Понятие о метрологии и решаемые ею задачи.

Метрология – наука об измерении физических величин. Физические величины характеризуют определенные свойства объекта измерения и существуют объективно.

Измерению могут подвергаться и другие величины (математические), но мы будем рассматривать лишь о тех величины, которые объективно существуют.

Измерения – экспериментальное определение соответствия между физической величиной и ее единицей измерения с заранее известной точностью.

(27.1)

где

Q – физическая величина,

q – численной значение физической величины,

U – единица измерения.

Таким образом из этого уравнения следует, что для проведения измерения необходимо иметь объект измерения т.е саму физическую величину (или источник этой величины), материальное воплощение единицы измерения, для того чтобы сопоставить с ней объект измерения. Необходимо также устройство, с помощью которого мы сможем измерить значение физической величины. Естественно, результат измерения необходимо проанализировать, в большинстве случаев эту роль выполняет человек, но сейчас появились и автоматические устройства, выполняющие эту функцию. В общем случае назовем это анализатором.

Для выполнения измерения необходимо наличие объекта измерения с набором физических величин , средств измерения для сопоставления физической величины и единиц измерения, наблюдателя (анализатора), - для анализа информации об измерении и, наконец, метода для передачи информации от объекта к средству измерения и метода обработки экспериментальных данных для передачи информации от средства измерения к наблюдателю.

ОИ – объект измерения,

СИ – средство измерения,

Н – наблюдатель,

А – анализатор.

Измерение – сложный информационный процесс. На всех этапах передачи информации возникает ее искажение, т.е. погрешности. Это связано с самими свойствами объектов и всегда, независимо от того каким мы способом производим измерение, система измерения выдает обратный сигнал на объект измерения . Наблюдатель также оказывает влияние на объект измерения и на средство измерения . Эта погрешность отсутствует в случае использования автоматического СИ. Но в этом случае возникают другие погрешности, и не обязательно использование автоматического средства измерения делает результат измерения более точным, нежели присутствие наблюдателя.

Погрешность измерения.

Погрешность измерения определяется следующим образом:

. (27.2)

Но совершенно ясно, что идеальный размер узнать невозможно, а значит невозможно узнать и истинную величину погрешности . Поэтому эту формулу мы вынуждены заменить следующей:

(27.3)

Под действительным понимают значение физической величины, измеренной с максимальной точностью.

Таким образом, основной задачей измерения является:

1) определение численного значения физической величины

2) определение погрешности измерения

Различают систематические, случайные погрешности и промахи (грубые погрешности).

Систематическими называются погрешности, либо постоянные в процессе измерения, либо изменяющиеся по известным нестохостическим законам.

Приведем простой пример, допустим, мы хотим измерить обычной линейкой небольшой кусочек мела. Ясно, что деления на линейку нанесены с определенной погрешностью и эта погрешность в процессе измерения постоянна. Такую погрешность будем называть систематической погрешностью.

Случайными называются погрешности, которые изменяются в процессе одного и того же измерения неконтролируемым образом. Ее распределение подчиняется различным стохостическим законам.

Промахи – погрешности, вероятность появления которых при данном числе опытов ничтожно мала.

В результате эксперимента всегда должно содержаться наименование единицы физической величины.

При наличии систематических погрешностей должна быть указана ее абсолютная или относительная величина.

Например:

При наличии случайных погрешностей помимо величины погрешности должна быть указана доверительная вероятность (д. в.). Допустим д.в. = 0,95. Без этого числа погрешность не имеет смысла. Если мы не укажем доверительную вероятность, а распределение подчиняется, например, закону Гаусса, то при бесконечном числе измерений, вероятны любые, сколь угодно большие погрешности.

Помимо измерений иногда использую контроль, т.е. попаданий действительного размера измеряемой величины в поле допуска этой величины.

На рисунке изображена произвольная схема полей допуска. С величиной поля допуска Т. Допустим, контроль осуществляется с помощью гладких калибров, тогда мы не можем назвать действительный размер, но можем сказать, попадает он или нет в поле допуска детали. Из рисунка видно, что детали с диаметрами - бракованные. Деталь с диаметром d – годная. В результате контроля принимается управляющее решение, если это решение об отбраковке – контроль пассивный, а если изменяется технологический процесс, то контроль – активный (рис. 83).

