Metrologia - nauka o zapewnieniu środkami technicznymi i organizacyjnymi poprawności pomiarów we wszystkich dziedzinach nauki, techniki i gospodarki.
Pomiar - zespół czynności doświadczalnych mających na celu wyznaczenie wartości określonej wielkości, a więc liczbowe porównanie tej wielkości z jednostką miary.
Wielkość - właściwość (cecha) zjawiska lub ciała, którą można wyróżnić jakościowo i wyznaczyć ilościowo.
Wartość wielkości - iloczyn liczby i jednostki miary.
Urządzenia pomocnicze służą do:
stworzenia odpowiednich warunków przy pomiarze,
ułatwienia wykonywania czynności pomiarowych,
zwiększenia czułości lub zakresu pomiarowego przyrządu.
Wzorzec miary jest to urządzenie przeznaczone do odtwarzania, praktycznie niezmiennie podczas jego użycia, jednej lub więcej znanych wartości danej wielkości.
Przyrząd pomiarowy - to urządzenie przeznaczone do wykonywania pomiarów, samodzielnie lub w połączeniu z urządzeniami dodatkowymi.
Właściwość metrologiczna przyrządu pomiarowego jest to cecha przyrządu pomiarowego charakteryzująca ten przyrząd i mogąca mieć wpływ na wyniki i błędy pomiaru.
Charakterystyka metrologiczna przyrządu pomiarowego jest to reprezentacja matematyczna właściwości metrologicznych określonego przyrządu pomiarowego w formie wartości liczbowej, wykresu lub tablicy.
Warunki odniesienia (warunki normalne) (ang. reference conditions)— warunki użytkowania przyrządu pomiarowego ustalone przepisami dla sprawdzania przyrządu pomiarowego lub dla zapewnienia wiarygodności porównania wyników pomiarów.
Zakresem pomiarowym (ang. measuring range) przyrządu pomiarowego jest zakres wartości wielkości, których pomiar może być dokonany z błędem zawartym w określonych granicach.
Na przykład zakresy pomiarowe mikrometrów do wymiarów zewnętrznych wynoszą: 0-25 mm, 25-50 mm, 50-75 mm itd.
Długość działki elementarnej Le jest długością odcinka lub łuku linii podstawowej podziałki między osiami dwóch sąsiednich wskazów.
Podziałka (ang. scale) przyrządu pomiarowego jest uporządkowanym zbiorem wskazów — kresek lub innych znaków — naniesionych na podzielnię urządzenia wskazującego.
Zakres podziałki jest to przedział zawarty między skrajnymi wskazami podziałki, odpowiadającymi dolnej i górnej granicy zakresu wskazań.
Przedział między dwoma dowolnymi sąsiednimi wskazami podziałki nosi nazwę działki elementarnej (ang. scale division).
Wartość działki elementarnej We (ang. scale interval) jest wartością wielkości mierzonej odpowiadającą działce elementarnej. Urządzenie wskazujące jest to zespół elementów przyrządu pomiarowego wskazujący wartość wielkości mierzonej w postaci analogowej lub cyfrowej.
Rozdzielczość (urządzenia wskazującego) (ang. resolution) jest to największa różnica wskazań urządzenia wskazującego, która może być zauważona w wyraźny sposób. Dla urządzenia wskazującego cyfrowego jest to różnica wskazań odpowiadająca zmianie o jednostkę najmniej znaczącej cyfry.
Dokładność przyrządu pomiarowego (ang. accuracy of measuring instrument) jest to zdolność przyrządu pomiarowego do dawania wskazań bliskich wartości prawdziwej (rzeczywistej) wielkości mierzonej.
Błąd (wskazania) przyrządu pomiarowego (ang. error of indication of a measuring instrument) jest to składowa błędu pomiaru, pochodząca od przyrządu pomiarowego użytego do wykonania pomiaru. Przy porównywaniu przyrządu z wzorcem odniesienia błąd (wskazania) przyrządu pomiarowego jest to wskazanie przyrządu minus wartość prawdziwa odpowiedniej wielkości wejściowej. Wartość prawdziwa (rzeczywista) nie może być określona, w praktyce więc wykorzystuje się wartość umownie prawdziwą.
Zasada pomiarowa
Każdy pomiar opiera się na pewnej zasadzie — czyli zjawisku fizycznym wykorzystanym do przeprowadzenia pomiaru. W konstrukcji każdego przyrządu pomiarowego jest zrealizowana określona zasada pomiarowa.
Metoda pomiarowa bezpośrednia - wartość wielkości uzyskuje się bez potrzeby mierzenia innych wielkości funkcyjnie z nią powiązanych i bez wykonania specjalnych obliczeń. Może natomiast zajść potrzeba obliczenia poprawek wynikających z wielkości wpływowych lub z tzw. stałej przyrządu (np. mnożenie każdego wyniku pomiaru przez pewien stały współczynnik).
Przykłady:
Pomiar średnicy wałka mikrometrem.
Pomiar chropowatości powierzchni profilometrem.
Pomiar prędkości samochodu prędkościomierzem stanowiącym wyposażenie pojazdu.
