Контрольно-измерительные приборы и инструменты - Зайцев С.А., Толстов А.Н., Грибанов Д.Д., Меркулов Р.В.

Автор: Зайцев С.А. Толстов А.Н. Грибанов Д.Д. Меркулов Р.В.
Теги: компьютерные технологии естественные науки в целом машиностроение метрология измерительные приборы инженерное дело
ISBN: 5-7695-0988-0
Год: 2002
Похожие
Конструкции, расчет и эксплуатация измерительных инструментов и приборов
Контроль измерительных приборов и специального инструмента
Справочник молодого слесаря по контрольно-измерительных приборам и автоматике
Технология производства измерительных инструментов и приборов
Текст
                    Федеральный комплект учебников

Учебник

Профессиональное
образование

М еталлообработка

Контрольно-
измерительные
приборы
и инструменты

АСАОЕМА
УДК 681

ББК 20.4.1

К64

Рецензенты:

преподаватель спецдисциплин Н. В. Мацкевич;
мастер производственного обучения В.Н.Мордвинцев;
мастер производственного обучения С. И. Гнузенко
(ПТУ № 15 г. Воскресенска Московской области)

Контрольно-измерительные приборы и инструменты:
К 64 Учебник для нач. проф. образования / С. А. Зайцев, Д. Д. Гри-
банов, А. Н. Толстов, Р. В. Меркулов. — М.: Издательский
центр «Академия»; ПрофОбрИздат, 2002. — 464 с.

18ВК 5-7695-0988-0 (Изд. центр «Академия»)

18 ВМ 5-94231-019-Х (ПрофОбрИздат)

Рассмотрены классификация и принципиальные схемы современных
средств измерения и контроля, применяющихся в машиностроении, а также
принципы обеспечения единства измерений в Российской Федерации,
методы обеспечения точности измерения и контроля и общие метрологи-
ческие характеристики средств измерения. Приведены основные положе-
ния теории измерений, необходимые сведения по оптимальному выбору
средств измерения и контроля, а также принципы контроля качества изде-
лия на всех этапах его жизненного цикла.

Для учащихся учреждений начального профессионального образования.

УДК 681

ББК 20.4.1

18ВИ 5-7695-0988-0

18ВИ 5-94231-019-Х

© Зайцев С. А., Грибанов Д. Д., Толстов А. Н.,
Меркулов Р. В., 2002

© ПрофОбрИздат, 2002

© Оформление. Издательский центр «Академия», 2002
ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное машиностроение характеризуется высокой про-
изводительностью и точностью изготовления деталей, сборки уз-
лов, механизмов и машин. Важная роль во всем цикле изготовле-
ния продукции отводится вопросам оптимального выбора метода
и средств измерения и контроля точностных параметров изделий,
их физико-механическим и качественным показателям, парамет-
рам технологических процессов изготовления и испытания. Тру-
доемкость контрольных операций в общем объеме при изготовле-
нии продукции достигает в отдельных случаях 35% и более.

Контрольно-измерительные приборы и инструменты находят
широкое применение не только в сфере производства, но и при
эксплуатации, диагностике технических систем, обеспечении их
экологической безопасности.

Многообразие методов и средств измерения и контроля, прин-
ципов их действия, настройки, поверки и обслуживания вызыва-
ет необходимость их систематизации, рассмотрения наиболее ха-
рактерных представителей контрольно-измерительных приборов
и инструментов, проведения анализа основных достоинств и не-
достатков конкретных, наиболее распространенных конструкций
и методов измерения.

В предлагаемом учебнике приведены классификация и рассмот-
рены принципиальные схемы, конструкции средств измерения и
контроля, применяющихся в машиностроении, принципы обес-
печения единства измерений в Российской Федерации. Наряду с
изложением основ современной контрольно-измерительной тех-
ники, методов обеспечения точности измерения и контроля, об-
щих метрологических характеристик средств измерения даны ос-
новные положения теории измерения, необходимые сведения по
оптимальному выбору средств измерения и контроля, принципам
контроля качества на всех этапах жизненного цикла изделий.

Предисловие, гл. 2, 4 и подразд. 1.5, 1.6 написаны канд. техн,
наук С. А. Зайцевым, гл. 1 и 5 — канд. техн, наук Д. Д. Грибановым,
гл. 3— А. Н. Толстовым, подразд. 2.5 и 2.7— канд. техн, наук
Р. В. Меркуловым.
Глава 1

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

1.1. Термины и определения

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения требуемой то-
чности. Она зародилась в глубокой древности, как только челове-
ку понадобилось измерять массу, длину, время и т.п. Причем в
качестве единиц измерения использовались такие, которые были
всегда «под рукой». Так, например, в России длина измерялась
перстами, локтями, саженями и др. (рис. 1.1).

Роль метрологии за последние десятилетия чрезвычайно воз-
росла. В силу того обстоятельства, что метрология распространи-
лась практически на все области человеческой деятельности, мет-
рологическая терминология тесно соприкасается с терминологи-
ей каждой из «специальных» сфер. При этом возникло что-то,
напоминающее явление несовместимости.

Тот или иной термин, приемлемый для одной области науки
или техники, оказывается неприемлемым для другой, так как в
традиционной терминологии другой области этим же словом мо-
жет обозначаться совершенно другое понятие. Например, размер
по отношению к одежде может обозначать «большой», «средний»
и «малый», слово «полотно» может иметь различные значения: в
текстильной промышленности — это материал (льняное полот-
но), применительно к железнодорожному транспорту оно обо-
значает путь, по которому этот транспорт движется (полотно же-
лезной дороги).

В целях наведения порядка в этом вопросе был разработан и
утвержден государственный стандарт на метрологическую терми-
нологию — ГОСТ 16263 «Государственная система обеспечения
единства измерений. Метрология. Термины и определения». По-
скольку к терминам предъявляются требования лаконичности, им
свойственна определенная условность. Не следует об этом забы-
вать: необходимо применять утвержденные термины в соответ-
ствии с их определением, а понятия, данные в определении, нельзя
заменять другими терминами.

Рассмотрим основные термины и определения, узаконенные
указанным ГОСТом. Более подробное их рассмотрение будет пред-
ставлено в подразделах, указанных в скобках.
Физическая величина (ФВ) — свойство, общее в качественном
отношении многим физическим объектам (физическим системам,
их состояниям и происходящим в них процессам), но в количе-
ственном отношении индивидуальное для каждого объекта (на-
пример, длина, масса, время, сила тока и т.д.) (подразд. 1.2).

Размер ФВ— количественное содержание в данном объекте
свойства, соответствующего понятию «физическая величина» (на-
пример, размер длины, массы, силы тока и т.д.) (см. подразд. 1.2).

Значение ФВ— оценка физической величины в виде некоторого
числа принятых для нее единиц, причем отвлеченное (безразмер-
ное) число, входящее в значение физической величины, называется
числовым значением (например, 1 м, 5 г, 10 А и т.д.) (подразд. 1.2).

Истинное значение ФВ — значение ФВ, которое идеальным об-
разом отражало бы в качественном и количественном отношени-
ях соответствующее свойство объекта (подразд. 1.4). Например, ско-
рость света в вакууме, плотность дистиллированной воды при тем-
пературе 4°С имеют вполне определенное значение — идеальное,
которое мы не знаем.

Действительное значение ФВ — значение ФВ, найденное экс-
периментальным путем и настолько приближающееся к истинно-
му, что для данной цели может быть использовано вместо него
(см. подразд. 1.4). Например, действительное значение скорости
света в вакууме составляет 2,997925-108 м/с, плотность дистилли-
рованной воды при температуре 4°С составляет 1 г/см3.

Система ФВ— совокупность ФВ, связанных между собой за-
висимостями (см. подразд. 1.2).

Основная ФВ— физическая величина, входящая в систему и
условно принятая в качестве независимой от других величин этой
системы (см. подразд. 1.2). Например, в системе ЬМТ основные
величины — длина, масса, время.

Производная ФВ— физическая величина, входящая в систему
и определяемая через основные величины этой системы по изве-
стным физическим зависимостям (см. подразд. 1.2).

Размерность ФВ — выражение, отражающее связь величины с
основными величинами системы, в которой коэффициент про-
порциональности равен единице. Размерность величины представ-
ляет собой произведение основных величин, возведенных в соот-
ветствующие степени (см. подразд. 1.2).

Единица ФВ — физическая величина, которой по определению
присвоено числовое значение, равное единице (см. подразд. 1.2).
Единицы одной и той же ФВ могут различаться по своему размеру.
Например, метр, фут и дюйм, являясь единицами длины, имеют
различные числовые значения:

1 фут = 0,3048 м, 1 дюйм = 0,0254 м.

Основная единица ФВ— единица основной физической вели-
чины, выбранная произвольно при построении системы единиц
(см. подразд. 1.2). Например, основные единицы Международной
системы единиц (СИ): метр, килограмм, секунда, ампер, кель-
вин, моль, кандела.
Производная единица ФВ— единица производной физической
величины, образуемая по определяющему эту единицу уравнению
из основных единиц данной системы единиц (см. подразд. 1.2).

Система единиц ФВ — совокупность основных и производных
единиц, относящаяся к некоторой системе величин и образован-
ная в соответствии с принятыми принципами (см. подразд. 1.2).
Например, система единиц СГС, система МКСА, Международ-
ная система единиц (СИ).

Когерентная система единиц ФВ — такая система, все единицы
которой когерентны (т.е. множитель в уравнениях связи ФВ равен
единице).

Кратная и дольная единица ФВ— единица в целое число раз
больше или соответственно меньше системной или внесистемной
единицы (см. подразд. 1.2). Например, километр (1000 м) или мил-
лиметр (0,001 м).

Шкала ФВ — последовательность значений, присвоенная в со-
ответствии с правилами, принятыми по соглашению, последова-
тельности одноименных ФВ различного размера (например, шка-
ла медицинского термометра или весов).

Измерение — нахождение значения ФВ опытным путем с помо-
щью специальных технических средств (см. подразд. 1.4).

Прямое измерение — измерение, при котором искомое значение
ФВ находят непосредственно из опытных данных (см. подразд. 1.4).

Косвенное измерение — измерение, при котором искомое зна-
чение величины находят на основании известной зависимости меж-
ду этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым изме-
рениям (см. подразд. 1.4).

Совокупные измерения — производимые одновременно измерения
нескольких одноименных величин, при которых искомые значения
величин находят решением системы уравнений, получаемых при пря-
мых измерениях различных сочетаний этих величин (см. подразд. 1.4).

Совместные измерения — производимые одновременно измере-
ния двух или нескольких неодноименных величин для нахожде-
ния зависимости между ними (см. подразд. 1.4).

Наблюдение при измерении — экспериментальная операция, вы-
полняемая в процессе измерений, в результате которой получают
одно значение из группы значений величины, подлежащих совмес-
тной обработке для получения результата измерения (см. подразд. 1.4).

Метод измерений — совокупность приемов использования прин-
ципов и средств измерений (см. подразд. 1.4).

Средство измерения (СИ) — техническое средство, используе-
мое при измерениях и имеющее нормированные метрологические
свойства (характеристики) (подразд. 1.6).

Мера — СИ, предназначенное для воспроизведения ФВ задан-
ного размера (например, гиря, измерительный резистор, темпе-
ратурная лампа) (см. подразд. 1.6.).
Измерительный прибор — СИ, предназначенное для выработки
сигнала измерительной информации в форме, доступной для не-
посредственного восприятия наблюдателем (например, линейка,
штангенциркуль) (см. подразд. 1.6).

Измерительный преобразователь— СИ, предназначенное для
выработки сигнала измерительной информации в форме, удоб-
ной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и
(или) хранения, но не воспринимаемой непосредственно наблю-
дателем (см. подразд. 1.6).

Измерительная система— совокупность СИ и вспомогатель-
ных устройств, соединенных между собой каналами связи, пред-
назначенных для выработки сигналов измерительной информа-
ции в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и
(или) использования в автоматических системах управления (на-
пример, система слежения за спутниками) (см. подразд. 1.6).

Погрешность измерения — отклонение результата измерения от
истинного значения измеряемой величины (см. подразд. 1.4).

Абсолютная погрешность измерения — погрешность измерения,
выраженная в единицах измеряемой величины (см. подразд. 1.4).

Относительная погрешность измерения — отношение абсолют-
ной погрешности измерения к истинному значению измеряемой
величины (см. подразд. 1.4).

Случайная погрешность измерения — составляющая погрешно-
сти измерения, изменяющаяся случайным по величине и знаку
образом при повторных измерениях одной и той же неизменной
(детерминированной) величины (см. подразд. 1.4).

Систематическая погрешность измерения — составляющая по-
грешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно
изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же детер-
минированной величины (см. подразд. 1.4).

Грубая погрешность измерения (промах) — погрешность измере-
ния, существенно превышающая ожидаемую при данных услови-
ях погрешность (см. подразд. 1.4).

Среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измерения
о — параметр функции распределения результатов измерений, ха-
рактеризующий их рассеивание, равный корню квадратному из
дисперсии результатов измерений (см. подразд. 1.6). Пояснить это
можно следующим образом: если навести винтовку на какую-либо
точку, жестко ее закрепить и произвести несколько выстрелов, то
не все пули попадут в эту точку. Они будут располагаться вблизи
точки прицеливания. Степень их разброса от указанной точки и
будет характеризоваться средним квадратическим отклонением.

Доверительные границы погрешности результата измерения — вер-
хняя и нижняя границы интервала, накрывающего с заданной
вероятностью погрешность измерения (см. подразд. 1.6). Напри-
мер, по результатам многократных измерений величины 0 получе-
но, что среднее квадратическое отклонение о = а. Тогда верхняя
граница доверительного интервала Дв - Ка, а нижняя — Лн= -(Аст).

Точность измерений — качество измерений, отражающее бли-
зость их результатов к истинному значению измеряемой величи-
ны (см. подразд. 1.6). Численно оно обратно погрешности измере-
ний. Например, если погрешность измерений равна 0,0001, то точ-
ность равна 10000.

Эталон единицы— СИ (или комплекс СИ), обеспечивающее
воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее
размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений,
выполненное по особой спецификации и официально утвержден-
ное в установленном порядке в качестве эталона (подразд. 1.3).

Первичный эталон— эталон, обеспечивающий воспроизведе-
ние единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими
эталонами той же единицы) точностью (см. подразд. 1.3).

Вторичный эталон — эталон, значение которого устанавлива-
ют по первичному эталону (см. подразд. 1.3).

Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизве-
дение единицы в особых условиях и заменяющий для этих усло-
вий первичный эталон (см. подразд. 1.3).

Государственный эталон — первичный или специальный эта-
лон, официально утвержденный в качестве исходного для страны
(см. подразд. 1.3).

Эталон-свидетель — вторичный эталон, предназначенный для
проверки сохранности государственного эталона и для замены его
в случае порчи или утраты (см. подразд. 1.3).

Эталон-копия — вторичный эталон, предназначенный для пе-
редачи размеров единиц рабочим эталонам (см. подразд. 1.3).

Эталон сравнения — вторичный эталон, применяемый для сли-
чения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут
быть непосредственно сличаемы друг с другом (см. подразд. 1.3).

Рабочий эталон — эталон, применяемый для передачи размера
единицы рабочим СИ (см. подразд. 1.3).

Эталонная установка — измерительная установка, входящая в
комплекс СИ, утвержденный в качестве эталона.

Стандартный образец — мера для воспроизведения единиц вели-
чины, характеризующих свойства или состав веществ и материалов.

Рабочее СИ — средство измерения, применяемое для измере-
ний, не связанных с передачей размеров (см. подразд. 1.3).

Поверочная схема — утвержденный в установленном порядке
документ, определяющий средства, методы и точность передачи
размера единицы от эталона рабочим СИ (см. подразд. 1.3).

Метрологическая служба — сеть государственных и ведомствен-
ных метрологических органов и их деятельность, направленная на
обеспечение единства измерений и единообразия СИ в стране (под-
разд. 5.3).
Единство измерений — состояние измерений, при котором их
результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности
измерений известны с заданной вероятностью (см. подразд. 1.3).

Контрольные вопросы

1.	Чем занимается метрология?

2.	Что такое измерение и средства измерения?

3.	Что понимается под случайной и систематической составляющими
погрешности измерений?

4.	Чем характеризуется рассеивание результатов измерений?

5.	Что такое эталон единицы физической величины?

6.	Какие есть виды измерений?

7.	В каких методах измерений используются меры?

1.2. Физическая величина.

Системы единиц физических величин

Как было сказано выше, ФВ — это свойство, общее в каче-
ственном отношении многим физическим объектам (физическим
системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но
индивидуальное в количественном отношении для каждого объекта.

Индивидуальность в количественном отношении следует пони-
мать в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в
определенное число раз больше или меньше, чем для другого.

Термин «величина» обычно применяется в отношении тех
свойств или характеристик, которые могут быть оценены количе-
ственно, т. е. могут быть измерены. Существуют такие свойства или
характеристики, которые современный уровень науки и техники
еще не позволяет оценивать количественно, например запах, вкус,
цвет. Поэтому такие характеристики обычно избегают называть
величинами, а называют свойствами.

В широком смысле «величина» — понятие многовидовое. Это
можно продемонстрировать на примере трех величин.

Первый пример — это цена, стоимость товаров, выраженная в
денежных единицах. Раньше системы денежных единиц были со-
ставной частью метрологии. Сейчас это самостоятельная область.

Вторым примером разновидности величин можно назвать био-
логическую активность лекарственных веществ. Биологическая
активность ряда витаминов, антибиотиков, гормональных препа-
ратов выражается в Международных единицах биологической ак-
тивности, обозначаемых И. Е. (Например, в медицинских рецеп-
тах пишут: «Количество пенициллина — 300 тыс. И. Е.».)

Третий пример — физические величины, т. е. свойства, прису-
щие физическим объектам (физическим системам, их состояни-
ям и происходящим в них процессам). Именно этими величинами
главным образом и занимается современная метрология.
В тех случаях, когда необходимо подчеркнуть, что речь идет о
количественном содержании в данном объекте физической вели-
чины, следует употреблять слово «размер». Количественная оценка
конкретной физической величины, выраженная в виде некоторого
числа единиц данной величины, называется значением физической
величины. Отвлеченное число, входящее в значение физической ве-
личины, называется числовым значением. Между значением и раз-
мером величины есть принципиальная разница. Размер величины
существует реально, независимо от того, знаем мы его или нет.
Выразить размер величины можно при помощи любой единицы.

Размер ФВ, обозначаемый (), не зависит от выбора единицы,
однако числовое значение целиком зависит от выбранной едини-
цы. Если размер величины 0 в системе единиц ФВ определится как

С =«![&],

где [01] — единица ФВ в системе; пх — числовое значение размера
ФВ в этой же системе, то в другой системе единиц ФВ, в которой
[О>1 не равно [ 0{], неизменившийся размер 0 будет выражен дру-
гим значением:

О = п2Ю2],	(1.1)

но при ЭТОМ П2Ф пх.

Так, например, масса одного и того же батона хлеба может
быть 1 кг или 2,5 фунта или диаметр трубы равен 20' или 50,8 см.

Поскольку размерность ФВ представляет собой выражение, от-
ражающее связь с основными величинами системы, в которой
коэффициент пропорциональности равен единице, то размерность
равна произведению основных ФВ, возведенных в соответствую-
щую степень. Например, в системе ЬМТ размерность производ-
ной единицы () в соответствии с формулой (1.1) запишется в
следующем виде:

бпп(С) = Ь«М₽Т\

Это определяет размерность производной величины () относи-
тельно основных величин Ь, М, Т. Размерность производной вели-
чины отражает, во сколько раз изменится ее размер при измене-
нии размеров основных величин. Например, если величина А'рав-
на ЬаМ₽Тт и длина изменяется от / до а масса — от т до т\,
время — от I до то новый размер величины А" изменится по
сравнению с прежним в (///|)а(/п/7п1)₽(///1)т раз.

В общем случае формула размерности для единиц ФВ имеет вид

[0] = К[ЖЖС]\

где К — некоторое постоянное число.

Если единицы [Л], [5] и [С] являются основными, то эта фор-
мула определяет размерность производной единицы [0] относи-
тельно основных единиц. Эта формула показывает размерность
производной единицы, но ничего не говорит о размере единицы,
поскольку множитель К не определен. Коэффициент Д'желатель-
но выбрать таким, чтобы уравнения связи между величинами фор-
мально совпали с уравнениями связи между их числовыми значе-
ниями. При этом вычисления по уравнениям физики значительно
упрощаются и снижается риск допустить ошибки в расчетах. Для
этого достаточно, чтобы К= 1. Тогда производные единицы опре-
деляются следующим образом:

[0] = ИНЖСр.	(1.2)

Системы единиц, производные единицы которых образуются
по формуле (1.2), называются согласованными, или когерентными.

Понятие размерности широко используется в физике, технике и
метрологической практике при проверке правильности сложных рас-
четных формул и выяснении зависимости между ФВ. На практике
часто бывает необходимо использовать безразмерные величины.

Безразмерная ФВ— это величина, в размерность которой ос-
новные величины входят в степень, равную нулю. Однако следует
понимать, что величины, безразмерные в одной системе единиц,
могут иметь размерность в другой системе. Например, абсолютная
диэлектрическая проницаемость в электростатической системе яв-
ляется безразмерной, в то время как в электромагнитной системе
ее размерность равна Ь-2Т2, а в системе ЬМТ! ее размерность —
Ь-зм-'Т4!2.

Единицы той или иной физической величины, как правило,
связаны с мерами. Размер единицы измеряемой физической вели-
чины принимается равным размеру величины, воспроизводимо-
му мерой. Но на практике одна единица оказывается неудобной
для измерения больших и малых размеров данной величины. По-
этому применяется несколько единиц, находящихся в кратных и
дольных соотношениях между собой.

Кратная единица ФВ— единица, которая в целое число раз
больше основной или производной единицы.

Дольная единица ФВ — единица, которая в целое число раз мень-
ше основной или производной единицы.

Кратные и дольные единицы ФВ образуются благодаря соот-
ветствующим приставкам к основным единицам (табл. 1.1).

Системы единиц физических величин. Единицы величин начали
появляться с того момента, когда у человека возникла необходи-
мость выражать что-либо количественно. Первоначально единицы
физических величин выбирались произвольно, без какой-либо
связи друг с другом, что создавало значительные трудности. По
мере развития техники и международных связей трудности ис-
пользования результатов измерений, выраженных в различных
единицах, возрастали и тормозили дальнейший научно-техниче-
Таблица 1.1

Приставки СИ и множители для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований

Множитель	Приставка	Обозначение приставки	
		международное	русское
10'5	пета	р	п
10'2	тера	т	т
109	гига	с	г
106	мега	м	м
103	кило	к	к
102	гекто	к	г
101	дека	да	да
10-1	деци	д	д
10-2	санти	с	с
10-3	милли	ГП	м
10~б	микро	й	мк
10~9	нано	п	н
10-12	ПИКО	р	п
10-15	фемто	г	ф

ский прогресс. Возникла необходимость в создании единой систе-
мы единиц физических величин. Под системой единиц ФВ понима-
ется совокупность основных единиц ФВ, выбираемых независимо
друг от друга, и производных единиц ФВ, которые получаются из
основных на основании физических зависимостей.

Примем Ь, М, Т за основные единицы ФВ. Тогда размерность
производной единицы физической величины (2 определится сле-
дующим образом:

[0] = ЛЦ°[М]₽[ТГ

Как было сказано выше, коэффициент К может иметь любое
значение. Наиболее удобно, когда К= 1. Впервые понятие системы
единиц ввел немецкий ученый К. Гаусс, который предложил прин-
цип ее построения. По этому принципу вначале устанавливают или
выбирают несколько величин, независимых друг от друга. Единицы
этих физических величин называются основными, так как они явля-
ются основой для построения всей системы единиц других величин.

Первоначально были созданы системы единиц, основанные на
трех единицах: длина — масса — время (СГС, сантиметр — грамм —
секунда).
Рассмотрим наиболее распространенную во всем мире и при-
нятую у нас в стране Международную систему единиц (СИ), со-
держащую семь основных единиц и две дополнительные. Основ-
ные единицы ФВ этой системы приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Основные единицы СИ

Величина				
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение	
			международное	русское
Длина	Е	метр	т	м
Масса	м	килограмм	кё	кг
Время	т	секунда	8	с
Сила электрического тока	I	ампер	А	А
Термодина- мическая температура	0	кельвин	К	К
Количество вещества	14	моль	то1	моль
Сила света		кандела	ей	кд

Дополнительными единицами ФВ являются:

плоский угол — радиан (гас1, рад), равный углу между двумя ра-
диусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу;

телесный угол — стерадиан (зг, ср), равный телесному углу с
вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы
площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу
сферы.

Производные единицы системы СИ образуются с помощью про-
стейших уравнений связи между величинами, поскольку эта систе-
ма когерентна, К= 1. В этой системе размерность производной физи-
ческой величины <2 в общем виде определится следующим образом:

[(21 = [Ь]«[М р[Т]₽[1 ]6[е]Е[Л ]“[К ]\

где [Ь] — единица длины, м; [М]— единица массы, кг; [Т] —
единица времени, с; [I ] — единица силы тока, А; [0] — единица
термодинамической температуры, К; [I ] — единица силы света,
КД; [К ] — единица количества вещества, моль; а, у, Р, 5, е, со, Л —
целые положительные или отрицательные числа, включая и 0.

Например, размерность единицы скорости в системе СИ будет
выглядеть следующим образом:
[V ] = [Ь] > [М ]«[Т Г1 [I ]°[0]°[1 ДО ]°=[Ь]'[Т

Так как написанное выражение для размерности производной
ФВ в системе СИ совпадает с уравнением связи между производ-
ной ФВ и единицами основных ФВ, то удобнее пользоваться вы-
ражением для размерностей, т. е.

И=ЬТ'.

Аналогично частота периодического процесса определится как
Г=Т-’ (Гц);

сила => ЬМТ-2;

плотность => Ь-3М;

энергия => Ь2МТ-2.

Подобным образом можно получить любую производную ФВ
системы СИ.

Эта система была введена в нашей стране 1 января 1982 г. по
ГОСТ 8.417-81.

Дадим определения основных единиц системы СИ.

Метр равен 1 650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответ-
ствующего переходу между уровнями 2р10 и 5г/5 атома криптона-86.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответству-
ющего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного
состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при про-
хождении по двум параллельным прямолинейным проводникам
бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового попе-
речного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг
от друга, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м
силу взаимодействия, равную 2-10~7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры
тройной точке воды.

Температура тройной точки воды — это температура точки рав-
новесия воды в твердой (лед), жидкой и газообразной (пар) фа-
зах на 0,01 К или 0,01 °С выше точки таяния льда.

Допускается применение шкалы Цельсия (С). Температура в °С
обозначается символом Г.

1= Т- То,

где То = 273,15 К. Тогда 1 = 0 при Т = 273,15.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько
же структурных элементов, сколько содержится атомов в углеро-
де-12 массой 0,012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника,
испускающего монохроматическое излучение частотой 540-1012 Гц,
энергетическая сила света которого в этом направлении составля-
ет 1/683 Вт/ср.
Кроме системных единиц системы СИ в нашей стране узако-
нено применение некоторых внесистемных единиц:

атмосфера (98 кПа), бар, мм рт. ст.;

ангстрем (10~10 м);

киловатт-час;

час (3600 с);

дюйм (25,4 мм) и др.

Кроме того, применяются логарифмические ФВ — логарифм
(десятичный или натуральный) безразмерного отношения одно-
именных ФВ. Логарифмические ФВ применяют для выражения
звукового давления, усиления, ослабления.

Единица логарифмической ФВ — бел (Б), которая определя-
ется по следующей формуле:

1 Б = 1ё(Р2/Р,) при Рг = 10Р„

где Р2 и Р\ — одноименные энергетические величины (мощность,’
энергия).

Для «силовых» величин (напряжение, сила тока, давление, на-
пряженность поля) бел определяется по формуле

1 Б = 2\^{Рг/Рх) при Г2=^10^.

Дольная единица от бела — децибел (дБ):

1дБ = 0,1Б

Широкое применение получили относительные ФВ — безраз-
мерные отношения двух одноименных ФВ. Они выражаются в про-
центах (%), безразмерных единицах.

Существуют определенные правила написания обозначений еди-
ниц. При написании обозначений производных единиц обозначе-
ния единиц, входящих в производные, разделяются точками, сто-
ящими на средней линии как знак умножения «». Например: Н м
(ньютон-метр), А-м2 (ампер-квадратный метр), Н-с/м2 (ньютон-
секунда на квадратный метр). Наиболее употребительно выраже-
ние в виде произведения обозначений единиц, возведенных в со-
ответствующую степень, например м2-с-1.

При наименовании, соответствующем произведению единиц
с кратными или дольными приставками, рекомендуется пристав-
ку присоединять к наименованию первой единицы, входящей в
произведение. Например, 103 единиц момента силы — ньютон-
метров — следует именовать «килоньютон-метр», а не «ньютон-
километр». Записывается это следующим образом: кН м, а не Нкм.

Контрольные вопросы и задания

1.	Почему величины называют физическими?

2.	Что такое система единиц физических величин?
3.	Какие основные и дополнительные единицы физических величин
входят в систему СИ?

4.	Как образуются производные единицы физических величин в си-
стеме СИ?

5.	Дайте определения 1 кг, 1 А, 1 с.

6.	Что такое когерентная система единиц физических величин?

1.3. Воспроизведение и передача размеров
физических величин

Как было сказано выше, единство измерений — это такое со-
стояние измерений, при котором его результаты выражаются в уза-
коненных единицах, а их погрешность известна с заданной вероят-
ностью; измерение — это нахождение значения ФВ опытным путем
с помощью специальных технических средств — средств измерений.

Для обеспечения единства измерений необходима тождествен-
ность единиц, в которых проградуированы все СИ. Это достигает-
ся путем точного воспроизведения и хранения установленных еди-
ниц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц ФВ
осуществляется с помощью эталонов и образцовых СИ. Высшим
звеном в цепи передачи размеров единиц ФВ являются эталоны
(см. подразд. 1.1).

Основное назначение эталонов — обеспечение материально-тех-
нической базы воспроизведения и хранения единиц ФВ.

Принципы систематизации эталонов по воспроизводимым едини-
цам. Основные единицы ФВ Международной системы единиц (СИ)
должны воспроизводиться централизованно с помощью государ-
ственных эталонов.

Дополнительные, производные, а при необходимости и внеси-
стемные единицы исходя из технико-экономической целесооб-
разности воспроизводятся одним из двух способов:

централизованно — с помощью единого для всей страны госу-
дарственного эталона;

децентрализованно — посредством косвенных измерений, вы-
полненных в органах метрологической службы с помощью соот-
ветствующих эталонов.

Централизованно воспроизводится большинство важнейших
производных единиц Международной системы единиц (СИ):

ньютон — сила (1 Н = 1 кг-м-с-2);

джоуль — энергия, работа (1 Дж = 1 Н м);

паскаль — давление (1 Па = 1 Нм-2);

ом — электрическое сопротивление;

вольт — электрическое напряжение.

Децентрализованно воспроизводятся единицы, размер которых
не может передаваться прямым сравнением с эталоном (напри-
мер, единица площади) или если поверка мер посредством косвен-
ных измерений проще, чем сравнение с эталоном, и обеспечивает
необходимую точность (например, единица вместимости и объема).
При этом создаются поверочные установки высшей точности.

Государственные эталоны хранятся в метрологических институ-
тах Госстандарта РФ. По решению Госстандарта РФ допускается их
хранение и применение в органах ведомственных метрологических
служб.

Кроме национальных эталонов единиц ФВ существуют между-
народные эталоны, хранимые в Международном бюро мер и ве-
сов. Под эгидой Международного бюро мер и весов проводится
систематическое международное сличение национальных этало-
нов крупнейших метрологических лабораторий с международны-
ми эталонами и между собой. Например, эталон метра и кило-
грамма сличают один раз в 25 лет, эталоны электрического на-
пряжения, сопротивления и световые — один раз в 3 года.

Большинство эталонов представляют собой сложные и весьма
дорогостоящие физические установки, требующие для своего об-
служивания и применения ученых высочайшей квалификации.

Рассмотрим примеры государственных эталонов.

Эталон длины. До 1960 г. действовал следующий эталон
метра (м). Метр определялся как расстояние при 0°С между осями
двух соседних штрихов, нанесенных на платиново-иридиевом брус-
ке, хранящемся в Международном бюро мер и весов, при усло-
вии что эта линейка находится при нормальном давлении и под-
держивается двумя роликами диаметром не менее 1 см, располо-
женными симметрично в одной продольной плоскости на рассто-
янии 571 мм один от другого.

Требование к повышению точности (платиново-иридиёвый бру-
сок не позволяет воспроизводить метр с погрешностью, меньшей
0,1 мкм), а также целесообразность установления естественного и
неразмерного эталона привели к созданию в 1960 г. нового, дей-
ствующего по настоящее время, эталона метра, точность которо-
го на порядок выше старого. Повторим, что в новом эталоне метр
определяется как длина, равная 1 650 763,73 длины волны в ваку-
уме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2/>10
и 5с?5 атома криптона-86.

Физические принципы эталона: возбужденные пары и газы из-
лучают свет, в спектре которого имеется ряд линий. Каждая ли-
ния определяется источником монохроматического излучения с
определенной длиной волны. Атомы излучают свет после возбуж-
дения, когда они переходят в одно из состояний с более высокого
уровня энергии: Еъ Е2, Е3,	Е„. Затем атом возвращается в ка-

кое-либо другое строго допустимое (дискретное) энергетическое
состояние с более низким уровнем энергии. Этот процесс связан
с излучением световой энергии.
Государственный первичный эталон метра РФ состоит из сле-
дующего комплекса аппаратуры:

источник излучения — газоразрядная лампа с изотопом крип-
тона-86;

эталонный интерферометр с фотоэлектрическим микроскопом
и рефлектором для измерений длины в пределах 0... 1000 мм, снаб-
женный платиновым термометром сопротивления и дифферен-
циальными термопарами для точных измерений температуры;

эталонный спектроинтерферометр для измерения длин волн в
пределах 200...3000 мм.

Место хранения эталона метра — ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.
СКО воспроизведения единицы метра не превышает 5-10-9 м.
Эталон постоянно совершенствуется в целях повышения точ-
ности, стабильности, надежности. В частности, для эталона метра
в настоящее время рассматриваются пути повышения точности.
Методы повышения точности базируются на возможности исполь-
зования атомных пучков в вакууме как источников монохромати-
ческого излучения, стабилизированных лазеров в качестве источ-
ников интенсивного монохроматического излучения с узкой спек-
тральной линией и других физических эффектов.

Эталон массы. Государственный первичный эталон кило-
грамма РФ (кг) хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Он
обеспечивает воспроизведение единицы массы 1 кг со СКО не
более 3-Ю-8 кг. В состав Государственного первичного эталона
килограмма РФ входят:

копия международного прототипа килограмма — платиново-ири-
диевый прототип № 12, представляющий собой гирю в виде цилин-
дра с закругленными ребрами диаметром 39 мм и высотой 39 мм;

эталонные весы № 1 и № 2 на 1 кг с дистанционным управле-
нием для передачи размера единицы массы от прототипа № 12
эталонам-копиям й от эталонов-копий рабочим эталонам.

Эталон времени и частоты. Государственный первич-
ный эталон времени и частоты РФ хранится во Всесоюзном науч-
но-исследовательском институте физико-технических радиоизме-
рений (ВНИИФТРИ).

В эталоне используются квантовые меры, в которых за опор-
ную 'меру принимается частота, соответствующая частоте перехо-
да в атомах или молекулах выбранного вещества. Квантовые меры
разделяются на реперы и хранители. Реперы включаются эпизоди-
чески в целях осуществления поверок и регулировок СИ частоты, а
хранители (представляющие собой часы) работают непрерывно.

