Метрология - наука о измерениях

^{Московский Авиационный Институт}

^{(Технический университет)}

^{КУРСОВАЯ РАБОТА}

^{на тему:}

^{"Метрология — наука о измерениях"}

^{Разработал: Павлюк Денис}

^{Проверил: Профессор Мышелов Е.П.}

^{Москва,1999г.}

^{Содержание:}

^{Введение в метрологию}

^{Средства измерения}

^{Методы измерений. Виды контроля.}

^{Основные метрологические показатели средств измерения.}

^{Государственная система обеспечения средств измерений.}

^{Меры длинны и угловые меры.}

^{Измерительные средства}

^{7.1 Универсальные измерительные инструменты и приборы.}

^{Введение в метрологию.}

^{Технический прогресс, совершенствование технологических процессов, производство точных, надежных и долговечных машин и приборов, повышение качества продукции, обеспечение взаимозаменяемости и коопе­рирования производства невозможны без развития метрологии и посто­янного совершенствования техники измерений.}

^{Метрология - наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства. Основные проблемы метрологии: раз­витие общей теории измерений; установление единиц физических величин и их системы; разработка методов и средств измерений, а также методов определения точности измерений; обеспечение единства измерений, едино­образия средств и требуемой точности измерения; установление эталонов и образцовых средств измерений; разработка методов передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим сред­ствам измерений и др. Важнейшая роль в решении указанных проблем отводится государственной метрологической службе, имеющей научно-исследовательские институты и разветвленную сеть лаборатории государ­ственного надзора и других организаций. Большую роль в развитии метрологии сыграл Д. И. Менделеев, который руководил метрологической службой в России в период 1892—1907 гг.}

^{Под измерением понимают нахождение значений физической величины опытным путем с помощью специально для этого предназначенных техни­ческих средств.}

^{Основное уравнение измерения имеет вид Q = qU, где Q — значение физической величины, q — числовое значение физической величины в принятых единицах, U — единица физической величины.}

^{Единица физической величины — физическая величина фиксированного размера, принятая по согласованию в качестве основы для количествен­ного оценивания физических величин той же природы.}

^{Измерения производят как с целью установления действительных раз­меров изделий и соответствия их требованиям чертежа, так и для проверки точности технологической системы и подналадки ее для предупреждения появления брака.}

^{Вместо определения числового значения величины для упрощения часто проверяют, находится ли действительное значение этой величины (например, размер детали) в установленных пределах. Процесс получения и обработки информации об объекте (параметрах детали, механизма, процесса и т. д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющих воздействий на факторы, влияющие на объект, называется контролем. При контроле деталей проверяют соответствие действительных значений геометрических, механических, электрических и других параметров допустимым значениям этих параметров.}

^{Для унификации единиц физических величин в международном масштабе создана Международная система единиц СИ.}

^{Средства измерения.}

^{Технические средства, имеющие нормированные метрологические свой­ства называются средствами измерения. К ним относятся следующие:}

^{Эталоны единиц физических величин — средства измерений или комп­лексы средств измерений, официально утвержденные эталонами для вос­произведения единиц физических величин с наивысшей достижимой точ­ностью, и их хранения (например, комплекс средств измерений для воспро­изведения метра через длину световой волны). Примером точности эта­лонов может служить государственный эталон времени, погрешность которого за 30 тыс. лет не будет превышать 1 с.}

^{Меры — средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся плоско­параллельные концевые меры длины, гири, конденсаторы постоянной емкости и т. п.}

^{Образцовые средства измерений — это меры, измерительные приборы}

^{или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых. Они служат для контроля нижестоящих по поверочной схеме измерительных средств, в то же время их периодически поверяют по эталонам. Точность образ­цовых средств измерения имеет большое значение для обеспечения единства измерений.}

^{Рабочие средства измерений — это меры, устройства или приборы, при­меняемые для измерений, не связанных с передачей единицы физической величины (например, концевая мера длины, используемая для контроля}

^{размеров изделии или для наладки станков).}

^{Передача размеров единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерения производится в соответствии с поверочной схемой, устанавливающей средст­ва, методы и точность передачи единицы размера.}

