Метрология, технические измерения и средства измерений

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ПР-2 «Метрология, сертификация и диагностика»

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ПР-2

________________В.В. Клюев

«___»____________2007г.

Для студентов курса факультета ПР

Специальностей 2005. 01, 2005. 03

Кандидат технических наук, доцент Пухальский В. А.

ЛЕКЦИЯ № 4

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

ТЕМА «Метрология, технические измерения и средства измерений»

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«___»_______________2007 г.

Протокол №___

МГУПИ – 2007г.

Метрология, технические измерения и

средства измерения

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

4.1. Понятия об измерениях и единицах физических величин

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

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

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

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

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

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

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

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

гига (Г) – 109; мега (М) – 106; кило (К) – 103; гекто (г) – 102; дека (да) –101;

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

4.2. Классификация измерительных средств и методов измерений

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

L = N ± .

4.3. Метрологические показатели средств измерения

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

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

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

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

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

= X –Q

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

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

В зависимости от причин возникновения выделяют следующие погрешности измерений.

Погрешность метода – это составляющая погрешности измерения, являющаяся следствием несовершенства метода измерений. Суммарная погрешность метода измерения определяется совокупностью погрешностей отдельных его составляющих (погрешности показаний прибора и блока концевых мер, погрешности, вызванной изменением температурных условий и т. п.).

Погрешность отсчета – это составляющая погрешности измерения, являющаяся следствием недостаточно точного отсчета показаний средства измерений и зависящая от индивидуальных способностей наблюдателя.

Инструментальная погрешность – составляющая погрешности измерения, зависящая от погрешностей применяемых средством измерений. Различают основную и дополнительную погрешность средства измерений. За основную погрешность принимают погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях. Дополнительная погрешность складывайся из дополнительных погрешностей измерительного преобразователя и меры, вызванных отклонением от нормальных условий. Например, если при настройке прибора для измерения методом сравнения с мерой и температура меры отличается от нормальной, то это приведет к погрешности настройки прибора на нуль и соответственно к погрешности измерений. Погрешности средств измерений нормируют установлением предела допускаемой - погрешности.

Предел допускаемой погрешности средства измерения – наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерения, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению.

Все перечисленные погрешности измерения подразделяют по виду на систематические, случайные и грубые

Под систематическими понимают погрешности, постоянные или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях одной и той же величины. Выявленные систематические погрешности могут быть исключены из результатов измерения путем введения соответствующих поправок. Примером таких погрешностей являются погрешности показания прибора при неправильной градуировке шкалы; погрешности мер, по которым производят установку на нуль прибора.

Случайные погрешности – составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайными являются погрешности, возникающие вследствие нестабильности показаний измерительного прибора, колебания температурного режима в процессе измерения и т. д. Случайные погрешности нельзя установить заранее, по можно учесть в результате математической обработки данных многократных измерений.

К грубым погрешностям относятся случайные погрешности, значительно превосходящие погрешности, ожидаемые при данных условиях измерения. Причинами, вызывающими грубые погрешности, являются, например, неправильный отсчет по шкале прибора, неправильная установка измерительной детали в процессе измерения и т. д.

4.4. Выбор средств измерения

Применение средств измерения и контроля приводит к уменьшению табличного допуска Т на изготовление детали (рис. 4.3, а). При использовании измерительного средства допуск Т оставался бы постоянным, если бы это средство было идеально точно выполнено и настроено на границы поля допуска Е1 и Е2. В действительности при выбранных методе и средстве измерения всегда возникает метрологическая погрешность измерения ±мет. Чтобы ни одна из бракованных деталей не была признана ошибочно годной, необходимо уменьшить допуск Т до значения технологического допуска (рис. 4.3, б):

Тг = Т– 4 мет.

Последнее обстоятельство объясняется тем, что средство измерения может быть настроено на предельные значения погрешности мет, т. е. па границы поля допуска Е1 и Е2. Чтобы не сужать производственный допуск и не увеличивать стоимости изделия, необходимо либо уменьшить метрологическую погрешность мет, либо сместить настройку (установить приемочные границы) вне поля допуска (рис. 4.3, г), расширяя его до гарантированного значения Тг.

Основным экономически и технически оправданным вариантом расположения предельной погрешности, измерения относительно предельного размера изделия является симметричное расположение (рис. 4.3, б). Однако при этом некоторые бракованные изделия могут быть ошибочно признаны годными. Чтобы ни одно бракованное изделие не попало к потребителю, приемочные границы смещают внутри поля допуска изделия на величину с (см. рис. 4.3, г). Если точность технологического процесса известна, смещение с подлежит расчету, если точность технологического процесса неизвестна, с = мет / 2.

