Подготовка к измерениям

Лекция 3. Подготовка к измерениям В каждом измерении можно выделить следующие элементы: • объект измерений, • метод измерений с условиями измерений. • средства измерений • оператор. Все эти элементы могут влиять на результат измерения. При этом возникает погрешность, являющаяся одной из важнейших характеристик качества измерений. Чтобы обеспечить высокую точность измерений, их проведение необходимо тщательно подготовить. Подготовка процесса измерения включает: • анализ постановки измерительной задачи; • создание условий для измерений; • выбор средств и метода измерений; • выбор числа измерений; • подготовку оператора; • апробирование средств измерений. 1. Анализ постановки измерительной задачи Анализ постановки измерительной задачи позволяет исключить проведение некорректных измерительных экспериментов. При таком анализе необходимо, прежде всего, выяснить: • какие физические величины или параметры объекта подлежат измерению; • какой точности должен быть результат измерения; • в какой форме его следует представить, чтобы это соответствовало цели измерительной задачи. При ответе на первый вопрос выбирают модель объекта, параметры которой подлежат измерению. Выбранная модель должна удовлетворять двум требованиям. Первое требование - соответствие модели реальному объекту. Например, следует измерить длину цилиндрической детали. Длиной цилиндра является его образующая, следовательно, в качестве модели примем правильный цилиндр, измеряемой величиной будет его образующая. Длина образующей измеряется в различных точках основания. Максимальная разность результатов измерений принимается в качестве погрешности модели. Эта погрешность не должна превышать 10% от погрешности измерения. Второе требование - нестабильность измеряемых параметров модели в течение времени измерения не должна превышать 10% от заданной погрешности измерения. В этом случае речь идет об измерении постоянных физических величин. Второй вопрос - точность результата измерений. Она зависит от качества средств измерений. Чем точнее средства измерений, тем точнее результаты измерения. Усложнение средств измерения приводит к резкому повышению стоимости измерительного процесса. Задача состоит в том, чтобы достигнуть наибольшей точности измерений при ограниченных затратах. Третий вопрос. Для обеспечения единства измерений, возможности сопоставления результатов измерений и их последующего анализа предусмотрена единая форма представления результатов измерений. При проведении измерений в динамическом режиме, когда регистрируют значения изменяющейся во времени величины, для каждого конкретного результата измерения указывают момент времени, которому этот результат приписывается. При анализе постановки измерительной задачи необходимо выявить требования к быстроте получения измерительной информации, ее дискретности, уровню автоматизации и др. От этого зависит выбор тех или иных средств измерений, метода и условий измерения, затрат труда оператора. 2. Создание условий для измерения Каждое измерение выполняется в определенных условиях, которые характеризуются одной или несколькими физическими величинами. Их называют внешними влияющими величинами, т. к. они оказывают влияние на измеряемую величину. Например, условия измерений длины детали штангенциркулем характеризуются такими влияющими величинами, как температура окружающего воздуха и освещенность поверхности детали и штангенциркуля. Наиболее существенной влияющей величиной в данном случае является температура. Изменение температуры приводит к изменению размера детали и, следовательно, к погрешности измерения. Освещенность также влияет на результат измерения: при плохой освещенности оператор может неточно снять показания измерительного прибора. Например, при плохой освещенности сложно правильно определить совпадение штрихов нониуса со штрихами основной шкалы штангенциркуля. С целью обеспечения единства измерений к условиям их проведения предъявляются жесткие требования. Для конкретных областей измерений устанавливают единые условия, называемые нормальными. Значения физической величины, соответствующие нормальным условиям, называют номинальным значением влияющей физической величины. В табл. 1.2. приведены номинальные значения влияющих физических величин при выполнении линейных и угловых измерений. Однако при выполнении