IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

ВВЕДЕНИЕ

В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в прямой зависимости от хозяйственной деятельности, общественных, религиозных и других факторов жизни общества.

Специалисты в области стандартизации, сертификации и управления качеством должны владеть необходимыми знаниями о методах и средствах контроля характеристик продукции, поскольку инструментальный контроль позволяет наиболее объективно подтвердить соответствие объекта предъявляемым требованиям.

В настоящее время наиболее распространены измерения электрических величин: силы тока, напряжения, электрического сопротивления, частоты тока и др. Даже те физические величины, которые сами по себе являются неэлектрическими (например, температура, давление, виброускорение и т.д.), очень часто преобразуются в измеряемые электрические величины.

Наравне с измерениями электрических величин очень часто возникает потребность в измерении линейных и угловых размеров, а также других геометрических параметров. Поэтому особое внимание уделено методам и средствам измерения электрических величин, а также геометрических размеров, перемещений, контроля формы объектов, рассмотрены актуальные проблемы и перспективы развития методов и средств измерений и контроля.

Измерения, испытания и контроль являются основными методами подтверждения соответствия продукции. Особенности их применения определяются задачами, которые решает испытательная лаборатория при сертификации.

В Уставе князя Владимира о церковных судах 996г перечислены виды мер, порученные верховному надзору епископа с обязательствами «блюсти…городския и торговыя всяческие мерила (меры длины) и спуды (меры объема) и завесы (весы) и ставила (меры веса)». В «Уставе о церковных судах и о людях и о мерилах торговых» (1134-1135) великого князя Всеволода Мстиславовича указывались меры, подлежащие надзору Киевского митрополита и Новгородского епископа. Так, в Великом Новгороде непосредственно осуществляющими надзор являлись староста церкви Иоанн Предтечи и на Опоках и двое «пошлых» т.е. зажиточных купцов.

Об Иване Грозном немец-опричник Истаден писал: «нынешний великий князь достиг того, что по всей Русской земле, по всей державе – одна вера, один вес, одна мера».

Наиболее ранняя попытка создания узаконенных мер имела место в Греции (VI век до н.э.), где мерой длины в то время был фут, равный приблизительно 297 мм.

В более позднее время попытки введения мер, обязательных и одинаковых для всей страны, имели место в Англии в 1001, 1215 и в 1494 гг., во Франции в 1321г., в Австрии в 1438г.

В начале XVIII в. По указу Петра 1, наблюдение за правильностью торговых весов и мер было возложено на Департамент торговли и мануфактур Министерства финансов, а также на чинов полиции.

В 1790г. Учредительным собранием Франции был поставлен вопрос о создании и узаконении единой и обязательной для всех контролируемой государственной системы мер. В 1799 г. на хранение в архив Французской республики были переданы платиновые эталоны метра и килограмма. Вся совокупность метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце XVIII в., легла в основу метрической системы мер, некоторые единицы вошли в качестве основных в Международную систему единиц (СИ).

В 1867 Г. В Париже был организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнении их с другими мерами, выявлении и разработке возможностей использования их внутри каждой страны и для международных отношений. В России таким учреждением было Депо образцовых мер и весов (1842), позднее – Главная палата мер и весов (1893), которую возглавил Д.И. Менделеев.

Электроизмерительные приборы, имеющие 250-летнюю историю, обязаны своим развитием работам А. Вольта, А. Ампера, М. Фарадея. Им принадлежат первенство в создании приборов прямого преобразования – гальванометров, амперметров, вольтметров и т.д.

Дальнейшему развитию электроизмерительных приборов способствовало изобретение электронной лампы: в 1904 г. появился диод, а в 1910 г. – триод и пентод. Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом позволило создать электронные вольтметры, частометры, фазометры. Развитие электроники привело к разработке автоматических компенсаторов и мостов. Таким образом, классическая электроизмерительная техника дополнилась приборами с автоматическим уравновешиванием и электронными измерительными приборами.

