2. Выбор средств измерений

2.1. Основные составляющие погрешности при различных условиях измерений и их влияние на погрешность измерения. Расчет температурного режима

При решении выбора конкретного измерительного средства и оценивании ожидаемой (возможной) погрешности измерения необходимо руководствоваться двумя принципиальными положениями:

1. Измерительным средством одного вида можно выполнять измерения с различной погрешностью в зависимости от метода и условий проведения измерений.

2. Для решения вопроса выбора конкретных видов измерительных средств и условий проведения измерений необходимо оценивать возможные предельные погрешности измерения. При этом имеется в виду, что измерительное средство соответствует требованиям, предъявляемым к нему нормативной документацией, и с ним работает оператор, имеющий необходимые навыки.

Можно сказать, что на погрешность измерения оказывают влияние погрешность средства измерения и те условия, в которых проводятся измерения. Имеется ряд слагаемых погрешностей, которые присутствуют при многих видах линейных измерений и чаще всего являются доминирующими, т.е. определяют общую погрешность измерения. К этим слагаемым относятся:

1. погрешности, зависящие от средств измерения;

2. от установочных мер;

3. от измерительного усилия;

4. происходящие от температурных деформаций;

5. субъективные погрешности;

6. погрешности, зависящие от отклонения геометрической формы установленных мер и измеряемых деталей.

Помимо перечисленных слагаемых погрешностей могут быть и специфические – доминирующие составляющие или специфические проявления перечисленных составляющих, зависящие от особенностей измерительных средств для конфигурации измеряемых деталей.

Погрешности, зависящие от средств измерения

Нормируемую допускаемую погрешность измерительного средства следует рассматривать как одну из составляющих погрешность измерения при одном из возможных вариантов использования этого измерительного средства.

Погрешности, зависящие от установочных мер

Установочные меры могут быть универсальными (концевые меры длины) и специальными (изготовленными по виду измеряемой детали). Погрешность измерения будет меньше, если установочная мера будет максимально подобна измеряемой детали по конструкции, массе, материалу, физическим свойствам, способу базирования и т.д.

Погрешности от концевых мер длины определяется погрешностями собственно мер, обусловленными их конкретным классом или разрядом, а также погрешностями от притирки [1].

Погрешности, зависящие от измерительного усилия

При оценке влияния измерительного усилия на погрешность измерения необходимо выделять упругие деформации установочного узла и деформации в зоне контакта измерительного наконечника с деталью.

Максимальное усилие следует учитывать при расчете контактных деформаций, которые зависят от материала, формы и состояния поверхности измерительного наконечника и объекта измерения.

Перепады измерительного усилия (особенно в момент реверса механизма прибора) надо учитывать при измерении биений и при использовании различных штативов и стоек.

Погрешности, происходящие от температурных деформаций (температурные погрешности)

Для оценки влияния температурных деформаций на погрешность измерения используется понятие «температурный режим».

Температурный режим есть условная, выраженная в градусах Цельсия разность температур объекта измерения и измерительного средства, которая при определенных «идеальных» условиях вызовет ту же температурную погрешность, как и весь комплекс реально существующих причин. Это сводится к тому, что прибор и деталь имеют постоянную по объему температуру и коэффициент линейного расширения материала, из которого они изготовлены. Коэффициент равен 11,6·10^-6 град^-1. Температурный режим не следует понимать как допускаемое отклонение температуры среды от 20°С или колебания ее в процессе измерения.

В соответствии с данным определением погрешность, зависящую от температурных деформаций, при известном режиме определяют по формуле

,

где ∆l_t – погрешность, зависящая от температурных деформаций; l – измеряемый размер; Θ_t – температурный режим.

Если известна составляющая погрешности измерения, зависящая от температурных деформаций, то температурный режим в градусах можно определить по формуле .

Часто воспользоваться этими формулами невозможно из-за отсутствия необходимых данных. Тогда температурный режим приходится определять приближенно, исходя из оценки вероятного предельного влияния отклонения и колебаний температуры среды.

Существуют два основных источника, обуславливающих погрешность от температурных деформаций:

1. отклонение температуры воздуха от 20˚С;

2. кратковременные колебания температуры в процессе измерения.