При выборе средства измерения детали необходимо учитывать следующие факторы:

- величину допуска на изготовление измеряемого размера;

- номинальный размер;

- допускаемую погрешность измерения этого размера; общий контур детали;

- способ производства при изготовлении данной детали; предельную (полную) погрешность измерения.

Для оценки пригодности выбираемого средства измерения сопоставляют величину допускаемой погрешности измерения контролируемого размера, определенную по табл. 7, с предельной величиной погрешности измерения этим средством, установленной по табл. 8 и 9

Если предельная погрешность измерения выбранным средством не превышает допускаемой погрешности измерения при оценке годности измеряемого размера, то данное средство можно применить для измерения.

Порядок действия при выборе средства измерения для линейных размеров:

1. Определяют по чертежу детали номинальный размер, величины предельных отклонений измеряемого элемента детали. Подсчитывают величину допуска размера в мкм.

2. Находят величину допускаемой погрешности измерения детали (табл. 7) по величине допуска и номинальному размеру.

3. Выбирают средство измерения по таблицам предельных погрешностей измерения (по табл. 8 для наружных размеров и по табл. 9 для внутренних размеров) и записывают его наименование, диапазон измерения, цену деления шкалы и величину предельной погрешности измерения этим средством.

4. Сопоставляют величины предельной и допускаемой погрешностей измерения и решают вопрос о пригодности выбранного средства измерения в данных условиях производства.

Упражнение: Выбрать средство для измерения в условиях серийного производства диаметра ступени вала Ф 50h11.

1. Задано, что измеряемый элемент детали вал имеет наружный размер Ф 50мм, поле допуска h11, по табл. 3 определяем предельные отклонения: верхнее — 0, нижнее – 0,160 мм. Величина допуска 7–160 мкм.

2. Определяем величину допускаемой погрешности измерения по табл. 7 находим графу интервала номинальных размеров 30 50 мм и графу 11-го квалитета. На пересечении находим для допуска 160 мкм допускаемую погрешность измерения, равную 40 мкм.

3. В табл. 8 указаны предельные погрешности измерения наружных линейных размеров. Подбираем по этой таблице средство, имеющее диапазон измерения, включающий номинальный размер Ф 50 мм и имеющее предельную погрешность измерения, близкую к 40 мкм, т.е. к допускаемой погрешности измерения нашей ступени вала. Находим скобу индикаторную для размеров от 0 до 50 мм, цена деления 0,01 мм, предельная погрешность измерения 15 мкм. Это средство измерения нам подходит и по погрешности измерения, и по производительности.

Контрольные вопросы:

1.Что такое активный контроль?

2. Опишите трехконтактную подвесную скобу и ее действие и преимущество.

3. Что такое командно-управляющие приборы типа КУ? Каковы его особенности?

4. Что такое контрольные автоматы? Каково их применение?

5. Перечислите факторы, которые необходимо учитывать при выборе средств измерения. Что такое допускаемая погрешность измерения?

6. Расскажите порядок действий при выборе средств измерения линейных размеров.

Приложения

Таблица 7. Допускаемые погрешности измерений , в зависимости от допусков размеров Т

Номинальн-ые размеры, мм	Квалитеты
	2	3	4	5	6	7	8	9
	мкм
	Т		Т		Т		Т		Т		Т		Т		Т
До 3	1,2	0,4	2,0	0,8	3	1	4	1,4	6	1,8	10	3	14	3	25	6
св.3 до 6	1,5	0,6	2,5	1,0	4	1,4	5	1,6	8	2,0	12	3	18	4	30	8
»6»10	1,5	0,6	2,5	1,0	4	1,4	6	2	9	2,0	15	4	22	5	36	9
»10»18	2,0	0,8	3,0	1,2	5	1,6	8	2,8	11	3	18	5	27	7	43	10
»18»30	2,5	1,0	4,0	1,4	6	2	9	3	13	4	21	6	33	8	52	12
»30»50	2,5	1,0	4,0	1,4	7	2,4	11	4	16	5	25	7	39	10	62	16
»50»80	3,0	1,2	5,0	1,8	8	2,8	13	4	19	5	30	9	46	12	74	18
»80»120	4,0	1,6	6,0	2,0	10	3	15	5	22	6	35	10	54	12	87	20
»120»180	5,0	2,0	8,0	2,8	12	4	18	6	25	7	40	12	63	16	100	30
»180»250	7,0	2,8	10,0	4,0	14	5	20	7	29	8	46	12	72	18	115	30
»250»315	8,0	3,0	12,0	4,0	16	5	23	8	32	10	52	14	81	20	130	30
»315»400	9,0	3,0	13,0	5,0	18	6	25	9	35	10	57	16	89	24	140	40
»400»500	10,0	4,0	15,0	5,0	20	6	27	9	40	12	63	18	97	26	155	40
	35	35	35	35	30	30	25	25