Широкое развитие получают дискретные методы измерений, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией, значительно расширяются диапазоны измеряемых величин, в измерительной аппаратуре применяется интегральная техника. Появился новый класс информационно-измерительной техники – измерительные информационные системы (ИИС), осуществляющие сбор, обработку, передачу, хранение, отображение и воздействие информации на объект исследования. Работы в области информационно-измерительной техники и измерительных технологий позволили в последние годы создать новый раздел теории и практики измерений – виртуальные и интеллектуальные измерительные приборы и системы.

Большой вклад в развитие информационно-измерительной техники и измерительных технологий в XX в. Внесли русские ученые: Е.Г. Шмаков, А.В. Фремке, Ф.Е. Темников, М.П. Цапенко, К.Б. Карандеев, Д.И. Агейкин, П.П. Орнатский, П.В. Новитский, Г.Д. Бурдун, Э.И. Цветков, Е.А. Чернявский, В.Н. Малиновский, В.А. Ильин, Г.Г. Ранеев, Э.М. Шмаков и др.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.  

   1. Основные понятия

Физическая величина (ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них (например, длина, масса, время, сила тока и т.д.). Физической величиной может быть характеристика продукции, подлежащая определению при оценке соответствия. Термин «величина» обычно применяется в отношении тех свойств или характеристик, которые могут быть оценены количественно, т.е. могут быть измерены. Существуют такие свойства или характеристики, которые современный уровень науки и техники ещё не позволяет оценивать количественно, например, запах, вкус, цвет. Поэтому такие характеристики обычно избегают называть величинами, а называют свойствами.

Размер ФВ – количественная определённость физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Другими словами, размер ФВ есть количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина» (например, размер длины, массы, силы тока и т.д.)

Значение ФВ – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц, причём отвлечённое (безразмерное)число, входящее в значение физической величины, называется числовым значением.

Истинное значение ФВ – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Например, скорость света в вакууме, плотность дистиллированной воды при температуре 4 °С имеют вполне определённое значение – идеальное, которое мы не знаем.

Действительное значение ФВ – значение физической величины, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что в оставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Например, действительное значение скорости света в вакууме составляет 2,997925×108 м/с, плотность дистиллированной воды при температуре 4 °С составляет 103 кг/м3.

Единица ФВ– физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице. Единицы одной и той же ФВ могут различаться по своему размеру. Например, метр, фут и дюйм, являясь единицами длины, имеют различные числовые значения:

1 фут = 0,3048 м, 1 дюйм = 0,0254 м.

Кратная единица ФВ – единица, которая в целое число раз больше основной или производной единицы.

Дольная единица ФВ – единица, которая в целое число раз меньше основной или производной единицы.

Кратные и дольные единицы ФВ образуются благодаря соответствующим приставкам к основным единицам.

Система ФВ – совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.

Основная ФВ – физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы. Например, в системе LMT основные величины – длина, масса, время.

Основная единица ФВ– единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц. Например, основные единицы Международной системы единиц (СИ): метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела.

Рассмотрим наиболее распространённую во всем мире и принятую у нас в стране Международную систему единиц (СИ), содержащую семь основных единиц, которые приведены в табл. 1.1

В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так, система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина L, масса M и время T, должна называться системой LMT. Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (СИ), должна обозначаться символами L, M, T, I, Q, N,J, обозначающими соответственно символы основных величин – длины L, массы M, времени T, силы электрического тока I, температуры Q, количества вещества Nи силы света J.

Метр равен 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона-86.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2×10–7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Температура тройной точки воды – это температура точки равновесия воды в твёрдой (лед), жидкой и газообразной (пар) фазах на0,01 К или 0,01 °С выше точки таяния льда. Допускается применение шкалы Цельсия (°С). Температура в °С обозначается символом t: t = T – T0, где T0 = 273,15 K. Тогда t = 0 °C при Т = 273,15 К.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×1012 Гц, теоретическая сила света которого в этом направлении составляет1/683 Вт/ср.

