Понятие измерений, испытаний и контроля

1. Понятие, виды и методы измерений 1. Понятие измерений, испытаний и контроля Измерения, испытания и контроль - это три основных направления дея­тельности, являющихся базой метрологии. Взаимосвязь этих направлений заключается в их подчинении общим метрологическим постула­там и законам. Различия процедур измерений, испытаний и контроля объясня­ются областями применения каждого из этих направлений метрологической деятельности. Определения понятий «измерение», «контроль», «испытание», указанные в нормативных документах и учебных источниках, позво­ляют увидеть различие между этими направлениями деятельности. Измерение - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с её единицей и получе­ние значения этой величины (по РМГ 29). Контроль -это процедура оценивания соответствия путём наблюде­ния и суждений, сопровождаемых соответствующими измерениями, ис­пытаниями или калибровкой (по ГОСТ Р ИСО 9000). Контроль - это процесс получения и обработки информации об объ­екте с целью определения нахождения параметров объекта в заданных пределах [4]. Контроль качества - деятельность, целью которой является про­верка соответствия показателей качества продукции установленным тре­бованиям (по ГОСТ 16504). Испытание - экспериментальное определение количественных и качественных характеристик параметров изделия путём воздействия на него или его модель спланированного комплекса внешних возмущающих факторов [5]. Измерения проводятся с познавательной целью - для получения инфор­мации о количественном значении измеряемой величины. Значения внешних воздействующих факторов при измерениях могут быть любыми, то есть изме­рения проводят в различных условиях. Единственное требование, предъявляе­мое к условиям измерений, - неизменность во времени [7-11]. Испытания также проводятся с познавательной целью, но их результаты имеют большую практическую ценность. Подобно результатам измерений, итоги испытаний содержат количественную информацию о значении измеря­емой величины, но, в отличие от измерений, эта информация получена при воздействии на объект строго определённых значений внешних возмущающих факторов. Фактически, испытание - это измерение в строго определённых условиях [5, 6, 12, 13]. Контроль имеет сугубо практическую цель - установление соответ­ствия измеренного значения параметра объекта его предельным допустимым значениям [2, 11, 14, 15]. 2. Основные определения в области измерений Измерение является основным направлением метрологической деятель­ности, лежащим в основе любых процедур контроля или испытаний (рис. 1.1). Основные термины и определения в области измерений рассмотрим в соответствии с документом РМГ 29-99 «Метрология. Основные термины и определения». Этот нормативный доку­мент содержит термины и определения в области метрологической деятельно­сти, рекомендуемые к использованию на территории стран СНГ.. Вид измерения - часть области измерений, имеющая свои особенно­сти и отличающаяся однородностью измеряемых величин. Например, в области электрических и магнитных измерений могут быть выделены такие виды: измерения электрического сопротивления, ЭДС, элек­трического напряжения, магнитной индукции и т.п. Область измерения - совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Выделяют, например, такие области измерений: механические, пневма­тические, тепловые, электрические, магнитные, химические, акустические, из­мерения ионизирующих излучений и т.п. Метод измерения - приём или совокупность приёмов сравнения из­меряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализо­ванным принципом измерений. Метод измерения обычно обусловлен устройством средства измерения. Принцип измерения - физическое явление или эффект, заложенные в основу измерений. Например, при измерении массы взвешиванием используют явление силы тяжести. При измерении скорости летящих объектов применяют эффект Доплера. Средство измерения - техническое средство, предназначенное для из­мерений и имеющее нормированные метрологические характеристики. Средство измерения может быть предназначено не только для передачи размера единицы физической величины, но и для его хранения. На схеме, представленной на рис. 1.2, показаны основные элементы, логически связанные между собой при измерениях. Рис.1.1. Схема основных элементов, участвующих в измерениях 3. Физические величины и их измерение Измерения основаны на сравнении одинаковых свойств материальных объектов. Для свойств, при количественном сравнении которых применяются физические методы, установлено единое обобщённое понятие - физическая величина. По ГОСТ 16263 физическая величина - это свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Индивидуальность в количественном отношении следует понимать в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определённое число раз больше или меньше, чем для другого. К физическим величинам относятся: длина, масса, время, электрические величины (ток, напряжение и т.п.), давление, скорость движения и т.