5.4. Выбор средств измерений и обработка результатов измерений

5.4.1.. Выбор си и необходимого числа измерений

Количество выполняемых измерений (однократные или многократные) влияет на достоверность и надежность результата (точность).

По однократным измерениям весьма опасно делать заключение о правильности результата. Применение однократных измерений возможно, когда:

• происходят измерения с разрушением объекта (образца);

• измерения невозможно повторить;

• большая стоимость процесса измерения;

• случайные погрешности малы и ими можно пренебречь;

• производственные измерения и торговые операции, когда метрологические характеристики СИ соответствуют установленным нормам.

Погрешность результата прямых однократных измерений определяется, в основном, погрешностью СИ, так как остальные погрешности (субъективные, методические и др.) малы и могут быть устранены до начала измерения.

При косвенных однократных измерениях погрешность результата также оценивается погрешностью измерения аргумента прямым методом (измерение среднего диаметра резьбы методом трех проволочек).

Факторы, определяющие выбор средств измерений.

На выбор методов и средств измерений влияет большое количество факторов, которые необходимо учитывать.

Организационно-технические факторы зависят от специфики производства (типа производства, стабильности техпроцесса, обеспечения полной или групповой взаимозаменяемости и т.п.). Формы контроля могут быть в виде сплошного 100%-го контроля всех деталей (единичного, мелкосерийного производства, нестабильного техпроцесса, групповой взаимозаменяемости) и в виде выборочного, статистического контроля (крупносерийного, массового производства, полной взаимозаменяемости, стабильного техпроцесса). Универсальные средства измерений находят широкое применение во всех типах производства, так как имеют низкую себестоимость. Производительность операций контроля при этом также низкая. Применение специальных средств измерения должно быть экономически обосновано. Калибры, контрольные приспособления, средства автоматизированного контроля относятся к нестандартизованным средствам. Их проектирует и изготавливает предприятие-потребитель, применение их выгодно в крупносерийном, массовом производстве. Они должны быть аттестованы и периодически проходить поверку или калибровку.

Конструкторско-технологические факторы, такие как параметры изделия (габариты, масса, жесткость конструкции, конструктивные особенности, доступность к точкам контроля и контролируемый размер) также существенно влияют на выбор методов и средств измерения. Могут быть использованы контактные и бесконтактные, абсолютные и относительные, прямые и косвенные методы измерений, а также стационарные и переносные средства измерений (для крупногабаритных деталей). Для деталей нежесткой конструкции необходимо применять бесконтактные методы измерений. Косвенные методы используются в том случае, если непосредственное измерение размера невозможно. Применяются различные средства измерений для деталей типа вал, втулка (отверстие), зубчатое колесо, резьбовая деталь и так далее.

Метрологические факторы, характеристики средств измерений (цена деления, пределы и диапазон измерения, погрешность и класс точности), необходимо согласовать с контролируемыми параметрами изделия [7,8].

Номинальный размер определяет выбор СИ по пределу или диапазону измерения. Допуск на контролируемый параметр определяет выбор средств измерений по допускаемой погрешности измерения, которая включает в себя случайные и не учтенные (не исключенные) систематические погрешности. В большинстве случаев для однократных измерений это инструментальные погрешности СИ.

До начала процесса измерения должны быть приняты меры по исключению возможных систематических погрешностей (соблюдать температурный режим, проверить наличие свидетельства о поверки или калибровки СИ и другие меры).

Если систематическая погрешность (инструментальная) является доминирующей, то измерение достаточно выполнить один раз. Эти однократные измерения наиболее часто встречаются при техническом контроле изделий в машиностроении. Результат измерения оценивается систематической погрешностью.

Если случайная погрешность больше (доминирует) систематической, то необходимо выполнять многократные измерения (см. п. 5.4.), а погрешность среднего арифметического должна быть меньше инструментальной погрешности СИ. Выбор необходимого числа измерений производится таким образом, чтобы инструментальная погрешность определяла точность результата.

Допускаемые погрешности измерения в зависимости от контролируемого допуска рекомендуется принимать δ =(0,2…0,3)T, или цена деления шкалы прибора должна составлять 1/6 …1/10 от допуска.

