Метрология, стандартизация и сертификация. Часть 1. Метрология. Учебно-методический комплекс

71

проведения государственных испытаний продукции, должны принимать участие представители Росстандарта и головной организации по государственным испытаниям этой продукции.

При положительных результатах периодической и внеочередной аттестации на испытательное оборудование наносят аттестационное клеймо с указанием даты аттестации и срока очередной аттестации.

Лекция № 9

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССЫ ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.Метрологические характеристики средств измерений.

2.Классы точности средств измерений.

3.Метрологическая надежность средств измерений.

1.Метрологические характеристики средств измерений

Качество измерений зависит от многих факторов. В некоторых случаях, однако, требуется знать, какое влияние на результаты измерений и их точность оказывают свойства средств измерений. К таким случаям относятся:

— априорная оценка точности измерений. При ее выполнении наряду с другими факторами должна учитываться точность средств измерений;

— выбор средств измерений, применение которых в известных условиях обеспечит требуемую точность измерений. Эта задача является обратной по отношению к предыдущей;

—сравнение различных типов средств измерений по их метрологическим свойствам как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации;

—использование средств измерений в качестве комплектующих при разработке сложных измерительных систем. Одни и те же требования к измерительной системе могут удовлетворяться при различных сочетаниях свойств средств измерений, используемых в качестве комплектующих. Оптимальное сочетание должно быть результатом технико-экономического

обоснования;

—определение точности информационных систем расчетным путем, когда экспериментальное решение этой задачи связано с большими трудностями или вообще невозможно из-за специфики условий работы. Эта же задача возникает при проектировании информационных систем.

Характеристики свойств средств измерений, оказывающих влияние на результаты измерений и их точность, называются метрологическими характеристиками средств измерений. Их можно разбить на группы:

72

1.Характеристики, предназначенные для определения показаний

средств измерений. К ним относятся: функция преобразования измерительного преобразователя, значения однозначной или многозначной меры; цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

2.Характеристики качества показаний — точности и правильности.

Точность показания определяется его средним квадратическим отклонением или его аналогом. Правильность обеспечивается внесением поправки, устанавливаемой при метрологической аттестации средства измерений.

3.Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам. К ним относятся функции влияния и учет изменений метрологических характеристик средств измерений, вызванных изменениями влияющих величин в установленных пределах.

4.Динамические характеристики средств измерений, учитывающие их инерционные свойства.

5.Характеристики взаимодействия с объектами или устройствами на входе и выходе средств измерений. Примерами характеристик этой группы являются входной и выходной сигналы линейного измерительного преобразователя.

6.Неинформативные параметры выходного сигнала, обеспечивающие нормальную работу устройств, подключенных к средству измерений. Например, выходным сигналом преобразователя напряжения в среднюю частоту следования импульсов является последовательность импульсов. Для определении значения измеряемого напряжения к выходу преобразователя подключается частотомер. Он будет нормально работать только в случае, если амплитуда и форма импульсов преобразователя, хотя они и не несут информации о значении измеряемого напряжения, удовлетворяют определенным требованиям. В противном случае частотомер будет измерять частоту следования этих импульсов неточно, либо вообще не будет работать.

2.Классы точности средств измерений

Учет всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений - сложная и трудоемкая процедура, оправданная только при измерениях очень высокой точности, характерных для метрологической практики. В обиходе и на производстве, как правило, такая точность не нужна. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление по точности на классы.

Класс точности средств измерений — обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений одного типа, но не является

73

непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Это важно при выборе средств измерений и зависимости от заданной точности измерений.

Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливают в стандартах технических требований (условий) или в других нормативных документах.

В стандартах на средства измерений конкретного типа устанавливаются требования к метрологическим характеристикам, в совокупности определяющие класс точности средств измерений этого типа. У плоскопараллельных концевых мер длины, например, такими характеристиками являются: пределы допускаемых отклонений от номинальной длины и плоскопараллельности; пределы допускаемого изменения длины в течение года. У мер электродвижущей силы (нормальных элементов) — пределы допускаемой нестабильности ЭДС в течение года.

При малоизменяющихся метрологических характеристиках допycкается устанавливать требования, единые для двух и более классов точности.

Независимо от точности нормируют метрологические характеристики, требования к которым целесообразно устанавливать едиными для средств измерений всех классов точности.

