Введение в метрологию и взаимозаменяемость.

 

 

Введение.

Литература.

1. Димов. Метрология, стандартизация и сертификация.
2. Анухин. Метрология. Стандартизация и сертификация.
3. Радкевич, Схиртладзе, Лактионов. Метрология, стандартизация и сертификация.
4. Афанасьев, Погонин. Взаимозаменяемость.
5. Раннев, Тарасенко. Методы и средства измерений
6. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника. Под ред. Г.Кима.
7. Болтон. Карманный справочник инженера-метролога
8. И.М.Белкин. Допуски и посадки.
9. П.И.Орлов. Справочник конструктора.
10. Марков, Осипов, Шабалина. Нормирование точности.
11. Никифоров. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения.
12. Сергеев, Латышев. Сертификация.
13. Духовный, Иваний, Мороз. Стандартизация и сертификация
14. Духовный, Иваний, Мороз. Погрешности измерений и обработка результатов.
15. Закон РФ О техническом регулировании.
16. Закон РФ Об обеспечении единства измерений
17. Гражданский кодекс РФ часть 4-я.

 

Основные метрологические термины и определения.

Вводятся согласно Рекомендациям по межгосударственной стандартизации РМГ- 29-99

 

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Основные задачи метрологии

1. Установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений.

2. Разработка теории, методов и средств измерения и контроля.

3. Обеспечение единства измерений. Государственная система обеспечения единства измерений – нормативно-правовая основа метрологического обеспечения точности, основанная на соответствующих стандартах (ГСИ).

4. Разработка методов оценки погрешностей.

5. Передача размеров единиц от эталонов к образцовым средствам измерений, а от них к рабочим средствам.

Базовые положения Закона РФ об обеспечении единства измерений.

 

Закон РФ “Об обеспечении единства измерений” был принят в 1993 году. Он устанавливает правовые основы обеспечения единства измерений. Закон регулирует отношения государственных органов управления РФ с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерении й и направлен на защиту прав и интересов граждан, правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Закон состоит из 7 разделов

1. Общие положения.

2. Единицы величин.

3. Средства и методики выполнения измерений.

4. Метрологические службы.

5. Государственный метрологический контроль и надзор.

6. Калибровка и сертификация СИ.

7. Ответственность за нарушения закона и финансирование работ по обеспечению единства измерений.

 

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Это понятие включает: унификацию единиц, разработку систем воспроизведения единиц и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью, проведение измерений с погрешностью, заданной установленными пределами и т.д. Единство измерений должно выдерживаться при любой точности, принятой в данной отрасли экономики.

Обеспечение единства измерений является задачей метрологических служб.

 

Метрологическая служба – совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений. Закон определяет, что Государственная метрологическая служба находится в ведении Госстандарта России и включает: государственные научные метрологические центры, органы Государственной метрологической службы на территории республик в составе РФ, автономной области, автономных округов, краёв, областей, 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.

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

Органы ГМС осуществляют государственный метрологический контроль и надзор на территории республик в составе РФ, автономной области, автономных округов, краёв, областей, Москвы, и Санкт-Петербурга.

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

ГССО 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.

ГСССД осуществляет межотраслевую и межрегиональную 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.

 

Одно из нововведений Закона – понятие “государственный метрологический контроль и надзор” – ГМКиН. Этот надзор осуществляется органом Государственной метрологической службы в целях проверки соблюдения установленных метрологических правил и норм.

Контроль – проверка соответствия контролируемого объекта установленным требованиям.

Надзор – наблюдение специально уполномоченных органов за выполнением соответствующих правил, норм, требований.

 

ГМКиН распространяется на следующие сферы.

1. Здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда.

2. Торговые операции и взаимные расчёты между покупателем и продавцом в т.ч. операции с применением игровых автоматов.

1. Государственные учётные операции.
2. Геодезические и гидрометеорологические работы.
3. Банковские, налоговые, таможенные операции.
4. Производство продукции, поставляемой для государственных нужд.
5. Испытания и контроль качества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям ГОСТ Р.
6. Обязательная сертификация.
7. Измерения, проводимые по поручению судов, прокуратуры, государственных органов управления РФ.
8. Регистрация национальных и международных спортивных рекордов.