^{Точность указанных измерительных средств понижается в 1,6—3 раза с переходом на одну ступень от более точных средств к менее точным по поверочной схеме.}

^{Методы измерений. Виды контроля.}

^{Измерения могут быть основаны на различных методах. Метод изме­рения — это совокупность правил и приемов использования средств изме­рений, позволяющая решить измерительную задачу.}

^{Различают прямые и косвенные методы измерения. При прямых изме­рениях значение измеряемой величины находят непосредственно из опыт­ных данных. Большинство измерительных средств основано на прямых измерениях, например измерение температуры термометром, диаметра вала штангенциркулем, толщины тонкой фольги на оптиметре в диапазоне показаний шкалы и т.п. При косвенных измерениях искомое значение величины находят вычислением по известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например измерение среднего диаметра резьбы методом трех проволочек.}

^{В машиностроении при прямых измерениях в большинстве случаев измеряют отклонения длин и углов от номинального значения или от рабочей меры прибором сравнения, в качестве которого, используют инди­каторные головки, оптиметры, индуктивные преобразователи и т. п. Метод измерений, основанный на использовании рабочей меры и измерительного прибора сравнения, называется методом сравнения. Размер в этом случае определяют суммированием размера рабочей меры и показания прибора сравнения. Метод измерения может быть контактным, если он осуще­ствляется при непосредственном контакте детали с измерительным нако­нечником прибора, и бесконтактным, если механический контакт отсут­ствует (оптические, пневматические и другие измерения).}

^{В зависимости от использованных физических принципов измерения существуют механические, электрические, пневматические, оптические, фотоэлектрические и другие приборы.}

^{Существуют два вида контроля - дифференцированный и комплексный.}

^{Дифференцированный (поэлементный) контроль характеризуется изме­рением каждого параметра изделия в отдельности (например, контроль собственно среднего диаметра, шага и половины угла профиля резьбы).}

^{Комплексный контроль позволяет оценивать годность деталей одно­временно по нескольким параметрам, например путем сравнения действи­тельного контура контролируемой детали, определяемого полями допусков на отдельные параметры, с предельными контурами (контроль деталей сложного профиля на проекторах) и контроль предельными калибрами.}

^{Основные метрологические показатели средств измерения.}

^{Деление шкалы прибора - промежуток между двумя соседними отметками шкалы.}

^{Длина (интервал) деления шкалы - расстояние между осями двух соседних отметок шкалы.}

^{Цена деления шкалы — разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; например, 0,002 мм при длине (интер­вале) деления шкалы прибора, равной 1 мм.}

^{Диапазон показаний (измерений по шкале) - область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечным значениями; например, диапазон показаний оптиметра ±0,1 мм.}

^{Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, в пре­делах которой нормированы допустимые погрешности средства измере­ний, например, диапазон измерения длин на проекционном вертикальном оптиметре ИКВ-3 0-200 мм.}

^{Предел измерений — наибольшее или наименьшее значения диапазона измерений.}

^{Измерительная сила — сила воздействия измерительного наконечника на измеряемую деталь в зоне контакта.}

^{Предел допустимой погрешности средства измерения — наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению; например, пределы допустимой погрешности 100-миллиметровой концевой меры длины 1-го класса равны ±0,5 мкм.}

^{Стабильность средства измерения — свойство, отражающее постоянство во времени его метрологических показателей.}

^{Погрешность измерения — разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.}

^{Точность измерений — характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю погрешностей их результатов. При высокой точности погрешности всех видов минимальны.}

^{Точность средств измерений — качество средств измерений, характери­зующее близость к нулю их погрешностей.}

^{Воспроизводимость измерений — близость результатов измерений одной и той же конкретной величины, выполняемых в различных условиях в различных местах различными методами и средствами.}

^{Чувствительность измерительного прибора — отношение изменения сиг­нала на выходе измерительного средства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Например, при перемещении измерительного нако­нечника измерительной пружинной головки ИГП на величину цены деле­ния 0,5 мкм указатель перемещается на одно деление шкалы, равное 1 мм.}

^{Чувствительность этого прибора равна 1000: 0,5 = 2000. Для шкальных измерительных приборов типа пружинных головок, индикаторов часового типа чувствительность численно равна передаточному отношению меха­низма прибора.}