Классы точности присваиваются типам средств измерений с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Средствам измерений с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенными для измерений разных физических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или каждой измеряемой величины. Так, амперметр с диапазонами 0—10, 0—20 и 0—50 А может иметь разные классы точности для отдельных диапазонов; электроизмерительному прибору, предназначенному для измерений напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один - как вольтметру, другой - как омметру.

Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. При этом в эксплуатационной документации на средство измерений, содержащей обозначение класса точности, должна быть ссылка на стандарт или технические условия, в которых установлен класс точности для этого типа средств измерений.

Обозначения могут иметь форму заглавных букв латинского алфавита (например, М, С и т. д.) или римских цифр (I, II, III, IV и т. д.) с добавлением условных знаков. Смысл таких обозначений раскрывается в нормативнотехнической документации. Если же класс точности обозначается арабскими цифрами с добавлением какого-либо условного знака, то эти цифры непосредственно устанавливают оценку точности показаний средства измерений.

Для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой, нулевое значение входного (выходного) сигнала у которых находится на краю или вне диапазона измерений, обозначение класса

74

точности арабской цифрой из ряда (1; 1,5; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5;6) . 10n , где n = 1, 0, -l, -2 и т. д., означает, что значение измеряемой величины не отличается от того, что показывает указатель отсчетного устройства, более чем на соответствующее число процентов от верхнего предела измерении.

Пример. Указатель отсчетного устройства вольтметра класса точности 0,5 шкала которого приведена на рис. 5, показывает 124 В. Чему равно измеряемое напряжение?

Решение. Для указанного прибора измеряемое напряжение не может отличаться от того, что показывает указатель, больше чем на 1 В. Следовательно, измеряемое напряжение 123<= U <= 125 В.

Если при тех же условиях нулевое значение находится внутри диапазона измерении, то значение измеряемой величины не отличается от того, что показывает указатель, больше чем на соответствующее классу точности число процентов от большего из модулей пределов измерений.

Пример. Указатель отсчетного устройства амперметра класса точности 1,5 шкала которого видна на рис. 6, показывает 4 А. Чему равна измеряемая сила тока.

Решение. Для указанного прибора измеряемая сила тока не может отличаться от той, которую показывает указатель, более чем на 0,3 А. Поэтому измеряемая сила тока 3,7<= I

<= 4,3 А.

У средств измерений с установленным номинальным значением отличие измеряемой величины от той, что показывает указатель, не может превысить соответствующего числа процентов от номинального значения.

Рис. 9.1. Лицевая панель вольтметра класса точности 0,5 с равномерной шкалой

Пример. Цифровой частотомер класса точности 2,0 с номинальной частотой 50 Гц, цифровое табло которого показано на рис. 7, показывает 47 Гц. Чему равна измеряемая частота?

Решение. У такого прибора измеряемая частота не может отличаться от цифры на табло больше чем на 1 Гц. Следовательно, измеряемая частота 46 Гц <= f <=48 Гц.

76

Решение. При таком обозначении класса точности измеряемая величина не может отличаться от значения, которое показывает указатель, более чем на 2,5 %. Поэтому измеряемое сопротивление 39 МОм <= R <=41 МОм.

Иногда обозначение класса точности дается в виде дроби, например, 0,02/0,01. Это означает, что измеряемая величина не может отличаться от значения X, показанного указателем, больше чем на ± [с + d (xk, / х) – 1)] %, где с и d соответственно числитель и знаменатель в обозначении класса точности, а хк — больший (по модулю) из пределов измерений.

Рис. 9.4 Лицевая панель мегаомметра класса точности 2,5 с неравномерной шкалой

Пример. Указатель отсчетного устройства ампервольтметра класса точности 0,02/0,01 со шкалой, показанной на рис. 9, показывает -25 А. Чему равна измеряемая сила тока?

Решение. Измеряемая сила тока отличается от той, что показывает указатель, не

больше чем на [0,02 + 0,01(50А/25А – 1) ] % = 0,03 %. Таким образом, измеряемая сила

тока 24,992 А < I < 25,008 А.