 

Государственный метрологический контроль включает:

 

1. Утверждение типа СИ.

2. Поверку СИ в т.ч. эталонов.

3. Лицензирование деятельности по изготовлению и ремонту СИ.

 

Государственный метрологический надзор осуществляется за:

 

1. Выпуском, состоянием и применением СИ.

2. Аттестованными методиками выполнения измерений.

3. Эталонами единиц величин.

4. Соблюдением метрологических правил и норм.

5. Количеством товара, отчуждаемым при совершении торговых операций.

6. Количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при их расфасовке и продаже.

 

Государственный контроль и надзор осуществляют должностные лица Госстандарта России – государственные инспекторы по обеспечению единства измерений, которые имеют право беспрепятственно посещать объекты, где эксплуатируются, производятся, ремонтируются, продаются, содержатся или хранятся СИ, и проверять правильность применения метрологических правил и норм, установленных для сфер распространения ГМКиН.

 

Испытания СИ для целей утверждения типа средства измерения проводят Государственные центры испытаний СИ (ГЦИ) в качестве которых Госстандарт России аккредитует Государственные научные метрологические центры (ГНМЦ) в соответствии со своей областью специализации.

Основная задача – установление метрологических характеристик прибора и их соответствие технической документации на заявленное СИ. При положительных результатах испытаний СИ Госстандарт принимает решение о внесении его в государственный реестр СИ. Организации, предоставившей прибор на испытания, выдаётся сертификат об утверждении типа, а на средство измерений ставится или в документацию вносится специальный знак утверждения типа.

Знак утверждения типа средства измерения

 

 

В соответствии с Законом различают понятия Поверки и Калибровки.

 

Поверка СИ – совокупность операций, выполняемых органами ГМС с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным требованиям.

Калибровка СИ – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и/или пригодности к применению СИ, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.

Российская система калибровки имеет собственный знак.

 

 

Классификация Средств измерений (СИ).

 

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Си подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

 

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины одного или нескольких заданных параметров, значения которых выдержаны в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Различают меры: Однозначные – воспроизводящие физическую величину одного размера (ЭДС нормального элемента 1.0185 В), многозначные – воспроизводящие физическую величину разных размеров (штриховая мера длины), набор мер – комплект мер разного размера, предназначенных для практического применения как в отдельности, так и в различных сочетаниях (набор концевых мер длины), магазин мер – набор мер, конструктивно объединённых в одно устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (магазин электрических сопротивлений).

 

Концевые меры длины.

Плитки Иогансона.

Чтобы добиться широчайшего применения принципа взаимозаменяемости, чтобы осуществить его не только внутри партии, полученной с отдельной машины, но и в масштабе всего завода, затем в масштабе всей страны и, наконец, в международном масштабе, нужна единая база точных линейных измерений. Такую базу, как уже подробно говорилось раньше, промышленность получила с введением в большинстве стран в 1885 г. метрической системы мер. Многоступенчатая лестница последовательно поверяемых образцовых мер — эталонов — ведет от международного прототипа метра до практически применяемых в производстве точных мерительных инструментов.

Заводскими эталонами для линейных измерений служат замечательные плитки Иогансона. Именно о их помощью улавливаются разности между двумя размерами предельного калибра, выражаемые иной раз несколькими микронами. Эти же плитки помогают «уличить в неточности»

Рис. 34. Фабричная марка плиток Иогансона

износившийся инструмент или переставить на сотые и даже тысячные доли миллиметра чувствительные мерительные стерженьки регулируемой предельной скобы.

Около 1900 г. шведский инженер Карл Иогансон, работая над изготовлением точных калибров — эталонов мер длины, годных для применения в условиях заводских лабораторий и даже в цеховой обстановке, пришел к следующему выводу: если бы удалось 1) изготовить набор различных стальных плиток с весьма точными размерами между мерительными плоскостями, 2) обеспечить неизменность этих размеров, 3) путем комбинирования плиток получать любые размеры в пределах определенного размерного промежутка (например от 1–100 мм), то такой набор мог бы служить универсальным и в то же время весьма точным заводским эталоном длин.

