения температуры звеньев от 20°С;

• разность температуры измерительного прибора и детали;


• непостоянство температуры звеньев в процессе измерений (коле бания температуры);

• нагрев прибора руками оператора.

Отклонение температуры звеньев измерительной цепи от 20°С влия ет на погрешность измерений в связи с тем, что элементы цепи имеют раз ные коэффициенты линейного расширения и поэтому по разному изменя ют свои размеры при одинаковой температуре. Например, сталь имеет ко эффициент линейного расширения 1,1110-5 К-1, а литейный алюминий – 210-5 К-1. Стержень из стали длиной 1000 м изменяет свою длину на 11, мкм при изменении температуры на 1°С, такой же стержень из литого алюминия – на 20 мкм. Погрешность из-за отклонений температуры окру жающей среды от 20°С можно исключить, если при настройке прибора в условиях постоянной температуры, отличающейся от 20°С при настройке прибора использовать установочную меру из такого же материала, что и измеряемая деталь.

Разность температуры средств измерений и объектов измерений вносит погрешность в результаты измерений, если деталь не приняла тем пературу окружающей среды в месте измерения после её обработки или перемещения из помещения с другой температурой. В этом случае по грешность от температурных деформаций:

lt = l ( Д t Д П t П ), где lt – погрешность от температурных деформаций;

l – измеряемый раз мер;

Д, П – коэффициенты линейного расширения соответственно изме ряемой детали и средства измерений;

t Д, tП – отклонения температуры от нормальной (20°С) детали и приборы соответственно.

При расчёте погрешности от температурных деформаций при изме рении отклонения формы или расположения поверхностей за измеряемый размер следует брать длину нормируемого участка или соответствующий номинальный размер.

Для устранения данной погрешности необходима выдержка детали, чтобы её температура была близкой или равной температуре воздуха в по мещении, где производятся измерения. Имеется много теоретических и экспериментальных работ по определению времени выдержки и разработ ке рекомендаций по времени выдержки. С этой целью ГОСТ 8.050- «Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений» уста навливается время выдержки объекта перед измерением и требования к отклонениям температуры их от 20°С при размещении в рабочем про странстве. Значения времени задаются в зависимости от допуска на изме ряемый размер и массы детали. Учитывается и величина поверхности де тали.

Колебания температуры окружающей среды в месте измерений вызывает погрешность от температурных деформаций, если звенья раз мерной цепи не одновременно воспринимают эти колебания температур.

Даже при тщательном термостатировании невозможно добиться постоян ства температуры окружающей среды в зоне измерительного прибора.

Присутствие оператора, осветительной аппаратуры, электродвигателей, изменение наружной температуры воздуха от утренней до дневной – при водят к непостоянству температуры окружающей среды, а, следовательно, к непостоянству температуры отдельных звеньев измерительной размер ной цепи, т. к. звенья размерной цепи не одновременно реагируют на из менение температуры.

Трудность оценки погрешности от температурных деформаций при непостоянстве температуры заключается в том, что функции изменений температуры среды не остаются постоянными в разные промежутки вре мени. Имеется много работ с попытками разработки аналитических мето дов определения погрешностей в динамических температурных условиях, однако они трудоёмки и не точны. Наиболее достоверные результаты с по грешностью 10…15% даёт экспериментально-аналитический метод [10].

Нагрев прибора руками оператора характерен для накладных средств измерений. Накладные средства измерений – это такие приборы, которые при измерении располагаются на измеряемом объекте. Особенно стью этих средств измерений в отношении температурных деформаций за ключается в том, что при их использовании они периодически находятся в контакте с источником тепла – руками оператора. При этом происходит нагрев отдельных элементов за счет теплопроводности. Исследования [10] показывают, что у некоторых накладных приборов могут возникнуть большие деформации от нагрева их руками оператора в процессе работы.

Установлено, что такие средства измерений как штангенинструмент, глу биномеры всех видов практически не чувствительны к нагреву руками оператора.

Погрешность средств измерений, корпус которых сделан в виде ско бы (микрометры, скобы рычажные и индикаторные), а также накладных нутромеров значительна. Так, например, при использовании микрометра с диапазоном измерений 225…250 мм и находящегося в руках оператора мин., размер скобы изменяется на 0,01…0,02 мм в зависимости от того, в каком месте оператор держит скобу в руках. Для уменьшения данной по грешности накладные приборы оснащаются теплоизоляционными наклад ками. Данные [3] показывают, что если при пользовании накладными при борами руки оператора располагаются на накладках, то погрешность при бора от температурных деформаций, от тепла рук, сокращается в 3… раза. Поэтому при пользовании накладными приборами необходимо дер жать их за накладки, а если они отсутствуют – принимать меры для тепло изоляции скоб от тепла рук оператора.

