Исторические аспекты метрологии
Навчальний посібник
ОХОРОНА ПРАЦІ В ГАЛУЗІ Загальні вимоги
Зеркалов Дмитро Володимирович
Навчальне видання
Комп’ютерна верстка та редагування – Д. В. Зеркалов
Підписано до друку 20.10.2011 р. Формат 60х84/16.
Папір Amicrus/ Гарнітура 1251 Times.
Ум. друк. арк. 29,9.
Наклад 100. Зам. 10/8.
Видавництво «Основа»
03150, Київ, вул. Жилянська,87/30.
тел. (044) 239-38-97, т/ф: 239-38-95, 239-38-96
Свідотство суб’екта видавничої справи ДК № 1982 від 21.10.2004 р.
Проблема обеспечения единства измерений имеет возраст, сопоставимый с возрастом человечества. Как только человек стал обменивать или продавать результаты своего труда, возник вопрос - как велик эквивалент этого труда и как велик продукт, представленный на обмен или продажу. Для характеристики этих величин использовались различные свойства продукта - размеры,- как линейные, так и объемные,- масса или вес, позднее цвет, вкус, состав и т. д. и т. п. Естественно, что в давние времена еще не существовало развитого математического аппарата, не было четко сформулированных физических законов, позволяющих охарактеризовать качество и стоимость товара. Тем не менее проблема справедливой сбалансированной торговли была актуальна всегда. От этого зависело благосостояние общества, от этого же возникали войны.
Первыми средствами обеспечения единства измерений были объекты, которые имеются в распоряжении человека всегда. Так появились первые меры длины, опирающиеся на размеры рук и ног человека. На Руси использовались локоть, пядь, сажень, косая сажень. На Западе - дюйм, фут, сохранившие свое название до сих пор. Поскольку размеры рук и ног у разных людей были разными, то должное единство измерений не всегда удавалось обеспечить. Следующим шагом были законодательные акты различных правителей, предписывающие, например, за единицу длины считать среднюю длину стопы нескольких людей. Иногда правители просто делали две зарубки на стене рыночной площади, предписывая всем торговцам делать копии таких «эталонных мер». В настоящее время такую меру можно видеть на Вандомской площади в Париже в том месте, где когда-то располагался главный рынок Европы.
По мере развития человечества и науки, особенно физики и математики, проблему обеспечения единства измерений стали решать более широко. Появились государственные службы и хранилища мер, с которыми торговцам в законодательном порядке предписывалось сравнивать свои меры. Для определения размеров единиц выбирались размеры объектов, не изменяющиеся со временем. Например, для определения размера единицы длины измерялся меридиан Земли, для определения единицы массы измерялась масса литра воды. Единицы времени с давних времен до настоящего момента связывают с вращением Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси.
Дальнейший прогресс в обеспечении единства измерений состоял уже в произвольном выборе единиц, не связанных с веществами или объектами. Это связано с тем фактом, что изготовить копию меры (передать размер единицы какой-либо величины) можно с гораздо более высокой точностью, чем повторно независимо воспроизвести эту меру. В самом деле, точность определения длины меридиана и деления его на 40 миллионов частей оказывается очень невысокой.
Здесь в кратком историческом экскурсе интересно вспомнить, что программа измерения длины парижского меридиана оказалась более полезной в составлении подробных карт перед наполеоновскими войнами, чем в точном определении единицы длины.
Гигантский скачок в точности измерений механических величин был совершен при внедрении лазеров в измерительную технику. Образно говоря, точность средств измерения стала определяться параметрами отдельного атома. Если выбрать определенный тип атома, определенный изотоп элемента, поместить атомы в резонатор лазера и использовать все преимущества, присущие лазерному излучению, то реально достижимая погрешность воспроизведения единицы длины может сказываться в тринадцатом-четырнадцатом знаках.
Сейчас важно помнить, что рассматриваемая проблема оптимального выбора физических величин и единиц будет существовать всегда, так как научно-технический прогресс постоянно предоставляет новые возможности в практике измерений. Сегодня это лазеры и синхротронное излучение, и завтра, возможно, появятся новые горизонты, опирающиеся на «теплую сверхпроводимость» или какое-либо замечательное достижение человеческой мысли.
