BGK-3046 Méréstechnika PDF

Preview

Summary

ÓBUDAI EGYETEMBÁNKI DONÁT GÉPÉSZ ÉS BIZTONSÁGTECHNIKAI MÉRNÖKI KARANYAGTUDOMÁNYI ÉS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA INTÉZETGalla Jánosné – Drégelyi-Kiss Ágota – Pálinkás TiborMÉRÉSTECHNIKABGK-Budapest, 2014Lektorálta: Kőszegi JózsefFelelős kiadó: Dráth Sándor az ÓE BGK dékánjaMunkaszám: BGK - 304610.2. Az egyik ...

Description

ÓBUDAI EGYETEM BÁNKI DONÁT GÉPÉSZ ÉS BIZTONSÁGTECHNIKAI MÉRNÖKI KAR ANYAGTUDOMÁNYI ÉS GYÁRTÁSTECHNOLÓGIA INTÉZET

Galla Jánosné – Drégelyi-Kiss Ágota – Pálinkás Tibor

MÉRÉSTECHNIKA

BGK-3046 Budapest, 2014

1

Lektorálta: Kőszegi József

Felelős kiadó: Dr.Horváth Sándor az ÓE BGK dékánja Munkaszám: BGK - 3046

2

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés …………………………………………………………………………………..

6

2. Metrológiai alapfogalmak (Drégelyi-Kiss Ágota) ………………………………………..

7

2.1. Mérőeszközök és tulajdonságaik ………………………………………………………

10

2.2. Nemzetközi mértékegységrendszer ……………………………………………………

14

2.3. Etalonok ……………………………………………………………………………….

17

3. Mérési hibák, a mérés bizonytalansága (Drégelyi-Kiss Ágota) …………………………

19

3.1. Pontosság és helyesség ………………………………………………………………..

19

3.2. Precizitás ………………………………………………………………………………

20

3.3. A mérési bizonytalanság ……………………………………………………………… 3.3.1. A mérési bizonytalanság meghatározása kalibrálásnál …………………………

22 26

4. Kalibrálás, konfirmálás, mérésirányítás (Drégelyi-Kiss Ágota) ………………………..

29

4.1. A kalibrálás módjai ……………………………………………………………………

31

4.2. Akkreditálás ……………………………………………………………………………

33

4.3. A mérési folyamatok irányítása ……………………………………………………….. 4.3.1. A mérési folyamat megvalósítása, metrológiai megerősítés (konfirmálás) …….

33 35

5. A hiba rendűsége, a hosszméréstechnika alaptételei (Galla Jánosné) …………………..

39

6. A mérési hibák eredete (Galla Jánosné)……………………………………………………

43

6.1. A mérési hibák csoportosítása …………………………………………………………

43

6.2 A mérési hibák eredete …………………………………………………………………. 45 6.2.1. Emelőkarok hibái ……………………………………………………………….. 45 6.2.2. Irányváltási hiba …………………………………………………………………. 46 6.2.3. Lineáris vezetékek hibái okozta eltérések ………………………………………. 46 6.2.4. A síklapok, asztalok, felfekvő felületek alakeltérésének hatása ………………… 48 6.2.5. A nem megfelelő pozícionálás, hibás helyzet okozta hibák …………………….. 49 6.2.6. A mérőfelületek párhuzamossági, ferdeségi hibái ………………………………. 49 6.2.7 A surlódás és játék okozta hibák …………………………………………………. 51 6.2.8. Zérus hiba (nulla-hiba) ………………………………………………………….. 52 6.2.9. A saját súly, mérőerő vagy szorítóerő által okozott alakváltozások ……………. 52 6.2.10. Parallaxis hiba …………………………………………………………………. 54 6.2.11. Osztásos mércék leolvasási pontatlanságai ……………………………………. 54 6.2.12. Mérési hibák pontatlan beállítás miatt …………………………………………. 54 6.2.13. Hőmérsékletkülönbség, hőtágulás okozta hiba ………………………………… 55 6.2.14 Rezgés okozta hiba ……………………………………………………………… 55 7. A hosszméréstechnikában használatos eszközök áttekintése (Galla Jánosné)……………

56

7.1. Mérési segédeszközök, mértékek, idomszerek …………………………………………. 7.1.1. Mérési segédeszközök …………………………………………………………… 7.1.2. Mértékek …………………………………………………………………………. 7.1.3. Idomszerek ……………………………………………………………………….

