Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Кафедра технологии машиностроения

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» на тему:

«Метрологическое обеспечение и стандартизация измерения линейных перемещений пневматическим и оптическим методами»

Выполнила:

Студентка гр.СТМ-31

Гутенёва Л.Н.

Проверил:

Проф. Афанасьев А.А.

Белгород 2011

Оглавление

• 1. Введение
• 2. Метрологическое обеспечение испытаний продукции
• 2.1 Роль метрологической службы предприятия в реализации целей метрологического обеспечения
• 2.2 Математические модели средств измерений
• 2.3 Динамические математические модели аналогового СИ
• 2.4 Динамическая математическая модель СИ в форме передаточной функции и частотной характеристики
• 3. Выбор конкретного метода и СИ для линейных перемещений
• 3.1.1 Средства измерения и контроля с пневматическим преобразованием
• 3.1.2 Достоинства пневматических измерительных приборов
• 3.1.3 Недостатки пневматических измерительных приборов
• 3.1.4 Пневматические измерительные приборы
• 3.1.5 Принципы действия пневматических средств измерения
• 3.1.6 Основные технические характеристики пневматических измерительных приборов
• 3.2 Средства измерения и контроля оптическим методом
• 3.2.1 Основные метрологические показатели микроскопов
• 3.2.2 Основные параметры оптических линеек
• 3.2.3 Основные метрологические характеристики оптических приборов
• 3.2.4 Основные метрологические характеристики оптико-механических измерительных двухкоординатных машин
• 4. Обеспечение единства измерения
• 4.1 Общие положения
• 4.2 Единицы величин. Средства и методики выполнения измерений
• 5. Поверка системы измерения
• 5.1Поверочные схемы измерения (государственная поверочная схема)
• 6. Стандартизация измерений
• 7. Обработка результатов измерений и запись результата в стандартной форме
• Выводы
• Графическая часть
• Список используемой литературы
• 1. Введение
• Метрология - наука об измерениях величин, методах и средствах обеспечения их единства.
• Основные задачи метрологии: развитие общей теории измерений; установление единиц физических величин; разработка методов и средств измерений, а также методов определения точности измерений; обеспечение единства измерений.
• Измерения проводят с помощью технических средств, имеющих нормированные метрологические свойства и называемых средствами измерения. К ним относятся эталоны единиц физических величин, меры, образцовые и рабочие средства измерения.
• Эталоны физических величин - средства измерений или комплексы средств измерений, официально утвержденные эталонами для воспроизведения единиц физических величин с наивысшей достижимой точностью.
• Меры - средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера.
• Образцовые средства измерений - это меры, измерительные приборы или преобразователи, утвержденные в качестве образцовых.
• Рабочие средства измерений - это меры, устройства или приборы, применяемые для измерений, не связанных с передачей единицы физической величины.
• Измерения могут быть прямыми и косвенными. При прямых измерениях значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных, при косвенных - вычислением по известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.
• Существует два вида контроля: дифференцированный и комплексный. Дифференцированный контроль предполагает измерение каждого параметра изделия в отдельности. Комплексный контроль позволяет оценивать годность деталей одновременно по нескольким параметрам.
• Средства измерений характеризуются рядом показателей.
• Деление шкалы прибора - промежуток между двумя соседними отметками шкалы.
• Цена деления шкалы - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.
• Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допустимые погрешности средств измерений.
• Предел измерений - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.
• Предел допустимой погрешности средства измерений - наибольшая погрешность средства измерения, при которой оно может быть признанно годным и допущено к применению.
• Погрешность измерения - разность между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины.
• Точность измерений - характеристика качества измерений, отражающая близость к нулю погрешностей их результатов.
• Точность средств измерений - качество средств измерений, характеризующее близость к нулю погрешностей.
• Поправка - величина, которая должна быть алгебраически прибавлена к показанию измерительного прибора или к номинальному значению меры, чтобы исключить систематические погрешности и получить значение измеряемой физической величины или значение меры, более близкое к из истинным значениям.
• В данном курсовом проекте поставлены следующие задачи:
• - изучить метрологическое обеспечение измерений параметров и величин;
• - определить роль государственных метрологических служб и служб предприятия;
• - представить математическую модель средства измерений;
• - определить выбор методов и средств измерения температуры;
• - представить методику поверки и поверочную схему средства измерений;
• - изучить приборы для измерения температуры, их устройство и принцип действия;
• - привести состав стандартов в области измерения параметров температуры;
• - в графической части представить поверочную схему измерения температуры и образец формы по результатам аттестации прибора.
• - сделать выводы по итогам данного курсового проекта.

2. Метрологическое обеспечение испытаний продукции

В ГОСТ Р 51672 применяются основные термины и определения понятий в области метрологического обеспечения, испытаний и оценки соответствия.

Наряду с впервые стандартизованными понятиями «метрологическое обеспечение испытаний», «погрешность результатов испытаний», в ГОСТ Р 51672 применяются термины с соответствующими определениями в соответствии со статьей 1 «Основные понятия» Закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», ГОСТ Р 8.000-2000 [6], ГОСТ Р 1.12-99 [2], ГОСТ 16504 [7], ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 [4].

Рассмотрим основные отличительные характеристики процесса испытаний.

Определение понятия «испытание» в п. 3.2 ГОСТ Р 51672 полностью адекватно международным документам ИСО/МЭК и соответствует определению этого понятия, содержащемуся в основополагающем терминологическом стандарте Государственной системы стандартизации Российской Федерации ГОСТ Р 1.12 «Стандартизация и смежные виды деятельности. Термины и определения».