Размерность ФВ – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающего связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные, с коэффициентом пропорциональности, равным 1.

Таблица 1.1

Величина				Обозначение единицы
Наименование	Размерность	Наименование
			Международное		Русское
Длина	L	метр	m		м
Масса	М	килограмм	kg		кг
Время	Т	секунда			с
Сила электрического тока	I	ампер	А		А
Термодинамическая температура	Q	кельвин	К		К
Количество вещества		моль	mol		моль
Сила света	J	кандела	cd		кд

Кроме системных единиц системы СИ в нашей стране узаконено применение некоторых внесистемных единиц: атмосфера (98 кПа), бар, мм рт. ст., ангстрем (10–10 м); киловатт-час;час (3600 с); дюйм(25,4 мм) и др.

Кроме того, применяются логарифмические ФВ – логарифм (десятичный или натуральный) безразмерного отношения одноимённых ФВ. Логарифмические ФВ применяют для выражения звукового давления, усиления, ослабления.

Единица логарифмической ФВ – бел (Б), которая определяется последующей формуле:

1Б = lg(P2 / P1) при Р2= 10×Р1,

где Р2 и Р1 – одноимённые энергетические величины (мощность, энергия).Для «силовых» величин (напряжение, сила тока, давление, напряжённость поля) бел определяется по формуле

Б = 2 lg(F2/F1) при F2 = 10F1.

Дольная единица от бела – децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б.

1.  

   1. Измерение

Для получения информации об окружающем нас мире необходимы наблюдения. Поэтому одной из причин производить измерения может быть наше желание сделать восприятие нами мира богаче и совершеннее. Говоря отвлеченно, наша цель состоит в том, чтобы больше знать об окружающем нас мире и о взаимосвязях, существующих между характеристиками, состояниями и явлениями этого мира. Именно так обстоит дело даже с такими каждодневными измерениями как давление в шинах, температура тела и т.д. Собранная информация дает нам возможность свести сложные характеристики, состояния, явления и соотношения к более простым законам и взаимозависимостям. Таким образом, мы имеем возможность сформировать в нашем сознании лучшую более ясную и объективную картину мира, основанную на информации, полученной в результате измерений.

Измерение – это получение с помощью измерительных систем (приборов) информации в форме результата измерения, отражающего характеристику, состояние или явление окружающего нас мира (объект измерения).

Одним и наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации; измерения производятся для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать то или иное соотношение.

Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине), но ничего не говорит ни об одном из многих состояний или явлений вокруг нас. Это обстоятельство тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, вы получите информацию только об этой картине, но это не будет измерением.

Третье, и также необходимой стороной дела, является факт, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель должен извлекать из измерения одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам. Но это почти невозможно, если наблюдатель будет пользоваться только своими органами чувств. Наблюдения, выполненные с помощью наших органов чувств, в очень большой степени субъективны. Например, наше восприятие температуры сильно зависит от ощущения тепла или холода, предшествующего измерению.

Испытание – определение одной или нескольких характеристик продукции согласно установленной процедуре.

Задача испытания – получение количественных или качественных оценок характеристик продукции, т.е. оценивание способности выполнять требуемые функции в заданных условиях. Эта задача решается в испытательных лабораториях, её решением является подготовленный протокол испытаний с указанием параметров продукции.

Контроль – процедура оценивания соответствия путём наблюдений и суждений, сопровождаемых соответствующими измерениями, испытаниями и калибровкой.

1.  

   1. Классификация видов измерений

Виды измерений обычно классифицируются по следующим признакам:

По Характеристике точности – равноточные, неравноточные (равнорассеянные, неравнорассеянные);

По Числу измерений – однократные, многократные;

По Отношению к изменению измеряемой величины – статические, динамические;

По Метрологическому назначению – метрологические, технические;

По Выражению результата измерений – абсолютные, относительные;

По общим приемам получения результатов измерений – прямые, косвенные, совместные, совокупные.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими различными по точности СИ и (или) в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

Многократные измерения – измерения одного и того же размера

ФВ -результат, которого получен из нескольких следующих друг за другом наблюдений, т.е. состоящих из ряда однократных измерений.