^{Поправка — величина, которая должна быть алгебраически прибавлена к показанию измерительного прибора или к номинальном значению меры, чтобы исключить систематические погрешности и получить значе­ние измеряемой величины или значение меры, более близкое их истин­ным значениям.}

^{Нормируемые метрологические характеристики стандартизованы. К ним относятся систематическая составляющая погрешности измерения, случай­ная составляющая, динамические характеристики и др. Показатели точ­ности и формы представления результатов измерения должны соответ­ствовать стандартам. Например, точность измерения целесообразно пред­ставлять интервалом, в котором с установленной вероятностью находится суммарная погрешность измерения, отдельно интервалом систематической составляющей и т. д.}

^{В зависимости от пределов допустимых погрешностей средств изме­рений, а также других их свойств, влияющих на точность измерения, многим типам измерительных средств присваивают соответствующие классы точности.}

^{Повышение точности измерительных средств достигается, в частности, сочетанием больших передаточных отношений с простотой и технологичностью конструкции, введением в конструкцию средств, предназначенных для уменьшения погрешностей, вносимых зазорами, мертвыми ходами и износом, применением устройств, предназначенных для стабилизации измерительной силы и др. соответствии с принципом Аббе : необходимо, чтобы на одной прямой линии располагали ось шкалы прибора и контролируемый размер про­веряемой детали, т. е. линия измерения должна являться продолжением линии шкалы. Если этот принцип не выдерживается, то перекос и не параллельность направляющих измерительного прибора вызывают значительные погрешности измерения. При соблюдении прин­ципа Аббе погрешностями, вызываемыми перекосами, можно пренебречь, так как они являются ошибками второго порядка малости.}

^{Для контроля точных процессов производства и повышения качества машин и других изделий необходимо не только непрерывно повышать точность, производительность и надежность средств измерения, но и правильно применять и систематически поверять средства измерения в процессе эксплуатации. Ошибочные результаты измерения из-за не­качественного выполнения собственно измерений столь же часты, как и при применении неточных средств измерения. Как в том, так и в другом случае возникает необнаруженный брак, который приводит к браку на последующих этапах процесса производства или к снижению качества изделий, их точности, надежности и долговечности.}

^{Для устранения указанных недостатков в нашей стране создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Основ­ные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средств воспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц от эталонов к рабочим средствам измерений; определение номенклатуры,}

^{так как они являются ошибками второго порядка малости.}

^{Для контроля точных процессов производства и повышения качества машин и других изделий необходимо не только непрерывно повышать точность, производительность и надежность средств измерения, но и правильно применять и систематически поверять средства измерения в процессе эксплуатации. Ошибочные результаты измерения из-за некачественного выполнения собственно измерений столь же часты, как при применении неточных средств измерения. Как в том, так и в другом случае возникает необнаруженный брак, который приводит к браку на последующих этапах процесса производства или к снижению качества изделий, их точности, надежности и долговечности.}

^{Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ).}

^{Для устранения указанных недостатков в нашей стране создана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), Основные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средств воспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц}

^{от эталонов к рабочим средствам измерений; определение номенклатуры и способов выражения метрологических показателей средств измерении.}

^{Для обеспечения единства измерений введены обязательные испытания новых типов измерительных средств и надзор за состоянием и правиль­ным использованием измерительной техники, применяемой в народном хозяйстве. Систематическая поверка приборов – это одна из главных гарантий их точности. Важное значение имеют также соблюдение нор­мальных условий измерений, установленных стандартами. Особо необхо­димо соблюдать требования к температуре объекта измерения и рабочего пространства. Например, на ВАЗе в метрологических центрах (термо­константных помещениях с отдельным фундаментом) механосборочных цехов в зависимости от требуемой точности измерений поддерживают температуру в пределах 20 ± 0,15 – 20 ± 0,5°С.}

^{Для обеспечения и наблюдения за единством измерений в систему Госстандарта СССР входят метрологические институты и сеть лаборато­рий государственного метрологического надзора; на большинстве заво­дов для этой цели есть отделы главного метролога и измерительные лаборатории.}