Но создать такой набор было трудной задачей. Прежде всего надо было найти подходящий материал для пластинок, такую сталь, высокие качества которой обеспечили бы неизменность размеров после термообработки и в то же время большую износостойкость. Надо было далее найти способы изготовления плиток с идеально плоскими зеркальными мерительными поверхностями. Наконец, надо было установить, каковы должны быть размеры отдельных плиток набора, чтобы с их помощью получать любые размеры внутри заданного размерного промежутка. Все эти задачи были успешно разрешены Иогансоном. Он никому, разумеется, не открывал декрета производства его плиток. В капиталистическом мире каждый стремится извлечь из своего изобретения наибольшую выгоду только для себя. Завод, построенный Иогансоном, вскоре сделался мировым поставщиком. Надпись на его фабричной

Рис. 35. Ящики с набором в 103 плитки

марке так и гласит: «Плитки Иогансона — мировой стандарт!» А рисунок самой марки как бы подтверждает это (рис. 34). На нем изображена скоба, составленная из плиток Иогансона и измеряющая диаметр земного шара.

Наиболее распространенный набор состоит из 103 плиток, уложенных в специальный ящик (рис. 35). Две противоположные мерительные поверхности каждой плитки отшлифованы и притёрты с высокой тщательностью. На каждой плитке обозначено расстояние между мерительными плоскостями. Набор состоит из трех серий плиток. В первую серию входит 50 плиток, в том числе 49 плиток, имеющих размеры от 1,01 мм до 1,49 мм (причем каждая последующая плитка больше предыдущей на 0,01 мм), и одна плитка размером в 1,005 мм. Вторая серия состоит из 49 плиток размерами от 0,50 мм до 24,5 мм; здесь каждая последующая плитка больше предыдущей на 0,50 мм. Третья серия состоит ив 4 плиток размерами в 25 мм, 50 мм и 100 мм. Соединив несколько имеющихся в наборе пластинок, можно в известных пределах получить любой размер с точностью до 0,01 мм.

«КЛЕЙ-НЕВИДИМКА»

Известно, что склеивание бумаги, дерева и других материалов — задача несложная. Канцелярский, столярный и всякий другой клей достаточно надежные средства. Но не существует клея для более или менее прочной оклейки двух кусков металла. И, однако, Иогансон нашел возможность «склеивать» свои плитки: он нашел невидимый «клей» для металла.

Это «склеивание» плиток Иогансона делается следующим образом. Сблизив мерительные плоскости плиток (рис. 36 а, 36 б), начинают притирать их друг к другу. Для этого верхнюю пластинку двигают поступательно по нижней и одновременно вращают ее но плоскости скольжения в обе стороны (рис. 36, в и г). В результате такого комбинированного движения плитки соединяются настолько крепко, что образует как бы одно целое, один калибр, который можно держать, как показано на рис. 36 д.

В 1917 г. Иогансон сумел так притереть две свои плитки, что они не разъединились даже под действием силы в 100 килограммов. Такой притиркой можно «склеить» не только две, но и несколько плиток и получить калибр, размер которого равен сумме размеров притертых плиток (рис. 37).

Свойство точно шлифованных поверхностей крепко приставать друг к другу давно уже известно ученым. Витвортбольше пятидесяти лет назад заметил это свойство у поверочных плит, поверхности которых смазаны тонким

Рис. 36. Притирка друг к другу двух плиток Иогансона

Рис. 37. Несколько плиток Иогансона, притертые друг к другу

слоем масла или другой жидкости. Для разъединения таких плит приходится иной раз сдвигать их одну по другой, так как отделить их обычным путем оказывается невозможным.

Чем тоньше пленка жидкости между поверхностями, тем труднее, даже путем сдвигания, разъединять плиты. Некоторые ученые предположили, что прочное соединение вызывается силой атмосферного давления. Однако выяснилось, что если притирать плитки в безвоздушном пространстве (опыты проф. Тиндаля), то свойство сцепления сохраняется полностью.

Тиндаль решил, что между притираемыми плитками остается настолько ничтожное пространство, что начинают действовать силы молекулярного притяжения.

