Московский государственный университет печати

Козлов М.Г.


         

Метрология и стандартизация

Учебник


Козлов М.Г.
Метрология и стандартизация
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Часть I. МЕТРОЛОГИЯ

1.

Введение в метрологию

1.1.

Исторические аспекты метрологии

1.2.

Основные понятия и категории метрологии

1.3.

Принципы построения систем единиц физических величин

1.4.

Воспроизведение и передача размера единиц физических величин. Эталоны и образцовые средства измерения

1.5.

Измерительные приборы и установки

1.6.

Меры в метрологии и измерительной технике. Поверка средств измерений

1.7.

Физические константы и стандартные справочные данные

1.8.

Стандартизация в обеспечении единства измерений. Метрологический словарь

2.

Основы построение систем единиц физических величин

2.1.

Системы единиц физических величин

2.2.

Формулы размерности

2.3.

Основные единицы системы СИ

2.4.

Единица длины системы СИ - метр

2.5.

Единица времени системы СИ - секунда

2.6.

Единица температуры системы СИ - Кельвин

2.7.

Единица силы электрического тока системы СИ - Ампера

2.8.

Реализация основной единицы системы СИ - единицы силы света - канделы

2.9.

Единица массы системы СИ - килограмм

2.10.

Единица количества вещества системы СИ - моль

3.

Оценка погрешностей результатов измерения

3.1.

Введение

3.2.

Систематические погрешности

3.3.

Случайные погрешности измерений

Часть II. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

4.

Введение в измерительную технику

5.

Измерения механических величин

5.1.

Линейные измерения

5.2.

Измерения шероховатости

5.3.

Измерения твердости

5.4.

Измерения давления

5.5.

Измерения массы и силы

5.6.

Измерения вязкости

5.7.

Измерение плотности

6.

Измерения температуры

6.1.

Методы измерения температуры

6.2.

Контактные термометры

6.3.

Неконтактные термометры

7.

Электрические и магнитные измерения

7.1.

Измерения электрических величин

7.2.

Принципы, лежащие в основе магнитных измерений

7.3.

Магнитные преобразователи

7.4.

Приборы для измерения параметров магнитных полей

7.5.

Квантовые магнитометрические и гальваномагнитные приборы

7.6.

Индукционные магнитометрические приборы

8.

Оптические измерения

8.1.

Общие положения

8.2.

Фотометрические приборы

8.3.

Спектральные измерительные приборы

8.4.

Фильтровые спектральные приборы

8.5.

Интерференционные спектральные приборы

9.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

9.1.

Особенности измерения состава веществ и материалов

9.2.

Измерения влажности веществ и материалов

9.3.

Анализ состава газовых смесей

9.4.

Измерения состава жидкостей и твердых тел

9.5.

Метрологическое обеспечение физико-химических измерений

Часть III. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

10.

Организационные и методические основы метрологии и стандартизации

10.1.

Введение

10.2.

Правовые основы метрологии и стандартизации

10.3.

Международные организации по стандартизации и метрологии

10.4.

Структура и функции органов Госстандарта РФ

10.5.

Государственные службы по метрологии и стандартизации РФ

10.6.

Функции метрологических служб предприятий и учреждений, являющихся юридическими лицами

11.

Основные положения государственной службы стандартизации РФ

11.1.

Научная база стандартизации РФ

11.2.

Органы и службы систем стандартизации РФ

11.3.

Характеристика стандартов разных категорий

11.4.

Каталоги и классификаторы продукции как объект стандартизации. Стандартизация услуг

12.

Сертификация измерительной техники

12.1.

Основные цели и задачи сертификации

12.2.

Термины и определения, специфические для cертификации

12.3.

12.3. Системы и схемы сертификации

12.4.

Обязательная и добровольная сертификация

12.5.

Правила и порядок проведения сертификации

12.6.

Аккредитация органов по сертификации

12.7.

Сертификация услуг

Заключение

Приложения

Указатели
12   именной указатель
583   предметный указатель
145   указатель иллюстраций
Рис. 05.01. Шкала нониуса Рис. 05.02. Штангенциркуль Рис. 05.03. Микрометр Рис. 05.04. Вид в окуляр-микрометр Рис. 05.05. Вид в измерительный микроскоп компаратера длин ИЗА-2 Рис. 05.06. Схема установки с измерительной дифракционной решеткой Рис. 05.07. К определению параметров шероховатости поверхностей Рис. 05.08. Регистрация неровностей в микроскопе Линника Рис. 05.09. Вид в окуляр микроскопа Линника: а) нижний край размытия: б) верхний край размытия

В технологических Измерение линейноелинейных измерениях наиболее часто востребованными являются следующие:

    а) Толщины листовых материалов;

    б) Толщины пленок (краска, влага, металл);

    в) Глубина травления и гравирования;

    г) Шероховатости поверхности;

    д) Давления;

    е) Вязкости ;

    ж) Твердости;

    з) Уровня жидкостей.

