Реферат: Метрология - наука о измерениях

Московский АвиационныйИнститут

(Технический университет)

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

«Метрология — наука оизмерениях»

          Разработал:    Павлюк Денис

Проверил:       Профессор Мышелов Е.П.

Москва,1999г.

     Содержание:

1.   Введение в метрологию

2.   Средства измерения

3.   Методы измерений. Виды контроля.

4.   Основные метрологические показатели средств измерения.

5.   Государственная система обеспечения средств измерений.

6.   Меры длинны и угловые меры.

7.   Измерительные средства

      7.1  Универсальные измерительные инструменты иприборы.

 Введение в метрологию.

Технический прогресс, совершенствование технологическихпроцессов, производство точных, надежных и долговечных машин и приборов,повышение качества продукции, обеспечение взаимозаменяемости и коопе­рированияпроизводства невозможны без развития метрологии и посто­янногосовершенствования техники измерений.

Метрология - наука обизмерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства.Основные проблемы метрологии: раз­витие общей теории измерений; установлениеединиц 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 иобразцовых средств измерений; разработка методов передачи размеров единиц отэталонов или образцовых средств измерений рабочим сред­ствам измерений и др.Важнейшая роль в решении указанных проблем отводится государственнойметрологической службе, имеющей научно-исследовательские институты иразветвленную сеть лаборатории государ­ственного надзора и других организаций.Большую роль в развитии метрологии сыграл Д. И. Менделеев, который руководилметрологической службой в России в период 1892—1907 гг.

Под измерением понимают нахождение значенийфизической величины опытным путем с помощью специально для этогопредназначенных техни­ческих средств.

Основное уравнение измерения имеет вид Q = qU, где Q —значение физической величины, q — числовое значение физической величины впринятых единицах,  U — единица физической величины.

Единица физической величины — физическая величина фиксированного размера, принятая посогласованию в качестве основы для количествен­ного оценивания физическихвеличин той же природы.

Измерения производят как с целью установлениядействительных раз­меров изделий и соответствия их требованиям чертежа, так идля проверки точности технологической системы и подналадки ее для предупрежденияпоявления брака.                                               

Вместо определения числового значения величины дляупрощения часто проверяют, находится ли действительное значение этой величины(например, размер детали) в установленных пределах. Процесс получения иобработки информации об объекте (параметрах детали, механизма, процесса и т.д.) с целью определения его годности или необходимости введения управляющихвоздействий на факторы, влияющие на объект, называется контролем. Приконтроле деталей проверяют соответствие действительных значений геометрических,механических, электрических и других параметров допустимым значениям этихпараметров.

Для унификации единиц физических величин в международноммасштабе создана Международная система единиц СИ.

Средства измерения.

Технические средства, имеющие нормированныеметрологические свой­ства называются средствами измерения. К нимотносятся следующие:

Эталоны единиц физических величин — средства измерений или комп­лексы средств измерений,официально утвержденные эталонами для вос­произведения единиц физическихвеличин с наивысшей достижимой точ­ностью, и их хранения (например, комплекссредств 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. Кмерам относятся плоско­параллельные концевые меры длины, гири, конденсаторыпостоянной 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 образ­цовыхсредств измерения имеет большое значение для обеспечения единства измерений.

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

размеровизделии или для наладки станков).

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

 Точность указанных измерительных средств понижается в1,6—3 раза с переходом на одну ступень от более точных средств к менее точнымпо поверочной схеме.

Методы измерений. Виды контроля.

Измерения могут быть основаны на различных методах. Методизме­рения — это совокупность правил и приемов использования средств изме­рений,позволяющая решить измерительную задачу.

Различают прямые и косвенные методы измерения. При прямыхизме­рениях значение измеряемой величины находят непосредственно из опыт­ныхданных. 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 косвенныхизмерениях искомое значение величины находят вычислением по известнойзависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям,например измерение среднего диаметра резьбы методом трех проволочек.