В состав Государственного эталона времени и частоты РФ входят:
цезиевый репер и часы;

водородный репер и часы;

рубидиевые часы (квантовый генератор на рубидиевом крис-
талле с оптической накачкой);
аппаратура внутренних и внешних сличений эталонов;
аппаратура обеспечения.

СКО погрешности воспроизведения времени по частоте не пре-
вышает 10-13 Гц при неисключенной систематической погрешно-
сти не более 10-12 Гц.

Эталон единицы силы электрического тока —
ампера (А). Этот эталон хранится во ВНИИМ им. Д. И. Менде-
леева. Он включает в себя следующие части:

токовые весы;

аппаратуру для передачи размера единицы силы тока, в кото-
рую входит катушка электрического сопротивления, получившая
значение сопротивления от первичного эталона единицы элект-
рического сопротивления — ома.

СКО погрешности воспроизведения не превышает 4-Ю-6, не-
исключенная систематическая погрешность не превышает 8-Ю-6.

Эталон единицы температуры. Этот эталон представ-
ляет собой очень сложную установку. Измерение температуры в
диапазоне 0,01...0,8 К осуществляется по температурной шкале
термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ. В диапазоне
0,8... 1,5 К используется шкала гелия-3 (3Не), основанная на зави-
симости давления насыщенных паров гелия-3 от температуры. В
диапазоне 1,5...4,2 К используется шкала гелия-4 (4Не), основан-
ная на том же принципе. В диапазоне 4,2... 13,81 К температура
измеряется по шкале германиевого термометра сопротивления
ТШГТС. Используется зависимость К= К(1). В диапазоне
13,81... 6300 К используется международная практическая шкала
МПТШ-68, основанная на ряде воспроизводимых равновесных
состояний различных веществ.

Передача размеров единиц от первичного эталона рабочим ме-
рам и средствам измерения осуществляется с помощью разряд-
ных эталонов.

Разрядный эталон — мера, измерительный преобразователь или
измерительный прибор, служащий для поверок по ним других СИ
и утвержденный в органах Государственной метрологической служ-
бы (МС).

Схема передачи размеров (метрологическая цепь) — от этало-
нов к рабочим СИ (первичный эталон эталон-копия разряд-
ные эталоны => рабочие СИ) представлена на рис. 1.2.

Между разрядными эталонами существует соподчиненность:
эталоны 1-го разряда поверяются непосредственно по этало-
нам-копиям;

эталоны 2-го разряда — по эталонам 1-го разряда и т.д.

Отдельные рабочие СИ наивысшей точности могут поверяться
по эталонам-копиям, высшей точности — по эталонам 1-го разряда.

Разрядные эталоны находятся в метрологических институтах
Государственной метрологической службы, а также в поверочных
лабораториях отраслевых МС, ко-
торым в установленном порядке
предоставлено право поверки СИ.

СИ в качестве разрядного эта-
лона утверждаются органом Го-
сударственной МС.

Для обеспечения правильно-
сти передачи размеров ФВ во всех
звеньях метрологической цепи
должен быть установлен опреде-
ленный порядок. Этот порядок
приводится в поверочных схемах.

Положение о поверочных схе-
мах установлено ГОСТ 8.061—80
«ГСИ. Поверочные схемы. Содер-
жание и построение».

Различают государственные
поверочные схемы и локальные
(отдельных региональных органов
государственной МС или ведом-
ственных МС). Поверочные схе-
мы содержат текстовую часть и
необходимые чертежи и схемы.

Строгое соблюдение повероч-

Рис. 1.2. Схема передачи размеров
от эталонов к рабочим средствам
измерения

ных схем и своевременная повер-

ка разрядных эталонов — необходимые условия для передачи до-
стоверных размеров единиц физических величин рабочим сред-

ствам измерения.

Контрольные вопросы

1.	В чем состоит основное назначение эталонов?

2.	За счет чего обеспечивается тождественность единиц физических
величин?

3.	На каких принципах основаны эталоны единицы длины и единицы
времени?

4.	Что такое поверочная схема?

5.	Какие существуют принципы систематизации эталонов по воспро-
изводимым единицам?

1.4. Основы теории измерения

С точки зрения информационной теории измерение представ-
ляет собой процесс, направленный на уменьшение энтропии из-
меряемого объекта. Энтропия является мерой неопределенности
наших знаний об объекте измерения. В процессе измерения мы
уменьшаем энтропию объекта, т.е. получаем дополнительную ин-
формацию об объекте.

Измерительной информацией называется информация о значе-
ниях измеренных ФВ.

Как говорилось выше, применяемые при измерениях Методы и
технические средства не являются идеальными, а органы воспри-
ятия экспериментатора не могут идеально воспринимать показа-
ния приборов. Поэтому после завершения процесса измерения
остается некоторая неопределенность в наших знаниях об объекте
измерения, т. е. получить истинное значение ФВ невозможно. Ос-
таточная неопределенность наших знаний об измеряемом объекте
может характеризоваться различными мерами неопределенности.
Такая мера неопределенности, как энтропия, наиболее широко
распространена в теории информации. В метрологической же прак-
тике энтропия практически не используется. В теории измерений
мерой неопределенности результата измерения является погреш-
ность результата наблюдения.

Под погрешностью результата измерения, или просто погреш-
ностью измерения, понимается отклонение результата измерения
от истинного значения измеряемой физической величины. Запи-
сывается это следующим образом:

△ = Лим _ Л

где А"изм — результат измерения; X— истинное значение ФВ.

Однако поскольку истинное значение ФВ остается неизвест-
ным, то неизвестна и погрешность измерения. Поэтому на прак-
тике имеют дело с приближенными значениями погрешности или
с так называемыми их оценками. В формулу для оценки погреш-
ности подставляют вместо истинного значения ФВ ее действи-
тельное значение. Под действительным значением ФВ понимается
ее значение, полученное опытным путем и настолько приближа-
ющееся к истинному значению, что для данной цели может быть
использовано вместо него.

Таким образом, формула для оценки погрешности имеет сле-
дующий вид:

А =	(1-3)

где 0д—действительное значение ФВ.

Каковы же основные причины возникновения погрешности?
Можно выделить четыре основные группы погрешностей измер-
ения:

погрешности, вызванные методиками выполнения измерения
(погрешность метода измерения);

погрешность средств измерения;

погрешность органов чувств наблюдателей (личные погрешности);
погрешности, обусловленные влиянием условий измерения.
Все эти погрешности дают суммарную погрешность измерения. В
метрологии принято разделять суммарную погрешность измере-
ния на две составляющие — случайную и систематическую погреш-
ности.

Случайная погрешность измерения — составляющая погрешно-
сти результатов измерения, изменяющаяся случайным образом
(по знаку и значению) в повторных наблюдениях, проведенных с
одинаковой тщательностью одной и той же неизменяющейся (де-
терминированной) ФВ.

Систематическая погрешность измерения — составляющая по-
грешности результата измерения, остающаяся постоянной или же
закономерно изменяющаяся при повторных наблюдениях одной
и той же неизменяющейся ФВ.

В общем случае в результатах измерения всегда присутствуют
эти обе составляющие. На практике часто бывает так, что одна из
них значительно превышает другую. В этих случаях меньшей со-
ставляющей пренебрегают. Например, при измерениях, проводи-
мых с помощью линейки или рулетки, как правило, преобладает
случайная составляющая погрешности, а систематическая — мала,
ею пренебрегают. Случайная составляющая в этом случае объяс-
няется следующими основными причинами:

неточностью (перекосом) установки рулетки (линейки);

неточностью установки начала отсчета;

изменением угла наблюдения;

усталостью глаз;

изменением освещенности.

Систематическая погрешность возникает из-за несовершенства
метода выполнения измерения, погрешностей СИ, неточного зна-
ния математической модели измерения, из-за влияния условий,
погрешностей градуировки и поверки СИ, личных причин.

Поскольку случайные погрешности результатов измерения яв-
ляются случайными величинами, в основе их обработки лежат
методы теории вероятностей и математической статистики.

Случайная погрешность характеризует такое качество, как точ-
ность измерений, а систематическая — правильность измерения.

Различают погрешности абсолютные и относительные.

Абсолютная погрешность — погрешность, выраженная в едини-
цах измеряемой величины. Например, погрешность измерения мас-
сы в 5 кг — 0,0001 кг. Она обозначается А.

Относительная погрешность — это безразмерная величина, оп-
ределяющаяся отношением абсолютной погрешности к действи-
тельному значению измеряемой ФВ, она может выражаться в про-
центах (%). Например, относительная погрешность измерения мас-

сы 5 кг —

О’ 0001 = 0,00002, или 0,002%. Иногда берется отноше-
ние абсолютной погрешности к максимальному значению ФВ,
которое может быть измерено данным СИ (верхний предел шка-
лы прибора). В этом случае относительная погрешность называется
приведенной.

Относительная погрешность обозначается 8 и определяется сле-
дующим образом:

с _ А _ -^изм ~ 'Уд

" ха ” хя '

Поскольку ХД ~ ХИЗЫ (или очень мало отличается от него), то на
практике обычно принимается

б=А/Аизм.

Кроме случайной и систематической погрешностей измерения
различают так называемую грубую погрешность измерения. Иногда
в литературе эту погрешность называют промахом. Грубая погреш-
ность результата измерения — это такая погрешность, которая зна-
чительно превышает ожидаемую.

Как уже отмечалось, в общем случае проявляются одновре-
менно обе составляющие суммарной погрешности измерения —
случайная и систематическая, поэтому

А = А+ 0,

где А — суммарная погрешность измерения, она может быть пред-
ставлена в виде ХА; А — случайная составляющая погрешности
измерения; © — систематическая составляющая погрешности из-
мерения.

Виды измерений обычно классифицируются по следующим при-
знакам:

характеристике точности — равноточные, неравноточные (рав-
норассеянные , неравнорассеянные);

числу измерений — однократные, многократные;

отношению к изменению измеряемой величины — статичес-
кие, динамические;

метрологическому назначению — метрологические, технические;
выражению результата измерений — абсолютные, относительные;
по общим приемам получения результатов измерений — пря-
мые, косвенные, совместные, совокупные.

Равноточные измерения — ряд измерений какой-либо величи-
ны, выполненных одинаковыми по точности СИ и в одних и тех
же условиях.

Неравноточные измерения — ряд измерений какой-либо вели-
чины, выполненных несколькими различными по точности СИ и
(или) в разных условиях.
Однократное измерение — измерение, выполненное один раз.

Многократные измерения — измерения одного и того же разме-
ра ФВ, результат которого получен из нескольких следующих друг
за другом наблюдений, т. е. состоящих из ряда однократных изме-
рений.

Прямое измерение — измерение ФВ, проводимое прямым мето-
дом, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно
из опытных данных. Прямое измерение производится путем экс-
периментального сравнения' измеряемой ФВ с мерой этой величины
или путем отсчета показаний СИ по шкале или цифровому прибору.
(Например, измерения длины, высоты с помощью линейки, на-
пряжения — с помощью вольтметра, массы — с помощью весов.)

Уравнение прямого измерения имеет следующий вид:

С=<7[01-

Косвенное измерение — измерение, проводимое косвенным ме-
тодом, при котором искомое значение ФВ находят на основании
результата прямого измерения другой ФВ, функционально свя-
занной с искомой величиной известной зависимостью между этой
ФВ и величиной, получаемой прямым измерением.

Уравнение косвенных измерений имеет следующий вид:

У = Р(хь хъ ..., х„ х„); У = Р(х),

где Р— известная функция; п — число прямо измеренных ФВ; хь
х2, х„ х„ — значения прямо измеренных ФВ.

Например: определение площади, объема с помощью измере-
ния длины, ширины, высоты; электрической мощности методом
измерения силы тока и напряжения и т.д.

Совокупные измерения — одновременно проводимые измерения
нескольких одноименных величин, при которых искомые значе-
ния величин определяют путем решения системы уравнений, по-
лучаемых при измерениях различных сочетаний этих величин.

Пример: значение массы отдельных гирь набора определяют
по известному значению массы одной из гирь и по результатам
измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Имеются гири массами тъ т2, т3.

Масса первой гири определится следующим образом:

т}- Мх.

Масса второй гири определится как разность массы первой и
второй гирь Л/] 2 и измеренной массы первой гири т\:

т2- Мх2-тх.

Масса третьей гири определится как разность массы первой,
второй и третьей гирь (Л/^гд) и измеренных масс первой и второй
гирь (тх, т2):
т3 = Л/^2,3 - Ш\ - т2.

Часто именно этим путем добиваются повышения точности ре-
зультатов измерения.

Совместные измерения — одновременно проводимые измерения
двух или нескольких неодноименных физических величин для оп-
ределения зависимости между ними.

Пример 1. Построение градуировочной характеристики у =/(х)
измерительного преобразователя, когда одновременно измеряют-
ся наборы значений:

Х„ Х2, Х3, ..., Хь ..., Хп
I! М Я Я
Ух, У2, Уз, ..., У., ..., Уп.

Пример?. Определение температурного коэффициента сопро-
тивления (ТКС) путем одновременного измерения сопротивления
К и температуры I, а затем определение зависимости а(0 = ЛА/ДЛ

К2, ...,	..., К„

Й Й К Я
Л» Ъ, ..., Ь, ...,

Как было указанно выше, измерение — это процесс нахожде-
ния значений физической величины. Таким образом, физическая
величина является объектом измерения. Кроме того, следует иметь
в виду, что под физической величиной понимается такая величи-
на, размер которой может быть определен физическими метода-
ми. Именно поэтому величина и называется физической.

Значение физической величины определяется с помощью
средств измерения конкретным методом. Под методом измерения
понимается совокупность приемов использования принципов и
средств измерения. Различают следующие методы измерения:

метод непосредственной оценки — метод, в котором значение
величины определяют непосредственно по отчетному устройству
измерительного прибора (измерение длины с помощью линейки,
массы — с помощью пружинных весов, давления — с помощью
манометра и т.д.);

метод сравнения с мерой — метод измерения, в котором изме-
ряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой
мерой (измерение зазора между деталями с помощью щупа, из-
мерение массы на рычажных весах с помощью гирь, измерение
длины с помощью концевых мер и т.д.);

метод противопоставления — метод сравнения с мерой, в ко-
тором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой,
одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью
которого устанавливается соотношение между этими величинами
(измерение массы на равноплечных весах с помещением измеря-
емой массы и уравновешивающих ее гирь на двух чашках весов);
дифференциальный метод — метод сравнения с мерой, в кото-
ром на измерительный прибор воздействует разность измеряемой
и известной величины, воспроизводимой мерой (измерение дли-
ны сравнением с образцовой мерой на компараторе — средстве
сравнения, предназначенном для сличения мер однородных ве-
личин);

нулевой метод — метод сравнения с мерой, в котором резуль-
тирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения до-
водят до нуля (измерение электрического сопротивления мостом
с полным его уравновешиванием);

метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором изме-
ренную величину замещают известной величиной, воспроизво-
димой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеря-
емой массы и гирь на одну и ту же чашку весов);

метод совпадений — метод сравнения с мерой, в которой раз-
ность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводи-
мой мерой, измеряют, используя совпадение от меток шкал или
периодических сигналов (измерение длины с помощью штанген-
циркуля с нониусом, когда наблюдают совпадение отметок на
шкалах штангенциркуля и нониуса; измерение частоты вращения
с помощью стробоскопа, когда положение какой-либо отметки на
вращающемся объекте совмещают с отметкой на невращающейся
части этого объекта при определенной частоте вспышек стробос-
копа).

Обработка результатов измерения. Как указывалось выше, опреде-
лить истинное значение физической величины по результатам ее
измерения невозможно в принципе. На основании результатов изме-
рения может быть получена оценка этого истинного значения (его
среднее значение) и диапазон, внутри которого искомое значение
находится с принятой доверительной вероятностью. Другими слова-
ми, если принятая доверительная вероятность равна 0,95, то истин-
ное значение измеряемой физической величины с вероятностью 95 %
находится внутри определенного интервала результатов всех измере-
ний. Так, в результате многократных измерений длины стержня было
получено, что ее оценка равна 21,00 см, а доверительный интервал
имеет границы ±0,02 см при доверительной вероятности Р = 0,95.
Это говорит о том, что с вероятностью 0,95 истинное значение дли-
ны этого стержня находится внутри диапазона (21,00 ± 0,02) см.

Таким образом, конечной задачей обработки результатов лю-
бых измерений является получение оценки истинного значения
измеряемой физической величины, обозначаемой (X и диапазо-
на значений, внутри которого находится эта оценка с принятой
доверительной вероятностью.

Для равноточных (равнорассеянных) результатов измерений эта
оценка представляет собой среднее арифметическое всех результа-
тов многократных измерений X независимо от закона распределения:
1^/п,

где X; — результаты измерений; п — число измерений.

Чтобы определить диапазон (доверительный интервал) изме-
нения среднего значения измеряемой физической величины не-
обходимо знать закон ее распределения и закон распределения
погрешности результатов измерений. В метрологической практике
обычно используются следующие законы распределения резуль-
татов измерений и их погрешностей: нормальный, равномерный,
по треугольнику и трапециевидный. В данной работе будет рас-
смотрен только нормальный закон распределения, а результаты
измерений являются равноточными.

На первом этапе обработки результатов измерений оценивают
наличие грубых погрешностей (промахов). Для этого определяют
среднее квадратическое отклонение результатов измерений (оп-
ределение и физический смысл СКО см. в подразд. 1.1):

о = л/Л=7^(^-^)2/(л-1).

Затем определяют, есть ли среди результатов измерений та-
кие, которые больше или меньше среднего значения на 3§. Если
такие результаты обнаружены, их исключают из дальнейшего рас-
смотрения и вновь определяют среднее значение результатов из-
мерений и среднее квадратическое отклонение.

Затем проводится анализ наличия систематических погрешно-
стей в ряде измерений Х{, Х{,	X', ..., Х'„.

Систематические погрешности могут быть классифицированы
в зависимости от причин их появления и характера их проявления
в процессе измерений.

По характеру проявления систематические погрешности под-
разделяются на постоянные и переменные.

Постоянные систематические погрешности воз-
никают при неправильной установке начала отсчета, неправиль-
ной градуировке и настройке СИ. Они остаются неизменными при
повторных наблюдениях измеряемой физической величины.

Среди переменных систематических погрешно-
стей выделяют прогрессирующие, т. е. монотонно убывающие или
возрастающие, и периодические.

Систематические погрешности обычно трудно обнаружить.

Как уже отмечалось, результаты наблюдений, содержащие си-
стематические погрешности, называются неисправленными, они
обозначаются буквами со штрихами: Х[, Х'2,..., Х'ь ...,

«Исправленный результат» наблюдений — это наблюдение, из
которого исключена систематическая погрешность. Наблюдение —
это, с одной стороны, совокупность операций при измерении,
имеющих своей целью своевременно и правильно произвести от-
счет. С другой стороны, наблюдение — это экспериментальная опе-
рация, выполняемая в процессе измерений, в результате которой
получают одно значение из группы значений величины, подле-
жащих обработке для получения результата измерений. Например,
если по трем или пяти наблюдениям получают одно измерение,
можно считать, что результат наблюдений дает один результат
измерения, а результат измерения — значение измеряемой ФВ —
найден путем обработки результатов наблюдений.

Для обнаружения систематических погрешностей и их устра-
нения существует несколько способов.

Точность результатов наблюдений и последующих вычислений
при обработке данных должна быть согласована с необходимой
точностью результатов измерений. Погрешность результатов из-
мерений следует выражать не более чем двумя значащими цифра-
ми. Две значащие цифры следует давать в двух случаях:

при проведении высокоточных наблюдений;

при погрешности, выраженной числом с цифрой старшего раз-
ряда <3, например А = 22.

При обработке результатов наблюдений следует пользоваться
правилами приближенных вычислений, а округление выполнять
по следующим правилам:

1.	Округлять результат измерения следует так, чтобы он окан-
чивался цифрой того же порядка, что и погрешность. Если значе-
ние результата измерения оканчивается нулями, то нуль отбра-
сывается до того разряда, который соответствует разряду погреш-
ности.

Пример: погрешность А = ±0,0005 м.

После вычислений получены результаты измерения:

Ху = 9,84236672 = 9,8424;	= (9,8424 ± 0,0005) м;

Хг= 1,260002 = 1,2600; Хг= (1,2600 ± 0,0005) м.

2.	Если первая из заменяемых нулем или отбрасываемых цифр
(слева направо) меньше 5, то остающиеся цифры не изменяются.

Пример: А=О,О6; X = 2,3641 = 2,36.

3.	Если первая из заменяемых нулем или отбрасываемых цифр
равна 5, а за ней не следует никаких цифр или нулей, то округле-
ние производят до ближайшего четного числа, т. е. четную после-
днюю оставленную цифру или нуль оставляют без изменений, не-
четную увеличивают на единицу.

Пример: А= ±0,25; А\ = 1,385 = 1,38;Х2= 1,355 = 1,36.

4.	Если первая из заменяемых нулем или отбрасываемых цифр
больше или равна 5, но за ней следует отличная от нуля цифра,
то последнюю оставленную цифру увеличивают на единицу.

Пример: Д = ± 12; Х,= 236,51 = 237.

Обработка результатов измерений производится в соответствии
со стандартами. Например, для прямых наблюдений обработка
ведется по ГОСТ 8.207—80 ГСИ «Прямые измерения с много-
кратными наблюдениями».

Контрольные вопросы

1.	Что такое погрешность измерения?

2.	Какие вы знаете группы погрешностей измерения?

3.	Каковы составляющие погрешности измерения?

4.	В чем заключаются основные причины появления случайной и си-
стематической погрешностей измерения?

5.	Какие методы измерений находят применение в промышленности?

6.	С какой целью выполняется обработка результатов измерений?

7.	Как определяется средняя арифметическая величина?

8.	Как определяется СКО результатов измерений?

9.	Что такое исправленный ряд результатов измерений?

10.	Сколько значащих цифр должна содержать погрешность?

11.	Каковы правила округления результатов расчетов?

1.5. Технический контроль

Технический контроль (ТК) в соответствии с ГОСТ 16504—81 —
это проверка соответствия объекта установленным техническим
требованиям. Развитие науки и техники, повышение требований к
качеству продукции влекут за собой рост затрат на технический
контроль. Так, затраты на контроль в некоторых отраслях превы-
шают 50 % от себестоимости продукции. В металлообрабатываю-
щей промышленности затраты на контроль составляют 8... 15%
затрат производства, причем 90... 95 % этих затрат относятся к кон-
тролю линейных размеров.

Согласно определению технического контроля для объекта кон-
троля дается заключение о его соответствии требованиям, предъяв-
ляемым технической документацией. Оно может формулироваться
либо по результатам измерений, либо без них. Например, конт-
роль предельными калибрами, при котором делается заключение
«годно» или «не годно» контролируемому изделию по одному или
нескольким параметрам.

В случае, если контроль выполняется по показаниям средств
измерения, он называется контролем показаний. Например, опре-
деление годности изделия по шкальным приборам, у которых ча-
сто предусматриваются предельные флажки (планки, метки), между
которыми должен находиться параметр годного изделия.

В зависимости от места расположения элементов средства кон-
троля различают местный и дистанционный контроль. Местный
контроль применяется в случае, если все элементы установле-
ны на рабочих местах, где изготавливается или контролируется
изделие. Дистанционный контроль предусматривается в
случаях, когда невозможно расположить все элементы в одном
месте, например контроль показаний испытываемого двигателя на
стенде. (Здесь снятие параметров двигателя выполняется преобра-
зователями датчиками в испытательном боксе, а контроль показа-
ний осуществляется в операторском помещении.)

Техническое диагностирование — процесс определения техниче-
ского состояния объекта диагностирования с определенной точно-
стью (ГОСТ 20911—75). Результатом технического диагностирова-
ния является заключение о техническом состоянии объекта с указа-
нием при необходимости места, вида и причин дефекта (дефектов).
Например, диагностирование двигателя автомобиля на специаль-
ных стендах, когда по показаниям преобразователей, установлен-
ных в разных узлах двигателя, дается заключение о функционирова-
нии всего двигателя с указанием отклонений от нормативных вели-
чин контролируемых параметров или их действительное значение.

Испытания — это экспериментальное определение количествен-
ных и (или) качественных свойств объекта испытаний как резуль-
тата воздействия на него при его функционировании, при моде-
лировании объекта и (или) воздействий (ГОСТ 16504—81).

Испытания продукции и ее частей занимают важное место в
процессе управления качеством продукции на производстве. Раз-
витие системы сертификации продукции, подтверждающей не
только показатели ее качества, но и безопасность для окружаю-
щей среды, жизни, здоровья потребителя, определяет место ис-
пытаниям не только в сфере производства, но и на протяжении
всего жизненного цикла изделия, начиная от его проектирования
и кончая утилизацией.

Понятия «измерение», «технический контроль», «испытание»
являются взаимосвязанными. Так, измерение может быть как ча-
стью промежуточного преобразования в процессе контроля или ис-
пытания, так и окончательным этапом получения информации при
контроле или испытании. В то же время испытание может являться
этапом получения информации в процессе контроля.

Технический контроль функционирует как система, основны-
ми элементами которой являются объект, средство, метод, вид,
исполнитель, условия.

Объект технического контроля — подвергаемая контролю про-
дукция, процессы ее создания, применения, транспортирования,
хранения, технического обслуживания и ремонта, а также соот-
ветствующая техническая документация. Объектами технического
контроля являются предметы труда (например, продукция основ-
ного и вспомогательного производства в виде изделий, материа-
лов и т. п.), средства труда (например, оборудование промышленных
предприятий: станки, приспособления, приборы и т.п.) и техно-
логические процессы).

Средство технического контроля — техническое устройство, ве-
щество и (или) материал для проведения контроля. В отличие от сред-
ства измерения при техническом контроле могут применяться раз-
личные вещества или материалы для обеспечения целей контроля.

Метод технического контроля — правила применения опреде-
ленных принципов и средств контроля. В метод технического кон-
троля входят основные физические, химические, биологические
и другие явления и зависимости (законы, принципы), которые
применяются для получения первичной информации об объекте
контроля. Кроме того, метод контроля при необходимости содер-
жит также определенную последовательность применения этих
принципов во время контроля.

Различают методы разрушающего и неразрушающего контроля.

Метод разрушающего контроля — метод, при кото-
ром может быть нарушена пригодность объекта к применению (кон-
троль прочности детали, узла).

Метод неразрушающего контроля — метод, при ко-
тором не должна быть нарушена пригодность объекта к применению.

Вид технического контроля — классификационная группиров-
ка контроля по определенному признаку (например, контроль ме-
ханических величин, контроль тепловых величин, контроль каче-
ственных характеристик, автоматизированный контроль и т.п.).

Условия технического контроля — совокупность воздействующих
факторов и (или) режимов функционирования объекта при тех-
ническом контроле.

Условия контроля, которые устанавливаются нормативно-тех-
нической документацией на данный вид продукции, называются
нормативными условиями. Например, нормативные условия выпол-
нения линейных и угловых измерений по ГОСТ 8.050—73:

температура окружающей среды +20°С;

атмосферное давление 101 325 Па (760 мм рт.ст.);

относительная влажность окружающего воздуха 58 % (нормаль-
ное парциальное давление водяных паров 1333 Па);

ускорение свободного падения (ускорение силы тяжести) —
9,8 м/с2;

направление линии и плоскости измерения линейных разме-
ров — горизонтальное;

относительная скорость движения внешней среды равна нулю;

значения внешних сил, кроме силы тяжести, атмосферного дав-
ления, действия магнитного поля Земли и сил сцепления элемен-
тов измерительной системы (установки), равны нулю.

Контрольные вопросы

1.	Что такое технический контроль, техническое диагностирование,
испытание? В чем состоит взаимосвязь этих понятий?

2.	Какие виды технического контроля нашли применение в машино-
строении?

3.	Что такое нормативные условия контроля и каковы его параметры?
1.6.	Средства измерения и контроля

1.6.1.	Классификация средств измерения и контроля
по определяющим признакам

Средства измерения и контроля, применяемые в машинострое-
нии, классифицируются по различным признакам:

по типу и виду контролируемых физических величин;

назначению — универсальные и специальные;

числу проверяемых параметров при одной установке объекта из-
мерения — одномерные и многомерные;

степени механизации и автоматизации процесса измерений —
ручного действия, механизированные, полуавтоматические, авто-
матические.

Классификация средств измерения и контроля по типу контро-
лируемых физических величин представлена на рис. 1.3, а по виду
контролируемых физических величин — на рис. 1.4.

Рис. 1.3. Классификация средств измерения и контроля по типу
физических величин
больших длин
и диаметров

Средства измерения
и контроля геометрических величин

линейных размеров

углов и конусов

зубчатых колес

формы расположе-
ния поверхности

резьб

шпоночных и шли-
цевых соединений

толщины покрытия

шероховатости
и волнистости

Рис. 1.4. Классификация средств измерения и контроля по виду
измеряемых геометрических величин

Универсальные измерительные инструменты и приборы нашли
широкое применение в условиях единичного и мелкосерийного
производства, а также для определения численных величин и откло-
нений, отклонений от правильной геометрической формы и взаим-
ного расположения поверхностей (при отсутствии специальных
приспособлений), при наладке станков, при особо ответственных
измерениях во всех видах производств, включая массовое и крупно-
серийное (рис. 1.5).

В условиях расширяющейся автоматизации технологических про-
цессов обработки деталей и сборки узлов и агрегатов машин, по-
вышения требований к производительности, точности и качеству
обработки при массовом производстве машин все большее значе-
ние приобретают автоматические средства контроля. Они класси-
фицируются по числу проверяемых параметров, степени автома-
тизации, способу преобразования измерительного импульса, мес-
ту установки в технологическом процессе, воздействию на техно-
логический процесс (рис. 1.6).

Отнесение контрольных операций к ручным, полуавтоматичес-
ким или автоматическим можно выполнять по отношению време-
ни /р, затрачиваемому на ручные операции, к общему (суммарно-
му) времени контроля Если 1Р/(Х < 0,5, то контроль считается
ручным (например, контроль ручными калибрами или шкальны-
ми средствами измерения). Если 0,02 <	0,5, то контроль счи-

тается полуавтоматическим (например, установка объекта конт-
роля на стол контрольного приспособления выполняется вручную,
а последующий процесс контроля показаний — автоматически).
Если 0,02, то контроль считается автоматическим (установ-
ка объекта контроля, его измерение, оценка результатов и снятие
объекта контроля выполняются без участия оператора).
Рис. 1.5. Классификация универсальных измерительных инструментов и приборов
Автоматические средства контроля

ПО ЧИСЛУ ПРОВЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

ПО СТЕПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПО СПОСОБУ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА

ПО МЕСТУ УСТАНОВКИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ

до позиции
обработки

на позиции
обработки

после позиции
обработки

ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

| пассивные

| активные (управляющие) ~|

преобразователи

| абсолютный |	| относительный |

многомерные
приспособления

контрольно-сортировочные
автоматы и полуавтоматы

ПО МЕТОДУ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХОД
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

р

5
О
* §
ь
о о

Й

&

В

х
к

Е
Л
2

Рис. 1.6. Классификация автоматических средств контроля

ПО МЕТОДУ ИЗМЕРЕНИЯ

с ё

8
н

2



к

?! «
ет
Кроме классификации технического контроля по степени уча-
стия оператора в контрольных операциях виды контроля разли-
чают по распределению во времени (непрерывный, периодичес-
кий, летучий), по стадиям технологического процесса (входной,
операционный, приемочный), по способу отбора объекта конт-
роля (сплошной, выборочный), по исполнителям (контроль на
рабочем месте оператором, контроль мастера, контроль ОТК, ин-
спекционный).

Контрольные вопросы

1.	В чем отличие средства измерения от измерительного преобразо-
вателя?

2.	Как классифицируются средства измерения и контроля по приз-
накам?

3.	Какова область применения универсальных и автоматических средств
измерения и контроля в машиностроении?

1.6.2.	Обобщенная структурная схема средств
измерения и контроля

Для создания и изучения измерительных систем, отдельных
средств измерений часто применяют так называемые общие струк-
турные схемы средств измерения и контроля. В этих схемах изоб-
ражены отдельные элементы средств измерения в виде символиче-
ских блоков, соединенных между собой сигналами, характеризу-
ющими физические величины.

ГОСТ 16263—70 определяет следующие общие структурные эле-
менты средств измерения: чувствительный, преобразовательный эле-
менты, измерительную цепь, измерительный механизм, отсчетное
устройство, шкалу, указатель, регистрирующее устройство.

Первичной задачей любого средства измерения является вос-
приятие физической величины. Эту функцию выполняет чувстви-
тельный элемент. Чувствительный элемент средства измерения —
часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемен-
та, находящаяся под непосредственным воздействием измеряемой
величины. Именно этот элемент определяет способность средства
измерения реагировать на изменения измеряемой величины. Кон-
структивные разновидности чувствительного элемента весьма раз-
нообразны; они будут рассмотрены в разделах, посвященных кон-
струкции средств измерения и контроля.

Основной задачей этого элемента является выработка сигнала
измерительной информации в форме, удобной для дальнейшей ее
обработки. Этот сигнал может быть механическим (перемещение,
поворот), пневматическим, электрическим и др.

При измерениях определенных физических явлений возника-
ет необходимость преобразовывать сигнал, полученный чувстви-
тельным элементом, в другую физическую величину (например,
давление — в электрическую величину, температуру — в давле-
ние и т. п.). Эту функцию выполняет преобразовательный элемент.

Преобразовательный элемент средства измерения — это элемент,
в котором происходит одно из ряда последовательных преобразо-
ваний величины. Он предназначен для выработки сигнала измери-
тельной информации в форме, удобной для передачи, дальней-
шего преобразования, обработки и (или) хранения (например,
преобразование неэлектрической величины в электрическую). Как
правило, эта информация не поддается непосредственному вос-
приятию наблюдателем. Преобразовательный элемент может быть
выделен в отдельную конструкцию, а может содержать два и более
преобразователей. Преобразовательный элемент, стоящий первым
в измерительной цепи, обычно называют первичным преобразова-
телем (например, термопара).

Существует огромный класс промежуточных (вторичных) пре-
образователей, которые, как правило, не меняют род физической
величины. Широкое распространение получили аналоговые, анало-
го-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи.

Для дистанционной передачи сигнала измерительной инфор-
мации предусматриваются передающие измерительные преобра-
зователи, а для его изменения в заданное число раз — масштабные
измерительные преобразователи. Например, индуктивные и пнев-
матические преобразователи относят к передающим преобразова-
телям, а делители напряжений на входе вольтметров или элект-
ронных осциллографов, измерительные усилители относят к мас-
штабным измерительным преобразователям.

Измерительная цепь средства измерения — это совокупность пре-
образовательных элементов средства измерения, обеспечивающая
осуществление всех преобразований сигнала измерительной ин-
формации.

Измерительный механизм — часть конструкции средства измере-
ния, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их
взаимное перемещение. Например, измерительный механизм инди-
катора часового типа (рис. 1.7, а) состоит из зубчатых колес 1,2,3 и
зубчатой рейки 4. Измерительный механизм милливольтметра
(рис. 1.7, б) состоит из постоянного магнита с деталями магнито-
провода и подвижной рамки с подводящими к ней ток пружинами.

Отсчетное устройство средства измерения — часть конструкции
средства измерения, предназначенная для отсчитывания значений
измеряемой величины. Оно часто включает в себя шкалу и указатель.
В самопишущих приборах отсчетное устройство осуществляет запись
в виде диаграммы, в интегрирующем приборе чаще всего применя-
ется счетный механизм.

Ш кал а представляет собой совокупность отметок или других
символов, соответствующих ряду последовательных значений вели-
Рис. 1.7. Конструкции измерительных механизмов:

а — индикатора часового типа (7, 2 и 3 — зубчатое колесо; 4 — зубчатая рейка);

б— магнитоэлектрического измерительного прибора (7 — постоянный магнит;

2— полюсный наконечник; 3 — подвижная рамка; 4 — пружина; 5 —
сердечник; б — стрелка)

чин. Шкалы бывают односторонними (рис. 1.8, а), двусторонними
(рис. 1.8,0ибезнулевыми(рис. 1.8,в).Водностороннихшкалаходин
из пределов измерений средства измерения равен нулю. В двусторон-
них шкалах нулевое значение расположено на шкале. В безнулевых —
на шкале нет нулевого значения.