Прямое измерение – измерение ФВ, проводимое прямым методом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных. Прямое измерение производится путём экспериментального сравнения измеряемой ФВ с мерой этой величины или путём отсчёта показаний СИ по шкале или цифровому прибору. (Например, измерения длины, высоты с помощью линейки, напряжения – с помощью вольтметра, массы – с помощью весов.)

Косвенное измерение – измерение, проводимое косвенным методом, при котором искомое значение ФВ находят на основании результата прямого измерения другой ФВ, функционально связанной с искомой величиной известной зависимостью между этой ФВ и величиной, получаемой прямым измерением.

Примеры косвенных измерений:- определение значения активного сопротивления R резистора на основе прямых измерений силы тока I через резистор и падения напряжения U на нём по формуле R = U/I;

- определение плотности r тела цилиндрической формы на основе прямых измерений его массы m, диаметра d и высоты h цилиндра по формуле r = 4m/ pd2h и т.п.

Отметим, что измерения, в которых искомая величина определяется на основе прямых измерений основных физических величин системы и при использовании физических констант, называются абсолютными.

Косвенные измерения сложнее прямых, однако, они широко применяются в практике либо потому, что прямые измерения практически невыполнимы, либо потому, что косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

Совокупные измерения – одновременно проводимые измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для нахождения зависимости между ними.

Числовые значения искомых величин при совокупных и совместных измерениях определяются из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.

Чтобы определить числовые значения искомых величин, необходимо получить, по крайней мере, столько уравнений, сколько имеется этих величин. Хотя в общем случае число прямых измерений может быть и больше минимально необходимого.

В качестве примера рассмотрим задачу экспериментального определения зависимости сопротивления резистора от температуры.

1.  

   1. Методы измерений

Совокупность приёмов использования принципов и средств измерений составляет метод измерения. Различные методы измерений отличаются, прежде всего, организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений в соответствии с ГОСТ 16263–70 подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения. Методы сравнения в свою очередь включают в себя метод противопоставления, дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения и метод совпадений.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные)приборы (вольтметры, амперметры, ваттметры, счётчики электрической энергии, термометры, тахометры и т.п.). Следует отметить, что при использовании данного метода измерений мера как вещественное воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или образцовых измерительных приборов.

Точность измерений по методу непосредственной оценки в большинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых измерительных приборов.

Метод сравнения с мерой – это такой метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примеры этого метода: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента. Метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, называется методом противопоставления.

Это, например, измерение массы на рычажных весах с помещением её и уравновешивающих гирь на две чаши весов при известном соотношении плеч рычага весов. В этом случае при качественном выполнении устройства сравнения (малое трение в опорах, стабильность соотношения плеч рычага и т.п.) может быть достигнута высокая точность измерений (пример – аналитические весы).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод позволяет получать результаты измерений с высокой точностью даже в случае применения относительно неточных измерительных приборов, если с большой точностью воспроизводится известная величина. Рассмотрим следующий пример. Необходимо измерить постоянное напряжение, истинное значение которого равно Ux = 0,99 В.

В распоряжении экспериментатора имеется набор вольтметров (или один многопредельный) с пределами измерения 0,01; 0,1; 1 В. Пусть погрешность каждого вольтметра при измерении величины, значение которой равно пределу измерения, составляет 1%. Предположим, что имеется также образцовая мера напряжения U₀ =1В, погрешность которой пренебрежимо мала. Очевидно, что, производя измерения методом непосредственной оценки, экспериментатор использует вольтметр с пределом измерения 1 В и получает результат измерений с погрешностью 1%. При дифференциальном методе измерения экспериментатор включает источники измеряемого постоянного напряжения Ux и образцового напряжения U0 последовательно и встречно и измеряет их разность U₀ -Ux = 0,01В вольтметром с пределом измерения0,01 В. В этом случае разность U0 -Ux будет измерена с погрешностью 1%, а, следовательно, значение напряжения будет определено с погрешностью 0,01%.