1.2. Понятие, основные задачи и проблемы метрологии.
Слово «метрология» по своему образованию состоит из греческих слов «метро» - мера и «логос» - учение и означает учение о мерах. Слово «мера» в общем смысле означает средство оценки чего-либо. В метрологии оно имеет два значения: как обозначение единицы (например, «квадратные меры») и как средство для воспроизведение единицы величины.
В современной метрологии термин «мера физической величины» означает средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Примером мер являются гири, измерительные сопротивления и т.п.
В соответствии с принятым определением метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Под единством измерений понимается такое их состояние, когда результаты измерений выражаются в узаконенных единицах величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Единство измерений призвано обеспечить прежде всего сопоставимость результатов измерений, полученных в разных местах и в разное время, с помощью различных методов и средств измерений. Это связано со все возрастающим ростом требований в современном обществе к точности и достоверности используемой измерительной информации практически во всех сферах деятельности — научно-технической, экономической и социальной.
Точность измерений характеризует близость их результатов к истинному значению измеряемой величины и отражает близость к нулю погрешности результата измерений.
Предмет метрологии как науки об измерениях составляют следующие задачи:
- общая теория измерений;
- единицы физических величин и их системы;
- методы и средства измерений;
- методы определения точности измерений;
- основы обеспечения единства измерений;
- эталоны единиц физических величин;
- методы передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений.
Метрология состоит из следующих основных разделов:
- теоретическая (фундаментальная) метрология, предметом которой является разработка фундаментальных основ метрологии, таких, например, как общая теория измерений и теория погрешностей, теория единиц физических величин и их систем, теория шкал и поверочных схем и др.;
- законодательная метрология, которая представляет собой совокупность обязательных для применения метрологических правил и норм по обеспечению единства измерений, которые функционируют в ранге правовых положений и находятся под контролем государства;
- практическая (прикладная) метрология, которая решает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии, в частности, вопросы поверки и калибровки средств измерений.
Выделение законодательной метрологии с самостоятельный раздел обусловлено необходимостью законодательного регулиро-вания и контроля со стороны государства за деятельностью по обеспечению единства измерений.
Деятельность по обеспечению единства измерений (ОЕИ) регулируется Законом РФ «Об обеспечении единства измерений», принятом в 1993 г. Это закон устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений в РФ. Он регулирует отношения государственных органов управления РФ с физическими и юридическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи, поверки и импорта средств измерений и направлен на защиту интересов граждан и экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений. Подробнее правовые вопросы обеспечения единства измерений рассматриваются ниже в соответствующем разделе.
В России сформирована Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ)как система управления деятельностью по обеспечению единства измерений, возглавляемая, реализуемая и контролируемая Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулированием). Целью ГСИ является создание общегосударственных правовых, нормативных, организационных, технических условия для решения задач по ОЕИ Нормативная база ГСИ насчитывает более 2500 обязательных и рекомендательных документов, регламентирующих практически все аспекты в области метрологии. Подробнее о задачах и составе ГСИ будет сказано в разделе о правовых основах ОЕИ.
.
1.3. Метрологические показатели измерительных средств
и методы измерений
При выборе измерительных средств должны бытьучтены организационно-технические формы контроля, масштаб производства, конструктивно-технологические и точностные характеристики деталей и изделий. Каждый размер или параметр может быть измерен несколькими средствами с различными погрешностями, которые зависят от точности самих средств, их настройки, метода иусловий измерения. Погрешность годного прибора не должна превышать установленного для него уровня, что обеспечивается систематической поверкой прибора. Допустимые погрешности измерений, устанавливаемые ГОСТом, могут составлять от 20 (квалитеты 10-17) до 35 (квалитеты 5-9) процентов измеряемой величины допуска. С целью уменьшения дополнительных погрешностей при измерении должны соблюдаться предусмотренные стандартом условия: температура 20 °С, атмосферное давление 101325 Па, относительная влажность окружающего воздуха 58 %, положение деталей в пространстве, освещенность и т.п.
