Racjonalny dobór narzędzi do pomiarów wielkości geometrycznych

1. Postępowanie pomiarowe

Postępowanie pomiarowe, mające na celu wyznaczenie wartości okresie wielkości, można podzielić na trzy odrębne zespoły czynności.

Wybór narzędzia pomiarowego powinien być dokonany w sposób racjonalny. Przy wyborze należy uwzględnić odpowiednie kryteria.

Pomiar jest szeregiem czynności doświadczalnych, których rezultatem jest wynik pomiaru surowy. Wynik pomiaru surowy poddaje się opracowaniu, polegającym na usunięciu ewentualnych błędów systematycznych oraz określeniu niepewności pomiaru. Tak więc wynik pomiaru jest dwuelementowy, tj. obok poprawionego wyniku pomiaru (z usuniętymi błędami systematycznymi) należy podać niepewność pomiaru. Niepewność pomiaru podaje się na ogół z jedną cyfrą znaczącą, wartość zaś wyniku poprawie go zaokrągla do tego samego miejsca, co niepewność pomiaru.

2. Metody pomiarowe

W postępowaniu pomiarowym można wyróżnić metodę pomiarową. Jest pojęcie określające sposób porównania zastosowany w pomiarze. Meto pomiarowe dzieli się na bezpośrednie i pośrednie (rys. 9.1).

Metoda pomiarowa bezpośrednia — metoda pomiarowa, dzięki której wartość wielkości mierzonej otrzymuje się bezpośrednio, bez potrzeby wykonywania dodatkowych obliczeń opartych na zależności funkcyjnej wielkości mierzonej od innych wielkości.

Metoda pomiarowa pośrednia — metoda pomiarowa polegająca na bezpośrednich pomiarach innych wielkości i wykorzystaniu istniejącej zależności między mierzoną wielkością a wielkościami mierzonymi bezpośrednio. Przykładem takiej metody jest wyznaczanie promienia R łuku na podstawie wyników pomiaru strzałki s i cięciwy c;

Metoda pomiarowa bezpośredniego porównania — metoda pomiarowa porównawcza polegająca na porównaniu całkowitej wartości wielkości mierzonej z wartością znaną tej samej wielkości w postaci wzorca wchodzi (porównanie mierzonej długości z przymiarem kreskowym).

Metoda pomiarowa wychyleniowa — metoda pomiarowa porównawcza polegająca na określeniu wartości wielkości mierzonej przez wychylenie urządzenia wskazującego; narzędzie pomiarowe może mieć urządzenie wskazujące analogowe lub cyfrowe. Przykładem jest pomiar profilometrem parametru R_a chropowatości powierzchni.

Metoda pomiarowa różnicowa — metoda oparta porównaniu wielkości mierzonej z niewiele różniącą się od niej znaną wartością tej samej wielkości i pomiarze różnicy tych wartości.

Metoda pomiarowa różnicowa wychyleniowa to metoda różnicowa polegająca na pomiarze małej różnicy między wartością wielkości mierzonej i znaną wartością tej samej wielkości za pomocą czujnika (np. pomiar średnicy wałka przy użyciu stosu płytek wzorcowych i czujnika zamocowanego na statywie).

Metoda pomiarowa różnicowa zerowa — metoda różnicowa polegająca na sprowadzeniu do zera różnicy między wartością wielkości mierzonej a porównywaną z nią znaną wartością tej samej wielkości. Przykładem takiej metody jest pomiar rozstawienia szczęk spraw­dzianu do wałków przy użyciu stosu płytek wzorcowych i wałeczków po­miarowych, polegający na doprowadzeniu przez zmiany wymiaru wałeczka do braku luzu.

Obok wymienionych metod pomiarowych stosuje się także tzw. metodę podstawową opartą na pomiarach wielkości podstawowych wchodzących do definicji wielkości. Tę samą nazwę metody stosuje się także w pomiarach wielkości podstawowych, gdy wykorzystuje się defini­cyjne określenie wzorca miary tej wielkości. Dawniej nazywano tę metodę metodą pomiarową bezwzględną. Jej przykładem są m.in. pomiar prędkości liniowej przez pomiar drogi i czasu .