Указанный метод широко используется, в частности, при поверке средств измерений (например, измерительных трансформаторов тока и напряжения). На нём основана работа очень распространённых в электроизмерительной технике мостов постоянного и переменного токов. Эффект повышения точности результатов измерений, достигаемый при дифференциальном методе, оказывается тем значительнее, чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величины. В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод измерений превращается в нулевой. Очевидно, что в нулевом методе измерений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю результирующего воздействия измеряемой величины и меры.

Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений и широко используется, например, при измерениях электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоянного напряжения компенсатором постоянного тока.

Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновременно.

Метод совпадений – это метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Примерами этого метода являются измерения длины с помощью штангенциркуля с нониусом, измерение частоты вращения стробоскопом. Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой величины с мерой находят своё отражение и в принципах построения измерительных приборов.

С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. В измерительном приборе прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Так, например, на рис. 1.3 приведена структура электронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содержит выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ и измерительный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измерительной информации идёт только в одном направлении.

Характерной особенностью приборов прямого действия является потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает возможности применения приборов прямого действия для измерения, например, электрического сопротивления или ёмкости, но для этого необходимо использовать вспомогательный источник энергии. Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

На рисунке 1.2 приведена структурная схема автоматического прибора сравнения, содержащая устройство сравнения УС, устройство управления УУ и изменяемую (регулируемую) меру М с отсчётным устройством. Измеряемая величина x и однородная с ней величина x0 подаются на входы устройства сравнения УС. Величина x0 получается от регулируемой меры М. В зависимости от результата сравнения х с х0 устройство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы величина x – x0 уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчивается, когда x0 = x. При этом значение измеряемой величины отсчитывается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения происходит вычитание величин х и x0, то в данном приборе реализуется сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом. Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть. Например, в структурной схеме на рис. 1.1 усилитель постоянного тока может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая величина, однородная с измеряемой, которая подаётся на вход прибора. Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).

Рис 1.1 – структурная схема прибора прямого действия.

Рис 1.2 – структурная схема прибора сравнения.

Таким образом, приведённая классификация видов и методов измерений позволяет не только систематизировать разнообразные измерения всевозможных физических величин и тем самым облегчить подход к решению конкретной измерительной задачи, но и с общих позиций подойти к рассмотрению структур и принципов действия различных измерительных приборов.

1.  

   1. Механические средства измерений

Конструкция подавляющего большинства механических средств измерения состоит из последовательно расположенных элементов и устройств, каждое из которых в этой последовательности выполняет определённую задачу при измерении. Для того чтобы в дальнейшем при изучении средств измерения было легче представлять их действие, рассмотрим коротко эти устройства и их назначения.

Основание измерительного средства– это конструктивный элемент, на базе которого смонтированы все элементы данного действующего средства измерения. Например, штанга штангенциркуля, скоба микрометра, корпус индикатора часового типа.

Воспринимающий элемент- это часть средства измерения, которая осуществляет его соприкосновение с объектом измерения и воспринимает величину этого объекта, например измерительные губки штангенциркуля, измерительный наконечник индикатора. Часть воспринимающего элемента, непосредственно касающаяся поверхности объекта, иногда называют чувствительным элементом.

Размерный элемент- это одна из деталей средства измерения, которая обладает собственным точным, обычно многозначным, размером, с величиной которого в процессе измерения непосредственно сопоставляется воспринятая средством измерения величина объекта измерения (например, штанга со шкалой штангенциркуля: размер детали, воспринятый губками, сравнивается с ней).

Преобразующее устройство- это внутренний механизм или элемент средства измерения, который преобразует (видоизменяет) малые перемещения, воспринятые от объекта измерения, в большие перемещения на отсчётном устройстве так, что эти большие перемещения исполнитель может непосредственно наблюдать и отсчитывать(например, зубчатая передача в индикаторе часового типа).