В машиностроении при прямых измерениях в большинствеслучаев измеряют отклонения длин и углов от номинального значения или отрабочей меры прибором сравнения, в качестве которого, используют инди­каторныеголовки, оптиметры, индуктивные преобразователи и т. п. Метод измерений,основанный на использовании рабочей меры и измерительного прибора сравнения,называется методом сравнения. Размер в этом случае определяютсуммированием размера рабочей меры и показания прибора сравнения. Методизмерения может быть контактным, если он осуще­ствляется принепосредственном контакте детали с измерительным нако­нечником прибора, и бесконтактным,если механический контакт отсут­ствует (оптические, пневматические и другиеизмерения).

В зависимости от использованных физических принциповизмерения существуют механические, электрические, пневматические, оптические,фотоэлектрические и другие приборы.

Существуютдва вида контроля — дифференцированный и комплексный.

Дифференцированный (поэлементный)контроль характеризуется изме­рением каждого параметра изделия в отдельности(например, контроль собственно среднего диаметра, шага и половины угла профилярезьбы).

Комплексный контрольпозволяет 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 предельнымикалибрами.

Основные метрологические показатели средствизмерения.

 Деление шкалы прибора - промежуток между двумясоседними отметками шкалы.

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

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

Диапазон показаний (измеренийпо шкале) — область значений шкалы, ограниченная ее начальным и конечнымзначениями; например, диапазон показаний оптиметра ±0,1 мм.

Диапазон измерений — областьзначений измеряемой величины, в пре­делах которой нормированы допустимыепогрешности средства измере­ний,  например, диапазон измерения длин напроекционном вертикальном оптиметре ИКВ-3 0-200 мм.

Предел измерений — наибольшееили наименьшее значения диапазона измерений.

Измерительная сила — силавоздействия 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-гокласса равны ±0,5 мкм.

Стабильность средства измерения — свойство, отражающее постоянство во времени егометрологических показателей.

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

Точность измерений — характеристикакачества измерений, отражающая близость к нулю погрешностей их результатов. Привысокой точности погрешности всех видов минимальны.

Точность средств измерений — качество средств измерений, характери­зующее близость кнулю их погрешностей.

Воспроизводимость измерений — близость результатов измерений одной и той же конкретнойвеличины, выполняемых в различных условиях в различных местах различнымиметодами и средствами.

Чувствительность измерительного прибора — отношение изменения сиг­нала на выходе измерительногосредства к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Например, при перемещенииизмерительного нако­нечника измерительной пружинной головки ИГП на величинуцены деле­ния 0,5 мкм указатель перемещается на одно деление шкалы, равное 1мм.

Чувствительность этого прибора равна 1000: 0,5 =2000. Для шкальных измерительныхприборов типа пружинных головок, индикаторов часового типа чувствительностьчисленно равна передаточному отношению меха­низма прибора.

Поправка — величина,которая должна быть алгебраически прибавлена к показанию измерительного прибораили к номинальном значению меры, чтобы исключить систематические погрешности иполучить значе­ние измеряемой величины или значение меры, более близкое ихистин­ным значениям.

Нормируемые метрологические характеристикистандартизованы. К ним относятся систематическая составляющая погрешностиизмерения, случай­ная составляющая, динамические характеристики и др.Показатели точ­ности и формы представления результатов измерения должны соответ­ствоватьстандартам. Например, точность измерения целесообразно пред­ставлятьинтервалом, в котором с установленной вероятностью находится суммарнаяпогрешность измерения, отдельно интервалом систематической составляющей и т. д.

В зависимости от пределов допустимых погрешностей средствизме­рений, а также других их свойств, влияющих на точность измерения, многимтипам измерительных средств присваивают соответствующие классы точности.

 Повышение точности измерительных средств достигается, вчастности, сочетанием больших передаточных отношений с простотой итехнологичностью конструкции, введением в конструкцию средств, предназначенныхдля уменьшения погрешностей, вносимых зазорами, мертвыми ходами и износом,применением устройств, предназначенных для стабилизации измерительной силы идр. соответствии с принципом Аббе: необходимо, чтобы на одной прямой линиирасполагали ось шкалы прибора и контролируемый размер про­веряемой детали, т.е. линия измерения должна являться продолжением линии шкалы. Если этотпринцип не выдерживается, топерекос и не параллельность направляющих измерительного прибора вызывают значительныепогрешности измерения. При соблюдении прин­ципа Аббе погрешностями, вызываемымиперекосами, можно пренебречь, так как они являются ошибками второго порядкамалости.