В соответствии с ГОСТ 8.401—80 практически равномерной на-
зывается шкала, длина делений которой отличается друг от друга
не более чем на 30 % и имеет постоянную цену делений. Суще-
ственно неравномерная шкала — это шкала с сужающимися деле-
ниями, а степенная шкала — это шкала с расширяющимися деле-
ниями, отличная от шкал, указанных выше.

1?

Рис. 1.8. Виды шкал:
а — односторонняя; б — двусторонняя; в — безнулевая

б
Указатель — часть отсчетного устройства, положение кото-
рого относительно отметок шкалы определяет показание средства
измерения. Указатель может быть выполнен в виде материального
стержня — стрелки или в виде луча света — светового указателя.

В показывающих приборах при наличии шкалы и указателя воз-
можны отсчетные устройства двух видов: когда указатель перемеща-
ется относительно неподвижной шкалы (индикаторы часового типа,
вольтметры, амперметры и др.) или шкала перемещается относи-
тельно неподвижного указателя (микрометры, оптиметры и др.).

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические,
либо световые. Механические отсчетные устройства используют в
тех цифровых приборах, в которых измеряемая величина преобра-
зуется в соответствующие углы поворота валов (например, отсчет-
ные устройства у некоторых типов бензоколонок, у приборов с
цифровой лентой и цифровым роликом и др.).

Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикатор-
ных устройств, основанных на жидких кристаллах, используются в
электронных цифровых средствах измерения, в которых измеряемые
величины преобразуются в определенную последовательность импуль-
сных сигналов (например, табло электронных часов, штангенцир-
куль с электронным цифровым отсчетным устройством и др.).

Индикаторы с жидкими кристаллами представляют собой со-
единения с углеродом и кислородом (карбоксиды), которые ниже
определенной температуры являются кристаллами, а выше этой
температуры превращаются в жидкость. Устройство ячейки с жид-
ким кристаллом показано на рис. 1.9. Такая ячейка состоит из двух
параллельных стеклянных пластинок 1, между которыми распола-
гается жидкокристаллическая смесь 3, и подводящих проводов для
приложения напряжения 4. При отсутствии напряжения на внут-
ренней поверхности пленок из оксида олова 2 ячейка прозрачна.
При приложении постоянного напряжения ячейка становится не-
прозрачной. В итоге образуются читаемые цифры.

В проекционных цифровых указателях (рис. 1.10) нанесенные
на диапозитив цифры от 0 до 9 проектируются каждая своей лам-
почкой 1 и системой линз 2 на матовое стекло.

Рис. 1.9. Устройство ячейки с жидким
кристаллом:

1 — стеклянные пластинки; 2 — пленки
из оксида олова; 3 — жидкокристалличес-
кая смесь; 4 — подводящие провода для
приложения напряжения

Рис. 1.10. Устройство проекцион-
ного цифрового указателя:

1 — лампочка; 2 — система линз
Используются также газоразрядные указатели (газонаполнен-
ные лампы с холодным катодом), указатели со светодиодами. В
цифровых приборах со светодиодами (из арсенида галлия) циф-
ры образуются из точечных или штриховых сегментов полупро-
водника, к которым подводится электрическая энергия, и в ре-
зультате полупроводникового излучения появляется свечение в
видимой области спектра. Высота цифр в этих приборах не может
превышать 20 мм.

Регистрирующее устройство средства измерения — это часть реги-
стрирующего измерительного прибора, предназначенная для реги-
страции показаний. В качестве регистрирующих измерительных при-
боров широко применяются самопишущие, в которых предусмотрена
запись показаний в форме диаграммы (самопишущий вольтметр,
профилограф, барограф, термограф и др.) и печатающие, в кото-
рых предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Печатающие устройства могут быть подразделены на два клас-
са: ударного и безударного действия.

В печатающих устройствах ударного действия процесс печатания
происходит в результате удара рычага с литерой или символом (ру-
чные и электрические печатающие машинки) или игл (в матрич-
ных печатающих устройствах) на красящую ленту. Имеются различ-
ные типы печатающих устройств: с цилиндрической головкой, со
сферической головкой, с колесом в виде ромашки {да1зу уекееГ),
матричное, барабанное, цепное и ленточное. Скорость печатания
таких устройств от 10 знаков в секунду др 20 000 строк в минуту.

В безударных печатающих устройствах процесс печатания зак-
лючается в физическом или химическом воздействии на специ-
ально подготовленную бумагу. Имеются следующие типы таких пе-
чатающих устройств: тепловые матричные, электрочувствительные,
электростатические, ксерографические, лазерные с непрерывной
подачей краски или с подачей краски по требованию. Скорость
печатания достигается от 300 до 45 000 строк в минуту.

В современных печатающих устройствах часто применяют матрич-
ные устройства, причем либо с игольчатым печатающим механиз-
мом, либо с посылкой струи чернил (краски). В обоих вариантах
применяется одинаковое матричное представление (рис. 1.11).

Каждое отдельное средство измерения также может быть изо-
бражено соответствующей структурной схемой.

Например, на рис. 1.12, а представлена схема преобразователя
давления. Мембрана 1 воспринимает измеряемую величину (дав-
ление воздуха) и через рычаг 2 перемещает движок реостата 3,
изменяя его электрическое сопротивление, которое для этого уст-
ройства является выходной величиной. В соответствии с принятой
терминологией элемент 1 схемы, изображенной на рис. 1.12, б,
является первичным преобразователем, а элементы 2 и 3 — про-
межуточным и передающим преобразователями.
123456789

Рис 1.11. Изображение, даваемое матричными печатающими
устройствами (размеры даны в миллиметрах):
а — нормальная ширина шрифта; б — расположение сопел или игл

Объединение и сочетание в различных комбинациях средств из-
мерения, их структурных элементов, вспомогательных устройств по-
зволяет получить широкую гамму измерительных систем, предназ-
наченных для автоматизации процесса измерения и использования
результатов измерения для автоматического управления различны-
ми процессами производства.

Рис. 1.12. Схемы преобразователя давления:

а: 1 — мембрана; 2 — рычаг; 3 — движок реостата; б: 1 — первичный преобразова-
тель; 2 — промежуточный преобразователь; 3 — передающий преобразователь
В качестве вспомогательных элементов (измерительных принад-
лежностей) измерительных систем применяют устройства, служа-
щие для обеспечения необходимых внешних условий при выполне-
нии измерений. К ним относятся, например, барокамера, термостат,
устройства, экранирующие влияние магнитных полей, измеритель-
ные усилители, специальные противовибрационные фундаменты и
даже обыкновенная лупа. Эти элементы позволяют повышать чув-
ствительность измерительных устройств или предохранять измеря-
емую величину от искажающего действия влияющих величин.

Описание устройств обработки, представления и регистрации
информации рассмотрено в гл. 3.

Более сложной структурной схемой измерительной системы яв-
ляется схема информационно-измерительной системы (ИИС), в
состав которой дополнительно входят следующие устройства: раз-
личные преобразователи аналогового, аналого-цифрового, цифро-
вого типа, цифровые устройства вывода информации, стандарти-
зованные интерфейсы (шины и узлы), устройство управления и
исполнительное устройство и др. Описание и характеристика основ-
ных элементов ИИС рассмотрены в гл. 3.

Контрольные вопросы

1.	Из каких общих структурных элементов состоят средства измерения?

2.	В чем отличие чувствительного и преобразовательного элементов?

3.	Какие виды преобразователей применяются в средствах измерения?

4.	Что такое измерительный механизм и отсчетное устройство средств
измерения?

5.	Какие виды регистрирующих устройств применяются в средствах
измерения?

1.6.3. Метрологические характеристики средств
измерения и контроля

Важнейшими свойствами средств измерения и контроля явля-
ются те, от которых зависит качество получаемой с их помощью
измерительной информации. Качество измерения характеризуется
точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и вос-
производимостью измерений, а также размером допускаемых
погрешностей.

Метрологические характеристики (свойства) средств измерения и
контроля — это такие характеристики, которые предназначены для
оценки технического уровня и качества средства измерения, для
определения результатов измерения и расчетной оценки характери-
стик инструментальной составляющей погрешности измерения.

ГОСТ 8.009—84 устанавливает комплекс нормируемых метро-
логических характеристик средств измерения, который выбирает-
ся из числа приводимых ниже.
Характеристики, предназначенные для определения результатов
измерения (без введения поправки)'.

функция преобразования измерительного преобразователя,
значение однозначной или многозначной меры;

цена деления шкалы измерительного прибора или многознач-
ной меры;

вид выходного кода, число разрядов кода.

Характеристики погрешностей средств измерения — характери-
стики систематической и случайной составляющих погрешностей,
вариация выходного сигнала средств измерения либо характерис-
тика погрешности средств измерения.

Характеристики чувствительности средств измерения к влияю-
щим величинам — функция влияния или изменение значений мет-
рологических характеристик средств измерения, вызванные изме-
нениями влияющих величин в установленных пределах.

Динамические характеристики средств измерения подразделяют
на полные и частные. К полным динамическим характеристикам
относят: переходную, амплитудно-фазовую и импульсную харак-
теристики, передаточную функцию, к частным — время реакции,
коэффициент демпфирования, постоянную времени, значение
резонансной собственной круговой частоты.

Неинформативные параметры выходного сигнала средств измере-
ния — параметры выходного сигнала, не используемые для пере-
дачи или индикации значения информативного параметра вход-
ного сигнала измерительного преобразователя или не являющиеся
выходной величиной меры.

Рассмотрим более подробно наиболее часто встречающиеся мет-
рологические показатели средств измерения.

Цена деления шкалы — это разность значений величин, соот-
ветствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, если пе-
ремещение указателя шкалы из положения I в положение II
(рис. 1.13, а) соответствует изменению величины в 0,001 мм, то
цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Значения цен делений
выбирают из ряда 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мкм. Но чаще
всего используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а имен-
но: 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 1; 2; 10 мкм и т.д. В угломерных средствах
измерения применяются круговые шкалы с ценой деления Г, а
дополнительное отсчетное устройство позволяет отсчитывать доли
этих делений в минутах и секундах. Цена деления шкалы всегда
указывается на шкале средства измерений.

Интервал деления шкалы — это расстояние между серединами
двух соседних штрихов шкалы (рис. 1.13, б). На практике исходя из
разрешающей силы глаз оператора (остроты зрения) с учетом ши-
рины штрихов и указателя минимальный интервал деления шка-
лы принимают равным 1 мм, а максимальный — 2,5 мм. Наиболее
распространенной величиной интервала является 1 мм. У пневма-
б

Рис. 1.13. Основные метрологические характеристики средств измерения

§

§
я
о

о
2

Диапазон показан^
0,120 мм

Цена деления
шкалы 0,002 мм

8
1=

сЗ

К/

ЕТ*-

в

^мления

тических приборов с водяным манометром интервал деления шкалы
составляет около 5 мм.

Начальное и конечное значения шкалы — соответственно наимень-
шее и наибольшее значения измеряемой величины (рис. 1.13, в),
указанные на шкале, характеризующие возможности шкалы средств
измерения и определяющие диапазон показаний.

Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная на-
чальным и конечным значениями шкалы (см. рис. 1.13, в). Этухаракте-
ристику часто называют пределами измерения по шкале. Например,
дляиндикаторовчасовоготипадиапазонможетсоставлять2,5или 10 мм,
для гладких микрометров — 25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.

Диапазон измерения, который часто называют пределом измере-
ния средства измерения, — это диапазон значений измеряемой ве-
личины, который может быть измерен данным средством измере-
ния и для которого нормируется допускаемая погрешность средства
измерения.

Одной из основных характеристик средств измерения линейных
и угловых величин контактным методом является измерительное уси-
лие, которое возникает в зоне контакта измерительного наконечни-
ка средства измерения с измеряемой поверхностью в направлении
линии измерения. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить ус-
тойчивое замыкание измерительной цепи. В зависимости от допуска
контролируемого изделия (2... 10 мкм) рекомендуемые величины
измерительного усилия находятся в пределах 2,5...3,9 Н, а свыше
10 мкм — 9,8 Н. Важным показателем измерительного усилия явля-
ется его перепад (колебание) — разность измерительного усилия при
двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.
Свойство средства измерения, заключающееся в его способно-
сти реагировать на изменения измеряемой величины, называется
чувствительностью. Она оценивается отношением изменения поло-
жения указателя относительно шкалы к соответствующему измене-
нию измеряемой величины.

Если измеряемой величиной является длина или угол и значе-
ние чувствительности выражается безразмерным числом, то послед-
нее называется передаточным отношением:

I = а/с,

где а — интервал деления шкалы; с — цена деления.

Например, при цене деления индикатора 0,01 мм и интервале
деления шкалы 1,5 мм передаточное отношение будет равно 150.

Порог чувствительности средства измерения — изменение изме-
ряемой величины, вызывающее наименьшее изменение его пока-
заний, обнаруживаемое при нормальном способе отсчета. Эта харак-
теристика важна при оценке малых перемещений.

Вариация показаний — наибольшая экспериментально определя-
емая разность между повторными показаниями средства измерения,
соответствующими одному и тому же действительному значению из-
меряемой величины при неизменных внешних условиях. Обычно
вариация показаний у средств измерения составляет 10...50% отцены
деления, она определяется путем многократного арретирования
наконечника средства измерения.

Погрешность измерения — это отклонение А результата измере-
ния ХИЗМ от действительного значения ()а измеряемой величины (см.
формулу (1.3)). Тогда погрешность средства измерения Ап—это раз-
ность между показанием прибора ХП и действительным значением
измеряемой величины:

Ап =*п-Сд-

Нарялу с терминами «погрешность измерения», «погрешность сред-
ства измерения» используется понятие «точность измерения», кото-
рое отражает близость его результатов к истинному значению изме-
ряемой величины. Высокая точность измерения соответствует малым
погрешностям измерения. Погрешности измерения обычно класси-
фицируют по причине их возникновения и по виду погрешностей.

Инструментальные погрешности возникают вслед-
ствие недостаточно высокого качества элементов средств измере-
ния и контроля. К этим погрешностям можно отнести погрешнос-
ти изготовления и сборки СИ; погрешности из-за трения в меха-
низме СИ, недостаточной жесткости его деталей и т.п. Инстру-
ментальная погрешность индивидуальна для каждого СИ.

Причиной возникновения методических погрешнос-
тей служит несовершенство метода измерения, т.е. то, что мы
сознательно измеряем, преобразуем или используем на выходе
средств измерения не ту величину, которая нам нужна, а другую,
которая отражает нужную лишь приблизительно.

Основная и дополнительная погрешности. За ос-
новную погрешность принимают погрешность средства измерения,
используемого в нормальных условиях, оговоренных в норматив-
но-технических документах (НТД). Известно, что наряду с чув-
ствительностью к измеряемой величине средство измерения имеет
некоторую чувствительность и к неизмеряемым, но оказывающим
влияние величинам, например температуре, атмосферному давле-
нию, вибрации, ударам и т.д. Поэтому любое средство измерения
имеет основную погрешность, которая отражается в НТД.

При эксплуатации средств измерения и контроля в производ-
ственных условиях возникают значительные отклонения от нор-
мальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. Эти
погрешности нормируются соответствующими коэффициентами
влияния изменения отдельных влияющих величин на изменение

% %

показании в виде а; --; ——-----и т.д.

10°С 10%С/пит

Погрешности средств измерения нормируют установлением пре-
дела допускаемой погрешности. Предел допускаемой погрешности сред-
ства измерения — наибольшая (без учета знака) погрешность сред-
ства измерения, при которой оно может быть признано и допущено
к применению. Например, пределы допускаемой погрешности 100-мм
концевой меры длины класса 1 составляют ±50 мкм, а для ампер-
метра класса 1,0 составляют ± 1 % от верхнего предела измерений.

Погрешности средств измерения могут выражаться:

в виде абсолютной погрешности Д:

для меры

Д = А'н - Дц,

где Хн — номинальное значение; Ха— действительное значение
измеряемой величины;

для прибора

Д=хп-Л>

где ХП — показание прибора;

в виде относительной погрешности (100 %):

5 = (ДЛГд)ЮО,

в виде приведенной погрешности (100 %):

У=(Д/ХЛ)100,

где Хы—нормирующее значение измеряемой физической величины.

В качестве нормирующего значения может быть принят предел
измерения данным СИ. Например, для весов с пределом измерения
массы 10 кг Хя = 10 кг.
Если в качестве нормирующей величины принимается размах всей
шкалы, то именно к значению этого размаха в единицах измеряемой
физической величины и относят абсолютную погрешность. Напри-
мер, для амперметра с пределами -100...+100 мА = 200 мА.

Если в качестве нормирующей величины принимается длина
шкалы прибора, равная единице, то = 1.

На каждое СИ погрешность приводится только в какой-то од-
ной форме.

Если погрешность СИ при неизменных внешних условиях по-
стоянна во всем диапазоне измерений, то

Д = ±а.	(1.4)

Если она меняется в указанном диапазоне, то

Д = ±(а+6х).	(1.5)

При Д = + а погрешность называется аддитивной, а при
Д = ± (а+Ьх) — мультипликативной.

Для аддитивной погрешности

5 = ±р.	(1.6)

Для мультипликативной погрешности

(1.7)

Приведенная погрешность

Т = ±4-

Значения/?, с, д, д выбираются из ряда чисел: 1-10”; 1,5-10"; 1,6-10";
2-10"; 2,5-10"; 3-10"; 4-10”; 5-10"; 6-10”, где п— положительное или
отрицательное целое число, включая нуль.

Для обобщенной характеристики точности средств измерения, оп-
ределяемой пределами допускаемых погрешностей (основной и допол-
нительной), а также другими их свойствами, влияющими на погреш-
ность измерений, вводится понятие «класс точности средств измере-
ния». Единые правила установления пределов допускаемых погрешно-
стей показаний по классам точности средств измерения регламенти-
рует ГОСТ8.401—80. Классы точности удобны для сравнительной оцен-
ки качества средств измерения, их выбора, международной торговли.

Классы точности определяются стандартами и техническими ус-
ловиями, содержащими технические требования к средствам изме-
рения. Для каждого класса точности средства измерения конкретно-
го типа устанавливаются конкретные требования к метрологическим
характеристикам, в совокупности отражающие уровень точности.
Единые характеристики для средств измерения всех классов точно-
сти (например, входные и выходные сопротивления) нормируются
независимо от класса точности. Средства измерения нескольких
физических величин или с несколькими диапазонами измерений
могут иметь два и более классов точности. Например, электроизме-
рительному прибору, предназначенному для измерения электриче-
ского напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса
точности: один — как вольтметру, другой — как амперметру.

Классы точности присваивают средствам измерения при разработ-
ке. В процессе эксплуатации метрологические характеристики средств
измерения ухудшаются. Поэтому допускается понижение класса их
точности по результатам метрологической аттестации.

В связи с большим разнообразием средств измерения и их метро-
логических характеристик ГОСТ 8.401—80 определены способы обо-
значения, причем выбор того или иного способа зависит от того, в
каком виде нормирована погрешность. Для СИ, у которых погреш-
ность измерения определяется в соответствии с формулами (1.4) и
(1.5), класс точности присваивается порядковым номером, начиная
для самого точного с 1 и далее по мере возрастания погрешности.

Если погрешность определяется по формулам (1.6) или (1.7),
класс точности СИ соответствует значениям относительной или
приведенной погрешности, выраженной в %.

Например, если 5 = ± 1 %, то класс точности СИ — 0,1; если при-
веденная погрешность у = ± 1,5 %, то класс точности СИ — 1,5. Это
справедливо для приведенной погрешности, нормируемой значе-
н ием физической величины в принятых единицах. В тех случаях, когда
погрешность нормируется длиной шкалы прибора 1, класс точно-
сти также равен численному значению у, но обозначается по-друго-
му. Например, при у = 0,5 %	1) класс точности — 0,5.

Если погрешность СИ определяется формулой (1.7) (мульти-
пликативная погрешность), то она обозначается с/Д Если

5 = ±

0,02 + 0,01

то класс точности СИ обознается 0,02/0,01.

Примеры обозначения классов точности приборов см. в табл. 1.3.

В зависимости от точности все средства измерения делят на эта-
лоны, образцовые и рабочие. По эталонам и исходным образцовым
средствам измерения проводят поверку или калибровку метрологи-
ческих характеристик средств измерений более низших классов точ-
ности — подчиненных образцовых и рабочих средств измерения.

Схема передачи размеров (метрологическая цепь), от эталонов к
рабочим средствам измерений выглядит следующим образом: пер-
вичный эталон => рабочий эталон => образцовое средство измере-
ния высшего порядка => рабочие средства измерения.
Примеры обозначения класса точности приборов

Формула для определения пределов допускаемых погрешностей	Примеры пределов основной допускаемой погрешности, %	Обозначение класса точности		Примечание
		в докумен- тации	на средствах измерения	
△ = +а	—	Класс точности М	м	—
△ = ± (а + Ьх)	—	Класс точности С	с	—
Ч = Ь/Хц = +р	у = ±1,5 у = ± 0,5	Класс точности 1,5	1,5	Если Хн выражено в единицах величины
		Класс точности 0,5	0,5 V	Если определя- ется дли- ной шкалы (ее части)
8 = Д./Х = ±д	б = ±0,5	Класс точности 0,5	©	—
8 = ±[с + <ЩХ„/Х\-  -1)1	8 = ±[0,02+0,01х хфГпЛГ|-1)]	Класс точности 0,02/0,01	0,02/0,01	—

Примечания: А — пределы допускаемой абсолютной погрешности изме-
рения, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или
условно в делениях шкалы; X— значение измеряемой величины на входе (выхо-
де) средства измерения или число делений, отсчитываемых по шкале; а, Ь —
положительные числа, не зависящие от X; б — пределы допускаемой относи-
тельной основной погрешности, %; д, р— больший (по модулю) из пределов
измерений; с, <1— положительные числа, выбираемые из ряда; с = Ь + (1, с! = а|%4|;
у — пределы допускаемой приведенной основной погрешности, %; Хк — норми-
рующее значение измеряемой величины.

Контрольные вопросы

1.	Какие требования предъявляются к СИ?

2.	Какие основные метрологические характеристики (свойства) СИ
устанавливаются стандартом?

3.	Что такое цена деления шкалы?

4.	Как определяется погрешность СИ и от чего она зависит?

5.	Что такое предел допускаемой погрешности СИ?

6.	Что такое класс точности СИ и от чего зависит его условное обо-
значение?
Глава 2

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
И КОНТРОЛЯ

2.1.	Измерение и контроль весовых величин

Измерение и контроль весовых величин занимает существенное
место в общей структуре измерений. В настоящее время номенклатура
весоизмерительных устройств превышает тысячу наименований, ос-
новное число которых предназначено для механизации и автомати-
зации технологических процессов. Они представляют собой сложней-
шие механизмы, оснащенные автоматическими устройствами конт-
роля массы, регистрирующими, дозирующими и другими специфи-
ческими элементами. Широкое применение нашли весоизмеритель-
ные устройства, вычисляющие стоимость взвешиваемого продукта,
подсчитывающие число однородных деталей, осуществляющие груп-
пирование деталей по массе, взвешивающие объект без его останов-
ки, дозирующие различные вещества в заданных пропорциях и т. п.

По назначению весоизмерительные и весодозирующие устрой-
ства можно разделить на следующие шесть групп (рис. 2.1):

1)	весы дискретного действия;

2)	весы непрерывного действия;

3)	дозаторы дискретного действия;

4)	дозаторы непрерывного действия;

5)	образцовые весы, гири, передвижные средства поверки;

6)	устройства для специальных измерений.

К первой группе относятся:

лабораторные весы различных типов с особыми условиями и
методами взвешивания, требующие высокой точности показаний;

весы настольные с наибольшим пределом взвешивания (Стах) —
до 100 кг, используемые главным образом в торговле;

весы платформенные передвижные и врезные с (?тах до 15 т;

весы платформенные стационарные, автомобильные, вагонные
(в том числе и для взвешивания на ходу);

весы для металлургической промышленности (к ним относятся
системы шихтоподачи для доменных печей, электровагон-весы,
весы для жидкого металла, слитков, проката и т.п.).

Весы первой группы изготавливают с коромыслами шкального
типа, циферблатными квадрантными указателями, цифропоказы-
вающими и печатающими указательными приборами и пультами.
Рис. 2.1. Классификация весоизмерительных и весодозирующих устройств
Весы

Рис. 2.2. Классификация весов по принципу действия

В зависимости от принципа действия весы подразделяют на ме-
ханические, электромеханические, оптико-механические и радио-
изотопные (рис. 2.2).

Наиболее широко распространены весы рычажные. Они осно-
ваны на принципе сравнения масс, и их показания не зависят от
местного ускорения свободного падения. Сравнение масс произ-
водится при помощи рычагов (рычажной системы) и чашек весов.
Основные метрологические характеристики механических рычаж-
ных весов, их преимущества, недостатки и область применения
представлены в табл. 2.1.

Ко второй группе относятся:

конвейерные весы;

ленточные весы непрерывного действия, ведущие непрерыв-
ный учет массы транспортируемого материала.

К третьей группе относятся:

дозаторы для суммарного учета (порционные весы);

дозаторы для фасовки сыпучих материалов;

линии (автоматического весового дозирования для производ-
ства бетона, асфальтобетона, стекольной шихты и т.д.).

Современные дозирующие установки позволяют дозировать до
50...60 компонентов.

К четвертой группе относятся:

дозаторы с регулировкой подачи материала на транспортер;
дозаторы с регулировкой скорости ленты транспортера.

К пятой группе относятся различные метрологические
весы для проведения поверочных работ, а также гири и пере-
движные средства поверки. К конструкции весов этой группы
Основные метрологические, характеристики механических рычажных весов

Типы весов	Пределы измере- ния, кг	Погре- шность измере- ния, %	Время успокое- ния, с	Преимущества	Недостатки	Виды весов
Коромысловые равноплечие	ТО-8... 103	±0,1	5... 10	Очень точные, точ- ность показаний не зависит от места из- мерения	Много механически изнашивающихся дета- лей, ручное обслужи- вание, не возможна непосредственная дис- танционная передача результатов измерений	Аналитические, почтовые, микровесы, прецизионные быто- вые
Гирные	10-6... 103	±0,1	30...60			Платформенные, бункерные, автомо- бильные, вагонные, крановые
Коромысловые с передвижными гирями	ю-4... 106	±0,5	30...60	Меньшая точность, большее удобство об- служивания по срав- нению с коромыс- ловыми равноплечи- ми весами		
Квадрантные	ЮЛ.ЛО4	±0,5	2...5			Сортировочные, на- стольные, быстродей- ствующие, почтовые
Весовые дозаторы	10'...102	±0,5	0,1	Возможна автоматизация взвешивания	Не пригодны для дозирования малых масс	Фасовочные
предъявляют специфические требования, присущие выполне-
нию поверочных работ.

Кшестой группе относятся различные весоизмерительные
устройства, служащие для определения не массы, а других парамет-
ров (например, подсчета или группирования равновесных деталей
или изделий, определения крутящего момента двигателей, процент-
ного содержания крахмала в картофеле и т.д.).

Особое место занимают способы взвешивания с применением
в качестве силоизмерителя тензорезисторных и вибростержневых
преобразователей. Применение этих преобразователей во многих
случаях позволяет избавиться от недостатков рычажных систем и,
следовательно, повысить точность измерения, снизить металлоем-
кость весов, сократить время взвешивания. Получение выходных
электрических сигналов предопределяет автоматизацию процесса
взвешивания, позволяет ввести этот процесс в автоматизирован-
ную систему управления. Применение встроенных тензорезистор-
ных преобразователей в различные подъемные и транспортирую-
щие устройства позволяет сократить производственный цикл путем
совмещения операций подъема (перемещения) и взвешивания.

Однозначной мерой, воспроизводящей единицу массы, крат-
ное или дольное ее значение, является гиря. Государственным пер-
вичным эталоном единицы массы в России является копия № 12
Международного прототипа килограмма, хранимого в Междуна-
родном бюро мер и весов в Париже.

Государственный первичный эталон единицы массы предназ-
начен для воспроизведения, хранения и передачи размера едини-
цы массы вторичным эталонам.

Рабочие эталоны массы изготавливают в виде отдельных гирь и
в виде гирь от 1 мг до 10 кг. В качестве материала для гирь служат
платина, золото, никель, бронза или кварц.

В зависимости от назначения гири подразделяют на гири обще-
го назначения, образцовые, условные, каратные, а также встраи-
ваемые в рычажные механизмы различных типов весов.

Гири общего назначения массой от 1 мг до 20 кг изготавливают в
соответствии с ГОСТ 7328—73. Гири выпускают пяти классов, отли-
чающихся точностью воспроизведения значения массы.

Гири 1-го класса точности применяются для взвеши-
ваний высшей точности при микрохимических, химических и дру-
гих анализах. Предельные значения массы гирь этого класса от 1 мг
до 1 кг, а допускаемые отклонения от номинального значения мас-
сы [А] = ± (0,002... 0,64) мг в зависимости от массы гири. Формы гирь
представлены на рис. 2.3, а, б, в, г.

Гири 2-го класса точности применяются для взвеши-
вания высокой точности при химических и других анализах. Изго-
тавливают в пределах от 1 мг до 20 кг, [А] = ± (0,01...50,0) мг.
Формы гирь показаны на рис. 2.3, д, е.
Рис. 2.3. Формы гирь общего назначения

Область применения г и р ь 3-го класса точности —тех-
нические анализы повышенной точности и взвешивание драго-
ценных металлов. Номинальная масса набора гирь — от 1 мг до
20 кг, [А] = 0,05...250,0 мг. Формы гирь показаны на рис. 2.3, ж, з.

Область применения гирь 4-го класса точности —тех-
нические анализы и взвешивание медикаментов. Номинальная масса
гирь предусматривается в пределах от 5 мгдо 20 кг, [А] = 0,5... 1250 мг
в зависимости от массы отдельно взятой гири. Формы гирь пред-
ставлены на рис. 2.3, д, е, ж, з, и, к, л, м.

Гири 5-го класса точности применяются для взвеши-
вания в торговле и в хозяйстве. Набор номинальных масс предус-
матривает изменение гирь от 10 г до 10 кг, [А] = 40... 3250 мг. Фор-
мы гирь показаны на рис. 2.3, н, о.

Материал гирь общего назначения выбирается в зависимости
от номинальной массы и класса гирь (титан и его сплавы, корро-
зионно-стойкая сталь аустенитного класса (немагнитная), алю-
миний, углеродистая сталь, чугун). Так, гири 1-го класса точнос-
ти, изображенные на рис. 2.3, а, б, в, г, изготавливают из титана
и его сплавов. Гири 4-го класса точности для форм, представлен-
ных на рис. 2.3, д, е, ж, з, изготавливают из алюминия, для форм,
представленных на рис. 2.3, и, к, л, м, — из углеродистой стали, а
для форм, представленных на рис. 2.3, н, о, — из чугуна.

Допускаемые отклонения массы гирь, находящихся в приме-
нении и погрешности определения массы гирь всех классов пре-
дусмотрены ГОСТ 7328—73. Граммовые и килограммовые гири,
кроме форм, изображенных на рис. 2.3, а и е, изготавливают с
подгоночной полостью.
Подгонка гирь по массе выполняется либо по подгоночной по-
лости, либо за счет хромового или никелевого покрытия по всей
поверхности гири.

Согласно ГОСТ 7328—73 гири могут выпускаться поштучно, от-
дельными наборами или комплектами, составленными из наборов.

Условное обозначение гирь и наборов состоит из букв, обозначаю-
щих единицу измерений (кг — килограмм, г — грамм, мг — милли-
грамм), и чисел. Первое число после букв обозначает класс гири (набо-
ра), второе — массу гири или суммарную массу гирь в наборе, третье (в
наборах миллиграммовых гирь) — массу наименьшей гири. Например:

«Гиря КГ—4—5 ГОСТ7328—73» —килограммовая гиря 4-го класса
точности массой 5 кг;

«Набор КГ—3—20 ГОСТ 7328—73» — набор килограммовых гирь
3-го класса точности массой 20 кг;

«НаборМГ—2—1100—1 ГОСТ7328—73» — набор миллиграммо-
вых гирь 2-го класса точности массой 1100 мг с наименьшей гирей
массой 1 мг.

К гирям специального назначения относятся образцовые гири
(ГОСТ 12656—67), условные гири, гири, встроенные в весы, и т. п.

Образцовые гири служат для поверки гирь и весов.
ГОСТ 12656—67 устанавливает четыре разряда образцовых гирь (1, 2,
3, 4) и область их применения. Так, гири 3-го разряда применяют
при поверке образцовых гирь 4-го разряда массой от 10 мг до 2000 кг,
поверке гирь 4-го класса точности и поверке образцовых грузопорш-
невых и квадрантных весов. Гири 4-го разряда используют при повер-
ке гирь 5-го класса точности, поверке условных гирь, безменов, ве-
сов настольных и конвейерных, циферблатных равноплечих и нерав-
ноплечих автомобильных, пружинных динамометров и др.

Форма, основные размеры и материал образцовых гирь опреде-
ляются ГОСТ 7328—73. Некоторые формы образцовых гирь пред-
ставлены на рис. 2.4. ГОСТ 12565—67 предусматривает поставку от-
дельных образцовых гирь, наборов миллиграммовых, граммовых и
килограммовых гирь.

Условные гири предназначены для комплектации плат-
форменных рычажных гирных весов общего назначения с отноше-
нием плеч рычажной системы 1:100.

Рис. 2.4. Формы образцовых гирь
Рис. 2.5. Форма условных гирь

Условные гири (рис. 2.5) выпускаются с массой от 1 до 500 кг в
соответствии с ТУ 25.06.1400—79. Гири изготавливают из серого
чугуна. Внутри гирь предусматриваются подгоночные полости та-
ких размеров, чтобы при ремонте гирь можно было досыпать тари-
ровочный материал в количестве не менее 0,8% от номинальной
массы гири. Тарировочным материалом служит чугунная дробь или
стружка черных металлов. На верхней поверхности гирь указыва-
ются условная масса гири в килограммах и отношение номиналь-
ной массы к условной в цифровом выражении. Например: услов-
ная масса гири 500 кг, номинальная масса — 5 кг, отношение 1:100.
Гири поставляются в комплектах.

Условное обозначение комплекта гирь содержит: слово «гири»,
буквы «ГУ», обозначающие, что гири имеют условную массу, но-
мер комплекта и обозначение технических условий, по которым
изготавливается и поставляется набор.

Например: «Гири ГУ—3 ТУ25.06.1400—78».

Контрольные вопросы

1.	Что такое весы?

2.	Как подразделяются весы в зависимости от принципа действия?

3.	Что такое гиря?

4.	Как подразделяются гири в зависимости от назначения?

5.	Что включает в себя условное обозначение гири?

Лабораторная работа:. «Определение массы тела с помощью весов
и гирь».

2.2.	Измерение и контроль геометрических величин

2.2.1.	Плоскопараллельные концевые меры длины

Меры длины концевые плоскопараллельные (ГОСТ 9038—83)
предназначены для передачи размеров от эталона до изделия. Это
основное назначение концевых мер длины осуществляется путем
применения их для хранения и передачи единицы длины, поверки
и градуировки различных мер и средств измерений, поверки ка-
концевых мер

в

Рис. 2.6. Плоскопараллельные концевые меры длины

либров, а также для определения размеров изделий и приспособ-
лений, точных разметочных и координатно-расточных работ, на-
ладки станков и инструментов и т.д.

В соответствии с ГОСТ 9038—83 концевые меры длины имеют
форму прямоугольного параллелепипеда с двумя плоскими взаим-
но параллельными измерительными поверхностями (рис. 2.6, а).

