Разработка методики калибровки

Введение

к    

         Нутромер –  измерительный инструмент для определения размеров отверстий, пазов и других внутренних поверхностей. Определение размера производится по линейке. Для измерения нутромер устанавливается на деталь или вводится в нее. Диапазон измерений, наибольшая глубина измерения, наименьшее перемещение измерительного стержня, измерительное усилие нутромеров, усилие центрирующего мостика и масса нутромеров должны соответствовать указанным в табл. 1.

Таблица 1

В миллиметрах

              Примечание. По заказу потребителя допускается изготовлять нутромеры с диапазоном измерений 6 - 450 мм с наименьшей глубиной измерения больше указанной в табл. 1 с соответствующим увеличением массы нутромеров. Допускается изготовлять нутромеры с диапазоном измерений 6 - 10 мм без центрирующего мостика.

              Нутромеры с диапазоном измерений 6 - 10, 10 - 18, 18 - 50, 50 - 100, 100 - 160, 160 - 250 мм следует изготовлять двух классов точности 1 и 2.

Нутромеры с диапазоном измерений 250 - 450, 450 - 700, 700 - 1000 мм следует изготовлять  класса точности 2.

0266A10296F20727

1 - индикатор; 2 - ручка; 3 - неподвижный измерительный стержень; 4 - центрирующий мостик; 5 - подвижный измерительный стержень

1. Описание физической  величины

Единицы измерения физических величин – это величины, по определению считающиеся равными единице при измерении других величин такого же рода. Эталон единицы измерения - ее физическая реализация. Так, эталоном единицы измерения "метр" служит стержень длиной 1 м.

Метр (обозначение: м, m; от др.-греч. μέτρον — мера, измеритель) — единица измерения длины  и расстояния в СИ. Метр( м/m)  есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 s [ХVII ГКМВ (1983 г.) Резолюция 1]

Из этого определения  следует, что в системе СИ скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с. Таким образом, определение метра, как и два  столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы.

Внесистемные единицы, временно допустимые к применению: морская миля(миля/ n mile) = 1852 m.

Выбор десятичной кратной  или дольной единицы СИ определяется удобством ее применения. Из многообразия кратных и дольных единиц, которые могут быть образованы с помощью приставок, выбирают единицу, позволяющую получать числовые значения, приемлемые на практике.

Единица СИ: m; м (метр)

Обозначения рекомендуемых  кратных и дольных единиц СИ: km/ км; сm/ см; mm/ мм; μm/ мкм; nm/ нм.

Десятичные кратные  и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок  СИ. Существуют также внесистемные единицы измерения: микрон, равный 1 мкм; и ангстрем (Å), равный 0,1 нм; но их применение не рекомендуется (таблица 1).

Таблица 1 – Десятичные кратные и дольные единицы

Метрическая система  – это общее название международной  десятичной системы единиц, основными  единицами которой являются метр и килограмм. При некоторых различиях в деталях элементы системы одинаковы во всем мире.

Метрическая единица,  выраженная через единицу, не входящую в СИ:

1 метр ≈ 39,37 дюймов; 

1 сантиметр ≈ 0,3937 дюймов;

1 миллиметр ≈ 0,03937 дюймов;

1 метр ≈ 1·10¹⁰ ангстрем; 

1 нанометр ≈  10 ангстрем. 

Единица, не входящая в  СИ,  выраженная через метрическую  единицу:

1 дюйм ≈ 0,0254 метров;     

1 дюйм ≈ 2,54 сантиметров; 

1 дюйм ≈ 25,4 миллиметров; 

1 ангстрем ≈ 1·10⁻¹⁰метр; 

1 ангстрем ≈ 100 пикометров .

2 Составление  поверочной схемы

Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерения от эталона к рабочим средствам измерения составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений.

Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные. Государственные поверочные схемы распространяются на все средства измерений данного

вида, применяемые в  стране. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов министерств, распространяются они также и на средства измерений подчиненных предприятий. Кроме того, может составляться и локальная схема на средства измерений, используемые на конкретном предприятии. Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой (рисунок 2.1). Государственные поверочные схемы разрабатываются научно-исследовательскими институтами Госстандарта РФ, держателями государственных эталонов.

В некоторых случаях  бывает невозможно одним эталоном воспроизвести весь диапазон величины, поэтому в схеме может быть предусмотрено несколько первичных эталонов, которые в совокупности воспроизводят всю шкалу измерений. Например, шкала температуры от 1,5 до 1*10⁵ К воспроизводится двумя государственными эталонами.