Под техническими измерениями понимают измерения размеров деталей и изделий, производимых в машиностроении, в отличие от измерений свойств материалаили других физических величин (температуры, давления и т. п.).
При изготовлении деталей их действительные размеры в силу различных причин иногда оказываются вне поля допуска (интервала допускаемых величин). Годность действительных размеров устанавливают либо путем измерения, либо путем контроля.
По назначению средства измерения могут быть универсальными и специальными.
Универсальные средства измерения предназначены для измерения длин и углов в определенном диапазоне размеров независимоот конфигурации измеряемой детали, специальные – для конкретных размеров деталей определенной формы.
В зависимости от отличительных признаков, имеющихся у средств измерения, их часто классифицируют на меры, измерительные инструменты и приборы. Поскольку не всегда можно четко провести точную грань между измерительным инструментом и прибором, в последнее время отказываются от понятия «измерительный инструмент» и все измерительные средства делят на меры и измерительные приборы.
Мера– средство измерения, предназначенное для воспроизведения длины (в общем случае – физической величины) заданного размера. Примероммеры как специального измерительного средства являются калибры, широко применяемые в серийном и массовом производстве для контроля годности изготовленных изделий.
Калибраминазываются меры, имеющие формуповерхности, противоположную (обратную) контролируемому объекту и воспроизводящие его номинальные (нормальные калибры, шаблоны, щупы) или предельные (предельные калибры – проходной ПР и непроходной НЕ) размеры.
Существуют и универсальные, так называемые многозначные меры, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера (линейки с делениями, плоскопараллельные концевые меры длины и др.).
Измерительный прибор– средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации, выдаваемой отсчетными устройствами (шкальными, цифровыми, регистрирующими).
По характеру оценки измеряемой величины различают абсолютный и относительный методы измерения и соответствующие им средства измерения. При абсолютном методе оценка значения всей измеряемой величины производится непосредственно по шкале прибора (например, при измерении штангенциркулем, микрометром, на длиномере и др.).
Относительный (сравнительный) метод основан на сравнении измеряемой величины с установочной мерой, по которой прибор предварительно настраивается на нуль. По шкале прибора в этом случае определяется отклонение измерительной величины от установочной меры (например, измерение на миниметре, с помощью индикаторного нутромера, тангенциальным зубомером и др.).
Метод измерений может быть прямым или косвенным в зависимости от способа получения измеряемой величины.
Прямой метод характеризуется непосредственной оценкой измеряемой величины по показанию прибора.
При косвенном методе измеряют некоторые величины, связанные с искомой функциональной зависимостью. Косвенным методом измерения пользуются в тех случаях, когда искомая величина недоступна для измерения прямым методом или не может быть измерена с достаточной точностью.
По характеру взаимодействия средств измерения с поверхностью измеряемой детали методы и средства измерения разделяются на контактные и бесконтактные.
Контактными называются измерения, при которых измерительное средство имеет механический контакт с поверхностью измеряемого объекта.
Бесконтактными называются измерения, при которых измерительное средство не имеет механического контакта с поверхностью измеряемого объекта. Бесконтактные методы основаны на проекционном, фотографическом, пневматическом и других подобных способах измерения.
В зависимости от количества одновременно выявляемых различных параметров методы и средства измерения разделяют на дифференцированные (поэлементные) и комплексные.
Дифференцированным (поэлементным) называется измерение, при котором у детали (изделия) сложной формы измеряют каждый из ее элементов или параметров, характеризующих точность. Например, при измерении резьбы каждый ее параметр (диаметр, шаг, угол профиля) определяют отдельно. Дифференцированные методы и средства измерения наиболее удобны при изготовлении деталей, так как позволяют выявить, какой из элементов детали вышел за пределы допустимых значений.
Комплексными называются измерения, при которых определяется влияние всех элементов сложных деталей (изделий) вместе, в их взаимосвязи между собой, т.е. выявляются эксплуатационные показатели. Например, проверка резьбы на свинчивание с комплексными резьбовыми калибрами позволяет одновременно определить соответствие допускаемым значениям сразу всего комплекса параметров резьбы. Комплексные измерительные средства чаще всего используются при приемочном контроле готовых деталей (изделий), поскольку выявляют свойства, близкие к эксплуатационным.