Предположение Тиндаля давало очень правдоподобный ключ к разгадке прочного соединения стальных плиток. Плитки соединяются под действием молекулярного притяжения. Оно начинает проявляться при максимальной близости между поверхностями, обусловленной исключительной точностью изготовления мерительных плоскостей и тщательным притиранием их друг к другу.

В 1911 г. явление «слипания» заинтересовало английского ученого Бэджетта, который снова тщательно обследовал его. И тут обнаружилась любопытная подробность; если перед притиранием переусердствовать в очистке поверхностей, применив для этой цели спирт или керосин, и этим уничтожить все следы жира на поверхности, то прилипание значительно ослабляется. Но, если нанести на мерительные поверхности тончайший слой жира или водяного пара, они снова тесно соединяются. Сила, сцепления, равная силе, которую надо приложить, чтобы разъединить плитки, зависела от того, какая жидкость нанесена на притираемые поверхности.

Площадь притираемых поверхностей плиток, которыми пользоваться в своих опытах Бэджетт, равнялась 4,5 см ². На эту поверхность он попеременно наносил слои различных жидкостей. Сначала это были слои так называемых «тяжелых масел» (масла, получаемые при переработке нефти). Наощупь они кажутся липкими. В этих случаях для разъединения плиток необходима была сила около 14 кг. При введении парафина понадобилась для разъединения сила в 20 кг, а при введении обыкновенной водопроводной воды даже в 30 кг. Бэджетт доказал, что для притираемых поверхностей «клеем» служит жидкость, и лучшим «клеем» является» простая вода — «клей-невидимка».

Почему же жидкости, которыми нельзя склеить и двух картонок, оказались таким чудесным «клеем» для зеркально плоских поверхностей плиток Иогансона?

Рис. 38. Опыт с капелькой жидкости	Рис. 39. Самоповерка плиток

Причину этого явления исследовало много ученых. Их труды в этой области основаны на законах физики. Приведем здесь только вывод, к. которому пришли эти ученые.

Чем тоньше слой жидкости, тем крепче сцепление. Это доказал опытным путем доктор Рольт — старший метролог английской Национальной физической лаборатории.

В центре круглой диаметром в 23 мм мерительной поверхности стального концевого калибра помещалась капелька жидкости (рис. 38). К этой поверхности притирали, прижимая к капельке, стеклянную пластинку с особо точной плоской поверхностью. Стеклянную пластинку брали для того, чтобы можно было сквозь стекло наблюдать, как ведет себя жидкость. Площадь, покрытая жидкостью, все увеличивалась и к тому моменту когда стеклянная пластинка хорошо притерлась, по видимому, достигла определенной неизменной величины.

После этого притертые калибр и пластинку оставили в покое в таком положении, которое позволяло проверять размеры диаметра D жидкостного пятна. Эти измерения

Рис. 40. Скобой, составленной из плиток, поверяется размер мерительной пробки

показали, что пятно продолжает расти, правда, очень медленно. Увеличение диаметра продолжалось в течение двух часов, шло все медленнее и, наконец, прекратилось вовсе.

Отсюда был сделан вывод, что сила сцепления выросла в сравнении с первым моментом после притирки.

При этом толщина слоя жидкости, так крепко «склеивающей» притертые поверхности, как показали специальные очень тщательные измерения, выражалась в тысячных долях миллиметра. Ученые доказали, что при таких именно толщинах слоя молекулы определенных жидкостей весьма прочно сцепляются с притертыми поверхностями и оказывают высокое сопротивление попыткам их разъединить.

Если поверхности плиток обработаны с необходимой высокой точностью до трех или пяти десятитысячных миллиметра, то плитки выдерживают своего рода притирочнуюсамоповерку (рис. 39). Контрольная плитка длиной хотя бы в 20 мм «склеивается» по своим мерительным поверхностям с двумя другими плитками (на указанном рисунке 13 и 12,5 мм). Затем в получившуюся скобу укладывается с помощью притирки ряд плиток, длина которых в сумме также равна 20 мм. Этот опыт проходит успешно только при пользовании высококачественными не изношенными плитками. Еще показательнее поверка, показанная на рис. 40. Скобой, составленной из плиток,

Рис. 41. Поверка переставной скобы

поверяется размер мерительной пробки. Легко понять, что сумма даже микроскопических погрешностей в поверхностях плиток не позволяла бы осуществить сборку плиток, как показано на рис. 39 или поверку по рис. 40.

