Технические измерения

Технические измерения

Основные понятия и определения

Рассмотрим классификацию средств измерений, реализующих виды измерений, рассмотренных в

В соответствии с РМГ 29-2013 средство измерений (СИ) — техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные (установленные) метрологические характеристики.

Термин «средство измерений» является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, обладающие одним из двух признаков:

воспроизведение величины данного (известного) размера;
выработка сигнала (показания), несущего информацию о размере (значении) измеряемой величины.

К средствам измерений относятся меры, измерительные приборы, преобразователи, установки и системы.

Мера — СИ, которое воспроизводит в процессе использования или постоянно хранит величины одного или более данных родов, с приписанными им значениями (концевая мера длины, эталонная гиря, измерительный резистор, меры твердости и др.).

Меры бывают однозначные (воспроизводят величину одного размера — концевые меры длины, конденсаторы постоянной емкости) и многозначные (воспроизводят величину разных размеров — рулетки, разделенные на миллиметры, сантиметры, метры; конденсаторы переменной емкости; меры состава и свойств веществ и материалов, особенно для физико-механических измерений в металлургии, медицине, экологии, производстве продуктов и т.д.).

Измерительный прибор — СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия (микрометр, вольтметр, термометр и др).

По способу измерения информации различают приборы прямого действия (амперметр, термометр) и сравнения (весы, потенциометр), а по способу образования показаний — показывающие (шкальные приборы — штангенинструмент, нутромеры) и регистрирующие.

Измерительный преобразователь — СИ или его часть, служащее для получения и преобразования информации об измеряемой величине в форму, удобную для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи (терморезистор, фоторезистор, электропневматический преобразователь).

Преобразователь, стоящий первым в измерительной цепи, обычно называется первичным (термопара). Существуют промежуточные (вторичные) преобразователи, которые, как правило, не меняют род ФВ.

Датчик — конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

Измерительная установка — совокупность функционально объединенных и расположенных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких величин.

Измерительная система — совокупность СИ и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения, функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных этому объекту.

В зависимости от назначения измерительные системы подразделяют на измерительные, информационные, контролирующие, управляющие и др.

Одним из важных элементов измерительной системы является средство сравнения — техническое средство или определенная создаваемая среда, посредством которых можно выполнять сравнение друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Широко распространенное средство сравнения — компаратор (например, потенциометр или рычажные весы), предназначенный для сличения мер однородных величин. Он не является хранителем единицы. Эту функцию выполняют меры (нормальный элемент — при электрических измерениях, гиря — при механических). К средствам сравнения относятся различные среды (например, градуировочная жидкость, температурное поле, создаваемое термостатом).

В качестве вспомогательных элементов (измерительных принадлежностей) измерительных систем применяют устройства, служащие для обеспечения необходимых внешних условий при выполнении измерений. К ним относятся, например, барокамера, термостат, устройства, экранирующие влияние магнитных полей, измерительные усилители, специальные противовибрационные фундаменты и даже обыкновенная лупа. Эти элементы позволяют повышать чувствительность измерительных устройств или предохранять измеряемую величину от искажающего действия влияющих величин.

Более сложной структурной схемой измерительной системы является схема измерительной информационной системы, в состав которой дополнительно входят такие устройства, как различные преобразователи аналогового, аналого-цифрового, цифрового типов, цифровые устройства вывода информации, стандартизованные интерфейсы (шины и узлы), устройство управления, исполнительное устройство и др.

Вспомогательные устройства, служащие для обеспечения операций измерения, передачи и обработки информации (источники питания, коммутаторы, усилители, термостаты и др.) составляют измерительные принадлежности.

Классификация средств измерений и контроля по определяющим признакам

Средства измерений и контроля, применяемые в машиностроении, классифицируют по различным признакам:

типу и виду контролируемых ФВ;
назначению;
числу проверяемых параметров при одной установке объекта измерения;
степени механизации и автоматизации процесса измерения.

Средства измерений и контроля классифицируются также по типу (геометрические, механические, тепловые, электрические, времени и частоты, состава веществ и т.д.) и виду контролируемых ФВ (линейные размеры, углы и конусы, резьбы и т.д.).