Рис 9.5 Лицевая панель ампервольтметра класса точности 0,02/0,01 с равномерной шкалой

Необходимо еще раз подчеркнуть, что класс точности является обобщенной характеристикой средств измерений. Знание его позволяет опреде-

77

лить не точность конкретного измерения, а лишь указать пределы, в которых находится значение измеряемой величины.

3.Метрологическая надежность средств измерений

Впроцессе эксплуатации любого средства измерений может возникнуть неисправность или поломка, называемые отказом. Внезапные отказы, вследствие их случайности, невозможно прогнозировать.

По характеру своего проявления внезапные отказы являются явными. Они сравнительно легко обнаруживаются, и после выяснения их причин возникшие неисправности устраняются. Сложнее обстоит дело с диагностикой так называемых постепенных отказов, которые заключаются в том, что с течением времени метрологические характеристики перестают соответствовать установленным для них нормам, и средство измерений вследствие этого становится непригодным для применения по назначению. Такие отказы являются скрытыми и могут быть обнаружены только при очеред-- ной поверке средства измерений. Поэтому межповерочные интервалы устанавливаются исходя из требования обеспечения метрологической надежности средств измерений.

Метрологическая надежность - это свойство средств измерений сохранять установленные значения метрологических характеристик в течение определенного времени при нормальных режимах и рабочих условиях эксплуатации. Метрологическим отказом называется выход метрологической характеристики средства измерений за пределы нормы. Метрологические отказы являются результатом старения и износа элементов и узлов средств измерений, так что их интенсивность с течением времени возрастает.

Лекция № 10

ЮСТИРОВКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.Назначение юстировочных устройств.

2. Основные принципы юстировки.

3.Классификация конструкций юстировочных устройств СИ.

1.Назначение юстировочных устройств

На всех стадиях производства возникает основная задача – как получить наивысшую оптимальную точность прибора при наименьших затратах.

Погрешность показаний приборов зависит от параметров, определяющих точность их работы. К таким параметрам относятся:

- технологические погрешности, которые вызывают погрешности размеров, погрешность формы и взаимного расположения рабочих поверхностей;

78

-шероховатость рабочих поверхностей;

-погрешности выбора конструктивной схемы прибора;

-погрешности отсчета по шкале;

-температурные погрешности.

С целью уменьшения технологических погрешностей показаний приборов можно уменьшить допуски на изготовление деталей прибора. Однако этот путь не всегда является целесообразным и экономически выгодным.

Второй, наиболее распространенный путь – это снижение влияния технологических погрешностей на показания прибора. Заключается он в том, что при разработке метрологической схемы прибора и при проектировании предусматривают возможность юстировки, т.е. выверки и регулировки прибора и его узлов при изготовлении и эксплуатации и приведения его к требуемой точности.

В этом случае детали прибора изготавливают в пределах сравнительно больших допусков, но с незначительными погрешностями формы и расположения поверхностей. Точность показаний прибора обеспечивается плавной регулировкой взаимного расположения его деталей и узлов, специальными регулировочными и юстировочными устройствами и компенсаторами. Устройства и компенсаторы, кроме компенсации погрешности изготовления и сборки, позволяют компенсировать износ подвижных деталей в процессе эксплуатации прибора, повышая эффективность его использования.

2. Основные принципы юстировки

Юстировочные устройства вводят в следующих случаях:

-заданы строгие допуски на замыкающее звено;

-встречаются длинные размерные цепи;

-в размерной цепи имеются звенья, отклонения которых превосходят допуск на замыкающее звено;

-сборочные базы не вполне определены или недостаточно точны;

-в процессе эксплуатации нарушается рабочее состояние прибора и требуется его выверка.

Основными причинами, вызывающими необходимость ремонта и юстировки деталей и узлов измерительных приборов, находящихся в эксплуатации, являются следующие:

-износ измерительных наконечников;

-износ контактов отдельных деталей, входящих в узлы, влияющие на передаточное отношение приборов;

-нарушение взаимного расположения деталей и узлов, влияющих на стабильность и точность показаний прибора;

-нарушение плавности взаимного перемещения деталей в приборе;

-нарушение измерительного усилия;

-загрязнение оптических и коррозия механических деталей;

-поломка деталей;

79

- неправильная регулировка.

Юстировка измерительных приборов для линейных и угловых измерений, включая оптические и оптико-механические, основана на следующих принципах:

1.Установка положения плоскости детали относительно заданной прямой или плоскости осуществляется тремя юстировочными винтами.