измерений трудно поддерживать определенные номинальные значения влияющих величин. Поэтому необходимо установить пределы возможных изменений для каждой влияющей величины. Эти пределы называют пределами номинальной области значений влияющих величин и выбирают так, чтобы воздействия совокупности влияющих величин на результат измерения были по возможности минимальными. В соответствии с ГОСТ 8.050 требования к нормальным условиям устанавливаются в зависимости от допуска на измеряемую величину и требований к допустимой погрешности измерений. Предельная погрешность измерений составляет от 20 до 35% допуска на измеряемую величину. Изменение погрешности средств измерений из-за действия влияющих величин в нормальных условиях не должно превышать 35% погрешности измерений. Таблица 1.2 Номинальные значения влияющих физических величин N п/п Влияющая величина Номинальное значение 1. Температура окружающей среды 20 °С 2. Атмосферное давление 101325 Па (760 мм рт. ст.) 3. Относительная влажность окружающего воздуха 58% 4. Ускорение свободного падения 9,8 м/с2 5. Направление линии и плоскости измерения линейных размеров горизонтальное 6. Положение плоскости измерения углов горизонтальная 7. Относительная скорость движения внешней среды нуль 8. Значения внешних сил, кроме сил тяжести, атмосферного давления, действия магнитного поля Земли и сил сцепления элементов измерительной системы нуль Например, производится измерение диаметра вала 0 100-0083 . Допуск вала Td = 63мкм. Погрешность измерения составляет 25% от допуска (63*0,25=16 мкм), а изменение погрешности из-за действия влияющих величин 8ин.л.=0,35*16=5,6 мкм. ГОСТ 8.050 приводит таблицу со значениями пределов допускаемых значений 8ин.л. (погрешность из-за действия влияющих величин) в зависимости от допуска на размер Ал. В таблице учтено уменьшение процента при расчете погрешности измерений. Он уменьшается (от 35% до 20%) с увеличением допуска на размер. При проведении поверки средств измерений должны соблюдаться нормальные условия согласно ГОСТ 8.395. Для нормальных условий поверки принята такая область совокупности влияющих величин, под действием которых погрешность поверяемого средства измерений может составлять не более чем 35%. При подготовке к измерениям необходимо определить рабочее пространство - часть пространства, окружающего средство и объект измерения. Если рабочее пространство не установлено, нормальные условия измерений обеспечиваются во всем помещении, где выполняются измерения. При точных измерениях для поддержания нормальных условий применяют специальные средства защиты от воздействия влияющих величин. Так, влияние температуры исключают путем термостатирования - обеспечение определенной температуры в рабочем пространстве. Чтобы уменьшить влияние изменения атмосферного давления, применяют барокамеры. С целью устранения вибрации применяют амортизаторы и т.п. При выполнении измерений в открытом пространстве при высокой или низкой температуре соблюдать нормальные условия часто невозможно. В таких случаях устанавливают условия выполнения измерений, называемые рабочими условиями. Если необходимо сопоставить результаты измерений, полученные в разных рабочих условиях, их приводят к нормальным условиям, для чего фиксируют действительные значения влияющих величин или их пределы. 3. Выбор средств измерения Качество измерений зависит от правильного выбора средств измерений. Измерения, проведенные средствами измерений более низкого класса точности, чем это требуется, имеют малую ценность, а иногда они недопустимы, т.к. приводят к неправильной оценки точности измеряемой величины. Применение точных средств измерений связано с большими материальными затратами. Поэтому при их выборе необходимо учитывать не только метрологические, но экономические и другие показатели: метрологические характеристики СИ, конструкция и размеры контролируемых деталей, тип производства, задача измерения, организационные, технические и экономические аспекты и т.