Выбор средств измерений для однократных измерений линейных размеров (ГОСТ 8.051-81) заключается в сравнении систематической погрешности СИ -  с допускаемой погрешностью измерения - , в установлении приемочных границ и приемочного процента риска. Необходимо соблюдать условие   ..

Для размеров с неуказанными допусками (12…17 квалитеты) допускаемая погрешность измерения по ГОСТ8.549-86 равна половине допуска размера - это необходимо учитывать, чтобы не усложнять процесс измерения грубых (неответственных) размеров.

Если случайная погрешность больше (доминирует) систематической, то необходимо выполнять многократные измерения, а погрешность среднего арифметического должна быть меньше инструментальной погрешности СИ. Выбор необходимого числа измерений производится таким образом, чтобы инструментальная погрешность определяла точность результата.

Многократные измерения (когда n  3) более достоверные, но могут быть слишком дорогими. Важно решить вопрос об оптимальном значении числа измерений (n).

Установлено, что при 7…8 измерениях результаты приобретают устойчивость. При увеличении числа измерений больше 30 погрешность изменяется незначительно [7,8].

Цель многократных измерений: определить среднее арифметическое значение () и его разброс (доверительный интервал при заданной вероятности). Однократное (однозначное) измерение величины прямым методом называется наблюдением. При многократных измерениях окончательный результат находят, выполняя обработку нескольких наблюдений (см. п. 5.3.3.).

Целесообразность выполнения многократных измерений оценивается критерию соотношения случайных и систематических погрешностей:

r = ∆_∑/ σ_x

Если , то систематическая погрешность ∆_∑ не существенна и суммарная погрешность должна оцениваться по доверительной границе случайной погрешности .

Если , то преобладает систематическая погрешность и измерение достаточно выполнить один раз. Не исключенные систематические погрешности (средств измерений и др.) переводятся в разряд случайных и суммируются квадратически:

∆_∑ = √ ∑∆_i² (6)

Если , то необходимо учитывать систематические и случайные погрешности [7].

Окончательный результат измерения должен быть округлен, так как лишние знаки дают ложное представление о высокой точности результата.

Правила округления следующие:

- результат должен заканчиваться цифрой того же разряда, что и значение погрешности (нули также записываются);

- если цифра старшего из отбрасываемых разрядов меньше 5, то остающиеся цифры не изменяются;

- если больше 5 или равна 5, то оставшуюся цифру увеличивают на 1;

- если отбрасываемая цифра 5, а затем следуют нули, то сохраняемую цифру не изменяют, если она четная; если она нечетная, то увеличивают на 1.

Примеры:

1)  = 25,458;  = 0,02, округленный результат -  = 25,46.

2)  = 105,15;  = 0,05, округленное значение -  = 105,20,

3)  = 105,25;  = 0,05, окончательно -  = 105,20.

Все промежуточные результаты целесообразно представлять тем числом разрядов, которое удается получить [8].

Окончательно результат измерения записывается в следующем виде:

при Р(t).

Например:   250,050,05 при Р(t)= 0,95.

Количество значащих цифр в результате зависит от числа измерений n. Рекомендуется при n   оценивать до 0,1; при n  25 округлять до 0,01, а при n   можно до тысячных долей – 0,001.

Возможные пути уменьшения погрешностей результатов измерений:

• применение более точных СИ, а не по рекомендациям: цена деления равна 1/6…1/10 от контролируемого допуска (ГОСТ 8. 051 – 81);

• выполнение многократных измерений при наличии случайных погрешностей, которые больше инструментальной погрешности. имеет погрешность в раз меньше, чем однократные измерения;

• автоматизация процесса измерения и устранение субъективного фактора;

• использование обратной связи, путем введения поправок и выполнение активного контроля;

• изменение условий измерений и уменьшение методической погрешности, замена абсолютного метода относительным, контактного на бесконтактный;

• индивидуальная аттестация СИ, то есть выявление инструментальной погрешности конкретного СИ, и учет этого значения как поправки.