Государственные поверочные схемы утверждаются Госстандартом  РФ, а локальные — ведомственными метрологическими службами или руководством предприятия.

Рассмотрим в общем  виде содержание государственной поверочной схемы.

Наименование эталонов и рабочих средств измерений  обычно располагают в прямоугольниках (для государственного эталона прямоугольник  двухконтурный). Здесь же указывают  метрологические характеристики для данной ступени схемы. В нижней части схемы расположены рабочие средства измерений, которые в зависимости от их степени точности (т.е. погрешности измерений) подразделяют на пять категорий: наивысшей точности; высшей точности; высокой точности; средней точности; низшей точности. Наивысшая точность обычно соизмерима со степенью погрешности средства измерения государственного эталона. В каждой ступени поверочной схемы регламентируется порядок (метод) передачи размера единицы. Наименования методов поверки (калибровки) располагаются в овалах, в которых также указывается допускаемая погрешность метода поверки (калибровки). Основным показателем достоверности передачи размера единицы величины является соотношение погрешностей средств измерений между вышестоящей и нижестоящей ступенями поверочной схемы. В идеале это соотношение должно быть 1:10, однако на практике достичь его не удается, и минимально допустимым соотношением принято считать 1:3. Чем больше величина этого соотношения, тем меньше уверенность в достоверности показаний измерительного прибора.

Рисунок 2.1 – Государственная  поверочная схема

При разработке конкретных поверочных схем необходимо следовать  приведенной схеме. Строгое соблюдение поверочных схем и своевременная  поверка разрядных эталонов —  необходимые условия для передачи достоверных размеров единиц измерения  рабочим средствам измерений.

2.1 Составление  государственной поверочной схемы

На чертеже поверочной схемы должны быть указаны:

- наименования средств  измерений и методов поверки;

- номинальные значения  или диапазоны значений физических  величин;

- допускаемые значения  погрешностей средств измерений;

- допускаемые значения  погрешностей методов поверки.

В ведомственных и  локальных поверочных схемах допускается  указывать обозначения конкретных средств измерений.

Чертеж поверочной схемы должен состоять из полей, расположенных друг под другом и разделенных штриховыми линиями.

Поля должны иметь наименования:

- «Эталоны» или «Государственный  эталон» (если вторичные эталоны  отсутствуют);

- «Образцовые средства измерений n-го разряда» (для каждого разряда - отдельное поле);

- «Образцовые средства измерений, заимствованные из других государственных поверочных схем»;

- «Рабочие средства измерений».

Если ведомственную (локальную) поверочную схему возглавляют образцовые средства измерений (вторичный эталон), верхнее  поле ее чертежа должно иметь наименование «Исходные образцовые средства измерений» («Эталоны»).

Число полей зависит от структуры  поверочной схемы.

Наименования полей указывают  в левой части чертежа, отделенной вертикальной сплошной линией.

В верхнем поле чертежа государственной поверочной схемы, возглавляемой государственным эталоном, указывают наименования эталонов в порядке их соподчиненности.

В верхнем поле чертежа ведомственной (локальной) поверочной схемы указывают  наименование эталона или образцовых средств измерений.

В верхнем поле чертежа поверочной схемы для средств измерений производных величин, единицы которых воспроизводят методом косвенных измерений, указывают наименования образцовых средств измерений, применяемых для воспроизведения данной единицы, заимствованных из других государственных поверочных схем. Наименования этих образцовых средств измерений сопровождают ссылками на соответствующие поверочные схемы.

Рисунок 2.2 – Пример компоновки элементов государственной поверочной схемы (государственный эталон; 2 - метод передачи размера единицы; 3 - эталон-копия; 4 - эталон сравнения (для международных сличений); 5 - рабочий эталон;6 - 8 - образцовые средства измерений соответствующих разрядов; 9 -образцовые средства измерений, заимствованные из других поверочных схем;10 - рабочие средства измерений)

Рисунок 2.3 − Государственная  поверочная схема для средств  измерений длины в  диапазоне  от 1 · 10^-6  до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм, МИ 2060-90

Под наименованиями эталонов и образцовых средств измерений  указывают номинальные значения или диапазоны значений физических величин и значения их погрешностей.

Под полем эталонов располагают  поле образцовых средств измерений 1-го разряда и далее поля образцовых средств измерений последующих разрядов.

В поверочных схемах, в  которых должна быть показана передача размера единицы от образцовых средств  измерений, заимствованных из других поверочных схем, наименования этих образцовых средств измерений должны быть помещены в специально отведенном для них поле.

