ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Опорный конспект

ДИСЦИПЛИНА: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

авторы: Левина И.Э, Платонова М. Ю.

Санкт- Петербург

2010 г.

Измерения служат для познания природы:

точность измерений — это путь к открытиям,

хранению и применению точных значений.

Человечество стало заниматься вопросами, связанными с измерениями, когда начали формироваться первые цивилизации, стала развиваться торговля, строительство, производство. Для этого потребовались общепринятые, утвержденные единицы и способы измерений.

Стандартизация, метрология и сертификация - это инструменты обеспечения качества продукции, работ и услуг.

1. Стандарт устанавливает основные потребительские свойства товара.

2. Метрология гарантирует методами различного контроля, что изготовленная продукция соответствует стандарту, техническим условиям и др.

3. Сертификация - это процедура, по средством которой независимая третья сторона документально удостоверяет, что продукция или услуга соответствует установленным нормам.

Слово метрология образовано из двух греческих слов метрон (мера) и логос (учение, умение) и означает - учение о мерах.

Д. И. Менделеев говорил, что наука начинается тогда, когда начинают измерять. Метрология в современном понимании - наука об измерениях, методах и средст­вах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точ­ности.

В 1875 году Метрическая конвенция узаконила систему, основанную на единицах - метре и килограмме как международную. Россия подписала декларацию о принятии метрической системы и получила платиноиридиевого эталоны массы и метра.

В 1918 году в России декретом Совета Народных Комиссаров «О введении Международной метрической системы мер и весов» была введена метрическая система.

В 1978 году для единообразия в единицах измерений был утвержден Международный стандарт «Единицы физических вели­чин» (СИ), который введен с 1 января 1979 года как обязательный во всех областях народного хозяйства, науки, техники и при препо­давании

В 1993 году был принят «Закон Российской Федерации об обеспе­чении единства измерений», который устанавливает правовые ос­новы обеспечения единства измерений в Российской Федерации.

В современной промышлен­ности доля затрат труда на выполнение измерений составляет в среднем 10 % общих затрат труда на всех этапах создания и экс­плуатации продукции, а в отдельных отраслях, в частности, элек­тронной, радиотехнической, химической, достигает 50-60 %.

Всемирный День метрологии отмечается ежегодно 20 мая. Праздник учрежден Международным Комитетом мер и весов (МКМВ) в октябре 1999 года, на 88 заседании МКМВ

Техническими основами метрологического обеспечения яв­ляются:

• система государственных эталонов единиц физических ве­личин;

• система передачи размеров единиц физических величин от эталона всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и других средств поверки;

• система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих опреде­ление с требуемой точностью характеристик продукции, технологи­ческих процессов и других объектов;

• система обязательных государственных испытаний средств измерений;

• система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.

Руководство метрологическим обеспечением страны осуществляет Госстандарт России.

Метрологическая служба— совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений.

Метрологическая служба РФ состоит из государственной метрологической службы, территориальных органов Госстандарта РФ, ведомственных метро­логических служб.

Государственный метрологический надзор осуществляется Госстандартом РФ, главным управлением государственного надзора, лабораторией государственного надзора (ЛГН).

Обеспечение единства измерений является задачей метрологических служб.

Для обеспечения единства отдельных видов измерений при Госстандарте РФ созданы:

· Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ)

· Государственная служба стандартных справочных образцов состава и свойств веществ и материалов (ГССО)

· Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов (ГСССД).

Основными задачами метрологии являются;

· обеспечение исследований, производства и экс­плуатации технических устройств;

· контроль за состоянием окружающей среды;

· обеспечение учреждений организаций соответствующими средствами измерений

Метрологию подразделяют на:

· общую — теоретическую и экспериментальную;

· прикладную (практическую);

· законодательную.

Теоретическая метрологиязанимается вопросами фун­даментальных исследований, созданием системы единиц из­мерений, физических постоянных, разработкой новых мето­дов измерений.

Экспериментальная метрология— вопросами созда­ния эталонов, образцов мер, разработкой новых измеритель­ных приборов, устройств и информационных систем.

Прикладная (практическая) метрология занимается вопросами практического применения в различных сферах деятельности результатов теоретических исследований в рамках метрологии.

Законодательная метрологиявключает комплекс взаи­мосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, регламентация и контроль которых необхо­димы со стороны государства и для обеспечения единства из­мерений и единообразия системы измерений.

Объектами государственного надзора являются:

1. нормативные документы по стандартизации и техническая документация;

2. продук­ция, процессы и услуги;

3. иные объекты в соответствии с действую­щим законодательством о государственном надзоре.

Международная система единиц Systeme International d' Unites (СИ)

Единством измерений называется состояние измерений, при которых их результаты выражены в узаконенных единицах и по­грешности известны с заданной вероятностью.

