Червач Ю.Б., Охотин И.С. Технические измерения в машиностроении

Подождите немного. Документ загружается.

массу отдельных гирь, например

обр

обозначает массу образцовой гири

в 1 кг, тогда:

обр

1 1

 

;

обр

1 1 2

  

;

2* 2

 

;

1 2 2* 5

   

и т. д.

Дополнительные грузы, которые необходимо прибавлять к массе

гири указанной в правой части уравнения или отнимать от неё для урав-

новешивания весов, обозначены

. Решив эту систему уравне-

ний, можно определить значение массы каждой гири.

Совместные – это измерения, производимые одновременно двух

или нескольких разноименных величин для нахождения функциональ-

ной зависимости между ними. Примерами совместных измерений явля-

ются определение длины стержня в зависимости от его температуры или

зависимости электрического сопротивления проводника от давления и

температуры.

По условиям, определяющим точность результата, измерения де-

лятся на три класса.

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой

при существующем уровне техники. В этот класс включены все высоко-

точные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные

с максимально возможной точностью воспроизведения установленных

единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физиче-

ских констант, прежде всего универсальных, например измерение абсо-

лютного значения ускорения свободного падения.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с

определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданно-

го значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лаборато-

риями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований

технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и

заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гаранти-

руют погрешность результата с определенной вероятностью, не превы-

шающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата оп-

ределяется характеристиками средств измерений. Примерами техниче-

ских измерений являются измерения, выполняемые в процессе произ-

водства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и другие.

В зависимости от способа выражения результатов измерений раз-

личают абсолютные и относительные измерения.

Абсолютными называют измерения, которые основаны на прямых

измерениях одной или нескольких основных величин или на использо-

вании значений физических констант. Примерами абсолютных измере-

ний являются: определение длины в метрах, силы электрического тока в

Амперах, ускорения свободного падения в м/с

Относительными называют измерения, при которых искомую ве-

личину сравнивают с одноименной величиной, играющей роль единицы

или принятой за исходную. Примерами относительных измерений яв-

ляются: измерение диаметра обечайки по числу оборотов мерного роли-

ка, измерение относительной влажности воздуха, определяемой как от-

ношение количества водяных паров в 1 м

воздуха к количеству водя-

ных паров, которое насыщает 1 м

воздуха при данной температуре.

В зависимости от способа определения значений искомых 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 устрой-

ству измерительного прибора прямого действия. Примерами таких из-

мерений являются: измерение длины с помощью линейки, размеров де-

талей микрометром, угломером, давления манометром и так далее.

Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором изме-

ряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Например, для измерения диаметра калибра оптиметр устанавливают на

нуль по блоку концевых мер длины, а результат измерения получают по

показанию стрелки оптиметра, являющегося отклонением от нуля. Та-

ким образом, измеряемая величина сравнивается с размером блока кон-

цевых мер. Существуют несколько разновидностей метода сравнения:

а) метод противопоставления, при котором измеряемая величина и

величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют

на прибор сравнения, позволяющий установить соотношение ме-

жду этими величинами, например измерение сопротивления по

мостовой схеме с включением в диагональ моста показывающего

прибора;

б) дифференциальный метод, при котором измеряемую величину

сравнивают с известной величиной, воспроизводимой мерой.

Этим методом, например, определяют отклонение контролируе-

мого диаметра детали на оптиметре после его настройки на нуль

по блоку концевых мер длины;

в) нулевой метод – также разновидность метода сравнения с мерой,

при котором результирующий эффект воздействия величин на

прибор сравнения доводят до нуля. Этим методом измеряют элек-

трическое сопротивление по схеме моста с полным его уравнове-

шиванием;

г) при методе совпадений разность между измеряемой величиной и

величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя сов-

падения отметок шкал или периодических сигналов. Например,

при измерении штангенциркулем используют совпадение отметок

основной и дополнительной шкал.

В зависимости от способа получения измерительной информации,

измерения могут быть контактными и бесконтактными.

В зависимости от типа, применяемых измерительных средств,

различают инструментальный, экспертный, эвристический и орга-

нолептический методы измерений.

Инструментальный метод основан на использовании специаль-

ных технических средств, в том числе автоматизированных и автомати-

ческих.

Экспертный метод оценки основан на использовании суждений

группы специалистов.

Эвристические методы оценки основаны на интуиции.

Органолептические методы оценки основаны на использовании

органов чувств человека. Оценка состояния объекта может проводиться

поэлементными и комплексными измерениями. Поэлементный метод

характеризуется измерением каждого параметра изделия в отдельности.

Например, эксцентриситета, овальности, огранки цилиндрического вала.

Комплексный метод характеризуется измерением суммарного показате-

ля качества, на который оказывают влияние отдельные его составляю-

щие. Например, измерение радиального биения цилиндрической детали,

на которое влияют эксцентриситет, овальность и другие параметры;

контроль положения профиля по предельным контурам и тому подоб-

ное.

3. МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ

ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Согласованная Международная система единиц физических вели-

чин была принята в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам ве-

сам. Международная система – СИ (SI – начальные буквы французского

наименования Systeme International). В системе предусмотрен перечень

из семи основных единиц: метр, килограмм, секунда, Ампер, Кельвин,

Кандела, моль и двух дополнительных: радиан, стерадиан, а также даны

приставки для образования кратных и дольных единиц (табл. 1).

3.1. Основные единицы СИ

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за

1/299.792.458 долю секунды.

Таблица 1

Основные и дополнительные единицы СИ

Основные единицы СИ

Величина Единица Обозначение

Наименование русское международное

Длина L метр м m

Масса M килограмм кг kg

Время T секунда с s

Сила электрического

тока I

Ампер А A

Термодинамическая

температура

Кельвин К K

Сила света кандела кд cd

Количество вещества моль моль mol

Дополнительные единицы СИ

Величина Единица Обозначение

Наименование Наименование русское международное

Плоский угол радиан рад rad

Телесный угол стерадиан ср sr

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующе-

го переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния

атома цезия–133.

Ампер равен силе не изменяющегося во времени электрического

тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным

проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового

сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме,

вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодейст-

вия, равную

2 10





Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры

тройной точки воды.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же

структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде–12 мас-

сой 0,012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, ис-

пускающего монохроматическое излучение частотой

540 10



Гц, энер-

гетическая сила света которого в этом направлении составляет

1/683 Вт/ср.

3.2. Производные единицы СИ

Производные единицы Международной системы единиц образуют-

ся с помощью простейших уравнений между физическими величинами,

в которых числовые коэффициенты равны единице. Например, для оп-

ределения размерности линейной скорости воспользуемся выражением

для скорости равномерного прямолинейного движения. Если длина

пройденного пути

v l t



(м), а время, за которое этот путь пройден –

(с), то скорость получается в метрах в секунду (м/с). Следовательно,

единица скорости СИ – метр в секунду – это скорость прямолинейно и

равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемеща-

ется на расстояние 1 м. Аналогично образуются и другие единицы, в том

числе с коэффициентом не равным единице (табл. 2).

Таблица 2

Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования

Наименование Единица

Выражение производной еди-

ницы через единицы СИ

Величина

Наименова-

ние

Обозначение

другие

единицы

основные и

дополнитель-

ные единицы

Частота герц Гц –

-1

Сила ньютон Н –

мкгс

-2

Давление паскаль Па Н/м

-1

кгс

-2

Энергия, работа джоуль Дж

Нм м

-1

кгс

-2

Мощность ватт Вт Дж/с

-2

кгс

-3

Электрический

заряд

кулон Кл

Ас сА

Электрический

потенциал

вольт В Вт/А

кгс

-3

А

-1

Электрическая

емкость

фарада Ф Кл/В

-2

кг

-1

с

А

Электрическое

сопротивление

ом Ом В/А

кгс

-3

А

-2

Электрическая

проводимость

сименс См А/В

-2

кг

-1

с

А

Поток магнитной

индукции

вебер Вб

Вс м

кгс

-2

А

-1

Магнитная

индукция

тесла Т, Тл Вб/м

кгс

-2

А

-1

Индуктивность генри Г, Гн Вб/А

кгс

-2

А

-2

Световой поток люмен лм

кдср

Освещенность люкс лк

кдср

Активность

радиоактивного

источника

беккерель Бк с

-1

Поглощенная доза

излучения

грэй Гр Дж/кг

с

-2

4. ОБЪЕКТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Объектами измерений могут быть любые параметры физических

объектов и процессов, описывающие их свойства.

4.1. Измеряемые величины

Измерения геометрических величин: длин; диаметров; углов; от-

клонений формы и расположения поверхностей; шероховатости поверх-

ностей; зазоров.

Измерения механических и кинематических величин: массы; си-

лы; напряжений и деформаций; твердости; крутящих моментов; скоро-

сти движения и вращения; кинематических параметров зубчатых колёс

и передач.

Измерения параметров жидкости и газа: расхода, уровня, объе-

ма; статического и динамического давления потока; параметров погра-

ничного слоя.

Физико-химические измерения: вязкости; плотности; содержания

(концентрации) компонентов в твердых, жидких и газообразных веще-

ствах; влажности; электрохимические измерения.

Теплофизические и термодинамические измерения: температуры;

давления, тепловых величин; параметров цикла; КПД

Измерения времени и частоты: измерение времени и интервалов

времени; измерение частоты периодических процессов.

Измерения электрических и магнитных величин: напряжения,

силы тока, сопротивления, емкости, индуктивности; параметров маг-

нитных полей; магнитных характеристик материалов.

Радиоэлектронные измерения: интенсивности сигналов; парамет-

ров формы и спектра сигналов; свойств веществ и материалов радиотех-

ническими методами.

Измерения акустических величин: акустические – в воздушной,

газовой и водной средах; акустические – в твердых средах; аудиометрия

и измерения уровня шума.

Оптические и оптико-физические измерения: измерения оптиче-

ских свойств материалов; энергетических параметров некогерентного

оптического излучения; спектральных, частотных характеристик, поля-

ризации лазерного излучения; параметров оптических элементов, опти-

ческих характеристик материалов; характеристик фотоматериалов.