Согласно ГОСТ Р 1.12 (п. 139) испытание: Техническая операция, заключающаяся в определении одной или нескольких характеристик данной продукции, процесса или услуги в соответствии с установленной процедурой.

Испытание является сложным процессом получения информации о характеристиках объекта испытаний. Причем эту информацию получают разными способами - путем выполнения измерений, анализов, диагностическими, органолептическими, экспертными и другими методами.

Наиболее распространенным способом получения количественной информации о характеристиках объекта (в нашем случае - продукции) при испытаниях являются измерения, позволяющие получать эту информацию с гарантированной оценкой точности - степени близости к условно истинному (действительному) значению характеристики продукции, подвергаемой испытаниям.

Таким образом, испытания являются более общим понятием по сравнению с измерениями, которые служат одним из наиболее распространенных способов получения информации при испытаниях, позволяющим количественно оценивать характеристики (параметры) продукции с известной точностью. (По ГОСТ Р 8.000-2000 - Измерение: нахождение значения величины опытным путем с помощью специальных технических средств).

Однако, в мире, несмотря на колоссальный научно-технический прогресс, в области измерений различных физических величин, далеко не все потребительские свойства и параметры важнейших видов промышленной и сельскохозяйственной продукции удается измерить с применением технических средств, чем вызвана необходимость применения в ряде случаев других способов получения информации, в том числе визуальных, органолептических и других, не позволяющих получить достоверную количественную оценку испытуемых характеристик объекта.

В ГОСТ Р 51672-2000 рассматриваются испытания, которые выполняются с применением технических средств, в первую очередь, средств измерений, необходимых для получения достоверной измерительной информации. Но наличие соответствующих требованиям технических средств является необходимым, но не достаточным условием получения достоверной измерительной информации о характеристиках испытуемого объекта.

Для получения достоверной измерительной информации о характеристиках испытуемого объекта (о значениях показателей качества и безопасности продукции) необходимо установить и реализовать целый комплекс научных и организационных основ, технических средств, метрологических правил и норм, который входит в понятие «метрологическое обеспечение испытаний», в том числе и в отношении характеристик условий испытаний и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях, и в отношении самого испытуемого объекта (его однородности и стабильности).

Следовательно, получение достоверной измерительной информации о значениях показателей качества и безопасности продукции и (или) услуг может иметь место только при обеспечении единства и требуемой точности измерений значений воздействующих на объект факторов (например, параметров окружающей среды) и (или) режимов функционирования испытуемого объекта при испытаниях.

Задачей испытаний для целей подтверждения соответствия (в том числе для целей сертификации) является контроль или проверка соответствия характеристик объекта требованиям, установленным в нормативной и (или) технической документации.

Важнейшим признаком испытаний является принятие по их результатам определенных решений.

Другим важнейшим признаком испытаний является задание определенных условий испытаний - реальных или моделируемых. Под условиями испытаний в ГОСТ 16504 [7] понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. Воздействия на объект могут определяться внешними воздействующими факторами - климатическими, тепловыми, радиационными, химическими и т.п., как естественными, так и создаваемыми искусственно. Испытания по проверке устойчивости или прочности продукции при воздействии на нее таких факторов проводятся для целей подтверждения соответствия, если соответствующие требования и методы испытаний установлены в нормативной документации на продукцию.

Условия испытаний, регламентированные в нормативных документах на методы испытаний продукции, могут предусматривать проверку характеристик продукции при наличии воздействия внешнего фактора или после его приложения.

При испытаниях могут иметь место внутренние воздействия, вызываемые функционированием объекта (например, нагрев объекта, вызываемый прохождением электрического тока при включении объекта в сеть).

Режимы функционирования объекта испытаний включают способы и место его установки, монтажа, скорость перемещения и т.д.

В ГОСТ Р 51672 понятие (термин) «объект испытаний» (англ. Item under test) применяется с определением по ГОСТ 16504 [7], согласно которому объект испытаний - продукция, подвергаемая испытаниям (см. п. 6 ГОСТ 16504).

Следует разграничивать термин «объект испытаний» и термин «образец для испытаний» (англ. Test speciment) - продукция или ее часть, или проба (англ. Sample), непосредственно подвергаемые эксперименту при испытаниях (см. п. 7 ГОСТ 16504).

Например, если испытывается партия продукции, то объектом испытаний является, безусловно, вся партия, в то время как в процессе испытаний проверяются (оцениваются) характеристики лишь выбранных из партии изделий (единиц продукции) или отобранных из партии проб, которые и являются образцами для испытаний. При этом полученные при испытаниях образцов результаты испытаний их характеристик используются для получения результатов испытаний этих характеристик объекта в целом.

Данные испытаний (англ. Test data) по ГОСТ 16504 (п. 22): Регистрируемые при испытаниях значения характеристик свойств объекта и (или) условий испытаний, а также других параметров, являющихся исходными для последующей обработки.

Результат испытаний (англ. Test result) по ГОСТ 16504 (п. 23): Оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям по данным испытаний, результаты анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний.

Протокол испытаний (англ. Test report) по ГОСТ 16504 (п. 23): Документ, содержащий необходимые сведения об объекте испытаний, применяемых методах, средствах и условиях испытаний, результаты испытаний, а также заключение по результатам испытаний, оформленный в установленном порядке.