Традиционные измерения перемещений представляют собой хорошо известные линейки, нониусы и микрометрические винты. Линейки изготавливаются либо в виде жесткой конструкции, либо в виде гибкой ленты (рулетки). Измерения проводятся непосредственным сравнением размера предмета с делениями шкалы линейки. НониусНониус представляет собой дополнительную шкалу, нанесенную на подвижную каретку, перемещающуюся свободно вдоль линейки. Шкалы нониуса нанесены таким образом, что девять делений линейки разделены на десять равных частей (рис. 5.1Рис. 05.01. Шкала нониуса)

Если проводить измерения так, как показано на рис. 5.1, то имеется возможность определить размеры с точностью до 1/10 доли деления основной линейки. Для этого достаточно определить, какое деление нониуса совпадаете целым делением основной шкалы. Если, например, с делением основной шкалы совпадает первое деление нониуса, то это означает, что измеряемая длина на 1/10 часть деления основной шкалы больше того значения, у которого располагается нулевое деление нониуса. Если совпадает второе деление, то размер на 2/10 больше, и т. д.

Чаще всего используется так называемый Нониус прямойпрямой нониус, у которого цены деления на 1/10 часть меньше цены деления основной шкалы. Иногда применяют Нониус обратныйобратный нониус, у которого цена деления на 1/10 больше цены деления основной шкалы, т. е. 11 делений делятся на 10 частей. Пользоваться им следует также, как и прямым нониусом, т. е. целую часть измеряемой величины считывать с меньшего значения основной шкалы, между которыми остановился нуль нониуса, а десятые доли определять по совпадению деления шкалы нониуса с делением основной шкалы.

В некоторых измерительных инструментах, чаще всего в угломерных, применяется Нониус круговойкруговой нониус. Принципиально он ничем не отличается от линейного нониуса, только деления на нем нанесены на небольшую дуговую линейку (Алиадаалиаду), свободно перемещающуюся вдоль основной шкалы (Лимблимба).

Микрометрический винт дает возможность отсчитывать более мелкие доли деления основной шкалы, чем нониус. Микрометрический винт представляет собой тщательно изготовленный винт с шагом в 0,5 или в 1,0 мм. Головка винта представляет собой лимб, или барабан с делениями, позволяющий производить отчеты либо 1/50, либо 1/100 оборота. Таким образом, зажимая объект измерений между упорами микрометрического винта, можно измерить размеры объекта с точностью до 1/100 мм и выше, если принять во внимание возможность оценки доли деления.

Нониусом оснащены широко применяемые в измерительной практике инструменты, называемые штангенциркулями (рис. 5.2Рис. 05.02. Штангенциркуль).

Микрометры изготавливают в виде скобы с цифрами, один из которых перемещается микрометрическим винтом (рис. 5.3Рис. 05.03. Микрометр).

Измерительные устройства для линейных измерений на какой-либо поверхности делают в виде индикаторных устройств, т. е. подвижных штоков с зубчатым колесом. Так сделаны глубиномеры, толщиномеры, ростомеры. Шток как бы «ощупывает» поверхность и, передавая перемещение зубчатому колесу, регистрирует профиль поверхности.

Толщину листовых материалов измеряют также по поглощению светового или (β-γ активного излучения. Иногда для измерения толщин используют емкостные или индуктивные датчики.

Толщины пленок измеряют оптическими методами по отражению или поглощению света.

Большое число измерений ведется лупами или измерительными микроскопами. Принцип измерения состоит в измерении координаты какой-либо точки, путем визирования ее в микроскоп. Длину объекта находят по разности отсчета крайних точек объекта. Небольшие перемещения можно измерить окуляр-микрометром - окуляром, снабженным визирной сеткой, расположенной в фокусе окуляра. Визирная сетка может перемещаться в поле зрения окуляра микрометрическим винтом (рис. 5.4Рис. 05.04. Вид в окуляр-микрометр).

Перемещая сетку винтом, наводят риски на крайние точки объекта, и размеры определяют как разность отсчетов.

Повысить точность измерения длин можно путем компарирования (сравнения) длин объекта и стандартной шкалы. Если эта шкала выполнена в виде линейки, то компарируются отсчеты по этой линейке. Для повышения точности в длинномерах - компараторах (например в приборе ИЗА-2) отсчет производится с использованием линейки, нониуса и микрометрического винта. Производится это следующим образом: в один из микроскопов визируется точка объекта, координаты которой нужно определить. В другой микроскоп - измерительный - визируются деления шкалы, нанесенной на стекло. Измерительный микроскоп позволяет (рис. 5.5Рис. 05.05. Вид в измерительный микроскоп компаратера длин ИЗА-2) визировать по крайней мере два деления на стеклянной шкале. Отсчет снимается с линейки, нониуса и микрометрического винта.