п. Но запах не является физической величиной, так как он устанавливается с помощью субъективных ощущений. ГОСТ 16263 приводит ещё ряд определений, связанных с понятием “физическая величина”. Истинное значение физической величины - это значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Оно является пределом, к которому приближается значение физической величины с повышением точности измерений. Определить экспериментально истинное значение физической величины невозможно, оно остаётся неизвестным экспериментатору. В связи с этим при необходимости (например, при проверке средств измерений) вместо истинного значения физической величины используют её действительное значение. Действительное значение физической величины - это значение физической величины, найденное экспериментальным путём и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. При технических измерениях значение физической величины, найденное с допустимой погрешностью, принимается за действительное значение. Мерой для количественного сравнения одинаковых свойств объектов служит единица физической величины - физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единицы. Единицам физических величин присваивается полное и сокращённое символьное обозначение - размерность. Например, масса - килограмм (кг), время - секунда (с), длина - метр (м), сила - Ньютон (Н). Приведённые выше определения физической величины и её значения позволяют определить измерение как нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263). Для более полного раскрытия понятия “измерение” знания одной его сути недостаточно. Необходимо выявить ещё и те условия, соблюдение которых является обязательным при выполнении измерений. Эти условия можно сформулировать, исходя из метрологической практики, обобщив её требования, а также исходя из определения понятия “измеряемая физическая величина”: • измерения возможны при условии, если установлена качественная определённость свойства, позволяющая отличить его от других свойств (т.е. при выделении физической величины среди других); • определена единица для определения величины; • имеется возможность материализации (воспроизведения или хранения) единицы; • сохранение неизменённым размер единицы (в пределах установленной точности) минимум в течение срока проведения измерений. 4. Виды измерений и их характеристика Виды измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерений, необходимой скоростью измерений, условиями и режимом измерений и т.д. В связи с этим измерения, в том числе и линейно­-угловые, классифицируются по разным признакам (таблица 2) Таблица 2 Классификация измерений Признак Наимено-вание Определение Точность измерений Равно- точные Ряд измерений физической величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью Неравноточные Ряд измерений физической величины, выполненных разными по точности средствами измерений в разных условиях . Примечание: Ряд неравноточных измерений обрабатывают с учётом веса отдельных измерений. Количество измерений Однократные Измерение выполняется один раз. Многократное Измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких, следующих друг за другом измерений,т.е. состоящих из ряда однократных измерений. Стабиль-ность размера физической величины Статическое Измерение физической величины, принимаемой за неизменную на интервале времени измерения. Динамическое Измерение изменяющейся во времени физической величины. По использо-ванию эталонов в ходе измерения Абсолютное Измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и использовании физических констант.(Без использования эталонов) Относительное Измерение отношения физической величины к одноимённой величине, играющей роль единицы или измерение изменения величины по отношению к одноимённой величине, принимаемой за исходную. По способу получения результата измерений Прямое Измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Косвенное Определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой. Совокупное Одновременное измерение нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения физических величин определяют путём решения системы уравнений, получаемых при измерении различных сочетаний этих величин. Совместное Одновременное измерение двух и более разноимённых величин для определения зависимости между ними. Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Например, измерение конкретного момента времени по часам. В ряде случаев, когда нужна большая уверенность в получаемом результате, одного измерения оказывается недостаточно. Тогда выполняется два, три и более измерений одной и той же конкретной величины. В таких случаях допускается выражение: “двукратное измерение”, “трёхкратное измерение” и т.д. Многократное измерение – измерение одной и той же физической величины, когда результат получают из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. измерение, состоящее из ряда однократных измерений. С какого числа измерений можно считать измерение многократным? Строгого ответа на этот вопрос нет. Однако известно, что при числе отдельных измерений n>4, ряд измерений может быть обработан в соответствии с требованиями математической статистики. Следовательно, при четырёх измерениях и более измерение можно считать многократным. За результат многократного измерения обычно принимают среднеарифметическое значение из результатов однократных измерений, входящих в ряд. Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Например, измерение длины детали при нормальной температуре, измерение размеров земельного участка. Динамические измерения – измерения физической величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размеров измеряемой величины требует её измерения с точной фиксацией момента времени. Например, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолёта. По использованию эталонных физических величин выделяют абсолютные и относительные измерения. Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких физических величин. При абсолютном методе весь измеряемый размер определяется непосредственно по показаниям прибора. В настоящее время большинство приборов и инструментов в машиностроении измеряют абсолютным методом – штангенинструмент, микрометры, широкодиапазонные индикаторы и преобразователи, высотомеры и др. Примером абсолютного измерения может служить измерение диаметра или длины валика штангенциркулем или микрометром, измерение температуры термометром. Относительные измерения – измерение отношения измеряемой величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную. В качестве исходной величины при измерении линейных величин используют меры в виде плоскопараллельных концевых мер длины. Относительные (сравнительные) измерения дают только отклонение размера от установочной меры или образца, по которым прибор был установлен на ноль. Определение размера в этом случае производится алгебраическим суммированием размера установочной меры и показаний прибора при измерении. Приборы для относительных измерений требуют дополнительной затраты времени для предварительной настройки прибора по установочной мере, что существенно снижает производительность измерений при небольших партиях проверяемых деталей. Снижение производительности становится несущественным, если после настройки прибором производят большое число измерений. Приборы для относительных измерений в ряде случаев позволяют получить более высокую точность, а при измерении больших партий деталей и более высокую производительность контроля, благодаря удобству отсчета отклонений размера по шкале прибора. Относительный метод измерения применяется на контрольных приспособлениях и автоматах, в приборах активного контроля. По способу (приему) получения результатов измерений различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. Наиболее широко используются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение измеряемой величины находят из опытных данных с помощью средств измерений. При прямых измерениях искомая величина определяется непосредственно показаниями прибора или измерительной шкалы инструмента. Прямые измерения более просты и сразу приводят к результату измерения, поэтому они имеют преимущественное распространение в машиностроении. Так, линейный размер можно установить непосредственно по шкалам линейки, рулетки, штангенциркуля, микрометра; действующую силу — динамометром; температуру — термометром и т.д. Косвенные — такие измерения, при которых искомую величину определяют по известной зависимости между этой величиной и другими величинами, полученными прямыми измерениями. Уравнение косвенных измерений имеет вид: Q=f (х1г х2, х3...) , где Q- искомое значение косвенно измеряемой величины, x1, x2, х3 ...-значения величин, получаемые прямыми измерениями. Косвенные измерения широко применяют в тех случаях, когда искомую величину невозможно или очень сложно измерить непосредственно, т.е. прямым измерением, или когда прямое измерение дает менее точный результат. Прямые измерения иногда уступают по точности косвенным измерениям, как это имеет место при измерении углов угломерами, погрешности которых в десятки раз превышают погрешности синусных линеек. Примерами косвенных измерений являются установление объема параллелепипеда перемножением трех линейных величин (длины, высоты и ширины), определенных с помощью прямых измерений; расчет мощности двигателя; определение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения; проведя прямые измерения силы тока и напряжения можно определить мощность электрической цепи постоянного тока т.д. Примером косвенного измерения является также измерение среднего диаметра наружной крепежной резьбы методом «трех проволочек» (рис. 5). Рис. 5. Схема косвенного измерения среднего диаметра наружной резьбы (болта) методом «трех проволочек » Этот метод основан на наиболее точном определении среднего диаметра резьбы как диаметра условного цилиндра, образующая которого делит профиль резьбы на равные части P/2: (Аристов, стр. 43) где DU3M— расстояние, включая диаметры проволочек, полученное прямыми измерениями; dnp — диаметр проволочки, обеспечивающей контакт с профилем резьбы в точках, лежащих на образующей среднего диаметра d2; & — угол профиля резьбы; Р— шаг резьбы. Совокупные измерения осуществляют одновременным измерением нескольких одноименных величин, при которых искомое значение находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является калибровка гирь набора по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь. Например, необходимо произвести калибровку гирь массой 1; 2; 2*; 5 кг (звездочкой отмечена гиря, имеющая то же самое номинальное значение). Калибровка состоит в определении массы каждой гири по одной образцовой гире, например по гире массой 1кг. Для этого проведем измерения, меняя каждый раз комбинацию гирь (цифры показывают массу отдельных гирь, 1об - обозначает массу образцовой гири в 1 кг). 