Погрешность от силовых деформаций Схема измерения линейных размеров представляет собой измеритель ную размерную цепь, замыкающим звеном которой является измеряемый размер, а отсчетное устройство – компенсационным звеном. Для надежно го замыкания размерной цепи необходимо вводить устройство, создающее усилие в цепи. Это усилие называется измерительным усилием. Измери тельное усилие и его непостоянство на всем диапазоне измерений приво дит к возникновению следующих погрешностей:

• погрешность от перемещений в пределах зазоров;

• погрешность от упругих перемещений элементов измерительного прибора;

• погрешность от упругих деформаций элементов поверхностей измеряемых деталей;

• погрешность от контактных деформаций.

Для уменьшения погрешностей от перемещений в пределах зазо ров при разработке схемы измерительного прибора необходимо соблюдать принцип Аббе, в соответствии с которым минимальные погрешности из мерения возникают, если контролируемый геометрический элемент и эле мент сравнения находятся на одной линии – линии измерения.

Под воздействием измерительного усилия, веса средства измерений и измеряемой детали возникают упругие перемещения элементов изме рительного прибора или детали, которые приводят к погрешности изме рения. Измерительное усилие, приложенное к измеряемой детали, распо ложенной консольно или на двух опорах, а также к детали из мягкого ма териала и тонкостенной, может вызвать прогиб детали. Величина погреш ности измерений при этом равна значению деформации элемента прибора или детали под действием нагрузки и определяется по формулам сопро тивления материала, схем базирования детали и приложения нагрузки для того, чтобы использовать типовые решения. Практически в большинстве случаев измерений можно принять сосредоточенную нагрузку в одной точке или в двух противоположных точках.

При многих измерениях используют вспомогательные элементы (штативы, стойки и др.), входящие в измерительную размерную цепь. При их недостаточной жесткости, особенно при измерении отклонений формы, может возникнуть погрешность измерения.

В ГОСТ 10197-70 на стойки и штативы нормируются допускаемые значения их прогибов. Однако в существующих конструкциях эти нормы не выдерживаются [3], поэтому с ними не рекомендуется применять изме рительные головки с ценой деления 0,001 и 0,002 мм.

При измерении детали, помещаемой под измерительный наконечник без его арретирования, т. е. когда деталь проталкивается под наконечни ком, чтобы выявить экстремальную точку у цилиндрического элемента, также появляется погрешность измерения. При таких измерениях возника ет радиальная составляющая усилий на измерительный стержень, и проис ходит деформация установочных узлов.

В месте контакта измерительного наконечника с поверхностью из меряемого элемента детали под действием измерительного усилия проис ходит сжатие контактируемых поверхностей. Значение этой деформации зависит от вида контакта, от значения действующего усилия, от материала измеряемой поверхности и неровностей поверхности. При измерениях мо гут применяться три вида контакта измерительного наконечника и детали в точке их контакта: в точке, по линии и по плоскости. Наиболее распро страненный вид контакта – в точке. Значение возникающей деформации может быть рассчитано по известным в сопротивлении материала форму лам Герца, по полуэмпирическим формулам [8], графически по номограм мам. Например, для наиболее распространенного случая контакта (сфери ческий наконечник и плоская деталь) рекомендуется формула [8]:

p k = k 3, r где k – контактная деформация, мкм;

r – радиус наконечника, мм;

p – из мерительное усилие, Н;

k – коэффициент, зависящий от материалов изме рительного наконечника и детали: сталь и сталь – k = 0,43;

искусственный корунд и сталь – k = 0,35.

Погрешность измерения из-за контактных деформаций возрастает с увеличением поверхностных неровностей, особенно при сравнительных методах измерений. Шероховатость концевых мер длины, с помощью ко торых обычно прибор настраивается на нулевое деление при относитель ных измерениях, в общем случае значительно меньше, чем поверхности измеряемого элемента детали.

Погрешность от контактных деформаций увеличивается при измере нии с арретированием т.к. в этом случае контактирование поверхностей происходит с ударом и значение динамического измерительного усилия значительно превышает статическое усилие. Кроме этого значение дина мического измерительного усилия даже в одном приборе изменяется в значительных пределах в зависимости от скорости опускания измеритель ного наконечника при арретировании. Например, у оптического длинноме ра динамическое усилие отличается более, чем в 30 раз от статического, у индикатора часового типа – от 3 до 6 раз [3].