58 58 60 67

7.2. Mechanikai mérőeszközök …………………………………………………………….. 70 7.2.1. Hosszmérők ……………………………………………………………………… 70 7.2.2. Tolómércék ………………………………………………………………………. 70 7.2.3. Mikrométerek ……………………………………………………………………. 76 7.2.4. Mérőórák ………………………………………………………………………… 84 7.2.5. Mechanikus finomtapintók ………………………………………………………. 89 3

7.3. Optikai hosszmérő eszközök ……………………………………………………………. 7.3.1. Optikai finomtapintók ……………………………………………………………. 7.3.2. Hoszmérőgépek ………………………………………………………………….. 7.3.3. Mikroszkópok …………………………………………………………………… 7.3.4. Projektorok ……………………………………………………………………….. 7.3.5. Interferencia komparátor ………………………………………………………….

90 90 91 94 96 98

7.4. Villamos finomtapintók ……………………… ………………………………………… 100 7.4.1. Érintkezős villamos finomtapintó ………………………………………………... 100 7.4.2. Induktív finomtapintók …………………………………………………………… 101 4.7.3. Kapacitív finomtapintók ………………………………………………………… 102 7.5. Pneumatikus hosszmérőeszközök ……………………………………………………… 104 7.5.1. Kisnyomású pneumatikus mérési rendszer ……………………………………… 104 7.5.2. Nagynyomású pneumatikus mérési rendszer ……………………………………. 104 7.6. Koordináta méréstechnika ……………………………………………………………… 7.6.1. Koordináta mérőgépek felépítése és csoportosítása ……………………………... 7.6.2. A mérőgépek automatizáltsága, programozási lehetőségek ……………………... 7.6.3. A koordináta méréstechnika alapjai ……………………………………………… 7.6.4. Mérés a koordináta mérőgépen ………………………………………………….. 7.6.5. A koordináta mérőgépek készülékezése …………………………………………

107 108 111 112 114 116

8. Mérésügy, a mérések jogi vonatkozásai (Drégelyi-Kiss Ágota) ………………………….. 118 8.1. Joghatással járó mérések Magyarországon …………………………………………….. 118 8.1.1. A mérésügyi törvény ……………………………………………………………………. 118 8.1.2. A hazai mérésügyi szervezet tevékenysége ……………………………………………... 118

8.1.3. Joghatással járó mérések ………………………………………………………… 119 8.1.4. Hitelesítés ……………………………………………………………………….. 120 8.2. Mérőműszer irányelvek az EU-ban ……………………………………………………. 120 8.3. A mérésügy nemzetközi szervezetei …………………………………………………… 125 9. Metrológiai követelmények az autóiparban (Drégelyi-Kiss Ágota) ……………………... 127 9.1. Az MSA Kézikönyv szerinti mérési rendszer megfelelőség értékelés ………………… 9.1.1. Stabilitásvizsgálat ……………………………………………………………….. 9.1.2. Torzítás ………………………………………………………………………….. 9.1.3. Linearitás ………………………………………………………………………… 9.1.4. GRR vizsgálat ……………………………………………………………………

127 129 129 130 131

9.2. VDA 5 szerinti mérési rendszer és -folyamat értékelés ……………………………….. 133 9.3. ISO 22514-7 szerinti mérőrendszer értékelési folyamat ………………………………. 135 9.3.1. A mérőrendszer értékelése ……………………………………………………… 137 9.3.2. A mérési folyamat értékelése …………………………………………………… 139 10. Tűréstechnikai számítások (Galla Jánosné)……………………………………………… 141 10.1. Az eredő méret és tűrés kiszámítása …………………………………………………. 141 10.1.1. Az eredő méret az összetevő méretek összege ………………………………… 141 10.1.2. Az eredő méret az összetevő méretek küllönbsége ……………………………. 141 10.2. Az összetevő méret és tűrésének kiszámítása ………………………………………… 142 10.2.1. Az egyik összetevő mérete egyenlő a másik ismert összetevő méretének és az eredő méretének az összegével ……………………………….. 142 10.2.2. Az egyik összetevő mérete egyenlő a másik ismert összetevő méretének és az eredő méretének az különbségével …………………………… 142 10.3. Adott méretlánc átszámítása másik bázishoz megadott méretsorba ………………….. 143 4