За размер плоскопараллельной концевой меры длины прини-
мается ее срединная длина I (рис. 2.6, б), которая определяется дли-
ной перпендикуляра, проведенного из середины одной из изме-
рительных поверхностей меры на противоположную измеритель-
ную поверхность. Значения сторон а и Ь в сечении мер определяют-
ся в зависимости от номинального размера срединной длины /.

Так, при 10 мм < I < 0,29 мм а = ЗО_о Ь = 91®;зо;

при 10 мм < / < 250 мм а = 35_0 34; Ъ = 9:°;з°.

Номинальный размер срединной длины наносится на каждой
мере.

Концевые меры изготавливаются следующих классов точности:
00; 01; 0; 1; 2; 3 — из стали; 00; 0; 1; 2 и 3 — из твердого сплава.
(Класс 00 — самый точный.)

Концевые меры комплектуют в различные наборы по их числу
и размерам номинальной длины. В наборах от № 1 до № 19 число
мер составляет от 2 до 112. В специальных наборах: № 20— 23
меры, № 21 — 20 мер, № 22 — 7 мер.

Номинальные размеры и градация размеров мер длины, а так-
же комплектация их в наборы осуществляются таким образом,
чтобы можно было из минимального числа мер составить блок
любого размера до третьего десятичного знака. В соответствии с
этим в наборах концевых мер принята следующая градация: 0,001;
0,01; 0,1; 0,5; 1; 10; 25; 50 и 100 мм. Номинальные значения дли-
ны мер колеблются от 1,005 до 100 мм. Так, набор из 112 конце-
вых мер содержит: одну меру размером 1,005 мм; 51 меру от 1 до
1,5 мм через 0,01 мм; 5 мер от 1,6 до 2 мм через 0,1 мм; одну меру
0,5 мм; 46 мер от 2,5 до 25 мм через 0,5 мм и 8 мер от 30 до 100 мм
через 10 мм.
Класс точности набора определяется низшим классом отдельной
меры, входящей в набор. К каждому набору прилагается паспорт, к
котором указываются номинальная, длина каждой меры и откло-
нение.

В зависимости от погрешности измерения длины мер (от погреш-
ности аттестации) и отклонения их от плоскостности и параллель-
ности концевые меры разделяют на пять разрядов: 1, 2, 3,4, 5 (для
1-го разряда определена наименьшая погрешность аттестации). Ве-
личины погрешностей приводятся в аттестате меры.

При использовании концевых мер, для которых установлен раз-
ряд, размер блока плиток определяют не только по номинальным
значениям мер, но и учитывают действительные отклонения, при-
веденные в аттестате.

Одно из основных свойств концевых мер длины, обеспечива-
ющее их широкое применение, — это притираемость, т. е. способ-
ность прочно сцепляться между собой при прикладывании или
надвигании одной меры на другую (рис. 2.6, в). Сцепление (адге-
зия) мер вызывается молекулярными силами сцепления при на-
личии тончайшей пленки смазки между ними (0,05... 0,1 мкм). Уси-
лие сдвига одной меры относительно другой в этом случае состав-
ляет не менее 30 ...40 Н, а для новых концевых мер эта величина
возрастает в 10... 20 раз. Концевые меры из стали должны выдер-
живать 500 притираний при вероятности безотказной работы 0,8,
а концевые меры из твердого сплава — 30 000 притираний при
вероятности 0,9.

При составлении блока требуемого размера из концевых мер ру-
ководствуются следующим правилом. Блок заданного размера необ-
ходимо составлять из возможно меньшего числа мер. Вначале следу-
ет выбирать концевые меры, позволяющие получить тысячные доли
миллиметра, затем сотые, десятые и, наконец, целые миллиметры.
Например, для получения блока размером 28,495 мм необходимо из
набора № 1 взять концевые меры в следующей последовательности:
1,005 +1,49 + 6 + 20 = 28,495 мм. Минимальное число концевых мер в
блоке, с одной стороны, повысит точность блока (уменьшается сум-
марная погрешность размера блока), а с другой — повысит надеж-
ность блока от разрушения. Число концевых мер в блоке не должно
превышать пяти штук.

Материалом, из которого изготавливают концевые меры длины,
чаще всего бывает сталь с температурным коэффициентом расши-
рения (11,5±0,1)10-6 мм на 1 °С при изменениях температуры от 10
до 30 °С. Это хромистые стали 20ХГ, ХГ, ШХ15, X. Твердость изме-
рительных поверхностей — не менее НВ.С 62. Иногда концевые меры
изготавливают из твердого сплава ВК6М с температурным коэффи-
циентом расширения 3,6-Ю-6 мм на 1 °С. Это позволяет повысить из-
носостойкость концевых мер в 10... 40 раз по сравнению со стальны-
ми, однако из-за разности температурных коэффициентов твердого
сплава и стали могут возникнуть значительные погрешности изме-
рения.

Шероховатость измерительных поверхностей концевых мер дли-
ны для обеспечения хорошей притираемости и высокой износо-
стойкости установлена в пределах не более 0,063 мкм по критерию
/&. Шероховатость нерабочих поверхностей — Ка 0,63 мкм.

Средний срок сохраняемости концевых мер из стали — не менее
одного года, а из твердого сплава — не менее двух лет.

Приведем примеры условных обозначений.

Набор № 2 концевых мер из стали класса точности 1: Концевые
меры 1-Н2 ГОСТ 9038-83.

Набор № 3 концевых мер из твердого сплава класса точности 2:
Концевые меры 2-НЗ-Т ГОСТ 9038—83.

Концевая мера с номинальной длиной 1,49 мм из стали класса
точности 3: Концевая мера 3-1,49 ГОСТ 9038—83.

Благодаря свойству концевых мер притираться они являются уни-
версальными и широко применяемыми средствами измерения и кон-
троля. Область применения концевыхмер еще более расширяется при
использовании их совместно с принадлежностями.

В набор принадлежностей к концевым мерам длины входят сле-
дующие:

державка (струбцина);

основание;

стяжки, предназначенные для скрепления блоков, размером более
100 мм;

зажимной сухарь, служащий для крепления стяжками блоков
концевых мер с боковиками;

плоскопараллельные боковики;

радиусные боковики, И = К = 2 мм (5; 15; 20 мм);

центровой боковик, вершина центра которого лежит на продол-
жении нижней доведенной плоскости;

чертильный боковик.

Кроме перечисленных выше деталей в набор принадлежностей
могут быть включены трехгранная линейка и плитки с рисками.

Контрольные вопросы

1.	В чем состоит основное назначение концевых мер длины?

2.	Как определяется размер плоскопараллельной концевой меры
длины?

3.	Чем определяются класс и разряд концевой меры длины?

4.	Что такое притираемость концевых мер длины?

5.	В чем заключается правило составления блока концевых мер
длины?

Лабораторная работа-. «Измерение и контроль с помощью концевых
мер длины».
2.2.2.	Измерительные линейки, штангенинструмент
и микрометрические инструменты

Измерительные линейки относятся к штриховым мерам и пред-
назначены для измерения размеров изделий 14... 17 квалитетов точ-
ности прямым методом. Конструкции линеек однотипны. Они пред-
ставляют собой металлическую полосу шириной 20...40 мм и тол-
щиной 0,5 ... 1,0 мм, на широкой поверхности которой нанесены де-
ления. Линейки изготавливаются с одной или двумя шкалами с верх-
ними пределами измерений 150, 300, 500 и 1000 мм и ценой деле-
ния 0,5 или 1 мм. Линейки с ценой деления 1 мм могут иметь на дли-
не 50 мм от начала шкалы полумиллиметровые деления.

Допускаемые отклонения действительной общей длины шкалы ли-
неек от номинального значения находятся в пределах ±(0,10... 0,20) мм
в зависимости от общей длины шкалы, а отдельных подразделений —
не более ±(0,05...0,10) мм.

Поверку линеек, т. е. определение погрешности нанесения штри-
хов, производят по образцовым измерительным линейкам, которые
называют штриховыми мерами. Погрешность такого сравнения не
превышает 0,01 мм.

Штангенинструмент предназначен для абсолютных измерений
линейных размеров наружных и внутренних поверхностей, а так-
же для воспроизведения размеров при разметке деталей.

К нему относятся штангенциркули (рис. 2.7), штангенглубино-
меры и штангенрейсмасы. Основными частями штангенинстру-
ментов являются штанга-линейка с делениями шкалы 1 мм и пе-

Рис. 2.7. Конструкция штангенцир-
кулей:

а — типа ШЦ-1 ; б — типа ШЦ-П; в-
типа ШЦ-П1; 1 — штанга-линейка; 2—
измерительные губки; 3— рамка; 4 —
винт зажима рамки; 5 — нониус; 6 —
линейка глубиномера; 7 — рамка
микрометрической подачи
<11 Тип 1
Шкала Г| Г.
Нониус|' ,||,
О 0,9

10

0 = 0,1
У=1

Тип III

а = 0,05
у=2

Тип IV
2

Тип II
I	1 '

Шкала! 11111М11,
Нониус|	.

0

Тт= 1 Нониус1
ю 7)

2 „	'

Да = ОДШкала

10 20

3	4

30 40 50 60 70 80 90 1

Ьа = 0,02

7=1

0,98

2



Рис. 2.8. Типы нониусов

ремещающаяся по линейке шкала-нониус. По шкале-линейке от-
считывают целое число миллиметров, а по нониусу — десятые и
сотые доли миллиметра.

Для отсчета с помощью нониуса сначала определяют по ос-
новной шкале целое число миллиметров перед нулевым делением
нониуса. Затем добавляют к нему число долей по нониусу в соот-
ветствий с тем, какой штрих шкалы нониуса ближе к штриху ос-
новной шкалы.

Основные типы нониусов (1—1У) представлены на рис. 2.8.

Основными характеристиками нониуса являются величина от-
счета по нониусу (цена деления нониуса) а и модуль нониуса у, ко-
торые определяются по следующим формулам:

а = 1/п\

у =(/+ /)/(«/),
где / — цена деления основной шкалы, мм; п — число делений
нониуса; I — длина шкалы нониуса мм.

Наибольшее распространение получили нониусы с точностью
отсчета 0,1; 0,05; 0,02 мм. Основные метрологические характеристи-
ки штангенинструментов, применяемых в машиностроении, пред-
ставлены в табл. 2.2.

ГОСТ 166—80 предусматривает изготовление и использование трех
типов штангенциркулей:ШЦ-1 сценойделения0,1 мм,ШЦ-П
с ценой деления 0,05 мм и ШЦ-Ш с ценой деления 0,05 и 0,1 мм.
Кроме того, на заводах применяют ранее изготовленные штанген-
циркули с ценой деления нониуса 0,02 мм, а также индикаторные
штангенциркули с ценойделения индикатора 0,1; 0,05; 0,02 мм. По
основной линейке с неподвижными губками перемещается рамка с
подвижными измерительными губками. Для плавного перемещения
рамки по штанге-линейке предусмотрено микрометрическое устрой-
ство, состоящее из хомутика, зажима и гайки микрометрической
подачи. На подвижной рамке установлен стопорный винт.
Основные метрологические характеристики штангенинструментов

Измерительное средство	Цена деления шкалы, мм	Диапазон показаний шкалы, мм	Пределы измерения инструмента, мм	Предельные погрешности инструмента, мкм	Условное обозначение инструмента
Штанген- циркули (ГОСТ 166-80) типов:  ШЦ-1,					ШЦ-1- 125-0,1 ГОСТ 166-80
ШЦТ-1	0,1	125	0...125	±(150... 170)	
ШЦ-П, ШЦ-Ш	0,05	160  200  250	0...160  0...200  0...250	±50	шц-п- 250-0,05 ГОСТ
	0,1	160  200  250	0...160  0...200  0...250	±70  ±70  ±80	166-80
Штанген- глубомер (ГОСТ162- 80) типа ШГ	0,05	160  200  250  315  400	0...160  0...200  0...250  0...315  0...400	±50	ШГ-160 гост 162-80

В штангу индикаторного штангенциркуля (рис. 2.9) вмонтиро-
вана зубчатая рейка 2, по которой перемещается зубчатое колесо 3
индикатора, закрепленного на рамке 1. Перемещение зубчатого
колеса передается на стрелку индикатора, показывающую едини-
цы, десятые и сотые доли миллиметра.

Рис. 2.9. Конструкция индикаторного штангенциркуля:

1 — рамка; 2 — зубчатая рейка; 3 — зубчатое колесо
Штангенглубиномеры (ГОСТ 162—80) (рис. 2.10) прин-
ципиально не отличаются от штангенциркулей и применяются для
измерения глубины отверстий и пазов. Рабочими поверхностями
штангенглубиномеров являются торцовая поверхность штанги-ли-
нейки и база для измерений — нижняя поверхность основания. Для
удобства отсчета результатов измерений, повышения точности и
производительности контрольных операций в некоторых типах штан-
генглубиномеров вместо нониусной шкалы предусматривается ус-
тановка индикатора часового типа с ценой деления 0,05 и 0,01 мм.

Штангенрейсмасы (ГОСТ 164—80) (рис. 2.11) являются основ-
ными измерительными инструментами для разметки деталей и оп-
ределения их высоты. Они могут иметь дополнительный присоеди-
нительный узел для установки измерительных головок параллель-
но или перпендикулярно плоскости основания. Конструкция и
принцип действия штангенрейсмаса принципиально не отлича-
ются от конструкции и принципа действия штангенциркуля. На
заводах применяются штангенрейсмасы с индикаторным и циф-
ровым отсчетом показаний. В первом случае вместо нониусной шка-
лы на подвижной рамке устанавливается индикатор часового типа

Рис. 2.10. Штангенглубиномер:

1 — штанга-линейка; 2 — рамка мик-
рометрической подачи; 3 — нониус;

4 — основание

Рис. 2.11. Штангенрейсмас:

1 — штанга-линейка; 2 — рамка; 3 — осно-
вание; 4 — державка;

5 — нониус
Рис. 2.12. Конструкция угломера с нониусом:

1 — полудиск; 2 — зажимной винт; 3 — винт зажима угольника; 4 — добавочный
угольник; 5 — подвижная линейка; 6 — неподвижная линейка; 7 и 8 — устройство
для микрометрической подачи; 9 — стопорный винт; 10 — нониус

с ценой деления 0,05 или 0,01 мм, а во втором — зубчатое колесо
ротационного фотоэлектрического счетчика импульсов, которое
находится в зацеплении с зубчатой рейкой, нарезанной на штанге
прибора. За один оборот зубчатого колеса счетчик дает 1000 им-
пульсов, которые передаются цифровому показывающему или за-
писывающему устройству. Погрешность измерения в этом случае
может не превышать 10... 15 мкм.

Угломеры с нониусом (ГОСТ 5378—66) предназначены для из-
мерения угловых размеров и разметки деталей с точностью до 2'.
Для измерения углов от 0 до 90° (рис. 2.12, а) на подвижную линей-
ку 5устанавливается добавочный угольник 4. Измерение углов от 90
до 180° производится без добавочного угольника 4 (рис. 2.12, б). Поря-
док отсчета на угловом нониусе угломера аналогичен отсчету на
линейном нониусе штангенциркуля.

Микрометрические инструменты предназначены для абсолютных
измерений наружных и внутренних размеров, высот уступов, глу-
бин отверстий и пазов и т.д. К ним относятся гладкие микрометры
(рис. 2. 13); микрометры со вставками, микрометрические глуби-
номеры; микрометрические нутромеры.

Принцип действия этих инструментов основан на использова-
нии винтовой пары (винт—гайка) для преобразования вращатель-
ного движения микрометрического, винта в поступательное. Ос-
новными частями микрометрических инструментов являются: кор-
пус, стебель, внутри которого с одной стороны имеется микро-
метрическая резьба с шагом 0,5 мм, а с другой — гладкое цилин-
дрическое отверстие, обеспечивающее точное направление пере-
мещения винта. На винт установлен барабан, соединенный с тре-
щоткой, обеспечивающей постоянное усилие измерения (для мик-
Рис. 2.13. Гладкий микрометр:

а — кинематическая схема; б — принципиальная схема; 1 — корпус; 2 — неподвижная
пятка; 3 — стебель; 4 — микрометрический винт; 5 — барабан; 6 — гайка микрометриче-
ской пары; 7— устройство стабилизации усилия измерений (трешотка); 8— контргайка

рометрических нутромеров трещотка не устанавливается). Стопор
служит для закрепления винта в нужном положении.

Отсчетное устройство микрометрических инструментов состоит
Из двух шкал: продольной и круговой. По продольной шкале отсчи-
тывают целые миллиметры и 0,5 мм, по круговой шкале — десятые
и сотые миллиметра.

Основные метрологические характеристики микрометрических
инструментов представлены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Основные метрологические характеристики микрометрических
инструментов

	Измерительное средство	Цена деления шкалы, мм	Диапазон показаний шкалы, мм	Пределы измерения инструмента, мм	Предельная погрешность инструмента, мкм	Измери- тельное усилие,  Н
	Микрометры гладкие типа МК |ля измерения на- ружных размеров ГОСТ 6507-78)	0,01	25	0...25  25 ...50  50... 75  75... 100 и т.д.	±2,0 ±2,5 ±2,5 ±2,5	5... 9
	Нутромер аякрометрический 'тип НМ) ТОСТ 10-75)	0,01	25 100 525 1100	50...75  75... 175  75 ...600  150... 1250 и т.д.	±4,0 ±6,0 ±15,0 ±20,0	
	Глубиномер Микрометрический ТОСТ 7470-78)	0,01	25	0...25  25...50  50 ...75  75 ...100  100... 125 125 ...150	±2,0 .  ±3,0  ±3,0  ±3,0  ±4,0  ±4,0	3...7
						
Рис. 2.14. Микрометрический глу-
биномер:

1 — трещотка; 2 — барабан; 3 — сте-
бель; 4 — траверса; 5 — подвижная
пятка; 6 — гайка фиксации

Гладкие микрометры
типа МК (ГОСТ 6507-78) (см.
рис. 2.13) выпускаются с различ-
ными пределами измерения: от 0
до 300 мм с диапазоном показаний
шкалы 25 мм, а также 300...400,
400... 500 и 500... 600 мм. Предельная
погрешность микрометров зависит
от верхних пределов измерения и
может составлять от ±3 мкм для
микрометров МК-25 до ± 50 мкм —
для микрометров МК-500. Выпус-
каются микрометры с цифровым

отсчетом всего результата измере-
ния. Отсчетное устройство в таких
микрометрах действует по механи-
ческому принципу.

Микрометрический глу-
биномер (ГОСТ 7470—78) (рис.

2.14)	предназначен для абсолютных измерений глубин отверстий,
высот выступов и т. д. Он имеет стебель 3, закрепленный на траверсе
4, с помощью гайки фиксации 6. Одной измерительной поверхнос-

тью является нижняя плоскость траверсы 4, другой — плоскость мик-
рометрического винта, соединенного с подвижной пяткой 5. Мик-
ровинт вращается трещоткой 1, соединенной с барабаном 2. В ком-
плект микрометрического глубиномера входят установочные меры

с плоскими измерительными торцами.

Микрометрический нутромер (ГОСТ 10—75)
(рис. 2.15) предназначен для абсолютных измерений внутренних раз-
меров. При измерении измерительные наконечники приводят в со-
прикосновение со стенками проверяемого отверстия. Микрометри-
ческие нутромеры не имеют трещоток, поэтому плотность сопри-
косновения определяется на ощупь. Установка нутромера на нул ь вы-
полняется либо по установочному кольцу, либо по блоку концевых
мер с боковиками, устанавливаемых в струбцину.

Микрометрические нутромеры типа НМ выпускают с предела-
ми измерений 50...75, 75... 175, 75...600, 150... 1250, 800...2500,
1250...4000,2500... 6000 и 4000... 10000 мм. При необходимости уве-
личения пределов измерений используются удлинители.

Рис. 2.15. Микрометрический нутромер:

1 — неподвижный наконечник; 2 — удлинитель; 3 — микрометрическая головка
Контрольные вопросы

1.	Какова область применения измерительных линеек и штангенинст-
румента?

2.	Что такое шкала нониуса и каков принцип ее действия?

3.	Каковы основные части штангенинструмента?

4.	Из чего состоит и как работает гладкий микрометр?

Лабораторная работа: «Измерение наружных поверхностей штанге-
нинструментом и микрометром».

2.2.3.	Средства измерения и контроля с механическим
преобразованием

Средства измерения и контроля с механическим преобразовани-
ем основаны на преобразовании малых перемещений измерительно-
го стержня в большие перемещения указателя (стрелки, шкалы, све-

товые лучи и т. д.). В зави-
симости от типа механиз-
ма они делятся на рычаж-
но-механические (рычаж-
ные), зубчатые, рычажно-
зубчатые, пружинные и
пружинно-оптические.

Рычажно-механичес-
кие приборы применяют
главным образом для от-
носительных измерений,
проверки радиального и
торцового биения, а так-
же для контроля отклоне-
ний формы деталей (от-
клонение от круглости —
овальность, огранка; от-
клонение от цилиндрич-
ности — конусность, боч-
кообразность, седлооб-
разность; отклонение от
плоскостности — вогну-
тость, выпуклость и др.).

К приборам с рычаж-
ной передачей относятся
миниметры, конст-
рукция которых основана
на применении неравноп-
лечего рычага (рис. 2.16, а).
Конструктивное оформ-
ление миниметров весьма

Рис. 2.16. Схема рычага
(а) и конструкция (6)
миниметра:

1 — указательная стрел-
ка; 2 — регулировочный
винт; 3 — пружина; 4 —
измерительный стер-
жень; 5 — опорный нож
разнообразно. Наиболее широко применяются миниметры с ноже-
выми опорами, одна из конструкций которого показана на рис. 2.16, б.

Измерительный стержень 4 перемещается по шариковым направ-
ляющим. Опорный конец указательной стрелки 1 имеет вид вилки,
опирающейся своими концами — ножами на призматические по-
душки, закрепленные на корпусе миниметра. Опорный нож 5 кон-
тактирует с плоской подушкой, закрепленной на торце стержня.

Регулировочный винт 2 служит для регулировки передаточного
отношения, т. е. установки малого плеча а (см. рис. 2.16, а) — рассто-
яния между опорными ножами. Измерительное усилие в миниметре
создается пружиной 3.

Недостатки конструкции миниметров (быстрый износ ножей и
призм, малые пределы измерения по шкале, значительная измери-
тельная сила, инерционность) ограничивают их применение в ма-
шиностроении. Основные метрологические характеристики мини-
метров представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Основные метрологические характеристики миниметров

Цена деления шкалы, мкм	Диапазон показаний шкалы, мм	Пределы измерения прибором, мм	Предельные погрешности прибора ±ДМ, мкм	Измери- тельное усилие, Н
1,0	±0,03	В зависимости от применяв-	±(0,5... 1)	40
2,0	±0,03	мой стойки, в которой закре-	±(0,5 ...1)	40
5,0	±0,05	пляется прибор	±(0,5... 1)	40
10,0	±0,05		±(0,5 ...1)	40

К рычажно-механическим приборам относятся индикаторные
нутромеры (рис. 2.17). Они предназначены для относительных из-
мерений отверстий от 3 до 1000 мм. Они состоят из корпуса 11, от-
счетного устройства 5(индикатор), подвижного (измерительного) 13
и неподвижного (регулируемого) 9 стержней, равноплечего (Г-об-
разного) рычага 8, центрирующего мостика 75 и подвижного штока
2. При измерении отверстия стержень 13, перемещаясь в направле-
нии, перпендикулярном оси отверстия, поворачивает Г-образный ры-
чаг 8 вокруг оси и перемещает на ту же величину шток 2 и измеритель-
ный наконечник индикатора 5. Перемещение стрелки индикатора ука-
зывает на отклонение действительного размера проверяемого отвер-
стия от размера настройки нутромера. Установка индикатора на нуль
осуществляется либо по установочному кольцу, либо по блоку конце-
вых мер с боковиками, которые зажимаются в державке.

Промышленность выпускает индикаторные нутромеры с ценой
деления 0,01 (ГОСТ 868—82) и нутромеры с ценой деления 0,001 и
0,002 мм (ГОСТ 9244—75). Основные метрологические характерис-
тики индикаторных нутромеров представлены в табл. 2.5.
Рис. 2.17. Конструкция индикаторного нутромера:
1 — ось вращения рычага; 2 — шток; 3 — трубка; 4 и
14 — пружина; 5 — отсчетное устройство (индика-
тор); 6 — предохранительный кожух; 7 — теплоизоля-
ционная рукоятка; 8 — Г-образный рычаг; 9 — непод-
вижный (регулируемый) стержень; 10 — контргайка;
11 — корпус; 12 — шарик; 13— подвижный (измеритель-
ный) стержень; 14 — риска; 15 — центрирующий мостик

В производственных условиях и измерительных лабораториях для
абсолютных измерений нашли широкое применение индикаторы или
индикаторные измерительные головки с зубчатой передачей.

Таблица 2.5

Основные метрологические характеристики индикаторных нутромеров

Наименование и тип прибора	Цена деле- ния шка- лы, мм	Наи- большая глубина измере- ния, мм	Пределы измере- ния при- бором, мм	Предел основной допускаемой погре- шности в пределах всего перемещения измерительного стержня, мкм	Измери- тельное усилие, Н
Нутромеры по ГОСТ 868-82:					
НИ 10	0,01	60...100	6...10	8,0	2,5...4,5
НИ 18	0,01	130	10...18	12,0	4,0... 7,0
НИ 50А	0,01	150	18...50	12,0	4,0... 7,0
НИ 100-1	0,01	200	50... 100	15,0	4,0... 7,0
НИ 450В	0,01	500	250 "'.450	15,0	5... 9
Нутромеры по	0,001	12	2...3	±1,8	3,0
ГОСТ 9244-75		20	3...6	+1,8	з,о
		30	6...10	±1,8	3,5
	0,002	100	10... 18	+3,5	4,0
		150	18...50	+3,5	4,5
		200	50... 100	+3,5	7,0
		300	100... 160	+4,0	7,0
		300	160... 250	+4,0	9,0
Рис. 2.18. Индикатор часового типа (а) и его схема (б):
1 — спиральная пружина; 2, 3, 5 и 7 — зубчатое колесо; 4 — стержень; 6 —
зубчатая рейка; 8 и 9 — стрелка

Индикаторы часового типа (ГОСТ577—68) (рис. 2.18),
являющиеся типовыми представителями приборов с зубчатой пе-
редачей, содержат стержень 4 с нарезанной зубчатой рейкой 6,
зубчатые колеса 2, 3, 5 и 7, спиральную пружину 1, стрелку 8.
Возвратно-поступательное перемещение измерительного стержня
4 преобразуется в круговое движение стрелки 8.

Один оборот стрелки соответствует перемещению измеритель-
ного стержня на 1 мм. Целые миллиметры отсчитываются по шка-
ле при помощи стрелки 9. Шкала прибора имеет 100 делений, цена
деления индикатора равна 0,01 мм.

Индикаторы часового типа выпускают двух классов точности
(0 и 1) в двух модификациях: индикаторы типа ИЧ с перемеще-
нием измерительного стержня параллельно шкале и индикаторы
типа ИТ с перемещением измерительного стержня перпендику-
лярно шкале. Выпускаются также индикаторы часового типа с циф-
ровым (электронным) отсчетом.

Основные метрологические характеристики индикаторов часо-
вого типа представлены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Основные метрологические характеристики индикаторов
часового типа

Тип прибора (ГОСТ 577-68)	Цена деления шкалы, мм	Пределы измерения прибором, мм	Предельные погрешности прибора во всем диапазоне, мкм	Измери- тельное усилие, Н
ИЧ, ИТ	0,01	0...2	10	1,5 (0,4)
ИЧ	0,01	0...5	12	1,5 (0,6)
	0,01	0...10	15	1,5 (0,6)
	0,01	0...25	22	3,0 (1,8)
ГОСТ 16497—80 предусматривает изготовление индикато-
ров линейных размеров со статистической обра-
боткой результатов измерений, построенных на основе
конструкции индикаторов часового типа по ГОСТ 577—68. Они
предназначаются для механизации вычислений при измеритель-
ных и контрольных операциях.

Типы статистических индикаторов:

СИС— статистический индикатор средних арифметических,
предназначенный для определения среднего арифметического в
выборке. Индикатор имеет две стрелки: действительных размеров
и средних арифметических;

СИМ — статистический индикатор медиан, предназначенный
для определения положения медианы в выборке. Индикатор имеет
три стрелки: стрелку текущих размеров и две дополнительные стрел-
ки, по которым определяется положение медианы;

СИР — статистический индикатор размахов, предназначенный
для определения разности между наибольшим и наименьшим зна-
чениями. Индикатор имеет три стрелки: стрелку текущих размеров
и две дополнительные, каждая из которых, будучи отклоненной,
фиксирует одно из предельных отклонений — наименьшее и наи-
большее. Величина размаха определяется по расстоянию между до-
полнительными стрелками, выраженному в делениях шкалы;

СИБ — статистический индикатор брака, предназначенный для
определения количества деталей вне поля допустимых наиболь-
ших и наименьших отклонений. Индикатор имеет три стрелки: две
стрелки размера показывают значения положительных и отрица-
тельных отклонений, третья стрелка показывает число размеров
(деталей), находящихся вне поля допуска;

СИГ — статистический индикатор группировок, предназначен-
ный для определения суженного допуска, а также их суммы и раз-
ности. Индикатор имеет три стрелки: текущих размеров и коли-
честв положительных и отрицательных отклонений;

СИД — статистический индикатор дисперсий, предназначенный
для определения значений дисперсий и среднего квадратического
отклонения в выборке. Индикатор имеет стрелки средних арифме-
тических, средних квадратических отклонений и дисперсий.

Основные метрологические характеристики статистических ин-
дикаторов при нормальных условиях представлены в табл. 2.7.

К приборам с рычажно-зубчатой передачей относятся рычажно-
зубчатые измерительные головки, рычажные скобы, рычажные
микрометры и т.д. Эти приборы предназначены для относитель-
ных измерений наружных поверхностей.

Рычажно-зубчатые измерительные головки
(рис. 2.19) отличаются от индикаторов часового типа наличием на-
ряду с зубчатой передачей рычажной системы, позволяющей уве-
личить передаточное число механизма и тем самым повысить точ-
Метрологические характеристики статистических индикаторов

Тип индика- тора	Цена деления шкалы (не менее), мм	Диапа- зон изме- рения (не менее), мм	Объем исполь- зуемых выборок (не менее)	Предел основ- ной допуска- емой погреш- ности на всем диапазо- не  измере- ний, мкм	Предел допуска- емого значения размаха показа- ний, мкм	Предел допуска- емого значения размаха случай- ной состав- ляющей основ- ной погреш- ности	Измери- тельное усилие, Н
сис	0,1	0,5	Не огра- ничен	10,0	5,0	4,0	1,5 (0,6)
СИМ	0,1	1,0	То же	10,0	5,0	4,0	1,5 (0,6)
СИР	0,1	1,0	»	10,0	5,0	4,0-	1,5 (0,6)
СИБ	0,1	1,0	»	10,0	5,0	4,0	1,5 (0,6)
СИГ	0,1	1,0	»	10,0	5,0	4,0	1,5 (0,6)
сид	0,1	1,0	20	10,0	5,0	4,0	3,5 (0,6)

ность измерений. При перемещении измерительного стержня 4 в
двух точных направляющих втулках 3 поворачивается рычаг 6, ко-
торый воздействует на рычаг 8, имеющий на большем плече зубча-
тый сектор, входящий в зацепление с зубчатым колесом (трибом) 7.
На оси триба установлена стрелка с втулкой, связанная со спираль-
ной пружиной 1, выбирающей зазор. Измерительное усилие созда-

Рис. 2.19. Рычажно-зубчатая измерительная головка (а) и ее схема (б):

1 — спиральная пружина; 2 — пружина; 3 — направляющие втулки; 4 — измери-
тельный стержень; 5 — арретир; 6 и 8 — рычаг; 7 — зубчатое колесо (триб)
ется пружиной 2. Для арретирования измерительного стержня слу-
жит арретир 5.

Ленинградский инструментальный завод (ЛИЗ) изготавливает
рычажно-зубчатые однооборотные и многооборотные измеритель-
ные головки с ценой деления 0,001 и 0,002 мм (ГОСТ 9696—82).
Многооборотные головки применяются в тех случаях, когда требу-
ется высокая точность и большой диапазон измерения.

ГОСТ 5584—75 предусматривает выпуск рычажно-зубчатых ин-
дикаторов с ценой деления 0,01 мм с изменяемым положением из-
мерительного рычага относительно корпуса.

Основные метрологические характеристики рычажно-зубчатых
измерительных головок представлены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Основные метрологические характеристики рычажно-зубчатых
измерительных головок

Тип головки	Цена деле- ния шкалы, мм	Диа- пазон изме- рения, мм	Измери- тельное усилие (коле- бание измери- тельного усилия),  Н	Предел основной допускае- мой пог- решности на всем диапазоне измере- ний, мкм	Условное обозначение головки
Головки по ГОСТ 5584-75:  НРБ, ИРТ	0,01	0,8	1...4	10,0	ИРБ ГОСТ 5584-75
Многооборотные (ГОСТ 9696-82):  1 МИГ, 1 МИГИ  2 МИГ, 2 МИГИ	0,001  0,002	1,0  2,0	2,0 (0,5)  2,0 (0,70)	2,5  1,8  5,0  3,5	1 МИГ гост 9696—82  1 МИГИ ГОСТ 9696-82

В рычажных скобах (ГОСТ 11098—75) (рис. 2.20) в про-
цессе измерения подвижная пятка 9, перемещаясь, воздействует
на измерительный рычаг 11, зубчатый сектор которого поворачи-
вает зубчатое колесо 4 и стрелку 1, неподвижно закрепленную на
его оси. Спиральная пружина 3 постоянно прижимает зубчатое
колесо к зубчатому сектору, устраняя таким образом зазор. Мик-
ровинт для настройки 8 служит для установки прибора на нуль по
блоку концевых мер. Промышленность выпускает также рычажные
скобы с цифровым отсчетом измеряемой величины в миллимет-
рах, десятых и сотых долях миллиметра.

Рычажные микрометры (ГОСТ 4381—80) аналогичны ры-
чажным скобам и отличаются от них лишь наличием микрометри-
Рис. 2.20. Рычажная скоба-пассаметр (а) и ее схема (б):

1 — стрелка; 2 — зубчатый сектор; 3 — спиральная пружина; 4 — зубчатое коле-
со; 5 — объект измерения; 6 — корпус; 7 — неподвижная (регулируемая) пятка;
8 — микровинт для настройки; 9 — подвижная пятка; 10 — пружина;
11 — измерительный рычаг; 12 — стержень арретира; 13 — рычаг арретира;
14 — предохранительный чехол; 15 — гайка фиксатора; 16 — кнопка арретира;

17 — шкала; 18 — указатель предела действительных отклонений

ческой головки для отсчета измеряемой величины в миллиметрах,
десятых и сотых долях миллиметра. Для измерения наружных разме-
ров до 100 мм предусмотрены микрометры типа МР с отсчетным
устройством, встроенным в корпус. Микрометры типа МРЗ пред-
назначены для измерения длины обшей нормали зубчатых колес, а
микрометры типа МРИ — для измерения наружных размеров свы-
ше 100 и до 2000 мм.

Основные метрологические характеристики рычажных скоб и
рычажных микрометров представлены в табл. 2.9.

К приборам с пружинной передачей относятся измерительные пру-
жинные головки (ГОСТ 6933—81), малогабаритные измеритель-
ные головки (микаторы ГОСТ 14712—79) и рычажно-пружинные
измерительные головки бокового действия (миникаторы ГОСТ
14711—69). Эти приборы предназначены для относительных изме-
рений размеров, проверки отклонений деталей от правильной гео-
метрической формы с высокой точностью, а также для проверки
и наладки средств активного контроля.

Приборы этого типа построены по принципу использования в
передаточных механизмах упругих свойств скрученной фосфористой
бронзовой ленты шириной 0,1 ...0,2 и толщиной 0,008...0,015 мм.