При получении при испытаниях объекта измерительной информации, позволяющей количественно оценить характеристики свойств объекта, результаты измерений можно рассматривать как данные для получения на их основе результатов испытаний объекта.

Как уже отмечалось, результаты испытаний характеристик образцов, взятых в качестве выборки из партии изделий (объекта испытаний), являются основой для определения характеристик всей партии - получения результатов ее испытаний по этому параметру (характеристике).

Результаты измерений и испытаний могут совпадать, когда объектом испытаний является конкретный образец. Именно такой подход имеет место в МИ 1317-86 [8] и в Международном стандарте ИСО 5725 [4], в котором в примерах по определению точности методов измерений (МВИ) одновременно используются термины «метод измерений» и «результат измерений»; «метод измерений» и «результат испытаний», а также «метод испытаний» и «результат испытаний». Этот подход принят и в ГОСТ Р 51672 (см. 1.6 настоящего пособия).

С учетом вышеизложенного в ГОСТ Р 51672 Метрологическое обеспечение испытаний определено как «установление и применение научных и организационных основ, технических средств, метрологических правил и норм, необходимых для получения достоверной измерительной информации о значениях показателей качества и безопасности продукции и услуг, а также о значениях характеристик воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях, других условий испытаний» (см. п. 3.1 ГОСТ Р 51672 в приложении к настоящему пособию).

Понятие «Метрологическое обеспечение», стандартизованное в ГОСТ 1.25 «ГСС. Метрологическое обеспечение. Основные положения» за эти годы прочно вошло в практику, стало одним из главных элементов, характеризующих состояние производства, в том числе при сертификации производств и систем качества в соответствии с требованиями государственных стандартов серии ГОСТ Р ИСО 9000 [9, 10, 11], ГОСТ Р 40.003-2000 [12], вошло в словарь-справочник в области метрологии [13].

Стандартизованное в ГОСТ Р 51672 понятие «метрологическое обеспечение испытаний», опираясь на базовый термин ГОСТ 1.25, в максимальной степени конкретизировано применительно к испытаниям продукции.

Научной основой метрологического обеспечения испытаний является метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения единства измерений и способах достижения заданного уровня точности (ГОСТ 8.000, п. 2.1.1).

Техническими средствами испытаний являются любые технические устройства, вещества и материалы, необходимые для проведения испытаний.

Наряду со средствами измерений важнейшим видом средств испытаний является испытательное оборудование, под которым понимают техническое устройство для воспроизведения условий испытаний (ГОСТ 16504, п. 17). Это специальные испытательные стенды (вибростенды, ударные стенды и т.п.), испытательные машины, установки, испытательные климатические камеры и другие устройства, в которых воспроизводятся заданные условия испытаний: температура, влажность, давление, электромагнитные или радиационные воздействия, механические нагрузки и т.п.

К техническим средствам испытаний относятся также стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов по ГОСТ 8.315-97 [14], обеспечивающие воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов.

В соответствии с нормативными документами на методы испытаний, кроме средств измерений и испытательного оборудования, при проведении испытаний, как правило, применяется широкая номенклатура других видов технических устройств, не используемых для воспроизведения условий испытаний. К таким видам технических устройств относится вспомогательное и технологическое оборудование (например, вакуумные насосы, линии сжатого воздуха, других энергоносителей, соединительные узлы, муфты и т.д.), а также лабораторная посуда (стеклянная и фарфоровая, чашки кварцевые, тигли, бюксы и т.п.) и лабораторное оборудование (центрифуги лабораторные, аппараты из стекла, водяные циркуляционные термостаты, бидистилляторы, муфельные печи, колбонагреватели, бани водяные, песочные часы, сита металлические, водоструйные насосы, металлические чашки, ультратермостаты, сушильные шкафы, вытяжные шкафы и т.д.).

Однако следует отметить, что в ряде случаев технические устройства, относящиеся по действующей классификации к лабораторному оборудованию, в соответствии с регламентированной процедурой испытаний используются для воспроизведения условий испытаний. Например, термостаты электрические, сушильные шкафы могут использоваться для воспроизведения нормированных в документации условий испытаний объекта, в частности, для поддержания в процессе испытаний стабильной температуры с нормированной погрешностью; в этих случаях упомянутые термостаты и (или) сушильные шкафы следует отнести к испытательному оборудованию (см. также раздел 4 настоящего пособия).

К категории испытательного оборудования во всех случаях не следует относить аппараты из стекла и оборудование для пробоподготовки, которые функционально являются лабораторным оборудованием.

Организационной основой метрологического обеспечения испытаний являются метрологические службы или иные организационные структуры по обеспечению единства измерений, которые должны быть созданы на предприятиях и в организациях, где проводят испытания для целей обязательной сертификации и в других сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора (см. статьи 11 и 13 Закона РФ «Об обеспечении единства измерений» и п. 5.1 ГОСТ Р 51672). К таким сферам относятся испытания для целей обязательной сертификации продукции и услуг, а также испытания и контроль качества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям государственных стандартов Российской Федерации и испытания и контроль качества продукции, поставляемой по контрактам для федеральных государственных нужд в соответствии с законодательством Российской Федерации.

Метрологические правила и нормы устанавливаются в государственных стандартах, международных (региональных) стандартах, правилах и рекомендациях по метрологии Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

Важнейшими характеристиками качества испытаний являются те, которые определяют доверие к их результатам: точность, достоверность, повторяемость, воспроизводимость результатов испытаний.

