Klasyfikacja i właściwości metrologiczne narzędzi pomiarowych

1. Klasyfikacja narzędzi pomiarowych

Narzędzia pomiarowe są środkami technicznymi obejmującymi wzorce miar, sprawdziany i przyrządy pomiarowe

Wzorzec miary jest to urządzenie przeznaczone do odtwarzania, praktycznie niezmiennie podczas jego użycia, jednej lub więcej znanych wartoś­ci danej wielkości. W pomiarach długości i kąta rozróżnia się:

• wzorce miar kreskowe, np. przymiar kreskowy, wzorzec szklany wbudowany w długościomierz Abbego,

• wzorce miar końcowo-kreskowe, np. przymiar kreskowy, który od­twarza wartość długości od grani początkowej do odpowiedniej kreski podziałki,

• wzorce miar inkrementalne, będące pewną odmianą wzorców kres­kowych,

• wzorce miar kodowe, mające naniesiony na liniał lub tarczę kod w postaci kombinacji figur geometrycznych,

• wzorce miar końcowe, np. płytka wzorcowa, wałeczek pomiarowy, kątownik krawędziowy,

• wzorce miar falowe, np. długość fal świetlnych kryptonu, rtęci, kadmu, helu.

Sprawdziany są to urządzenia techniczne przeznaczone do ściśle określonych zadań; służą do stwierdzenia, czy badany wymiar jest zawarty między wymiarami granicznymi, tj. dolnym i górnym (np. sprawdzian szczękowy dwugraniczny do wałków), mogą też sprawdzać kształty elementów/ (np. szablony łuków) lub elementy o złożonej postaci geometrycznej.

Przyrządem pomiarowym jest urządzenie techniczne stanowiące całość konstrukcyjną do wykonywania pomiarów przez przetworzenie wielkości mierzonej na odpowiednie wskazanie.

Oprócz narzędzi pomiarowych w pomiarach wykorzystuje się urządzenia pomocnicze. Służą one do stworzenia odpowiednich warunków przy pomiarze, ułatwienia wykonywania czynności pomiarowych oraz do zwiększenia czułości lub zakresu pomiarowego narzędzia (np. płyta pomiarowa, wieszak do wałeczków przy pomiarze średnic podziałowych gwintów, lupa do odczytywania wskazań, kolumna z uchwytem czujnika).

Inna klasyfikacja narzędzi pomiarowych to podział na etalony, narzędzia pomiarowe użytkowe i narzędzia pomiarowe pomocnicze.

Etalonem nazywa się narzędzie pomiarowe przeznaczone do określenia, zrealizowania, zachowania lub odtwarzania jednostki miary lub jednej albo kilku ustalonych wartości wielkości w celu ich przekazania przez porównanie innym narzędziom pomiarowym (np. płytka wzorcowa klasy 00 kompletu podstawowego). Etalony — w odróżnieniu od narzędzi pomiarowych użytkowych — są przeznaczone do sprawdzania innych narzędzi pomiarowych.

Narzędzia pomiarowe użytkowe służą do wykonywania pomiarów użytkowych w warunkach produkcyjnych lub laboratoryjnych. Narzędzia użytkowe nie mogą być używane do sprawdzania innych narzędzi pomiarowych.

Narzędzia pomiarowe pomocnicze służą do pomiarów wielkości wpływających, tj. wielkości nie będących celem pomiaru lecz mających wpływ na wartość wielkości mierzonej lub wskazania przyrządu pomiarowego (np. termometr kontaktowy do pomiaru temperatury mierzonego przedmiotu, poziomnica wbudowana w przyrząd pomiarowy służąca do właściwego ustawienia przyrządu).

2. Najważniejsze właściwości i charakterystyki narzędzi pomiarowych

Właściwość metrologiczna narzędzia pomiarowego - jest to cecha narzędzia pomiarowego charakteryzująca to narzędzie i mogąca mieć wpływ na wyni­ki i błędy pomiaru.

Charakterystyka metrologiczna narzędzia pomiarowego - jest to reprezentacja matematyczna właściwości metrologicznych określonego narzędzia pomiarowego w formie wartości liczbowej, wykresu lub tablicy.

Przykłady charakterystyk:

• błąd powtarzalności wskazań narzędzia pomiarowego,

• błąd poprawności wskazań narzędzia pomiarowego,

• wykres zależności sygnału pomiarowego wyjściowego od sygnału wejściowego narzędzia pomiarowego w określonych warunkach.

Charakterystyka dynamiczna narzędzia pomiarowego - charakterystyka właściwości metrologicznych narzędzia pomiarowego w jego stanie nieustalonym i na ogół zmieniająca się w czasie.

