Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Метрологическая экспертиза и нормоконтроль» для магистрантов специальности 7-06-0716-01 «Обеспечение качества»

131

рандаша и бумаги», относят идеальную и нормативную, а также любые реа-

листические модели объекта. Экспериментальные модели объекта строят по результатам измерений (выполняют измерительные эксперименты и обраба-

тывают их результаты).

Основными метрологическими моделями можно считать норматив-

ную модель объекта и его экспериментальную модель. Измерительный контроль объекта заключается в сопоставлении его экспериментальной моде-

ли с нормативной моделью для заключения о соответствии (годности). По-

строение экспериментальной модели, адекватно отражающей исследуемый объект, осуществляют с помощью измерений физических величин (парамет-

ров) контролируемого объекта.

Нормативная модель объекта предназначена для создания объекта и

содержит все необходимые для этого параметры. Ее разрабатывают в процес-

се проектирования и оформляют технической документацией (чертеж, тех-

ническое описание, технические условия и т.д.). Эту же модель используют для измерительного контроля объекта, на нее опираются при разработке ме-

тодик выполнения измерений (МВИ) параметра или параметров созданного объекта, следовательно, метрологическая нормативная модель объекта полностью соответствует общей нормативной модели.

Нормативная модель объекта, представляет собой область существова-

ния годного объекта с действительными значениями параметров, не выхо-

дящими за пределы допустимых значений. Нормативная модель объекта разрешает рассеяние значений параметров в пределах поля допуска, напри-

мер, номинально цилиндрическая поверхность с заданным полем допуска диаметра из-за несовершенства технологических процессов может быть изго-

товлена как конусообразная, бочкообразная или седлообразная, при соблю-

дении наложенных чертежом ограничений. При разработке МВИ и при экс-

пертизе нормативную модель объекта применяют для назначения требуемой точности измерений в ходе измерительного контроля параметров объекта.

132

Реалистическую модель объекта или его контролируемого элемента

(например, отдельной поверхности) получают в ходе аналитического иссле-

дования возможных технологических искажений. Предполагаемые отличия от идеального объекта и учитывают при разработке методики выполнения измерений. Поскольку даже для одной простейшей поверхности может суще-

ствовать некоторое количество вариантов реалистической модели, для объек-

тивного заключения о годности объекта разрабатываемая методика контроля должна покрывать все возможные варианты. Анализ возможности появле-

ния методических погрешностей из-за некорректно выбранной реалистиче-

ской модели объекта входит в метрологическую экспертизу МВИ. Например,

если рассматривать два диаметрально противоположных варианта номиналь-

но круглого поперечного сечения с регулярными искажениями (четная огранка, включая овальность, и нечетная огранка), очевидна необходимость разработки минимум двух дополняющих друг друга методик выполнения из-

мерений. Нечетная огранка не выявляется двухточечными измерениями, по-

этому «двухконтактные» средства измерений в подобных случаях принципи-

ально не могут обеспечить получение адекватной экспериментальной моде-

ли.

Экспериментальную метрологическую модель объекта создают на базе информации о фактических значениях параметров контролируемого объекта. Информацию получают с помощью измерений соответствующих физических величин, носителем которых является объект. Эксперименталь-

ная модель всегда является редуцированной по отношению к бесконечному множеству значений параметров реального объекта. При необходимости ха-

рактер экспериментальной модели можно уточнить в соответствии с резуль-

татами выполненных измерений и настолько приблизить к реальному объек-

ту, насколько это требуется для решения поставленной задачи измерений.

Анализ показывает, что экспериментальную модель создают методом проб и ошибок, причем для получения адекватной экспериментальной моде-

133

ли в сложных случаях последовательно трансформируют методику выполне-

ния измерений. Например, при измерительном контроле станковым прибо-

ром наружной номинально цилиндрической поверхности наименьший размер обнаружен в среднем сечении. В таком случае следует отказаться от конусо-

образной и бочкообразной реалистических моделей и строить седлообразную экспериментальную модель поверхности. Поскольку станковым прибором наименьшую толщину седлообразной детали измерить нельзя, для адекват-

ного представления поверхности необходимо разработать методику измере-

ний, включающую использование накладного прибора. Из примера ясно, что построение экспериментальной метрологической модели объекта связано с экспертизой (анализом) результатов измерительного контроля.