3. Zasada pomiaru

Zasada pomiaru jest to zjawisko fizyczne stanowiące podstawę pomiaru, np. zmiana ciśnienia wykorzystywana w pomiarach czujnikami pneumatyczny­mi, prawo działania dźwigni nierównoramiennej w pomiarze czujnikiem dźwigniowym, czy też zmiana indukcyjności układu elektrycznego cewki w pomiarach czujnikami indukcyjnymi.

4. Dobór narzędzi pomiarowych

W pomiarach wielkości geometrycznych ważną rolę odgrywa właściwy do­bór narzędzi pomiarowych. O wyborze decydują kryteria techniczno-metrologiczne, które mają związek z cechami zarówno narzędzi pomiarowych jak i wyrobów. Stosując podczas wyboru kolejne kryteria wyodrębnia się stop­niowo — spośród narzędzi pomiarowych będących do dyspozycji — te, któ­re mogą być brane pod uwagę jako nadające się do planowanego pomiaru. Kryteriami racjonalnego doboru narzędzia pomiarowego są:

• rodzaj mierzonego wymiaru (zewnętrzny, wewnętrzny, mieszany, pośredni),

• sposób ustalenia i zamocowania mierzonego przedmiotu,

• sposób odbierania informacji o mierzonym wymiarze,

• wartość mierzonego wymiaru,

• optymalna niepewność pomiaru.

Czynnikami mającymi wpływ na sposób ustalenia i zamocowania przedmiotu podczas mierzenia są własności konstrukcyjno-technologiczne przedmiotu, jego masa i kształt oraz własności konstrukcyjno-metrologiczne narzędzi pomiarowych. W szczególności:

• duża masa przedmiotu lub jego kształt wymagają, aby narzędzie pomiarowe — trzymane w ręku — zostało przystawione do mie­rzonego wymiaru (np. pomiar średnicy otworu w korpusie redu­ktora za pomocą średnicówki),

• jeżeli masa przedmiotu jest porównywalna lub większa od masy narzędzia pomiarowego przystosowanego do trzymania w ręku, przedmiot stawia się na stole pomiarowym, przyrząd zaś przystawia się do mierzonego wymiaru (np. pomiar średnicy wałka opartego czołem o powierzchnię stołu za pomocą mikrometru zewnętrznego),

• jeżeli masa przedmiotu jest porównywalna z masą narzędzia przy­stosowanego do trzymania w ręku , przedmiot trzyma się palcami lewej ręki, prawą natomiast trzyma się i obsługuje narzę­dzie (np. pomiar średnicy otworu średnicówką czujnikową),

• jeżeli masa przedmiotu jest mniejsza od masy narzędzia pomiaro­wego, które można zamocować w uchwycie, przedmiot trzyma się palcami lewej ręki oraz wkłada między powierzchnie pomiarowe przyrządu pomiarowego zamocowanego w uchwycie i obsługiwanego palcami prawej ręki (np. pomiar średnicy wałe­czka za pomocą transametru),

• przedmiot i narzędzie pomiarowe mogą być ustawione na płycie po­miarowej (np. pomiar wysokościomierzem suwmiarkowym),

• przedmiot można ustalić w kłach przyrządu pomiarowego; ten sposób ustalenia wymaga, by przedmiot miał nakiełki (np. pomiar podziałki sprawdzianu gwintowego trzpieniowego za pomocą mik­roskopu pomiarowego),

• przedmiot można oprzeć lub zamocować specjalnymi łapkami na szklanym stoliku pomiarowym (np. pomiar wymiarów i kątów szablonu za pomocą mikroskopu pomiarowego w świetle przechodzącym (oświetlenie dolne),

• przedmiot można postawić na stoliku pomiarowym (np. pomiar średnicy wałka czujnikiem MOP 1/100 zamocowanym na statywie, z równoczesnym użyciem płytek wzorcowych),

• przedmiot można ustalić w pryzmie (np. pomiar odchyłki graniastości czujnikiem).