Измерительные пружинные головки (рис. 2.21) об-
ладают значительными преимуществами перед другими типами
подобных приборов: высокой чувствительностью, малой силой
измерения, незначительной погрешностью обратного хода, вы-
сокой надежностью механизма. Основные недостатки этих голо-
вок: неудобство отсчета показаний по слишком тонкой стрелке и
наличие вибраций стрелки, что увеличивает ошибки измерений.
В измерительной пружинной головке пружинная бронзовая лента
1 относительно стрелки 8 закручена в разные стороны и правым
Основные метрологические характеристики рычажных скоб
и рычажных микрометров

Наименование и тип прибора	Цена деления отсчетного устройства, мм	Диапазон- показаний шкалы, мм	Пределы измерения прибором, мм	Предельные погрешности прибора, ±А, мкм	Сила измерения, Н
Рычажные скобы (ГОСТ 11098-75) типа СР	0,002	±0,14	0...25  25...50  50... 75  75... 100  100... 125  125... 150	±0,2	6,0±1,0  6,0±1,0  8,0±2,0  8,0±2,0  8,0±2,0  8,0±2,0
Рычажные микрометры по ГОСТ (4381-80) типов:  МР  МРЗ  МРИ	0,002  0,002  0,002	±0,14  ±0,14  ±0,10	0...25  25...50  50... 75  75... 100  0...20  20...45  100... 125  125... 150  150... 200  200...250  И т.д.	±2,0 ±2,0 ±2,0 ±2,0 ±3,0 ±3,0 ±4,0 ±4,0 ±4,0 ±5,0	6,0±1,0  6,0±1,0  8,0±1,0

концом прикреплена к пружинному угольнику 2, а левым кон-
цом — к плоской пружине 7.

При перемещении измерительного стержня 4 поворачивается
угольник 2, что приводит к растяжению пружинной бронзовой ленты
1 и повороту прикрепленной к ней в середине стрелки относитель-
но шкалы 9. Стрелка сбалансирована с помощью противовеса 6. Сила
измерения создается пружиной 5. Измерительный стержень 4 под-
вешен к корпусу головки на мембране 3 и пружинном угольнике 2.

Измерительные пружинные головки изготавливают в следую-
щих исполнениях: ИГП — с нормальным измерительным усили-
ем, ИГПУ— с уменьшенным измерительным усилием, ИГПР —
с регулируемым измерительным усилием, ИГПГ — герметизиро-
ванные, ИГПВ — виброустойчивые.

Микаторы и миникаторы имеют аналогичный пружин-
ный механизм и принцип действия их не отличается от принципа
действия микрокатора.
Рис. 2.21. Измерительная пружинная головка
(а) и ее схема (б):

1 — пружинная бронзовая лента; 2 — пружинный
угольник; 3 — мембрана; 4 — измерительный стер-
жень; 5 — пружина; 6 — противовес; 7 — плоская
пружина; 8 — стрелка; 9 — шкала

Основные метрологические характеристики приборов с пружин-
ной передачей представлены в табл. 2.10.

Таблица 2.10

Основные метрологические характеристики приборов
с пружинной передачей

Наименование и тип прибора	Цена деления шкалы, мкм	Диапа- зон измере- ния (не менее), мкм	Измеритель- ное усилие, Н (для головок ИГПУ, ИПМУ)	Предел регулиро- вания измери- тельного усилия, Н	Предел допускаемой погрешности на любом участке шкалы до 30 деле- ний, мкм
Измерительные	0,1	±4,0	1,5 (0,5)	0-1,5	0,1
пружинные	0,2	±6,0	1,5 (0,5)	О...1,5	0,15
головки по ГОСТ	0,5	±15,0	1,5 (0,5)	0-1,5	0,25
6933—81 типов:	1,0	±30,0	2,0 (0,5)	—	0,4
И ГП, ИГПУ	2,0	±60,0	2,0 (2,0)	—	0,8
	5,0	±150,0	3,0 (3,0)	—	2,0
	10,0	±300,0	3,0 (3,0)	—	3,0
Микаторы	0,2	±10,0	1,0 (0,5)	—	0,15
ГОСТ 14712-79	0,5	±25,0	1,5 (0,5)	—	0,30
типов: ИПМ,	1,0	±50,0	1,5 (0,5)	—	0,50
ИПМУ	2,0	±100,0	1,5 (0,5)	—	1,0
Миникаторы	1,0	±40	0,2	—	0,5
ГОСТ 14711-69	2,0	±80	о,з		1,0
Контрольные вопросы

1.	На чем основан принцип действия средств измерения и контроля с
механическим преобразованием?

2.	Каковы устройство и принцип действия индикатора часового типа?

3.	Каковы устройство и принцип действия индикаторного нутромера?

4.	Как настраивается на «О» рычажная скоба?

Лабораторная работа. «Измерение внутренних поверхностей наклад-
ными средствами».

2.2.4. Средства измерения и контроля с оптическим
и оптико-механическим преобразованием

Оптико-механические измерительные приборы находят широкое
применение в измерительных лабораториях и в цехах для измерения
размеров калибров, плоскопараллельных концевых мер длины, точ-
ных изделий, а также для настройки и проверки средств активного
и пассивного контроля. Эти приборы основа-

ны на сочетании оптических схем и механи-
ческих передач. К оптико-механическим из-
мерительным приборам относятся: пружин-
но-оптические измерительные головки (оп-
тикаторы), оптиметры, ультраоптиметры,
длиномеры, измерительные машины, интер-
ферометры и ряд других приборов.

Оптикатор (ГОСТ 10593—74) (рис. 2.22)
построен на том же принципе, что и микро-
катор, но лишен основных его недостатков.
На скрученной бронзовой ленте 4 закрепле-
но зеркальце 3, которое отражает на шкалу 2
изображение штриха метки 7. Штриховая мет-
ка, освещаемая через конденсор 8 лампоч-
кой 1, проектируется объективом 6 на зер-
кальце, находящееся в его фокусе. При пере-
мещении измерительного стержня 5 и рас-
кручивании ленты по шкале перемещается
изображение штрихового указателя. Отражае-
мый от зеркальца луч света отклоняется на
угол, вдвое больший при одинаковом угле рас-
кручивания среднего сечения ленты. Чувстви-
тельность оптикатора в два раза больше, чем
чувствительность микрокатора, а погреш-
ность в пределах всей шкалы не превышает
0,4 мкм. Основные метрологические характе-
ристики оптикаторов представлены в табл. 2.11.

Рис. 2.22. Оптикатор:
1 — лампочка; 2 — шка-
ла; 3— зеркальце; 4 —
скрученная бронзовая
лента; 5 — измеритель-
ный стержень; 6 — объек-
тив; 7 — метка; 8— кон-
денсатор
Основные метрологические характеристики
оптико-механических приборов

Наименова- ние и тип прибора	Цена деления шкалы, мкм	Пределы измерения по шкале, мкм	Пределы допускаемой погрешности на любом участке шкалы в пределах 100 делений, мкм	Наибольшее измерительное усилие (колебание измерительного усилия), Н	Ва- риа- ция пока- заний, мкм
Оптика-					
торы (ГОСТ 10593-74):					
ОШ	0,1	24	±0,05	1,5 (0,3...0,5)	0,03
02П	0,2	50	±0,1	1,5 (0,3... 0,5)	0,06
05 П	0,5	100	±0,2	1,5 (0,3...0,5)	0,15
1П	1,0	250	±0,4	1,5 (0,3... 0,5)	0,30
Опта-					
метры (ГОСТ 5405-75):					
ОВ-100	0,2	±25	±(0,07...0,1)	2,0	0,02
ОВ-200	1,0	±100	±(0,2...0,3)	2,0	0,1
ОГ-500	1,0	±100	±(0,2 ...0,3)	2,0	0,1
Ультра-	0,2	±25	±0,1	0,5... 1,5	—
оптиметры  ИКП-2		±83	±0,1	0,5... 1,5	—
Оптичес- кие длино- меры					
(ГОСТ 14028-68):					
дво	1,0	0...100 мм	(1,4+1/100)	2,0	0,4
ДВЭ	1,о	0...100 мм	(1,4+1/100)	2,0	0,4
дгэ	1,0	0...100 мм	(1,4+1/100)	2,5	0,1
Измери-	Для мет-	Верх-			0,2-
тельные	ровой шка-	ний пре-			ДЛЯ
машины	лы —	дел из-			наруж-
(ГОСТ	100 мм,	мерения:			ных
10875-76):	для сто-				разме-
ИЗМ-1	миллимет-	1 м	±(0,4+4 -103 Е)	2,0±0,5	ров,
ИЗМ-2	ровой	2 м	±(0,4+4 -103 Е)	2,0±0,5	1,0 -
ИЗМ-4	шкалы —	4 м	±(0,4+4 -103 Е)	2,0±0,5	ДЛЯ
	1 мм, для				внут-
	измери-				ренних
	тельного				разме-
	устройства — 0,001 мм				ров
Наименова- ние и тип прибора	Цена деления шкалы, мкм	Пределы измерения по шкале, мкм	Пределы допускаемой погрешности на любом участке шкалы в пределах 100 делений, мкм	Наибольшее измерительное усилие (колебание измерительного усилия), Н	Ва- риа- ция пока- заний,
Интер- ферометр мод. 264	0,05	±2,5	±0,05	1,5±0,10(0,02)	0,02
(вертикаль-	0,1	±5,0	±0,08	1,5±0,10 (0,02)	0,03
ный)	0,2	±10,0	±0,10	1,5±0,10 (0,02)	0,04

Оптиметр (ГОСТ 5405—75) состоит из измерительной го-
ловки, называемой трубкой оптиметра, и вертикальной или го-
ризонтальной стойки. В зависимости от вида стойки оптиметры
подразделяют на вертикальные (например, ОВО-1, или ИКВ)
(рис. 2.23, а) и горизонтальные (например, ОГО-1, или ИКГ)
(рис. 2.23, б). ЛИЗ выпускает также горизонтальные и вертикаль-
ные проекционные оптиметры (ОГЭ-1 или ОВЭ-02). У после-
дних отсчет результата измерения производится по шкале, про-
ецируемой на экран. Вертикальные оптиметры предназначены
для измерений наружных размеров деталей, а горизонтальные —
для измерения как наружных, так и внутренних размеров.

В оптической схеме оптиметров использованы принципы авто-
коллимации и оптического рычага.

Принцип действия трубки оптиметра показан на рис. 2.24. Лучи
от источника света направляются зеркалом 2 в щель трубки и, пре-
ломляясь трехгранной призмой 3, проходят через шкалу, имеющую

а

Рис. 2.23. Оптиметр:
а — вертикальный; б — горизонтальный
Рис. 2.24. Оптическая схема оптиметра:

1 — окуляр; 2 — зеркало; 3 — трехгранная призма; 4 — стеклянная пластинка; 5 —
призма полного отражения; 6 — измерительный стержень; 7 — зеркало поворот-
ное; 8 — объектив

Объект
измерений

200 делений, нанесенных на плоскость стеклянной пластинки 4.
Пройдя шкалу, луч попадает на призму полного отражения 5 и,
отразившись от нее под прямым углом, направляется на объектив 8
и зеркало 7. Качающееся зеркало пружиной прижимается к измери-
тельному стержню 6. При перемещении стержня 6, опирающегося
на измеряемую деталь, зеркало 7 поворачивается на угол а вокруг
оси, проходящей через центр опорного шарика, что вызывает от-
клонение отраженных от зеркала 7 лучей на угол 2а. Отраженный
пучок лучей объективом превращается в сходящийся пучок, кото-
рый дает изображение шкалы. При этом шкала смещается в верти-
кальном направлении относительно неподвижного указателя на не-
которую величину, пропорциональную измеряемому размеру. Изо-
бражение шкалы наблюдается в окуляр 1, как правило, одним гла-
зом, что утомляет контролера. Для обеспечения отсчета на окуляр
Рис. 2.25. Оптический длиномер (а) и схема его работы (б):

1 — противовес; 2 — масляный демпфер; 3 — измеряемая деталь; 4 — измеритель-
ный наконечник; 5 — пиноль; 6 — стеклянная шкала; 7 — отсчетный микроскоп;

<? — грузовые шайбы; 9 — стальная лента; 5 — источник света

надевают специальную проекционную насадку, на экране которой
можно наблюдать изображение шкалы обоими глазами. Основные
метрологические характеристики оптиметров см. в табл. 2.11.

Оптический длиномер (ГОСТ 14028—68) (рис. 2.25, а)
состоит из измерительной головки и вертикальной или горизон-
тальной стойки. Схема работы длиномера показана на рис. 2.25, б.
Конструкция длиномера соответствует принципу Аббе, т. е. основ-
ная шкала является продолжением измеряемой детали 3. В пиноли
5 закреплен измерительный наконечник 4, входящий в соприкос-
новение с измеряемой деталью 3. Сила тяжести пиноли 5 уравно-
вешена противовесом 1, который перемещается внутри масляного
демпфера 2. Пиноль 5 соединена с противовесом стальной лентой
9, перекинутой через блоки, причем измерительная сила длино-
мера определяется разностью масс пиноли 5 и противовеса 1. Эта
сила регулируется с помощью грузовых шайб 8. Отсчеты по стек-
лянной шкале 6, освещаемой источником света 8, производят с
помощью отсчетного микроскопа 7 со спиральным нониусом.

В настоящее время все большее распространение получают дли-
номеры с цифровым отсчетом, на табло которых высвечивается
непосредственно измеряемый размер.

Основные метрологические характеристики оптических длино-
меров см. в табл. 2.11.

Измерительные машины (одно-, двух- и трехкоорди-
натные) предназначены для контроля сложных корпусных дета-
лей, деталей значительных длин, измерения расстояний между
осями отверстий, лежащих в одной или разных плоскостях, конт-
роля параметров плоских профильных шаблонов в прямоугольных
и полярных координатах. Двух- и трехкоординатные измеритель-
ные машины позволяют получать цифровой отсчет с автоматичес-
кой выдачей результатов измерений на ЭВМ с последующим при-
менением полученных программ в станках с ЧПУ для обработки
аналогичных деталей (обработка по моделям). Более подробно из-
мерительные машины рассмотрены в гл. 3.

Метрологические характеристики основных из них см. в табл. 2.11.

Интерферометры относятся к весьма точным оптико-ме-
ханическим приборам. Они применяются в основном для провер-
ки концевых мер длины, размеров и формы особо точных изделий
и основаны на использовании явления интерференции световых
волн. Интерферометры для линейных измерений делятся на кон-
тактные (ИКПВ — вертикальные, ИКПГ — горизонтальные) и бес-
контактные. Контактные интерферометры имеют одинаковые ин-
терференционные трубки с возможностью регулирования цены де-
ления от 0,05 до 0,2 мкм.

В трубке интерферометра (рис. 2.26) свет от лампы 1 направля-
ется конденсором 2 через диафрагму 3 на разделительную полу-
прозрачную пластину 6. Часть лучей, пройдя через полупрозрач-
ную пластину 6 и компенсатор 11, отразится от зеркала 12, зак-

Рис. 2.26. Схема трубки интерферометра:
7 — лампа; 2 — конденсор; 3 — диафрагма;
4 — шторка; 5 — поворотное зеркало;
б—полупрозрачная пластина; 7—объектив;
8 — сетка; 9— механизм перемещения оку-
ляра; 10 -— окуляр; 11— компенсатор;
12 — зеркало; 13 — измерительный стержень;

14 — объект измерения

репленного на верхнем кон-
це измерительного стержня
13, и через компенсатор 11
вновь вернется к полупроз-
рачной пластине 6. Другая
часть пучка света, отразив-
шись от рабочей поверхнос-
ти разделительной полупроз-
рачной пластины 6, попада-
ет на поворотное зеркало 5 и
после отражения также воз-
вратится к полупрозрачной
пластине 6. Таким образом,
на рабочей поверхности по-
лупрозрачной пластины бобе
части пучка света интерфери-
руют при небольшой разно-
сти хода. Объектив 7 проек-
тирует интерференционную
картину полос равной толщи-
ны в плоскость сетки 8. Ин-
терференционные полосы и
нанесенную на сетку шкалу
наблюдают через окуляр 10.

Интерференционные по-
лосы равной толщины обра-
зуются в результате поворота зеркала 5 на небольшой угол относи-
тельно поверхности зеркала 12. При освещении белым светом на фоне
шкалы видна одна черная (ахроматическая) полоса и по обе сторо-
ны от нее несколько окрашенных полос убывающей интенсивности.
Черная полоса служит указателем при отсчетах по шкале, имеющей
по 50 делений в обе стороны от нуля, который смещается пропор-
ционально перемещению измерительного стержня 13.

Вертикальный контактный интерферометр (рис. 2.27) имеет
жесткое литое основание 4 и стойку 3. По направляющей стойки
может перемещаться с помощью кремальеры 2 кронштейн 1, не-
сущий трубку интерферометра 10. На хомуте трубки 9 закреплен
теплозащитный экран 8. Стол 7 можно перемещать в вертикаль-
ном направлении винтом микроподачи 6 и стопорить в установ-
ленном положении винтом 5.

Основные метрологические характеристики интерферометров
см. в табл. 2.11.

В последнее время отечественная промышленность стала выпус-
кать бесконтактные лазерные интерферометры с цифровым отсче-
том. Они позволяют измерять абсолютным методом детали больших
размеров (до 60 м и более) с высокой производительностью и точ-

Рис. 2.27. Вертикальный контактный
интерферометр:

7 — кронштейн; 2 — кремальера; 3 — стой-
ка; 4 — основание; 5 — винт; 6 — винт мик-
роподачи; 7 — стол; 8 — теплозащитный
экран; 9 — хомут трубки; 10 — трубка ин-
терферометра

Рис. 2.28. Схема бесконтактного
лазерного интерферометра:

1 — источник лазерного луча; 2—
неподвижное зеркало; 3 — пласти-
на; 4 — У-образный рефлектометр;
5 — основание рефлектометра; 6—
измерительный стол; 7 — основа-
ние измерительного стола; 8 —
неподвижное зеркало; 9 — прием-
ник; 10 — основание; 77 — пока-
зывающий прибор; 12 — корпус
ностью. Цена деления таких приборов составляет от 0,1 до 0,01 мкм;
погрешность измерения составляет 0,5 мкм на 1 м. Схема одной из <
конструкций бесконтактного лазерного интерферометра представ- '
лена на рис. 2.28.	>

Поступающий от источника лазерного луча 1 пучок света полу-
прозрачной пластиной 3 делится на два потока. Один направляет-
ся на неподвижное зеркало 2 и, отразившись от него, возвращает-
ся к пластине 3. Другой, проходящий сквозь пластину 3, попадает
на неподвижное зеркало 8. Отразившись от неподвижного зеркала
8 и У-образного рефлектора 4, пучок возвращается к пластине 3,
где интерферирует с первым пучком.

При помощи лазерных интерферометров проверяют двух- или
трехкоординатные измерительные машины, микроскопы, преци-
зионные станки и другие точные механизмы.

Оптические измерительные приборы нашли применение в изме-
рительных лабораториях для абсолютных и относительных измере-
ний бесконтактным методом различных изделий сложного профи-
ля (резьб, шаблонов, кулачков, фасонных режущих инструмен-
тов) и малых габаритных размеров, для точных измерений длин,
углов, радиусов. Эти приборы построены на оптических схемах. К
наиболее распространенным оптическим измерительным прибо-
рам относятся: микроскопы (инструментальный, универсальный,
проекционный), проекторы, оптические длиномеры и угломеры,
делительные головки, столы и др.

Инструментальные и универсальные микроско-
п ы предназначены для абсолютных измерений углов и длин раз-
личных деталей в прямоугольных и полярных координатах. В соот-
ветствии с ГОСТ 8074—82 выпускают микроскопы с микрометри-
ческими измерителями двух типов: типа А — без наклона головки
и типа Б — с наклоном головки. У микроскопов ИМ 100x50, А;
ИМ 150x50, Б предусмотрен отсчет по шкалам микрометричес-
ких головок 25 мм и применение концевых мер длины, тогда как |
микроскопы ИМЦ 100x50, А; ИМЦ 150x50, А; ИМ 150x50, Б; ]
ИМЦЛ 160x80, Б оснащены цифровым отсчетом.	]

Универсальные измерительные микроскопы (ГОСТ 14968—69) ]
отличаются от инструментальных большим диапазоном измерений 1
и повышенной точностью. В них вместо микрометрических изме- $
ригелей применены миллиметровые шкалы с отсчетными спираль- ’
ными микроскопами.	;

Основные метрологические характеристики указанных микро- !
скопов представлены в табл. 2.12.

Несмотря на конструктивные различия инструментальных и уни- ;
версальных микроскопов принципиальная схема измерения во всех
микроскопах общая — визирование различных точек контролируе-
мой детали, перемещаемых для этого по взаимно перпендикулярным
направлениям, и измерение этих перемещений посредством отсчет-
Таблица 2.12

Основные метрологические показатели микроскопов

Тип микроскопа	Верхние пределы измерения, мм		Диапа- зон измерен- ия плоских углов, 0	Линейное увеличение объективов визирного микроскопа	Цена деления шкалы барабанов микромет- рических головок, мм —	Цена деления шкалы наклона линии центров	Макси- маль- ный диаметр прове- ряемого изде- лия, мм	Цена деления шкалы угло- мерной головки	Предел основной допускаемой погрешности микроскопа в диапазоне измерений, мкм :
	в продоль- ном направ- лении	В попереч- ном направ- лении							
ИМ 100x50, А	100	50	О...36О	1; 3; 5; 10; 20; 40х	0,005	15'	85	1'	
ИМЦ 100x50, А	100	50	0...360	1;3;5; 10; 20; 40х	—	15'	85	г	0...25 мм ± 3 мкм
ИМ 150x50, А	150	50	0...360	1; 3; 5; 10; 20; 40х	0,005	15'	85	1'	0...50 мм+ 5 мкм
ИМЦ 150x50, А	150	50	0...360	1; 1,5; 3,0; 5,0х	—	15'	85	г	0... 100 мм ± 6 мкм
ИМ 150x50, Б	150	50	0...360	1; 1,5; 3,0; 5,0х	0,005	15'	85	г	
ИМЦЛ 160x80, Б	160	80	0...360	1; 3; 5; 10	—	—	85	г	
УИМ-200	200	100	О...36О	10; 15; 30; 50х	0,001	—	100	г	
УИМ-200Э	200	100	0...360	10; 15; 30; 50х	0,001	—	100	1'	±(6+1/70)
УИМ-500Э	500	200	0...360	10; 20; 30х	0,001	—	200	г	


Рис. 2.29. Микроскоп инструментальный мо-
дели ММИ (д), его отсчетное устройство (б),
оптическая схема микроскопа (в):

1 — визирный микроскоп; 2 — стойка; 3 — винт;
4 — лампа подсветки; 5 и 12— маховик; 6 и 8 —
микрометрический винт; 7 — основание; 9 —
измерительный стол; 10 — шариковые направ-
ляющие; 11 — объектив; 13 — кронштейн; 14 —
кольцо; 75 — тубус; I — миллиметровая шкала;

II — круговая шкала

ных устройств. Для обеспечения лучшего визирования микроскопы
снабжают сменными объективами различной степени увеличения.

В качестве примера рассмотрим конструкцию (рис. 2.29, а) и прин-
цип измерения микроскопа инструментального модели ММИ. На
массивном чугунном основании 7 в двух взаимно перпендикуляр-
ных направлениях на шариковых направляющих 10 перемещается
измерительный стол 9 с помощью микрометрических винтов 6 и 8.
Для отсчета перемещений на гильзе, скрепленной с метрической
гайкой, имеется миллиметровая шкала / (рис. 2.29, б), а на бараба-
не, связанном с микрометрическим винтом, — круговая шкала // с
200 делениями (на рис. 2.29, б показание микрометра равно 29,025).
Объектив 11 с тубусом 75 установлен на кронштейне 13, который
перемещается в вертикальном направлении по стойке 2. Стойка 2 с
помощью маховика 5 может наклоняться у микроскопов типа Б в
обе стороны для установки микроскопа под углом подъема измеря-
емой резьбы. Имеется лампа подсветки 4. Маховик 12, перемещаю-
щий кронштейн 13, служит для фокусировки микроскопа, причем
установленное положение фиксируется винтом 3. Для точного фо-
кусирования микроскопа вращают рифленое кольцо/'/, при этом
тубус 15 смещается по цилиндрическим направляющим кронштей-
на. К верхней части тубуса крепится сменная угломерная окулярная
головка с визирным микроскопом 1 и отсчетным устройством.

Оптическая схема микроскопа представлена на рис. 2.29, в. Из-
меряемая деталь АБ рассматривается через объектив ОБ микроско-
па. Изображение детали АБ получается действительным, обратным
и увеличенным.

Глаз наблюдателя через окуляр ОК видит мнимое, обратное и
еще раз увеличенное окуляром изображение детали А2Б2.

Оптические линейки (ГОСТ 24703—81) предназначены
для определения отклонений от прямолинейности и плоскостнос-
ти поверочных линеек, плит, а также направляющих поверхнос-
тей станков, образующих валов.

Существуют следующие типы оптических линеек: ОЛ — контакт-
ные с визуальной системой отсчета, ОЛА — контактные с автома-
тической регистрацией, ОЛБ — бесконтактные, ОЛУ — универ-
сальные с контактным и бесконтактным методами измерений.

Схема оптической линейки представлена на рис. 2.30. Прибор
основан на измерении отклонений точек контролируемой поверх-
ности от воображаемой прямой — оптической оси. Линейка 5 (тон-
костенная труба с оптической системой) устанавливается на две
опоры 4. Она имеет сквозной шлиц, вдоль которого перемещается
измерительная каретка 3 с щупом 2, касающимся контролируе-
мой поверхности. Для определения отклонений точек поверхности
необходимо совмещать видимые на экране визирный штрих 7 и
бифиляр 6 и снимать отсчеты по барабану микрометра 1.

Рис. 2.30. Схема оптической линейки:

1 — микрометр; 2 — щуп; 3 — измерительная каретка; 4 — опоры; 5 — линейка;

6 — бифиляр; 7 — визирный штрих
Оптические линейки могут иметь регистрирующее устройство в я
виде профилографа, позволяющего графически воспроизводить на я
бумаге профиль контролируемой поверхности.	!

Основные параметры оптических линеек представлены в табл. |
2.13. Условное обозначение оптической линейки, например !
автоматической с наибольшей длиной контролируемой поверхно- I
сти 1600 мм: ОЛА-1600 ГОСТ 24703-81.	1

Проекторы предназначены для контроля или измерения де- 1
талей сложного контура. Проектор состоит из объектива, дающего 1
увеличенное изображение контролируемого изделия, и экрана, на 1
котором оно рассматривается или сравнивается с сетками или пре- :|
дельными контурами. Проекторы бывают с экранами, работаю- 1
щими в проходящем и отраженном свете. Основные метрологичес- -,1
кие характеристики этих приборов представлены в табл. 2.14.	3

Оптические делительные головки (рис. 2.31, а, б) слу- 1
жат для измерения углов, а также для разметки и нанесения делений 1
на деталях при обработке. Прибор состоит из корпуса 8, внутри кото- I
рого в подшипниках помещен шпиндель 9, отсчетного микроскопа 1
11 с нониусами, переднего центра 6 для установки детали, задней ’]
бабки 12 и станины 13. Поворот шпинделя отсчитывается предвари-
тельно по шкале 14, а точно — по стеклянной шкале с помощью .
отсчетного микроскопа, которая жестко закреплена на шпинделе
(рис. 2.31, в). Ось шпинделя может быть установлена в любое положе- ;
ние в пределах между горизонталью и вертикалью. Отсчет углов в
этом случае ведут по шкале 14. Основные метрологические характе-
ристики оптических делительных головок типа ОДГЭ см. в табл. 2.14.

Оптические круглые столы предназначены для точ-
ных угловых измерений или поворотов на требуемые углы дета-
лей, которые из-за своего веса, формы и размеров не могут быть
установлены в центрах или на оправках оптической делительной
головки. Оптические круглые столы могут применяться также для

Таблица 2.13

Основные параметры оптических линеек

Типораз- мер	Наибольшая длина контролиру- емого участка поверхно- сти, мм	Диапазон измеряемых отклонений с отсчетного и регистриру- ющего устройства, мм	Пределы дополнитель- ной погреш- ности при- бора, мкм	Цена деления отсчетного устройства, мкм	Измеритель- ное усилие наконеч- ника, Н
ОЛ-800	До 800	±(0,2...0,05)	±(0,5+3 Л)	0,5	7,0
ОЛ-1600	1600	±(0,4...0,1)	±(1,0 + 10 й)	1,0	7,0
ОЛА-800	800	±(0,025...0,1)	±(1,2+10 й)	—	18,0
ОЛБ-800	800	±(0,2 ...0,5)	±(0,5 + 3 й)	0,5	
ОЛУ-800	800	±(0,2 ...0,05)	±(0,5 + 3 й)	0,5	7,0
11.

8

10

9

станина

Рис. 2.31. Оптическая делительная
головка (о), ее схема (б) и стеклян-
ная шкала (в):

1 — тубус; 2 — лампа подсветки; 3, 4 и
14 — шкала; 5 — поводок; 6 — передний
центр; 7— червячное колесо; 8— корпус;

9 — шпиндель; 10 — полусфера; 11 —
микроскоп; 12 — задняя бабка; 13 —

точной разметки деталей по окружности или как точное приспо-
собление для обработки деталей в полярной системе координат.

Для измерения наружных и внутренних углов применяются раз-
личные оптические угломеры. Величина отсчета по шкале
равна 10', а допустимая погрешность ±5'.

Наиболее точными угломерными приборами являются прибо-
ры, основанные на применении автоколлимационных зрительных
труб. Одним из представителей таких приборов является авто-
коллиматор. Он предназначен для измерения углов, измерения
прямолинейности и плоскостности направляющих, а также для
определения взаимного углового расположения осей и плоскостей
изделий в пространстве. Кроме визуальных автоколлиматоров бы-
вают автоколлиматоры с фотоэлектрической регистрацией резуль-
татов, например автоколлиматор АФ-2, предназначенный для из-
мерения угловых перемещений с точностью 1". Автоколлиматоры
с фотоэлектрической регистрацией по сравнению с визуальными
обеспечивают более высокую точность и скорость измерений. Ос-
новные характеристики некоторых автоколлиматоров см. в табл. 2.14.

В последнее время в условиях возрастающей сложности контро-
лируемых изделий находят все более широкое применение изме-
Таблица 2.14

Основные метрологические характеристики оптических приборов

Наименование и тип прибора	Цена деления основной шкалы (нониуса)	Цена деления отсчетного устройства	Увеличе- ние от- счетного микро- скопа	Поле зрения	Пределы •показаний шкалы	Пределы измерения прибором	Предельные погрешности прибора (отсчетного устройства)
Проекторы измерительные (ГОСТ 19795-82):  ПИ-ЦВ  ПИ-ЦГ  ПИ-В  ПИ-Г	Линейной:  0,001;  0,002;  0,005;  0,01 мм; угловой: 2';3';5'	Дискретного цифрового отсчета: 0,0005;  0,001 мм	10; 20;  50;  100; 200х			В продольном 0 ... 100 мм, в поперечном 0...50 мм, в вертикальном 0...100 мм	±0,005 мм
Оптические делительные головки (ГОСТ 9016-77):  ОДГЭ-1  ОДГЭ-2  ОДГЭ-5  ОДГЭ-20	1”  2" 5" 20"	Основного лимба  Г				0...360’	±(1 + 81п а/2) ±(2 + 2лып а/2) +(5 + 5ляп а/2) ±20"
Оптический угломер (ГОСТ 11197-73)	Г	Минутной шкалы 5'	40х	—	—	0...180’	
Автоколлиматоры визуальные (ГОСТ! 1899-77):  АК-0,2У  АК-0,5У  АК-1У  АК-60	Минутной:  0,25'  0,5'  1" Г	Секундной шкалы:  0,2"  0,5"  1"	(60+6)х (30±3)х (15±2)х (8±1)х	(1±0,1)’ (2±0,2)° (4±0,4)° (8±0,8)°	Предел разрешающей способности 2,8" 4" 6" 10"	10' 20' 40' 120'	1,5" 3,0" 8,0" 90,0"
Компараторы:  ИЗА-2  ИЗА-7  ИЗА-8	Линейной:  1 мм  1 мм  1 мм	1 мкм  1 мкм  0,1 мкм	1...60х	2,3...17 мм	—	0... 200 мм  0... 200 мм  1... 200 мм	±(0,9+А/ (300-4А)) ±0,5мкм ±(0,5+5Л)
Катетометр (ГОСТ 19719-74) типов: В, У	Цена деления ампул круг- лых уровней 5'	0,01 мм	Не менее 2,5х	—	Предел раз- решения трубы 6"	40; 80;  160;  320; 630;  1250	Для отсчет- ного уст- ройства ±3 мкм
ригельные двухкоординатные системы. Они позволяют без переус-1
тановки изделия проводить более сложные измерения его угловыхя
и линейных размеров в прямоугольной системе координат. К этим''
приборам относятся измерительные микроскопы, измерительные
проекторы и измерительные двухкоординатные машины.

Измерительные двухкоординатные машины
(ИДМ) появились как результат естественного развития измери-
тельных микроскопов и проекторов. Мерами в них служат штрихо-
вые или концевые меры длины, а также прецизионные измери-
тельные винты. Эти машины характеризуются использованием вы-
сокоточных оснований, опор, направляющих и приводов для пере-
мещения стола с изделием или измерительной головки. Результаты
измерений в современных ИДМ выводятся на ЭВМ, чем достигает-
ся значительное повышение производительности измерений.

Основные метрологические характеристики оптико-механиче-
ских двухкоординатных машин, их преимущества, недостатки и
область применения представлены в табл. 2.15.

Оптические приборы для измерения параметров шероховатос-
ти поверхности (ГОСТ 9847—79) основаны на принципе одновре-
менного преобразования профиля поверхности и предназначены
для измерения параметров К^; Кг, 5 по ГОСТ 2789—73. Стандар-
том устанавливаются следующие типы приборов: ПТС — приборы
теневого сечения; ПСС— приборы светового сечения; МОМ —
микроскопы однообъективные муаровые; МИИ — микроскопы ин-
терференционные, действие которых основано на двухлучевой ин-
терференции света; МПИ— микроскопы-профилометры интер-

Таблица 2.15

Основные метрологические характеристики оптико-механических
измерительных двухкоординатных машин

Тип прибора	Пределы измере- ния, мм	Погреш- ность измере- ния	Инер- цион- ность, с	Преимуще- ства	Недостатки	Область применения
Измери- тельный микроскоп	х = 0...70 у = 0...50	1 мкм;  10 мкм;  6'	10	Легко переосна- щаемый визуальный измерите- льный ми- кроскоп для работы в проходя- щем и от- раженном свете	Неболь- шое поле зрения (26 мм) в зависи- мости от увели- чения	Лабора- тории и произ- водство, линейные и угловые измерения наружных и внут- ренних размеров
Тип прибора	Пределы измере- ния, мм	Погреш- ность измере- ния	Инер- цион- ность, с	Преимуще- ства	Недостатки	Область применения
Инстру- ментальный проекцион- ный микроскоп	х=0...150 у = 0...75	5 мкм;  3'	10	Можно вести наб- людения либо через окуляр, либо по экрану проектора как в отра- женном, так и в проходя- щем свете	Дороже измерите- льного микрос- копа	Измери- тельные лаборато- рии, изме- рение ка- либров, резьб, зубчатых колес, ша- блонов, изделий сложной формы
Универса- льный изме- рительный микроскоп	х=0...200  у=0...100	0,2 мкм;  1 мкм;  30"	10	Высокая точность; удобство контроля резьбовых калибров- пробок; легкая переосна- щаемость	Большие масса и габарит- ные раз- меры, настоль- ный прибор	Измери- тельные лаборато- рии, ли- нейно-уг- ловые из- мерения наружных и внутрен- них разме- ров
Измерите- льный проектор	х = 0...75 у = О...5О	1 мкм;  2'	10	Измери- тельный визуаль- ный про- ектор, ра- ботающий в прохо- дящем и отражен- ном свете; удобство эксплуата- ции	Большие габарит- ные разме- ры, напо- льный прибор	Измери- тельные лаборато- рии, изме- рение ка- либров, резьб, зубчатых колес, профилей, сложных механиче- ских дета- лей

ференционные, действие которых основано на интерференции света
с образованием полос равного хроматического порядка.