Разряды образцовых средств  измерений, указываемые в ведомственных  и локальных поверочных схемах, должны соответствовать разрядам, присвоенным  этим средствам в государственных поверочных схемах.

Под наименованиями образцовых средств измерений указывают  диапазоны измерений и значения погрешностей средств измерений.

Под полем образцовых средств измерений нижнего разряда  помещают поле рабочих средств измерений. В нем располагают по возможности слева направо в порядке возрастания погрешности группы рабочих средств измерений, поверяемых по образцовым средствам измерений одного наименования. Для каждой группы указывают вид, диапазон измерений и значения погрешностей средств измерений.

Метрологические характеристики средств измерений, указываемые  в поверочной схеме, должны удовлетворять  следующим требованиям.

Погрешности эталонов должны быть выражены в соответствии с требованиями ГОСТ 8.057-80.

Погрешности образцовых средств измерений следует характеризовать пределом допускаемой погрешности средств измерений (D_о - для относительной формы) либо доверительной погрешностью средства измерений (d - для абсолютной, d_о - для относительной формы) при соответствующей доверительной вероятности.

Для каждой поверочной схемы  доверительную вероятность принимают  единой и выбирают из ряда: 0,90; 0,95; 0,99.

Метрологические характеристики рабочих средств измерений должны соответствовать требованиям ГОСТ 8.009-84. Погрешность рабочих средств измерений следует характеризовать пределом допускаемой погрешности средств измерений.

Форма выражения погрешности  образцовых и рабочих средств  измерений в одной поверочной схеме по возможности должна быть одинаковой.

Наименования средств  измерений, их номинальные значения или диапазоны значений физических величин и погрешности, указываемые в поверочной схеме, должны соответствовать:

- для эталонов - установленным  в результате их утверждения  в соответствии с требованиями  ГОСТ 8.372-80;

- для образцовых средств измерений - указанным в государственных стандартах, устанавливающих технические требования, или свидетельствах об их метрологической аттестации;

- для рабочих средств  измерений - установленным в государственных  стандартах технических требований (технических условиях) на эти средства.

Наименования и обозначения  физических величин и их единиц должны соответствовать ГОСТ 8.417-81.

Методы поверки средств  измерений, указываемые на поверочной схеме, с целью унификации должны соответствовать одному из следующих общих методов:

- непосредственное сличение (т. е. без средств сравнения);

- сличение при помощи  компаратора или других средств  сравнения;

- метод прямых измерений;

- метод косвенных измерений.

При указании метода поверки  допускается в текстовой части отражать специфику поверки средств измерений.

Если при поверке  проводят градуировку средств измерений, это указывают в тексте.

Под наименованием метода поверки указывают допускаемое  значение погрешности метода поверки.

Способы графического изображения  ступени передачи размера единицы указаны в таблице.

Наименование государственного эталона заключают в прямоугольник, образованный двойной линией. Наименования вторичных эталонов (эталонов-копий, эталонов сравнения, рабочих эталонов), а также образцовых и рабочих средств измерений заключают в прямоугольники, образованные одинарной линией. Наименования методов поверки заключают в горизонтальные овалы, которые располагают между наименованиями объектов поверки и средств измерений, от которых передают размер единицы.

2.2 Составление  локальной поверочной схемы

Образцовые средства измерений 1-го разряда 

В  качестве  образцовых  средств  измерений 1-го  разряда  применяют  плоскопараллельные концевые меры длины в диапазоне от 0,1 до 1000 мм. Доверительные  абсолютные  погрешности  δ  образцовых  средств  измерений 1-го  разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от (0,02 + 0,2L) мкм до (0,05 + 0,5L)  мкм. 

Образцовые средства измерений 1-го разряда применяют  для поверки образцовых  2-го  разряда  и  рабочих  средств  измерений  методом  прямых  измерений  и  сличением  при  помощи компаратора.

Образцовые средства измерений 2-го разряда 

В качестве образцовых средств  измерений 2-го разряда применяют  установки для  поверки  измерительных  головок  в  диапазоне от 0,1 до       10 мм,  установки  для  поверки  измерительных  преобразователей  и  приборов в динамическом  режиме  в диапазоне от 0,005 до 0,2 мм, плоскопараллельные концевые меры длины в диапазоне от 0,1 до 1000 мм, приборы для  поверки средств  измерений  внутренних размеров  в  диапазоне от 1 до 200 мм и измерительные  кольца в диапазоне от 1 до       160 мм. 