Для контроля точных процессов производства и повышениякачества машин и других изделий необходимо не только непрерывно повышатьточность, производительность и надежность средств измерения, но и правильноприменять и систематически поверять средства измерения в процессе эксплуатации.Ошибочные результаты измерения из-за не­качественного выполнения собственноизмерений столь же часты, как и при применении неточных средств измерения. Какв том, так и в другом случае возникает необнаруженный брак, который приводит кбраку на последующих этапах процесса производства или к снижению качества изделий,их точности, надежности и долговечности.

Для устранения указанных недостатков в нашей странесоздана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ).Основ­ные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средстввоспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц от эталонов крабочим средствам измерений; определение номенклатуры,

таккак они являются ошибками второго порядка малости.

Для контроля точных процессов производства и повышениякачества машин и других изделий необходимо не только непрерывно повышатьточность, производительность и надежность средств измерения, но и правильноприменять и систематически поверять средства измерения в процессе эксплуатации.Ошибочные результаты измерения из-за некачественного выполнения собственноизмерений столь же часты, как при применении неточных средств измерения. Как втом, так и в другом случае возникает необнаруженный брак, который приводит кбраку на последующих этапах процесса производства или к снижению качества изделий,их точности, надежности и долговечности.

Государственная система обеспеченияединства измерений (ГСИ).

Для устранения указанных недостатков в нашей странесоздана Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ),Основные задачи ГСИ: установление единиц физических величин, методов и средстввоспроизведения единиц, рациональной системы передачи единиц

от эталонов к рабочим средствам измерений; определение номенклатуры испособов выражения метрологических показателей средств измерении.

Для обеспечения единства измерений введены обязательныеиспытания новых типов измерительных средств и надзор за состоянием и правиль­нымиспользованием 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 температуреобъекта измерения и рабочего пространства. Например, на ВАЗе в метрологическихцентрах (термо­константных помещениях с отдельным фундаментом) механосборочныхцехов в зависимости от требуемой точности измерений поддерживают температуру впределах 20 ± 0,15 – 20 ± 0,5°С.

Для обеспечения и наблюдения за единством измерений всистему Госстандарта СССР входят метрологические институты и сеть лаборато­рийгосударственного метрологического надзора; на большинстве заво­дов для этойцели есть отделы главного метролога и измерительные лаборатории.

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

Mеры длинны и угловые меры.

Мерыдлины по конструктивным признакам делят на штриховые и концевые.

Штриховые меры длиныиспользуют в качестве эталонов, образцовых и рабочих штриховых мер, в виде шкализмерительных приборов, а также в инструментах, предназначенных для грубыхизмерений (измерительные

Штриховые меры длиныиспользуют в качестве эталонов, образцовых и рабочих штриховых мер, в виде шкализмерительных приборов, а также в инструментах, предназначенных для грубыхизмерений (измерительные линейки, рулетки и др.).

Плоскопараллельные концевые меры длины составляют основу современ­ных линейных измерений вмашиностроении. Их применяют для передачи размера от рабочего эталона единицыдлины до изделия включительно, широко используют в лабораторной и цеховойпрактике линейных изме­рений; применяют для установки измерительныхинструментов и приборов на нуль, для проверки точности и градуированияизмерительных инстру­ментов и приборов, а также для особо точных разметочныхработ, наладки станков и т.д.

Плоскопараллельные концевые меры длины представляют собойбруски из закаленной стали или твердого сплава, имеющие форму прямоуголь­ныхпараллелепипедов. Две противоположные измерительные поверхности каждой концевоймеры весьма точно обрабатывают путем шлифования и доводки.

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

За длину концевой меры (в любой точке) принимают длинуперпен­дикуляра, опущенного из точки измерительной поверхности меры на еепротивоположную измерительную поверхность. Концевые меры выпускают наборами,состоящими из 112, 83 шт. и др. Они позволяют составить блок из минимальногочисла 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 измери­тельныхповерхностей, на мерах размером свыше 5,5 мм — на боковой нерабочейповерхности.