11. A mérési adatok feldolgozása, a mérés dokumentálása (Galla Jánosné)………………… 144 11.1. Matematikai statisztikai alapismeretek ………………………………………………… 144 11.2. Mérési adatok feldolgozása ……………………………………………………………. 146 11.3. A mérés dokumentálása ……………………………………………………………….. 148 11.4. A vállalati mérőeszközök nyilvántartása ………………………………………………. 149 12. Szögek mérése (Galla Jánosné)……………………………………………………………... 151 12.1. Állandó mértékű szögmérők …………………………………………………………… 151 12.2 Változtatható mértékű szögmérők ……………………………………………………… 151 12.3 Szögek közvett mérése …………………………………………………………………. 156 12.4 Kis szögek mérése ……………………………………………………………………… 158 13. A méter története (Pálinkás Tibor) ………………………………………………………… 160 14. Mechatronikai finomtapintók (Pálinkás Tibor) …………………………………………. 169 14.1. Határértéket jelző érintkezős (kapcsolós) villamos finomtapintók …………………… 169 14.2. Analóg villamos finomtapintók ……………………………………………………….. 171 14.3. Digitális villamos finomtapintók ……………………………………………………… 182 15. Elektronikai útmérő és szögmérő rendszerek (Pálinkás Tibor) ………………………… 189 15.1. Analóg villamos útmérők …………………………………………………………….. 189 15.2. Digitális villamos út- és szögmérők ………………………………………………….. 195 15.2.1 Inkrementális mérőrendszerek ………………………………………………….. 195 15.2.2 Abszolút mérőrendszerek ………………………………………………………. 201 15.3. Analóg + digitális villamos út- és szögmérők ………………………………………… 204 Mérési jegyzőkönyvek ………………………………………………………………………… 206 Irodalomjegyzék ……………………………………………………………………………… 218

5

1. Bevezetés „Számítsd ki, ami számítható mérd meg, ami mérhető, és tedd mérhetővé, ami még nem mérhető” Galileo Galilei A mérés az ember ősi tevékenysége, mindennapjaink szerves része. A feltételezhetően ösztönös összehasonlítás, mérés időszakát követően az ókori, feltárt írásos emlékek bizonyítják, hogy Kr.e. 3200 körül a sumér kultúra már ismert és használt hossz-, tömeg- és időmérésre egységeket. A szervezett mérési tevékenység területe és földrajzi kiterjedése az idők folyamán tovább szélesedett. Az ókori birodalmak uralkodói törvényekkel védték a mérés tisztaságát, súlyosan büntették a csalókat, hamisítókat, a világ nagy vallásai ugyanakkor erkölcsi útmutatást adtak a mindennapi élet kereskedéssel, méréssel kapcsolatos tevékenységeihez is. Zsigmond király uralkodásának idejére vezet vissza a magyar mérésügy története, 1405-ben dekrétumban arról rendelkezett, hogy az ország minden mértéke Buda városa mértékeinek feleljen meg. A nemzetközi mérésügyi szervezetek munkájában hazánk a kezdetektől fogva aktív tevékenységet folytat. Az egységes méterrendszert is az elsők között vezették be Magyarországon, 1874-ben. A mai modern gazdaság minden ágazata folyamatosan igényli a magas színvonalú, megbízható mérési tevékenységet. [2] A Méréstechnika jegyzet a Gépészmérnök képzés hallgatói számára készült. Legfontosabb célkitűzése a méréstechnikai szemlélet, gondolkodásmód kialakításán és fejlesztésén túl olyan alapozó, hosszméréstechnikával kapcsolatos ismeretek átadása, melyek segítik a későbbi félévekben, a szélesebb természettudományos ismeretek birtokában, a mérnöki gyakorlatban használt mérések részletes megismerését. A gépgyártástechnológia egyik igen fontos területe a méréssekkel összefüggő tevékenység, a jegyzet csupán rövid áttekintést és alapot tud adni e sokszínű területről. A későbbi félévekben a Gépipari minőségellenőrzés és a szabadon választható Járműipari hosszméréstechnika tárgyak lehetőséget adnak e fontos tevékenység további megismerésére. A jegyzetben külön hangsúlyt kapott a járműipar metrológiával és méréstechnikával kapcsolatos többletkövetelményeinek összefoglaló jellegű bemutatása. A 13., 14. és a 15. fejezet (A méter története. Mechatronikai finomtapintók. Elektronikai útmérő és szögmérő rendszerek.) az érdeklődők számára nyújt a figyelem felkeltésére szánt tájékoztatást. A jegyzet megírásához és naprakészségének biztosításához nyújtott segítségéért külön köszönetünket fejezzük ki Kőszegi József lektornak. Szerzők

