Требования к точности измерений

Так как абсолютная ошибка данного прибора равна ± 1, то шкала должна иметь десять больших делений, определяющих десятки единиц измеряемой величины и каждое большое деление разбито на десять маленьких делений, что позволяет определить точность измерения в одну единицу. Всего имеем 100 делений. Если прибор является настольным, то можно различить расстояние между делениями в 1 мм. Таким образом, получаем длину шкалы 100 мм. Этим самым полностью определяется метрологическая конструкция прибора класса 20 для профессионального использования.

Прибор класса 25 при абсолютной ошибке ± 1 бует иметь предельное значение шкалы измеряемой величины на 316 единиц, причем значения до 20 чит сохранят свое положение, а свыше будут расположены по таблице:

Шкала точности, чит             

Шкала измеряемой величины

При том же самом расстоянии между делениями, длина шкалы составит уже 316 мм. Шкалу можно уменьшить вдвое, если сделать деления через две единицы и считывать показания с точность до середины между делениями, что вполне допустимо. Тогда шкала станет равной 180 мм. Фактически, указывающий прибор на весь интервал измерения от 0 до предельного значения более, чем класса точности сделать нельзя[3].

Впрочем, сейчас проблема высокоточных показывающих приборов практически ушла в прошлое, так как высокоточная метрология почти полностью перешла на цифровую измерительную технику.

Для расширения пределов измерения используются два способа.

Первый способ состоит в сдвиге начального значения. Такой сдвиг осуществляется различными способами. Например, в стрелочных весах такой сдвиг осуществляют добавлением эталонной гири на специальную платформу. Точность эталонной гири должна быть не ниже класса точности самого измерительного прибора. В этих условиях точность измерения за пределом основной шкалы становится выше класса точности самого измерительного прибора.

Второй способ расширения состоит в делении измеряемой величины в кратное число раз. Наивыгоднейший способ деления будет по ряду: 1, 3.16, 10, 31.6 и т.д. В этом случае прибором с классом точности Т весь ряд измерений можно измерять с точностью не хуже Т-5. Это наиболее экономичный способ, так как позволяет иметь всего две шкалы измеряемых величин с использованием десятичных множителей, которые наносятся на переключателе диапазонов.

Однако можно использовать и декадный делитель. В этом случае поле измерений составит Т-10 — Т.

Например, если использовать класс точности 20, то в этом случае мы имеем измерительное поле 10-20 чит. Такие приборы также вполне могут иметь спрос для грубых измерений, например, в бытовых вольамперомметрах. При этом области измерения ниже 10 чит можно вообще не показывать, т.е. все измерения вести в интервале (1-10)*10n. А интервал от 0 до 1 вообще не выводить для наблюдения. Это можно сделать двумя способами. Либо просто закрыть от наблюдения левую часть измерительной шкалы, либо использовать специально устройства противодавления, например, пружину, которая будет удерживать стрелку у ноля до достижения показания 1. Правда, в этом случае возникает проблема поверки прибора и потребуется иметь некий эталонное силовое воздействие, с помощью которого можно было бы поверять прибор перед началом измерений. Именно такие приборы, в которых показываются только метрологически значимая часть шкалы, являются с метрологической точки зрения наиболее правильными. И на конструкцию метрологически правильных приборов также можно взять патент или свидетельство на полезную модель.

Можно разбить поддиапазон 1-10 разбить на три поддиапазона 1— 2.154, 2.154 — 4.64, 4.64 — 10 и если класс точности прибора 20, то выполнять все измерения в интервале 17-20. Это означает, что поверку прибора класса 20 с диапазоном измерений 10-20 можно осуществлять тем же самым прибором, но использующим измерения в интервале 17-20. Таким образом, разные метрологические оформления одного и того же измерительного устройства позволяют его использовать и в качестве стандартного прибора и в качестве эталонного. Это тоже может стать предметом изобретения.

Цифровые измерительные приборы

Цифровая измерительная техника получила в настоящее время широкое распространение. Она позволяет создавать более высокоточные приборы. В настоящее время точность цифровых приборов доходит до 60 и даже более чит, что просто невозможно с помощью показывающих приборов.

Однако в подавляющем большинстве случаев цифровые приборы используются для измерений, в которых эта предельная точность вовсе не нужна.

Измерения на предельной точности оказывает большую нагрузку на измерительное устройство и резко снижает ресурс его работы. Наконец, многочисленные лишние цифры утомляют измерителя, заставляют его тратить время. Поэтому предлагается новая схема измерений и новая конструкция цифрового измерительного прибора.