д. Выбранное СИ прежде всего должно соответствовать по своей конструкции и габаритам аналогичным показателям измеряемой детали. Основными характеристиками средств измерений является погрешности. Они наиболее существенно влияют на качество измерений, поэтому при выборе средств измерений их рассматривают в первую очередь. При выборе измерительных средств по точности необходимо учитывать требования к погрешности результата измерения и долю ее, приходящуюся на погрешность используемых средств измерений. При выборе средств измерений по точности определяют суммарную погрешность измерения и сравнивают ее с допустимой ∆Σ = ∆м + ∆си + ∆усл + ∆о < ∆д, (111) где ∆м - предельная погрешность метода измерения; ∆си - предел допускаемой погрешности используемых средств измерений; ∆усл - предельная погрешность, обусловленная влиянием внешних факторов; ∆о - предельная погрешность оператора; ∆д - допускаемая погрешность измерения. Упрощенный способ выбора СИ по точности. Основным фактором при выборе СИ является допускаемая погрешность измерений. Допускаемая погрешность измерений линейных размеров до 500 мм регламентируется ГОСТ 8.051-81. В стандарте установлены 16 рядов значений допускаемой погрешности измерения в зависимости от номинального размера, допуска IТ на изделие и номера квалитета. Значения допусков IT в зависимости от квалитета и номинального размера приведены в таблице 8. Таблица 8 – Допуски (в мкм) квалитетов ЕСДП (для основных валов и отверстий) Допускаемая погрешность измерения Δдоп в зависимости от квалитета меняется от 20 до 35 % от допуска на измеряемый размер IТ: ◦ для 2–5 квалитетов – Δдоп= 0,35 IT; ◦ для 6–8 квалитетов – Δдоп= 0,3 IT; ◦ для 9 и 10 квалитетов – Δдоп= 0,25 IT; ◦ грубее 10-го квалитета – Δдоп= 0,2 IT. Допускаемую погрешность измерения в зависимости от квалитета можно определить и непосредственно по таблице, приведенной в ГОСТ 8.051.81. При выборе средств измерений для таких геометрических параметров, как отклонение формы и отклонение расположения поверхностей деталей, при отсутствии рекомендаций в нормативно-технических документах ориентируются на соотношение Δдоп = 0,33Т, где Т – допуск на отклонение формы или на отклонение расположения. Установленные в ГОСТ 8.051-81 допускаемые погрешности измерений включают в себя как случайные, так и неучтённые систематические погрешности, т.е. все погрешности, зависящие от СИ, установочных мер, температурных колебаний, базирования и т.д. Поэтому при выборе средства измерения применяют выработанное практикой решение: для того чтобы гарантировать заданную погрешность измерения, предел допускаемой погрешности средства измерения Δlim должен быть на 25...30 % меньше заданной допускаемой погрешности Δдоп, т.е. при решении задачи выбора средства измерений следует принимать Δlim ≤ 0,7 Δдоп. Рассмотренный способ выбора СИ является наиболее простым. При выборе СИ нужно стремиться к тому, чтобы значение допускаемой погрешности ∆lim средства измерений было как можно ближе к значению 0,7 Δдоп. Это позволяет сделать измерение менее трудоемким и более дешевым. Выбор СИ при контроле изделий Рассмотрим влияние погрешности измерений при разбраковке изделий. Если бы контроль осуществляется абсолютно точными средствами измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска, были бы признаны годными, а те изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск, были признаны негодными. Из-за существования погрешности измерений при контроле часть негодных изделий будет признана годными (брак контроля 2-ого рода), а часть годных изделий - негодными (брак контроля 1-ого рода). В случае, когда сведения о точности технологического процесса отсутствуют, но известен допуск контролируемого параметра, руководствуются масштабами производства контролируемых параметров, требованиями к их качеству, количеством контролируемых параметров и т.п. и оценивают допустимые значения брака контроля 1-ого и 2-ого рода. Воспользовавшись таблицей, приведенной в ГОСТ 8.051, находят отношение среднего квадратичного отклонения погрешности измерений к допуску на контролируемый параметр. Зная допуск, находят среднее квадратичное отклонение S, по которому определяют допустимую погрешность измерения ∆д=2S. Рис 1.12. Брак контроля первого и второго рода Например, допуск на контролируемый параметр равен 3мм, допустимый брак 1-го рода составляет 3,5%, допускаемый брак контроля 2-го рода 2,7%. По табл. 1.3 находим S/∆изд=8%. Следовательно S=∆изд*0,08=3*0,08=0,24 мм. Отсюда предельная погрешность измерения Ад=2*0,24=0,48 мм. Таблица 1.3 Зависимость брака контроля 1-го и 2-го рода от отношения S/∆изд при нормальном распределении измеряемых параметров S/∆изд, в % n, в % m, в % 1,6 0,70-0,75 0,37-0,39 3 1,20-1,30 0,87-0,90 5 2,00-2,25 1,60-1,70 8 3,40-3,70 2,00-2,80 10 4,50-4,75 3,10-3,50 12 5,40-5,80 3,75-4,10 16 7,80-8,25 5,00-5,40 4. Выбор метода измерений Метод измерения представляет собой совокупность приемов применения средств измерений и характеризуется совокупностью тех физических явлений, на которых основаны измерения. Наибольшее распространение получил метод непосредственной оценки, при которой измеряемую величину определяют непосредственно по отсчетному устройству средств измерений. Метод прост, не требует особых действий оператора и дополнительных вычислений. Основное внимание при измерениях этим методом уделяется используемым средствам измерений, т.к. они служат основными источниками погрешности измерений. Если необходимо выполнить точное измерение, применяют дифференцированный или нулевой метод. Эти методы являются разновидностью метода сравнения с мерой. Для них характерно существования высокоточной меры. Погрешность этих методов характеризуется в основном погрешностью используемой меры. При измерении массы часто используют метод замещения, который дает возможность уменьшить систематическую погрешность измерения на равноплечих весах. 5. Выбор числа измерений Объем работы при выполнении измерений в значительной степени зависит от числа измерений. Число измерений определяется в основном требованиями к точности результата измерений. Путем увеличения числа измерений можно уменьшить случайную погрешность измерений. Однако в погрешности результата измерений помимо случайной составляющей может присутствовать и систематическая. Обычно действие систематической погрешности сводится к минимуму путем введения поправок. Погрешности поправок и неподдающиеся исключению систематические погрешности составляют неисключенные систематические погрешности. Поэтому случайную погрешность имеет смысл уменьшить только до разумных значений, зависящих от границ неисключенных систематических погрешностей. На рис. 1.13. представлены графики изменения суммарной погрешности многократного измерения по сравнению с погрешностью однократного измерения. Относительное изменение погрешности у(п) приведено для различных соотношений неисключенной систематической погрешности Q к случайной погрешности, которая характеризуется средним квадратичным отклонением S, т.е. Q/S. Из рисунка видно, что погрешность результата измерения при увеличении числа измерений может сначала резко уменьшаться, а достигая некоторое значения п, более или менее стабилизироваться. Рис. 1.13. Изменения погрешности результата измерений при увеличении числа измерений для различных соотношениях Q/S При Q/S=8 кривая практически не зависит от n, поэтому при таком соотношении погрешностей нет смысла проводить многократные измерения. А, например, при соотношении Q/S=1,5 увеличение числа измерений n до 10 приводит к уменьшению суммарной погрешности результата измерения на 20%. Дальнейшее увеличение числа измерений нецелесообразно, т.к. дает незначительное уменьшение погрешности. 6. Подготовка оператора Качество измерений в значительной степени зависит от квалификации оператора. При подготовке к измерениям оператору необходимо: • ознакомится с процедурой выполнения измерений и последовательностью операций, с инструкциями по эксплуатации применяемых средств измерений; • убедится, что средства измерений прошли поверку. При проведении измерений оператор должен: • соблюдать условия измерений и поддерживать их в заданном режиме; соблюдать технику безопасности; • не допускать перерыва в проведении отсчетов, если указано, что отсчеты должны выполнятся непрерывно; вести тщательную запись отсчетов; • определять возможные источники систематических погрешностей и методы их исключения. Качество работы оператора определяется и погрешностью округления при снятии отсчетов. Погрешность округления не должна превышать 10% от общей погрешности измерения. 