Отсчётное устройство создаёт возможность отсчитывать показания средства измерения. В большинстве случаев отсчётные устройства имеют шкалу и указатель, которым служит отдельный штрих, группа штрихов или стрелка. В последнее время распространяются средства измерения с цифровыми отсчётными устройствами. Примером отсчётного устройства может быть нониус штангенциркуля, круглая шкала индикатора и стрелка индикатора часового типа, цифровое табло прибора с цифровой индикацией. В зависимости от назначения и принципа действия конкретного средства измерения и его конструкции используются те или иные комплексы этих устройств и элементов, составляющих структуру этого средства измерения.

1. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Методика измерения шероховатости деталей сложной геометрической формы.

1.  

   1. Общие положения о шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества поверхностей деталей и оказывает влияние на эксплуатационные показатели. Термины и определения основных понятий по шероховатости установлены ГОСТ 25142-82, а параметры и характеристики регламентируются ГОСТ 2789-73.

Требования к шероховатости поверхности должны устанавливаться исходя из функционального назначения поверхности и заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости поверхности не устанавливаются и шероховатость контролироваться не должна. Требования к шероховатости не включают требований к дефектам поверхности (раковины и пр.), поэтому при контроле шероховатости поверхности влияет дефектов поверхности должно быть исключено. В некоторых случаях допускается устанавливать требования к шероховатости отдельных участков поверхности, которые могут быть различными.

1.  

   1. Контактный (щуповой) метод

измерительный щуповой шероховатость поверхность

Большое распространение для определения параметров шероховатости поверхности контактным методом получили щуповые приборы, работающие по методу ощупывания поверхности алмазной иглой. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем, поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки по испытуемой поверхности, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в электрические при помощи электромеханического преобразователя того или иного типа. Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры, характеризующие неровности исследуемой поверхности (профилометрирование), или записывают параметры профиля поверхности в заранее выбранных вертикальном и горизонтальном масштабах (профилографирование).

Щуповые электромеханические приборы, предназначенные для измерений параметров шероховатости поверхности, называют профилометрами, а такие же приборы для записи неровностей поверхности – профилографами. Профилографы-профилометры позволяют не только записывать профиль поверхности, но и измерять параметры шероховатости.

В щуповых приборах для измерения параметров шероховатости поверхности применяются индукционные, индуктивные, электронные и пьезоэлектрические преобразователи механических колебаний иглы в электрические сигналы.

Отечественной промышленностью выпускаются профилографы-профилометры модели 201, 250, 252, 170311, профилометры модели 130, 253, 280, 296,170621, 170622 и пр.

Общая компоновка прибора представлена на рисунке 2.1. На стойке 1 размещен мотопривод 2, на котором закреплен датчик 3 (или 4). На стол стойки устанавливается предметный стол 5, позволяющий перемещать измеряемую деталь в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для установки датчика на измеряемую поверхность мотопривод с помощью ходового винта перемещается по направляющим стойки.

Усиление и преобразование электрических сигналов с датчика, а также управление работой прибора осуществляется блоком питания 6 и блоком измерительным 7.Эти блоки связаны соединительными шлангами 8 с мотоприводом, блоком счетно-решающим 9, предназначенным для обработки электрических сигналов и выдачи результатов измерений на цифровое отсчетное устройство, и с записывающим прибором 10, который служит для записи на диаграммную ленту результатов измерения неровностей исследуемой поверхности.

Рис 2.1 – Профилограф-профилометр модели 252.

Действие прибора (рисунок 2.2) основано на принципе ощупывания неровностей исследуемой поверхности алмазным щупом 1 датчика и преобразования, возникающих при этом, колебаний щупа в изменения напряжения, пропорциональные этим колебаниям. Прибор снабжен индуктивным преобразователем, включающим сердечник 3 и две катушки, а также электронным измерительным блоком 7, счетно-решающим блоком 8 и записывающим устройством 9. Питание индуктивного преобразователя производится от генератора звуковой частоты 4. При перемещении датчика относительно исследуемой поверхности алмазная игла 1, ощупывая неровности поверхности, приводит в колебательное движение коромысло 5 относительно неподвижной опоры 6.