^{В систему ГСИ включены ГОСТ 8.001-71-8.098-73, а также ГОСТ 8.050-73 на нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений.}

^{Mеры длинны и угловые меры.}

^{Меры длины по конструктивным признакам делят на штриховые и концевые.}

^{Штриховые меры длины используют в качестве эталонов, образцовых и рабочих штриховых мер, в виде шкал измерительных приборов, а также в инструментах, предназначенных для грубых измерений (измерительные}

^{Штриховые меры длины используют в качестве эталонов, образцовых и рабочих штриховых мер, в виде шкал измерительных приборов, а также в инструментах, предназначенных для грубых измерений (измерительные линейки, рулетки и др.).}

^{Плоскопараллельные концевые меры длины составляют основу современ­ных линейных измерений в машиностроении. Их применяют для передачи размера от рабочего эталона единицы длины до изделия включительно, широко используют в лабораторной и цеховой практике линейных изме­рений; применяют для установки измерительных инструментов и приборов на нуль, для проверки точности и градуирования измерительных инстру­ментов и приборов, а также для особо точных разметочных работ, наладки станков и т.д.}

^{Плоскопараллельные концевые меры длины представляют собой бруски из закаленной стали или твердого сплава, имеющие форму прямоуголь­ных параллелепипедов. Две противоположные измерительные поверхности каждой концевой меры весьма точно обрабатывают путем шлифования и доводки.}

^{Концевые меры обладают способностью притираться (сцепляться) при их надвигании одну на другую. Благодаря этой способности их можно собирать в блоки разных размеров. Притираемость и высокая точность — главные свойства концевых мер, определяющие их ценность как измерительных средств. Притираемость мер объясняется их молеку­лярным притяжением (сцеплением), когда они покрыты тончайшей пленкой смазывающей жидкости (толщина пленки не превышает 0,02 мкм, что незначительно влияет на точность размера полученного блока концевых мер).}

^{За длину концевой меры (в любой точке) принимают длину перпен­дикуляра, опущенного из точки измерительной поверхности меры на ее противоположную измерительную поверхность. Концевые меры выпускают наборами, состоящими из 112, 83 шт. и др. Они позволяют составить блок из минимального числа мер (4-5 шт.) с дискретностью 1 мкм.}

^{На каждой концевой мере гравируют ее номинальный размер. На мерах размером до 5,5 мм номинальный размер наносят на одной из измери­тельных поверхностей, на мерах размером свыше 5,5 мм — на боковой нерабочей поверхности.}

^{Меры по точности изготовления делят на четыре класса: 0, 1, 2 и 3-й (ГОСТ 9038—73). Для мер, находящихся в эксплуатации, предусмотрены дополнительно 4-й и 5-й классы (ГОСТ 8.166—75). В зависимости от предельной погрешности аттестации размеров мер их делят на пять разрядов: с 1-го по 5-й. В аттестате указывают номинальный размер концевой меры, отклонение от номинального размера в микрометрах и разряд, к которому отнесен поверяемый набор мер. При пользовании аттестованными мерами за размер каждой из них принимают действи­тельный размер, указанный в аттестате. В этом случае отклонения раз­мера мер не будут влиять на точность измерения независимо от их принадлежности к тому или иному классу точности. Применение мер по разрядам с учетом их действительных размеров позволяет производить более точные измерения.}

^{Концевые меры длины можно использовать совместно с различными приспособлениями для измерения наружных и внутренних размеров, раз­меточных работ, контроля высот и др. Основными приспособлениями являются струбцины (державки) разных размеров, основания, боковики,}

^{центры и др.}

^{Угловые меры выполняют в виде призм; они предназначены для хра­нения и передачи единицы плоского угла, для поверки и градуировки угломерных приборов и угловых шаблонов, а также для контроля углов изделий. Угловые меры выпускают в виде отдельных мер или комплектных наборов, позволяющих составить любой угол с градацией в 10, 10', 30" и др. Их изготовляют трех классов точности: 0 - с пре­дельной погрешностью рабочих углов от ±3" до ±5"; 1 —с предельной погрешностью ± 10"; 2 - с предельной погрешностью ±30". Угловые меры можно применять как отдельно, так и блоками из нескольких мер. Блоки мер крепят специальными державками.}