Warunki użytkowania - są to warunki (robocze) określające zakres wartości wielkości mierzonej i wielkości wpływających oraz inne ważne wymagania, dla których charakterystyki metrologiczne narzędzia pomiarowego znajdują się w określonych granicach. Warunki użytkowania określają wartości ustalone dla wielkości mierzonej i dla wielkości wpływających.

Warunki odniesienia (warunki normalne) - warunki użytkowania narzędzia pomiarowego ustalone przepisami dla sprawdzania narzędzia pomiarowego lub dla zapewnienia wiarygodności porównania wyników po­miarów. Warunki odniesienia określa się przez wartości odniesienia lub wykres odniesienia dla wielkości wpływających. Przykładowo w pomiarach długości metodą podstawową (przez porównanie z wzorcowymi długościami fal świetlnych) przyjmuje się następujące warunki odniesienia:

• temperatura — 293,15 K,

• ciśnienie atmosferyczne — 101 325 Pa,

• ciśnienie pary wodnej w powietrzu — 1334 Pa.

Warunki graniczne są to warunki, w których narzędzie pomiarowe nie ulegnie uszkodzeniu i nie ulegną zmianie jego charakterystyki metrologiczne ustalone dla warunków użytkowania. Warunki graniczne mogą być różne dla magazynowania, transportu i użytkowania.

Zakresem pomiarowym narzędzia pomiarowego jest zakres wartości wielkości, których pomiar może być dokonany z błędem zawartym w określonych granicach. Np. zakresy pomiarowe mikrometrów do wymiarów zewnętrznych wynoszą: 0-25 mm, 25-50 mm, 50-75 mm itd.

Granica górna zakresu pomiarowego — wartość największa zakresu pomiarowego.

Granica dolna zakresu pomiarowego — wartość najmniejsza zakresu pomiarowego.

Podziałka narzędzia pomiarowego jest uporządkowanym zbiorem wskazów — kresek lub innych znaków — naniesionych na podzielnię urządzeni wskazującego,

Zakres podziałki jest to przedział zawarty między skrajnymi wskazała podziałki, odpowiadającymi dolnej i górnej granicy zakresu wskazań

Przedział między dwoma dowolnymi sąsiednimi wskazami podziałki nosi nazwę działki elementarnej.

Długość działki elementarnej L jest długością odcinka lub łuku linii podstawowej podziałki między osiami dwóch sąsiednich wskazów Linia podstawowa podziałki jest to linia (zaznaczona lub nie), która przechodzi przez środki najkrótszych kresek podziałki kreskowej.

Wartość działki elementarnej jest wartością wielkości mierzonej odpowiadającej działce elementarnej.

Urządzenie wskazujące jest to zestaw elementów narzędzia pomiarowego wskazujących wartość wielkości mierzej w postaci analogowej lub cyfrowej.

Charakterystyka przetworzenia jest to zależność sygnału wyjściowego wejściowego w warunkach określonych. Charakterystyka przetworzenia może być teoretyczna lub doświadczalna i być wyrażona w postaci równania algebraicznego, tablicy lub wykresu, względnie odpowiedniego programu komputerowego.

Czułość (narzędzia pomiarowego) jest to stosunek przyrostu sygnału wyjściowego narzędzia pomiarowego do przyrostu odpowiedniego sygnału wejściowego. W narzędziach pomiarowych zaopatrzonych w podziałkę kreskową czułość można obliczyć jako stosunek długości działki elementarnej do jej wartości. W narzędziach do pomiaru długości i kąta czułość nazywa się przełożeniem.

Dla niektórych narzędzi (np. czujników elektrostykowych) ważną cechą metrologiczną jest pobudliwość narzędzia pomiarowego, będąca zdolnością reagowania na małe zmiany wartości mierzonej wielkości (sygnału wejściowego). Błędem granicznym pobudliwości jest największa zmiana wartości wielkości mierzonej nie wywołująca dostrzegalnej zmiany wskazania (kreślonych warunkach pomiaru.

Progiem pobudliwości określa się najmniejszą zmianę wartości wielkości mierzonej (sygnału wejściowego), wywołującą dostrzegalną zmianę wskazania narzędzia pomiarowego (sygnału wyjściowego) w określonych warunkach pomiaru.

Dokładność narzędzia pomiarowego jest to zdolność narzędzia pomiarowego do dawania wskazań bliskich wartości rzeczywistej wielkości mierzonej.