Доверительные  абсолютные  погрешности  δ  образцовых  средств  измерений 2-го  разряда при доверительной  вероятности 0,99 составляют от 0,04 до 2 мкм и (0,1 + 1L) мкм. 

Образцовые средства измерений 2-го разряда применяют  для поверки образцовых  3-го  разряда и рабочих  средств  измерений сличением  при  помощи  компаратора  и методом  прямых измерений. 

Образцовые средства измерений 3-го разряда.

  В  качестве  образцовых  средств  измерений  3-го  разряда  применяют   плоскопараллельные  концевые  меры  длины  и  измерительные   системы  гибких  производственных  модулей в диапазоне от 0,1 до 1000 мм, измерительные кольца в диапазоне  от 1  до 160 мм и приборы для поверки средств измерений внутренних размеров в диапазоне от 1 до  200 мм.  Доверительные абсолютные  погрешности δ образцовых  средств измерений 3-го  разряда при доверительной вероятности 0,99 составляют от (0,1 + 1L) до (0,02 + 2L) мкм. 

Образцовые средства измерений 3-го разряда применяют  для поверки образцовых  4-го  разряда  и  рабочих  средств  измерений  методом  прямых  измерений  и  сличением  при  помощи компаратора. 

Образцовые средства измерений 4-го разряда.

В  качестве  образцовых  средств  измерений 4-го  разряда  применяют  плоскопараллельные концевые меры длины в диапазоне от 0,1 до 1000 мм, приборы для поверки  индикаторов и индикаторных нутромеров в диапазоне от 0 до 10 мм и измерительные кольца в  диапазоне от 1 до 160 мм.

Рабочие  средства  измерений 1-й   части. 

В  качестве  рабочих  средств  измерений  применяют  спектрометры  и  спектрофотометры  в  диапазоне от 0,2 до 50 мкм,  частотно-стабилизированные  лазеры  непрерывного  излучения  и  частотно-стабилизированные  и  нестабилизированные  лазеры  непрерывного излучения - меры длин волн в диапазоне от 0,4 до 11 мкм, измерители длин волн  лазеров  непрерывного  излучения  и  лазерные  спектрометры  в  диапазоне от 0,4 до 11 мкм,  измерители  длин волн  лазеров импульсного излучения и лазеры импульсного излучения в диапазоне от 0,4 до 1,2 мкм. 

Доверительные  относительные  погрешности  δ₀  частотно-стабилизированных лазеров повышенной  точности  и стабильности  при доверительной вероятности 0,99  составляют от 1 · ^10-10  до 3 · 10^-8 .  Пределы допускаемых относительных погрешностей  ∆₀  рабочих средств измерений составляют от 3 · 10^-8  до 1 · 10^-2. 

Рабочие  средства  измерений 2-й   части.

В  качестве  рабочих  средств  измерений  применяют  измерители  линейных  перемещений в диапазоне от 0,01 до 30000 мм, штриховые меры  длины в диапазоне от 0,1 до 2000  мм классов точности 0; 1; 2; 3; 4; 5.

Пределы  допускаемых  абсолютных  погрешностей  ∆  рабочих  средств  измерений  составляют от 0,05 мкм до 14 мм. 

Рабочие  средства  измерений 3-й   части.

В качестве рабочих средств  измерений применяют плоскопараллельные  концевые  меры  длины в  диапазоне  от 0,1 до 1000 мм  классов точности 00; 01; 0,1; 2; 3; 4; 5; контактные  интерферометры  с  ценой  деления от 0,02 до 0,2 мкм;   установочные кольца в диапазоне от 1 до        160 мм; установочные концевые  меры,  проволочки  и  ролики  для  измерений  среднего  диаметра  резьбы; принадлежности  к  концевым мерам длины (боковики). 

Пределы  допускаемых  абсолютных  погрешностей  ∆ рабочих средств измерений составляют от 0,02 мкм до 1 мм.

3.Описание принципа  действия средства измерения.

Строгой классификации  нутромеров нет. Чаще всего нутромерам присваивают название по какому-либо отличительному признаку:

- по конструкции - цанговые, шариковые  и т.п.;

- по типу отсчётного устройства - индикаторные и др.;

-по виду контакта с измеряемой  поверхностью, например кромочные,  и т.д.

Простейший нутромер – предельный калибр, т. н. штихмас, представляет собой стержень или трубку со сферическими измерительными наконечниками и служит для контроля относительно больших отверстий (диаметром от 100 до 2500 мм). Если требуются более точные измерения, то используют микрометрические нутромерысо сменными удлинителями с пределами измерений от 50 до 2500 мм (5 типоразмеров). Такие нутромеры для определения диаметров от 1250 до 10 000 мм (3 типоразмера) имеют дополнительно индикаторы часового типа.