Нормы показателей точности (погрешности и (или) воспроизводимости результатов испытаний) устанавливают в государственных стандартах и других нормативных документах на продукцию и методы ее испытаний. Эти нормы должны быть согласованы с установленными в этих документах допусками на показатели качества и безопасности продукции.

В разделе 3 ГОСТ Р 51672 даны определения терминам «погрешность результатов испытаний» (п. 3.3), «воспроизводимость результатов испытаний» (п. 3.4), «норматив (предел) воспроизводимости» (п. 3.4.1) и «статистическая оценка воспроизводимости» (п. 3.4.2), «повторяемость (сходимость) результатов испытаний» (п. 3.5), «норматив (предел) повторяемости (сходимости)» (п. 3.5.1), «статистическая оценка повторяемости (сходимости)» (п. 3.5.2).

Термины по п. п. 3.4.1, 3.4.2, 3.5.1, 3.5.2 даны в стандарте с определениями в соответствии с Международным стандартом ИСО 5725 (часть 1) «Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений» (см. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002) [4].

Определение понятия «погрешность результата испытаний» взято из МИ 1317-86 [8]; основные положения этого документа, разработанного ВНИИМС, широко применяются в практике испытаний важнейших видов промышленной продукции.

Погрешность результата испытаний определяется как разность между результатом испытаний характеристики объекта при фактических условиях испытаний и истинным (действительным) значением характеристики объекта при условиях испытаний, установленных в нормативном документе на методы испытаний объекта (см. п. 3.3 ГОСТ Р).

В соответствии с ИСО 5725 и ГОСТ Р ИСО 5725-1 [4], воспроизводимость результатов испытаний определяется как характеристика результатов испытаний, определяемая близостью результатов испытаний одного и того же объекта по единым методикам в соответствии с требованиями одного и того же нормативного документа с применением различных экземпляров оборудования разными операторами в разное время (п. 3.4 ГОСТ Р). Такие условия обеспечиваются при проведении испытаний в разных лабораториях.

Норматив (предел) воспроизводимости: Предельно допускаемое абсолютное расхождение между двумя результатами испытаний, полученными в условиях воспроизводимости для доверительной вероятности 0, 95 (п.3.4.1 ГОСТ Р).

В международной практике принято условное обозначение предела воспроизводимости R Ј |X1 - X2|, где X1 и X2 - результаты испытаний одного и того же объекта по единым методикам в соответствии с требованиями одного и того же нормативного документа с применением различных экземпляров оборудования разными операторами в разное время (в разных лабораториях).

При проведении межлабораторных испытаний для целей подтверждения соответствия X1 и X2 - результаты испытаний одного и того же объекта по единым методикам в соответствии с требованиями одного и того же нормативного документа в разных лабораториях [4].

Статистическая оценка воспроизводимости: Среднеквадратическое отклонение воспроизводимости результатов испытаний sR (п. 3.4.2 ГОСТ Р).

Следует отметить, что принятое в международной практике и стандартизованное в ГОСТ Р 51672 понятие воспроизводимости результатов испытаний фактически является и показателем воспроизводимости методики испытаний, при этом предполагается, что объекты испытаний при многократных испытаниях по этой методике полностью идентичны. Эту же количественную оценку воспроизводимости R можно распространить и на результаты испытаний одного и того же объекта в разных лабораториях по разным методикам при условии, что каждая методика аттестована. Нормирование предела воспроизводимости R результатов испытаний одного и того же объекта по стандартизованным альтернативным методикам в международной практике стандартизации методов испытаний продукции является обязательным.

Показатели воспроизводимости используются для разрешения спорных ситуаций между поставщиком и потребителем продукции, в том числе по результатам испытаний продукции для целей подтверждения соответствия. Для этих случаев в международной практике [4, 15] регламентированы алгоритмы оценки качества (приемлемости) результатов испытаний в случае возникновения спора между поставщиком и потребителем (см. раздел 6 настоящего пособия).

Повторяемость (сходимость) результатов испытаний: Характеристика результатов испытаний, определяемая близостью результатов испытаний одного и того же объекта по одной и той же методике в соответствии с требованиями одного и того же нормативного документа в одной и той же лаборатории одним и тем же оператором с использованием одного и того же экземпляра оборудования в течение короткого промежутка времени (п. 3.5 ГОСТ Р) (см. также ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002).

Норматив (предел) повторяемости (сходимости): Предельно допускаемое абсолютное расхождение между двумя результатами испытаний, полученными в условиях повторяемости (сходимости) для доверительной вероятности 0, 95 [4] (п. 3.5.1 ГОСТ Р).

В международной практике принято условное обозначение предела повторяемости (сходимости) |x1 - x2|, где x1 и x2 - два результата испытаний одного и того же объекта, по одной и той же методике в одной и той же лаборатории одним и тем же оператором с использованием одного и того же экземпляра оборудования в течение короткого промежутка времени.

Под коротким промежутком времени понимается время, необходимое в соответствии с методикой оператору для повторения испытания в условиях повторяемости (сходимости).Статистическая оценка повторяемости (сходимости): среднеквадратическое отклонение повторяемости (сходимости) результатов испытаний (п. 3.5.2 ГОСТ Р).

Достоверность результатов испытаний характеризует степень совпадения заключения о состоянии объекта испытаний действительному его состоянию.

