Методы измерения. Виды измерений

Физические венличины. Единицы физических величин

Широкое развитие и распространение методов и средств метрологии обусловило создание целых систем единиц измерений государственных и международных организаций. В настоящий момент всеобщей глобализации роль метрологии и сложность задач значительно возрастает. Каждую качественную особенность физического объекта называют физической величиной (длина, масса, скорость). Физическая величина имеет определенный размер, который выражается через единицу измерения. Среди физических величин различают основные и преобразованные из основных. Обе эти физические величины образуют систему единиц. В разное время существовали разные системы единиц измерения. Система МКС – метр, килограмм, секунда. Система СГС включала сантиметр, грамм, секунда и т.д. На основе их была построена Международная система единиц (СИ), котороя была принята на XI Международной конференции по мерам и весам в 1960 г для введения единообразия в единицах измерения во всем мире.

В СИ установлены семь основных единиц, используя которые можно измерять все механические, электрические, магнитные, акустические, световые и химические параметры, а также характеристики ионизирующих излучений. 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 термодинамической температуры;

моль (моль) – для измерения количества вещества;

кандела (кд) – для измерения силы света.

В СИ принято новое определение единицы длины – метра. До введения СИ в качестве международного и национальных эталонов метра использовали штриховые меры, изготовленные из платиново-иридиевого сплава и имеющие в поперечном сечении Х-образную форму. Метр определили при температуре 20 ^оС между осями двух средних штрихов меры с точностью ±0,1 мкм.

В новой системе единиц 1 м выражен в длинах световых волн атома криптона, т. е. связан с природной величиной. Теперь метр – это длина, равная 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего оранжевой линии спектра криптона-86. При новом эталоне длина 1 м воспроизводится сейчас с погрешностью 0,002 мкм, которая меньше погрешности старого искусственного эталона метра в 50 раз.

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины и ее единицы в соответствии с реализованным принципом измерений.

Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Различают несколько основных методов измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, или разностный, нулевой, контактный и бесконтактный.

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, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Например, измеряя длину с помощью линейки, размеры деталей – микрометром, штангенциркулем, получили значение размера

25,5 мм.

Рисунок 7.1 – Схема измерений методом сравнения с мерой

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения высоты L детали 1 (рис.7.1) 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 партий деталей. О точности размеров L судят по отклонению ±∆ стрелки миниметра относительно нулевого положения.

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

При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно в процессе замеров, например измерение угла угломером, диаметра – штангенциркулем, массы – на циферблатных весах.

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

При измерении линейных величин, независимо от рассмотренных методов, различают контактный и бесконтактный методы измерений.

Контактный метод осуществляется путем контакта между измерительными поверхностями инструмента или прибора и проверяемой деталью. Недостаток его – необходимость определенного усилия при измерении, что вызывает дополнительные погрешности (например, измерения штангенциркулем, микрометром, рычажно-механическими приборами).

Бесконтактный метод лишен недостатка контактного, поскольку в процессе измерения нет контакта между средством контроля и изделием. Это проверка на проекторах, микроскопах, с помощью пневматических приборов.

Измерение поверхностей деталей, имеющих сложную геометрическую форму (резьбы, шлицевые соединения), может быть произведено либо поэлементным, либо комплексным методом.

Поэлементным методом, например, производится проверка резьбы среднего диаметра – методом трех проволочек, наружного диаметра – микрометром, угла профиля – на универсальном микроскопе.

Комплексным методом пользуются при контроле резьбы с помощью резьбовых пробок и колец на свинчиваемость, одновременно проверяют шаг, угол профиля и средний диаметр резьбы.

Измерительные средства (приборы) классифицируют по назначению, конструктивно-функциональным признакам и технологическим особенностям изготовления. На заводах специализированные цехи и участки изготавливают следующие группы измерительных средств.

1. Оптические приборы:

а) приборы для измерения длин и углов – длинномеры, профилометры, сферометры, инструментальные и универсальные измерительные микроскопы, линейные измерительные, машины, оптические делительные головки, гониометры,

рефрактометры, автоколлимационные трубы, катетометры и т. д.;

б) микроскопы (бинокулярные, интерференционные, биологические и др.);

в) наблюдательные приборы – галилеевские и призменные бинокли, стереотрубы, перископы;

г) геодезические приборы – нивелиры, теодолиты, светодальномеры;

д) призменные и дифракционные спектральные приборы –микрофотометры, интерферометры, спектропроекторы.

2. Рычажно-оптические приборы: оптиметры, ультраоптиметры и др.

