2 Измерения

Измерения – это совокупность экспериментальных процедур, имеющих целью получение новой информации о свойствах объектах окружающего мира, производственных процессах и продукции, созданной в результате функционирования этих процессов.

Рис. 2.2. Классификация видов измерений

 Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерения, необходимой скоростью измерения, условиями и режимом измерений и т. д. Из рис. 2.2 следует, что в метрологии существует множество видов измерений, и число их постоянно увеличивается.

Наиболее часто используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение величины находят из опытных данных путем экспериментального сравнения. Например, длину измеряют непосредственно 1линейкой, температуру — термометром, силу — динамометром. Уравнение прямого измерения: , где С — цена деления СИ.

Если искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, най­денными прямыми измерениями, то этот вид измерений называют косвенным. Например, объем параллелепипеда находят путем умножения трёх линейных величин (длины, ширины и высоты); электрическое сопротивление — путем деления падения напря­жения на величину силы электрического тока.

Уравнение косвенного измерения — i-й результат прямого измерения.

Приведенные виды измерений включают различные методы, т.е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой использования СИ по принятой МВИ.

Методика — это технология выполнения измерений с целью наилучшей реализации метода.

Прямые измерения — основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений. В соответствии с РМГ 29—99 различают:

Метод непосредственной оценки, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора, например измерение давления пружинным манометром, массы — на весах, силы электрического тока — амперметром.

Метод сравнения с мерой, где измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС параллельного элемента.

Метод дополнения, если значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

Дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод позволяет получить результат высокой точности при использовании относительно грубых средств измерения.

Нулевой метод аналогичен дифференциальному, но разность между измеряемой величиной и мерой сводится к нулю. При этом нулевой метод имеет то преимущество, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины. Рассмотрим, например, неравноплечие весы (рис. 2.4, а), где . В электротехнике — это мосты для измерения индуктивности, емкости, сопротивления (рис. 2.4, б). Здесь . В общем случае совпаде­ние сравниваемых величин регистрируется нуль-индикатором (И).

 Погрешности измерений

При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин "точность измерений", т. е. степень приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для качественного сравнения измерительных операции. Для количественной оценки используется понятие "погрешность измерений" (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности измерений - одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений.

Количество факторов, влияющих на точность измерения, достаточно велико, и любая классификация погрешностей измерения (рис. 2.5) в известной мере условна, так как различные погрешности в зависимости от условий измерительного процесса проявляются в различных группах. Поэтому для практических целей достаточно рассмотреть случайные и систематические составляющие общей погрешности, выраженные в абсолютных и отно­сительных единицах при прямых, косвенных, совокупных и рав­ноточных измерениях.

Рис. 2.5. Классификация погрешностей измерения

Значение случайной погрешности заранее неизвестно, оно возникает из-за множества неуточенных факторов.

Случайные погрешности нельзя исключить полностью, но их влияние может быть уменьшено путем обработки результатов измерений.

Погрешность измерения подразделяется на следующие виды:

- погрешности метода измерения;

- погрешности СИ;

- ошибки операторов.

Погрешности средств измерений:

Погрешностей базирующих элементов – это неточности изготовления размеров элементов контрольно-измерительных приспособлений, являющиеся базирующими, т.е. элементы (плиты, базирующие пальцы)  на которых непосредственно устанавливается измеряемая деталь. При аттестации контрольных приспособлений погрешность определяется непосредственным измерением и является систематической ошибкой.

Погрешности передаточных устройств – это систематические погрешности, возникающие вследствие неточности изготовление рычагов и других деталей, могут быть определены расчетным путем и проверены экспериментально. Погрешности передаточных устройств необходимо учитывать в каждом данном приспособлении и суммировать с другими погрешностями алгебраически с учетом соответствующего знака. Кроме систематических погрешностей, при работе передач возникают случайные погрешности. Они вызываются наличием зазоров между осями и отверстиями рычагов, неточностью их перемещения и другими случайными причинами. Предельное значение может быть определено экспериментальным путем. Величина должна суммироваться в соответствии с правилами суммирования случайных погрешностей.