Экспертизу экспериментальной метрологической модели проводят также при выполнении научных исследований, включая испытания объектов,

поверку, калибровку и метрологическую аттестацию средств измерений.

Измерению, следовательно, и экспертизе как обязательной составляю-

щей процесса измерений подлежат все нормированные параметры контро-

лируемого объекта.

Метрологическая экспертиза при измерительном контроле включает следующие элементы:

•идентификация контролируемых параметров на нормативной модели

иустановление норм точности измерений;

•построение реалистических моделей, отражающих контролируемые параметры объекта;

•первоначальное предложение МВИ и анализ возможных методиче-

ских составляющих погрешности измерений;

• измерение параметров, уточнение реалистических моделей и постро-

ение экспериментальных моделей;

•предложение уточненного варианта МВИ;

•построение более корректной экспериментальной модели.

134

В случае необходимости последние три шага повторяют вплоть до по-

лучения экспериментальной модели, адекватно отражающей реальную по-

верхность в рамках поставленной задачи измерительного контроля.

Метрологические модели не исчерпываются только моделями измеря-

емых объектов, они включают в себя разнообразные модели средств изме-

рений, измерительных операций, процессов измерений и других измери-

тельных процедур.

Моделирование средств измерений может понадобиться при экспер-

тизе МВИ, поверки, калибровки и метрологической аттестации.

Для измерительных преобразователей или измерительных приборов в зависимости от поставленных целей могут разрабатываться различные моде-

ли. Структурные схемы средств измерений, их кинематические, электриче-

ские, пневматические, комбинированные схемы тоже являются моделями.

Схемы, иллюстрирующие модели преобразования информации измеритель-

ным прибором с графическим представлением функций преобразования, по-

казаны на рисунке 7.2. Идеальная аналитическая модель функции преобразо-

вания измерительного прибора соответствует его номинальной статической характеристике.

Реалистическая модель функции преобразования измерительного при-

бора может учитывать аналитически выявляемые особенности, например, по-

грешности схемы, вызывающие нелинейность преобразования. Погрешности изготовления и сборки деталей могут вызывать аддитивную и/или мульти-

пликативную составляющие статической характеристики прибора. Для по-

строения экспериментальной модели функции преобразования необходимо провести исследования, аналогичные выполняемым в ходе калибровки или метрологической аттестации прибора.

В ходе экспертизы нестандартизованных средств измерений часто воз-

никает необходимость моделирования метрологических мероприятий,

например, поверки измерительных приборов.

135

Измерительные приборы можно поверять одним из трех методов:

•по эталонным мерам,

•по эталонному прибору,

•по эталонному прибору и эталонным мерам.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА

X X X

Рисунок 7.2 – Моделирование функции преобразования измерительного прибора

Термин «эталонное средство измерений» здесь заменяет ранее упо-

треблявшийся и еще достаточно часто встречающийся термин «образцовое средство измерений».

Для поверки прибора по мерам необходимо иметь однозначные меры

(набор мер), либо многозначную меру, позволяющие воспроизводить соот-

ветствующие значения физической величины. Схема поверки представлена на рисунке 7.3.

Одну из операций процесса поверки (поверка прибора в одной кон-

трольной точке) можно описать следующим образом: на вход поверяемого прибора 1 с помощью меры 2, воспроизводящей заданное значение физиче-

ской величины Qм подают нормированный сигнал измерительной информа-

136

ции Xм, который должен вызвать соответствующий отклик на выходе прибо-

ра. Погрешность прибора в поверяемой точке определяют как разность между реальным откликом прибора Xп и нормированным откликом Xм

= Xп – Xм.

Рисунок 7.3 – Поверка прибора по эталонным мерам: а – конструктивная схема,

б– принципиальная схема. 1 – поверяемый прибор, 2 – эталонная мера

Врассматриваемой модели поверочной операции используются две модели средств измерений: меры (ансамбля мер) и поверяемого прибора.

При этом меру рассматривают как соответствующую идеальной модели, то есть принимают, что мера воспроизводит только одно приписанное ей значе-

ние физической величины Qм, причем погрешность меры м принимают практически равной нулю

м = Qм – Q ≈ 0,

то есть, воспроизводимое мерой значение практически соответствует номи-

нальному

Qм ≈ Q.