Основные задачи измерения:

1) установление единиц физической величины (СИ);

Всего в СИ предусмотрено 7 основных единиц измерения (метр [м] – единица длины, килограмм [кг] – единица массы, ампер [А] – сила тока, секунда [с] – единица времени, келивин [К] – единица температуры, моль [моль] – количество вещества, кандела [Кд] – единица освещенности).

2) установление технических средств для хранения и распространения единиц физических величин в измерительной технике;

3) разработка теории измерений, методов и средств, ее практическая реализация;

4) обеспечение единства измерений;

5) развитие методов оценки измерения;

6) разработка методов оценки состояния средств измерения и контроля.

Всего различают три вида метрологии: фундаментальная метрология занимается общими законами; нормативная (правовая) – обеспечивает систему законов, которая определяет взаимодействие метрологических служб и промышленных предприятий; практическая метрология. Но все виды решают одну общую задачу – развитие науки об измерениях и внедрение результатов исследований в производственный процесс.

§ 27.1. Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные поло­жения закона РФ об обеспечении единства измерений. Государствен­ная система обеспечений единства измерений.

Развитая система законов, которая обеспечивает единство измерений. ГСИ предназначена для обеспечения достоверности измерения, значит, что измерение одних и тех же величин в одних и тех же условиях дает результаты с заранее заданной погрешностью.

Правовую основу ГСИ в нашей стране определяет закон РФ «Об обеспечении единства измерений». Он устанавливает:

-основные понятия;

-организационную структуру государственного управления обеспечения единства измерений;

-нормативные документы по обеспечению единства измерений;

-единицы величин и государственные эталоны;

-средства и методы измерений.

Закон регламентирует лицензирование метрологической деятельности, российскую систему калибровки (для деятельности неконтролируемой государством), добровольную систему сертификации средств измерений.

Технической основой ГСИ является:

1) система государственных эталонов единиц и шкал физических величин;

2) система передачи размеров единиц и шкал физических величин от эталонов к другим средствам измерения (поверочная схема);

3) система разработки, постановки на производство и выпуска в эксплуатацию рабочих средств измерения;

4) система обязательных государственных испытаний средств измерений, предназначенных для серийного производства и ввоза из-за границы;

5) система государственной и ведомственной метрологической аттестации и поверки средств измерения;

6) система стандартных образцов и свойств веществ.

Система Госстандарта включает в себя большое количество различных учреждений: научно-исследовательские институты (НИИ), научно-производственные объединения, ведомственные объединения, региональные объединения (Поволжское отделение Госстандарта), хранилища эталонов. Под эталонами понимается некоторое материальное воплощение единиц измерения, существуют эталоны всех основных единиц измерения.

Эталоны служат для воспроизведения, хранения и передачи размеров единиц физических величин с наивысшей для данного класса метрологической точностью.

По уровню признания различают международные и государственные эталоны.

Наивысшей точностью в рамках государства обладают первичные эталоны. Путем сличения с ними изготавливают вторичные эталоны, копии этих эталонов (рабочие) используются в практической метрологии для передачи точности единиц физических величин образцовым средствам измерения. Частным случаем этих средств являются меры, предназначенные для хранения и (или) воспроизведения единицы физической величины или какого-либо иного ее размера.

Образцовые меры по точности различаются на разряды. Наивысшей точностью обладает 1-ый разряд, при увеличении разряда на единицу точность средств измерения снижается в 2-4 раза. Образцовые средства измерения иногда используют в особо точных научных исследованиях, а обычно они используются для передачи точности рабочим средствам измерения. Последние используются непосредственно для измерений и не могут служить для передачи точности другим средствам.

Приведем пример поверочной схемы, которая регламентируется этим законом (рис. 84).

