Основы технических измерений 1 Понятие об измерениях. Единицы измерений Измерение

• Название: Основы технических измерений 1 Понятие об измерениях. Единицы измерений Измерение
• Дата: 18.04.2023
• Размер: 256.7 Kb.
• Имя файла: 1681738405712466.docx
• Тип: Документы; #1071053
• страница: 1 из 3

  Основы технических измерений

1.1 Понятие об измерениях. Единицы измерений

Измерение — нахождение физической ве­личины опытным путем с помощью научных знаний. Они служат для обеспечения качества изделий, взаи­мозаменяемости деталей и узлов, совершенствования технологии производства, его автоматизации и стандар­тизации.

С развитием науки и техники измерения все услож­няются, повышается их точность, возрастает количест­во. Потребность в обширной информации, в определе­нии новых параметров ускоряет создание новых изме­рительных средств и увеличение их выпуска.

Можно выделить три главные функции измерений в народном хозяйстве: учет продукции народного хо­зяйства; научные исследования, испытания и контроль продукции; контроль и регулирование технологических процессов.

Измерения по способу получения числового значения делятся на прямые, косвенные, совокупные, совместные, абсолютные и относительные.

Прямое — это измерение, при котором искомое зна­чение величины находят непосредственно из опытных данных (измерение длины линейкой, температуры тер­мометром).

Косвенное измерение характеризуется тем, что иско­мое значение величины находят на основании извест­ной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (нахождение объе­ма цилиндра по результатам измерения его диаметра и высоты).

Совокупные измерения представляют собой одно­временные измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые их значения находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измере­ниях различных сочетаний этих величин (определение Массы отдельных гирь набора по известной одной из Них и по результатам прямых сравнений масс различ­ных сочетаний гирь).

Совместные — это проводимые одновременно измере­ния двух или нескольких одноименных величин для на­хождения зависимости между ними (определение за­висимости длины тела от изменения температуры).

Абсолютное измерение основано на прямых измере­ниях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

Относительное — это измерение отношения величи­ны к одноименной величине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Контроль — это процесс получения и обработки ин­формации об объекте с целью определения его год­ности.

Для измерения физических величин очень важно выбрать единицы их измерения.

Единица измерения физической величины представ­ляет собой величину, принятую по соглашению за ос­нование для количественной оценки величин, качествен­но однородных с нею.

Основное уравнение измерения имеет вид



где Q — измеряемая величина; q — числовое значение измеряемой величины в принятых единицах; И — единица измерения.

Часто вместо определения числового значения вели­чины проверяют, находится ли значение этой величины : в установленных пределах.

Раньше единицы измерения физических величин вы­бирали произвольно и независимо одну от другой. Поз­же было установлено, что разумнее выбирать некоторые единицы независимо, а остальные устанавливать на основании определенных закономерных связей между физическими телами.

Основными называются единицы измерения, которые принимают независимо одну от другой.

Производными называют единицы, которые оп­ределяют с помощью уравнений.

Система единиц измерения — это совокупность ос­новных и производных единиц.

Одной из первоначальных систем была система МКС с основными единицами: метр, килограмм, секун­да. Кроме этой системы, существовали МКСА (добав­лена единица силы тока — ампер), МКСГ (добавлена единица температуры — градус). Неудобства возника­ли из-за пересчетов при переходе от одной системы к другой. В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была принята Международная систе­ма единиц измерения SI (система интернациональная); русское обозначение СИ.

Система СИ содержит семь основных и множество производных единиц. Основные единицы: длины — метр (латинское обозначение m, русское—м); массы — ки­лограмм (kg, кг); времени — секунда (s, с); силы электрического тока — ампер (A, А); термодинамичес­кой температуры — градус Кельвина (К, К); силы све­та— кандела (cd, кд); количества вещества — моль (mol, моль).

Метрология представляет собой науку об измере­ниях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Слово «мет­рология» в переводе с греческого языка означает уче­ние о мерах. К задачам современной метрологии отно­сятся следующие: установление и воспроизведение в виде эталонов единиц измерений; создание средств из­мерений; разработка методов измерений и повышение их точности; усовершенствование способов передачи единицы измерений от эталона к изделию.

Научно-технический прогресс в метрологии прояв­ляется в освоении измерения новых величин и расшире­нии диапазонов измерения всех величин.

1.2 Классификация методов и средств измерений

Метод измерений — это совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Методы и средства измерений выбирают с учетом мно­жества факторов: является ли измеряемая величина постоянной или переменной, случайной или неслучай­ной, зависимой или независимой, движущейся или не­подвижной. Существуют следующие методы измерения:

непосредственной оценки, сравнения с мерой, противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения и совпадений (ГОСТ 16263—70).

Метод непосредственной оценки — метод, при котором значение величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия.

Метод сравнения с мерой заключается в том, измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Метод противопоставления — сравнение с мерой, при котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения. С помощью прибора устанавливают соотношение между этими величинами.