Количественной характеристикой достоверности является показатель достоверности контроля при испытаниях, в качестве которого могут быть использованы вероятности ошибок контроля, определяющие риск поставщика или потребителя.

В стандарт ГОСТ Р 51672 включено справочное приложение, в котором отражены наиболее важные вопросы, относящиеся к заданию и определению погрешности и воспроизводимости результатов испытаний в соответствии с действующими отечественными нормативными документами и международными стандартами ИСО 5725 [4], ИСО 4259 [15]. Так, например, в этом приложении сформулирован ряд общих положений, относящихся к нормам на показатели точности результатов испытаний и к приписанным значениям показателей точности результатов испытаний. Дан перечень характеристик, которые могут использоваться для выражения точности результатов испытаний. Ряд пунктов приложения посвящен статистическим оценкам характеристик показателей точности результатов испытаний, в частности показателей повторяемости (сходимости) и воспроизводимости результатов испытаний. Разработчики стандарта, учитывая специфику ряда методических вопросов метрологического обеспечения испытаний продукции, сочли необходимым включить в него (в виде приложения) три примера, детально поясняющих расчет характеристик погрешности и воспроизводимости результатов испытаний. Примеры подобраны таким образом, чтобы они в наибольшей степени отражали некоторые «типовые» ситуации, характеризующие практику испытаний продукции (см. ГОСТ Р 51672 в приложении к настоящему пособию). С введением стандартов ГОСТ Р ИСО 5725 в ГОСТ 511 (пример 2) должны быть внесены уточнения в части нормирования условий определения воспроизводимости.

Характеристики показателей точности результатов испытаний определяются, в основном, методикой испытаний, представляющей собой «подробное описание практических действий, используемых при проведении испытаний по определенному методу» (ГОСТ Р 1.12, п. 143).

Методика испытаний является по существу технологическим процессом проведения испытаний, устанавливает правила применения стандартизованного метода испытаний. По ГОСТ Р 1.12 (п. 142) метод испытаний: Установленная техническая процедура проведения испытаний.

В соответствии с методом испытаний, в методике испытаний приводятся необходимые средства испытаний, заданные условия испытаний, операции подготовки к испытаниям, включая порядок отбора, подготовки и хранения образцов (проб) для испытаний, алгоритм выполнения операций по определению одной или нескольких взаимосвязанных характеристик свойств объекта испытаний; требования к квалификации персонала, проводящего испытания; алгоритмы обработки данных испытаний и вычислений результатов измерений при испытаниях; требования к оформлению результатов испытаний; требования к обеспечению безопасности выполняемых работ; требования к обеспечению экологической безопасности (см. п. 5.11 ГОСТ Р 51672).

метрологический измерение математический пневматический

2.1 Роль метрологической службы предприятия в реализации целей метрологического обеспечения

Статья 10. Государственная метрологическая служба и иные государственные службы обеспечения единства измерений.

1. Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта России и включает:

· государственные научные метрологические центры;

· органы Государственной метрологической службы на территории республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы и Санкт - Петербурга.

Госстандарт России осуществляет руководство Государственной службой времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ), Государственной службой стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО) и Государственной службой стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД) и координацию их деятельности.

2. Государственные научные метрологические центры несут ответственность за создание, совершенствование, хранение и применение государственных эталонов единиц величин, а также за разработку нормативных документов по обеспечению единства измерений.

3. Органы Государственной метрологической службы осуществляют государственный метрологический контроль и надзор на территориях республик в составе Российской Федерации, автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы и Санкт - Петербурга.

4. Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли осуществляет межрегиональную и межотраслевую координацию работ по обеспечению единства измерений времени, частоты и определения параметров вращения Земли.

5. Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов осуществляет межрегиональную и межотраслевую координацию работ по разработке и внедрению стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов в отраслях народного хозяйства в целях обеспечения единства измерений на основе их применения.

6. Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов осуществляет межрегиональную и межотраслевую координацию работ по разработке и внедрению стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов в науке и технике в целях обеспечения единства измерений на основе их применения.

7. Положения об организациях и органах Государственной метрологической службы и иных государственных службах обеспечения единства измерений, перечисленных в пунктах 2, 3, 4, 5 и 6 настоящей статьи, утверждаются в соответствии с настоящим Законом Правительством Российской Федерации.

Статья 11. Метрологические службы государственных органов управления Российской Федерации и юридических лиц

1. Государственные органы управления Российской Федерации, а также предприятия, организации, учреждения, являющиеся юридическими лицами, создают в необходимых случаях в установленном порядке метрологические службы для выполнения работ по обеспечению единства и требуемой точности измерений и для осуществления метрологического контроля и надзора.

При выполнении работ в сферах, предусмотренных статьей 13 настоящего Закона, создание метрологических служб или иных организационных структур по обеспечению единства измерений является обязательным.

Права и обязанности метрологических служб определяются положениями о них, утверждаемыми руководителями государственных органов управления Российской Федерации или юридических лиц в порядке, устанавливаемом Правительством Российской Федерации.

2. Метрологический контроль и надзор осуществляются метрологическими службами юридических лиц путем:

· калибровки средств измерений; надзора за состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами единиц величин, применяемыми для калибровки средств измерений, соблюдением метрологических правил и норм, нормативных документов по обеспечению единства измерений;

· выдачи обязательных предписаний, направленных на предотвращение, прекращение или устранение нарушений метрологических правил и норм;

· проверки своевременности представления средств измерений на испытания в целях утверждения типа средств измерений, а также на поверку и калибровку.