Начинается она, как правило, с рабочих эталонов, затем точность передается к различным образцовым средствам измерения (СИ) 1-ого, 2-ого или 3-его классов. В каждом случае точность понижается и, наконец, передается к рабочим средствам измерения.

В зависимости от того, какой класс точности должен быть у рабочих измерений сличения могут происходить с образцовыми средствами 1, 2-ого или 3-его классов. С помощью рабочего средства измерения точность передать нельзя.

Лекция №19

§ 27.2. Метрологическая экспертиза конструкторско-технологической доку­ментации.

Мерой повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции является метрологическая экспертиза технической документации на всех уровнях конструкторского и технологического циклов изготовления деталей, сборочных единиц и готовых изделий, новых технологических процессов, машин, аппаратов и приборов.

Метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации – анализ и оценка технических решений по выбору параметров, подлежащих измерению, по установлению норм точности измерений и обеспечению методами и средствами измерений процессов разработки, изготовления, испытания и применения продукции. Она является частью общего комплекса работ по метрологическому обеспечению производства.

Метрологической экспертизе могут подвергаться следующие документы:

-на стадии подготовки и разработки ТЗ:

1) заявка,

2) исходные требования заказчика,

3) технические условия,

-на стадии разработки конструкции:

1) техническое предложение,

2) эскизный проект,

3) технический проект,

-на стадии подготовки производства

1) рабочая конструкторская документация (чертежи деталей, узлов, изделий, пояснительная записка, расчет, технические условия, программа и методика испытаний, эксплуатационные и ремонтные документы),

2) технологическая документация (маршрутная карта, карта эскизов, технологическая инструкция, ведомость оснастки, ведомость технологических документов, включая ведомость операций технического контроля и т.д.),

-на стадии изготовления изделий:

1) листки (извещения) изменений документации, в которых установлены нормы точности или содержаться сведения о методах и средствах контроля.

Целью метрологической экспертизы конструкторской документации является проверка возможности измерения и контроля установленных в документации норм точности, а также экономической целесообразности методов контроля.

При этом решаются следующие задачи:

1) проверка правильности терминологии при наличии в документе текстовой записи,

2) проверка взаимной увязки допусков на размеры, форму и расположения поверхностей детали и требования к шероховатости поверхностей,

3) проверка контролепригодности установленных норм точности предлагаемыми средствами,

4) проверка правильности выбора средств измерений с учетом допустимой погрешности, условий и методик выполнения измерения,

5) проверка достаточности методов контроля всех установленных в документе норм точности,

6) проверка экономической целесообразности выбранного метода контроля, возможности автоматизации получения и обработки измерительной информации,

7) проверка полноты и определенности описания операций контроля, наличия документации по эксплуатации средств измерения и методик выполнения измерений,

8) проверка правильности выполнения организационных мероприятий, обеспечения безопасности труда и охраны окружающей среды.

Цели и задачи метрологической экспертизы технологической документации аналогичны. Однако при экспертизе технологической документации дополнительно подвергаются проверке нормы точности, введенные сверх норм конструкторской документации, например производственные допуски или допуски на промежуточные операции.

Результаты метрологической экспертизы в виде списка предложений и замечаний подписываются лицом, проводившим экспертизу, и утверждаются главным метрологом предприятия. Документация вместе с результатами экспертизы возвращается разработчику для исправления.

Метрологическая экспертиза является частью общего комплекса работ по метрологическому обеспечению производства и выполняется для повышения эффективности контрольно-измерительных операций на стадиях разработки, изготовления, и испытаний и эксплуатации изделий.

Лекция №20

Средства измерений. Основные понятия и классификация.

Средство измерения - техническое устройство, предназначенное для экспериментального определения численного значения физической величины, имеющее нормированные метрологические показатели и характеристики, воспроизводящие и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности в течение определенного промежутка времени. Все средства измерения при воздействии на них измеряемой величины Х вырабатывают сигнал Y, несущий информацию об этой величине. Средства измерения состоят из различных измерителей-преобразователей и других устройств, обеспечивающих решение измерительной задачи.