Предмет измерения. Способ измерения с помощью цифрового измерительного устройства, отличающийся тем, что пользователь устанавливает требуемую точность измерения, а выбор диапазона измерения номинала осуществляется автоматически для измерения его с равной или превышающей, но максимально близкой точностью. Соответственно и устройство имеет конструкцию, содержащую переключатель точности измерения на стандартный класс точностей (например, 10, 15, 20, 25… чит) и имеется устройство перебора диапазонов, автоматически выбирающее наиболее грубый диапазон измерения, на котором удовлетворялась бы заданная точность, причем вывод на показ результата осуществляется со значимостью, соответствующей заданной точности (на единицу больше цифр, чем число десяток в заданном значении точности).

Такое использование цифровых приборов является метрологически наиболее грамотным и будет способствовать увеличению ресурсов работы прибора. Наконец, это гораздо проще, чем каждый раз выбирать диапазоны измерения по отношению к измеряемой величине, позволяет значительно ускорить процесс измерения и автоматизировать его.

Глава 2. Метрологическое проектирование

Предположим, нам необходимо спроектировать систему контрольно-измерительных приборов для некоторого производства.

Первым шагом выделяются отдельные метрологические поля. Это может быть поле температуры, давления, скорости и т.д. На производстве, как правило, имеется не одно, а несколько метрологических полей.

После этого необходимо определить метрологические характеристики по каждому полю. Нижний уровень точности определяется из технического задания на метрологическое проектирование, она определяется технологией производства, с какой минимальной точностью должны измеряться и контролироваться те или характеристики производственного процесса. При этом используются стандартные значения из основного или вспомогательного ряда чисел точностей.

После этого на основании данных о размахе изменения номинала каждого метрологического поля определяют, используется ли однодиапазонное, или многодиапазонное измерения. При многодиапазонном измерении девиацию метрологического поля можно принять небольшой, например, минимальной — 5 чит. Если размах изменения не очень велик, то можно использовать однодиапазонное измерение, например, 5 или 10 чит. Этим самым мы получаем верхнюю границу метрологического поля, которая и является классом точности измерительных приборов. А уже по определенному классу точности определяются необходимые приборы.

Такая система метрологического проектирования позволяет оптимизировать метрологическую систему, иметь систему КИП и автоматики минимальной стоимости.

Пример проектирования измерительно-приборной системы

Приведем пример проектирования измерительно-приборной системы.

Пусть нам необходимо спроектировать измерительно-приборную систему для взвешивания продовольственных товаров в магазине с указывающими приборами — весами.

В качестве технического задания на проектирование примем, что допустимая относительная погрешность взвешивания не должна превышать один процент в самом неблагоприятном случае, а погрешность в оплате товаров в самом неблагоприятном случае не должна превышать пяти рублей при продаже самых дорогостоящих товаров, цена которых принимается в 500 рублей за килограмм.

Отсюда следует, что нижняя грань точности метрологического поля должна составлять 20 чит. 5 рублей от 500 составляет 10 граммов продукта. Значит, абсолютная точности весов должна быть 10 граммов. Принимает предельный размер взвешиваемого товара 1000 граммов. Тогда верхняя грань метрологического поля будет 30 чит. Следовательно, необходимо использовать весы класса точности 40 с верхним пределом 1000 граммов. Область допустимых измерений составляет от 100 до 1000 граммов. Используются большие деления на 100 граммов, средние на 50 и малые на 10 граммов. Область от 0 до 100 граммов недопустима для использования, поэтому эта область вообще не размечается. Размечает только 0 для установки нуля, а рабочие деления начинаются только со 100 граммов.

Принимаем, что показания должны считываться с расстояния не менее двух метров лицам с пониженным зрением, например, при зрении ± 3 диоптрии. Каково должно быть расстояние между двумя черточками, чтобы человек с таким зрением мог их разделить с расстояния 2 метра — это узнаем у офтальмологов. Например, пусть 5 мм. Тогда длина всей шкалы должна быть 500 миллиметров.

На этом метрологический этап проектирования с точки зрения публичного пользователя — покупателя, заканчивается, и следующий этап есть уже этап физического проектирования самих весов на основании этих данных.

Ясно, что для публичного пользователя никаких индексов точности наносить не надо. Весы автоматически спроектированы так, чтобы метрологической корректности измерения достигалась автоматически. Желательно еще иметь контрольную гирю, например, на 1000 или 500 граммов для поверки весов. Если с точки зрения метролога 1000-грамовая гиря лучше, то с точки зрения публичного пользователя лучше иметь 500-грамовую, так как у широких масс есть недоверие к границам, мол, на границах все может быть и хорошо, а вот в центре… Вот почему лучше иметь 500 граммовую гирю. Она может быть одна на весь магазин, иметь класс точности 40 и защищена от фальсификации, например, остеклована или покрыта узором, нарушение которого сразу же показывали бы нарушения ее целостности.