2.2 Математические модели средств измерений

Назначение СИ непосредственно следует из определения понятия «средство измерения», которое было дано в главе 1, а именно: назначение СИ -- это воспроизведение или хранение единицы измеряемой величины и получение на ее основе результата измерения путем сравнения измеряемой величины с единицей величины, ее кратными и дольными частями.

Рассмотрим классификацию СИ по их функциональным особенностям.

Меры -- средства измерений, воспроизводящие (хранящие) величины с известными размерами.

Меры, воспроизводящие одно значение величины, называются однозначными. Примерами однозначных мер являются: гиря весов, концевая мера, образцовый резистор и т. д.

Меры, воспроизводящие несколько известных размеров величины в заданном интервале, называются многозначными. Примерами многозначных мер являются: набор гирь весов, набор концевых мер, переменный образцовый конденсатор и т.д.

Требования к качеству изготовления меры задаются в форме поля допуска, а именно х_о±Тх, где х₀-- номинальное значение, Тх -- допуск. Каждый экземпляр изготовленной меры проходит аттестацию, ключевым элементом которой является определение Действительного значения х_д. Если оно попадает в поле допуска, то ^этот экземпляр меры считается годным и в аттестации на него указывается номинальное значение -- х₀, действительное значение -- х_д, а также погрешность аттестации меры -- в виде разности х_д-х₀. Для аттестованного экземпляра меры принимается, что он воспроизводит величину х_д.

Стандартные образцы и образцовые вещества -- изделия, выражающие общность свойств однотипных объектов и выполняющие роль эталонов при отображении свойств объектов в шкалу наименований или порядка. Примерами таких мер являются: образцы твердости, образцы качества поверхности, образцы цветности, образцы состава вещества и т. д.

Предельные калибры, шаблоны и т. п.-- СИ, воспроизводящие предельные значения границ полей допусков и допустимых областей и оценивающие на их основе принадлежность объекта измерения к классу эквивалентности. Типичным примером такого СИ являются калибр-пробка -- для оценки годности отверстий и калибр-скоба -- для оценки годности валов.

Измерительные приборы -- технические устройства (СИ), предназначенные для получения результата измерения (показания СИ). С их помощью осуществляется отображение измеряемой величины в результат измерения. Как правило, под измерительным прибором подразумевается СИ, измеряющее одну величину. Требования к качеству измерительных приборов предъявляются, исходя из требования обеспечения единства измерений.

Измерительные комплексы и системы -- совокупность технических устройств, обеспечивающая получение результатов измерений многих разнородных величин, их совместную обработку и выдачу результатов измерений в различных шкалах (наименований, порядка, интервалов). Отдельные СИ, входящие в такие системы, могут быть удалены друг от друга на большие расстояния. Они передают результаты измерений по каналам связи в единый центр, оснащенный вычислительными устройствами, который производит обработку поступающей информации, выдачу ее потребителям и управление структурно-локализованными частями системы.

Современные СИ строятся с использованием элементов цифровой вычислительной техники и являются цифровыми средствами измерения. Их отличительной особенностью является то, что они, во-первых, производят измерения величины в дискретные моменты времени, образующие последовательность t_n, n=1, 2, ... и, во-вторых, результаты измерений являются не непрерывными, а квантованными (дискретными) по значению величинами. Тогда и измеряемая величина и результат измерения представляются соответствующими последовательностями x(t_n), Y(t_n), n = 0, 1, ... причем, значения членов случайной последовательности Y(t_n), n = 0, 1, ... являются квантованными (дискретными). Поэтому далее рассмотрим математические модели измерительных приборов двух типов: аналоговые СИ (АСИ) и цифровые СИ (ЦСИ).

Многообразие средств измерений, используемых в измерениях, проводимых в процессе научной, производственной, коммерческой и иных видах деятельности, заставляет принимать энергичные меры по обеспечению единства измерений. Ключевым механизмом, обеспечивающим единство измерений, является выполнение требований по качеству результатов измерений. Обеспечением единства измерений занимается метрологическая служба. Научной основой обеспечения единства измерений служит теоретическая метрология. Ее задачами являются: создание системы единиц величин, теории измерений и математического аппарата, обеспечивающего возможность оценки выполнения требований по качеству результатов измерений расчетным путем при минимальном объеме экспериментального материала. Естественно, что СИ в теории измерений должны быть представлены математическими моделями, адекватно отражающими их свойства.

Математическая модель СИ -- описание математическими средствами особенностей и свойств СИ, влияющих на результат измерения.

2.3 Динамические математические модели аналогового СИ

Динамическая математическая модель СИ в форме линейного дифференциального уравнения

Влияние инерционных свойств СИ на результат измерения можно выявить, если рассматривать измерение как временной процесс. Когда инерционные свойства СИ существенны, результат измерения в фиксированный момент t будет зависеть не только от значения измеряемой величины в этот момент времени, но и от ее значений в предшествующие моменты времени. В этом случае имеет место преобразование измеряемой величины как функции времени в результат измерения как функцию времени, т. е. преобразование функции в функцию. Такой вид преобразования называется операторным. Его условная запись имеет вид

y(t)=Ax(t)+h(t),

где А -- оператор преобразования.

Ограничимся рассмотрением класса операторов, для которых определен принцип суперпозиции, т. е.

Такой класс операторов называется линейным. Кроме того, опустим пока из рассмотрения аддитивную составляющую погрешность h(t).