Metoda pomiarowa pośrednia - polega na mierzeniu (bezpośrednim) pewnej liczby wielkości pomocniczych, a następnie — na podstawie wyników tych pomiarów — obliczeniu wielkości poszukiwanej
Przykłady:
Pomiar promienia łuku przez zmierzenie bezpośrednie jego strzałki i cięciwy, a następnie wykonanie odpowiednich obliczeń opartych na zależnościach geometrycznych.
Pomiar kalorymetryczny ciepła właściwego przez pomiar masy ciała i przyrostu temperatury.
Szczególnym przypadkiem metody pośredniej jest metoda pomiarowa podstawowa (bezwzględna), oparta na pomiarach wielkości występujących w definicji danej wielkości.
Przykłady:
Pomiar prędkości w ruchu jednostajnym przez pomiar drogi i czasu.
Pomiar ciśnienia przez pomiar siły i powierzchni, na którą działa siła
Metoda pomiarowa złożona, wg której wyznacza się jednocześnie wartości więcej niż jednej mierzonych wielkości, poprzez rozwiązanie pewnego układu równań, w których występują wyniki innych (pomocniczych) pomiarów.
Charakterystyka wzorcow kreskowych
wykonuje się ze stali stopowej lub szkła o współczynniku rozszerzalności cieplnej zbliżonym do współczynnika stali,
długość wzorca wynosi najczęściej 100 lub 200 mm,
szerokość kresek 3-6 ၭm,
wartość działki elementarnej 1 lub 0,1 mm.
Zalety inkrementalnych układów pomiarowych:
wysoka dokładność - błąd odtwarzania wynosi od 1 do 10 nm
cyfrowa postać wskazań
Stosuje się różne rozwiązania wzorców pojemnościowych. Na przykład wzorce te są tworzone na liniale w postaci stref o różnej na przemian pojemności elektrycznej. Okres podziałki r=0,5mm. Wartość przesunięcia przetwornika względem wzorca określa licznik zliczający impulsy i interpolator amplitudowy.
Wzorce kodowe
Są utworzone z kombinacji figur geometrycznych. Podobnie jak we wzorcach inkrementalnych, występują tu segmenty (strefy) aktywne i pasywne. Każdemu położeniu wzorca względem przetwornika odpowiada jedna (bezwzględna) wartość.
Płytki wzorcowe
Mają najczęściej kształt prostopadłościanów. Po raz pierwszy zostały wykonane i wykorzystane jako wzorce miar pod koniec XIX wieku przez C.E. Johanssona.
Główne zastosowania płytek wzorcowych:
klasa 00 K — w laboratoriach pomiarowych do wzorcowania innych płytek wzorcowych;
klasa 0 — jako płytki wzorcowe podstawowe do sprawdzania płytek wzorcowych podporządkowanych (o niższej klasie dokładności); do wzorcowania przyrządów pomiarowych o dużej dokładności,
klasa 1 — do pomiarów wzorców kontrolnych i sprawdzianów; do wzorcowania długościomierzy i pomiarów w laboratoriach pomiarowych,
klasa 2 — jako wzorce nastawcze i kontrolne przyrządów pomiarowych niższej dokładności, wzorce zastępujące sprawdziany szczękowe.
Szczelinomierze należą do wzorców końcowych i są używane w pomiarach szczelin oraz luzów w częściach maszyn lub urządzeń. Wykonuje się pojedyncze szczelinomierze oraz komplety szczelinomierzy.
Płytki kątowe przywieralne dzieli się na trzy klasy dokładności: 0, 1 i 2.
Odchyłki tych płytek nie powinny przekraczać wartości:
±3" dla klasy dokładności 0,
±10" dla klasy dokładności 1,
±30" dla klasy dokładności 2.
Kątowniki są wzorcami kąta prostego powszechnie używanymi w budowie maszyn i metrologii wielkości geometrycznych. Norma [PN-86/M-53160] ustala cztery klasy dokładności oznaczone według malejącej dokładności symbolami: 00, 0, 1, 2.
Zasada działania suwmiarki ze wzorcem zębatkowym polega na współpracy kółka zębatego 2 z zębatką wzorcową 1 połączoną z prowadnicą. Podczas ruchu suwaka kółko obraca się, poruszając (zwykle za pomocą odpowiedniej przekładni) wskazówkę urządzenia wskazującego 3. Na podziałce odczytuje się pełne milimetry i ich ułamki (np. co 0,05 mm), natomiast dziesiątki milimetrów odczytuje się — zależnie od konstrukcji przyrządu — również na urządzeniu wskazującym 3 (za pomocą drugiej wskazówki) albo bezpośrednio na prowadnicy.
Wyposażone są we wzorce pojemnościowe mające postać cienkiego paska naklejonego na prowadnicę przyrządu; pasek ten zawiera wiele elementów pojemnościowych (kondensatorów). Analogiem mierzonego wymiaru jest robocza pojemność wzorca 1 (naklejonego na prowadnicy) odpowiadająca danemu położeniu suwaka, mierzona miniaturowym układem elektronicznym. Wynik pomiaru widnieje na cyfrowym urządzeniu wskazującym 2 zbudowanym z ciekłych kryształów; typowa wartość działki elementarnej wynosi 0,01 mm.