Универсальные измерительные инструменты и приборы находят широкое применение в условиях единичного и мелкосерийного производства, а также для определения численных величин и отклонений от правильной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей (в случае отсутствия специальных приспособлений), при наладке станков и особо ответственных измерениях при любых видах производства, включая массовое и крупносерийное (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Классификация универсальных измерительных инструментов и приборов

В условиях все расширяющейся автоматизации технологических процессов обработки деталей, сборки узлов и агрегатов машин, повышения требований к производительности, точности и качеству обработки при массовом производстве машин, все большее значение приобретают автоматические средства контроля. Их классифицируют по степени автоматизации (ручные, механизированные, полуавтоматические, автоматические), воздействию на технологический процесс (пассивные, активные), способу преобразования измерительного импульса (механические, пневматические, гидравлические, электрические, оптические), месту их установки (до обрабатывающей позиции, на обрабатывающей позиции, после обрабатывающей позиции) и числу проверяемых параметров (одномерные, многомерные).

Обобщенная структурная схема средств измерений

Для создания и изучения измерительных систем и отдельных средств измерений часто применяют так называемые общие структурные схемы средств измерений и контроля. На этих схемах изображены отдельные элементы средств измерений в виде символических блоков, соединенных друг с другом сигналами, характеризующими физические величины.

Документ РМГ 29-2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» описывает следующие общие структурные элементы средств измерений: чувствительный и преобразовательный элементы, измерительная цепь, измерительное, показывающее и регистрирующее устройства.

Первичной задачей любого средства измерений является восприятие ФВ. Эту функцию выполняет чувствительный элемент.

Чувствительный элемент средства измерений — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует материальный объект или явление, являющееся носителем величины, подлежащей измерению; именно этот элемент определяет способность средства измерений реагировать на изменения измеряемой величины.

Конструктивные разновидности чувствительного элемента весьма разнообразны.

Основным назначением этого элемента является выработка сигнала измерительной информации в форме, удобной для дальнейшей обработки. Этот сигнал может быть механическим (перемещение, поворот), пневматическим, электрическим и др.

При использовании для измерений определенных физических явлений возникает необходимость преобразовывать сигнал, полученный чувствительным элементом, в другую ФВ (например, давление — в электрическую величину, температуру — в давление и т.д.).

Эту функцию выполняет преобразовательный элемент. Он предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения (например, преобразования неэлектрической величины в электрическую). Как правило, эта информация не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Преобразовательный элемент может быть выделен в отдельную конструкцию, а может содержать два преобразователя и более.

Для дистанционной передачи сигнала измерительной информации предусматриваются передающие измерительные преобразователи, а для его изменения в заданное число раз — масштабные измерительные преобразователи. Например, индуктивные и пневматические преобразователи относят к передающим преобразователям, а делители напряжений на входе вольтметров или электронных осциллографов и измерительные усилители — к масштабным измерительным преобразователям.

Измерительная цепь средства измерений — это последовательность элементов средства измерений, которая образует единый путь сигнала от чувствительного элемента к выходному элементу, формирующему показание.

Измерительный механизм — часть конструкции средства измерений, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение.

Например, измерительный механизм индикатора часового типа (рис. 9.2) состоит из зубчатых колес 1—3 и зубчатой рейки 4.

Рис. 9.2.Конструкция измерительного механизма индикатора часового типа:
1—3 — зубчатые колеса; 4 — зубчатая рейка

Измерительное устройство — часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию.

Регистрирующее устройство средства измерений — это совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины, часто включает в себя шкалу и указатель.

В самопишущих приборах отсчетное устройство осуществляет запись в виде диаграммы, а в интегрирующем приборе чаще всего применяется счетный механизм.

Шкала — часть средства измерений, представляющая собой упорядоченный набор меток вместе со значениями соответствующей величины.

Шкалы бывают одно- (рис. 9.3, а) и двухсторонними (рис. 9.3, б), а также безнулевыми (рис. 9.3, в). В односторонних шкалах один из пределов измерений средства измерений равен нулю, в двухсторонних — нулевое значение расположено на шкале, а в безнулевых — нулевое значение отсутствует на шкале.

Рис. 9.3.Виды шкал:
а — односторонняя; б — двухсторонняя; в — безнулевая

В соответствии с ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования» практически равномерной называется шкала, длины делений которой отличаются друг от друга не более чем на 30% и имеют постоянную цену делений. Существенно неравномерная шкала — это шкала с сужающимися делениями, а степенная шкала, отличная от указанных шкал, имеет расширяющиеся деления.

Указатель — часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений.

