2 Точность измерительных приборов

Измерительный прибор – это средство измерений, с помощью которого можно измерить (получить, найти, определить) граничные значения физической величины объекта измерения. Для этого прибор должен иметь шкалу, набор мер или измерительный преобразователь, хранящие единицу величины, и вспомогательные устройства, которые совместно воспринимают размеры величины, сравнивают с единицей величины и выдают значения измеряемой величины объекта измерения.

Простейшими измерительными приборами являются линейка и штангенциркуль для измерения линейных величин и транспортирный угломер для измерения угловых величин. Сложность измерительного прибора возрастает по мере увеличения точности, диапазона измерения, степени автоматизации процедур измерения и обработки измерительной информации. К измерительным приборам относятся:

- нестандартизованное средство измерения (НСИ);

- контрольное приспособление;

- контрольно-сборочное приспособление;

- специальный измерительный прибор;

- универсальный измерительный прибор;

- прибор управляющего контроля;

- подналадчик;

- автоматизированный прибор;

- измерительная установка;

- измерительная система;

- контрольно-сортировочный автомат;

- измерительно-вычислительный комплекс;

- интеллектуальный измерительный прибор;

- измерительный робот;

- измерительная машина.

Несмотря на разную степень сложности этих средств измерений, все они являются измерительными приборами, и их точность рассчитывается по единой методике.

2.1 Выбор узаконенных измерительных преобразователей и оценка их инструментальной погрешности

Если анализ разработанных методик выполнения измерений (МВИ) показывает, что измерения можно выполнить с помощью универсальных измерительных приборов, внесенных в Гоcреестр допущенных к обращению средств измерений [12], то их выбор производится по методическим указаниям [40, 4].

Если же для выполнения измерений требуется проектирование нового измерительного прибора, то для него, как правило, выбираются серийно выпускаемые стандартизованные и узаконенные [12] измерительные преобразователи (табл. 2.1 – 2.3).

Измерительный преобразователь следует выбирать по допускаемой погрешности Т_ип, которая должна составлять часть от допускаемой инструментальной погрешности измерения Т_ин рассматриваемой величины:

, (2.1)

где k = 0,8…0,9 – коэффициент запаса точности на увеличение погрешности преобразователя в процессе эксплуатации между калибровками или поверками;

а = 0,9 – при использовании измерительных преобразователей в схемах простых и высокоточных измерительных приборов с коэффициентом преобразования схемы измерения K_сх=1;

a = 0,7 – при использовании измерительных преобразователей в более сложных измерительных приборах с введением промежуточных и масштабных преобразователей для приведения коэффициента преобразования схемы измерения к единице, т.е. К_пр =1.

В свою очередь, допускаемую инструментальную погрешность можно установить как часть допускаемой погрешности измерения Т_из [19]:

, (2.2)

где в = 0,7 – при высокой точности метода измерения;

в = 0,35 –при низкой точности метода измерения.

Можно показать, что если инструментальная погрешность Т_ин = 0,7 Т_из, то методическая погрешность будет равна инструментальной: Т_мет = Т_ин = 0,7 Т_из, т.к.

.

Если же Т_ин = 0,35 Т_из, то методическая погрешность будет в основном определять точность измерения:

В зависимости от используемого диапазона показаний и приемов измерения, выбор измерительного преобразователя может производиться по

одной из трех метрологических характеристик его точности:

1) предел допускаемой погрешности Т_ип – наибольшая на всем диапазоне измерений абсолютная погрешность, при которой преобразователь может быть признан годным и допущен к применению;

2) допускаемая погрешность на нормируемом участке Т_ну, т.е. в пределах части диапазона измерений;

3) размах случайной погрешности Т_р, т.е. предельная разность показаний при многократном измерении одного и того же входного сигнала, или если при измерении используется 2…3 цены деления от диапазона измерений.

При выборе измерительных преобразователей, кроме погрешностей, следует учитывать:

- диапазон измерений – должен быть вдвое больше допуска при измерении размеров, вдвое больше допуска размера элемента при измерении отклонений формы поверхностей элемента, больше суммы допусков размеров рассматриваемого и базового элементов и допуска расположения при измерении отклонений расположения;

- цену деления – должна составлять 0,1…0,3 от допуска измеряемой величины;

- измерительное усилие – не должно создавать контактных и упругих деформаций объекта измерения более чем на 0,1 Т_из; не должно иметь большого перепада измерительного усилия на реверсе Р₂ [18];

- массу преобразователя, если он встраивается в плавающее устройство измерительного контакта;

- конструктивные особенности преобразователя [4];

- стоимость и производительность преобразователя;

- степень удовлетворения требованиям безопасности труда.

Окончательно правильность выбора измерительных преобразователей проверяется при расчете точности измерительного прибора.

При оценке инструментальной погрешности выбранного измерительного преобразователя следует учитывать размер используемой части диапазона измерений, способы настройки преобразователя и приемы измерений. При этом возможно восемь вариантов (табл. 2.4).