Диапазоны измерений параметров шероховатости для указанных
типов приборов следующие: ПТС — Яг; — 40...320 мкм; МИИ —
Яг; Ятах-0,05...0,8 мкм; 5 — 0,2... 1,6 мм; 5 — 0,002...0,05 мм;
ПСС — Вг, Ятах — 0,5...40 мкм; МПИ — Кг, Ктт — 0,05...0,8 мкм;
5—0,002... 0,5 мм; МОМ — Яг; 1^ — 0,8...40 мкм; 5—0,0005... 0,5 мм.
Рис. 2.32. Измерение шероховатости поверхности:
а — оптическим методом светового сечения; б — с помощью двухлучевого интерфе- 1
рометра; в — рефлектометрическим методом; 1 — фотоприемник (окуляр); 2— линза;

3 — объект измерения; 4 — объектив; 5 — осветитель

Оптический метод светового сечения (рис. 2.32, а) позволяет 1
наблюдать в окуляр 1 сильно увеличенный профиль неровностей
и, измеряя их с помощью шкал окулярного микрометра, опреде- ’
лять Каи Кг. Метод светового сечения заключается в следующем.

Освещенная узкая щель 5'проектируется микроскопом Ах на кон-
тролируемые поверхности Вх и Б2, образующие ступеньку высотой Н.
Изображение щели на поверхности Вх займет положение 5/ , а на
поверхности — *?• В поле зрения микроскопа А2, ось которого рас-
положена под углом 90° к оси проецирующего микроскопа, изобра-
жение щели будет иметь вид световой ступеньки. Размер ступеньки Ь,
соответствующий смещению изображения 8^ относительно слу-
жит мерой высоты ступеньки Н— высоты неровности. На этом прин-
ципе построены такие приборы, как МИС-11, ПСС-2 и др.

С помощью двухлучевого интерферометра (рис. 2.32, б) изме-
ряют разность длин путей двух пучков света, отраженных от раз-
ных участков исследуемой поверхности.

Оптический прибор, построенный по схеме, изображенной на
рис. 2.32, в, реализует рефлектометрический метод измерения и
автоматизирует процесс измерения, обеспечивая получение ин-
тегрального значения высоты неровностей.

Контрольные вопросы и задания

1.	Какова область применения средств измерения и контроля с опти-
ческим и оптико-механическим преобразованием?
2.	Расскажите об устройстве и принципе действия оптиметра.

3.	Расскажите об устройстве и принципе действия микроскопа.

4.	Что такое двухкоординатные измерительные системы?

Лабораторная работа-. «Определение годности цилиндрических пре-
дельных калибр-пробок».

2.2.5. Средства измерения и контроля с пневматическим
преобразованием

Пневматические измерительные приборы нашли широкое при-
менение для контроля линейных размеров. Они обладают высокой
точностью, позволяют производить дистанционные измерения в
относительно труднодоступных местах, имеют низкую чувствитель-
ность к вибрациям. Пневматические бесконтактные измерения дают
возможность контролировать легкодеформируемые детали, детали
с малыми величинами микронеровностей, которые могут быть по-
вреждены механическим контактом, а также исключают износ из-
мерительных поверхностей контрольных устройств, что повышает
точность и надежность контроля. Пневматические приборы срав-
нительно легко поддаются автоматизации, просты в эксплуата-
ции, требуют менее квалифицированного обслуживания. Однако
эта приборы обладают значительной инерционностью, снижаю-
щей их производительность.

Пневматические измерительные приборы делятся на два типа:
приборы, в которых измеряется давление воздуха, — маномет-
рические («Солеке»);

приборы, регистрирующие скорость истечения воздуха или его
расход, — расходомерные («Ротаметр»).

Приборы манометрического типа нашли более широкое рас-
пространение в устройствах активного контроля.

Вне зависимости от типа пневматический измерительный прибор
состоит из измерительной головки, включающей в себя показываю-
щий прибор, чувствительного элемента (сопла) и источника сжато-
го воздуха. Источник сжатого воздуха в свою очередь содержит: ком-
прессор; отстойники, в которых воздух очищается от влаги; фильт-
ры, в которых воздух очищается от механических включений; редук-
тор, понижающий давление до нужной величины; стабилизатор дав-
ления, поддерживающий давление строго постоянным.

В зависимости от величины рабочего давления различают пнев-
матические приборы низкого (например, 10 кПа) и высокого (на-
пример, 150 кПа) давления. И те и другие работают от сети давле-
нием 0,2...0,6 МПа. Приборы низкого давления расходуют на из-
мерение одного параметра до 10 л/мин воздуха, приборы высоко-
го давления — до 20 л/мин.

В пневматических измерительных приборах для линейных изме-
рений использована зависимость между площадью проходного се-
Рис. 2.33. Конструкция прибора
давления с водяным манометром
ДПНД-500 (манометрический):

1 — баллон; 2 — трубка; 3 — трубо-
провод; 4 — дроссельное устройство;

5 — входное сопло; 6 — камера; 7 —
стеклянная трубка; 8 — шкала; 9 —
указатель допуска; 10 — измеряемая
деталь; 11 — выходное сопло

чения канала истечения и весовым
расходом через него воздуха. Пло-
щадь канала истечения изменяет-
ся за счет измеряемого линейного
перемещения.

Приборы давления (манометри-
ческие) выпускаются одномерны-
ми и многомерными в двух вари-
антах: цеховой прибор с длиной
манометрической трубки 500 мм
и лабораторный прибор с длиной
манометрической трубки 1230 мм.
Передаточное отношение в этих
приборах достигает 20000.

Конструкция прибора давления
на примере прибора низкого дав-

ления с водяным манометром
ДПНД-500, выпускаемого заводом
«Калибр», показана на рис. 2.33. Он

представляет собой цилиндричес-
кий баллон 7, сообщающийся с ат-
мосферой и наполненный водой,
в которую погружена трубка 2. К
верхней части этой трубки через
трубопровод 3 и дроссельное уст-

ройство 4 подается компрессором воздух под давлением р. В трубке 2

автоматически поддерживается практически постоянное давление,
определяемое высотой //столба в баллоне 1. С трубкой 2 соединена
камера 6, имеющая входное 5 и выходное 11 сопла. Последнее
установлено с зазором над поверхностью измеряемой детали 10. Для
измерения переменного давления рк в камере 6 прибор снабжен
водяным манометром в виде стеклянной трубки 7 со шкалой 8. Дав-
ление рк определяется разностью уровней столбов воды в баллоне 1
и стеклянной трубке 7, которая соединена одним концом с каме-
рой 6, а другим — с баллоном 1. Из трубки 2 воздух под постоян-
ным давлением проходит через входное сопло 5 в камеру 6 и выхо-
дит через выходное (измерительное) сопло 11. От величины зазора
5 зависят давление рк и, следовательно, разность уровней А, отсчи-
тываемая по шкале 8 Так, при уменьшении размера детали 10 зазор
5 возрастает и уровень воды в стеклянной трубке 7 повышается. На
шкале 8 устанавливают указатели допуска 9, между которыми дол-
жен находиться уровень воды в стеклянной трубке 7 при контроле
годных деталей.

Приборы расхода (поплавковые) выполняются одномерными и
многомерными, обслуживающими до 15 измерительных позиций. <
Конструкция расходомера типа «Ротаметр» показана на рис. 2.34. Он
имеет коническую стеклянную
трубку 3 с широким концом квер-
ху. По ней снизу под рабочим дав-
лением 100... 200 кПа проходйт
воздух, поднимающий поплавок 4.
Верхняя плоскость поплавка явля-
ется указателем для отсчета по шка-
ле 5 (градуирована в микрометрах),
помещенной рядом с трубкой. Вы-
сота подъема поплавка зависит от
скорости прохождения воздуха, ко-
торая тем больше, чем больше за-
зор между торцом измерительного
сопла 6 и поверхностью объекта из-
мерения 7. Под действием скорос-
тного напора воздуха поплавок
поднимается в трубке до тех пор,
пока не уравняются расходы воз-

Рис. 2.34. Конструкция расходоме-
ра типа «Ротаметр» (поплавко-
вый):

1 — дроссель; 2 — фильтр; 3 — стек-
лянная трубка; 4 — поплавок; 5 —
шкала; 6 — измерительное сопло; 7—
объект измерения

духа через кольцевой зазор между

поплавком и стенками стеклянной трубки 3 и через зазор 5 между

измерительным соплом и контролируемой деталью. В этом случае по-
плавок зависает в трубке. Таким образом, каждому значению зазора 5
соответствует определенное по высоте положение поплавка в трубке.

Точность рассмотренных выше приборов во многом зависит от
постоянства рабочего давления воздуха. Любые (даже незначитель-

ные) случайные колебания давления непосредственно влияют на

результаты измерения.

Более совершенной схемой измерения в этом плане является
дифференциальная (рис. 2.35, а), состоящая из двух ветвей, каж-
дая из которых соответствует обычной схеме. В одной ветви, состо-
ящей из входного сопла /{ и пневматического элемента сопла-
заслонки 7, который измеряет объект измерения 2, расход опре-
деляется измерительным давлением рх. Другая ветвь, образованная
входным соплом и соплом 3 с предварительно установленным
зазором 5СОП8„ имеет постоянный расход, определяемый давлени-
ем р2 = сопкХ. Эта ветвь обычно называется ветвью противодавления.

Дифференциальная схема, для которой характерно сравнение
двух давлений рх и р2, менее чувствительна к колебаниям рабочего
давления. В качестве измерителя давлений применяются сильфон-
ные, мембранные дифференциальные манометры, реагирующие
на разность давлений Ь.р = рх - р2 в двух ветвях системы.

На рис. 2.35, б представлена схема дифференциального силь-
фонного прибора. Сжатый воздух из пневмосети, пройдя через блок
фильтра и стабилизатора, под постоянным давлением истекает через
входные сопла 3 и 8 в полости сильфонов (металлические гофри-
рованные пружины). Из левого сильфона воздух через кольцевой
Рис. 2.35. Дифференциальный пневматический прибор:

а — измерительная схема (7 — сопло-заслонка; 2 — объект измерения; 3 — сопло; '
4 — показывающий прибор); б — схема дифференциального сильфонного прибора -
(7 — механизм; 2 — стяжка; 3 и 8 — входное сопло; 4, 7 и 77 — плоская пружина;

5 — узел противодавления; 6 — измерительное сопло; 9 — винты; 10 — упоры)

зазор 5, образованный торцом измерительного сопла 6 и поверх- 5
ностью контролируемой детали, истекает в атмосферу. В этом силь-’
фоне создается измерительное давление величина которого за- >
висит от размера контролируемой детали. Из правого сильфона
воздух истекает в атмосферу через узел противодавления 5, а в!
полости сильфона создается постоянное давление р2. Свободные
концы сильфонов жестко связаны стяжкой 2, подвешенной на плос-
ких пружинах 4 и 7. Положение подвижной системы прибора опре-
деляется разностью измерительного давления р\ и некоторого по-
стоянного противодавления р2. Перемещение подвижной системы
измеряется с помощью механизма 1, который включает стрелку со,
шкалой и рычажно-зубчатую передачу от сильфонов к стрелке. На
подвижной системе прибора с помощью плоских пружин 11 могут
быть закреплены подвижные электрические контакты. Для предва-
рительного натяжения пружин в целях обеспечения необходимого 
усилия замыкания контактов служат упоры 10. Винты 9 с непод- ;
вижными контактами служат для настройки срабатывания электри-
ческих контактов при заданном размере контролируемой детали. В
существующих приборах число пар контактов достигает шести.

По рассмотренной схеме выпускаются несколько моделей силь-
фонных дифференциальных приборов, основные технические ха-
рактеристики которых приведены в табл. 2.16. Приборы БВ-1096-М-В;
БВ-1096-М-2К; БВ-1096-М-4К и другие предназначены специаль-
но для построения средств активного контроля. Они включают в
себя электронный блок, светосигнальное устройство и блок-фильтр ,
со стабилизатором. Приборы 236, 235, БВ-6017-4К этих блоков не ;
имеют, но в сочетании с блоками, выпускаемыми заводом «Ка-
либр», могут быть успешно применены в качестве отсчетно-коман-
дных приборов средств активного контроля.

Для увеличения чувствительности и точности пневматических
измерительных приборов, более широкого изменения передаточ-
ного отношения системы, уменьшения времени срабатывания
(инерционности) прибора были разработаны устройства, включа-
ющие в себя дифференциальную самобалансирующуюся пневма-
тическую систему нулевого перепада. Измерительная схема ком-
пенсационного пневматического прибора показана на рис. 2.36, а.

Зазор 5 зависит от величины контролируемой детали 1, он опре-
деляет измерительное давление р{. Величина р2 определяется коль-
цевым зазором между соплом 4 и конической иглой 3. Конструкция
показывающего прибора 2 выполнена так, что при наличии разно-
сти давлений р{ и р2 чувствительный элемент (мембрана) переме-
щает коническую иглу и тем самым изменяет давление р2 до наступ-
ления равенства рх = р2. Положение конической иглы относительно
сопла является мерой изменения размера контролируемой детали.

Компенсационные приборы (рис. 2.36, б) построены на прин-
ципе самобалансирующего пневматического моста. Сжатый воздух
под постоянным давлением истекает через входные сопла 4 и 5,
измерительную би компенсационную 3 камеры. Из камеры 6воздух
истекает в атмосферу через зазор 5 между торцом сопла 8 и повер-
хностью контролируемой детали 7, а из камеры 3— через кольце-
вую щель между поверхностями конической иглы 10 и сопла 2. Мем-
брана (из прорезиненной ткани) 9 находится в покое только в том

Рис. 2.36. Компенсационный пневматический прибор:

а — измерительная схема (1 — контролируемая деталь; 2— показывающий прибор;
3 — коническая игла; 4— сопло); б — принципиальная схема (1 — показывающий
прибор; 2 и 8 — сопло; 3 — компенсационная камера; 4 и 5 — входное сопло; 6 —
измерительная камера; 7 — контролируемая деталь; 9 — мембрана; 10 —
коническая игла)
Таблица 2.16

Основные технические характеристики пневматических
измерительных приборов

Наименование и тип прибора	Чис- ло ко- манд (тру- бок)	Чис- ло деле- ний шка- лы	Цена деления шкалы, мкм	Дли- на рабо- чей части шка- лы, мм	Диапазон измерения (предел измерения), мкм	Рабо- чий ход силь- фо- нов, мм	Погрешность срабатывания прибора, мкм	Смещение настройки после 25 000 срабаты- ваний	Давление, МПа	
									В питающей сети	на выходе стабилиза- тора
Ротметры:					0,1...63 м3/ч (0,025)				0,6	1,6; 6,4
РП	1	100	Индивиду- альная	50		—	±(1,5...2,5)%	±2,5%		
РЭ	1	100	»	300	0,1... 63 м3/ч (0,004)	—	±2,5%	±2,5%	0,6	0,6; 1,6
РМ	1	100	»	400	0,16...2,5м3/ч(0,004)	—	+2,5%	±2,5%	0,6	6,4
Длиномеры высокого давления (ГОСТ 14806-76)			0,2 0,5 1,0 2,0  5,0  10,0	250	10 20 35 60 100 160		±0,2 ±(0,3...0,5) ±(0,6...0,8)  ±1,5 ±2,5 ±6,0	0,15 0,3 0,5 0,6 1,2 2,0	0,31... 0,59	0,07... 0,30
Длиномеры низкого давления (ГОСТ 11198-75)	1...7		0,5  1,0  2,0  5,0  10,0  20,0	500	20 40  80 160 320 630		0,5  1,0  2,0  3,0  8,0  15,0		0,2... 0,6	0,005 ± ±0,00005


Приборы, построенные по дифференциаль- ной схеме:  236  235 БВ-6017-4К БВ-1096-М-В  БВ-1096-М-2К БВ-1096-М-4К	2  6  4  2  4	±40  ±40 ПО 100  100 100	0,2...2,0  1,0  1,0;  1,0; 0,5; 0,2  1,0; 0,5; 0,2  1,0; 0,5; 0,2	II III 1	1 III II	+2,0  +2,0 ±1,8 ±2,0  ±2,0  ±2,0	10 мм вод. ст.  Тоже 1,0 ±1,5 деле- ния шкалы  Тоже  »	10 мм вод.ст. То же  1,0	—	0,05.„О,2  0,05... 0,2  0,05... 0,2  0,05 ...0,2  0,05...0,2  0,05... 0,2
Приборы, построенные по компенсацион- ной схеме:  243	4	±40	1,0				±0,5	0,5	0,32... 0,6	0,2
245	6	±40	0,5 0,2 1,0						±0,3 ±0,16 ±0,5	0,3  0,16  0,5	0,32...0,6	0,2
327	2	±40	0,5 0,2 1,0						±0,3 ±0,16 0,8	0,3  0,16  0,5	0,32.„0,6	0,2
			0,5 0,2				0,5 0,3	0,3  0,16		
случае, если давление в камерах 3 и 6 одинаково. При изменении
зазора измерительное давление также меняется и равновесие мемб-
раны нарушается. Перемещаясь, она изменяет положение иглы 10
относительно сопла 2 таким образом, что давление в компенсаци-
онной камере вновь становится равным измерительному.

Перемещение иглы 10 отсчитывается по шкале показывающе-
го прибора 1. Получение команд в компенсационных приборах
может осуществляться и с помощью электроконтактных преоб-
разователей.

Основные технические характеристики некоторых компенсаци-
онных приборов см. в табл. 2.16.

Контрольные вопросы

1.	В чем заключается принцип действия средств измерения и контроля
с пневматическим преобразованием?

2.	Что такое манометрические и расходомерные измерительные при-
боры?

3.	В чем состоят преимущества и недостатки пневматических при-
боров?

4.	Что такое дифференциальный сильфонный измерительный
прибор?

2.2.6. Средства измерения и контроля с электрическим
и электромеханическим преобразованием

Электрические и электромеханические измерительные прибо-
ры характеризуются наличием единого источника энергии —
электрического тока. Широкое распространение в измерительной
технике нашли электрические преобразователи, индуктивные, ем-

Рис. 2.37. Принципиальные схемы ин-
дуктивных преобразователей:

1 — индуктивная катушка; 2 — магнитопро-
вод; 3 — якорь; 4 — пружина; 5 — объект
измерения

костные, электронные и фо-
тоэлектрические приборы.
Они отличаются высокой точ-
ностью, позволяют вести ди-
станционные измерения,
имеют сравнительно неболь-
шие габаритные размеры, об-
ладают незначительной инер-
ционностью.

Электрические преобра-
зователи являются одной из
составных частей электри-

ческих и электромеханичес-
ких измерительных прибо-
ров, классификация и кон-
струкция которых будет рас-
смотрена ниже.
В индуктивных приборах (рис. 2.37) используется свойство ка-
тушки изменять свое реактивное сопротивление при изменении
некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивнос-
ти Ь. Для получения возможно большей индуктивности катушку,
как правило, выполняют с магнитопроводом из ферромагнитного
материала. Один из элементов магнитопровода 2 — якорь 3 выпол-
няют подвижным, а его положение относительно неподвижной
части магнитопровода 2 будет определять величину изменения маг-
нитного сопротивления цепи, а следовательно, и индуктивной ка-
тушки 1. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к
соответствующему изменению ее полного сопротивления К. Таким
образом, если связать перемещение якоря с измеряемой величи-
ной 5 при постоянной скорости перемещения, возникает функци-
ональная зависимость между 3 и электрическим параметром Ь. Ус-
тройство, которое преобразует линейные перемещения в электри-
ческий параметр с помощью описанной выше катушки, называ-
ется индуктивным преобразователем.

Индуктивные измерительные приборы могут быть бесконтакт-
ными и контактными. В бесконтактном индуктивном приборе конт-
ролируемая деталь (только из ферромагнитных материалов) непос-
редственно включена в магнитную цепь, образуя участок магнито-
провода. Схема контактного безрычажного дифференциального ин-
дуктивного прибора с малым ходом, например модель БВ-3099,
или 226, показана на рис. 2.38. От-
клонение размеров контролиру-
емой детали 9 вызывает пере-
мещение измерительного стер-
жня 8, на котором закреплен
якорь 6, находящийся в воздуш-
ном зазоре между магнитопро-
водами индуктивных катушек 1
и 7. В зависимости от положе-
ния якоря меняется воздушный
зазор у магнитопроводов, в ре-
зультате чего индуктивное со-
противление одной катушки
возрастает, а другой — умень-
шается. При этом нарушается
равновесие моста, образованно-
го индуктивными катушками 1
и 7 и сопротивлениями 2 и 4,
который питается от стабилизи-
рованного генератора звуковой
частоты 3. В результате в диаго-
нали моста возникает ток, на-
правление которого определяет-

Рис. 2.38. Схема индуктивного прибора:
1 и 7 — индуктивная катушка; 2 и 4 —
сопротивление; 3 — генератор; 5 — от-
счетный прибор; 6 — якорь; 8 — изме-
рительный стержень; 9 — контролируе-
мая деталь
ся отклонением в ту или иную сторону измерительного стержня от
среднего положения. Отсчетный прибор 5, включенный в диагональ
моста через фазочувствительный выпрямитель, показывает величи-
ну этого отклонения.

Индуктивные приборы выпускают как со стрелочными показыва-
ющими приборами, которые имеют пять регулируемых пределов из-
мерения ±(1; 3; 10; 30; 100) мкм с разной ценой деления (0,02; 0,05;
0,2; 2 мкм соответственно), так и с цифровыми устройствами, име-
ющими три регулируемых предела измерения ±(10; 100 и 1000) мкм с
разной ценой деления (0,005; 0,05 и 0,5 мкм соответственно).

В емкостных измерительных системах используется принцип пре-
образования линейных перемещений в изменение электрической
емкости конденсатора. По изменению емкости судят об изменении
размера. Емкостные измерительные приборы могут быть бескон-
тактными и контактными. В бесконтактном приборе контролируе-
мая деталь непосредственно включается в электрическую цепь в
качестве одной из пластин конденсатора. Схема прибора, в кото-
ром применен дифференциальный емкостный преобразователь с
двумя неподвижными пластинами, включенными в мостовую схе-
му, показана на рис. 2.39. Изменение положения измерительного
стержня 10, на конце которого закреплена подвижная пластина
13, при измерении объекта измерения 8, установленного на изме-

Рис. 2.39. Схема емкостного
прибора:

/ и 7 — неподвижная пластина;
2 — конденсатор; 3 — генератор;
/—усилитель; 5—показывающий
прибор; 6 — реле; 8 — объект из-
мерения; 9— измерительный стол;
10 — измерительный стержень;
11 — пружина; 12 — направляю-
щие; 13 — подвижная пластина

рительном столе 9, влечет за собой
изменение емкости двух конденсато-
ров, образованных пластинами 7, 13
и 1, 13. Эти конденсаторы и регули-
ровочный конденсатор 2 включены в
мостовую схему, которая питается от
высокочастотного генератора 3. Вы-
ходное напряжение преобразователя
через усилитель 4 подается на пока-
зывающий прибор 5 и исполнитель-
ное реле 6.

Емкостные измерительные прибо-
ры обладают малой инерционностью
(менее 0,04 с), высокой чувствительно-
стью, весьма малым измерительным
усилием, так как силы электростати-
ческого притяжения между пластина-
ми очень малы. Однако эти приборы
предъявляют повышенные требования
к стабильности электронной схемы I
включения.

Механотронные измерительные
приборы состоят из электронного
преобразователя, представляющего
собой электронную лампу с механи-
ческим управлением электронными
и ионными токами, измерительной
схемы, усилителя, показывающего
устройства и источника питания. Эти
приборы предназначены не только для
измерения перемещений, воздейству-
ющих перпендикулярно оси выходно-
го штыря лампы, но и усилий Р.

Механотроны изготавливают на
основе диодов, триодов и тетродов с
подвижными анодами, катодами или

Рис. 2.40. Схема механотрона:
1 — корпус-баллон; 2и 5— анод;
3 — изолятор; 4 — гофрирован-
ные трубки; 6 — катод

сетками. Наибольшее распростране-
ние получили преобразователи, вы-
полненные в виде сдвоенного диода.
Механотрон (рис. 2.40) содержит ва-
куумный корпус-баллон 1, аноды 2

и 5, которые закреплены в изоляторе 3, и накаленный катод 6.
Ввод перемещения внутрь колбы осуществляется через мембраны

или гофрированные трубки 4.

В зависимости от взаимного расположения электродов изме-

няются характеристики преобразователя по току и напряжению,
что фиксируется прибором или используется для подачи сигна-

лов управления.	,

В фотоэлектрических измерительных приборах с помощью оп-
тической системы, построенной на диафрагмировании или отра-
жении светового потока и фотоэлемента, энергия света преобра-
зуется в электрический сигнал, который, усиливаясь, поступает
либо на показывающий прибор, либо в устройство для подачи

команд.

Фотоэлектрические измерительные системы для непрерывного
измерения размера контролируемых деталей по изменению вели-
чины светового потока, падающего на катод фотоэлемента, при-
меняются редко. Причиной этого является нестабильность харак-
теристик фотоэлементов во времени.

Фотоэлектрические преобразователи, которые являются базо-
вым элементом рассматриваемых систем, широко применяются в
дискретных измерительных системах с отражением светового по-
тока, например в автоматах ЛИЗ для контроля и сортировки дета-
лей подшипников качения, в счетных схемах, оптических систе-
мах для измерения перемещений и др.

Контрольные вопросы

1.	Какова область применения средств измерений и контроля с электри-
ческим и электромеханическим преобразованием?
2.	Как действует функциональная схема средств измерения с элект-
рическим преобразованием?

3.	Каков принцип действия индуктивных и емкостных приборов?

Лабораторная работа: «Измерение и контроль линейных размеров с
помощью средств с электрическим преобразованием».

2.2.7.	Средства измерения и контроля с радиоактивным
преобразованием

Радиоактивные измерительные приборы основаны на использо-
вании свойств радиоактивных излучений: проникать сквозь веще-
ство, рассеиваться веществом и ионизировать вещество.

Радиоактивные приборы применяются в отраслях промышлен-
ности с тяжелыми условиями эксплуатации (запыленность, влаж-
ность, высокие температуры, агрессивная среда). Они успешно
используются для автоматизации технологических процессов из-
готовления проката металлов, резины, бумаги, стекла, всевоз-
можных пленок, автоматизации литейного и кузнечно-прессово-
го производства. Радиоактивные приборы позволяют вести бес-
контактные измерения при больших скоростях проката со зна-
чительнытми величинами вибраций и колебаний измеряемого
объекта, при значительных колебаниях температуры в зоне изме-
рения. Однако использование источников ядерного излучения
всегда связано с необходимостью защиты обслуживающего пер-
сонала от воздействий излучения.

Для контроля линейных размеров применяются приборы, в
которых величина поглощения или рассеивания потока радиоак-
тивного излучения функционально связана с контролируемой ве-
личиной. Простейшая схема прибора для контроля толщины ли-
ста показана на рис. 2.41, а. Поток радиоактивных излучений от
источника излучения 1, пройдя сквозь контролируемую деталь 2,
попадает в приемник 3, где в зависимости от интенсивности по-
тока (от толщины листа) создается определенной величины элек-
трический сигнал, который усиливается и преобразуется проме-
жуточным преобразователем 4 и далее поступает на отсчетное
или командное устройство 5.

Измерение размеров с помощью обратного рассеивания пото-
ка излучений показано на рис. 2.41, б. При направлении пучка
радиоактивного излучения 1 на поверхность изделия 2 с иско-
мой толщиной часть лучей проходит сквозь изделие, а часть лу-
чей претерпевает рассеивание контролируемой деталью и изме-
няет свое первоначальное направление. Обратное рассеивание
излучения происходит не только на поверхности изделия, но и
на разной его глубине в зависимости от толщины изделия. Изме-
ряя приемником 3 с аналогичной электрической схемой 4 и от-
Рис. 2.41. Схемы радиоактивных преобразователей:

а — для контроля толщины листа (1 — источник излучения; 2 — контролируемая
деталь; 3 — приемник; 4 — промежуточный преобразователь; 5 — отсчетное или
командное устройство); б — измерение размеров с помощью обратного рассеива-
ния потока излучений (/ — пучок радиоактивного излучения; 2 — поверхность
изделия; 3 — приемник; 4 — электрическая схема; 5— отсчетное устройство); в —
дифференциальная (/ и 2— приемник; 3 — промежуточный преобразователь; 4 —
отсчетное устройство); г — компенсационная (1 и 2 — приемник; 3 — промежу-
точный преобразователь; 4 — сервопривод; 5 — компенсационный клин); д — по
методу динамической компенсации (1 — клин; 2 — приемник; 3 — промежуточ-
ный преобразователь; 4 — измеритель)
счетным устройством 5 интенсивность отраженного потока, судят
о толщине детали.

Однако схемы прямого измерения обладают существенным не-
достатком — низкой точностью. Дифференциальная схема измере-
ния (рис. 2.41, в), для которой характерно сравнение двух потоков
излучения (один из них измеряемый /изм, а второй — образцовый
/обр), имеет более высокие метрологические показатели. Промежу-
точный преобразователь 3 помимо функций, выполняемых в пре-
дыдущих схемах, должен также выделить разностный сигнал, ко-
торый затем поступает на отсчетное устройство 4.

Компенсационная схема измерения (рис 2.41, г) позволяет уст-
ранить влияние нестабильности промежуточного преобразователя 3,
так как в этом случае разностный сигнал от потока /изм и компенса-
ционного потока /ком воздействует на сервопривод 4, перемещаю-
щий компенсационный клин 5 таким образом, что величина раз-
ностного сигнала приводится к нулю. Отсчет осуществляется по по-
ложению компенсационного клина. Одним из недостатков обычных
компенсационных схем является наличие в них механической сле-
дящей системы, ограничивающей быстродействие прибора.

В целях повышения быстродействия используют схему измере-
ния по методу динамической компенсации (рис. 2.41, д). В отличие
от обычных компенсационных схем клин 7 здесь все время нахо-
дится в движении (вращается) таким образом, что интенсивность
образцового излучения 1О&Р, падающего на приемник 2, непрерыв-
но изменяется по пилообразному закону. В промежуточном преоб-
разователе 3 отмечается момент равенства компенсирующего и
измеряемого потока, а измеритель 4 фиксирует положение клина,
соответствующее этому моменту.

Для измерения линейных размеров в машиностроении исполь-
зуются источники (3- и у-излучений, представляющие собой герме-
тичные металлические ампулы небольших размеров, в которые за-
ключено небольшое количество вещества (сплавы, металлы, соли и
эмали), содержащего радиоактивный изотоп. Основными областя-
ми применения р-излучения являются измерения толщины, плот-
ности и массы материала. В устройствах, где требуется большая про-
никающая способность излучения (толщиномерах, плотномерах,
дефектоскопах, уровнемерах), широко используют у-излучение.

Приемники излучений можно разделить на две группы. К пер-
вой группе относятся приемники, действие которых основано на
ионизации газа, возникающей под действием радиоактивных лу-
чей (ионизационные камеры, газовые счетчики). Действие второй
группы приемников основано на ионизации в твердых веществах и
некоторых растворах (сцинтилляционные счетчики).

Определение наличия детали или инструмента, счета деталей,
проходящих по конвейеру, блокировка металлорежущего обору-
дования при подаче сразу двух и более заготовок вместо одной в
зону обработки и решение многих других задач осуществляется с
помощью Р-реле и у-реле.

Для построения таких приборов промышленностью выпуска-
ются универсальные элементы (блоки), входящие в автоматичес-
кие управляющие системы. Они состоят из блока излучения, изме-
рительного блока (зонда), релейного блока и блока сигнализации.

2.2.8.	Контроль калибрами

Для выполнения операций технического контроля в условиях
массового и крупносерийного производства широко используют
контрольные инструменты в виде калибров. Калибры — это тела
или устройства, предназначенные для проверки соответствия раз-
меров изделий или их конфигурации установленным допускам. Они
применяются чаще всего для определения годности деталей с точ-
ностью 6... 17 квалитетов, а также в устройствах активного конт-
роля, работающих по принципу «западающего калибра».

С помощью предельных калибров определяют не численное зна-
чение контролируемого параметра, а выясняют, выходит ли этот
параметр за предельные значения или находится между двумя допу-
стимыми. При контроле деталь считается годной, если проходная
сторона калибра (ПР) под действием усилия, примерно равного
массе калибра, проходит, а непроходная сторона калибра (НЕ) не
проходит по контролируемой поверхности детали. Если ПР не прохо-
дит, деталь относят к бракованным с исправимым браком. Если НЕ
проходит, деталь относят к бракованным с неисправимым браком.

Виды гладких калибров для цилиндрических отверстий и валов
устанавливает ГОСТ 24851—81. В системе ИСО гладкие калибры
стандартизованы ИСО-Р1938—1971.

Стандарт предусматривает следующие гладкие калибры для ва-
лов и относящиеся к ним контрольные калибры:

ПР — проходной калибр-скоба;

НЕ — непроходной калибр-скоба;

К-ПР — контрольный проходной калибр для нового гладкого
калибр-скобы;

К-НЕ — контрольный непроходной калибр для нового гладко-
го калибр-скобы;

К-И — контрольный калибр для контроля износа гладкого про-
ходного калибр-скобы.

Для контроля отверстий предусмотрены:

ПР — проходной калибр-пробка;

НЕ — непроходной калибр-пробка.

Калибр-пробки для контроля отверстий. Применяют предельные
калибр-пробки различных конструкций (ГОСТ 14807—69 — ГОСТ
14827—69). К ним относятся: пробки двусторонние с цилиндриче-
скими вставками (рис. 2.42, а) и со вставками с коническим хво-
Рис. 2.42. Калибр-пробки
Рис. 2.43. Калибр-скобы

стовиком (рис. 2.42, б, в), пробки с цилиндрическими насадками
(рис. 2.42, г), пробки полные (рис. 2. 42, д, е), пробки неполные
(рис. 2.42, г), пробки односторонние листовые (рис. 2.42, ж), шайбы
неполные и шайбы полные (рис. 2.42, з).

Предпочтение отдают односторонним предельным калибрам. Они
сокращают время контроля изделий и расход материала.

Калибр-скобы для контроля валов. Применяют предельные и ре-
гулируемые калибр-скобы (ГОСТ 18358—73 — ГОСТ 18369—73).
К предельным калибрам-скобам относятся: скобы листовые одно-
сторонние (рис. 2.43, а) и двусторонние; скобы штампованные
односторонние (рис. 2.43, б), двусторонние (рис. 2.43, в) и одно-
сторонние с ручкой (рис. 2.43, г).

Регулируемые калибр-скобы (рис. 2.44) позволяют компенси-
ровать износ и могут настраиваться на разные размеры, относя-
щиеся к определенным интервалам. Однако по сравнению с нере-
гулируемыми скобами они имеют меньшую точность и надежность
и обычно применяются для контроля размеров с допусками не
точнее 8 квалитета точности.

По назначению предельные калибры подразделяют на рабочие,
приемные и контрольные.

Рабочие калибры предназначены для контроля деталей в

процессе их изготовления. Ими
пользуются операторы и наладчи-
ки оборудования, а также контро-
леры ОТК завода-изготовителя.

Приемные калибры при-
меняют для приемки деталей пред-
ставителями заказчика.

Для установки регулируемых ка-
либр-скоб и контроля нерегулиру-
емых калибр-скоб, а также для
изъятия из эксплуатации вслед-
ствие износа применяют конт-
рольные калибры (К-И), ко-
торые имеют форму шайб (см.