6

2 Metrológiai alapfogalmak A mérés sokféleképpen értelmezhető, általánosságban akkor beszélünk mérésről, amikor előzetesen meghatározott szabályok szerint számokat rendelünk objektumokhoz, valamely fizikai mennyiség mérőszámát határozzuk meg mértékegységével való közvetlen vagy közvetett összehasonlítás során. A metrológia (metron - mérték, logos - ész, értelem) „a mérés tudománya. A metrológia a mérésekkel kapcsolatos minden elméleti és gyakorlati szempontot magába foglal, bármekkora legyen is a mérés bizonytalansága, és a tudomány vagy a technológia bármely területén is végezzék azokat.” (VIM, Nemzetközi Metrológiai Szótár). A metrológia alkalmazott tudomány, mely a kvantitatív ismeretszerzési folyamatok tervezéséhez, végrehajtásához és az eredmények értékeléséhez nyújt ismereteket. A metrológia három fő tevékenységet ölel fel: 1. Nemzetközileg elfogadott mértékegységek meghatározása, például a méter. 2. A mértékegység megvalósítása valamilyen tudományos módszerrel, például a méter megvalósítása lézer használatával. 3. A visszavezetési lánc létrehozása a mérés értékének és pontosságának meghatározásával, dokumentálásával és ezen ismeretanyag terjesztésével, például a dokumentált kapcsolat a finommechanikai műhely mikrométere és az etalon laboratórium optikai hosszúságmérése között. A tudományos metrológia a metrológiának az a része, amely a mérendő mennyiségtől függetlenül a metrológiai kérdések közös problémáival foglalkozik (pl.: mértékegységek, mérési hibák, mérési bizonytalanság, mérőeszközök metrológiai tulajdonságai, stb.). Területe a definiálás, a méréselmélet, az etalonok kiválasztása, valamint a fogalmak köre. A törvényes metrológia, más néven mérésügy a mérési tevékenység azon része, amelyet a jog eszközeivel kell szabályozni és amelynek ellátásáról az állam gondoskodik. Az ipari gyártás és vizsgálat területén az adott méréshez a megfelelő eszköz biztosítása az ipari metrológia területe. Metrológiai értelemben a mérés fogalmát több oldalról közelíthetjük meg. a) Egyszerűen megfogalmazva a mérés valamely fizikai (kémiai, biológiai, stb.) mennyiség nagyságának (számértékének) meghatározása kísérleti úton, adott mértékegység-rendszer mellett. Ehhez módszerek és technikai eszközök szükségesek, ezzel foglalkozik a méréstechnika tárgyköre, mely a szakterülethez szorosan kapcsolódik. A méréstechnika az érzékelés, jelátalakítás és a jelfeldolgozás módszereinek és eszközeinek összessége, tehát eszközök és módszerek összessége, mellyel a folyamatok lényeges tulajdonságai kísérleti úton megismerhetők, amellyel valamely konkrét mérési feladat megoldható. A számításhoz egységeket használunk (pl.: m, kg, stb.). A méréstechnika egyben a minőségbiztosítás kiemelkedően fontos eszköze. b) A mérés jelfeldolgozási folyamat (számítási), mely a szakterülettől általában független és valószínűség-számítási ismereteket igényelhet. Ennek eredménye egy mérőszám, a hozzá tartozó mérési bizonytalansággal és mértékegységgel, és a mérés körülményeit, illetve a mérési eredményt befolyásoló mennyiségek értékét rögzítő részletes leírás. c) Általánosabb megfogalmazással a mérés információszerzés egy folyamat jellemzőiről. Ez a folyamat lehet kémiai, biológiai, fizikai, gazdasági, társadalmi.

