1.3 Физические венличины. Единицы физических величин
Широкое развитие и распространение методов и средств метрологии обусловило создание целых систем единиц измерений государственных и международных организаций. В настоящий момент всеобщей глобализации роль метрологии и сложность задач значительно возрастает. Каждую качественную особенность физического объекта называют физической величиной (длина, масса, скорость). Физическая величина имеет определенный размер, который выражается через единицу измерения. Среди физических величин различают основные и преобразованные из основных. Обе эти физические величины образуют систему единиц. В разное время существовали разные системы единиц измерения. Система МКС – метр, килограмм, секунда. Система СГС включала сантиметр, грамм, секунда и т.д. На основе их была построена Международная система единиц (СИ), котороя была принята на XI Международной конференции по мерам и весам в 1960 г для введения единообразия в единицах измерения во всем мире.
В СИ установлены семь основных единиц, используя которые можно измерять все механические, электрические, магнитные, акустические, световые и химические параметры, а также характеристики ионизирующих излучений. Основными единицами СИ являются:
метр (м) – для измерения длины;
килограмм (кг) – для измерения массы;
секунда (с) – для измерения времени;
ампер (А) – для измерения силы электрического тока;
кельвин (К) – для измерения термодинамической температуры;
моль (моль) – для измерения количества вещества;
кандела (кд) – для измерения силы света.
В СИ принято новое определение единицы длины – метра. До введения СИ в качестве международного и национальных эталонов метра использовали штриховые меры, изготовленные из платиново-иридиевого сплава и имеющие в поперечном сечении Х-образную форму. Метр определили при температуре 20 оС между осями двух средних штрихов меры с точностью ±0,1 мкм.
В новой системе единиц 1 м выражен в длинах световых волн атома криптона, т. е. связан с природной величиной. Теперь метр – это длина, равная 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего оранжевой линии спектра криптона-86. При новом эталоне длина 1 м воспроизводится сейчас с погрешностью 0,002 мкм, которая меньше погрешности старого искусственного эталона метра в 50 раз.
1.4 Методы измерения. Виды измерений
Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины и ее единицы в соответствии с реализованным принципом измерений.
Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Различают несколько основных методов измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой, дифференциальный, или разностный, нулевой, контактный и бесконтактный.
Измерительное средство и приемы его использования в совокупности образуют метод измерения. По способу получения значений измеряемых величин различают два основных метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки – метод измерения, при котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия.
Например, измеряя длину с помощью линейки, размеры деталей – микрометром, штангенциркулем, получили значение размера
25,5 мм.
Рисунок 7.1 – Схема измерений методом сравнения с мерой
Метод сравнения с мерой – метод измерения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, для измерения высоты L детали 1 (рис.7.1 ) миниметр 2 закрепляют в стойке. Стрелку миниметра устанавливают на нуль по какому-либо образцу (набору концевых мер 3), имеющему высоту N, равную номинальной высоте L измеряемой детали. Затем приступают к измерению партий деталей. О точности размеров L судят по отклонению ±∆ стрелки миниметра относительно нулевого положения.
В зависимости от взаимосвязи показаний прибора с измеряемой физической величиной измерения подразделяют на прямые и косвенные, абсолютные и относительные.
При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно в процессе замеров, например измерение угла угломером, диаметра – штангенциркулем, массы – на циферблатных весах.
При косвенном измерении значение величины определяют на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям, например определение среднего диаметра резьбы с помощью трех проволочек на вертикальном длинномере, угла — с помощью синусной линейки и т. д.
При измерении линейных величин, независимо от рассмотренных методов, различают контактный и бесконтактный методы измерений.
Контактный метод осуществляется путем контакта между измерительными поверхностями инструмента или прибора и проверяемой деталью. Недостаток его – необходимость определенного усилия при измерении, что вызывает дополнительные погрешности (например, измерения штангенциркулем, микрометром, рычажно-механическими приборами).
Бесконтактный метод лишен недостатка контактного, поскольку в процессе измерения нет контакта между средством контроля и изделием. Это проверка на проекторах, микроскопах, с помощью пневматических приборов.
Измерение поверхностей деталей, имеющих сложную геометрическую форму (резьбы, шлицевые соединения), может быть произведено либо поэлементным, либо комплексным методом.
Поэлементным методом, например, производится проверка резьбы среднего диаметра – методом трех проволочек, наружного диаметра – микрометром, угла профиля – на универсальном микроскопе.
Комплексным методом пользуются при контроле резьбы с помощью резьбовых пробок и колец на свинчиваемость, одновременно проверяют шаг, угол профиля и средний диаметр резьбы.
Измерительные средства (приборы) классифицируют по назначению, конструктивно-функциональным признакам и технологическим особенностям изготовления. На заводах специализированные цехи и участки изготавливают следующие группы измерительных средств.
1. Оптические приборы:
а) приборы для измерения длин и углов – длинномеры, профилометры, сферометры, инструментальные и универсальные измерительные микроскопы, линейные измерительные, машины, оптические делительные головки, гониометры,
рефрактометры, автоколлимационные трубы, катетометры и т. д.;
б) микроскопы (бинокулярные, интерференционные, биологические и др.);
в) наблюдательные приборы – галилеевские и призменные бинокли, стереотрубы, перископы;
г) геодезические приборы – нивелиры, теодолиты, светодальномеры;
д) призменные и дифракционные спектральные приборы –микрофотометры, интерферометры, спектропроекторы.
Рычажно-оптические приборы: оптиметры, ультраоптиметры и др.
Рычажно-механические приборы:
а) собственно рычажные (миниметры и др.);
б) зубчатые (индикаторы часового типа и др.);
в) рычажно-зубчатые (микрометры и др.);
г) рычажно-винтовые (индикатор-микрометр);
д) с пружинной передачей (микрокаторы и др.).
Пневматические приборы с манометром и ротаметром.
Механические приборы:
а) штриховые, снабженные нониусом (штангенинструменты и универсальные угломеры);
б) микрометрические, основанные на применении винтовой передачи (микрометры, микрометрические нутромеры, глубиномеры, и др.).
Электрифицированные приборы (индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и т. д.).
Автоматические приборы: контрольные и контрольно-сортировочные автоматы, приборы активного контроля и др.
Вид средств измерений – это совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данного вида физической величины.
Вид средств измерений может включать несколько типов. Например, амперметры и вольтметры (вообще) являются видами средств измерений соответственно силы электрического тока и напряжения.
Отсчетное устройство показывающего прибора может иметь шкалу и указатель. Указатель выполняется в виде стрелки, светового луча и т. д. В настоящее время широкое применение получают отсчетные устройства с цифровой индикацией. Шкала представляет собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы.
Интервал деления шкалы – расстояние между двумя соседними отметками шкалы. У большинства измерительных средств интервал деления составляет от 1 до 2,5 мм.
Рисунок 7.2 – Области значений шкалы
Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например (см. рис ), у индикатора цена деления 0,002 мм.
Начальное и конечное значения шкалы (предел измерений) – соответственно наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, указанные на шкале, характеризующие возможности шкалы измерительного средства и определяющие диапазон показаний.