Błąd narzędzia pomiarowego (błąd narzędziowy) jest to składowa błędu pomiaru, pochodząca od narzędzia pomiarowego użytego do wykonania pomiaru.

Błędem zera nazywa się błąd (odstępstwo wskazania ) narzędzia pomiarowego dla wartości wielkości mierzonej równej zeru.

Wskazania narzędzia pomiarowego mogą być obarczone różnymi błędami systematycznymi, konsekwencją czego jest tzw. błąd poprawności. Wartość tego błędu jest wypadkową sumą algebraiczną wszystkich błędów systematycznych danego narzędzia pomiarowego w określonych warunkach. Jest to więc składowa systematyczna błędu narzędzia pomiarowego.

Błędy graniczne dopuszczalne poprawności są określone dla narzędzi pomiarowych przez przepisy legalizacyjne.

Zakres rozrzutu wskazań narzędzia pomiarowego — wskaźnik rozrzutu wskazań narzędzia pomiarowego wyrażony różnicą między największym i najmniejszym spośród wskazań danej serii pomiarów tej samej wartości wielkości mierzonej.

Błąd wierności (powtarzalności) wskazań narzędzia pomiarowego jest to składowa przypadkowa błędu narzędzia pomiarowego.

Błędy graniczne wierności (powtarzalności) określają praktycznie największy rozrzut wskazań narzędzia pomiarowego. Są to błędy

e= +ks ; e = -ks

dla których prawdopodobieństwo ich nieprzekroczenia — przy normalnym rozkładzie błędów zależy od przyjętej wartości współczynnika k. Przy dostatecznie dużej liczbie pomiarów przyjmuje się na ogół k = 2, co odpowiada prawdopodobieństwu P = 0,95, że w serii pomiarów nie zostaną przekroczone błędy graniczne wierności e = + 2s i e= — 2s.

Histereza jest to właściwość narzędzia pomiarowego polegająca na tym że sygnał wyjściowy w odpowiedzi na dany sygnał wejściowy zależy o< kolejności poprzednich sygnałów wejściowych.

Błąd histerezy określa różnica wskazań narzędzia pomiarowego, gdy tę samą wartość wielkości mierzonej osiąga się raz przy zwiększaniu wartości wielkości mierzonej, drugi raz przy jej zmniejszaniu. Błąd ten występuj np. w czujnikach zębatych, których wskazania są różne, gdy tę samą war­tość wielkości mierzonej osiąga się przez przesuw trzpienia pomiarowego w dwóch przeciwnych kierunkach. Przyczyną błędów są w tym przypadki luzy zwrotne w mechanizmie czujnika.

Stabilność (narzędzia pomiarowego) jest to zdolność narzędzia pomiarowego do utrzymania niezmienności swoich charakterystyk metrologicznych. Stabilność jest zwykle rozpatrywana w odniesieniu do czasu; gdy jest odniesiona do innej wielkości, to koniecznie należy to wyraźnie zaznaczyć.

Transparencja — zdolność narzędzia pomiarowego do nieoddziaływania na wartość wielkości mierzonej.

Pełzanie (dryft) — powolna zmiana w czasie charakterystyki metrologicznej narzędzia pomiarowego.

Czas odpowiedzi — przedział czasu zawarty między chwilą, gdy sygnał wejściowy ulega określonej skokowej zmianie i chwilą, od której sygnał wyjściowy osiąga wartość końcową stałą w określonych granicach. L

Błąd opóźnienia — błąd narzędzia pomiarowego spowodowany przez opóźnienie sygnału wyjściowego narzędzia pomiarowego względem zmiennego sygnału wejściowego.

Błąd bezwładnościowy — błąd narzędzia pomiarowego spowodowany bezwładnością (mechaniczną, cieplną lub inną) jego elementów.

Błąd nieciągłości wskazania (błąd przetwarzania cyfrowego) — błąd spowodowany przekształceniem na wyjściu sygnał analogowego w sygnał dyskretny (nieciągły).

Krzywa błędów narzędzia pomiarowego — krzywa przedstawiająca błędy narzędzia pomiarowego w funkcji wielkości mierzonej.

Dokładnościowe własności narzędzi pomiarowych wyraża się często za pomocą klas dokładności. Do określonej klasy dokładności należą narzędzia pomiarowe, które spełniają wymagania metrologiczne dotyczące utrzymania błędów w zadanych granicach.

Klasa dokładności jest zwykle oznaczona przez liczbę lub symbol, zwane znakiem.

Literatura

PN-71/N-02050 Metrologia. Nazwy i określenia. PN/N-02050 (projekt) Metrologia. Terminologia podstawowa.

---