7

Információ-technológiai szempontból „a mérés olyan folyamat, amelynek során vagy eredményeképpen a mérendő mennyiségre vonatkozó információhiány csökken” [Dr. Bölöni Péter, MM 2002/3, p:170]. d) A mérés munkafolyamat. A mérési folyamat és a valóság között a modell teremt kapcsolatot. A mérési folyamat négy fő mozzanata:    

a stratégia (mérési) kidolgozása, a megfigyelés és a modell jellemzőinek meghatározása, a modell ellenőrzése méréssel, kiértékelés, pontosítás, visszacsatolás. Kísérlettervezés (Modellalkotás) Fizikai valóság

Modell ellenőrzés mérőeszközzel Gerjesztés (Teszt) Rendszerválasz Mérés

Modell

Ellenőrzés, visszacsatolás Pontosítás 2.1 ábra A mérési folyamat A mérés során más mennyiségek is jelen vannak, melyek befolyásolják a mérés eredményét. A befolyásoló mennyiség „a mérendő mennyiségtől különböző olyan mennyiség, amely hatással van a mérési eredményre” [1] (pl.: hőmérséklet, rezgés, stb.). A zavaró mennyiség olyan befolyásoló mennyiség, melynek hatása nem ismert. A kétfajta hatás között az az alapvető eltérés, hogy a befolyásoló mennyiség mérési eredményre gyakorolt hatását ismerjük (fizikai összefüggéssel leírható), ez a hatás korrigálható, míg a zavaró mennyiség befolyásolja a mérési eredményt, de ennek mértéke nem ismert (pl.: rezgés hatása a mérleg működésére). A Nemzetközi Metrológiai Értelmező Szótár meghatározása szerint: „a mérés műveletek összessége, amelynek célja egy mennyiség értékének meghatározása” A mérhető mennyiség „jelenség, tárgy vagy anyag minőségileg megkülönböztethető és mennyiségileg meghatározható tulajdonsága” (pl.: vastagság, kerület, hő, energia, stb.). A mérés tárgyát képező konkrét mennyiséget mérendő mennyiségnek, vagy mért mennyiségnek nevezik. A mérési folyamat célja tehát a mérendő (mérhető) mennyiség előírt hibahatárokon belüli meghatározása. A mérési folyamat eredményeképpen kapjuk a mért érték et. A mérési elv a mérés tudományos alapja. A mérési módszer „a mérés elvégzéséhez szükséges, fő vonalakban leírt műveletek logikai sorrendje” [1]. A mérési eljárás – „egy adott mérés során a mérési módszernek megfelelő módon elvégezhető, részletesen leírt, konkrét műveletek összessége”[1]. A mérési eljárás a mérési folyamat része, a mérési elv és a mérési módszer meghatározott cél elérése érdekében végzett együttes alkalmazása. Ez a cél a mérőszámok meghatározása mérőeszközök segítségével. A mérő személy is az eljárás szerves része. A mérési eredményeket írásban rögzítik általában. A mérési elv a mérési feladat megoldásakor alkalmazott fizikai elvek, törvényszerűségek összessége, a mérés tudományos alapja. A mérési módszer olyan műveletek (szabályok) logikai sorrendje, melyek szükségesek a mérés elvégzéséhez. A mérési módszerekhez meghatározott fizikai elven működő mérőrendszerek tartozhatnak. A mérendő mennyiség meghatározása szerint lehet a mérés módszere közvetlen, illetve közvetett. Metrológiai szempont szerint a közvetlen és közvetett mérések elvégzésére alkalmas módszerek a következők: kitérítéses mérési módszer, kiegyenlítés (kompenzáció), helyettesítés, különbségmérés, összehasonlítás (komparálás). 8