7. Апробирование средств измерений Перед выполнением измерений оператор апробирует средства измерений (проверяет действие органов управления, регулирования и коррекции). Переключатели и регулировочные элементы должны иметь четкую фиксацию во всех положениях, обладать плавностью регулирования. При измерении электрических величин необходимо проверить установку указателя на нуль при включении и выключении питания, исправность источников питания и т. п. При измерении пружинными измерительными головками надежно закрепляют фиксатор движения хода измерительного стержня. У силоизмерительных машин проверяют заземляющее устройство, обеспечивающего равномерного, без рывков, приложения силы. Если измерительный процесс автоматизирован, то перед проведением измерений через систему пропускают определенный тест и проверяют результат, полученный на выходе системы. Это позволяет апробировать измерительную систему, убедится в правильности ее функционирования, удостоверится в ее точности. 6. Методики выполнения измерений Единство одних и тех же измерений обеспечивается едиными правилами и способами их выполнения. Чтобы этого добиться, унифицируют требования к модели, средствам измерений, условиями их проведения и т.п., при этом процедура измерений должна строится так, чтобы она бала максимально экономически выгодна. Содержание методик определено ГОСТом 8.467. Согласно этому стандарту методики должны содержать следующие разделы: • нормы точности измерений; • используемые средства измерений; • методы измерений; • требования безопасности; • требования к квалификации оператора; • условия выполнения измерений; • выполнение измерений; • обработка и оформление результатов измерений. В раздел “Нормы точности измерений” включают требования к точности выполняемых измерений, их устанавливают на основании предварительного исследования возможных источников погрешности измерений. При этом оценивают все составляющие погрешности измерения (погрешность средства измерений, метода измерений, оператора и т.п.). Нормы точности представляют в любой удобной форме (таблица, графики, уравнения). В тех случаях, когда нормы точности измерений установлены нормативно - техническими документами, во вводной части методики выполнения измерений дают ссылку на этот документ. Раздел “Средства измерений и вспомогательные устройства” должен содержать перечень средств измерений и других технических средств, необходимых для выполнения измерений. Средства измерений должны пройти поверку (калибровку) и иметь свидетельство о поверке или поверочные клейма. В разделе “Метод измерений" дается описание физического принципа, положенного в основу метода. Метод должен быть хорошо проанализирован, при анализе необходимо оценить его погрешность. Раздел “Требования безопасности” составляют не всегда. Он необходим в том случае, если принимаются специальные меры для обеспечения безопасности при эксплуатации средств измерений, например, пожаро- и взрывобезопасность, также для источников ионизирующих излучений, высоких напряжений и т.п. При изложении этого раздела следует руководствоваться требованиями ГОСТа 1.26. Раздел “Требования к квалификации оператора” составляют в случае, если погрешность метода измерений определяется субъективными свойствами оператора и если эта погрешность составляет значительную часть в общей погрешности результата. Например, яркостную температуру лампы оператор определяет путем визуального сравнения яркости образцовой и поверяемой ламп. При наличии такого раздела в методике выполнения измерения в него включают сведения об уровне квалификации (профессии, образовании, практическом опыте и т.п.) лиц, допускаемых к выполнению подобных измерений и обработке их результатов. Раздел “Условия выполнения измерений” обычно содержит перечень влияющих величин, их номинальные значения и пределы допустимых отклонений от них. В разделе “Подготовка к выполнению измерений" указывают подготовительные работы, которые необходимо провести перед измерениями (исследование источников влияющих величин, определение значений тех или иных констант, используемых при получении результата измерений и т. п.). В разделе ”Выполнение измерений" указывают перечень, объем и последовательность проведения операций, которые необходимо выполнять при измерениях, дают их описание. В раздел “Обработка результатов измерений" включают описание способов получения результатов измерений. Раздел “Оформление результатов измерений" должен содержать требования к форме представления окончательных результатов измерений. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные этапы подготовки к измерениям. 2. Какие основные условия влияют на линейные измерения? 3. Как осуществляется выбор средств измерения? 4. Перечислите основные разделы методики измерения.