Если СИ выполняет преобразование измеряемой величины x(t) в результате измерения y(t), соответствующее линейному оператору, то математическая модель такого СИ записывается в форме линейного дифференциального уравнения следующего вида:

(1)

где -- постоянные коэффициенты, причем

к=- коэффициент чувствительности СИ;

- i-я производная у(t);

- j-я производная х(t).

Для математической модели СИ, заданной в форме (1), результат измерения будет определяться решением этого уравнения. При условии m< n и нулевых начальных условиях, т. е. когда СИ перед началом измерения находилось в покое, решение будет иметь вид:

(2)

где w(ф) - весовая функция СИ.

Для реальных СИ весовая функция обладает таким свойством

(3)

где Т_r--const -- длительность переходного состояния СИ.

Рассмотрим более подробно особенности формирования значения результата измерения для фиксированного момента t

Прежде всего заметим, что в силу свойства весовой функции (3), подынтегральная функция w(ф)x(t--ф) при фТ_r всюду равна нулю. Это означает, что при фТ_r, нижний предел интегрирования в выражении (2) можно заменить на ф - Т_r, т. е.

(4)

Далее результат измерения y(t) как интеграл равен площади подынтегральной функции w(ф)x(t--ф) на интервале [t - Т_r, t]. На рис. эта площадь заштрихована вертикальными линиями. Но поскольку значения подынтегральной функции w(ф)x(t--ф) образованы с участием значений измеряемой величины в моменты времени, предшествующие текущему моменту ф [t-- --T_r, t], то преобразование, представленное (4) выражением, является операторным.

Теперь определим следующее понятие.

Динамический режим измерения -- такой режим измерения, при котором имеет место операторное преобразование измеряемой величины в результат измерения. Условием, обеспечивающим существование динамического режима, является такое влияние на результат измерения инерционных свойств СИ, пренебречь которым нельзя.

2.4 Динамическая математическая модель СИ в форме передаточной функции и частотной характеристики

Вид связи между результатом измерения и измеряемой величиной, представленный выражением (2), является сложным. Более простую связь можно получить, если от функций времени у (t) и x(t) и иx производных перейти к соответствующим функциям комплексного аргумента

p=+j,

где -- const, =2f-- круговая частота, f-- частота, j= мнимая единица.

Такой переход осуществляется на основе преобразования Лапласа. L{x(t)}=X(р)=x(t)e -^pt dt-- прямое преобразование Лапласа (переход к изображению).

Приведем следующие три свойства преобразования Лапласа, которые потребуются в последующем положении:

1. L {c₁x₁(t) + с₂х₂ (t)} = с₁X1 (p) + с₂Х₂ (р) (свойство линейности).

.

(свертка оригиналов).

Если применить операцию преобразования Лапласа к левой и правой частям линейного дифференциального уравнения (1), то с учетом этих свойств получим

Найдем отношение

(5)

где - передаточная функция СИ, определяемая как отношение изображения результата измерения к изображению измеряемой величины;

- нормированная передаточная функция СИ (именно она отражает инерционные свойства СИ);

- полином от р соответственно числителя и знаменателя передаточной функции W₀(p)

Очевидно, что при а₀=b₀=1, получим

W₀(p)І _р=0 =1;(6)

Заметим, что для безынерционного СИ W₀(p)=1 и, следовательно, для него передаточная функция W_o(p)=k.

Из уравнения (5) следует, что

(7)

Таким образом, передаточная функция СИ обеспечивает более простую связь между изображениями результата измерения и измеряемой величины.

Порядок определения результата измерения у (t) для измеряемой величины x(t) с использованием связи (7) показан на рисунке



Сначала, пользуясь таблицами преобразования Лапласа, нужно перейти к изображению Х(р). Затем, используя связь (7), определить изображение Y(p). Наконец, от изображения Y(p), пользуясь теми же таблицами, перейти к оригиналу у (t).

Передаточная функция -- подробная, но малонаглядная динамическая модель средства измерения. К тому же ее трудно определить экспериментально. Поэтому на практике используются другие динамические модели СИ: переходная, импульсная переходная или весовая функция, комплексная частотная характеристика. Их можно рассматривать как решения приведенного выше дифференциального уравнения при определенных типовых воздействиях и начальных условиях.

Положим p=j. Тогда преобразование Лапласа перейдет в преобразование Фурье:

Отношение изображения Фурье результата измерения к изображению Фурье измеряемой величины называется комплексной частотной характеристикой СИ, т. е.

(8)

где W₀(j) -- нормированная комплексная частотная характеристика СИ. На основе выражения (7) получим простую связь между изображением Фурье результата измерения и изображения Фурье измеряемой величины, а именно

Нормированную комплексную частотную характеристику можно представить в следующих формах:

где - где U() -- действительная часть; V() -- мнимая часть;

- нормированная амплитудно-частотная характеристика СИ (АЧХ); б()=arctg фазо-частотная характеристика СИ (ФЧХ).

Поясним физический смысл АЧХ и ФЧХ. В соответствии с выражением (8) получим

Отсюда следует

т. е. АЧХ выражает отношение амплитуды гармонического колебания на выходе СИ к амплитуде гармонического колебания на входе СИ как функцию частоты, а ФЧХ выражает разность фаз гармонических колебаний на выходе и входе СИ как функцию частоты. Таким образом, экспериментальное определение АЧХ и ФЧХ СИ сводится к подаче на вход СИ изменяющейся по гармоническому закону величины и определению отношения амплитуды результата измерения к амплитуде входной величины и сдвига фазы как функции частоты.