1 = 1об +а; 1 + 1об = 2 + b; 2 = 2 + с; 1 + 2 + 2 = 5 + d . Буквы a, b, c, d означают грузики, которые приходится прибавлять или отнимать от массы гири, указанной в правой части уравнения. Решив систему уравнений, можно определить значение каждой гири. Совместные измерения — одновременные измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними. Примерами совместных измерений являются определение длины стержня в зависимости от его температуры или зависимости электрического сопротивления проводника от давления и температуры. И при совокупных и при совместных измерениях искомые значения находят путем решения системы уравнений. Если провести разделение операций, проводимых при измерениях, то совокупные приводят к прямым измерениям, а совместные - к косвенным. Кроме того, методы измерения делятся на комплексные и дифференцированные. Комплексный метод измерения Комплексный метод измерения заключается в сопоставлении действительного контура проверяемого объекта с его предельными контурами, определяемыми величинами и расположением полей допусков отдельных элементов этого объекта. Комплексный метод измерения обеспечивает проверку накопленных погрешностей взаимосвязанных элементов объекта, ограниченных суммарным допуском. Этот метод измерения является наиболее надежным с точки зрения обеспечения взаимозаменяемости и обычно осуществляется проходными калибрами, сконструированными по принципу подобия. Примером комплексного метода измерения может служить проверка резьбы гайки проходной резьбовой пробкой. Дифференцированный метод измерения Дифференцированный метод измерения сводится к независимой проверке каждого элемента отдельно. Этот метод не может непосредственно гарантировать взаимозаменяемости изделий. Например, при дифференцированной проверке среднего диаметра, шага и половины угла профиля резьбы необходимо дополнительно подсчитать приведенный средний диаметр резьбы, включающий отклонения перечисленных выше элементов резьбы, и убедиться, что он находится в заданных пределах. Комплексный метод измерения применяется преимущественно при проверке изделий, а дифференцированный метод - при проверке инструментов, настройке станков и при выявлении причин размерного брака изделий. Виды измерений классифицируют также: • по наличию контакта измерительной поверхности средства измерений с поверхностью изделия — на контактные и бесконтактные. В зависимости от метрологического назначения измерения делят на технические - производственные измерения, контрольно-поверочные (погрешность которых не должна превышать некоторых заранее заданных значений) и метрологические — измерения с предельно возможной точностью с использованием эталонов с целью воспроизведения единиц физических величин для передачи их размера рабочим средствам измерения. 5. Методы измерений Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называются принципом измерения. Например, температуру можно измерить платиновым термометром сопротивления (реализованный принцип измерения – зависимость сопротивления платины от температуры) и термоэлектрическим термометром (реализованный принцип – зависимость термо э.д.с. от разности температур). Выбор того или иного метода измерений зависит от измерительной задачи, которую следует решать (точность результата измерений, быстрота его получения и др.). Поэтому метод измерения – это способ решения измерительной задачи, характеризуемый его теоретическим обоснованием и разработкой основных приёмов применения средств 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 подразделяются на две группы: методы непосредственной оценки и методы сравнения. Метод непосредственной оценки - метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например измерения вала микрометром, силы - механическим динамометром, напряжения - вольтметром и т.д. Быстрота и простата процесса измерений физических величин методом непосредственной оценки делает его часто незаменимым на практике, хотя точность измерений не очень высокая. Методы сравнения с мерой - все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой: Дифференциальный метод характеризуется измерением разности между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Примером дифференциального метода может служить измерение отклонения контролируемого диаметра вала миниметром после его настройки на нуль по блоку концевых мер или измерение массы на весах с гирями и стрелкой. Широко распространён на практике нулевой метод измерений - Нулевой метод - при котором разность между измеряемой величиной и мерой сводится в нулю. Например, взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом - набор эталонных грузов. Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Метод замещения применяется при взвешивании с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашу весов. Метод совпадений - метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Примером использования данного метода может служить измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Контрольные вопросы 1. Что называется измерением? 2. Дайте определение физической величины и приведите несколько примеров. 3. В чем отличие действительного и истинного значений физической величины? 4. Как классифицируются измерения по общим приемам получения результатов? 5. В чем различие между прямыми и косвенными измерениями? 6. Что означают совместные и совокупные измерения? 7. В чем различие абсолютных и относительных измерений? 8. Для чего используют равноточные и неравноточные измерения? 9. В чем отличие однократных измерений от многократных? 11. В чем отличие метода непосредственной оценки результатов измерений от методов сравнения с мерой? 12. Перечислите методы сравнения с мерой.