Elektroniczny przyrząd suwmiarkowy zapewnia wygodny i dokładny pomiar oraz specjalne udogodnienia:
możliwość zerowania wskazania w dowolnym miejscu,
przełączanie milimetry / cale,
wyjście do układów przetwarzania danych (np. w celu rejestrowania wyników pomiarów i ich obróbki statystycznej).
Korpusem przyrządu jest kabłąk 1, z którego wysuwa się wrzeciono 2 i w którym jest osadzone kowadełko 4. Zespół zawierający śrubę mikrometryczną 3 (stanowiącą całość z wrzecionem), rozciętą nakrętkę 6 połączoną z tuleją 5 osadzoną w kabłąku oraz urządzenie do kasowania luzu na gwincie (pierścień gwintowany 11 zaciskający nakrętkę 6) jest właściwym przetwornikiem mikrometrycznym. Śruba 3 jest obracana za pomocą bębna 7 z pierścieniem (pokrętłem) 8 i sprzęgłem 9. Wrzeciono ze śrubą mikrometryczną można unieruchomić zaciskiem 10
Podział czujników
mechaniczne, w których przetwornik jest pewnym mechanizmem zamieniającym ruch końcówki pomiarowej na ruch wskazówki:
dźwigniowe,
zegarowe (z kołami zębatymi),
sprężynowe,
konstrukcji mieszanej, np. dźwigniowo-zębate;
optyczne; należą do nich także mieszane konstrukcje, np. sprężynowo-optyczne;
elektryczne, w których przetwornik pomiarowy jest urządzeniem elektrycznym (względnie elektronicznym):
elektrostykowe,
indukcyjne,
pojemnościowe.
Czujniki zegarowe są produkowane w wielu odmianach, z różnymi działkami elementarnymi (0,001 - 0,01 mm) i zakresami pomiarowymi (odpowiednio 1 -10 mm, znane są też czujniki o większym zakresie pomiarowym). Najbardziej rozpowszechniona wersja — to czujnik o zakresie pomiarowym 10 mm, z działką elementarną 0,01 mm. Pełny obrót głównej wskazówki takiego czujnika odpowiada przesunięciu końcówki pomiarowej o 1 mm; na głównej podziałce jest więc 100 działek. Podziałka pomocnicza zawiera wtedy 10 działek o wartości 1 mm.
Do mierzenia średnic otworów służą średnicówki z czujnikiem zegarowym, potocznie zwane „średnicówkami zegarowymi". Średnicówka jest właściwie specyficzną oprawką dla normalnego czujnika zegarowego. Czujnik 1 jest zamocowany w korpusie 3 za pomocą zacisku 2. W dolnej części 5 przyrządu znajduje się mechanizm zmiany kierunku ruchu końcówki pomiarowej o 90° — dźwignia kątowa 10, o którą opiera się trzpień pomiarowy 11 i końcówka przesuwna 6. Druga końcówka 7 jest wymienna (zmiana zakresu pomiarowego). Mostek 8, na który działają sprężyny 9, służy do osiowania średnicówki, opartej o powierzchnię mierzonego otworu w 3 punktach: A, B, C.
Zasada działania czujników sprężynowych polega na wykorzystaniu odkształcenia sprężyny podczas przesuwania końcówki pomiarowej.
Czujniki sprężynowe są przyrządami precyzyjnymi (o zastosowaniu typowo laboratoryjnym), a do celów produkcyjnych używa się ich stosunkowo rzadko. Czujniki te są stosowane z zasady wraz ze specjalnym uchwytem zawierającym stolik pomiarowy.
Czujniki optyczne oparte są na zasadzie tzw. „dźwigni optycznej"; wykorzystuje się zależność przesunięcia obrazu na ekranie od wychylenia zwierciadła stanowiącego główny element przetwornika czujnika. Odpowiednio duże przełożenie układu uzyskuje się przez zwiększenie odległości ekranu od zwierciadła.
Najprostszymi czujnikami elektrycznymi są czujniki elektrostykowe, obecnie rzadko stosowane. Ich działanie polega na otwieraniu lub zamykaniu obwodu zależnie od położenia końcówki pomiarowej; są to w istocie mechaniczne czujniki dźwigniowe wyposażone w precyzyjne mikrozestyki elektryczne. Czujnik jest wyposażony w urządzenie sygnalizacyjne z kolorowymi lampkami (np. kolor zielony — wymiar w polu tolerancji, czerwony — wymiar za mały, żółty — za duży). Czujniki elektrostykowe zostały wyparte przez znacznie bardziej uniwersalne i niezawodne czujniki indukcyjne.
Czujnik indukcyjny działa na zasadzie zmiany indukcyjności cewki na skutek zmiany położenia jej rdzenia, połączonego z trzpieniem pomiarowym. Trzpień pomiarowy 1 przesuwa się w prowadnicy kulkowej 2 i połączony jest z rdzeniem ferrytowym 3, wspólnym dla zespołu dwóch cewek 4 i 5.