Указатель может быть выполнен в виде материального стержня — стрелки (см. рис. 9.2) или в виде луча света — светового указателя.

В показывающих приборах при наличии шкалы и указателя возможны отсчетные устройства двух видов, у которых указатель перемещается относительно неподвижной шкалы (индикаторы часового типа, вольтметры, амперметры и др.) или шкала перемещается относительно неподвижного указателя (микрометры, оптиметры и др.).

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические, либо световые. Механические отсчетные устройства используют в тех цифровых приборах, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов (например, отсчетные устройства у некоторых типов бензоколонок, приборов с цифровой лентой, цифровым роликом и др.).

Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикаторных устройств на жидких кристаллах, используются в электронных цифровых средствах измерений, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов (например, табло электронных часов, штангенциркуль с электронным цифровым отсчетным устройством и др.).

В качестве регистрирующих измерительных приборов широко применяются самопишущие, в которых предусмотрена запись показаний в форме диаграммы (самопишущий вольтметр, профилограф, барограф, термограф и др.), и печатающие, в которых предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Каждое отдельное средство измерений также может быть изображено соответствующей структурной схемой. Например, на рис. 9.4, а представлена схема преобразователя давления. Мембрана 1 воспринимает измеряемую величину (давление воздуха) и через рычаг 2 перемещает движок 3 реостата, изменяя его электрическое сопротивление, которое для этого устройства является выходной величиной. В соответствии с принятой терминологией элемент 1 структурной схемы (рис. 9.4, б) является первичным преобразователем, а элементы 2 и 3 — промежуточным и передающим преобразователями соответственно.

Рис. 9.4.Схемы преобразователя давления:
а — схема устройства: 1 — мембрана; 2 — рычаг; 3 — движок реостата; б — структурная схема: 1 — первичный преобразователь; 2 — промежуточный преобразователь; 3 — передающий преобразователь; Р — давление воздуха; R — электрическое сопротивление

Объединение и сочетание в различных комбинациях средств измерений, их структурных элементов и вспомогательных устройств позволяет получить широкую гамму измерительных систем, предназначенных для автоматизации процесса измерений и использования результатов измерений для автоматического управления различными процессами производства.

Метрологические характеристики средств измерений

Важнейшими свойствами средств измерений и контроля являются те, от которых зависит качество получаемой с их помощью измерительной информации. Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Метрологическая характеристика средства измерений — это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений.

ГОСТ 8.009—84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» устанавливает комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерений, которые выбираются из числа приводимых далее.

Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки):

функция преобразования измерительного преобразователя;
значение однозначной или значения многозначной меры;
цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
вид выходного кода, число разрядов кода.

Характеристики погрешностей средств измерений — характеристики систематической и случайной составляющих погрешностей, вариация выходного сигнала либо характеристика погрешности средств измерений.

Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам — функция влияния или изменение значений метрологических характеристик средств измерений, вызванное изменениями влияющих величин в установленных пределах.

Динамические характеристики средств измерений подразделяют на полные и частные. К первым относят переходную, амплитудно-фазовую и импульсную характеристики, а также передаточную функцию. К частным динамическим характеристикам отнесены время реакции, коэффициент демпфирования, постоянная времени и значение резонансной собственной круговой частоты.

Неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений — параметры выходного сигнала, не используемые для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала измерительного преобразователя или не являющиеся выходной величиной меры.

Рассмотрим подробно наиболее часто встречающиеся метрологические характеристики средств измерений, которые обеспечиваются определенными конструктивными решениями средств измерений и их отдельных узлов.

Цена деления(шкалы) — это разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Например, если перемещение указателя шкалы из положения I в положение II (рис. 9.5, а) соответствует изменению величины в 0,001 мм, то цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Чаще всего используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а именно 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 1; 2; 10 мкм и т.д. В угломерных средствах измерений применяют круговые шкалы с ценой деления 1°, а дополнительное отсчетное устройство позволяет отсчитывать доли этих делений в минутах и секундах. Цена деления шкалы всегда указывается на шкале средства измерений.

Рис. 9.5.Основные метрологические характеристики средств измерений:
а — цена деления шкалы; б — длина деления шкалы; в — диапазон показаний и диапазон измерений; I, II — положения указателя шкалы; с — цена деления

Длина(интервал)деления шкалы — это расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы (рис. 9.5, б), измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.