3. Рычажно-механические приборы:

а) собственно рычажные (миниметры и др.);

б) зубчатые (индикаторы часового типа и др.);

в) рычажно-зубчатые (микрометры и др.);

г) рычажно-винтовые (индикатор-микрометр);

д) с пружинной передачей (микрокаторы и др.).

4. Пневматические приборы с манометром и ротаметром.

5. Механические приборы:

а) штриховые, снабженные нониусом (штангенинструменты и универсальные угломеры);

б) микрометрические, основанные на применении винтовой передачи (микрометры, микрометрические нутромеры, глубиномеры, и др.).

6. Электрифицированные приборы (индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и т. д.).

7. Автоматические приборы: контрольные и контрольно-сортировочные автоматы, приборы активного контроля и др.

Вид средств измерений – это совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данного вида физической величины.

Вид средств измерений может включать несколько типов. Например, амперметры и вольтметры (вообще) являются видами средств измерений соответственно силы электрического тока и напряжения.

Отсчетное устройство показывающего прибора может иметь шкалу и указатель. Указатель выполняется в виде стрелки, светового луча и т. д. В настоящее время широкое применение получают отсчетные устройства с цифровой индикацией. Шкала представляет собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы.

Интервал деления шкалы – расстояние между двумя соседними отметками шкалы. У большинства измерительных средств интервал деления составляет от 1 до 2,5 мм.

Рисунок 7.2 – Области значений шкалы

Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например (см. рис), у индикатора цена деления 0,002 мм.

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

1.5 Погрешность измерения и её источники

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

∆=Х — Q.

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 (показаний прибора, концевых мер, изменения температуры и т. п.).

Погрешность отсчета – 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 средств измерений. Различают основную и дополнительную погрешности средства измерений. За основную погрешность принимают погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях. Дополнительная погрешность складывается из дополнительных погрешностей измерительного преобразователя и меры, вызванных отклонением от нормальных условий.

Если температура проверяемого изделия будет отличаться от температуры, при которой ведется контроль, то это вызовет погрешности, являющиеся результатом теплового расширения. Во избежание появления их все измерения должны проводиться при нормальной температуре (+20°С).

Неточность установки детали при контроле и погрешности установки прибора также влияют на точность измерения. Например, штангенциркуль при измерении должен устанавливаться перпендикулярно к измеряемой поверхности. Тем не менее, в процессе замера могут быть перекосы, что приводит к погрешности измерения.

К перечисленным погрешностям можно добавить ошибки, возникающие при отсчете размера исполнителем вследствие его субъективных данных, ошибки от не плотности контакта между измерительными поверхностями и изделием.

Все 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. Случайные погрешности – составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. К грубым относятся случайные погрешности, значительно превосходящие погрешности, ожидаемые при данных условиях измерения (например, неправильный отсчет по шкале, толчки и удары прибора).

Калибровка – установление метрологических характеристик средств измерительной техники, на которые не распространяется государственный метрологический надзор; калибровка производится калибровочными лабораториями.

Порог чувствительности (реагирования) – это наименьший прирост входной величины, который обуславливает заметное изменение выходной величины.

Элементарная погрешность – такая составляющая погрешности, которую в заданном анализе нет необходимости дальше расчленять на составляющие. Универсальных методов выявления систематических ошибок нет. Поэтому применяют разные способы их уменьшения или исключения. Грубые ошибки результатов измерения исключаются с помощью критерия аномальных результатов за которые принимаю интервал относительно центра распределения в долях среднеквадратического отклонения. Обычно, если значение измерения больше 3-х σ, то такое отклонение относят к аномальным.

Для обеспечения метрологического единства измерений производится метрологическая аттестация средств измерительной техники в измерительных лабораториях.

Поверка – установление пригодности средства измерений к применению на основании соответствия экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля установленным требованиям.

Основной метрологической характеристикой средства измерений, определяемой при поверке, является его погрешность. Как правило, она находится на основании сравнения поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений или эталоном, т. е. с более точным средством, предназначенным для проведения поверки.

Различают поверки: государственную и ведомственную, периодическую и независимую, внеочередную и инспекционную, комплексную, поэлементную и др. Поверка выполняется метрологическими службами, которым дано на это право в установленном порядке. Поверку проводят специально обученные специалисты, имеющие удостоверение на право ее проведения.

Результаты поверки средств измерений, признанных годными к применению, оформляются выдачей свидетельств о поверке, нанесением поверительного клейма и т. д. Поверке подлежат все средства измерений, применяемые в народном хозяйстве.

На предприятиях основным средством сохранения мер длины являются концевые меры. Все цеховые средства измерений подлежат поверке в контрольно-измерительных лабораториях образцовыми средствами измерений.