Рассмотрим процесс измерения. У нас есть некий объект измерения, который не существует автономно. Возникают некие вспомогательные средства измерения, обеспечивающие функционирование этого ОИ. Под действием эти вспомогательных средств и каких-то управляющих команд ОИ вырабатывает некий измерительный сигнал Х. Он воспринимается чувствительным элементом средств измерения, который затем поступает на первичный преобразователь. Значит в чувствительном элементе Х преобразуется в некую величину Х₁, а после первичного преобразователя уже, как правило, сигнал становится электрическим. Например, в манометре происходит передача давления на трубку бурдона, трубка бурдона соответственно преобразует величину этого давления в механическое перемещение, либо в угловое, которое в свою очередь передается уже на какой-то датчик. Любые не электрические величины, особенно для автоматизированной обработки, конечно, преобразуются в электрические. В резисторном датчике существует некоторая мембрана. Под действием давления мембрана прогибается, перемещение мембраны фиксируется изменением сопротивления. Это изменение уже дальше идёт в измеритель преобразователя, которых может быть несколько ИП₁, ИП_n, на выходе ПН возникает измерительный сигнал Y_n+1, который уже удобен нам для ввода его в анализатор. Этот анализатор может быть непосредственно ЭВМ или наблюдателем. На этом этапе от первого до энного преобразователя обычно происходит отстройка от погрешности измерения, компенсация различных помех, иногда здесь происходит сравнение с мерой - так называемый компаратор, и т.д. Анализатор должен принять управляющее решение, т.е. решить измерительную задачу. Цель измерений всегда записывается в ПИ.

Совокупность чувствительного элемента и первичного преобразователя называется датчиком. Иногда, средство измерения включает в себя и анализатор, если это не человек. Средство измерения может не снабжаться эталоном физической величины, тогда возникает специфический ИП, который отдельно стоит в ряду всех ИП. На выходе ИП_n стоит так называемый компаратор, который сопоставляет измерительный сигнал Y_n+1 с однородным сигналом от меры (эталона), который идет к анализатору.

Частным случаем средства измерения является сопоставление в нем измерительного сигнала Y_n+1 с сигналом Y_n от меры. Устройство для сопоставления этих сигналов называется компаратором.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, различают: метрологические (образцовые) и рабочие средства измерения. По уровню автоматизации: не автоматические, автоматизированные и автоматические.

Если в конце воспринимает сигнал Y наблюдатель или исследователь, в этом случае мы имеем дело с неавтоматическими средствами измерения: человек, принимает решение о том, что делать дальше. Как правило мы работаем сейчас в области автоматизированных СИ. Конечное решение в автоматизированных СИ в конечном итоге может принимать человек. В автоматических СИ человека нет, объект существует автономном режиме.

По уровню стандартизации различают стандартные и уникальные (специальные) средства измерения. Поскольку в области измерительной техники мы вынуждены создавать новые СИ, т. к. объект еще не освоен в значительной степени, которые бы измеряли те параметры, которые раньше не измерялись. А значит надо их как-то аттестовать, задать какие-то физические характеристики, выпускается документ, который по мере вхождения в практику дополняется, и в конце концов разрабатывается ГОСТ.

По отношению к измеряемой величине: основные и вспомогательные.

По выполняемым функциям: элементарные и комплексные средства измерения.

К элементарным относят: меры, компораторы, регистраторы, т.е. те технические объекты, которые выполняют какую-либо одну функцию. К комплексным средствам измерения относятся: приборы, измерительные установки, измерительные системы и измерительные вычислительные комплексы.

Приборы - средства измерения, предназначенные для измерения одной или нескольких физических величин в заданном диапазоне измерения и выдачи информации в виде удобном для наблюдателя.

Измерительные установки - комплекс средств измерения и вспомогательных систем функционально связанных между собой и расположенных в одном месте. (измерительные стенды, т. д.). Измерительные системы обеспечивают решение измерительной задачи так же как и измерительные установки, но и в автоматизированном режиме. Измерительно-вычислительные комплексы включают в себя и анализаторы, т.е. могут вырабатывать кроме измерительных и управляющие сигналы.