ПЛИТКИ-ЛОВЦЫМИКРОНОВ

Плитки Иогансона незаменимы в практике машиностроения во всех случаях, когда необходимо получить особую точность в размерах или поверить калибр (скобу {76} или пробку). Для примера возьмем случай поверки переставной предельной скобы.

Двумя наборами плиток составляем оба предельных размера: верхний и нижний. Если скоба правильно отрегулирована, то получится положение, показанное на рис. 41.

Рис. 42. Поверка мерительной пробки

Рис. 43. Поверка мерительного кольца

Если промежуток между стерженьками скобы недостаточен, соответствующий набор не пройдет, а если, наоборот, промежуток велик, то набор не удержится между стерженьками и выпадает. На рис. 42 и 43 показан способ поверки пробки и кольца. В обоих случаях с помощью соответствующего набора плиток и специального держателя получается для пробки точная скоба, а для кольца — радиусный калибр.

При изготовлении очень точных изделий встречается необходимость в такой же точной их разметке. Для этого изготовляют специальные чертилки. Их опорные поверхности обработаны так же, как и мерительные поверхности калибров. Разметку производят на специальной точной плите с помощью набора из тех же плиток способом, который ясно показан, на рис. 44.

Плитки Иогансона еще больше, чем калибры, боятся колебаний температуры. Специальными нагревательнымии охлаждающими установками температура помещений, где изготовляются плитки, регулируется с отклонением не более, чем в 1° от принятой в качестве нормальной при производстве точных измерений температуры в 20° Ц.

Рис. 44. Разметка с помощью плиток

Однако и этого бывает недостаточно для особо точных измерений, так как колебания температуры и меньшие 1° вызывают изменения размеров. В таких случаях приходится определять температуру изделия с точностью до 0,01° и путем расчета вносить поправки в результаты измерения. Даже теплота человеческого тела, передающаяся изделию во время процесса его изготовления, тоже оказывает заметное влияние на размер изделия. Если не принять во внимание это обстоятельство, то изготовленная плитка пойдет в брак. Производство плиток доступно только высококвалифицированным рабочим.

Освоение производства плиток высшей точности является огромным достижением металлообрабатывающей и измерительной техники XX века.

Плитки Иогансона обеспечивают достижение в производстве точностей, выражаемых долями миллиметра до микронов включительно. Из этого следует, что сами плитки должны отличаться исключительно высокой точностью размеров. При их изготовлении допускаются только такие отклонения, которые выражаются десятыми долями микрона или десятитысячными долями миллиметра. Но те измерительные приборы, которые могут улавливать такие отклонения, в свою очередь должны отличаться еще более разительной точностью. Тут уже нужно располагать точностями порядка стотысячных долей миллиметра. В следующей главе мы познакомимся с устройством наиболее типичных измерительных приборов, применяемых для измерения мельчайших долей миллиметра.

 

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал, удобный для обработки. ИП входит в состав какого-либо измерительного прибора, установки, системы, или применяется с каким-либо СИ. Измерительные преобразователи классифицируются: по характеру преобразования электрических величин в электрические (шунты, делители напряжений, трансформаторы), магнитных величин в электрические (магнитные катушки, феррозонды, преобразователи Холла, Гаусса, сверхпроводимости и т.д.), неэлектрических величин в электрические (термо- и тензопреобразователи, реостатные, индуктивные, ёмкостные и т.д.). По месту в измерительной цепи и функциям различают первичные, промежуточные, масштабные и передающие преобразователи.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Измерительная установка – совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерения одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Например, установка для испытаний на прочность, магнитных свойств материалов и т.д.

Измерительная система – совокупность функционально объединённых мер, измерительных приборов, преобразователей. ЭВМ и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту и выработки измерительных сигналов в разных целях. Например, радионавигационные системы (GPS, ГЛОНАСС и др.).

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединённая совокупность СИ, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

По метрологическим функциям СИ подразделяются на эталоны и рабочие средства измерений.

Пример измерительно-вычислительного комплекса – спирометрический комплекс.