Рис. 2.44. Регулируемая калибр-
скоба
б

Рис. 2.45. Эскизы калибр-пробки (а),
калибр-скобы (б) и калибр-шайбы (в)

рис. 2.42, з). Несмотря на ма-
лый допуск контрольных ка-4
ливров они все же искажают^
установленные поля допусков
на изготовление и износ ра-|
бочих калибров, поэтому вме-1
сто них, по возможности, це-з
лесообразно применять кон-1
цевые меры длины или униИ
версальные измерительные^
приборы.	|

Вставки и насадки калибр-;
пробок изготавливают из ста-
лей X по ГОСТ 5950—73 или*
ШХ-15 по ГОСТ 801-78. До-:
пускается изготовление вста-з
вок и насадок из сталей У10А;
или У12А для калибров всех
видов, кроме неполных ка-1
либр-пробок, получаемых
штамповкой, а также из стали'
15 или 20 для калибров диа-

метром более 10 мм.

При изготовлении деталей калибров с рабочей поверхностью'

из цементуемой стали 15 или 20 толщина слоя цементации должна
быть не менее 0,5 мм. Рабочие поверхности, а также поверхности1
заходных и выходных фасок (притуплений) калибр-пробок всех
видов размером 1 — 100 мм (кроме листовых и неполных калибр-
пробок) хромируют или наносят другое износостойкое покрытие.

Твердость рабочих поверхностей и поверхностей заходных и вы-

ходных фасок калибр-пробок с хромовым покрытием — НКСЭ
57...65. Параметры шероховатости рабочих поверхностей должны
находится в пределах Ка 0,04...0,32 мкм в зависимости от вида ка-
либра, точности контролируемого параметра изделия и его размера.

Для повышения износостойкости и снижения затрат в условиях

производства часто применяют калибры со вставками и насадками
из твердосплавных материалов (ГОСТ16775—71 — ГОСТ16780—71).
Износостойкость таких калибров в 50... 150 раз выше по сравне-
нию с износостойкостью хромированных калибров при повыше-
нии стоимости калибров в 3...5 раз.

Технические требования на гладкие нерегулируемые калибры
устанавливает ГОСТ 2015—84.

Маркировка калибра предусматривает номинальный размер
детали, для которого предназначен калибр, буквенное обозна-
чение поля допуска изделия, числовые значения предельных
отклонений изделия в миллиметрах (на рабочих калибрах), тип
калибра (например, ПР, НЕ, К-И) и товарный знак завода-
изготовителя. На рис. 2.45 представлены эскизы калибр-пробки
(ГОСТ 14810—69), калибр-скобы (ГОСТ 18362—73) и конт-
рольного калибр-шайбы с указанием типовой маркировки, ис-
полнительных размеров, точности формы и шероховатости ра-
бочих поверхностей.

Калибры для контроля глубин и высот уступов (рис. 2.46) состав-
ляют особую группу. Конструктивно представляют собой ступен-
чатые пластины той или иной формы. ГОСТ 2534—77 предусмат-
ривает виды калибров с охватом размеров 1...500 мм 11... 17 ква-
литетов точности. Калибрами определяют годность изделия по на-
личию зазора между соответствующими плоскостями калибра и
изделия. Вместо проходной и непроходной сторон у этих калибров
имеются стороны, соответствующие наибольшему (Б) и наимень-
шему (М) предельным размерам изделия.

Основными методами контроля являются следующие методы:
световой щели или на просвет, надвигания, осязания, по рискам.

От выбранного метода зависят и средства контроля:
калибры для контроля на просвет (см. рис. 2.46, а, б, в);
калибры для контроля методом надвигания (см. рис. 2.46, г, д, е);
калибры для контроля методом осязания (см. рис. 2.46, ж, з);
калибры для контроля по рискам (см. рис. 2.46, и, к).

Калибрами по методу на просвет контролируются допуски не
менее 0,04... 0,06 мм. Минимальные допуски изделий, контроли-
руемых ступенчато-стержневыми калибрами, составляют 0,03 мм,
контролируемых по осязанию — 0,01 мм.

В системе ИСО предельные калибры для глубин и высот не стан-
дартизованы.

Конусные калибры. Контроль наружных конусов выполняется
конусными калибр-втулками, а контроль внутренних конусов —
конусными калибр-пробками. ГОСТ 24932—81 устанавливает виды
и исполнения калибров для гладких конусов с раздельным норми-
рованием каждого вида допуска с диаметрами в заданном сечении
до 200 мм, конусностью от 1:3 до 1:50, допусками диаметров 6... 12
квалитетов, допусками углов конусов 4... 9 степеней точности. Не-
которые представители конусных калибров изображены на рис. 2.47.

Примеры обозначения:

калибр-втулки 40 4-й и 5-й степени точности — «Втулка 40
АТ4, ГОСТ 20305-80»;

контрольной калибр-пробки 60 6-й и 7-й степени точности —
«Пробка 60-К АТ6, ГОСТ 20305-80».

Калибры для контроля расположения поверхностей. Допуски, ме-
тодика расчета исполнительных размеров и общие указания по при-
менению калибров для контроля расположения поверхностей ус-
тановлены ГОСТ 16085—80. Он распространяется на калибры не-
разъемной конструкции, предназначенные для контроля поверх-
Рис. 2.46. Калибры для контроля глубин и высот уступов

ностей (их осей или плоскостей симметрии) с зависимыми допус-
ками расположения, а также для контроля прямолинейности оси
при зависимом допуске формы.

Измерительные поверхности калибров расположения представ-
ляют собой композицию элементов, воспроизводящих совокупность
поверхностей сопрягаемых деталей.
При этом размеры от-
дельных измерительных
поверхностей выполняют
по самому неблагоприят-
ному для сборки размеру
(по проходному пределу),
а их относительное распо-
ложение или расположе-
ние относительно базово-

Рис. 2.47. Виды конусных калибров

го элемента с очень высокой точностью выдерживают по указан-
ным на чертеже изделия номинальным размерам.

Калибры контроля точности цилиндрических резьб. С помощью
калибров применяют комплексный и дифференцированный (по-
элементный) методы. Комплексный метод применяют для резьбо-
вых деталей, допуск среднего диаметра которых является суммар-
ным. Он основан на одновременном контроле среднего диаметра
(с?2 (А)), шага (Р), половины угла профиля (а/2), а также внут-
реннего (г/| (//)) и наружного (*/ (Л)) диаметров резьбы путем срав-
нения действительного контура резьбовой детали с предельными.

При дифференцированном методе контроля отдельно проверя-
ют внутренний Л] и наружный г/диаметры, шаг Р и половину угла
профиля а/2 с помощью обычных гладких калибров и шаблонов.

Все виды калибров и контркалибров (всего 37 видов) для ци-
линдрических резьб (метрической, трапецеидальной, трубной и
упорной) устанавливает ГОСТ 24939—81. Конструктивные разме-
ры резьбовых калибров и их элементов регламентируют ГОСТ
18465-73 и ГОСТ 18466-73.

В комплект резьбовых калибров входят рабочие гладкие и резь-
бовые проходные и непроходные калибры, калибры и контрка-
либры (КПР, ПР, КПР-НЕ, КНЕ-ПР, КНЕ-НЕ, КИ-НЕ, У-НЕ,
У-ПР) для проверки и регулирования (установки) рабочих резь-
бовых скоб и колец.

Проходные резьбовые калибры должны свинчиваться с прове-
ряемой резьбой. Свинчиваемость калибра с гайкой означает, что
приведенный средний и наружный диаметры резьбы гайки не вы-
ходят за установленные наименьшие предельные размеры.

Маркировка резьбового калибра предусматривает нанесение обо-
значения резьбы, поля допуска резьбы, назначения калибра (на-
пример, ПР), товарного знака предприятия-изготовителя, а на
калибрах с левой резьбой предусматривается добавление букв «ЬН».

На калибрах, используемых для собственных нужд предприя-
тия-изготовителя, товарный знак может не наноситься.

Комплексные проходные калибры. Точность размеров, формы и по-
ложения поверхностей у деталей с прямобочными шлицами, как пра-
вило, контролируют комплексными проходными калибрами
(ГОСТ 24959—81, ГОСТ 24960—81): шлицевые втулки проверяют
калибр-пробками, а шлицевые валы — калибр-кольцами. При необ-
ходимости производят также поэлементный контроль центрирующих
и нецентрирующих диаметров, ширины впадин и шлицев специаль-
ными гладкими калибрами по ГОСТ 24961—81 — ГОСТ 24968—81.

Условное обозначение калибра состоит из наименования калиб-
ра («пробка» или «кольцо»), номера вида калибра, условного обо-
значения шлицевой втулки вала, для которых предназначен данный
калибр, степени точности калибра и обозначения стандарта.

Примеры обозначения:

калибр-кольца 1-го вида 4-й степени точности для вала 50x2x9^
по ГОСТ 6033-80 - «Кольцо 1-50x2x9^/4, ГОСТ 24969-81»;

комплексного калибр-пробки 5-го вида 4-й степени точности для
шлицевой втулки 50х2х9Н по ГОСТ 6033—80 — «Пробка
5-50х2х9Н/4 ГОСТ 24969-81».

Контрольные вопросы

1.	Что такое калибры и для каких целей они применяются?

2.	В чем состоит отличие между понятиями «контроль» и «измерение»?

3.	Как классифицируются калибры?

4.	В чем заключается принцип контроля предельными калибрами?

Лабораторная работа. «Контроль предельными калибрами партии
деталей».

2.3.	Измерение и контроль механических величин

2.3.1.	Методы и средства измерения и контроля
кинематических величин

Параметрами механического движения, подлежащими измерению
на практике, являются перемещение, скорость и ускорение. Это ки-
нематические параметры и они взаимосвязаны: зная перемещение
и время перемещения, можно определить скорость и ускорение:

скорость — перемещение/время (м/с);

ускорение — перемещение/квадрат времени (м/с2).

В свою очередь, по известному ускорению можно получить ско-
рость и перемещение.

Диапазоны измеряемых скоростей и ускорений чрезвычайно ве-
лики. Условно их разбивают на поддиапазоны.

Линейные скорости (до), м/с:

околосветовые..................................3106

космические....................................2-Ю4

авиационных объектов...........................103

транспортные...................................50

промышленные...................................10

малые технические..............................10_|
весьма малые....................................10-5

Угловые скорости (до), рад/с:
весьма большие...................................3-104

средние...........................................Ю2

малые.............................................10

малые технические.................................1

весьма малые......................................10-5

Ускорения (до), м/с2:
весьма большие.................................2 • 105

большие...........................................Ю3

средние...........................................102

малые.............................................1

весьма малые...................................... 10~5

Параметры движения по характеру изменения во времени мож-
но разбить на параметры поступательного, вращательного и коле-
бательного движений.

Средства измерений и контроля, предназначенные для измере-
ния линейных скоростей, называются измерителями скорости', сред-
ства для измерения и контроля угловых скоростей (частоты вра-
щения) — тахометрами, а средства для измерения ускорений —
акселерометрами. Большой класс средств измерений применяется
для измерения параметров колебательного движения (вибраций).
Если измеряются параметры вибраций машин, устройств, соору-
жений, то соответствующие средства называются виброметрами.
Приборы, применяемые для измерения параметров движения зем-
ной поверхности, называются сейсмографами.

Методы и средства измерения и контроля линейных скоростей. 
> Наиболее распространенные методы измерения линейных скорос-
тей движущихся твердых тел: аэрометрический, компенсацион-
 ный, термодинамический, корреляционный, доплеровский, элек-
: тромагнитный, инерциальный и др.	|

Аэрометрический метод (рис. 2.48, а) основан на изме- ’
• рении скоростного (динамического) напора, функционально свя-
' занного со скоростью тела, движущегося в воздушной среде.
^Скоростной напор определяется манометрической коробкой 3
(Путем сравнивания статического давления, образуемого при дви-
> жении воздушной среды в приемнике статического давления 1 и
.приемнике полного давления 6. Результат сравнения показывается
г стрелкой 4 на отсчетном устройстве. Средства измерения, постро-
ченные на аэрометрическом методе, позволяют измерять скорость
! с погрешностью, не превышающей 2... 3%.

ь- Компенсационный метод (рис. 2.48, б) основан на ав-
томатическом уравновешивании полного давления рп и давления
грк, развиваемым воздушным компрессором 7. В манометрическом
вреде 2 с двумя полостями, в одну из которых поступает полное <
в

Рис. 2.48. Методы измерения и контроля линейных скоростей:	'

а — аэрометрический (7 — приемник статического давления; 2 — корпус;
3 — манометрическая коробка; 4 — стрелка; 5 — трубопроводы; 6 — приемник _
полного давления); б — компенсационный (7 — воздушный компрессор; 2 —
манометрическое реле; 3 — двигатель); в — термодинамический (7 — открытая ;
термопара; 2 — сумматор; 3 — делитель; 4 — экранированная термопара); г —
турбинный (7 — тангенциальная турбинка; 2 — аксиальная турбинка) ;

давление р„, а во вторую — давление рк рп и дк уравновешиваются.
Замыкание цепи двигателя 3, приводящего во вращение компрес-
сор, происходит тогда, когда давление рп больше рк. При этом мем-
брана манометрического реле 2 прогибается влево. При замыкании
и размыкании контактов частота вращения электродвигателя под-
держивается такой, при которой обеспечивается равенство рп и рк.

Термодинамический метод (рис.2.48,в)основаннаизме-
рении температуры заторможенного потока воздушной среды с помо-
щьюоткрытойтермопары 1 и экранированной термопары 4 (либо других
преобразователейтемпературы).Разностьсопротивленийэтихтермопар
улавливается сумматором 2 и делителем 3. Для реализации этого мето-
да необходимы малоине{5ционные измерители температуры. Погреш-
ности средств измерений скоростей по этому методу обусловлены не-
постоянством параметров преобразователей температуры (7 и 4).

В турбинном методе (рис. 2.48, г) используется кинетиче-
ская энергия воздушного или водного потока для вращения танген-
циальной 1 или аксиальной 2 турбинки. Частота вращения турбин-
ки то будет пропорциональна скорости движения. Средства измере-
ний в виде аксиальной турбинки нашли широкое применение при
измерении скорости морских кораблей.

Методы и средства измерения и контроля скоростей вращения,
нашедшие наиболее широкое распространение в технике: центро-
бежные, магнитоиндукционные, электрические (постоянного и пе-
ременного тока), индукционные и стробоскопические.

Центробежный метод характерен тем, что чувствительный
элемент реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравнове-
шенными массами вра-
щающегося вала. Этот
метод реализуется в ко-
ническом и кольцевом
тахометрах.

В коническом тахо-
метре (рис. 2.49. а) на
шарнирах, вращаю-
щихся вместе с осью,
установлены грузики
т, которые под дей-
ствием центробежных
сил расходятся, пере-
мещая вдоль оси муф-
ту 7 и сжимая пружи-
ну 2. Изменение поло-
жения муфты 1 регис-

(В	<в

а	б

Рис. 2.49. Центробежные тахометры:
а — конический (7 — муфта; 2 — пружина); б —
кольцевой (7 — муфта; 2 — невращающаяся ось)

трируется показывающим элементом тахометра — стрелкой. В коль-
цевом тахометре (рис. 2.49, б) при невращающейся оси 2 (о = 0)
плоскость кольца наклонена по отношению к оси на определен-
ный угол. При вращении кольцо стремится занять положение, пер-
пендикулярное оси вращения, и вызывает перемещение муфты 1
и стрелки отсчетного устройства.

Центробежные тахометры нередко применяются в качестве пре-
образователей в регуляторах частоты вращения. Недостатком этих
средств измерения является отсутствие дистанционности, значи-
тельные погрешности и технологические трудности в изготовле-
нии и регулировании.

Магнитоиндукционный метод основан на зависимо-
сти наводимых в металлическом теле вихревых токов от частоты
вращения. Тахометры, построенные на этом методе, выполняют-
ся в двух вариантах: с цилиндрическим чувствительным элемен-
том (рис. 2.50, а) и дисковым чувствительным элементом (рис.
2.50, б). Основной частью магнитоиндукционного тахометра яв-
ляется измерительный узел, который состоит из постоянного
магнита 1 и чувствительного элемента 2, выполненного в виде
полого цилиндра или диска. Обычно постоянный магнит имеет
частоту вращения, которую необходимо измерить, а чувствитель-
ный элемент, выполненный из металла с большим удельным со-
противлением, удерживается от вращения спиральной пружиной.
В целях уменьшения температурной погрешности от непостоян-
ства магнитной индукции в зазоре применяют термомагнитный
шунт 3.

Магнитоиндукционные тахометры выполняются со шкалами,
проградуированными в с-1 (типа ТЭ) и с процентными шкалами
(типа ИТЭ).
Рис. 2.50. Магнитоиндукционные тахометры:

а — с полым ротором; б — с диском; 1 — постоянный магнит; 2 — чувствительный
элемент; 3 — термомагнитный шунт; 4 — магнитопровод

Тахометр типа ИТЭ состоит из собственно тахометра (измери-
тельного узла) и синхронной передачи переменного тока пере-
менной частоты. Передача включает синхронный генератор трех-
фазного тока и синхронный двигатель с синхронным запуском.

Конструктивно тахометр выполнен в виде преобразователя и
указателя.

Преобразователь тахометра (рис. 2.51) является одновременно
преобразователем синхронной передачи. Он представляет собой
трехфазный генератор с двух- или четырехполюсным ротором-
магнитом 7 из сплава АНК. Статор 8 выполнен из пластин транс-
форматорной стали толщиной 0,5 мм и имеет 12 пазов, в которых
уложена двухслойная обмотка, соединенная в звезду. Пластины

Рис. 2.51. Конструкция преобразователя тахометра:

1 — провод; 2 — кольцо; 3 — уплотнитель; 4 и 11 — подшипник; 5 — винт;
6 и 14 — втулка; 7— ротор-магнит; 8 — статор; 9 — обмотка; 10 — корпус; 12 —
хвостовик; 13 — гайка
статора изолированы друг от друга клеем БФ-1. Обмотка статора
(двух- или четырехполюсная) выполнена из медного провода мар-
ки ПЭВ-2 диаметром 0,27 мм. Каждая фаза статора состоит из
четырех катушек.

Привод преобразователя осуществляется с помощью хвостови-
ка 12, представляющего собой длинный гибкий вал, проходящий
через втулку 6. Вал скреплен с помощью квадратного хвостовика и
пружинного кольца 2. Ротор вращается в шарикоподшипниках 4
и 11. Преобразователь крепится к приводу двигателя с помощью
накидной гайки 13.

Электрический метод измерения основан на зависимо-
сти генерируемого напряжения от частоты вращения (для посто-
янного, переменного и импульсного тока), а для переменного и
импульсного тока — на зависимости частоты тока от частоты вра-
щения.

Электрические тахометры постоянного тока (рис. 2.52) включа-
ют в себя тахогенератор постоянного тока и гальванометр. Тахоге-
нераторы бывают двух типов: с ограниченным и неограниченным
углом поворота ротора.

Тахогенератор с ограниченным углом поворота ротора
(см. рис. 2.52, а) выполняется с неподвижной статорной обмот-
кой, внутри которой помещается постоянный магнит, связанный
с валом, скорость вращения которого измеряется. Такие тахогене-
; раторы применяются в качестве преобразователей угловой скоро-
сти и скоростной обратной связи в системах управления. Достоин-
ство такого тахогенератора — отсутствие коллектора и щеток.

Основными элементами тахогенератора с неограниченным уг-
лом поворота (см. рис. 2.52, б) являются постоянный магнит 1 с
соответствующими магнитопроводами, обмотка якоря 2 и кол-
лектор со щетками 3. Снимаемое с коллектора напряжение посто-
янного тока измеряется гальвано-
метром.

В тахометрах переменного тока
тахогенератор состоит из вращаю-
щегося постоянного магнита и ста-
торной обмотки. Измерение угло-
вой скорости о сводится к изме-
рению частоты переменного тока,
равной частоте вращения или к из-
мерению амплитуды напряжения.
Первый способ более предпочти-
телен, так как частота вращения
равна частоте переменного тока.

Среди тахометров переменно-
го тока особое место занимают ин-
дукционные тахометры (рис. 2.53).

Рис. 2.52. Схемы электрических
тахометров постоянного тока:
а — тахогенератора с <р < <р0; б — та-
хогенератора постоянного тока; 1 —
постоянный магнит; 2 — обмотка
якоря; 3 — коллектор со щетками;

ОУ — отсчетное устройство
Рис. 2.53. Схема индукционного
тахометра:

/ — внешний магнитопровод; 2 —
внутренний магнитопровод; 3 — об-
мотка; 4 — ротор

Тахогенератор такого прибора пред
ставляет собой электрическую ма
шину асинхронного типа, состоя
щую из внешнего 1 и внутренней
2 магнитопроводов, в зазоре меж
ду которыми располагаются статор
ная обмотка 3, состоящая из обмот
ки возбуждения и сигнальной эб
мотки, и алюминиевый тонкостей
ный ротор 4, выполненный в вид:
цилиндра. Оси обмоток (катушек
возбуждения и сигнальной взаим
но перпендикулярны.

К обмотке возбуждения подводится переменное напряжение ча
стотой 400 Гц, а с сигнальной обмотки снимается напряжение Г
той же частоты, амплитуда которого пропорциональна углово!
скорости вращения полого ротора о.

Индукционные тахометры, имея значительные погреш
ности, применяются только в качестве чувствительного элемент
в системах управления.

Стробоскопический метод измерения угловой скоро
сти основан на свойстве глаза сохранять видимое изображение к
десятые доли секунды после его исчезновения. Средства измерения
построенные по этому принципу, являются наиболее точными и
рассмотренных выше. Они нашли применение в лабораторных ис
следованиях, а также при создании образцовых средств измерений

Принцип реализации эффекта поясняет рис. 2.54. Если отметк
4 на вращающемся валу 1 освещать вспышками света от источни
ка 2, то при совпадении числа вспышек с частотой вращения от
метка будет казаться неподвижной. Если эта разность будет отлич
на от нуля, то отметка начнет вращаться со скоростью в ту юн
иную сторону в зависимости от знака разности частоты вращени

Рис. 2.54. Схема стробоско-
пического тахометра:

1 — вращающийся вал; 2 — ис-
точник света; 3 — глаз операто-
ра; 4 — отметка; УРВ — устрой-
ство регулирования вспышки

и числа вспышек. Поскольку глаз опе
ратора 3 замечает очень медленно
движение отметки, то, подбирая ча
стоту вспышки посредством устрой-
ства регулирования вспышки УРВ
можно остановить отметку и опреде
лить частоту вращения вала.

Точность измерения определяется
точностью воспроизведения и изме-
рения частоты вспышек, точностью
регистрации моментов остановки
стробоскопической картины.

Методы и средства измерения ус-
корений. Ускорения измеряются в мет-
рах на секунду в квадрате (м/с2). В качестве единицы измерения
ускорения часто применяют величину, связанную с ускорением
земного притяжения — Например, ускорение, равное 0,1^; 10#
и т.д. Ускорения могут быть линейными и угловыми. Средства из-
мерения ускорений называются акселерометрами.

Для измерения линейных ускорений применяются инерциаль-
ный метод, метод дифференцирования скорости и метод двухкрат-
ного дифференцирования расстояния до неподвижной базы.

Инерциальный метод основан на измерении силы, раз-
виваемой инерционной массой при ее движении с ускорением. Прин-
цип действия средств измерений, реализующий инерциальный ме-
тод, состоит в следующем (рис. 2.55, а). Инерционная масса 7, свя-
занная с корпусом прибора 4 с помощью пружины 2 и демпфера 5,
может перемещаться в направлении оси 7, называемой осью чувстви-
тельности. Перемещение инерционной массы, пропорциональное
измеряемому ускорению, преобразуется посредством резистивных,
индуктивных или емкостных преобразователей 6 в электрический
сигнал, который после усиления в усилителе У поступает на элек-
: тромагнит 3. Последний создает усилие Е, уравновешивающее инер-
ционную силу тах, т. е.

Г = тах,
где ах— ускорение.

; Методы одно- или двухкратного дифференци-
рования сводятся соответственно к дифференцированию изме-
ренных скорости или расстояния до неподвижной базы.

I Требования к точности измерения ускорений определяются об-
ластью применения. Так, в инерциальных системах погрешности не
[должны превышать ±0,001 %. При применении акселерометров в си-
Гстемах управления погрешности могут составлять ±(1 ...2) %. Погреш-
ности средств измерения ускорений в машинах могут достигать ±4 %.
» Рассмотрим некоторые возможные схемы акселерометров
ирис. 2.55, б, в, г).

| Основными элементами акселерометров являются подвесы инер-
ционных масс, преобразователи сигналов, моментные (силовые)
[устройства, усилители сигналов и корректирующие устройства
идемпферы).

| Для уменьшения потерь в осях подвеса, обеспечения линейной
(зависимости между отклонениями массы и измеряемым ускоре-
нием подвес помещают в жидкость с удельным весом, равным
(удельному весу чувствительного элемента, либо устанавливают его
Ьа воздушной подушке, на струнах. Применяют также электромаг-
нитные и криогенные подвесы.

I В качестве преобразователей сигналов применяются емкостные,
индуктивные, фотоэлектрические, струнные и др. Основные тре-
бования к ним: большая разрешающая способность, линейная за-
Рис. 2.55. Средства измерения ускорений:

а — схема акселерометра (1 — инерционная масса; 2 — пружина; 3 — электромагнит;

4 — корпус прибора; 5 — демпфер; 6 — преобразователь; 7 — ось; У — усилитель); 
б — схема маятникового акселерометра (7 — подвеска; 2 — жидкость; 3 — корпус;

4 — чувствительный элемент; 5 — преобразователь; У — усилитель); в — схема
струнного акселерометра (7 и 5 — струнный преобразователь; 2 и 4— струна; 3 — ?
упругий подвес; 6 — генератор; 7— механизм натяжения струн; 8— регулирующее
устройство); г — схема акселерометра с волоконно-оптическим преобразователем
(7 — источник света; 2 — акселерометр; 3 и 8 — линза; 4 — поляризатор; 5 — ;
фотоупругий материал; 6 — четвертьволновая пластина; 7 — анализатор; 9 —
волоконный светопровод; 10 — приемник излучения — фотодиод)

висимость выхода от входа, отсутствие реакции преобразователя
на чувствительный элемент.

Моментными (силовыми) устройствами для ввода сигналов об- '
ратной связи являются моментные двигатели (электродвигатели, ;
работающие в заторможенном режиме) и электромагниты.

В маятниковых акселерометрах (см. рис. 2.55, б) чувствитель- 1
ный элемент 4 находится в жидкости 2, заключенной в корпусе 3. !
Температура жидкости поддерживается с точностью до 0,01 °С, что
позволяет устранить ее конвективные движения. Сигнал с чувстви-
тельного элемента снимается преобразователем 5 и подается на
усилитель У. С выхода усилителя сигнал поступает на моментный
двигатель, развивающий момент, зависящий от ускорения.

В акселерометрах со струнными преобразователями 1 и 5 (см. ;
рис. 2.55, в) смещение массы т меняет упругие свойства струн 2 и :
4, натянутых в направлении оси чувствительности. Упругий под-
вес 3 исключает движение массы т в поперечном направлении.
Сумма частот колебаний струн 2 и 4 +/2) поддерживается посто-
янной посредством регулирующего устройства 8, для чего она срав-
нивается с эталонной частотой То, вырабатываемой генератором 6.
Разность А/ = (/1 +/2) — /о используется для управления механиз-
мом 7 натяжения струн. При поддержании значения (/] +/2) посто-
янным получается линейная зависимость между измеряемым ус-
корением ах и разностью частот А/.

Струнные акселерометры находят применение в инерциальных
системах управления. При диапазоне измерения ускорений до 20#
погрешность не превышает ±0,004%.

Акселерометр с волоконно-оптическим измерительным преоб-
разователем основан на эффекте фотоупругости. Некоторые мате-
риалы (эпоксидная смола, нитрат лития и др.) меняют свои опти-
ческие свойства при их деформировании. На этой основе создан
целый ряд средств измерения, в которых сила преобразуется в де-
формацию. На рис. 2.55, г источник света 1 (например, полупровод-
никовый лазер), проходя через линзу 3 и поляризатор 4, поступает
на стержень из фотоупругого материала 5, изменяющий свое на-
пряженное состояние в зависимости от ускорения груза акселеро-
метра 2. Преобразуя полученный сигнал с помощью четвертьволно-
вой пластины 6, анализатора 7 и линзы 8, он поступает по воло-
конному светопроводу 9 на приемник излучения (фотодиод) 10. В
результате определяется величина ускорения с достаточно высокой
точностью. Так, при массе груза 25 г чувствительность рассмотрен-
ного акселерометра составляет 0,01^.

Методы и средства измерения вибраций. При измерении вибра-
ций всегда участвуют три элемента: вибрирующее звено, исходное
(невибрирующее) звено и устройство для измерения движения виб-
рирующего звена относительно невибрирующего. Средство изме-
рения вибраций носит название виброметр (рис. 2.56, а). Обычно
исходное (невибрирующее) звено создается с помощью массы,
которая может перемещаться вдоль (или вокруг) оси вибраций.
Масса 1 связывается с основанием прибора 4 с помощью пружи-
ны 2 и демпфера 3. Преобразователь 5 выдает сигнал смещения
корпуса относительно массы 1 в зависимости от параметров массы
7, пружины 2 и демпфера 3. Сигнал может быть пропорциональ-
ным относительному перемещению массы 1 и основания прибора
4, относительной скорости или ускорению. Масса 7 виброметра
носит название сейсмического элемента, а система, образующаяся
из массы 7, пружины 2 и демпфера 3, — сейсмической системы.

Рассмотрим конструктивные схемы некоторых типов вибро-
метров.

Применяемые в настоящее время виброметры имеют электриче-
ский выход. В качестве преобразователей перемещения в электриче-
X

1

2

Рис. 2.56. Средства измерения вибраций:

а — конструкция виброметра (1 — масса; 2 — пружина; 3—демпфер; 4 — основание
прибора; 5 — преобразователь); б — конструкция электромагнитного линейного
виброметра (1 — направляющий диск; 2 — ось чувствительности; 3 — жидкость;
4 — опорный стержень; 5 — втулка; 6 — постоянный магнит; 7 — обмотка;
8 — сейсмический элемент; 9 — каркас катушки; 10 — паз; 11 — воздушный
зазор; 12— пружинный мост; 13 — корпус прибора); в — конструкция виброметра
с индуктивным мостом (7 — опорный стержень; 2 — входная ось; 3 и 9 —
немагнитная втулка; 4 — пружина; 5 — катушки; 6 — лента; 7 — сейсмический
элемент; 8 — пластинчатая пружина; 10 — паз; 11 — жидкость; 12 — якорь; 13 —
корпус; 14 — шток)
ский сигнал используют резисторные, индуктивные, емкостные,
электромагнитные, микросинные и др.

На рис. 2.56, б представлена конструкция электромагнитного
линейного виброметра с направляющей опорой для сейсмическо-
го элемента. Сейсмический элемент 8 установлен на опорном стер-
жне 4 в вязкой жидкости 3. Направляющий диск 1 втулки 5 с
малым трением позволяют перемещаться сейсмическому элементу
вдоль оси чувствительности 2. Величина перемещения (вибрации)
определяется наведением токов в обмотке 7, постоянным магни-
том 6, закрепленным в сейсмическом элементе 8.

Виброметр этого типа при объеме 90 см3 и весе 450 г обладает
собственной частотой 10 Гц, чувствительностью 0,03 В/(см<2) и
диапазоном входных смещений +0,5 см.

Виброметр с индуктивным мостом (рис. 2.56, в). Сейсмический
элемент 7, представляющий собой цилиндр из магнитного материа-
ла с малым гистерезисом, выполняет функции якоря 12 и переме-
щается между двумя катушками 5 в свободном пространстве, запол-
ненном вязкой жидкостью 11. Сейсмический элемент 7 установлен
на опорном стержне 1 с немагнитными втулками 3 и 9 и связан с
корпусом прибора 13 пружинами 4 и 8. Регистрация сигнала вибро-
метра производится на осциллографе. Виброметр при объеме 45 см3
весит 200 г. При питании напряжением 10 В 400 Гц он обладает чув-
ствительностью 0,01 В/(смс2). Прибор работает в диапазоне измере-
ния ускорений до 10&

Контрольные вопросы

1.	Как называются средства измерения и контроля параметров меха-
нического движения?

2.	Какие применяются методы измерения линейных скоростей, ско-
ростей вращения?

3.	Каковы принцип действия и устройство акселерометров?

4.	На чем основан принцип действия виброметров?

2.3.2. Методы и средства измерения и контроля
динамических величин

К динамическим величинам можно отнести следующие: массу,
силу, давление, механическое напряжение, момент силы (крутя-
щий момент), массовый расход вещества, работу, энергию, мощ-
ность.

Масса в международной системе единиц СИ является основ-
ной величиной, а остальные — производными.

Единицей массы является килограмм (кг). Воспроизведение ки-
лограмма осуществляется в соответствии со схемой, рассмотрен-
ной в подразд. 1.3. Для передачи единицы массы используются ме-
тоды взвешивания и соответствующие средства измерений.
Единицей силы является ньютон (Н). Ньютон — это сила, которая
придает массе 1 кг в направлении действия этой силы ускорение 1 м/с2:

Е= та.

Шкала сил воспроизводится с помощью силоизмерительных
машин, механических и гидравлических преобразователей.

Давление р определяется как отношение силы Е, которая дей-
ствует на площадь 5 (Н/м2):

Р = Р/8.

Различают абсолютное давление ра, избыточное давление, раз-
режение и атмосферное давление рв. Избыточным давлением назы-
вают разность абсолютного и атмосферного давлений:

Ра -Рв при ря> рв,
а разрежением — разность атмосферного и абсолютного давлений:

Рв - Ра при рв < рв.

Единицей давления является паскаль (Па), равный ньютону на квад-
ратный метр. Это давление, которое создается равномерно распреде-
ленной силой 1 Н, действующей перпендикулярно на площадь 1 м2.
Шкала давлений воспроизводится при помощи манометров (грузо-
поршневых, компрессионных, ртутных). Воспроизведение и переда-
ча единиц давления в промышленности осуществляются путем мет-
рологического контроля и надзора поршневых манометров, конт-
рольных преобразователей давления, пружинных манометров, ртут-
ных барометров, компрессионных манометров, тонометров и т.д.

Единицей механического напряжения является паскаль (Па = Н/м2),
определяющий напряжение, которое создается равномерно рас-
пределенной силой 1 Н, действующей на площадь 1 м2:

о = Е/8.

Единицей момента силы, крутящего момента является ньютон,
умноженный на метр и деленный на радиан. Ньютон-метр на ра-
диан — это крутящий момент, который создает сила 1 Н в точке
вращения, если сила приложена перпендикулярно радиусу-векто-
ру, являющемуся плечом рычага, на расстоянии 1 м:

Л/а = Ег/а.

Единицей массового расхода вещества является килограмм в се-
кунду (кг-с-1). Это расход вещества (твердое тело, жидкость, газ)
массой 1 кг за 1 с (кг-с-1):

М= т/1.

Единицей работы, энергии является джоуль (Дж). Это работа, ко-
торая совершается при перемещении на 1 м точки приложения
силы 1 Н в направлении действия силы:
\У=Е1.

Единицей мощности является ватт (Вт). Эго сила равномерно протека-
ющего процесса, при котором за время 1 с совершается работа 1 Дж:

Р= Ж/I.

Из представленных выше определений и пояснений видно, что
между массой, силой, моментом, напряжением, давлением суще-
ствует взаймосвязь. Это позволяет применять для их измерения одни
и те же или близкие методы и средства измерения.

Для измерения массы тела (вещества) применяются весоизмери-
тельные средства, которые кратко называются весами. Классифика-
ция и характеристика весов, дозаторов рассмотрены в подразд. 2.1.

Средства измерения, предназначенные для измерения сил, на-
зываются динамометрами (силомерами). Близкими по назначению

являются средства измерения крутящих моментов, называемые мо-
ментомерами (торсиометрами).