Istnieje kilka technik odbierania informacji o mierzonym wymiarze:

• technika stykowa (styk punktowy, liniowy lub powierzchniowy końcówki pomiarowej z przedmiotem, z naciskiem lub bez nacisku pomiarowego);

• technika bezstykowa (np. pomiar optyczny mikroskopem pomiaro­wym kąta gwintu, pomiar czujnikiem pneumatycznym średnicy wałka); do tej kategorii należy również zaliczyć pomiary interfe­rometrami, w których rolę wzorców odgrywają długości fal świetlnych,

• technika stykowo-optyczna (np. pomiar mikroskopem pomiarowym podziałki gwintu z zastosowaniem nożyków pomiarowych).

5. Optymalna niepewność pomiaru

Każde narzędzie pomiarowe cechują błędy dokładności. Błąd dokładności jest to wypadkowa wartość błędów narzędzia pomiarowego w określonych warunkach użytkowania, zawierająca błędy poprawności i błędy powtarzal­ności wskazań. Ten nieodłączny od narzędzia pomiarowego błąd może być zatem podzielony na błąd systematyczny, który można wyeliminować z su­rowego wyniku pomiaru za pomocą poprawki oraz błąd przypadkowy, wywołany rozrzutem wskazań. Ze względów ekonomicznych (zwiększenie czasu pomiaru) w pomiarach przemysłowych nie praktykuje się na ogół usuwania błędów systematycznych narzędzia pomiarowego ani też znacz­niejszego zwiększania liczby pomiarów w celu zmniejszenia błędu przypad­kowego. Najchętniej za zaobserwowany wynik pomiaru przyjmuje się jedno wskazanie.

Optymalna niepewność pomiaru jest związana z interpretacją wymiarów granicznych. Na całkowite koszty wykonania określonego wymiaru wyrobu składają się:

• koszty wytwarzania

• koszty pomiaru

• koszty błędnych decyzji .

Koszty wytwarzania nie zależą od niepewności pomiaru, natomiast koszty pomiaru K maleją ze wzrostem niepewności pomiaru (dokładniejszy pomiar wymaga doskonalszego narzędzia pomiarowego, personel musi mieć wyższe kwalifikacje, odpowiednie warunki pomiarów zwłaszcza temperaturowe co powoduje że czas przygotowawczy łącznie z czasem pomiaru będzie dłuższy itp.). Źródłem błędnych decyzji jest występowanie w pomia­rze obszaru niepewności pomiaru 2e. Koszty błędnych decyzji rosną wraz ze wzrostem niepewności pomiaru. Jeżeli wymiar zaobserwowany znajduje się w polu tolerancji T, nie ma wątpliwości, że wymiar został poprawnie wykonany. W przypadku gdy wymiar zaobserwowany znajduje się w polu tolerancji, jednak obszar niepewności pomiaru 2e wychodzi poza pole tolerancji to nie można wykluczyć, że wymiar rzeczywisty jest zawarty w tej części obszaru, która wystaje poza pole tolerancji. Jeżeli niepewność pomiaru e, jest mała, takie ewentualne przekroczenie przez wymiar rzeczywisty pola tolerancji być może nie bę­dzie miało istotnego znaczenia, względnie powstałe z tego powodu straty będą niewielkie. Gdyby jednak niepewność była duża, to mimo, że wymiar został uznany za dobry istnieje realne niebezpieczeństwo, że jeśli wymiar rzeczywisty wykroczy poza pole tolerancji, to spowoduje tym zmniejszenie wartości eksploatacyjnej wyrobu lub zakłócenia podczas montażu. Do kosz­tów przyjęcia braku należy zaliczyć koszty demontażu z urządzenia wyrobu wadliwego i ponownego montażu wyrobu dobrego, koszty ewentualnej awarii i unieruchomienia urządzenia, koszty spowodowane postojem.

---