Сопряжение втулки и отверстия

Сопряжения размеров является весьма распространенной задачей. Например, вала и отверстия, оси и отверстия размещенного на них устройства, заклепки, шипа, дюбеля и отверстия, колеса и корпуса, в котором он размещен, шпонки и посадочного места на вале и шестерне и т.д. Причем втулка и отверстие могут иметь различную геометрическую фору — круглыми, квадратными, линейными и т.д.

В настоящее время для каждого типа сопряжения разрабатываются отдельные стандарты, которые представляются в виде больших таблиц допусков и посадок.

Это связано с тем, что все эти вопросы разрабатывались конструкторами. Но метрология позволяет дать решение этой проблемы единым образом.

По системе сопряжения различают сопряжения в системе втулки и в системе отверстия. В системе втулки по номиналу делается втулка, а отверстие уже сопрягается с втулкой, в системе отверстия по номиналу изготавливается отверстие, а размер втулки подгоняются под размер отверстия.

По характеру сопряжения различают подвижное и неподвижное сопряжение, причем различают несколько видов подвижного и неподвижного сопряжения — ходовое, легкоходовое, плотное, прессовое и т.д.

Наконец, сопряжения различаются классом точности.

Оказывается номинала сопрягаемых объектов, система сопряжения, характер сопряжения и индекс точности сопрягаемых объектов позволяют полностью описать всю геометрию сопряжения вне зависимости от их вида и назначения.

Если сопрягающий объект имеет размер a/t (a — номинал, t — индекс точности), то сопрягаемый объект должен иметь размер (a+n*D a)/t. Здесь n зависит от типа сопряжения, а D a есть абсолютная погрешность в данном классе точности. В системе втулки n<0 соответствует неподвижному соединению, n>0 соответствует неподвижному соединению. При n=0 характер соединения не определен. В системе отверстия, наоборот, при отрицательном n имеем подвижное соединение, при n положительном имеем неподвижное соединение.

Таким образом, достаточно только стандартизировать значения n, чтобы полностью описать любое сопряжение вала и отверстия, шпонки и посадочного места и т.д.

Например, определим геометрию прессового сопряжения вала с отверстием в системе вала диаметром 100 мм в классе точности 40.

Примем, что для этого соединения n=4.

Для индекса точности 40 относительная ошибка равна 1*10-4, абсолютная ошибка для размера 100 мм равна 0.1 мм. Отсюда вал делаем диаметром 100,0± 0.1 мм, а отверстие делаем размером 100,0-4*0.1=99,6 мм также в классе точности 40, т.е. с погрешностью ± 0.1 мм. Итак, размер отверстия 99,6/40 мм. Никаких таблиц допусков и посадок не потребовалось.

Отметим также, что для изготовления по таблицам допусков и посадок потребовались бы гораздо большее количество измерений при изготовлении отверстия и более точный измерительный инструмент. Здесь же необходимо иметь лишь измерение номинала с помощью измерительного прибора, позволяющего измерять номинал 100 мм с точностью равной или лучшей, чем 40 чит. Это вполне может быть и штангенциркуль. Само измерение осуществляется гораздо проще. Таким образом, имеем увеличение производительности труда, экономию измерительных инструментов, и производственных инструментов (сверл) или число проходов фрезерного станка, а также возможность использования работника с более низкой квалификацией.

Маркировка точности

При производстве изделий, характеризующихся своим нецелым номинальным значением в настоящее время используются различные классы точности и осуществляется их маркировка по классам точности.

На самом деле необходимо описание не по классам, а группам точности, т.е. маркировка должна указывать предельно допустимую точность.

Кроме того, в каждой области производства и техники используются свои стандарты, свои виды маркировок, что создает большие затруднения. Например, в радиотехнике используется маркировка по точности с помощью цвета изделия, например, резистора.

Необходимо иметь единую универсальную маркировку любых изделий по индексам точности, которую и наносить на изделие, например, 50/20 Ком, 100/40 мм и т.д. Тогда это станет понятным каждому человеку, имеющему даже самое поверхностное представление о метрологии.

На всех чертежах, схемах и других проектных и отчетных документах все размеры и величины должны иметь метрологическую характеристику. Например, на чертеже можно размеры, которые имеют высокую метрологическую характеристику, маркировать прямо в месте указания номинала, а метрологическую характеристику некритических элементов указывать в спецификации чертежа или схемы.

Видимо, проблема метрологического описания измерений, измерительных устройств, объектов метрологии может иметь единое метрологическое описание, которое позволит поднять метрологическую культуру не только техники, но и даже быта.