Если входной сигнал для измерительного преобразователя в схеме измерения прибора формируется при помощи измерительного устройства с масштабным или (и) промежуточным преобразователями, то их погрешность будет увеличивать инструментальную погрешность прибора. Расчет погрешностей масштабных и промежуточных преобразователей следует произвести предварительно по методике, изложенной в гл. 3.

Таблица 2.1

Метрологические характеристики стандартизованных

механических измерительных преобразователей линейных величин

Наименование измерительного преобразователя	Тип	Цена деления, мкм	Пределы измерения, мм	Предел допускаемой погрешности, мкм	Размах случайной погрешности, мкм	Порог чувствитель- ности, мкм	Нормируемый участок	Погрешность на нормируемом участке, мкм
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Индикатор часового типа ГОСТ 577	ИЧ10 ИЧ5 ИЧ2	10 10 10	0–10 0–5 0–2	22 18 12	3 3 3	2 2 2	1 мм 1,0…1,1 мм	12,0 6,0
Индикатор рычажный боковой ГОСТ 5584	ИРБ	10	0,04	10	3	3,5	0,1мм	5,0
Головка измерительная ГОСТ 18833	1ИГ 2ИГ	1 2	0,05 0,10	0,8 1,5	0,33 0,66	0,9 0,9	30 делений	0,5 1,0
Головка измерительная многооборотная ГОСТ 9696	1МИГ 2МИГ	1 2	0–1 0–2	4 8	0,5 1,0	1,2 1,2	0,1 мм 0,2 мм	3,0 4,0

Окончание табл. 2.1

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Головка измерительная пружинная (микрокатор) ГОСТ 6933 ГОСТ 6933	002ИГП 005ИГП 01ИГП 02ИГП 05ИГП 1ИГП 2ИГП 5ИГП 10ИГП	0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10	0,0006 0,0015 0,003 0,006 0,015 0,030 0,060 0,150 0,200	0,02 0,05 0,2 0,3 0,5 0,8 1,5 4,0 5,0	- 0,025 0,05 0,1 0,17 0,33 0,66 1,7 3,3	0,01 0,03 0,03 0,1 0,1 0,2 0,4 1,0 2,0	- - 30 делений	- - 0,1 0,2 0,3 0,5 1,0 2,5 5,0
Головка измерительная пружинная малогабаритная (микатор) ГОСТ 14712	02ИМП 05ИМП 1ИМП	0,2 0,5 1,0	0,010 0,025 0,050	0,3 0,5 1,0	0,067 0,125 0,330	0,1 0,2 0,25	30 делений	0,2 0,3 0,5
Головка измерительная рычажно-пружинная (миникатор) ГОСТ 14711	1ИРП 2ИРП	0,001 0,002	0,040 0,080	1,0 2,0	0,3 0,6	0,2 0,4	20 делений	0,6 1,0
Головка измерительная пружино-оптическая (оптикатор) ГОСТ 10593	01П 02П 05П	0,1 0,2 0,5	0,012 0,025 0,050	0,1 0,2 0,5	0,033 0,066 0,170	0,05 0,1 0,25	100 делений	0,05 0,10 0,25

Таблица 2.2

Метрологические характеристики пневматических

и электромеханических преобразователей линейных величин

Наименование измерительного преобразователя	Тип	Цена деления, мм	Пределы измерения, мм	Предел допускаемой погрешности, мкм	Размах случайной погрешности, мкм	Измерительное усилие, Н	Габаритные размеры датчика, мм	Масса датчика, кг
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Преобразователь пневматический ротаметрический «Калибр» ГОСТ 14866	310	0,2 0,5 1,0 2,0 5,0	0…0,010 0…0,025 0…0,050 0…0,100 0…0,250	0,5 1,0 2,0 4,0 8,0	0,1 0,2 0,5 0,8 1,0	–0,1… …+0,8	6х30 … 4х4	0,030… …0,005
Преобразователь пневматический сильфонный «Калибр»	235	0,2 0,5 1,0 2,0	0,008 0,020 0,040 0,080	0,5 1,0 2,0 4,0	0,1 0,2 0,5 0,8	–0,1… …+0,8	6х30 … 4х4	0,030… …0,005
Преобразователь пневматический электроконтактный ЧИЗ	БВ-6060	0,2 0,5 1,0 2,0	–0,004…+0,020 –0,010…+0,050 –0,020…+0,100 –0,040…+0,200	0,5 1,0 2,0 4,0	0,1 0,2 0,5 0,8	–0,1… …+0,8	6х30 … 4х4	0,030… …0,005
Преобразователь пневматический компенсационный	Этамик ОК-111	0,2…2,0 0,1…5,0	0,020…0,200 0,010…0,500	0,2…2,0 0,1…2,0	0,1…0,8 0,1…0,5	–0,1… …+0,8	6х30 … 4х4	0,030… …0,005
Преобразователь механотронный	6МХ2Б 6МХ1С 6МХ3С 6МХ4С	0,001 0,01 0,1 0,0	0,00002 0,0001 0,100 0,500	0,001 0,01 0,1 0,5	-	0,2 0,2 0,25 0,40	10х50 28х75 28х75 28х75	0,050 0,080 0,075 0,075