^{При большой длине и ширине угловые меры можно собирать в блоки путем притирания (без применения державок). Поворачивая такие меры срезанной вершиной вниз или вверх, можно сумми­ровать или вычитать углы мер, входящих в блок. Это позволяет обхо­диться небольшим числом мер в наборе. Выпускают также угловые меры в виде многогранных призм, предназначенных для поверки оптических делительных головок и гониометров.}

^{Измерительные средства.}

^{Средства измерения, применяемые в машиностроении, по назначению можно разделить на универсальные и специальные. Специальные средства предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа (они описаны в главах, где рассмотрен контроль типовых соединений деталей). По числу параметров, проверяемых при одной установке детали, различают одномерные и многомерные измеритель­ные и контрольные средства, а по степени механизации процесса измере­ния — неавтоматические (ручного действия), механизированные, полуавто­матические и автоматические.}

^{Универсальные измерительные инструменты и приборы.}

^{Измерительные инструменты. К этим инструментам относятся штанген­циркули, предназначенные для измерения наружных и внутренних разме­ров, штангенглубиномеры, служащие для контроля глубины отверстий и пазов, штангенрейсмусы и микрометрические из­мерительные инструменты.}

^{В штангенинструментах применяют отсчетное приспособление в виде линейки с основной шкалой, по которой пере­мещается линейка со шкалой нониуса. Нониус позволяет отсчитывать дробные доли деления основной шкалы. Нониусы изготовляют с ценой деления 0,1 и 0,05 мм.}

^{Нониус рассчитывают следующим образом. По заданной длине деления с основной шкалы, цене деления нонинуса i, числу у делений основной шкалы, соответствующему одному делению шкалы нониуса (модуль но­ниуса), определяют число n делений нониуса, длину деления b шкалы нониуса и длину l шкалы нониуса:}

^{Например, при i = 0,1 мм, с = 1 мм и у == 2 число делений п = 10, длина деления b = 1,9 мм и длина шкалы l = 19 мм. Погрешность измерения штангенинструментом при измерении размеров от 1 до 500 мм составляет 50—200 мкм.}

^{Штангенциркули выпускают следующих трех типов: с двусторонним расположением губок для наружных и внутренних измерений и с линейкой для определения глубин (цена деления нониуса состав­ляет 0,1 мм); с двусторонним расположением губок для измерения и для разметки (цена деления нониуса 0,05 или 0,1 мм); с односторонними губками для наружных и внутренних измерений с ценой деления нониуса 0,05 или 0,1 мм.}

^{Штангенрейсмусы предназначены для разметочных работ и определения высоты деталей. В мировой практике для определения высот известно применение прибора с цифровым отсчетом показаний (с ценой деления 0,05 и 0,01 мм). На штанге такого прибора нарезана зубчатая рейка, по которой перемещается зубчатое колесо ротационного фотоэлектрического счетчика импульсов, закрепленного на рамке, связанной с измерительной губкой. Величина перемещения (высота) фиксируется счет­чиком с цифровым отсчетным устройством.}

^{Микрометрические измерительные инструменты основаны на использо­вании винтовой пары (винт — гайка), которая преобразовывает вращательное движение микровинта в поступательное. Цена деления таких инстру­ментов - 0,01 мм. Микрометрические пары используют в конструкциях многих измерительных приборов.}

^{Механические измерительные приборы. К ним относятся приборы с зубчатой передачей – индикаторы часового типа.}

^{Оптико-механические приборы. В одних приборах этого типа (измерительных микроскопах, проекторах, длинометрах) повышение точности отсчета и точности измерений достигается благодаря значительному оптическому увеличению измеряемых объектов; в других (оптиметрах, ультраоптиметрах) — сочетанием механических передаточных механизмов с оптическим автоколлимационным устройством. Все эти приборы широко применяют в измерительных лабораториях и в цехах. Они могут быть контактными (оптиметры, длиномеры), так и бесконтактными ( микроскопы, проекторы) и позвляют измерять детали по одной (оптиметры, длиномеры), двум( микроскопы, проекторы) и трем (универсальные измерительные микроскопы) координатам.}