Выбор средств измерений: виды, классификация, методика и основные принципы

На сегодняшний день имеется большое количество средств, с помощью которых можно совершать измерения разных видов: линейные, весовые, температурные, силовые и т. д. Приборы различаются по точности, принципу работы, назначению, а также цене.

Для того чтобы правильно выполнить необходимую работу, следует внимательно подойти к выбору средств измерений. Они, в свою очередь, также подразделяются на несколько видов в зависимости от рассматриваемых критериев.

Классификация инструментов

Средства измерений – это инструменты и приборы, которые применяют для выполнения измерений физических величин. Для каждого из них определены погрешности, указанные в нормативных документах и техническом регламенте.

Средства измерений разделяют на различные типы согласно следующим критериям:

• вид инструмента для работы;
• принцип работы;
• сравнение с принятым эталоном;
• метрологическое применение.

Виды инструментов

К наиболее распространенным видам средств измерений относятся перечисленные ниже.

Мера – средство измерений, используемое для воспроизведения нужного размера рассматриваемой физической величины. Например, для воспроизведения необходимой массы применяют гирю. Бывают однозначные и многозначные меры, а в некоторых случаях и целые магазины мер. Однозначная мера необходима для воспроизведения величины только одного размера. Многозначные меры применяют для определения нескольких размеров физических значений (например, осуществляют выбор средств измерений линейных размеров, с помощью которых можно узнать как сантиметры, так и миллиметры).

Эталон – меры с очень высоким уровнем точности. Их применяют для контроля правильности средств измерений.

Измерительный преобразователь – средство измерений, которое трансформирует сигнал информации об измерениях в другую форму. Так удобнее передавать сигнал для последующей обработки и хранения. Но преобразованный сигнал не может быть воспринят наблюдателем без использования специального инструмента. Для визуализации сигнал необходимо передать в показывающее устройство. Поэтому преобразователь обычно входит в полную конструкцию измерительного инструмента или применяется вместе с ним.

Измерительный прибор – средство для выполнения измерений, которое используется для выработки сигнала в такой форме, которая доступна для последующей визуализации наблюдателем. Имеются различные классификации данных приборов в зависимости от группы факторов. По назначению они делятся на универсальные, специальные, и контрольные. По конструктивному устройству могут быть механические, оптические, электрические и пневматические. По степени автоматизации подразделяются на механизированные, приборы ручного действия, автоматические и полуавтоматические.

Измерительная установка – это совокупность инструментов и вспомогательных элементов, объединенных для выполнения конкретной функции. Назначение частей такой установки – выработка информационных сигналов в форме, которая будет удобна для восприятия наблюдателем. При этом вся измерительная установка обычно является стационарной.

Измерительная система – совокупность инструментов, элементы которой соединены каналами связи, расположенными в пределах всего контролируемого пространства. Ее назначение – измерение одной или нескольких физических величин, которые имеются в изучаемом пространстве.

Критерии выбора

При выборе средств измерений необходимо в первую очередь учитывать точность, которой нужно будет достигнуть при выполнении работы. Она указывается в нормативных документах или в технической документации на деталь.

Кроме того, при выборе инструмента для измерения следует учитывать предельные отклонения, а также методы осуществления работ и способы их контроля.

Главным принципом выбора средств измерения является соответствие их поставленным требованиям по получению достоверных результатов с соблюдением заданной регламентом точностью. Кроме того, немаловажно учитывать материальные и временные затраты: они по возможности должны быть минимальными.

Исходные данные

Для правильного выбора приборов измерений необходимо иметь исходные данные по следующим пунктам:

• номинальный вес величины измерения;
• величина разницы между наибольшим и наименьшим значениями;
• информация об имеющихся условиях работы по проведению измерений.

При необходимости выбора системы измерения с учетом фактора точности необходимо вычислить погрешность. Она рассчитывается как сумма погрешностей всех возможных источников (приборов для проведения измерений, преобразователей значений, эталонов) с соблюдением установленных для каждого из источников законов.

На первом этапе производят выбор средств измерений по точности в соответствии с требованиями работы. При подборе окончательного варианта учитывают также следующие требования:

• Рабочая область величин, которые необходимы в процессе проведения работ.
• Габаритные размеры инструментов.
• Вес инструментов.
• Конструктивные особенности средства измерений.

В метрологии к выбору средств измерений по критерию точности предъявляют требование наличия следующих исходных данных:

• состав изменяемых параметров инструментов;
• величина допуска погрешности рабочих инструментов, а также допустимые значения общей погрешности при измерении параметров;
• допустимые значения вероятности возникновения отказов для измеряемых параметров;
• правила распределения отклонений параметров от их истинных значений.

Стандартизированные измерения

При выборе инструментов обычно учитывают приоритетность стандартизированных средств для выполнения измерений. Стандартизированное средство измерений – это такое средство, которое было изготовлено в соответствии с регламентом международного или специального стандарта по выполнению рассматриваемого вида работ.

В соответствии с этим условия выбора средств измерений зависят от специализации производства, на котором ведутся работы.

В производстве массовых изделий обычно применяют автоматизированные современные средства измерения и контроля, рассчитанные на высокую производительность. В серийном производстве применяют различные шаблоны и контрольные приспособления, по которым производят сравнения. В индивидуальном производстве осуществляют выбор универсальных средств измерений, с помощью которых можно выполнить различные виды работ.

Условия эксплуатации

Выбор средств измерений и контроля производят исходя из технического регламента на выбранные инструменты в условиях нормальной их эксплуатации и использования.