Измерения ионизирующих излучений и ядерных констант: до-

зиметрических характеристик ионизирующих излучений; спектральных

характеристик ионизирующих излучений; активности радионуклидов;

радиометрических характеристик ионизирующих излучений.

4.2. Размер измеряемой величины

Целью измерения является получение информации о размере фи-

зической величины.

Под физической величиной подразумевается свойство, общее в ка-

чественном отношении многим объектам, но в количественном отноше-

нии индивидуальное для каждого объекта. Леонард Эйлер определил

это так: «величиной называется все, что способно увеличиваться или

уменьшаться, или то, к чему можно нечто прибавить или от чего можно

отнять».

Размер есть количественная характеристика измеряемой физиче-

ской величины.

На практике появляется необходимость проводить измерения вели-

чин, характеризующих свойства явлений и процессов. Некоторые свой-

ства проявляются качественно, другие количественно. Отображение

свойств в виде множества элементов или чисел или условных знаков

представляет собой шкалу измерений этих свойств.

Шкала измерений – это упорядоченная совокупность значений фи-

зической величины, которая служит основой для ее измерения. Поясним

это понятие на примере температурных шкал. В шкале Цельсия за нача-

ло отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного ин-

тервала (опорной точки) – температура кипения воды. Одна сотая часть

этого интервала является единицей температуры (градус Цельсия).

Различают несколько типов шкал: наименований, порядка, разно-

стей (интервалов), отношений, абсолютные и другие.

Шкалы наименований характеризуются только отношением экви-

валентности (равенства). Шкала наименований – это качественная шка-

ла, она не содержит количественную информацию, в ней нет нуля и

единиц измерений. Элементы этих шкал характеризуются только соот-

ношениями эквивалентности (равенства) и сходства конкретных качест-

венных проявлений свойств. Примером может служить атлас цветов

(шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравне-

нии окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами

атласа).

Шкалы порядка характеризуют значение измеряемой величины в

баллах. Эти шкалы описывают свойства, для которых имеют смысл не

только соотношения эквивалентности, но и соотношения порядка по

возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. Ха-

рактерным примером шкал порядка являются существующие шкалы чи-

сел твердости тел, шкалы баллов землетрясений, шкалы баллов ветра,

шкала оценки событий на АЭС и т. п. Узкоспециализированные шкалы

порядка широко применяются в методах испытаний различной продук-

ции.

В этих шкалах также нет возможности ввести единицы измерений

из-за того, что они не только принципиально не линейны, но и вид не-

линейности может быть различен и неизвестен на разных ее участках.

Результаты измерений в шкалах твердости, например, выражаются в

числах твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, Шору, а не в еди-

ницах измерений. Шкалы порядка допускают монотонные преобразова-

ния, в них может быть или отсутствовать нулевой элемент.

Шкалы разностей (интервалов) отличаются от шкал порядка тем,

что для описываемых ими свойств имеют смысл не только соотношения

эквивалентности и порядка, но и суммирования интервалов (разностей)

между различными количественными проявлениями свойств. Характер-

ный пример – шкала интервалов времени.

Интервалы времени (например, периоды работы, периоды учебы)

можно складывать и вычитать, но складывать даты каких-либо событий

бессмысленно.

Другой пример, шкала длин (расстояний) пространственных интер-

валов определяется путем совмещения нуля линейки с одной точкой, а

отсчет делается у другой точки. К этому типу шкал относятся и шкалы

температур по Цельсию, Фаренгейту, Реомюру.

Шкалы разностей имеют условные (принятые по соглашению) еди-

ницы измерений и нули, опирающиеся на какие-либо реперы.

В этих шкалах допустимы линейные преобразования, в них приме-

нимы процедуры для отыскания математического ожидания, стандарт-

ного отклонения, коэффициента асимметрии и смещенных моментов.

Шкалы отношений имеют естественное нулевое значение, а еди-

ница измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала

массы, начинаясь от нуля, может быть градуирована по-разному в зави-

симости от требуемой точности взвешивания. Сравните бытовые и ана-

литические весы. К множеству количественных проявлений в этих шка-

лах применимы соотношения эквивалентности и порядка – операции

вычитания и умножения, (шкалы отношений 1-го рода – пропорцио-

нальные шкалы), а во многих случаях и суммирования (шкалы отноше-

ний 2-го рода – аддитивные шкалы).

Массы любых объектов можно суммировать, но суммировать тем-

пературы разных тел нет смысла, хотя можно судить о разности и, от-

ношении их термодинамических температур. Примерами шкал отноше-

ний являются шкалы массы (2-го рода), термодинамическая темпера-

турная шкала (1-го рода).

Шкалы отношений широко используются в физике и технике, в них

допустимы все арифметические и статистические операции.

Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отноше-

ний, но в них дополнительно существует естественное однозначное оп-

ределение единицы измерения. Такие шкалы используются для измере-

ний относительных величин (отношений одноименных величин: коэф-

фициентов усиления, ослабления, КПД, коэффициентов отражений и

поглощений, амплитудной модуляции и так далее).