Дифференциальный метод основан на сравнении с мерой, при котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод — сравнение с мерой, при котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля.

Метод замещения — это метод сравнения с мерой, при котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.

Метод совпадения представляет собой сравнение с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Средства измерений в соответствии с Государственной системой измерений (ГСИ) делятся на следующие группы.

Эталоны — меры и приборы, предназначенные для воспроизведения и хранения какой-либо величины. К ним относятся государственный эталон метра, эта­пные приборы концевых мер длины.

Образцовые меры и приборы предназначены для проверки и градуировки лабораторных и заводских мер.

Производственные меры и приборы служат для проверки изделий в производственных условиях.

По характеру использования в производственном процессе средства измерений делятся на меры, измери­тельные приборы (инструменты) и калибры.

1.3. Метрологические показатели средств измерений

Диапазон показаний — это область значе­ний шкалы, ограниченная конечным и начальным зна­чениями школы.

Диапазон измерений — область значений измеряе­мой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.

Цена деления шкалы — разность значений величи­ны, соответствующих двум соседним отметкам шкалы,

Точность измерений — качество измерений, отража­ющее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Чувствительность — отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Погрешность измерения — отклонение результата из­мерения от истинного значения измеряемой величины.

При конструировании средств измерений стремятся к тому, чтобы погрешность измерения была наимень­шей, а другие метрологические показатели средств из­мерений находились в заданных пределах. Этого дости­гают сочетанием больших передаточных отношений с простотой и технологичностью конструкции. Необходи­мо также, чтобы по возможности ось шкалы прибора и контролируемый размер проверяемой детали распо­лагались на одной прямой. Если это условие не выдер­живается, то перекос и непараллельность направляю­щих измерительного прибора обусловливают значитель­ные погрешности измерения.

1.4 Погрешности измерений

Если истинное значение величины обозна­чить через Q, погрешность через , то результат измере­ния у будет равен



Погрешность измерения выражается либо в едини­цах измеряемой величины (абсолютная погрешность), либо в долях или процентах от значения измеряемой величины (относительная погрешность). В зависимости характера проявления погрешности делятся на систематические и случайные.

Систематическая погрешность — это составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторныхизмерениях одной и той же величины. Косновным причинам возникновения систематических погрешностей относятся погрешности инструмента или метода измерений, индивидуальные особенности зкспериментатора.

Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности не могут быть исключены из результата измерения. Однако их влияние может быть уменьшено при обработке результатов измерений. Значения случайных погрешностей зависят от точности прибора и опытности экспериментатора. В механических приборах появление случайных погрешностей вызвано зазорами в звеньях кинематической цепи механизма прибора и другими подобными причинами. Значения случайных погрешностей заранее установить нельзя, но можно определить вероятность их появления. Для этого надо знать закон распределения случайных погрешностей.

Числовые характеристики погрешностей измерения принято выражать средним арифметическим   , средним квадратическим   , предельным lim значениями случайных погрешностей.

Среднее арифметическое значение результатов ряда наблюдений определяется уравнением



где x_i — значения отдельных случайных величин; п_ik — число появлений случайной величины в данном интервале; N — общее число случайных величин; k — число интервалов группирования.

Средняя квадратическая погрешность ряда измерений равна



Предельная погрешность составляет



Погрешности более ±3 не учитывают и считают грубыми ошибками.

1.5. Государственная система обеспечения единства измерений

Для обеспечения принципа взаимозаменя­емости деталей необходимо, чтобы все предприятия страны имели единые средства измерений. С этой целью в СССР введена Государственная система обес­печения единства измерений.

Согласно ГОСТ 8.020—75, за международный метр принята длина, равная 1 650 763,73 длины волны в ва­кууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀и 5о₅ атома криптона-86. Точность вос­произведения единицы длины составляет 0,002 мкм.

Передача основной единицы от эталона к детали осуществляется в соответствии с поверочной схемой (рис. 50). Согласно этой схеме, размер Государствен­ного эталона метра передается на рабочие эталоны, представляющие собой концевые меры длины, выпол­ненные из кварца. Их хранят в центральных метроло­гических институтах и используют для проверки образ­цовых мер 1-го разряда. Образцовые меры 2-го разря­да проверяются по мерам 1-го разряда, меры 3-го раз­ряда — по мерам 2-го разряда и т. д. От образцовых концевых мер размер единицы длины передается на ра­бочие измерительные инструменты и приборы.

Государственный эталон метра

Р абочий эталон

Образцовые концевые меры 1-го разряда

О   б разцовые концевые меры 2-го разряда

О  б разцовые концевые меры 3-го разряда

О  б разцовые концевые меры 4-го разряда

Образцовые концевые меры 5-го разряда

И змерительные инстру­менты и приборы

Рис. 50. Схемы передачи размера от эталона к изделию.