Максимальное влияние отклонений температуры на погрешность измерения Δl_t можно рассчитать по формуле ,

где ∆t₁ – отклонение температуры от 20°С; (α_n – α_д)_max – максимально возможная разность значений коэффициентов линейного расширения материала прибора и детали.

Максимальное влияние кратковременных колебаний температуры среды на погрешность измерения будет иметь место в том случае, если колебания воздуха практически не вызывают изменений температуры измерительного средства (или объекта измерения), а температура объекта измерения (или прибора) близко следует за температурой воздуха. Вторую составляющую Δl_t2 можно рассчитать по формуле ,

где Δt₂ – кратковременные колебания температуры воздуха в процессе измерения; α_max – максимальное значение коэффициента линейного расширения материала прибора или измеряемой детали.

Поскольку составляющие Δl_t1 и Δl_t2 можно считать независимыми случайными величинами, то общая погрешность, зависящая от температурных деформаций, выражается формулой

,

откуда

Дополнительные температурные деформации надо учитывать при расчете погрешности измерения накладными приборами, которые нагреваются от тепла рук оператора [7].

Пример расчета температурного режима

Вкладыш из бронзы Бр ОЦ 4-3 имеет размер 60j_s6. Контроль вкладышей предполагается производить в помещении, где поддерживается температура 20±2ºС с допускаемыми кратковременными колебаниями 0,5ºС в течение 0,5 ч [6, с. 43]. Требуется оценить приемлемость температурных условий для контроля вкладышей с необходимой точностью.

Точность измерения вкладышей можно обеспечить применением головки 2ИГ, установленной в штативах Ш-1 и ШМ-2 (можно использовать стойку С-III). При этом рекомендуемый температурный режим 2°С [6].

Коэффициент линейного расширения материала детали и прибора берем по справочнику [11]. Для бронзы Бр ОЦ-4-3 имеем α_д = 18·10^-6 град^-1 [11]. Поскольку марка стали, из которой сделан штатив или стойка, неизвестна, для α_n вынуждены взять полный интервал коэффициентов линейного расширения для стали:

Подставив найденные значения в формулу для выражения Θ_t, получим:

Температурные условия можно считать удовлетворительными, так как значение температурного режима для наихудших условий получилось меньше рекомендуемого (2°С).

Погрешности, зависящие от оператора (субъективные погрешности)

Возможны четыре вида субъективных погрешностей:

1. погрешности присутствия;

2. погрешности отсчитывания;

3. погрешности действия;

4. профессиональные.

Из субъективных погрешностей измерения представляется возможным учесть только субъективную погрешность отсчитывания для некоторых измерительных средств. Общие положения сводятся к тому, что во всех случаях, когда обеспечиваются погрешности измерения, не превышающие цены деления, необходимо принимать меры для уменьшения погрешностей отсчитывания от параллакса (от греч. parallaxis – отклонение) [1], т.е. более тщательно снимать отсчет и по возможности под одним углом к указателю.

Субъективная погрешность присутствия проявляется в виде теплоизлучения, идущего от оператора, которое действует на температуру окружающей среды, а тем самым на измерительное средство.

К субъективным погрешностям действия относятся погрешности, вносимые оператором при настройке прибора, подготовке объекта измерения или установочных мер и т.д.

К субъективным погрешностям действия относятся также погрешности от притирки концевых мер. Субъективные погрешности действия возникают при перемещении прибора относительно детали или детали относительно элементов прибора, например при измерении внутренних размеров [1].

Профессиональные погрешности связаны с квалификацией оператора, с отношением его к процессу, с той ролью, которую играет измерение в выполняемых оператором производственных функциях. Оператор должен обладать определенным навыком, нести ответственность за производимые измерения. Характер и точность выполняемых работ определяют тот объем информации, который оператор воспринимает от измерительных средств.

Определение предельной погрешности измерения

При расчете предельной погрешности измерения определяют числовые значения погрешности измерения от всех составляющих и вычисляют суммарную погрешность измерений путем квадратического суммирования [1].

Нормируемые стандартами погрешности средств измерений не могут в полной мере определять суммарную погрешность измерения, так как помимо погрешности средств измерений на суммарную погрешность измерения влияют различные факторы, причем в некоторых случаях их влияние превышает погрешность средства измерений.