Теоретические основы и методические указания к выполнению самостоятельной работы по курсу физические основы измерений

Подождите немного. Документ загружается.

более широкое применение в информационно-измерительных комплексах,

осуществляющих автоматический контроль и управление производством.

3.2 Классификация средств измерений по

метрологическому назначению

По данному признаку средства измерений подразделяются на

РАБОЧИЕ и ОБРАЗЦОВЫЕ.

РАБОЧИЕ средства измерений – используют для получения

количественной информации о свойствах и составе веществ, материалов,

изделий, параметрах технологических процессов, при испытаниях и

контроле качества продукции.

Они являются единственным техническим инструментом,

позволяющим осуществить процессы непосредственного сравнения

значений измеряемой величины с размером принятой для

нее единицы.

Естественно, что для этого необходимо предварительно «вложить»

в средство измерения размер единицы измеряемой величины, его кратные

и дольные значения, что и осуществляется в приборах, например,

градуировкой.

Точность рабочих средств измерений обусловливается как

собственными погрешностями (несовершенством конструкции,

внутренними шумами, трением, износом, старением элементов и т.д.), так

и погрешностями,

вносимыми при их градуировке (аттестации, поверке).

ОБРАЗЦОВЫЕ средства измерений – применяются при

градуировке, аттестации и поверке рабочих средств измерений. Они

отличаются повышенной точностью и надежностью, приспособлены для

эффективных, производительных работ с рабочими средствами измерений

и допускаются к применению в качестве образцовых специальными

законодательными актами, подтверждающими возможность их

использования для целей градуировки, аттестации и поверки определенной

группы рабочих средств измерений.

Образцовые средства измерений образуют «цепочку», по которой

передаются размеры единиц измеряемых фактических величин от эталонов

к рабочим средствам измерений. Каждый «узел» этой цепочки получает

информацию о размере от предыдущей ступени и передает последующей.

Рациональное число ступеней (т.е. количество

образцовых СИ)

устанавливается поверочными схемами (рис. 1.1).

Рис.1.1. Компановка поверочной схемы:

1 – государственный эталон; 2 – метод передачи размера единиц;

3 – эталон-копия; 4 – эталон-свидетель; 5 – рабочий эталон;

6,7,и 8 – образцовые средства измерений соответствующих разрядов;

9 – образцовые средства измерений, заимствованные из других

поверочных схем; 10 – рабочие средства измерений.

ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА – это утвержденный в установленном

порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность

передачи размеров единиц от эталона (или образцового СИ определенной

ступени) рабочим СИ.

Поверочные схемы подразделяются на государственные,

ведомственные и локальные.

Государственные – служат основанием для составления

ведомственных и локальных поверочных схем. Они разрабатываются и

утверждаются в качестве ГОСТов системы

ГСИ.

Ведомственные – ведомственными метрологическими службами по

согласованию с Госстандартом РФ.

Локальные – подразделениями метрологической службы,

проводящими поверку СИ, они утверждаются руководителями

предприятия по согласованию с органом государственной

метрологической службы.

Высшей (исходной для страны) ступенью государственных

поверочных схем являются государственные эталоны.

3.3 Метрологические характеристики средств измерений (СИ)

Цель выявления и оценки метрологических характеристик –

определение общей погрешности измерений. В этой погрешности

основной, как правило, является инструментальная погрешность средства

измерения. Именно она составляет основу систематической погрешности.

Правильная достоверная оценка инструментальной погрешности является

одной из главных задач технических измерений.

Нормированное (предписанное) значение этой погрешности

записывается в паспорт нового или поверенного средства

измерения.

Таким образом, ее действительное значение выявляется при изготовлении

или поверке средства измерения.

Специфической особенностью инструментальной погрешности

является то, что она должна быть известна до проведения измерений, и

исключена или скомпенсирована при измерениях.

Практически единственным доступным способом решения данной

задачи является РАСЧЕТ инструментальной погрешности по

нормированным в технической документации на средства измерения

метрологическим характеристикам.

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ – такие

характеристики свойств средства измерения, которые оказывают влияние

на результаты и погрешности измерений. Они предназначены для оценки

технического уровня и качества СИ; для определения результатов

измерений и расчетной оценки инструментальной погрешности.

Как следует из определения, комплексы нормируемых

метрологических характеристик наряду с оценкой инструментальной

погрешности должны обеспечивать решение традиционных

метрологических задач (выбор средства измерения с учетом объекта

измерения и

требований точности; сравнение СИ различных типов с

учетом условий их применения).

ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ – погрешность,

обусловленная свойствами СИ, а значит, ее значение определяется

величиной метрологических характеристик. Поэтому, чтобы

спроектировать средство измерения, имеющее заданную

инструментальную погрешность, необходимо задать определенные

(нормируемые) метрологические характеристики, и наоборот, чтобы

правильно подобрать средство измерения, надо знать его

метрологические

характеристики.

3.4 Выбор метода и средства измерений

Метод и средства измерений должны обеспечивать выполнение

измерительной задачи и требуемую этой задачей точность измерения.

При выборе средства измерения следует учитывать принцип его

действия, приемы применения, метрологические характеристики, надежность,

стойкость к внешним воздействиям.

Метод измерения должен по возможности иметь минимальную

погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или

переводу систематических погрешностей в разряд случайных погрешностей.

Например, с целью исключения систематических погрешностей из-за

неадекватности модели измеряемому объекту намечают выполнение измерений

в нескольких точках; для исключения гистерезиса, мертвого хода измерения

выполняют при подходе к определенной точке шкалы слева и справа.

По выбранному методу и средству измерения целесообразно определить

погрешность измерений ∆

, включающую погрешность средства измерения,

метода измерения, оператора и погрешности, обусловленной внешним

воздействием, и сравнить ее с пределом допускаемой погрешности измерений

∆

Если ∆

< ∆

, выбранный метод и средство измерения обеспечивают

получение результата с требуемой погрешностью,

Если ∆

> ∆

, уточняют правильность выбранного метода, условий

выполнения измерений или выбирают более точное средство измерений.

Для выполнения однократных измерений следует выбирать средство

измерения с возможно меньшей случайной погрешностью.

При выборе средств измерений следует учитывать, что в нормальных

условиях их применения допустимо изменение их погрешности до 35%.

Следовательно, если погрешность выбираемого средства измерений ∆

си

должна

быть не более ∆

, то РЕКОМЕНДУЕТСЯ ВЫБИРАТЬ СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЯ

С ПОРЕШНОСТЬЮ:

СИ

∆=

∆

=∆ 74,0

35,1

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ПО

ФИЗИЧЕСКИМ ЯВЛЕНИЯМ, ЗАЛОЖЕННЫМ В

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ

ГЛАВА 4 Штангенинструмент

Штангенинструмент — группа измерительных средств для

измерения и разметки линейных размеров методом непосредственной

оценки. Отсчетное устройство штангенинструмента состоит из

измерительной линейки штанги с делениями через 1 мм и вспомогательной

подвижной шкалы-нониуса для отсчета частей делений основной шкалы,

нанесенной на штанге.

4.1 Принцип построения линейного нониуса

В основу отсчета по нониусу положена способность человеческого

глаза оценивать совпадение или несовпадение штрихов двух сомкнутых

шкал более точно при определении долей деления по одной шкале.

Нониусная шкала (рис.4.1) имеет небольшое число интервалов

деления – 10-20 по сравнению с основной шкалой. Нулевой штрих нониуса

является указателем числа целых делений основной шкалы.

На рис. 4.1, б изображена основная шкала 1 и шкала нониуса 2 с

отсчетом 0,1 мм. Если отрезок основной шкалы 9 мм разделить на десять

частей, то интервал деления шкалы нониуса будет равен 0,9 мм. При

совпадении нулевого штриха нониуса, например, со штрихом 20 основной

шкалы, следующий первый штрих не дойдет до соответствующего штриха

основной шкалы на 0,1 мм, второй на 0,2 мм и т. д., а последний – десятый

на 1 мм до штриха 30 мм основной шкалы. На рис. 4.1, в нулевой штрих

нониуса расположен справа за двадцатым делением основной шкалы, а

один из штрихов основной шкалы совпадает с третьим штрихом нониуса

(размер 20,3 мм). Таким образом, отсчет по нониусу сводится к

определению совпадения одного из штрихов нониуса с соответствующим

штрихом основной шкалы.

Как видно из рис. 4.1 а, интервал деления шкалы нониуса меньше

интервала деления основной шкалы. Такая шкала была бы слепой, поэтому

на нониусные шкалы интервалы наносятся увеличенными относительно

интервала основной шкалы (рис. 4.1 в). Общее число делений шкалы

нониуса точно укладывается в определенное, число делений основной

шкалы.

Рисунок 4.1 Принцип построения нониуса:

1 – основная шкала, 2 – шкала нониуса, 3 – штанга, 4 – нониус при

γ=1, 5 – нониус при γ=2.

Для расчета нониуса примем следующие обозначения: i – отсчет по

нониусу; а – длина деления основной шкалы; а

- длина деления шкалы

нониуса; l – длина шкалы нониуса; γ – модуль нониуса.