Közvetlen mérési módszer (2.2 ábra). A mérendő mennyiséget közvetlenül hasonlítjuk össze a mértékegységet megtestesítő etalonnal úgy, hogy a mérendő mennyiség a mérési folyamat szerves részét képezi, az etalon pedig a mérendő mennyiséggel fizikailag megegyező tulajdonságú. A közvetlen mérés mennyiségi egyenlete: L = {x} [me], ahol

L - a mennyiség méréssel meghatározott értéke, {x} - a mennyiség mérőszáma, [me] - a mennyiség egysége (mértékegység).

2.2 ábra Közvetlen mérési módszerek 

Közvetett mérési módszer (2.3. ábra). A mérendő mennyiséget nem tudjuk közvetlenül etalonnal összehasonlítani, így más, arányos mennyiséggé alakítjuk át. Ekkor olyan paramétereket mérünk közvetlen módszerrel, amelyek pontosan meghatározható függvénykapcsolatban vannak a mérni kívánt mennyiséggel (L = f (x, y), ahol x, y - a közvetlenül meghatározható paraméterek). A keresett mennyiség értékét számítással határozzuk meg. Például a szögérték nagypontosságú méréséhez un. szinuszvonalzót használunk. A mérés során trigonometriai összefüggés felhasználásával, számítással kapjuk meg a mért hosszúságok értékeiből a keresett szög nagyságát (a 2.3 ábra jelöléseivel sin  = M / l).

2.4. ábra Kitérítéses mérési módszer [2] 

2.3 ábra Közvetett mérési módszerek [2]

2.5 ábra Kiegyenlítő mérési módszer [2]

Kitérítéses mérési módszer (2.4 ábra). Ez a módszer magában foglal minden olyan mérést, amelyet közvetlenül mutató műszerrel végzünk és eredményül a teljes mérendő mennyiséget kapjuk. A mérendő mennyiség erőt vagy nyomatékot idéz elő, a műszerben pedig ennek megfelelő ellenerő vagy nyomaték keletkezik. Amikor az egyensúlyi helyzet bekövetkezik, 9

akkor a mennyiség a skála és mutató segítségével leolvasható. A kitérítéshez szükséges energia elhanyagolhatóan kicsi kell, hogy legyen a mérendő mennyiség energiájához képest. 

Kiegyenlítő (kompenzációs vagy null) módszer (2.5 ábra). A mérendő mennyiség változást hoz létre, ennek kiegyenlítésével állapítjuk meg a mérendő mennyiség értékét. A visszatérítő erőt külső behatással (pl. ellensúlyok, rugóerők, stb.) hozzuk létre. A leolvasás a műszer-mutató „0” helyzetében történik.



Helyettesítő módszer. A mérendő mennyiséget helyettesítjük egy ismert nagyságú, azonos típusú mennyiséggel úgy, hogy a csere a mérőberendezés állapotában semmiféle változást nem okoz. A kijelzett érték változatlan marad, vagy a kismértékű eltérés a skáláról leolvasható.



Különbségmérés (differenciál) módszer (2.6 ábra). A mérendő mennyiség és a vele közel megegyező méretű etalon közötti különbséget mérjük (pl. alkatrész mérése mérőhasábsorozattal beállított mérőóra segítségével).

2.6 ábra Különbségmérés módszer [2] 

2.7 ábra Abbe-komparátor [2]

Összehasonlítás vagy komparálás módszere (2.7 ábra). A mérendő mennyiséget összehasonlítjuk egy ismert nagyságú, azonos típusú mennyiséggel. Például mérőléccel hosszúságot mérünk.

A rövid összefoglalás csak az alapvető fogalmak meghatározását tartalmazta. A további fejezetekben a tém...