Продолжение табл. 7

Номинальн-ые размеры, мм	Квалитеты
	10	11	12	13	14	15	16	17
	мкм
	Т		Т		Т		Т		Т		Т		Т		Т
До 3	40	8	60	12	100	20	140	30	250	50	400	80	600	120	1000	200
св.3 до 6	48	10	75	16	120	30	180	40	300	60	480	100	750	160	1200	240
»6»10	58	12	90	18	150	30	220	50	360	80	580	120	900	200	1500	300
»10»18	70	14	110	30	180	40	270	60	430	90	700	140	1100	240	1800	380
»18»30	84	18	130	30	210	50	330	70	520	120	840	180	1300	280	2100	440
»30»50	100	20	160	40	250	50	390	80	620	140	1000	200	1600	320	2500	500
»50»80	120	30	190	40	300	60	460	100	740	160	1200	240	1900	400	3000	600
»80»120	140	30	220	50	350	70	540	120	870	180	1400	280	2200	440	3500	700
»120»180	160	40	250	50	400	80	630	140	1000	200	1600	320	2500	500	4000	800
»180»250	185	40	290	60	460	100	720	160	1150	240	1850	380	2900	600	4600	1000
»250»315	210	50	320	70	520	120	810	180	1300	260	2100	440	3200	700	5200	1100
»315»400	230	50	360	80	570	120	890	180	1400	280	2300	460	3600	800	5700	1200
»400»500	250	50	400	80	630	140	970	200	1550	320	2500	500	4000	800	6300	1400
	20	20	20	20	20	20	20	20

Таблица 8. Предельные погрешности измерения, мкм, наружных размеров и биения универсальными измерительными средствами

Средства измерения	Класс мер	Ход стержня, мм	Номинальным размер, мм
			1– 6	6–10	10–18	18–60	50–80	80–120	120– 180	180– 260	260–360	360–500
Штангенциркули с отсчетом по нониусу 0,1 мм	—	—	150	150	150	150	200	200	200	200	200	250
Штангенциркули с отсчетом по нониусу 0,05 мм	—	—	100
Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм при измерении размера	5	10	20	20	20	20	20	20	25	30	30	40
	3	1	10
	3	0,1	5	5	5	10	10	10	10	10	10	10
Индикаторы часового типа с ценой делений 0,01 мм при измерении биения	—	10	15	15	15	15	15	15	15	15	20	20
		0,1	10
		0,02–0,03	5	5	5	5	5	5	5	5	10	10
Индикаторы рычажно-зубчатые с ценой деления 0,01 мм при измерении биения	—	0,8	15
		0,1	10
		0,02	5
Головки пружинные (микрокаторы) с ценой деления 0,001 мм	1	—	0,5	1	1	1	1	1	1	1	—
Головки пружинные (микрокаторы) с ценой деления 0,002 мм	2	—	1	1	2	2	2	2	2	2	—
Головки рычажно-зубчатые с ценой деления 0,001 мм	1	—	1	1	1	1	1	1	1	1	1	—

Продолжение табл. 8

Средства измерения	Класс мер	Ход стержня, мм	Номинальный размер, мм
			0–25	25– 50	50– 75	75– 100	100–125	125–150	150– 175	175– 200	200– 225	225– 250	250–275	275– 300	300– 400	400–500
Скобы индикаторные с ценой деления 0,01 мм в руках	5	3	15	20	40	50	60
	3	0,1	10
Микрометры гладкие с ценой деления 0,01 мм в руках	—	По установочной мере	5	10	15	20	25	30	40	50
Микрометры рычажные с ценой делений 0,002 и 0,01 мм	—	По установочной мере	4	6	10	15	20	25	30	40	50
Скобы рычажные с ценой деления 0,002 и 0,005 мм	3	Вся шкала	4	5	10	20	25	—
	2	10 делений	2	3	5	—

Таблица 9. Предельные погрешности измерения , мкм, внутренних линейных размеров универсальными измерительными средствами

Средства измерения	Средства установки	Ход стержня	3–18	18–50	50–120	120–260	260–500
Штангенциркуль с отсчетом по нониусу 0,1 мм	—	—	200	250	300	300
Штангенциркуль с отсчетом по нониусу 0,05 мм	—	—	150	200	200	250
Нутромеры микрометрические с ценой деления 0,01 мм	Установочная мера	13	—	15	20	30
Нутромеры индикаторные с отсчетной головкой (цена деления 0,01 мм)	Концевые меры 4-го класса или гладкий микрометр	Весь расход	15	20	25	25	30
	То же	0,1	10	10	15	15	20
	Концевые меры 3-го класса или установочные кольца	0,03	5	5	10	10	—

Рис. 4.1

Рис. 4.2

Рис. 4.3

Метрология, технические измерения и средства измерений