2.2. Основные понятия практической метрологии

Измерения как основной объект метрологии связаны в основном с физическими величинами.

Физическая величина (параметр) - одно из свойств физического объекта, явления, технологического процесса, которое является общим в качественном отношении для многих физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.

Пример: Прочность конструкции характеризует многие физические тела, но каждое из этих тел может иметь свою количественную величину (степень прочности).

Измерение - совокупность операций, выполняемых с помощью технических средств контроля, хранящего единицу величины и позволяющего сопоставлять с этой единицей измеряемую величину. Полученное значение величины и есть результат измерения.

Пример: Измерение стола: 1. Берем линейку; 2. Сравниваем длину стола с эталоном измерений.

Измерение - основной познавательный процесс науки и техники, посредством которого неизвестная величина количественно сравнивается с однородной с ней известной величиной. Любая наука начинается тогда, когда решен вопрос измерения изучаемого объекта.

Но в метрологии необходимо не только научиться измерять; главная задача метрологии - обеспечить единство измерений. Для обеспечения единства измерений необходимо выполнить два условия:

1. Выразить результаты измерений в единых узаконенных единицах измерения. В РФ установлена единая система измерения (СИ). Практические измерения могут проводить с отклонением от системы СИ, но результаты измерения метрологом должны быть переведены в единую систему мер для обеспечения единства сравнения.

2. Установить допустимые погрешности результатов измерений и пределов, за которые эти измерения не должны выходить при заданной вероятности и при данном уровне развития науки и техники.

Пример: Точность производства постоянно увеличивается: 60-е годы - 0,03 мм; 80-е годы - 0,001 мм = 1 мкм (микрометр); сейчас - 0,0001 мм.

Измерения производят как с целью установления действительных размеров изделий и соответствия их требованиям чертежа, так и для проверки точности технологической системы и подналадки ее для предупреждения появления брака.

Вместо определения числового значения величины для упрощения часто проверяют, находится ли действительное значение этой величины (например, размер детали) в установленных пределах. Процесс получения и обработки информации об объекте (параметрах детали, механизма, процесса и т. д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющих воздействий на факторы, влияющие на объект, называется контролем. При контроле деталей проверяют соответствие действительных значений геометрических, механических, электрических и других параметров допустимым значениям этих параметров.

2.2.1. Средства измерений и правила их выбора

Для осуществления практических измерений необходимы технические средства, которые или непосредственно несут в себе эталон измеряемой величины, или преобразовывают измеряемую величину для удобства ее сравнения с эталоном.

Эталон (стандарт измерения) может быть физической мерой, измерительным инструментом, стандартным образцом или измерительной системой, предназначенной для того, чтобы определять, реализовывать, сохранять или воспроизводить единицу или одно и более значений величины, чтобы служить в качестве эталона.

Иерархия эталонов начинается с международного эталона как вершины и идет вниз до рабочего эталона:

1. международный эталон (килограмм);

2. национальный эталон – эталон, признанный национальным законодательством, чтобы служить в данной стране в качестве базы для присваивания значений другим стандартам измерения рассматриваемой величины;

3. первичный эталон - эталон, который широко признается как имеющий высокие метрологические качества и значения которого принимаются без ссылок на другие эталоны той же величины. Пример первичного эталона - стабилизирующий лазер с интерферометром для реализации величины «длина». Эти приборы используются в качестве национальных эталонов многими национальными метрологическими институтами и некоторыми первоклассно оборудованными калибровочными лабораториями;

4. вторичный эталон - эталон, значение которого присваивается путем сравнения с первичным эталоном той же величины. Обычно первичные эталоны используются для калибровки вторичных;

5. рабочий эталон - это эталон, который используется для обычной калибровки или поверки материальных мер, измерительных инструментов или стандартных образцов. Обычно рабочий эталон калибруется на основании вторичного эталона. Рабочий эталон, используемый в повседневной работе для обеспечения правильности проведения измерений, называется проверочным эталоном. Не существует общего требования в отношении точности рабочего эталона. В одном месте он может быть достаточно хорош в качестве исходного эталона или даже в качестве национального эталона в другом месте;

6. исходный эталон - эталон, обладающий, как правило, наивысшими метрологическими свойствами, имеющийся в распоряжении в данном месте или в данной организации, в соответствии с которым получают размер единицы при измерениях, выполняемых в этом месте. Калибровочные лаборатории используют исходные эталоны для калибровки своих рабочих эталонов;

7. эталон сравнения - эталон, используемый в качестве промежуточного для сравнения эталонов. Резисторы используются как эталоны сравнения для сравнения эталонов напряжения;

8. передвижной эталон – это эталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для транспортировки и используемый для сравнения эталонов между собой. Портативный, работающий на цезиевой батарее эталон частоты может быть использован как передвижной эталон частоты. Калиброванные динамометрические элементы (ячейки нагрузки) используются в качестве передвижных эталонов силы.

Измерители, несущие в себе эталон:

1. Меры концевые - набор пластин определенной толщины служат для эталонного набора и контроля линейных размеров, а также для настройки приборов, работающих относительным способом.

2. Масштабные линейки (точность - 1 мм). Любая измеряемая (контролируемая) деталь может быть замерена измерительным прибором с гарантией точности измерений, если цена деления прибора в 3 раза выше допуска измеряемого размера.

3. Штангенциркули, микрометры.

4. Скобы рычажные, индикаторы часового типа (можно измерить любую линейную величину с допуском 0,003 мм).

Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся плоскопараллельные концевые меры длины, гири, конденсаторы постоянной емкости и т. п.

Образцовые средства измерений – это меры, измерительные приборы или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых. Они служат для контроля нижестоящих по поверочной схеме измерительных средств, в то же время их периодически поверяют по эталонам. Точность образцовых средств измерения имеет большое значение для обеспечения единства измерений.

Рабочие средства измерений – это меры, устройства или приборы, применяемые для измерений, не связанных с передачей единицы физической величины (например, концевая мера длины, используемая для контроля размеров изделия или для наладки станков).

Передача размеров единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерения производится в соответствии с поверочной схемой, устанавливающей средства, методы и точность передачи единицы размера. Точность указанных измерительных средств понижается в 1,6-3 раза с переходом на одну ступень от более точных средств к менее точным по поверочной схеме.

Современное машиностроительное производство требует от метрологии измерять линейные величины с точностью выше 1 мкм. Эта точность может быть измерена только на электронном уровне. Дискрета (частота) перемещения электронного сигнала позволяет регистрировать точность в 0,1 мкм. В качестве приборов для контроля таких величин служат измерительные преобразователи-датчики, которые или индуктивно, или световым пучком, или изменением давления реагируют на изменяемую величину и преобразуют или в электрический, или в пневматический сигнал, или в изменение светового потока.

Примеры измерительных преобразований: 1 - манометр; 2 - индуктивный размерный датчик, в основе работы которого лежит принцип изменения магнитной проницаемости (магнитного сопротивления катушки) в зависимости от изменения измеряемой величины.

Современные тенденции развития средств измерений заключаются в том, что измерительное средство должно без участия человека производить замер, его сравнение с эталоном и выдавать итог замера или в виде цифровой информации или при достижении допуска средство контроля должно воздействовать на исполнительный орган системы управления станком и автоматически отключать, когда размеры детали вошли в допуск. Такие средства измерения называют средствами активного контроля (контрольно-диагностические системы).

Примеры технических систем контроля, диагностики и телемеханики для ОАО «РЖД».

1. АПСТМиА – аппаратно-программные средства телемеханики и автоматики для оперативного контроля и управления рассредоточенными технологическими объектами учета расхода энергоресурсов.

Основные особенности:1) системы реального времени; 2) простота монтажа эксплуатации; 3) возможность подключения разнородных технически средств; 4) развитый и удобный графический интерфейс; 5) простота адаптации и самостоятельного внесения изменений.

На базе АПСТМиА разработаны:

- микропроцессорные системы автоматики перекачивающих станций;

- системы управления резервуарным парком, автоматическим пожаротушением;

- системы телемеханики магистральных газо- и нефтепродуктопроводов, городских газораспределительных пунктов;

- автоматизированные системы диспетчерского контроля и управления;

- системы контроля и управления компрессорных агрегатов.

2. Термоэлектрический определитель марки материалов

3. Датчики давления и блоки питания предназначены для работы в системах контроля и управления производственным процессом. Основные области применения: нефтяная и газовая промышленность, энергетика, металлургическая и химическая промышленность, железнодорожный транспорт.

4. Узлы систем контроля, диагностики и управления тепловозами и электровозами.

ФГУП «Старт» в течение ряда лет изготавливает наукоемкое оборудование для нужд ОАО «РЖД»:

- унифицированная микропроцессорная система управления электропередачей и электроприводом тепловоза;

- микропроцессорная система управления, регулирования и диагностики тепловоза;

- микропроцессорная система управления и диагностики электровоза ЭП1;

- блок управления выпрямительно-инверторными преобразователями электровоза ВЛ80Р

Средства измерения по назначению можно разделить на универсальные и специальные. Специальные средства предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа. По числу параметров, проверяемых при одной установке детали, различают одномерные и многомерные измерительные и контрольные средства, а по степени механизации процесса измерения – ручные, автоматизированные и автоматические.

Универсальные измерительные инструменты и приборы - к ним относятся

1) штангенциркули, предназначенные для измерения наружных и внутренних размеров; штангенглубиномеры, служащие для контроля глубины отверстий и пазов, предназначенные для разметочных работ и определения высоты деталей; микрометрические измерительные инструменты;

2) индикаторы часового типа;

3) оптико-механические приборы. В одних приборах этого типа (измерительных микроскопах, проекторах, длиномерах) повышение точности отсчета и точности измерений достигается благодаря значительному оптическому увеличению измеряемых объектов; в других (оптиметрах, ультраоптиметрах) – сочетанием механических передаточных механизмов с оптическим автокаллимационным устройством. Все эти приборы широко применяют в измерительных лабораториях и в цехах. Они могут быть контактными (оптиметры, длиномеры), так и бесконтактными (микроскопы, проекторы) и позволяют измерять детали по одной (оптиметры, длиномеры), двум (микроскопы, проекторы) и трем (универсальные измерительные микроскопы) координатам.

Погрешность измерений – отклонение результатов измерений от истинного значения измеряемой величины.

Единство измерений не может быть обеспечено только совпадением погрешностей. Требуется еще достоверность измерений, которая говорит о том, что погрешность измеряемой величины не выходит за пределы отклонений установленной чертежом на изделии, ГОСТом, стандартом предприятия или поставленной научной целью измерений.

Единство измерений - это состояние измерений, при котором их результаты отражены в узаконенных единицах, погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.