При этом меняются воздушные зазоры между якорем и сердечником, следовательно, меняется и напряжение на выходе трансформатора. Оно усиливается электронным блоком 7, на выходе которого подключены записывающий или показывающий приборы.

Рис 2.2 – Принципиальная схема работы профилографа-профилометра модели 252.

Основные технические данные профилографа-профилометра 252:

1. Параметры шероховатости поверхности, определяемые по показывающему устройству:

Ra – среднее арифметическое отклонение профиля;

Hmax- высота наибольшего выступа профиля;

Hmin- высота наибольшей впадины профиля;

tp – относительная опорная длина профиля;

n – число шагов неровностей в пределах длины трассы ощупывания при измерении (по базовой линии).

2. Диапазон измерений: – профилографа, мкм 0,02…250

- профилометра по параметрам:

Ra, мкм 0,02…100

Hmax, Hmin, мкм 0,1…100

tp, % 0…100

n до 1000

3. Уровни сечения профиля при измерении tp, % – 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90.

4. Вертикальное увеличение профилографа – 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000, 50000, 100000.

5. Горизонтальное увеличение профилографа – 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000.

6. Максимальная длина трассы ощупывания профилографа – 50 мм.

7. Ширина записи – 50 мм.

8. Скорости трассирования датчика – 0,6; 6; 60 мм/мин.

9. Значения отсечек шага – 0,08; 0,25; 0,8; 2,5 мм.

10. Длина трасс ощупывания при измерении (профилометра) – 1,5; 3; 6 мм.

11. Радиус кривизны вершины щупа – 10±2,5 мкм.

1.  

   1. Методика измерения шероховатости деталей сложной геометрической формы

• Диаметр, форму и шероховатость поверхности стали измеряют на расстоянии не менее 25 мм от детали.

• Диаметр деталей измеряют микрометром по ГОСТ 6507-78, скобой по ГОСТ 2216-84, штангенциркулем по ГОСТ 166-80, рулеткой по ГОСТ 7502-80, кривизну – щупом по ГОСТ 882-75.(п. 5.2 в ред. Изменения N 2, утв. Постановлением Госстандарта СССР от 21.03.1988 N 636)

• Огранку проверяют микрометром с призматической пяткой по ГОСТ 24643-81 или по методике, согласованной между изготовителем и потребителем.

• Шероховатость поверхности проверяют профилометрами, профилографами, оптическими приборами или по рабочим образцам в соответствии с требованиями ГОСТ 2789-73.

• Глубину обезуглероженного слоя стали с содержанием углерода более 0,3% определяют по ГОСТ 1763-68 на двух образцах, отобранных от двух разных прутков или мотков партии.

• Шероховатость и огранку проверяют на пяти образцах, отобранных от разных прутков или мотков партии.

Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине l (рис 2.3)

Рис 2.3 – Характеристики и параметры шероховатости.

Шероховатость является одним из показателей качества поверхности и оценивается количественно стандартизованными параметрами. Базовая линия – линия заданной геометрической формы, проведенная определенным образом, относительно профиля и служащая для оценки параметров шероховатости. Базовая линия, проведенная так, что в пределах её длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально, называется средней линией m.

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra:

Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz – сумма средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов и пяти наибольших максимумов в пределах базовой длины.

Где Himax и Himin– отклонение максимумов и минимумов профиля. Наибольшая высота неровности профиля Rmax– расстояние между линией выступов профиля и линией впадин в пределах базовой длины. Средний шаг неровностей Sm– среднее арифметическое значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины. Шагом неровностей называется длина отрезка средней линии, пересекающего профиль в трех точках и ограниченного двумя крайними точками.

Средний шаг неровностей по вершинам S–среднее арифметическое значение шага неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины.