2.Поступательное перемещение детали в определенном направлении осуществляют одной или двумя парами соосных и направленных друг против друга юстировочных винтов. При двух парах соосных винтов оси их должны быть параллельны. Наряду с поступательным перемещением детали (узла) можно производить ее поворот.

3.Поступательное перемещение детали в двух направлениях, чтобы установить одну из ее точек (А) в заданном положении, осуществляется двумя парами соосных юстировочных винтов.

Рассмотренные основные принципы должны учитываться при

конструировании измерительных приборов. Их применение позволяет по возможности обеспечить независимость выходных показателей прибора от точности изготовления его деталей и узлов.

Для полного решения юстировочной задачи необходимо выполнить следующее:

1.На основании изучения устройства прибора , принципа действия, его назначения, условий работы и технических требований строго сформулировать задачу юстировки, т.е. выделить те метрологичесукие характеристики прибора, на которые могут влиять ошибки отдельных деталей и положение узлов, выявить конструктивные и юстировочные базы деталей узлов и прибора в целом и установить требования к точности их взаимоориентирования.

2.Рассмотреть возможность регулировки основных оптических и механических деталей и узлов; найти величины их действительных смещений и поворотов, влияющих на данные свойства и характеристики прибора; выбрать вид сборки, рассмотреть возможность сборки узла или всего прибора по принципу взаимозаменяемости. При неизбежности использования сборки с компенсацией наметить минимальное, но достаточное число юстировочных регулировок независимого действия.

3.Предложить способ поверки, позволяющий прямо или косвенно выявить погрешности, подлежающие устранению в процессе юстировки.

4.Разработать методику юстировки, т.е. определить инструмент или дополнительные средства и наметить последовательность выполнения операций для достижения заданной точности.

5.Предусмотреть надежную фиксацию юстировочных деталей и узлов.

6.Предусмотреть возможность сохранения, поддержания или периодического восстановления рабочего состояния прибора в условиях эксплуатации.

80

3. Классификация конструкций юстировочных устройств СИ

По назначению юстировочные устройства СИ можно классифицировать следующим образом:

-устройства для установки измерительных приборов и преобразователей относительно контролируемой детали в позицию измерения;

-устройства для установки относительного положения измерительных опорных, базировочных и рабочих поверхностей СИ;

-устройства, позволяющие уменьшить или исключить влияние различных факторов на точность измерения (влияние неравномерного измерительного усилия, зазоров, неравномерного распределения усилий зажима, инерционности механических частей прибора;

-устройства для непосредственного воздействия на чувствительность измерительного прибора.

Устройства для установки и настройки СИ в позицию измерения

К таким устройствам относятся различные типы стоек и штативов. Стойки имеют измерительные столы и предназначены для установки

как измерительных приборов, индикаторов и преобразователей, так и контролируемой детали.

Стойки выпускают нескольких типов: С- I, С-II, С-III и С-IV. Первые два типа стоек имеют отверстия под индикатор диаметром 28 мм, остальные диаметром 8 мм. Стойки типа С- I имеют дополнительные сменные столы: круглый гладкий, круглый ребристый с выступающей сферической вставкой и круглый ребристый с выступающим средним ребром.

Штативы выпускают типов Ш- I для индикаторов с ценой деления 0,001

– 0,005 мм и Ш-II для индикаторов с ценой деления 0,01 мм. Кроме того, имеются аналогичные штативы с магнитным основанием ШМ-I и ШМ-II.

Электроконтактные измерительные преобразователи настраивают на предельные размеры измеряемой детали при помощи настроечных микрометрических винтов, которые имеют шкалы для грубой настройки. Точная настройка контактов осуществляется по концевым мерам.

Устройства для установки относительного положения измерительных опорных, базировочных и рабочих поверхностей СИ

ВСИ для контроля размеров и погрешностей формы деталей требуется выдерживать точное взаимное расположение плоскостей и прямых, например, параллельность измерительных поверхностей микрометров, штангенциркулей, перпендикулярность плоскостей измерительных столов, стоек приборов направлению перемещения измерительных штоков.

Вконструкциях современных измерительных приборов используют опоры для регулирования положения по высоте и наклона одной детали