Окончание табл. 2.2

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Преобразователь индуктивный «Калибр»	213 214 217	0,02…0,5 0,1…2,0 0,5…5,	0,001… 0,025 0,05 … 0,050 0,025… 0,250	0,02…0,5 0,1…1,0 0,5…2,0	0,01…0,2 0,05…1,0 0,2…2,0	0,60 0,100 0,150	8х108 28х75 28х195	0,16 0,5 0,6
Преобразователь индуктивный «Измерон»	76501 76502 76503	0,01;0,1 0,01;0,1 0,01;0,1;1	0,010; 0,1; 0,020; 0,2 0,01; 0,1; 1	0,18;1,8 0,18;1,8 0,18;1,8;5	0,01;0,10 0,01;0,10 0,01;0,1;1	0,70 0,70 1,00	8х92 22х74 8х108	0,11 0,16 0,16
Преобразователь индуктивный НИИ измерения	БВ-6067 БВ-6240 БВ-6174	0,5…2,0 0,5…2,0 0,5…2,0	0,012… 0,6 0,012… 0,6 0,012… 0,6	0,1…6,0 0,1…6,0 0,1…6,0	0,2 0,2 0,2	2 0,25 1,5 0,25 0,5 0,1	16х70 16х70 16х24	0,11 0,16 0,16
Преобразователь фотоэлектрический сортировочный «Измерон»	ПФС 0,5 ПФС 1 ПФС 2 ПФС 5	0,5 1 2 5	0-0,025 0-0,050 0-0,100 0-0,250	0,5 1 2 3	0,16 0,33 0,66 1,6	0,16 0,04 0,16 0,04 0,22 0,08	110х х156х х360	3,1
Преобразователь фотоэлектрический растровый «Измерон»	19000 19001 19002	1 1 1	0-10 0-30 0-60	2 3 5	1 1 1	3,0	68х35х123 80х36х185 55х37х320	0,28 0,37 0,408
Головка измерительная растровая цифровая Измерон	19110 19111 19210 19211	5 5 10 10	0-0, 0-30 0-10 0-30	5 5 10 10	1 1 2 2	1,2…2,0	15х55х50 79х65х50 15х65х50 79х65х50	0,25 0,60 0,25 0,60

Таблица 2.3

Метрологические характеристики измерительных преобразователей

угловых величин

Наименование преобразователя	Тип, модель	Пределы измерений	Цена деления	Число разрядов	Погреш- ность
Уровень брусковый	мод.108, 112 ГОСТ 9392	0^о±40″ 0^о±6′	0,02…0,15 мм/м	-	0,004…0,100 мм/м
Уровень рамный	мод. 111, 113 ГОСТ 9392	90^о±40″ 90^о±6′	0,02…0,15 мм/м	-	0,004…0,100 мм/м
Уровень Микрометричес-кий	мод. 107, 119 ГОСТ 11196	±6^о	0,01…0,10 мм/м	-	0,02…0,10 мм/м
Уровень индуктивный	мод. 152	±1^о40′	2…20″	-	1…10″
Синусная линейка	мод. 143, 134 ГОСТ 4046	0…45^о	-	-	5…10″
Маятниковый угломер	ЗУРИ-М	0…360^о	1^о	-	1^о
Оптический квадрант	КО-60	±90^о	1′	-	1′
Потенцио-метрический	-	0…360^о	1…10′	-	0,03…0,20%
Трансфор-маторный	-	0…360^о	2…10′	-	0,05…0,20%
Сельсинный	-	0…360^о	5…20′	-	0,07…0,30%
Редуктосин	-	0…360^о	4…20″	-	3…10″
Индуктосин	-	0…360^о	2…10″	-	1,5…5,0″
Фото-электрический	ФКУ-8 ФП-11В ОЭПМК-16 ОЭП-19	0…360^о 0…360^о 0…360^о 0…360^о	8 11 16 19	- - - -	±0,1 ″ ±10^−4 ″ ±10^−8 ″ ±10^−11″

Инструментальная погрешность предельных калибров определяется допусками на их изготовление H с нормальным распределением в пределах поля допуска и смещением Z [33].

Рис. 2.1. К оценке инструментальной

погрешности предельных калибров

Для непроходного калибра НЕ

. (2.3)

Для проходного калибра ПР

. (2.4)

Таблица 2.4

Оценки инструментальной погрешности измерительных преобразователей

Вариант	Размер используемой части диапазона		Способ настройки и измерения		Инструментальная погрешность
1	2		3		4
1	Весь диапазон измерений		Настройка производится на нулевое показание
2	Весь диапазон измерений		Настройка производится на нулевое показание
3	Весь диапазон измерений		Начало отсчета показания переменное
4	Нормируемый участок диапазона измерений		Способ настройки любой в пределах нормируемого участка
Окончание табл. 2.4
1	2	3		4
5	Весь диапазон измерений	Способ настройки любой. Вводится поправка на систематическую погрешность показаний
6	2…3 цены деления	Способ настройки любой
7	Весь диапазон измерений	Вводится поправка. Результат измерений определяется по среднему из n измерений
8	2…3 цены деления