Относительная опорная длина профиля tp–это отношение опорной длины профиля к базовой длине. Опорной длиной называется сумма длин отрезков bi в пределах базовой длины, отсекаемая на заданном уровне p в материале выступов измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии.

Конкретные параметры шероховатости, указываемые в конструкторской и технологической документации, выбираются из числа стандартизованных и определяются экспериментально на основе измерений. Наиболее распространено нормирование и оценивание шероховатости по величине Ra.

В зависимости от способа механической обработки Ra составляет при точении 0,4…3,2 мкм, при шлифовании 0,025…0,4мкм.

Шероховатость поверхности оценивается визуально сравнением с образцами шероховатости, либо измеряется контактными или бесконтактными (оптическими) методами и приборами.

Образцы шероховатости поверхности (рис 2.4) представляют собой бруски с плоской или цилиндрической поверхностью с известными значениями параметра шероховатости. Образцы шероховатости комплектуются в наборы, где на каждом образце указывается номинальное значение параметров шероховатости и способ механической обработки образца. Визуальное сравнение поверхностей изделия и образца дает удовлетворительные результаты только для относительно грубых поверхностей (0,6…0,8 мкм и более).

Рис 2.4 – Образцы шероховатости поверхности.

Контактные методы измерения шероховатости основываются на последовательном ощупывании исследуемого профиля на заданной длине с помощью алмазной иглы (щупа). Перемещение иглы в вертикальном направлении повторяет профиль шероховатости и преобразуется в электрический сигнал, который усиливается и измеряется аналоговым или цифровым прибором. В качестве преобразователя перемещения в электрический сигнал обычно используются индуктивные преобразователи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов. Измерения – единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические объекты, физические явления и процессы. Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения нескольких сот различных электрических (электрическое напряжение, электрическое сопротивление и др.) и неэлектрических (тепловых, механических, оптических и др.) величин. Число, подлежащих измерению неэлектрических величин, интересующих науку, производство, медицину во много раз больше числа электрических величин. Измерение неэлектрических величин может осуществляться как электрическими устройствами с предварительным преобразованием неэлектрической величины в электрическую, так и неэлектрическими устройствами. Электрические средства измерений имеют ряд преимуществ перед другими средствами измерений. Они характеризуются:

1. Простотой изменения чувствительности в широком диапазоне измеряемых значений. Использование электронной техники позволяет повысить чувствительность измерительного прибора в тысячи раз, что дает возможность измерять такие величины, которые другими методами не могут быть измерены.

2. Малой инерционностью (широким частотным диапазоном), что позволяет проводить измерения как медленно меняющихся, так и быстро меняющихся во времени величин.

3. Возможностью создания комплексных измерительно-информационных систем, передачи результатов измерения на большие расстояния, математической обработки и использования их для создания управляющих систем.

4. Возможностью комплектования измерительных и обслуживаемых ими автоматических систем из блоков однотипной электронной аппаратуры.

Благодаря этим преимуществам электрические средства измерений заняли ведущее место при измерении как электрических, так и неэлектрических величин.

Рассмотрены основные понятия измерений, общие вопросы планирования и организации измерений, приведена классификация измерений. Изучили методику измерения шероховатости деталей сложной геометрической формы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клаасен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2000. – 352 с.

2. Бирюков С.В., Чередов А.И. Методы и средства измерений: Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. – 88 с.

3. Д.Ф. Тартаковский А.С. Ястребов. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2001- 205с.

4. Дивин, А.Г. Методы и средства измерений, испытаний и контроля :Учебное пособие. В 5 ч. / А.Г. Дивин, С.В. Пономарев. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – Ч. 1. – 104 с. – 100 экз. –ISBN 978-5-8265-0987-6.

5. Мальков О.В., Литвиненко А.В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали.

6. Рябов В.П., Позняк Е.С. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. – М.: МУГП. – 2009. – 157 С.

7. Ранеев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений. – М.: Академия. – 2006. – 336 С.

 

Код для цитирования: Скопировать