Модуль нониуса является мерой «растяжки» шкалы и показывает,

сколько делений основной шкалы соответствует одному делению шкалы

нониуса. Для γ =1 (рис. 4.1 б) длина деления шкалы нониуса а

, равная 0,9

мм, меньше длины деления основной шкалы а = 1 мм на i = 0,1 мм.

Это выражается зависимостью а

= γа – I.

Отсчет по нониусу определяют выражением i = а/n, где n – число

делений шкалы нониуса.

Длина шкалы нониуса l = nа

= n•(γа – i).

Модуль принимают равным 1; 2 и 5, а отсчеты по нониусу – 0,1;

0,05 и 0,02 мм. Отсчет по нониусу 0,02 мм практически не применяется, так

как погрешность отсчета не менее, чем погрешность при отсчете 0,05 мм.

Пример. Рассчитать данные для изготовления нониуса при длине

деления основной шкалы 1 мм (а = 1 мм) и отсчете по нониусу i = 0,1 мм.

Исходя из основной шкалы и длины устройства, на котором

установлен нониус, для а = 1 мм и i = 0,1 мм, задаемся модулем, равным,

например, 2 (γ = 2).

Определяем длину деления шкалы нониуса:

= γа – i = 2·1 – 0,1 = 1,9 мм;

Число делений шкалы нониуса:

n = а/i = 1/0,1 = 10;

Длинна шкалы нониуса:

l = nа

= 10•1,9 = 19 мм.

4.2 Штангенинструмент

К штангенинструментам относятся штангенциркули, штанген-

глубиномеры, штангенрейсмасы и штангензубомеры. Эти инструменты

имеют общую конструкцию – штангу с основной шкалой и подвижную

рамку с нониусом. Конструкции штангенинструментов отличаются

конфигурацией измерительных поверхностей и их взаимного расположения.

Штангенциркули: ГОСТ 166 – 80, ГОСТ 8.113 – 74 показаны на рис.4.2

а, б.

Рисунок 4.2 Штангенинструменты

На конце линейки штанги имеются измерительные губки с

измерительными поверхностями, перпендикулярными к линейке. Вторые

измерительные губки размещены на подвижной рамке 2. На этой же рамке

находится нониус 4. Штангенциркуль, показанный на рис.4.2 а, б, с

двусторонним расположением губок для наружных и внутренних

измерений, оснащен линейкой-глубиномером 5, закрепленной на рамке.

Рамка на линейке (штанге) стопорится винтом 3. На рисунке показан

штангенциркуль, предназначенный для измерения диаметров вала и

отверстия, расстояния между центрами отверстий и глубины отверстия при

условии, что они имеют одинаковый размер (20,0 мм).

Штангенциркуль ШЦ – II (рис. 4.2 б) с двусторонним

расположением губок для наружных и внутренних измерений и верхними

заостренными губками предназначен для разметки поверхностей. Он

оснащен устройством 7 микрометрической подачи для медленного

перемещения рамки по штанге. При использовании микроподачи

вспомогательную рамку стопорят на штанге винтом 6, отпускают винт 3 и,

вращая устройство микроподачи, перемещают рамку. Размер нижних

губок в сведенном состоянии (b = 10 мм) маркируют на боковой

поверхности одной из губок. После ремонта размер губок уменьшается,

поэтому на боковой поверхности указывают их действительный размер.

При внутренних измерениях к значению отсчета по нониусу прибавляют

действительный маркированный размер губок.

Наибольшее распространение получили штангенциркули с

диапазоном измерения от 0 до 140 мм или от 0 до 320 мм с отсчетом по

нониусу 0,1 и 0,05 мм.

Измерение штангенциркулем наружного диаметра выполняют в

следующей последовательности. Изделие помещают между губками,

прижимают неподвижную губку к поверхности детали, перемещают

подвижную губку до плотного контакта измерительной поверхности губки

с поверхностью измеряемой детали. Закрепляют стопорный винт губки,

снимают штангенциркуль с изделия и производят отсчет по основной

шкале и нониусу. Если штангенциркуль имеет микрометрическую подачу

подвижной губки, то сначала подводят подвижную губку и стопорят винт

рамки микроподачи. Микроподачей перемещают подвижную губку в

направлении неподвижной до момента плотного контакта измерительных

поверхностей губок (без перекоса губок), стопорным винтом закрепляют

подвижную рамку. Снимают штангенциркуль с детали и производят отсчет

по основной шкале и нониусу.

При измерении штангенциркулем с ценой деления 0,05 мм

внутреннего размера изделия в него вводят губки для внутренних

измерений. Сдвигают рамку до контакта губок с поверхностью. Покачивая

штангенциркуль то в диаметральной, то в осевой плоскости и постоянно

прижимая подвижную губку, находят положение, при котором в осевой