Для обеспечения минимальной погрешности от силовых деформаций необходимо обеспечивать постоянное измерительное усилие или наи меньший его перепад на всем используемом диапазоне измерений первич ного преобразователя. С этой целью применяют различные стабилизи рующие устройства, например, в микрометрах – фрикционные устройства и трещотку.

3.2.3. Погрешность измерения из-за воздействия внешней среды Каждое измерение выполняется в определенных условиях, которые характеризуются одной или несколькими внешними влияющими величи нами: температурный режим, влажность, атмосферное давление, наличие загрязнений, наличие посторонних источников вибрации и др. Эти вели чины часто оказывают заметное влияние на измеряемую величину и ис пользуемое средства измерения.

С целью обеспечения единства измерений к условиям их проведения предъявляются жесткие требования. Для конкретных областей измерений устанавливают единые условия, называемые нормальными.

Согласно ГОСТ 16263-70 нормальные условия применения сред ства измерений – условия применения средств измерений, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в преде лах нормальной области значений.

Рабочие условия применения средств измерений – условия при менения средств измерений, при которых значения применяемых величин находятся в пределах рабочих областей.

Погрешность средства измерения, используемого в нормальных ус ловиях, называют основной, а погрешность средства измерений, вызван ную использованием его в условиях, отличающихся от нормальных, назы вают дополнительной погрешностью средства измерения.

Согласно ГОСТ 8.050-73 нормальные условия выполнения линейных измерений в пределах от 1 до 500 мм и измерений углов с длинной мень шей стороны до 500 мм характеризуются следующими значениями основ ных влияющих величин:

• температура окружающей среды 20°С;

• атмосферное давление 101324,72 Па (760 мм. рт. ст.);

• относительная влажность окружающего воздуха 58% (нормальное парциальное давление водяных паров 1333,22 Па);

• ускорение свободного падения (ускорение силы тяжести) 9,8 м/с2;

• направление линии измерения линейных размеров до 160 мм у на ружных поверхностей – вертикальное, в остальных случаях – горизонталь ное;

• положение плоскости измерения углов – горизонтальное;

• относительная скорость движения внешней среды равна нулю;

• значения внешних сил равны нулю.

Ряд указанных условий и представленных ниже допускаемых откло нений относится к рабочему пространству, т. е. той части пространства, окружающего средство измерений и объект контроля, влиянием величин вне которой на результат измерения можно пренебречь.

В реальных условиях при выполнении измерений трудно обеспечить определенные нормальные значения влияющих величин. Задача сводится к установлению пределов возможных изменений влияющих величин.

Стандарт определяет нормальную область значений влияющих вели чин при линейных и угловых измерениях, при обеспечении которой по грешность средства измерений может превышать допускаемую основную погрешность средства измерения примерно на 0,1 допуска на изготовле ние. Эта область определяется следующими пределами значений влияю щих величин. Пределы допускаемых отклонений от нормального направ ления линии измерения и нормированных параметров ориентации средств и объектов измерений при линейных измерениях составляют: ±1° при кон троле деталей с нормированной точностью по квалитетам 01 и 0;

±2° – по квалитетам 1 – 5;

±5° – по квалитетам 6 – 10, а при измерениях углов: ± 0,5° – по 1, 2-й степеням точности;

±1,5° по 3 – 5-й степеням точности. От клонение температуры объекта и рабочего пространства от нормальной при линейных измерениях не должно превышать значений, указанных в таблице 3.1. При измерениях углов пределы допускаемого отклонения температуры от нормального значения составляют ± 3,5°С.

Таблица 3.1.

Пределы допускаемого отклонения ( ± ) температуры объекта контроля и рабочего пространства от нормальной, ° С Квалитеты Размеры, мм 01 0 1—5 6—8 9— Св. 1 до 18 0,8 1,0 1,5 3 » 18 » 50 0,3 0,5 1,0 2 » 50 » 500 0,2 0,3 0,5 1 Если в рабочее пространство помещается деталь с отклонением от нормальной температуры большим, чем указано в табл. 3.1 то деталь должна выдерживаться в рабочем пространстве (табл. 3.2). Средства изме рений должны находиться в условиях, указанных в табл. 3.1 не менее 24 ч до начала измерений.

Таблица 3.2.

Время выдержки объектов контроля до начала измерений в рабочем пространстве, час Квалитеты точности объекта контроля Масса объекта 01—0 1—5 6—8 9— Начальное отклонение температуры, 8°С контроля, кг 1,5 2,5 3,5 До 10 6 4 3 Св. 10 до 50 14 8 6 » 50 » 200 24 14 10 » 200 » 500 36 20 16 В рабочем пространстве допускаются только плавные изменения температуры со скоростью не более 0,1°с/мин.