Передаточная функция и' комплексная частотная характеристика являются математическими моделями СИ в области аргументов р и соответственно.

В силу взаимной однозначности частотной характеристики и передаточной функции, частотной характеристики и дифференциального уравнения можно на основе экспериментальных АЧХ и ФЧХ восстановить дифференциальное уравнение СИ.

Математические модели СИ в форме передаточной функции и комплексной частотной характеристики дают возможность в бoлее простой форме представить связь между измеряемой величиной и результатом измерения в области комплексного аргумента р и в частотной области.

3. Выбор конкретного метода и СИ для линейных перемещений

3.1 Средства измерения и контроля с пневматическим преобразованием

Пневматические измерительные приборы нашли широкое применение для контроля линейных размеров. Они обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения в относительно труднодоступных местах, имеют низкую чувствительность к вибрациям. Пневматические бесконтактные измерения дают возможность контролировать легкодеформируемые детали, детали с малыми величинами микронеровностей, которые могут быть повреждены механическим контактом, а также исключают износ измерительных поверхностей контрольных устройств, что повышает точность и надежность контроля. Пневматические приборы сравнительно легко поддаются автоматизации, просты в эксплуатации, требуют менее квалифицированного обслуживания. Однако эти приборы обладают значительной инерционностью, снижающей их производительность.

Пневматические измерительные приборы делятся на два типа:

· приборы, в которых измеряется давление воздуха, -- манометрические («Солекс»);

· приборы, регистрирующие скорость истечения воздуха или его расход, - расходомерные («Ротаметр»).

Приборы манометрического типа нашли более широкое распространение в устройствах активного контроля.

Вне зависимости от типа пневматический измерительный прибор состоит из измерительной головки, включающей в себя показывающий прибор, чувствительного элемента (сопла) и источника сжатого воздуха. Источник сжатого воздуха в свою очередь содержит: компрессор; отстойники, в которых воздух очищается от влага; фильтры, в которых воздух очищается от механических включений; редуктор, понижающий давление до нужной величины; стабилизатор давления, поддерживающий давление строго постоянным.

В зависимости от величины рабочего давления различают пневматические приборы низкого (например, 10 кПа) и высокого (например, 150 кПа) давления. И те и другие работают от сети давления 0, 2…0, 6 Мпа. Приборы низкого давления расходуют на измерение одного параметра до 10 л/мин воздуха, приборы высокого давления - до 20 л/мин.

В пневматических измерительных приборах для линейных измерений использована зависимость между площадью проходного сечения канала истечения и весовым расходом через него воздуха. Площадь канала истечения изменяется за счёт измеряемого линейного перемещения.

Пневматический метод измерения размеров используется в неавтоматических и автоматических измерительных приборах для контроля деталей, а также в приборах, управляющих работой металлообрабатывающих станков. Приборы, основанные на пневматическом методе, применяются как для бесконтактного, так и контактного измерений.

Пневматические приборы служат для измерений относительным методом. Приборы, основанные на пневматическом методе измерения размеров, нашли широкое применение вследствие ряда преимуществ.

3.2 Достоинства пневматических измерительных приборов

· возможность выполнять измерения бесконтактным способом, что позволяет контролировать размеры тонкостенных деталей и изделий из мягких материалов, а также деталей с высоким классом чистоты поверхности;

· высокая точность измерения и значительное передаточное отношение;

· контроль размеров в труднодоступных местах деталей, например, диаметров и площадей поперечных сечений отверстий малых диаметров, диаметров глубоких отверстий;

· возможность расположения отсчетного устройства на относительно большом расстоянии от измерительной позиции;

· возможность автоматизации процесса контроля размеров, в том числе и выполнения функций управления станком в процессе обработки;

· возможность одновременного контроля нескольких размеров;

· возможность совмещения операций контроля с вычислительными операциями, например, при контроле суммы или разности размеров; возможность изменения передаточного отношения и предела измерения без изменения конструкции прибора простыми способами (подбором размеров сопел, изменением величины зазора или регулировкой давления воздуха);

· отсутствие влияния вибрации на измерения линейных размеров результаты измерения;

· возможность контроля размеров деталей с прерывистыми поверхностями; возможность контроля размеров деталей, находящихся в магнитном поле;

· наладка, регулировка и обслуживание приборов осуществляются просто.

3.3 Недостатки пневматических измерительных приборов

· сравнительно малый предел измерения (до 0, 2 мм);

· относительно большую инерционность и необходимость наличия источника питания сжатым воздухом.

3.4 Пневматические измерительные приборы

Приборы давления (манометрические) выпускаются одномерными и многомерными в двух вариантах: цеховой прибор с длиной манометрической трубки 500мм и лабораторный прибор с длиной манометрической трубки 1230 мм. Передаточное отношение в этих приборах достигает 20 000.

Конструкция прибора давления на примере прибора низкого давления с водяным манометром ДПНД-500, выпускаемого заводом «Калибр», показана на рис. 1. он представляет собой цилиндрический баллон 1, сообщающийся с атмосферой и наполненный водой, в которую погружена трубка 2. К верхней части этой трубки через трубопровод 3 и дроссельное устройство4 подаётся компрессором воздух под давлением р. В трубке 2 автоматически поддерживается практически постоянное давление, определяемое высотой Н столба в баллоне 1.

...