На практике, исходя из разрешающей силы глаз оператора (остроты зрения), учитывая ширину отметок шкалы и указателя, минимальная длина деления шкалы принимается равной 1 мм, а максимальная — 2,5 мм. Наиболее распространенная длина равна 1 мм. У пневматических приборов с водяным манометром длина деления шкалы составляет около 5 мм.

Начальноеиконечное значения шкалы — соответственно наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины (рис. 9.5, в), которые могут быть отсчитаны по шкале средства измерений.

Диапазон показаний — область значений шкалы измерительного прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы (рис. 9.5, в).

Диапазон показаний часто называют пределами измерения по шкале. Например, для индикаторов часового типа диапазон может составлять 2,5 или 10 мм, а для гладких микрометров — 25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.

Диапазон измерений — это множество значений величин одного рода, которые могут быть измерены данным средством измерений или измерительной системой с указанной инструментальной неопределенностью или указанными показателями точности при определенных условиях.

Например, для гладких микрометров этот параметр составляет 0…25 мм; 25…50 мм; 50…75 мм и т.д., а для большого инструментального микроскопа (тип БМИ) по оси Х — 0…150 мм и по оси Y — 0…75 мм.

Одной из основных характеристик средств измерений линейных и угловых величин контактным методом является измерительное усилие, которое возникает в зоне контакта измерительного наконечника средства измерений с измеряемой поверхностью в направлении линии измерения. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить устойчивое замыкание измерительной цепи. В зависимости от допуска контролируемого изделия (2…10 мкм) рекомендуемое измерительное усилие находится в пределах 2,5…3,9 Н, а при допуске свыше 10 мкм составляет 9,8 Н. Важным показателем измерительного усилия является его перепад — разность измерительных усилий при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний. Стандарт ограничивает эту величину в зависимости от типа средства измерений. Например, для микрометра с ценой деления 0,01 мм колебание измерительного усилия допускается в пределах 2 Н, для индикаторов часового типа с той же ценой деления — 0,8 Н, а для измерительных пружинных головок — 0,2…2 Н.

Свойство средства измерений, заключающееся в его способности реагировать на изменения измеряемой величины, называется чувствительностью. Она оценивается отношением изменения показаний средства измерений к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Порог чувствительности средства измерений — наименьшее значение изменения величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Эта характеристика важна при оценке малых перемещений.

Кроме рассмотренных ранее характеристик средств измерений на практике используются и такие понятия, как стабильность меры (свойство меры сохранять неизменным во времени свое значение), стабильность измерительного прибора (свойство прибора сохранять неизменными во времени поправки к его показаниям) и вариация показаний — разность показаний измерительного прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Обычно вариация показаний у средств измерений составляет 10…50% цены деления и определяется путем многократного арретирования наконечника средства измерений.

Особое место в метрологических характеристиках средств измерений занимают погрешности измерений и, в частности, погрешности самих средств измерений.

Инструментальные погрешности возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерений. К этим погрешностям можно отнести погрешности изготовления и сборки средств измерений; погрешности, вызываемые трением в механизме средства измерений и недостаточной жесткостью его деталей и т.д. Инструментальная погрешность индивидуальна для каждого средства измерений.

Причиной возникновения методических погрешностей служит несовершенство метода измерений, так как мы сознательно измеряем или используем на выходе средств измерений не ту величину, которая нам нужна, а другую, которая отражает нужную лишь приблизительно, но ее измерение гораздо проще реализовать.

За основную погрешность принимают погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Известно, что наряду с чувствительностью к измеряемой величине средство измерений имеет некоторую чувствительность и к неизмеряемым, но влияющим величинам, например к температуре, атмосферному давлению, вибрации, ударам и т.д. Поэтому любое средство измерений имеет основную погрешность, которая отражается в нормативно-технической документации (НТД).

При эксплуатации средств измерений и контроля в производственных условиях возникают отклонения от нормальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. Эти погрешности нормируются соответствующими коэффициентами влияния изменения отдельных влияющих величин на изменение показаний.

Погрешности средств измерений нормируют установлением предела допустимой погрешности. Предел допустимой погрешности средства измерений — наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению. Например, пределы допустимой погрешности концевой меры длины класса 1 длиной 100 мм составляют ±50 мкм, а для амперметра класса 1,0 — ±1% верхнего предела измерений.