Нормальные условия – это такие условия, при которых значения величин влияющих на результат факторов могут быть опущены ввиду их малости. Описанные условия обычно указываются в инструкциях к средствам измерений или вычисляются в ходе проведения их калибровки.

Следует проводить различия между рабочими и предельными условиями проводимых измерений.

Рабочими условиями обычно считают условия выполнения измерений, при которых значения величин влияющих факторов входят в допуск рабочих областей. При этом рабочей областью называют область значений величины влияющего фактора, внутри которой приводят к нормальной имеющуюся погрешность или производят изменение значений рабочих инструментов.

Предельными условиями обычно называют максимальные и минимальные значения фактической и влияющих величин, выдерживаемые средством измерений без крупных разрушений и ухудшения его рабочих свойств и характеристик.

При выборе средств измерений и контроля для использования их в рабочих условиях следует учитывать взаимосвязь показаний инструментов и влияющих величин. На основе этого необходимо вводить поправки в конечные показания средств измерений или использовать корректирующие устройства и приборы.

Согласно нормативным документам поправки определяют по нормированным для условий на рабочем месте метрологическим характеристикам.

Назначение приборов

Выбор средств измерений основан на изучении различий двух случаев их использования:

• произведение измерений параметров устройств;
• осуществление контроля над измерением параметров устройств.

В первом случае в ходе работ необходимо достигнуть значения меньше, чем предел погрешности измерения. Во втором случае приборы выбираются согласно условию, что вероятность возможных погрешностей параметра не должна быть выше, чем допустимые значения.

Погрешности

Одним из основных критериев выбора средств измерений в метрологии является соотношение значений предела допустимой абсолютной ошибки или погрешности (Δ) и поля допуска величины, которую необходимо измерить (Д).

Соотношение при этом должно соответствовать следующему выражению:

Δ ≤ 0,333 Д.

Предел допустимой ошибки может быть представлен в относительных значениях (относительная ошибка измерения). В таком случае она должна быть меньше или равна 33,3 % от общего значения поля допуска, если не имеется других особенных ограничений.

Погрешности проведения измерений, указанные в регламентах, являются максимальными допустимыми ошибками. Они включают в себя все элементы работы, которые могут зависеть от выбранных измерительных инструментов, установочных эталонов, температурных изменений и т. д.

Методика выбора

Методика средств измерений подразделяется на три вида.

Приближенная методика широко используется при ориентировочном выборе приборов для измерения, а также при проведении контроля и экспертизы на соответствие нормативному, конструкторскому и технологическому регламенту. Для этого выполняют следующие действия:

1. Определяется допустимый размер детали согласно ГОСТу.
2. Рассчитывается возможная погрешность выполнения измерений. Она принимается как 25 % от общей величины допустимого размера.
3. Рассчитывается случайный элемент возможной погрешности измерения, который можно выявить почти при всех видах измерений.
4. По справочным таблицам производится выбор средства измерения в зависимости от типа детали. Максимальная возможная погрешность, которая является метрологическим показателем любого измерительного прибора не должна превышать случайного элемента возможной погрешности измерения.
5. В метрологическую таблицу заносятся характеристики выбранного прибора для выполнения измерений.

Расчетная методика применяется при выборе приборов для одиночного и мелкосерийного производства, измерения параметров выборки при статистическом способе контроля, проведения экспериментов, а также перепроверки бракованных деталей. Она включает следующие этапы действий:

1. Определяется допустимый размер детали согласно ГОСТ.
2. Рассчитывается возможная погрешность выполнения измерений. В данной методике для расчета необходимо использовать таблицу соотношения возможной погрешности измерения и допусков деталей.
3. Рассчитывается случайный элемент возможной погрешности измерения, аналогично значению в предыдущей методике.
4. По справочным таблицам производится выбор инструмента в зависимости от типа детали.
5. В метрологическую таблицу заносятся характеристики выбранного прибора для выполнения измерений.

Табличная методика применяется при выборе инструментов измерения для крупносерийного и массового производства. Данный способ может быть осуществлен, если работа по изготовлению деталей включает измерения, а не контроль с использованием калибров.

1. Определяется допустимый размер детали согласно ГОСТу в зависимости от квалитета точности.
2. Рассчитывается возможная погрешность выполнения измерений на основе статистических данных из прошлых периодов.
3. Рассчитывается случайный элемент возможной погрешности измерения, аналогично предыдущим значениям.
4. По справочным таблицам производится выбор инструмента в зависимости от типа детали.
5. В метрологическую таблицу заносятся характеристики выбранного прибора для выполнения измерений.

Таким образом, можно отметить, что методы выбора средств измерений зависят от типа производства, на котором будут производиться работы.

Осуществление выбора

Выбор и назначение приборов для измерений осуществляют отделы, которые занимаются разработкой:

• Нормативной документации на параметры выбора средств измерений при проведении лабораторных исследований, контроле качества производимой продукции, эксплуатации уже изготовленной продукции, ее составных элементов и материалов.
• Технологических процессов стандартизации продукции, измерения ее составных элементов и материалов.
• Проектов по обслуживанию приборов и оборудования по выполнению измерений.

Выбор средств и способов измерений по имеющимся исходным данным производят квалифицированные сотрудники. Они должны быть хорошо знакомы с основами физических измерений, со способами оформления и использования результатов и ошибок измерений, а также с принципами нормирования метрологических параметров и вычисления по ним погрешностей инструментов.

Для осуществления измерений в процессе изготовления продукции назначаются специальные рабочие, отвечающие за средства измерений.

В заключение можно сказать, что правильный выбор инструмента для измерений из имеющегося на сегодняшний день ассортимента – залог эффективного производства и уменьшения количества бракованных изделий.