Для описания результатов данного процесса используется модели по-

веряемого измерительного прибора в виде функции (а точнее двух функций)

преобразования измерительного прибора. Номинальная (приписанная прибо-

ру идеальная функция) служит для сопоставления с ней экспериментальной

138

методом непосредственной оценки. Разность результатов измерений рас-

сматривается как оценка погрешности поверяемого прибора. Такой метод поверки позволяет эффективнее использовать узкодиапазонные эталонные приборы повышенной точности.

Рисунок 7.5 – Поверка прибора по образцовому прибору и образцовой мере: (1 – поверяемый прибор, 2 – образцовый прибор, 3 – образцовая мера)

а – конструктивная схема, б – принципиальная схема.

Рассмотренные метрологические модели могут представить опреде-

ленный интерес для экспертизы сложных измерительных задач (измеритель-

ный приемочный контроль многопараметрических объектов, исследование точности технологических операций и технологических процессов и другие экспериментальные исследования, включая исследования средств измерений и МВИ).

7.4. Использование моделей при метрологической экспертизе

Схема какого-либо объекта есть семиотическая модель этого объек-

та, отражающая его наиболее важные характерные черты. Схемы объектов

строят в зависимости от целевого назначения:

•исследование объекта (его структуры, функционирования и др.);

•объяснение объекта заинтересованным лицам.

139

Схема может сопровождаться текстом. Распределение информации между схемой и сопроводительным текстом может значительно различаться в зависимости от целевого назначения схемы и используемой в ходе ее по-

строения контекстной информации.

С позиций системотехники схему сложного объекта следует рассмат-

ривать как модель реальной системы, отражающую ее элементный состав,

наличие связей и обладающую свойством инвариантности (неизменности) во времени. В состав схемы следует включать только те свойства системы, ко-

торые являются существенными с точки зрения проводимого исследования, и

отражают приемлемую для практического использования совокупность зна-

чимых свойств системы.

Построение большинства схем осуществляется экспертными методами.

Можно предложить методику, которая позволяет упорядочить такую работу.

Воснову методики положены следующие допущения:

•схема строится для представления системного объекта;

•в основу построения схемы кладут ее целевое предназначение;

•схема строится для определенного пользователя (для группы иссле-

дователей, для специалистов, для научной общественности, для обучающих-

ся);

• в системе есть главные элементы и связи, которые должны найти от-

ражение в схеме для любого пользователя (при разных уровнях дифференци-

ации элементов объекта и снятия неопределенности);

• имеют право на существование несколько разных схем, однотипно представляющих один и тот же сложный объект.

Построение любой схемы можно рассматривать как решение слабо структурированной задачи при наличии существенной неопределенности, ко-

торую постепенно снимают в процессе решения. Процесс построения струк-

турной схемы можно рассматривать как исследование системы на основе экспериментальных и теоретических сведений о характере функционирова-

140

ния системы в заданных обстоятельствах. Членение системы на блоки и эле-

менты нужно осуществлять в соответствии с необходимостью детализации описания структуры и наглядности отображения ее свойств.

Можно предложить следующий порядок построения схемы:

•определение целевого назначения схемы (цели и задачи исследования объекта с помощью данной модели);

•определение важнейших функций моделируемой системы в соответ-

ствии с целевым назначением схемы;

• определение главных структурных элементов системы, обеспечива-

ющих реализацию важнейших функций системы, и выявление связей между элементами;

• выбор системы условных обозначений структурных элементов и свя-

зей;

•построение «основной части» схемы (предварительный вариант);

•развитие схемы;

•проверка, критика, оценка, модернизация схемы.

Входе построения схемы и по его окончании проводится проверка схемы на адекватность отображаемому объекту. Схема признается удовле-

творительной после апробации предполагаемым пользователем, включая проверку адекватности восприятия схемы.

Метрологические схемы бывают необходимы при описании измери-

тельных процедур, методик выполнения измерений, методик поверки и ка-

либровки средств измерений, при описании средств измерений в технической проектной и эксплуатационной документации, а также при метрологической экспертизе. Метрологическая схема не только несет концентрированную ин-

формацию, но и позволяет строить модели появления составляющих погреш-

ностей, чтобы затем проводить необходимые точностные расчеты.