Кроме того, все вышеперечисленные погрешности измерений подразделяют по виду на систематические, случайные и грубые, статические и динамические составляющие погрешностей, а также абсолютные и относительные погрешности.

Погрешности средств измерений могут выражаться в виде абсолютной погрешности: ∆ = Х_п - Х_д, где Х_п — показание прибора; относительной погрешности, %: и приведенной погрешности, %: где Х_N — нормирующее значение измеряемой физической величины, %.

В качестве нормирующего значения может быть принят предел измерения данным средством измерений. Например, Х_N = 10 кг для весов с пределом измерения массы 10 кг.

Если в качестве нормирующей величины принимается размах всей шкалы, то именно к значению этого размаха в единицах измеряемой ФВ и относят абсолютную погрешность. Например, Х_N = 200 мА для амперметра с пределами измерения -100…+100 мА.

Для каждого средства измерений погрешность приводится только в какой-то одной форме.

Если погрешность средства измерений при неизменных внешних условиях постоянна во всем диапазоне измерений, то ∆ = ±a.

Если она меняется в указанном диапазоне, то ∆ = ±(a + bX).

При ∆ = ±a погрешность называется аддитивной, а при ∆ = ±(а + bX) — мультипликативной.

Для аддитивной погрешности

δ = ±р;

для мультипликативной —

Приведенная погрешность

γ = ±q.

Для обобщенной характеристики точности средств измерений, определяемой пределами допустимых погрешностей (основной и дополнительной), а также другими их свойствами, влияющими на погрешность измерений, вводится понятие класса точности средств измерений. Единые правила установления пределов допустимых погрешностей показаний по классам точности средств измерений регламентирует ГОСТ 8.401—80.

Несмотря на то что класс точности характеризует совокупность метрологических свойств данного средства измерений, он не определяет однозначно точность измерений, так как последняя зависит также от метода измерений и условий их выполнения.

Классы точности определяются стандартами и техническими условиями, содержащими технические требования к средствам измерений. Для каждого класса точности средств измерений конкретного типа устанавливаются конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающие уровень точности. Единые характеристики для средств измерений всех классов точности (например, входные и выходные сопротивления) нормируются независимо от классов точности. Средства измерений нескольких ФВ или с несколькими диапазонами измерений могут иметь два класса точности и более. Например, электроизмерительному прибору, предназначенному для измерения электрического напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один — как вольтметру, другой — как амперметру.

Классы точности присваивают средствам измерений при разработке. В процессе эксплуатации метрологические характеристики средств измерений ухудшаются. Поэтому допускается понижение класса их точности по результатам метрологической аттестации или поверки. Например, предусмотрено понижение класса точности при поверке концевых мер длины, если отклонение длины меры от номинального значения, установленное в результате поверки, превышает предел допустимых отклонений для класса точности, присвоенного ранее.

В связи с большим разнообразием средств измерений и их метрологических характеристик в ГОСТ 8.401—80 определены способы обозначения, причем выбор способа зависит от того, в каком виде нормирована погрешность.

Например, если δ = ±1%, то класс точности средства измерений 0,1; если приведенная погрешность γ = ±1,5%, то класс точности средства измерений 1,5. Это справедливо для приведенной погрешности, нормируемой значением ФВ в принятых единицах. В тех случаях, когда погрешность нормируется длиной шкалы прибора, класс точности также равен численному значению γ, но обозначается по-другому. Например, γ = 0,5% (Х_N = l) — класс точности 0,5.

Если погрешность средства измерений определяется формулой мультипликативной погрешности, то она обозначается как отношение c/d. Например, если то класс точности средства измерений обозначается 0,02/0,01.

Проиллюстрируем это на следующем примере. Имеется вольтметр с пределами измерений 0…100 В. На него подается напряжение 50 В. Результат измерения составляет 48,5 В. Необходимо определить класс точности по ∆, δ и γ.

Если ∆ = 1,5 В, δ = 3% и γ = 1,5%, то по ∆ имеем класс точности 6, по δ — 3 и по γ — 1,5.

Чтобы отличить относительную погрешность от приведенной, на средстве измерений ее обводят кружком. С той же целью под обозначением класса точности на средстве измерений ставят знак «V» (это значит, что предел абсолютной погрешности приведен к длине шкалы или к ее части, а не к номинальной точке шкалы).

Примеры обозначения классов точности приведены в табл. 9.1.

12 Следующая ⇒