Частота возмущающих гармонических вибраций не должна превы шать 30 Гц. Допускаемые значения амплитуд вибраций для частот не ме нее 30 Гц устанавливаются ГОСТ 8.050-73. При воздействии возмущаю щих вибраций с параметрами спектральных составляющих, выходящими за нормальные пределы, размах колебаний отсчетного индекса прибора и дополнительная погрешность средства измерения не должна превышать соответственно 0,2 деления шкалы и 0,2 допускаемой погрешности изме рения.

Давление воздуха в рабочем пространстве не должно быть менее ат мосферного. Допускается превышение атмосферного давления не более чем на 3 кПа.

Допускаемое отклонение влажности ±20%. Для интерференционных измерений требования выше.

Уровень шума в рабочем пространстве не должен превышать 45 дБ при измерениях величин с нормальной точностью до 5-го квалитета и дБ – с 6-го по 10-й квалитет.

Напряженность магнитного поля не должно превышать 80 А/м, на пряженность электростатического поля – 5 В/м.

Приведенные выше рекомендации носят сугубо ориентировочный характер. Это связанно с тем, что данные рекомендации даются безотноси тельно к размерам, конфигурации и материалу измеряемых деталей, а так же к используемым средствам измерений. Поэтому при необходимости следует определять допустимые области изменения влияющих величин расчетным путем. Наиболее просто такая задача решается для установле ния температурного режима измерений, т. е. допустимой разности темпе ратур (Vt °С) объекта измерения и измерительного средства:

( си д ) 2 max Vt = t1 + t 2, max 11,6 10 11,6 10 где t1 – отклонение температуры воздуха от 20°С;

(си д)max – макси мально возможная разность значений коэффициентов линейного расшире ния материала средства измерений и детали;

t2 – кратковременные коле бания температуры воздуха в процессе измерения;

max – максимальное значение коэффициента линейного расширения материала средства изме рений или измеряемой детали.

Тогда температурную погрешность можно оценить:

t = 11,6 10 6 l Vt.

Во многих случаях, особенно при измерении деталей на ходу имеет место износ, и измерительные поверхности приобретают форму проверяе мой детали. Для уменьшения износа, который приводит к увеличению по грешности измерения, базирующие и измерительные поверхности выпол няют из легированной стали и армируют твердосплавными, алмазными или корундовыми вставками, поверхностная твердость измерительных и базирующих поверхностей должна составлять 61…64 HRCэ.

При формирования измерительной информации очень важное значе ние имеет вопрос загрязнения измеряемой поверхности, чувствительного элемента и базирующей поверхности, тем более, что влияние загрязнения рассчитать невозможно.

Детали перед измерением должны быть тщательно очищены и вы сушены, особенно при бесконтактных измерениях и контактных измерени ях с арретированным чувствительным элементом.

При контактных измерениях без арретирования чувствительного элемента влияние грязи менее значительно, т. к. чувствительный элемент контактирует с деталью с определенным заданным усилием, под действи ем которого выдавливается слой газа, масла или грязи и уменьшается воз действие вибрации на результаты измерения.

Для лучшей очистки измеряемой детали от грязи, базирующие пло ские элементы средств измерений выполняются ребристыми. В этом слу чае грязь собирается в пазах столика.

3.2.4. Погрешности измерения, зависящие от субъективных факторов Данные погрешности возникают от участия в процессе измерений или при его подготовке оператора, т. е. субъекта. Они вызываются состоя нием оператора, его положением во время работы, несовершенством орга нов чувств, эргономическими свойствами СИ.

Возможно выделение следующих видов субъективных погрешно стей:

• погрешность от присутствия оператора;

• погрешность отсчета;

• погрешность действий;

• профессиональные погрешности.

Субъективные погрешности от присутствия оператора связаны прежде всего с изменением температуры окружающей среды в зоне сред ства измерений от теплоизлучения оператора. По данным [3] при подходе оператора к СИ температура в зоне измерений поднимается на 0,1…0,2 °С.

При использовании накладных СИ погрешность от присутствия оператора зависит от места контакта рук оператора с частями прибора. Для уменьше ния данной погрешности места контакта оператора и СИ оснащаются теп лоизоляционными накладками.

В процессе большинства измерений оператор производит отсчет по шкале СИ. При этом оператору необходимо оценить степень соответствия стрелки и делений на шкале СИ. Погрешность, возникающая при этом, на зывается погрешностью отсчета и зависит от:

• возможностей органов зрения человека;

• субъективных особенностей зрения у разных операторов;

• вида конструкций применяемых отсчетных измерительных сис тем;

• вида измеряемых объектов.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.