Стандартом установлен порядок проведения поверки измерительных средств. Поверке подлежат все измери­тельные средства предприятий. Периодичность поверки определяется соответствующими инструкциями. Так, по­верка штангенинструментов, микрометрических и инди­каторных инструментов и приборов проводится один раз в год. Сроки поверки заносят в специальные гра­фики, которые утверждаются руководителем предприя­тия.

Поверку средств измерений проводят в центральных измерительных лабораториях предприятий и специаль­ных метрологических лабораториях. Результаты повер­ки записывают в специальные паспорта или аттестаты инструментов и приборов.

1.6. Меры линейных и угловых величин

Мера представляет собой средство измерений, предназначенное для воспроизведения величины одногоили нескольких размеров с необходимой точностью. Различают однозначные, многозначные меры и набор мер.

Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера.

Многозначные меры воспроизводят несколько одноименных величин различного размера (масштаб­ные линейки).

Набор мер — это специально подобранный комп­лект мер, применяемых не только отдельно, но и в раз­личных сочетаниях с целью воспроизведения ряда од­ноименных величин различного размера.

По конструктивным признакам меры делятся на штриховые и концевые.

Штриховые меры представляют собой пластины или диски, на плоскостях которых нанесены штрихи. Размер в штриховых мерах определяется расстоянием между серединами штрихов. К штриховым мерам дли­ны относятся измерительные линейки, складные метры, рулетки.

Измерительная линейка выполнена в виде стальной ленты, на поверхности которой нанесены одна или две шкалы с ценой деления 0,5 или 1,0 мм.

Рулетка — представляет собой стальную ленту, на­мотанную на ось цилиндрического футляра. На поверх­ности ленты нанесена штриховая шкала. Рулетки изго­тавливают длиной 1, 2, 5, 10, 20, 30 и 50 м. Их применя­ют в различных отраслях народного хозяйства, где не требуется высокой точности измерения.

Плоскопараллельные концевые меры длины выпускают в виде цилиндрических стержней или прямоугольных параллелепипедов-плиток, длина кото­рых определяется кратчайшим расстоянием между из­мерительными поверхностями. Плавное их свойство — притираемость. Притираемость мер объясняется сцеп­лением молекул покрывающей меры смазки. Сила сцеп­ления имеет наибольшее значение при толщине плен­ки смазки не более 0,02 мм. Абсолютно обезжиренные меры или с толстым слоем смазки не притираются.

За основной размер концевой меры принята ее срединная длина, т. е. длина перпендикуляра, опущен­ного из середины верхней измерительной поверхности на плоскость, к которой мера притерта нижней измери­тельной поверхностью.

Наборы мер комплектуют из концевых мер. Основ­ное требование к наборам: любое значение длины в заданных пределах должно воспроизводиться с помощью не более четырех-пяти мер, ибо с увеличением числа мер увеличивается погрешность блока. Так, набор № 1 из 87 концевых мер длиной от 1,005 до 100 мм позволяет вос­производить длину от 1,005 до 340 мм с по­мощью не более чем четырех плиток. Применя­ют также микронный на­бор из 9 мер размерами 1,001; 1,002; ...; 1,009 мм. Выпускают долемикронные концевые меры от 2 до 2,001 мм через 0,0001 мм для поверки особо точных измерительных приборов. На каждой концевой мере гравируют ее номинальный размер. Номинальный раз­мер мер до 5,5 мм наносят на одну из измерительных поверхностей, свыше 5,5 мм — на боковую нерабочую поверхность.

Блок концевых мер составляют в такой последова­тельности. Сначала подбирают меньшую плитку, раз­мер которой содержит последний десятичный знак со­ставляемого размера; затем плитку, размер которой содержит следующий десятичный знак, и т. д.

Напри­мер, требуется собрать блок (рис. 51) концевых мер размером 34,895 мм: 1-я плитка — 1,005, остаток 33,89 мм; 2-я плитка — 1,39, остаток 32,5 мм; 3-я плитка — 2,5, остаток 30 мм; 4-я плитка — 30. Таким образом, блок будет состоять из четырех концевых мер раз­мерами 1,005+1,39 + 2,5 + 30 = 34,895 мм.

 П

Рис.51. Блок концевых мер

осле определения размеров концевые меры прити­рают, а затем притирают плитки в блок. Сначала к са­мой большей мере притирают вторую по размеру плитку, потом третью и т. д. Меньшую плитку накладывают на край большей (примерно на 1/3 длины) и с небольшим нажимом зигзагообразным движением вдоль длинного ребра надвигают верхнюю плитку на нижнюю до совпадения измерительных поверхностей.

Концевые меры выпускают четырех классов точности: 0, 1, 2 и 3 (в порядке убывания точности). Для мер, находящихся в эксплуатации, дополнительно установ­лены 4-й и 5-й классы точности. Плоскопараллельные концевые меры длины применяют обычно тогда, когда требуется получить высокую точность измерений. Об­ласть применения концевых мер может быть расшире­на при помощи различных приспособлений (державки, центры и т. п.).