Единица физической величины— это физическая вели­чина, которой по определению присвоено числовое зна­чение, равное единице (1 метр).

Система единиц физических величин— совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с приняты­ми принципами

Для единообразия в единицах измерений в 1978 года был утвержден Международный стандарт «Единицы физических вели­чин» (СИ), который введен с 1 января 1979 года как обязательный во всех областях народного хозяйства, науки, техники и при препо­давании

Основными преимуществами Международной системы единиц являются:

· унификация единиц физических величин на базе СИ. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и сис­тема образования кратных и дольных единиц от нее с помощью множителей

· система СИ является универсальной системой. Она охватыва­ет все области науки, техники и отрасли экономики;

· основные и большинство производных единиц СИ имеют удоб­ные для практического применения размеры. В системе разграни­чены единицы массы (килограмм) и силы (ньютон);

· упрощается запись уравнений и формул в различных областях науки и техники. В СИ для всех видов энергии (механической, тепло­вой, электрической и др.) установлена одна, общая единица — джоуль

Международная система единиц Systeme International d' Unites (СИ)

• единица длины — метр — длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды;

• единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма;

• единица времени — секунда — продолжительность 9192631770 периодов излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;

• единица силы электрического тока - ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 · 10^-7 Η на каждый метр длины;

• единица термодинамической температуры — кельвин — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки йоды. Допускается также применение шкалы Цельсия;

• единица количества вещества— моль— количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг;

• единица силы света — кандела— сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 · 10¹² Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср

Международная система единиц содержит также две дополнитель­ные единицы: для плоского угла — радиан и для телесного угла — стерадиан

Метрологические показатели измерительных средств и методы измерений

В 1994 г. введен новый рекомендательный документ «Рекомен­дации. Метрология. Основные термины и определения», раз­работанный НИИ метрологии.

Измерениемназывается нахождение значения физической ве­личины опытным путем с помощью специальных технических средств.

К основным показателям относятся: цена деления шкалы, ин­тервал деления шкалы, допускаемая погрешность измерительного средства, пределы измерения и измерительное усилие.

Измерить- определить действительный размер с заданной _N точностью с помощью каких-либо универсальных измерительных средств.

Проконтролировать- установить факт годности или негодно­сти проверяемого размера.

Мера - средство измерения, предназначенное для воспроизве­дения физической величины

Калибраминазываются меры, имеющие форму поверхности, противоположную (обратную) контролируемому объекту.

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 методыизмеренияи соответствующие им средства измерения.

При абсолютном методе оценка значения всей измеряемой величины производится непосредственно по шкале при­бора.

Относительный (сравнительный) метод основан на сравнении измеряемой величины с установочной мерой, по которой прибор предварительно настраивается на нуль.

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.

По характеру взаимодействия средств измерения с измеряемым объектом методы и средства измерения разделяются на контактные и бесконтактные.

В зависимости от количества одновременно выявляемых раз­личных параметров методы и средства измерения разделяют на диф­ференцированные (поэлементные) и комплексные.

Дифференцированным (поэлементным) называется измерение, при котором измеряют каждый из ее элементов или параметров, характеризующих точность.

Комплексными называются измерения, при которых опреде­ляется влияние всех элементов вместе, в их взаимосвязи между собой.

По характеру взаимосвязи результатов измерения с техноло­гическим процессом производится разделение приборов на актив­ные и пассивные.

Приборы активного контроля предназначены для измерения параметров в процессе работы и дают информацию о необходимости изменения режимов обработки до окончания технологического процесса.

Приборами пассивного контроля оценивают параметры уже готового изделия, производят измерения после окончания обработки и фиксируют полученную точность обработки детали.

Диапазон измерения(предел изменения прибора) - диапазон значений физической величины который может быть измерен данным средством и для которого нормируется допускаемая погрешность.

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 значений измеряемой величины.

ШКАЛЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В теории измерений принято, в основном, пять типов шкал:

· наи­менования

· порядка

· интервалов

· отношений

· абсолютная

Шкалы наименованийхарактеризуются только отношением экви­валентности. Примером такой шкалы является оценка цвета по наименованиям (атласы цветов).

Шкалы порядкахарактеризуются отношением эквивалентности и порядка. Для практического использования такой шкалы необхо­димо установить ряд эталонов. К шкалам порядка относятся, например, шкала землетрясений, шкала силы ветра, шкала твердости тел и т. п.

Шкала разностейотличается от шкалы порядка тем, что кроме отношений эквивалентности и порядка добавляется эквивалентность интервалов (разностей) между различными количественными про­явлениями свойства. Она имеет условные нулевые значения, а ве­личина интервалов устанавливается по согласованию. Характерным примером такой шкалы является шкала интервалов времени. Ин­тервалы времени можно суммировать (вычитать).