По характеру взаимосвязи результатов измерения с технологическим процессом производится разделение приборов на активные и пассивные.
Приборы активного контроля предназначены для измерения размеров детали в процессе ее обработки на станке и дают информацию о необходимости изменения режимов обработки.
Приборами пассивного контроля производят измерения после окончания обработки и фиксируют полученную точность обработки детали.
Метрологические характеристики (показатели)– совокупность параметров универсальных измерительных средств, характеризующих точность измерения, область их возможного и наиболее рационального применения. Ниже приведены основные показатели измерительных средств.
Диапазон измерения (предел изменения прибора) – диапазон размеров, который может быть измерен данными измерительными средствами и для которого нормируется допускаемая погрешность.
Диапазон показаний (пределы показаний по шкале) – область значений измеряемого размера, которая может быть отсчитана по шкале прибора.
Цена деления (шкалы) – разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Обычно применяются цены деления из ряда 1; 2; 5.
Измерительное усилие – сила, с которой измерительный наконечник прибора воздействует на измеряемую поверхность в направлении измерения.
Погрешность прибора – разность между показаниями прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины.
Погрешность измерения – отклонение значений величины, найденной путем ее измерения, от истинного значения измеряемой величины.
Измерением называется нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Измерение может быть:
· прямое, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на циферблатных весах, температуры термометром, размера штангенциркулем и др.);
· косвенное, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
· относительное измерение – отношение величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.
При выборе измерительных средств пользуются метрологическими показателями.
К основным показателям относятся: цена деления шкалы, интервал деления шкалы, допускаемая погрешность измерительного средства, пределы измерения и измерительное усилие.
Ценой деления шкалы называется разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, у индикатора часового типа цена деления равна 0,01 мм. Если стрелка прибора переместится от одного деления шкалы до другого, это значит, что измерительный наконечник переместился на 0,01 мм.
Цену деления не следует принимать за точность прибора. Точность прибора определяется погрешностью и может быть больше или меньше цены деления.
Интервал деления шкалы – это расстояние между двумя соседними отметками шкалы. У большинства измерительных средств интервал деления составляет от 1 до 2,5 мм. Чем больше интервал деления на шкале, тем удобнее отсчет по шкале, хотя это обычно ведет к увеличению ее габаритов.
Допускаемой погрешностью измерительного средства называется наибольшая погрешность, при которой измерительное средство может быть допущено к применению. Для каждого вида измерительных средств, выпускаемых отечественными предприятиями, обязательно устанавливается допускаемая погрешность.
При рассмотрении погрешности измерений часто выделяется вариация или нестабильность показаний измерительного средства, под которой понимается разность показаний этого средства при многократных измерениях одной и той же величины.
Пределы измерений измерительного средства – это наибольший и наименьший размеры, которые можно измерить данным средством.
Пределы измерений по шкале – наибольшее и наименьшее значения размера, которые можно отсчитать непосредственно по шкале.
Измерительное усилие – усилие, возникающее в процессе измерения при контакте измерительных поверхностей с контролируемым изделием.
Измерительное средство и приемы его использования в совокупности образуют метод измерения. По способу получения значений измеряемых величин различают следующие методы измерений.
Метод непосредственной оценки характеризуется определением всей измеряемой величины непосредственно по показаниям измерительного средства, например при измерении детали штангенциркулем значение размера 25,5 мм.
Метод сравнения с мерой, которым определяют отклонение измеряемой величины от известного размера установочной меры или образца. Например, индикатор закрепляют в стойке на плите и устанавливают на нуль по какому-то образцу, а затем измеряют деталь. В этом случае индикатор будет показывать отклонение размера контролируемой детали относительно размера установочного образца.
При оценке годности деталей на производстве иногда пользуются понятием контроля деталей. Под контролем понимается не определение действительного значения размера, а регистрация факта, что размер детали не выходит из пределов допускаемых наибольшего и наименьшего размеров, т.е. из пределов допуска, например при контроле деталей в условиях серийного и массового производства калибрами.
Лекция №2 «Взаимозаменяемость и стандартизация. Основные определения. Методы стандартизации и ее цели.»