Меры по точности изготовления делят на четыре класса: 0,1, 2 и 3-й (ГОСТ 9038—73). Для мер, находящихся в эксплуатации, предусмотреныдополнительно 4-й и 5-й классы (ГОСТ 8.166—75). В зависимости от предельнойпогрешности аттестации размеров мер их делят на пять разрядов: с 1-го по 5-й. Ваттестате указывают номинальный размер концевой меры, отклонение от номинальногоразмера в микрометрах и разряд, к которому отнесен поверяемый набор мер. Припользовании аттестованными мерами за размер каждой из них принимают действи­тельныйразмер, указанный в аттестате. В этом случае отклонения раз­мера мер не будутвлиять на точность измерения независимо от их принадлежности к тому или иномуклассу точности. Применение мер по разрядам с учетом их действительных размеровпозволяет производить более точные измерения.

Концевые меры длины можно использовать совместно сразличными приспособлениями для измерения наружных и внутренних размеров, раз­меточныхработ, контроля высот и др. Основными приспособлениями являются струбцины(державки) разных размеров, основания, боковики,

центрыи др.

Угловые меры выполняют в виде призм; они предназначены дляхра­нения и передачи единицы плоского угла, для поверки и градуировкиугломерных 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" идр. Их изготовляют трех классов точности: 0 — с пре­дельной погрешностьюрабочих углов от ±3" до ±5"; 1 —с предельной погрешностью ± 10";2 — с предельной погрешностью ±30". Угловые меры можно применять какотдельно, так и блоками из нескольких мер. Блоки мер крепят специальнымидержавками.

При большой длине и ширине угловые меры можно собирать вблоки путем притирания (без применения державок). Поворачивая такие мерысрезанной вершиной вниз или вверх, можно сумми­ровать или вычитать углымер, входящих в блок. Это позволяет обхо­диться небольшим числом мер в наборе.Выпускают также угловые меры в виде многогранных призм, предназначенных дляповерки оптических делительных головок и гониометров.

Измерительные средства.

Средства измерения, применяемые в машиностроении, поназначению можно разделить на универсальные и специальные. Специальные средствапредназначены для измерения одного или нескольких параметров деталейопределенного типа (они описаны в главах, где рассмотрен контроль типовыхсоединений деталей). По числу параметров, проверяемых при одной установкедетали, различают одномерные и многомерные измеритель­ные и контрольныесредства, а по степени механизации процесса измере­ния — неавтоматические(ручного действия), механизированные, полуавто­матические и автоматические.

Универсальныеизмерительные 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 имикрометрические из­мерительные инструменты.

В штангенинструментах применяют отсчетное приспособление ввиде линейки с основной шкалой, по которой пере­мещается линейка со шкалойнониуса. 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 длинеделения с основной шкалы, цене деления нонинуса i, числу у делений основнойшкалы, соответствующему одному делению шкалы нониуса (модуль но­ниуса),определяют число n делений нониуса, длину деления b шкалы нониуса идлину 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 шкалыl = 19 мм. Погрешность измерения штангенинструментом приизмерении размеров от 1 до 500 мм составляет 50—200 мкм.

Штангенциркули выпускают следующих трех типов: сдвусторонним расположением губок для наружных и внутренних измерений и слинейкой для определения глубин (цена деления нониуса состав­ляет 0,1 мм); сдвусторонним расположением губок для измерения и для разметки (цена делениянониуса 0,05 или 0,1 мм); с односторонними губками для наружных и внутренних измеренийс ценой деления нониуса 0,05 или 0,1 мм.

Штангенрейсмусы предназначены для разметочных работ иопределения высоты деталей. В мировой практике для определения высот известноприменение прибора с цифровым отсчетом показаний (с ценой деления 0,05 и 0,01мм).На штанге такого прибора нарезана зубчатая рейка, по которойперемещается зубчатое колесо ротационного фотоэлектрического счетчикаимпульсов, закрепленного на рамке, связанной с измерительной губкой. Величинаперемещения (высота) фиксируется счет­чиком с цифровым отсчетным устройством.

Микрометрические измерительные инструменты основаны на использо­вании винтовой пары (винт — гайка),которая преобразовывает вращательное движение микровинта в поступательное. Ценаделения таких инстру­ментов — 0,01 мм. Микрометрические пары используют вконструкциях многих измерительных приборов.

Механические измерительные приборы. К ним относятся приборы с зубчатой передачей – индикаторычасового типа.

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