Погрешности зажимных устройств – это погрешности, возникающие вследствие неточности изготовление элементов зажимных устройств. В отдельных конструкциях контрольных приспособлений, когда требуется обеспечить неизменность положения проверяемой детали, применяют ручные, пневматические, гидравлические и другие зажимные устройства.

Погрешности влияние баз измерения – это влияние, которое оказывают погрешности при изготовлении поверхностей детали, по которым происходит базирование на контрольно-измерительное приспособления (СИ), на результат измерения. Изготовления измерительных баз у деталей, выполняемых с определенными допусками d; вследствие этой неточности возникает погрешность установки деталей на установочные узлы контрольных приспособлений. Предельное значение с учетом допуска d на измерительную базу проверяемых деталей обычно может быть определено расчетным путем. При таких расчетах следует учесть не только допуск d, но также величину гарантированного зазора между измерительной базой и рабочей поверхностью установочного узла. Без такого зазора невозможна легкая и быстрая установка проверяемых деталей на установочные узлы контрольных приспособлений.

Подробно формулы для расчета погрешности базирования при различных схемах базирования приведены в [54]

Нарушение принципа Аббе  заключается в том, что шкала измерения измерительного средства является как бы продолжением измеряемой величины.  Рассматривая процесс сравнения контролируемых и образцовых штриховых мер на продольных и поперечных компараторах, сформулирован принцип, в соответствии с которым минимальные погрешности измерения возникают, если контролируемый геометрический элемент и элемент сравнения находятся на одной линии — линии измерения. Принцип Аббе справедлив для поступательно перемещающихся звеньев. Его широко используют при выборе схем и конструирования средств измерения, при проектировании стан- ков и т. п. Однако последовательное расположение контролируемого и образцового элемента на одной линии приводят к увеличению габаритов измерительных средств, поэтому в ряде случаев применяют параллельное расположение сравнительных элементов, но и тогда необходимо соблюдать условия, при которых погрешности измерения минимальны.

Субъективные погрешности – это погрешности связанные с ошибками контролера. Они подразделяются на:

- Нарушение технологии измерения. Связаны с нарушением правил и последовательности измерения на контрольно-измерительных приспособлениях;

- Изменение усилий измерения;

- Ошибки считывание показаний. Разные контролеры могут по-разному считывать одну и ту же величину измерения.

Технические погрешности – это погрешности настройки средств присвоение числа (измерительные головки, микрометры, и т.д.) возникают в результате их неточной настройки. Кроме того, в процессе измерения деталей может иметь место сбой первичной настройки. Значение этих погрешностей устанавливают в процессе аттестации контрольных приспособлений.

Погрешности от усилие закрепления должны быть рассчитаны. Зажимные механизмы в СИ должны развивать небольшие силы, чтобы не нарушать постоянства установки деталей относительно измерительных средств, не должно быть деформации поверхностей контролируемой детали. При таких условиях будут получены минимальные погрешности, вызываемые этими механизмами. Погрешность имеет случайный и независимый характер, так как она определяется колебаниями прилагаемой силы, изменением места ее приложения, отклонениями формы контактных поверхностей и т.д.

Качество контактных поверхностей зависит от шероховатости контактных поверхностей детали и приспособления. Поверхности должны быть предварительно очищены  от мелких частиц. Поверхность иметь волнистость, трещины, сколы и другие заметные дефекты.  

В некоторых случаях могут возникать погрешности связанные с температурными колебаниями. Они обусловлены изменением температуры окружающей среды, в которой приходят измерения и относятся к влиянию условий измерения.

Погрешности метода измерений основаны на использовании совокупности приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Действующие методы измерений делятся на методы измерений путем непосредственной оценки и методы сравнения.