В современных компараторах длин измерения проводятся сравнением размеров объекта с размером измерительной дифракционной решетки. Принцип работы такого отсчетного устройства иллюстрируется рис. 5.6Рис. 05.06. Схема установки с измерительной дифракционной решеткой.

Измерительная решетка представляет собой пару решеток, одна из которых может быть отражательной. За прозрачной решеткой располагается источник света и фоторегистрирующее устройство, например фотодиод. Перемещая одну из решеток, нужно регистрировать число проходящих в фокусе объектива максимумов или минимумов. Сравнивая это число для крайних точек объекта, легко найти его размеры, если известен шаг решетки.

Измерительные решетки в настоящее время вытесняют визуальные компараторы. Причин этому можно назвать несколько. Самая главная - процесс измерения легко автоматизировать, т. е. нет нужды пользоваться зрительной трубой, что для массовых измерений утомительно. Вторая причина - высокая точность измерения, определяемая только периодом решетки. При этом высокая точность получается как для малых перемещений, так и для больших (порядка 1 м и более). Еще одна привлекательная черта измерительных решеток - возможность создания реверсивных механизмов и подключения компьютеров.

Измерительные решетки в линейных измерениях используются как универсальные меры, т. е. носители размера физической величины. Большинство мер в линейных измерениях подразделяются на штриховые и концевые меры. Штриховые меры - это отрезки длины между какими-либо штрихами на линейках, нониусах и микрометрических винтах. В отличие от них концевые меры - это стержни, плитки, щупы, скобы точно известного размера. Существуют также концевые меры различных классов точности - от плиток Иогансона, служащих для поверки микрометров, до грубых щупов, широко используемых в машиностроении и в общей технике.

Шероховатость Шероховатость - совокупность неровностей поверхности с малым шагом и амплитудами. При небольших выступах и впадинах (до 10-20 мкм), а также при плавных переходах неровностей характеристикой шероховатости является средняя арифметическая величина неровностей на некоторой базовой длине L:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.1)

Отсчет ведется от некоторой базовой линии, имеющей форму номинального профиля, проведенного так, что среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии минимально (рис. 5.7Рис. 05.07. К определению параметров шероховатости поверхностей).

При больших шероховатостях и в особенности при наличии явно выраженных бугров и впадин шероховатость характеризуют параметром R^, который является суммой модулей размеров пяти наибольших бугров и пяти наибольших впадин на базовой длине L, т. е.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.2)

Опыт показывает, что обычно справедливо равенство:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.3)

В зависимости от вида обработки задается чистота поверхности или Квалитетквалитет. Регламентируются параметры RRa, RRz и число базовых длин m, необходимых для набора статистики. Основные виды обработки и их параметры даны в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Размеры шероховатости (мкм)
для поверхностей различного вида обработки

Вид обработки Класс частоты Rа, мкм Базовая длина L, мм Число базовых длин
Точение 4
5
6,3
3,2
2,5
2,5
2
2
Шлифовка 6
7
8
1,6
0,8
0,4
0,8
0,8
0,8
3
3
4
Полировка 9
10
11
12
0,2
0,1
0,05
0,025
0,25
0,25
0,25
0,25
6
6
7
7
Доводка 13
14
0,012
0,006
0,08
0,08
8
10

Шероховатость измеряется визуальным неконтактным профилометром - Микроскоп Линникамикроскопом Линника. В этом приборе шероховатая поверхность освещается под углом 45° через объектив микроскопа пучком света, имеющем вид узкой щели. Если объект имеет неровности в виде ступенек или шероховатостей, то изображение краев щели будет неровным. Принцип регистрации поясняется рис. 5.8Рис. 05.08. Регистрация неровностей в микроскопе Линника.

Наблюдаемое в окуляр смещение изображения будет равно размеру неровности, умноженному на увеличение микроскопа и на косинус угла наблюдения, равного 1,41 для угла в 45°, т. е.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(5.4)

Если b - расстояние между максимумами впадин и бугров измерено в микрометрах, то значение h сразу дает величину RRz (см. рис. 5.9Рис. 05.09. Вид в окуляр микроскопа Линника: а) нижний край размытия: б) верхний край размытия).

Кроме визуальных методов измерения шероховатости последнюю можно измерять ощупыванием щупом, по рассеянию светового пучка, измерением сопротивления воздуха, вытекающего из сопла, закрытого шероховатой поверхностью.

© Центр дистанционного образования МГУП