Шкалы отношенийописывают свойства, к которым применимы отношения эквивалентности, порядка и суммирования, а, следова­тельно, вычитания и умножения. Эти шкалы имеют естественное нулевое значение, а единицы измерений устанавливаются по согла­сованию. Примером шкалы отношений является шкала мас­сы.

Абсолютные шкалыобладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное опреде­ление единицы измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам (отношениям одноименных физических величин, описыва­емых шкалами отношений). Среди абсолютных шкал выделяются абсо­лютные шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Такой величиной является, например, коэффициент полезного действия.

Погрешности измерений, их виды и источники

Узнать абсолютное значение измеряемой величины нельзя, так как результаты наших измерений несвободны от погрешностей. По­этому измерения одной и той же постоянной величины при сохране­нии одних и тех же внешних условий часто дают неодинаковые ре­зультаты, отличающиеся на небольшую величину. Погрешностью измерения называется отклонение результата измерения X_i от истинного значения

Погрешности измерений подразделяют на систематические, случайные и грубые (промахи).

Систематической называется такая погрешность, значение ко­торой при повторных измерениях повторяется или закономерно из­меняется. Эти погрешности либо увеличивают результат каждого измерения, либо уменьшают его на одну и ту же величину. Напри­мер, если измерительную головку установить на нуль по конце­вой мере, действительный размер которой меньше номинального на 1 мкм, то при всех измерениях будет погрешность 1 мкм со зна­ком минус.

Влияние систематических погрешностей можно устранить, ес­ли ликвидировать причины их появления или внести поправку в ре­зультат измерений, равный величине погрешности, но с обратным знаком, как например это делается, когда известно, что часы отста­ют на 3 минуты.

Случайной называется погрешность измерения, принимающая при повторных измерениях одной и той же величины и в тех же ус­ловиях разные значения по величине и знаку. Случайные погрешности вызываются многочисленными случайными причинами: влияни­ем неодинаковости измерительного усилия, влиянием зазора между деталями измерительного прибора, погрешностью при отсчете пока­заний прибора, неточностью установки измеряемого изделия отно­сительно измерительного устройства и др.

Величину и знак возможной случайной погрешности заранее, т.е. до проведения измерения, установить нельзя. Практикой уста­новлено, что распределение случайных погрешностей измерений в большинстве случаев близко к закону нормального распределения. Поэтому допускают, что погрешности, одинаковые по величине, но разные по знаку, равновероятны. Наибольшее число измерений имеют малые погрешности, близкие к нулю (малые по величине по­грешности встречаются чаще, чем большие). Ввиду того, что одина­ково вероятны как плюсовые, так и минусовые случайные погреш­ности, при достаточно большом количестве повторных измерений среднее арифметическое значение ряда повторных измерений дает наиболее точное значение измеряемой величины (размера).

При многократных измерениях погрешность измерения от случайных ошибок уменьшается в n ^0,5 раз, где п - число измерений.

На основе закона нормального распределения случайных ве­личин можно многократным измерением одних и тех же величин одним и тем же измерительным средством уменьшить влияние слу­чайных ошибок, так как они усредняются и в итоге повышается точ­ность результата измерения. На машиностроительных и приборо­строительных заводах многократность измерений как способ повы­шения надежности и достоверности результата измерений применя­ют довольно часто.

Проведя несколько повторных измерений одной и той же ве­личины и получив различные результаты, определяют среднее арифметическое значение ряда измерений X и принимают его за значение измеряемой величины Х_ист, т.е. принимают Х_ист = X.

Из результатов многократных измерений можно получить бо­лее полную информацию об интересующей нас величине, например о размере опытной детали, если провести еще несложную математи­ческую обработку результатов всех проведенных измерений. Прак­тика показывает, что при современных требованиях к производству точных изделий боязнь небольшой математической обработки ре­зультатов измерений является врагом точности.

Поэтому, ценность результата многократных измерений значительно повышается, если
кроме среднего арифметического значения X будет определена пре­
дельная погрешность среднего арифметического в виде σ которая
зависит от значения амплитуды рассеяния размеров и количества
проведения измерений п.

Предельная погрешность среднего арифметического опреде­ляется по формуле

где σ - средняя квадратическая погрешность ряда измерений.

Если при многократных измерениях появится погрешность больше. За, то такую погрешность считают грубой, и результат из­мерения с такой погрешностью отбрасывают. Причинами грубой погрешности могут быть неправильное снятие показаний по шкале прибора или ошибка при записи результата измерения.

Эталоны, поверочная схема и порядок доведения значения эталона до производственных измерений