Индикаторные нутромеры выпускаются  обычно с рычажными и клиновыми  передачами. Такие нутромеры с рычажной передачей имеют предел измерений 3–1000 мм (10 типоразмеров), с клиновой (более точные) - 18-50 мм.

Для отверстий относительно небольших размеров обычно применяют  нутромеры, имеющие различные передаточные механизмы (от наконечников к отсчётному устройству) – конусные, рычажные, клиновые нутромеры. Для отверстий малых диаметров предназначаются нутромеры с конусными передачами: кромочные  нутромеры, цанговые нутромеры, шариковые нутромеры и др. Большинство нутромеров имеет две точки контакта с измеряемой поверхностью (двухконтактная схема измерения). Исключение составляют т.н. пассиметры – нутромеры с трёхконтактной схемой, которые имеют 2 неподвижных и 1 подвижный наконечники; пределы измерений 19-120 мм. Предварительная настройка таких нутромеров производится по установочным кольцам.

Для внутренних измерений  применяют индикаторный нутромер (рисунок 1). Он имеет направляющую втулку 5, в  верхней части которой установлен индикатор 1 часового типа, закрепленный винтом 2. Внутри втулки находится длинный стержень, который соприкасается с коротким стержнем 10, упирающимся в грибок 9 тройника 6 головки нутромера. В тройнике расположены движок 4 и сменный измерительный стержень 8, закрепленный в тройнике гайкой 7. Со стороны подвижного штифта на тройнике насажен центрирующий мостик 5, служащий для установки головки индикатора по диаметру отверстия. При измерении отверстий движок 4 со спиральной пружиной 11 давит на рычажок 9 и через стержень 10 передает движение на длинный стержень к индикатору. По перемещению стрелки индикатора определяют отклонение размера. Перед измерением нутромер устанавливают на номинальный размер по кольцу или блоку плиток.

 Индикаторные нутромеры  выпускают с пределами измерений: 6—10; 10—18; 18—35; 35—50; 50—100; 100— 160; 160—250; 250—450 мм. Для измерения к нутромеру прилагают сменные шайбы и стержни, отличающиеся друг от друга на 1 или 5 мм (в зависимости от предела измерений). Шайбы устанавливают в отверстие тройника головки.

Рисунок 1.1–  Индикаторный нутромер

Пример условного обозначения  индикаторного нутромера с диапазоном измерений 10—18 мм, класса точности 1: Нутромер НИ 10–18–1 ГОСТ 868–82.

Измерительные поверхности  стержней должны быть оснащены твердым  сплавом. По заказу потребителя измерительные поверхности стержней следует изготовлять хромированными из стали твердостью не менее 57 HRC₃ по ГОСТ 9013. Измерительные поверхности стержней для нутромеров с диапазоном измерений 6—10 мм допускается изготовлять хромированными из стали твердостью не менее 57 HRC₃ по ГОСТ 9013.

Параметр шероховатости  измерительных поверхностей стержней —      Ra ≤ 0,16 мкм, а опорных  поверхностей центрирующих мостиков — Ra ≤ 0,63 мкм по ГОСТ 2789. Твердость  опорных поверхностей центрирующих мостиков нутромеров с диапазоном измерений более 18 мм должна быть не менее 57 HRC₃ по ГОСТ 9013, а нутромеров с диапазоном измерений до 18 мм — не менее 47 HRC₃ по ГОСТ 9013.

Нутромеры должны иметь  ручку из материала с малой  теплопроводностью. Наружные металлические поверхности нутромеров должны иметь надежное антикоррозионное покрытие по ГОСТ 9.303 или ГОСТ 9.032.

Средняя наработка на отказ нутромеров с диапазоном измерений  до 18 мм — не менее 35000 условных измерений, а для нутромеров с диапазоном измерений свыше 18 мм — не менее 45000 условных измерений.

Под условным измерением понимают однократное возвратно-поступательное движение подвижного измерительного стержня  нутромера на величину нормируемого наименьшего перемещения измерительного стержня.

4.Разработка методики  калибровки.

4.1.Операции и средства  поверки.

При проведении поверки  должны выполняться операции и применяться  средства поверки, указанные в таблице 4.1.

С разрешения Государственного комитета СССР по стандартам допускается  применять методы и средства поверки, не указанные в настоящем стандарте, при условии обеспечения ими необходимой точности поверки.