Для измерения и контроля давления используют различного типа
манометры, вакуумметры, барометры. Подробнее схемы, конст-
рукции этих средств измерения рассмотрены в подразд. 2.8.

Рассмотрим основные методы и средства измерения сил и кру-

тящих моментов.

Динамометры. Принцип действия динамометров основан на ис-

пользовании деформации упругих тел
под действием силы, пьезоэффекта, тен-
зоэффекта, магнитоупругости материа-
лов и др.

Динамометры можно классифициро-
вать по принципу действия на механи-
ческие, гидравлические и электрические.

В табл. 2.17 приведены основные мет-
рологические характеристики, принци-
пиальные схемы, преимущества, недо-
статки и область применения механичес-
ких динамометров, работающих на уп-
ругих элементах.

В качестве материалов для изготовле-
ния упругих элементов используют без-
гистерезисные металлы и неметаллы (на-
пример, кварцевое стекло, синтетичес-
кие материалы).

В качестве примера механических
динамометров с упругим элементом
(рис. 2.57) рассмотрим конструкцию

средства измерения силы тяги транспор-
тных средств, усилий свинчивания

Рис. 2.57. Конструкция
динамометра с упругим
элементом:

1 — упругий элемент; 2 —
стрелочный указатель
Таблица 2.17

Основные метрологические характеристики механических динамометров

Характери- стики	Типы элемента														
	Работающие на изгиб		Торсионные упругие		Кольцевые упругие	Тарельчатые упругие				Цилиндрические упругие					
	прямые	витые	прямые	витые	цельные	завал ьцо- ванные				полые,			цельные		
		•|4			И ф		♦  3	г						И  -I-	
					ЖЮ										
Пределы измерения	0,01Н...1кН	0,01Н...1кН	0ДН...1 мн	0,1 Н... 10 мн	10...100 Н	0,1...100 н				ЮН... 10 кН			10кН...0МН		
Погреш- ность изме- рения, %	±(0,05...1)	± (0,5... 1)	±(0,05...0,5)	± (0,1... 1)	±(0,1...0,5)	±(0,25...1)				±(0,05...0,5)			±(0,025... 0,5)		
Время успокоения, с	0,2...0,001				0,2...0,001										
Преиму- щества	Линейная характеристика в диапазоне упругой деформации; не чувствительны к переменной нагрузке, дешевы				Универсальные преоб- разователи, просты, надежны					Универсальные преоб- разователи высокой точности					
Недостат- ки	Чувствительны к перегрузкам, возникает остаточ- ная деформация, требуются контроль нуля и после- дующая градуировка	Не используются для малых сил	Требуются большие затраты на вторичную электронную аппаратуру, не пригодны для малых сил
Область применения	Крановые, автомобильные, конвейерные весы; весы для упаковки, домашнего хозяйства, силоиз- мерители	Крановые, конвейерные, бункерные, автомо- бильные весы; весовые дозаторы; дозаторы для шихты; автоматические весы; электрические сило- измерительные системы	
резьбовых деталей и т. п. Здесь деформация упругого элемента 1
воспринимается стрелочным указателем 2. Малые значения де-
формаций упругого элемента под действием сил Е преобразуют-
ся в значительные перемещения стрелки или пера самопишуще-
го устройства.

Гидравлические динамометры представляют собой ус-
тройства, трансформирующие приложенное усилие в гидравли-
ческое давление, измеряемое тем или иным способом.

На рис. 2.58 представлена конструкция гидравлического сило-
измерителя (месдозы). Сила, воспринимающаяся поршнем 2, че-
рез мембраны 7 и 3 трансформируется в давление, измеряемое
манометром 6.

Механические и гидравлические динамометры отличаются вы-
сокой надежностью и простотой конструкции. Они могут работать
при отсутствии источников энергии, что делает их удобными для
эксплуатации в полевых условиях.

К недостаткам относятся: отсутствие возможности использова-
ния дистанционной индикации и регистрации показаний, отно-
сительно невысокая точность измерения 0,5...2%, трудности из-
мерения малых сил.

Наибольшее распространение получили электрические
динамометры. В них используют измерительные преобразова-
тели различных типов.

На рис. 2.59 представлены схемы различных типов динамомет-
ров, в которых в качестве преобразователя в электрический сиг-
нал применяются устройства с электрически неактивными упру-
гими элементами (см. рис. 2.59, а—з), электрически активными
упругими элементами (см. рис. 2.59, и—л), силовым уравновеши-
ванием (см. рис. 2.59, м).

В первой группе схем измеряемая сила сравнивается с силой
упругости элемента, а его деформация преобразуется в электри-
ческий сигнал. К преобразо-
вателям этой группы отно-
сят контактный, угольный,
резонансный, индуктивный,
емкостный, полупроводни-
ковый и металлический.

Контактный и угольный
преобразователи (см. рис. 2.59,
а, б) применяют для измере-
ния сил в пределах 1... 107 Н
с погрешностью измерения
0,5... 1 % (для контактных) и
больше 10% — для угольных
преобразователей. Полупро-
водниковые преобразовате-

Рис. 2.58. Конструкция гидравлического
силоизмерителя (месдозы):

1 и 3 — мембрана; 2 — поршень; 4 — полость;
5 — трубопровод; 6 — манометр
Рис. 2.59. Схемы электрических динамометров:

а — контактный; б — угольный; в, г — полупроводниковые; д — металличе-
ский; е — резонансный; ж — индуктивный; з — емкостный; и — пьезоэлектри-
ческий; к, л — магнитоупругие; м — с силовым уравновешиванием

ли (см. рис. 2.59, в, г) используют для измерения сил в пределах
10-2... 107 Н с погрешностью 0,5... 1 %.

Резонансные преобразователи (см. рис. 2.59, е) относятся к преоб-
разователям с частотным выходом, т. е. таким, у которых измеряе-
мая величина воздействует на гармонические колебания резонатора
и систему возбуждения. Преобразовывая и оценивая полученный
сигнал с помощью приемника, определяют искомую величину.

В качестве резонаторов используют механические, электромаг-
нитные, электрические и др. Механические резонаторы: маятник
(рис. 2.60, а), баланс-пружина (рис. 2.60, б}, струна (рис. 2.60, в),
У-образная пластина (рис. 2.60, г), тонкостенная цилиндрическая
оболочка (рис. 2.60, д), камертон (рис. 2.60, е), кварцевая пластина
(рис. 2.60, ж), магнитострикционный стержень (рис. 2.60, з).

Основным преимуществом механических резонаторов является
возможность во многих случаях воздействовать на резонансную ча-
стоту без предварительного преобразования сигнала измеряемой
величины, высокая надежность. Указанные преимущества обусло-
вили широкое применение механических резонаторов не только в
резонансных преобразователях, но и в электромеханических филь-
трах, устройствах акустических колебаний, спектроанализаторах,
приборах времени и т.д.

Индуктивные преобразователи основаны на преобразовании не-
электрической величины (например, перемещения стержня под
действием нагрузки) в изменение напряженности магнитного поля,
создаваемого катушкой. Для получения возможно большей индук-
тивности катушки сердечник выполняют из ферромагнитного ма-
териала. Изменение индуктивности преобразователей чаще всего
/////

Рис. 2.60. Схемы механических резонаторов:

а — маятник; б — баланс-пружина; в — струна; г — У-образная пластина;
д — цилиндрическая оболочка; е — камертон; ж — кварцевая пластина; з — магни-
тострикционный стержень; 1 — магнит; 2 — стержень; 3 — изолятор; В — возбуди-
тель; П — приемник; х — измеряемая величина

осуществляется посредством изменения воздушного зазора или из-
менения площади воздушного зазора. Дроссельные преобразовате-
ли с переменным воздушным зазором (рис. 2.61, а) применяются
для измерения перемещений в пределах 0,01... 10 мм, а с перемен-
ной площадью воздушного зазора (рис. 2.61, б, в) применяются
соответственно в диапазонах 5...20 мм и 10... 100 мм.

Кроме дроссельных индуктивных преобразователей на практи-
ке нашли применение дифференциальные, трансформаторные, ин-
дуктивные преобразователи. В дифференциальном (рис. 2.61, г) от-
клонение якоря 2 от среднего положения приводит к взаимному
изменению индуктивностей Е\ и что позволяет получить стати-
ческую характеристику, близкую к линейной.

Емкостные преобразователи — это устройства, содержащие не ме-
нее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле,
создаваемое приложенным напряжением. Основным элементом в этих
преобразователях является конденсатор переменной емкости, изме-
няемой в зависимости от площади электродов, диэлектрической про-
ницаемости среды и расстояния между электродами.

Схемы емкостных преобразователей выполняются в различных
вариантах в зависимости от области применения. Для измерения
малых перемещений (до единиц микрометров), а также точного
Рис. 2.61. Схемы индуктивных преобразователей:

а, б, в — дроссельных; г — дифференциального; 1 — сердечник; 2 — якорь

измерения быстроменяющихся сил и давлений (например, в ди-
намометрах) применяются дифференциальные емкостные преоб-
разователи с переменным зазором (рис. 2.62, а). Средний электрод
конденсатора укреплен на упругом элементе (мембране, упругой
пластинке, растяжках) между неподвижными электродами 7 и 2.
Рассматриваемая схема может быть использована в приборах урав-
новешивания. Для этого усиленный сигнал с конденсатора после
фазочувствительного детектирования может быть подан на обклад-
ки 7 и 2 (рис. 2.62, б), вследствие чего на средний электрод будет
действовать электростатическая сила, уравновешивающая измеря-
емую силу. На рис. 2.62, б показана схема устройства емкостного
преобразователя с переменной площадью, где диэлектрик 3 пере-
мещается по стрелке в зависимости от величины деформации, от
измеряемого усилия Г.

В качестве измерительных цепей
в емкостных преобразователях при-
меняются делители напряжения,
мостовые схемы, колебательные
контуры и автогенераторы. Кроме
того, измерительные цепи для уси-
ления сигнала, поступающего с пре-
образователя, содержат усилители.

Емкостные и индуктивные ди-
намометры содержат упругий чув-
ствительный элемент, деформация

Рис. 2.62. Схемы емкостных пре-
образователей:

а — с переменным зазором (1 и 2 —
неподвижные электроды); б — с пе-
ременной площадью (1, 2 и 4 — '

обкладка; 3 — диэлектрик)
которого воспринимается емкостным или индуктивным преобра-
зователями. Достоинства и недостатки этих динамометров связаны
с характеристиками применяемых преобразователей.

Во второй группе динамометров измеряемая сила действует на
электрические или магнитно-активные упругие элементы, которые
меняют свои электрические или магнитные свойства при измене-
нии напряжения или деформации. Это наиболее распространенная
группа.

Для измерения массы, усилия, напряжения в большинстве случа-
ев этой группы динамометров применяют тензометрические (резис-
торные) и магнитоупругие (магнитоизотропные) преобразователи.

Принцип работы таких преобразователей основан на преобразо-
вании усилия в упругую деформацию какого-либо элемента, вос-
принимающего силовой параметр, и вторичном преобразовании на-
пряженного состояния этого элемента в электрическую величину,
которую можно непосредственно измерить. Используют упругие эле-
менты, работающие на сжатие, растяжение, реже на изгиб.

Чувствительным элементом тензорезистора (тензодатчика) яв-
ляется металлический проводник, наклеенный на массивную де-
таль, подвергающуюся механической деформации. По изменению
сопротивления тензорезистора в зависимости от прикладываемого
усилия судят об йзмеряемом параметре.

Проволочный тензорезистор (рис. 2.63, а) состоит из проволоки
диаметром 0,025... 0,05 мм, уложенной в ряд петель длиной 5... 25 мм
и шириной 3... 10 мм. Петли наклеивают на пленку или бумажную
прокладку 4 и сверху заклеивают защитной бумажной полоской.
Проволочный преобразователь наклеивают на измеряемую поверх-
ность 1, деформирующуюся под действием усилия. Деформация упру-
гого элемента вызывает растяжение (сжатие) проволоки 2 тензоре-
зистора и соответствующее изменение сопротивления тензорезисто-
ра. Эта величина снимается и обрабатывается измерительной схемой.

Наибольшее предпочтение отдается измерительным схемам с
дифференциальным включением преобразователей (рис. 2.63, б),
в которых один резистор (ДО испытывает растяжение, а второй
(Д2) — сжатие. В этом случае исключается температурная погреш-
ность и вдвое увеличивается чувствительность. Сигнал, снимаемый
с диагонали моста, усиливается в усилителе У, проходит фазочув-
ствительный демодулятор ФД и регистрируется отсчетным уст-
ройством ОУ. Емкость Си сопротивление Кс служат для уравнове-
шивания моста перед началом работы по реактивной составляю-
щей в связи с наличием паразитных емкостей и индуктивностей
между проводом тензорезистора и металлическим объектом, а со-
противление г0 — по активной. Для плавной регулировки моста надо
чтобы г0 « До-

Наиболее подходящими материалами тензорезисторов явля-
ются сплавы константан, манганин, нихром, хромель, имеющие
А—А

б

Рис. 2.63. Тензометрические преобразователи:

а — схема проволочного тензорезистора (7 — измеряемая поверхность; 2— прово-
лока; 3 — выводы; 4 — бумажная прокладка); б — измерительная схема с диффе-
ренциальным включением преобразователей

малый температурный коэффициент сопротивления. На практи-
ке находят применение проволочные, фольговые, пленочные,
металлические преобразователи, а также преобразователи из мо-
нокристаллов полупроводников кремния, германия, арсенида
галлия и др.

Ценным свойством полупроводниковых преобразователей яв-
ляется большое значение коэффициента тензочувствительности
(от -200 до +850°С) при малых базах (до 2,5 мм).

Тензорезисторы являются преобразователями разового действия,
так как они наклеиваются на деталь и не могут быть сняты без
повреждения.

Простота конструкции и малые габаритные размеры тензоре-
зисторов позволяют их использовать в труднодоступных местах раз-
личных машин и механизмов для определения деформаций.

Принцип действия магнитно-анизотропных преобразователей ос-
нован на изменении магнитных свойств (магнитной анизотропии)
ферромагнитных материалов при их деформации под воздействи-
ем механических усилий. Этими свойствами обладают сплавы же-
леза с алюминием, кобальтом, хромом и никелем.

Чувствительный элемент преобразователя выполнен в виде пря-
моугольной плиты (рис. 2.64, а), состоящей из одного или несколь-
ких брусьев сечением 70 х 80 мм. Брусья фиксируются штифтами и
стянуты шпильками. Шлифованные рабочие поверхности имеют пазы,
разделяющие элемент на секции. В каждой секции по четыре отвер-
стия, в них укладываются первичная и вторичная обмотки. Секции
Рис. 2.64. Магнитно-анизотропный преобразователь:
а — расположение обмоток; б — ненагруженное состояние; в — нагруженное
состояние

обмоток соединены последовательно; они заливаются жидким ком-
паундом, который затем полимеризуется до эластичного состояния.

Шлифованная поверхность чувствительного элемента закрыта
прокладкой из ленты повышенной твердости, что защищает ее от
повреждений.

При отсутствии деформации (рис. 2.64, б) магнитный поток на-
магничивающей обмотки благодаря изотропным свойствам (по
магнитной проницаемости) практически не сцепляется с измери-
тельной двухсекционной обмоткой вследствие чего наводимая в
ней электродвижущая сила (эдс) равна нулю. Сжатие преобразовате-
ля (рис. 2.64, в) приводит к тому, что в плоскости, перпендикуляр-
ной действию силы Е * 0, магнитная проницаемость его становится
больше, чем в направлении действия силы. В результате этого проис-
ходит изменение конфигурации магнитного потока и во вторичной
обмотке наводится эдс, пропорциональная приложенному усилию.

Магнитно-анизотропные преобразователи отличаются более
мощным выходным сигналом, нежели чем в тензометрических (в
106 раз), высокой надежностью, сравнительно низкой точностью
измерений (погрешность 3... 5 %). Они нашли применение для кон-
троля сил, действующих на различные механизмы или узлы.

Использование пьезоэлектрических преобразователей в пьезоэ-
лектрических динамометрах не требует наличия упругих элементов
в конструкции устройств. Измеряемое усилие непосредственно вос-
принимается пьезоэлектрическим элементом, выполненным в виде
плоских пластин. Особенность этого типа динамометров — невоз-
можность измерения статических и медленноменяющихся сил.
Вследствие этого пьезометрические динамометры получили огра-
ниченное распространение.
На рис. 2.65, а изображена схема преобразователя типа ДТ, вклю-
чающая в себя кварцевые пластины 2, установленные в корпусе 3,
и выводной электрод 1. Он позволяет преобразовывать усилия в
диапазоне до 2-105 Н. Нелинейность статической характеристики
не превышает 3%. Частота собственных колебаний около 30 кГц.

Для измерения знакопеременных сил применяют предваритель-
ное напряжение пьезопластин до величин, составляющих 50% от
номинального измеряемого усилия.

Частотные динамометры и тензометры в последние годы полу-
чают все более широкое распространение, особенно в связи с вне-
дрением в практику измерений ЭВМ, и в первую очередь микро-
процессоров.

В частотных динамометрах получили распространение механиче-
ские резонаторы, выполненные в виде струны, стержня, пласти-
ны или цилиндрического элемента.

На рис. 2.65, б показана конструкция пьезоэлектрического час-
тотного динамометра. Он содержит резонатор 4 в виде кварцевой
пластины с металлизированными обкладками 1 и 2, зажатый по
периметру между обоймами 3 и 5. При приложении усилия / вдоль
блока изменяется толщина пластины, что приводит к изменению
ее резонансной частоты.

Динамометры и тензометры с частотным выходом подключа-
ются к вторичным приборам, в которых используются цифровые
частотомеры и пересчетные устройства.

В третьей группе динамометров (см. рис. 2.59, м) измеряемая
сила уравновешивается электромагнитной или электростатической
силой, формируемой на основе сигнала, пропорционального из-
меряемой силе. В этих приборах достигается полное уравновешива-
ние и упругий элемент практически не деформируется. Они приме-



Рис. 2.65. Пьезоэлектрические динамометры:

а — схема преобразователя типа ДТ (7 — выводной электрод; 2 — кварцевые
пластины; 3 — корпус); б — конструкция пьезоэлектрического частотного дина-
мометра (7 и 2 — металлизированная обкладка; 3 и 5 — обойма; 4 — резонатор)
Рис. 2.66. Конструкция индуктивного моментомера (а) и упругого элемента (б):
1 — катушки; 2 — центральная часть; 3 и 7 — полюсный наконечник; 4 и 10 —
подшипник; 5 — выходной вал; 6 — диафрагма; 8 — торсионный упругий
элемент; 9 — входной вал; 11 — магнитопровод

няются для измерения малых и средних сил в диапазоне 10^... 10 Н
с погрешностью измерения 0,025...0,06%.

Моментомеры. Принцип действия моментомеров основан на из-
мерении деформации кручения вала, передающего крутящий мо-
мент. Моментомеры можно классифицировать на группы: с предва-
рительным преобразованием в угловое перемещение, с непосред-
ственным преобразованием. Деформацию можно измерять посред-
ством тензорезисторного, индуктивного, магнитоупругого, струн-
ного и других преобразователей. Диапазон измерения моментов для
тензорезисторного и магнитоупругих моментомеров находится в
пределах 10... 103 Н-м, для струнных — 0...5-106 Н-м, для индуктив-
ных — 10~‘... 105 Нм с погрешностью измерений 0,2... 1 %.

В качестве преобразователей, измеряющих угловые перемещения
в моментомерах, чаще всего применяют индуктивные трансформа-
торные преобразователи. Эти устройства не требуют передачи элек-
трических сигналов на вращающийся вал. Пример конструкции та-
кого моментомера с индуктивным дифференциальным преобразо-
вателем представлен на рис. 2.66, а.

Он содержит торсионный упругий элемент 8в виде вала, соеди-
няющего входной Ри выходной 5валы моментомера. На входном и
выходном валах, установленных на подшипниках 4 и 10, закреп-
лены полюсные наконечники 3 и 7магнитопровода, вращающего-
ся вместе с валом. Наконечники снабжены треугольными выреза-
ми, входящими в соответствующие вырезы центральной части 2,
закрепленной на диафрагме 6, установленной в середине торси-
онного упругого элемента 8. При скручивании упругого элемента
(рис. 2.66, б) за счет смещения полюсных наконечников относи-
тельно вырезов центральной части у одного из них результирую-
щий зазор уменьшается, а у другого — увеличивается. В результате
индуктивность одной катушки 1, неподвижно расположенной в
магнитопроводе 11, увеличивается, а другой — уменьшается. Ка-
тушки включают в мостовую схему, питаемую переменным током.
Рис. 2.67. Схема оптико-электронного моментомера:

1 и 9 — диск; 2 — растровые решетки; Зи 14 — фоторезистор; 4 — усилители; 5 —
фазовый детектор; 6 — фильтр; 7 — показывающее устройство; 8 — выходной вал;
10 — трубка; 11 — упругий торсион; 12 — входной вал; 13 — растр; 15 — осветитель

Сигнал с мостовой схемы через усилитель и детектор (например,
фазочувствительный) поступает на индицирующее или регистри-
рующее устройство.

В качестве измерителя угла скручивания при измерении момента
при относительно постоянных частотах вращения валов может быть
применен оптико-электронный преобразователь (моментомер)
(рис. 2.67).

Он содержит упругий торсион 11, соединяющий входной 12 и
выходной 8 валы. На входной вал 12 установлена жесткая трубка 10,
несущая на себе прозрачный диск 9 с растром 13. На выходном валу
8 закреплен диск 1 с аналогичным растром. Между дисками распо-
ложен осветитель 75. Оптические растры дисков 1 и 9 взаимодей-
ствуют с неподвижными прозрачными растровыми решетками 2 и
растром 13. На выходе световых пучков установлены фотоэлементы,
фотодиоды или фоторезисторы 3 и 14.

При отсутствии крутящего момента с фоторезисторов 3 и 14 на
входы усилителей 4 поступают сигналы, частота которых одинакова.
При передаче момента торсион деформируется, поворачиваясь на
определенный угол, что вызывает отставание фазы напряжения с
диска 1 от фазы напряжения с диска 9. Сигналы этих частот после
усиления поступают на фазовый детектор 5, к которому через фильтр
6 верхних частот подключено показывающее устройство 7.

Контрольные вопросы

1.	Что относят к динамическим величинам и какими единицами они
оцениваются?

2.	Каков принцип действия динамометра?

3.	Какие типы динамометров наиболее широко применяются в маши-
ностроении?

4.	Каков принцип.действия моментомера?
2.3.3. Методы и средства измерения и контроля механических
свойств веществ и материалов

Качество изделий во многом определяется механическими свой-
ствами материалов, из которых они изготавливаются. Основными
из них являются удельный вес, плотность, вязкость, твердость,
упругость, прочность, жесткость и т.п.

Плотностью называется масса вещества, заключенная в едини-
це объема. Единицей измерения плотности служит килограмм на
кубический метр (кг-м-3):

р = т/У.

Удельный вес — это сила тяжести массы т на единицу объема.

Упругость является свойством материалов внутренними силами
восстанавливать первоначальную форму, искажаемую внешним
воздействием, после прекращения этого воздействия. Деформации е,
возникающие в данном случае в кристаллах материалов, называ-
ются упругими. В области упругих деформаций сохраняется линей-
ная зависимость между нагрузкой и деформацией, а упругие на-
пряжения о в металлах определяются законом Гука:

о = Ее,

где Е — модуль нормальной упругости.

Жесткость является свойством материалов сопротивляться уп-
ругой деформации.

Пластичностью называют свойство металлов пластически де-
формироваться без разрушения. Она обеспечивает возможность при-
давать изделиям необходимую форму, уменьшать чувствительность
к концентрации напряжений, изменять структуру металлов в же-
лаемом направлении.

Пластическая деформация в металлах возникает при воздей-
ствии внешних механических и термических напряжений, при кри-
сталлизации, термической обработке деталей.

Усталостью называют процесс постепенного накопления по-
вреждений в металлах при действии циклических нагрузок, при-
водящих к образованию трещин и разрушению.

Под твердостью материала понимается сопротивление, оказы-
ваемое материалом внедрению в поверхность другого, более твер-
дого тела определенной формы и размеров.

Вязкость, или внутреннее трение, — это свойство текучих тел
оказывать сопротивление перемещению одной их части относи-
тельно другой. Вязкость численно равна силе трения между двумя
параллельными слоями жидкости с площадью, равной единице,
при градиенте скорости, равном единице. Единицей измерения
динамической вязкости является паскаль-секунда (Па с) (в систе-
ме единиц СГС — пуаз (П = 10~1 Па-с)).
Наряду с динамической вязкостью существует кинематическая
вязкость (м2/с)

V = Т1/Р,

где т) — коэффициент динамической вязкости; р — плотность жид-
кости.

Единицей измерения кинематической вязкости служит квад-
ратный метр на секунду (в системе СГС — стокс (Ст = 10^ м2/с)).

В нефтяной промышленности получила распространение услов-
ная вязкость — отношение времени истечения заданного объема
жидкости к времени истечения воды (в специальном приборе Эн-
глера), измеряемая в условных единицах — градусах Энглера (СВУ).

Механические испытания металлов. Различают следующие виды
испытаний механических свойств:

статические (характеризуются плавным и медленным приложе-
нием нагрузки к испытуемому образцу, что позволяет измерять
усилия и деформации в любой момент испытания);

динамические (характеризуются резким изменением величины
усилий, действующих на образец, что позволяет определять вяз-
кость или хрупкость материала);

испытания на усталость или выносливость (характеризуются мно-
гократными повторными или знакопеременными нагрузками, при-
лагаемыми к образцу);

испытания на твердость (характеризуются проникновением бо-
лее твердого тела в поверхность испытуемого тела);

испытания на износ и истирание (заключаются в определении
изменений механических свойств материалов на их поверхности
после длительного воздействия сил трения);

технологические испытания (применяются при установлении
пригодности материала для того или иного технологического про-
цесса, а также позволяют судить о некоторых свойствах материа-
ла, например, пластичности).

Статические испытания на растяжение произво-
дят на специальных испытательных машинах (рис. 2.68, а), на ко-
торых образец круглого или прямоугольного сечения подвергается
растяжению.

С помощью нагружающего устройства 3 испытуемый образец 2
подвергается растяжению. Преобразователь 4 регистрирует дефор-
мацию образца и с помощью регистрирующего устройства 5 (на-
пример, диаграммного типа) фиксируется последовательное из-
менение деформации при соответствующей нагрузке, оценивае-
мой преобразователем 1.

В соответствии с ГОСТ 1497—61 скорость перемещения захвата
машины независимо от длины образца устанавливается равной до
появления предела текучести не более 0,6-10-4 м/с, за пределами
текучести — не более 2,4 • 10-4 м/с.
Рис. 2.68. Статические испытания на растяжение:

а — конструкция универсальной испытательной машины; б — диаграмма
растяжения; 1 и 4 — преобразователь; 2 — испытуемый образец; 3 — нагружающее
устройство; 5 — регистрирующее устройство

Результаты испытания, показывающие зависимость между на-
грузкой Р (Н) и деформацией А/ (мм), могут быть изображены на
диаграмме растяжения (рис. 2.68, б).

Напряжение опц в точке а, в которой начинаются отступления
от пропорциональности нагрузки и деформации (участок Ос), на-
зывается пределом пропорциональности, который определяется сле-
дующим образом:

<5пц ^пц/^О»

где Рпц — нагрузка при пределе пропорциональности; 50 — на-
чальная площадь поперечного сечения образца в рабочей части.

Более точное определение предела пропорциональности про-
изводится тензометрированием.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает на кривой незначи-
тельное отклонение от прямой до точки Ь, соответствующей на-
грузке Ру, до которой при полном ее снятии образец не обнаружит
остаточной деформации. Напряжение оу, вычисленное по формуле

°у =

называется пределом упругости, определяемым с помощью тензо-
метров. Определяется также о0,05 — условный предел упругости —
напряжение, при котором абсолютное остаточное удлинение до-
стигает 0,05 % от расчетной длины образца.

Величины опц; ау; о0 05 позволяют судить об упругих свойствах
испытуемого металла.
При дальнейшем повышении нагрузки отмечается еще боль-
шее отклонение от прямой до точки /7, соответствующей той пре-
дельной нагрузке Рт, после которой дальнейшего увеличения на-
грузки не происходит, удлинение же продолжается, т.е. металл
деформируется без повышения нагрузки.

Напряжение от, вычисленное по формуле

от= Рт/50,
называется пределом текучести.

При дальнейшем увеличении нагрузки кривая растяжения плав-
но повышается до точки В, что соответствует наибольшему
усилию Рв. Напряжение ав, вычисленное по формуле

°в = Рв/$ь,

называется временным сопротивлением при растяжении.

Дальнейшее изменение кривой растяжения показывает, что ис-
пытуемый образец продолжает удлиняться при уменьшающейся
нагрузке, так как на рабочей части образца возникает местное
уменьшение площади поперечного сечения в виде шейки и в точ-
ке /образец разрушается при нагрузке Рк, меньшей, чем при вре-
менном сопротивлении.

Отношение нагрузки Рк площади поперечного сечения 5К в мо-
мент разрыва дает напряжение

~ Рк./^К1

которое называется истинным сопротивлением разрыву. Эта вели-
чина всегда больше временного сопротивления.

Испытание на растяжение позволяет также выявить пластичес-
кие свойства металла, т. е. его способность деформироваться. Оста-
точная деформация Д/ образца складывается из равномерного уд-
линения образца по всей расчетной длине Д/1 и Д/2.

Относительное остаточное удлинение после разрыва определя-
ется по формуле (%)

5=(4-/о)//о-ЮО = Д///010О,

где /к — длина образца после разрыва; /0 — начальная расчетная
длина образца.

Относительное сужение определяется по следующей формуле:

У = 5° ~ -к 100,

*$о

где 5о и З’к — площади поперечного сечения образца соответствен-
но до и после его разрыва.

Другим методом статических испытаний материалов является
испытание на кручение. Этот метод позволяет оценивать механиче-
ские свойства материалов, из которых изготавливают детали, ра- !
ботающие на кручение, определять пластичность материалов, хруп- •
ких при растяжении, находить модуль сдвига и коэффициент Пу- 1
ассона ц. В отличие от растяжения при кручении форма образца <
практически не изменяется даже при очень больших деформаци- ;
ях, что облегчает оценку напряжений и деформаций.

На кручение испытываются, как правило, цилиндрические об-
разцы сплошного круглого, реже трубчатого, сечения, иногда для
специальных целей — квадратного или иной формы сечения.

Кручение осуществляется на машинах с механическим приво-
дом, преимущественно с горизонтальным расположением образца,
имеющих предельный крутящий момент 200 Н-м; 500 Н-м и др.

Метод определения основных механических характеристик ме-
таллов при кручении регламентируется ГОСТ 3565—58.

Процесс нагружения при испытании подобен принятому при
растяжении. В результате обычно строится кривая кручения в ко-
ординатах «момент кручения М — относительный угол закручива-
ния 0» (0 = (р//0, где (р — угол закручивания в радианах, определяе-
мый как разность углов закручивания крайних сечений длины об-
разца /0) или в координатах «момент кручения М— относительный
максимальный сдвиг гтах» (^тах= 0<//2, где (1— диаметр образца).

Малые деформации при кручении измеряются оптико-механи-
ческими тензометрами, устанавливаемыми на образец в крайних
сечениях рабочей длины образца, или тензодатчиками сопротив-
ления, которые наклеиваются на образец в двух взаимно перпен-
дикулярных направлениях под углом 45° к его оси.

В пределах упругости этим методом определяется модуль сдвига
(модуль 1-го рода, модуль касательной упругости) (7:

с = лм/ищ),

где АЛ/— разность крутящих моментов в пределах пропорциональ-
ной зависимости Мот 0; АО — соответствующая ДЛ/разность отно-
сительных углов закручивания; }р — полярный момент инерции
сечения (для сплошного круглого сечения с диаметром <МР - ш/4/32).

Зная модуль нормальной упругости материала Е, по найденно-
му при испытании на кручение С можно определить коэффици-
ент Пуассона щ

Динамические испытания — это такие испытания, в
которых нагрузка прикладывается ударом с большой скоростью.
Скорость приложения нагрузки при этих испытаниях значительно
выше, чем при статических испытаниях. Увеличение скорости при-
ложения нагрузки в пластической области ведет к увеличению со-
противления материала пластической де-
формации, поскольку скорость распрос-
транения упругой деформации значитель-
но выше пластической. На рис. 2.69 пред-
ставлены диаграммы растяжения стали
при статическом (кривая 7) и динами-
ческом (кривая 2) нагружении.

Для оценки сопротивляемости мате-

Рис. 2.69. Диаграммы растя-

жения стали при статиче-
ском (7) и динамическом
(2) нагружениях

риалов действию динамических нагрузок

проводят испытания на ударный изгиб с
помощью маятникового копра. По шка-
ле, проградуированной в Н м, или по
углу взлета маятника определяют работу

IV, затраченную на разрушение при ударе образца маятником.

Образец (рис. 2.70), свободно установленный на опоры копра,

подвергается разрушению ножом маятника со стороны, противо-
положной месту надреза (концентратора), за один удар.

Образцы для испытаний на ударный изгиб согласно ГОСТ
9454—78 имеют определенные размеры и концентратор напряже-
ний посередине трех видов: ГТ-образный с радиусом 1 мм; У-обра-
зный с радиусом 0,25 мм в форме буквы V под углом 45°; Т-обра-
зный с концентратором в форме усталостной трещины. Соответ-
ственно символ ударной вязкости КС имеет обозначения КСП,
КСУ и КСТ.

Ударной вязкостью называется отношение работы И7 к площади
поперечного сечения в месте концентратора (Дж/м2):

КС= И750.

Для оценки ударной вязкости весьма хрупких материалов, напри-
мер пластмасс, используют образцы без концентраторов.

Ударная вязкость материалов определяется как для нормаль-
ных, так и для повышенных и пониженных температур.

На ударную вязкость влияют химический состав материалов,
структура материалов, состояние поверхностного слоя, направле-

ние волокон в металлах.

Испытания на ус-
талость или вынос-
ливость. В процессе экс-
плуатации большинства
машин и аппаратов мно-
гие детали подвергаются
воздействию циклических
повторно-переменных на-
грузок, которые вызыва-
ют усталость материала
деталей.

Рис. 2.70. Схема образца для испытаний
на ударный изгиб
Усталостью называют процесс постепенного накопления по-
вреждений в металлах при действии циклических нагрузок.

Выносливостью называют свойство металлов противостоять уста-
лости. Различают два вида усталости: многоцикловую, возникающую
при циклическом деформировании в упругой области, когда оа < о0>2,
и малоцикловую усталость, возникающую при упругопластичном цик-
лическом деформировании, когда оа > о0>2. К малоцикловой относят-
ся также термическая и термомеханическая усталости.

При цикловом нагружении различают максимальные отах, ми-
нимальные от;п и амплитудные оа значения напряжений. Циклы
нагружений могут быть симметричными и несимметричными.

Симметричность цикла нагружения определяется коэффициен-
том асимметрии цикла

Л ~ ®т1п / ®тах 

В процессе испытаний на усталость определяется предел устало-
сти — наибольшее напряжение, при котором образец не разруша-
ется при заданном числе перемен нагрузки (числе циклов). Предел
усталости для стали определяют на базе 5... 10 млн циклов, для
легких сплавов — до 20 млн циклов.

Предел упругости круглого гладкого образца о_] при симметрич-
ном цикле нагружений определяется по следующей формуле:

_ М _ 32Р1
/р п<13 ’

где М— изгибающий момент в опасном сечении образца; Бр —
полярный момент сечения образца; Р— нагрузка, приложенная к
образцу; / — плечо; д — диаметр образца.

Испытание на твердость. Наиболее применимы
стандартные методы определения твердости металлов при стати-
ческой нагрузке: стальным шариком (по Бринеллю), алмазным
конусом (по Роквеллу) и алмазной пирамидой (по Виккерсу).

Метод определения твердости стальным шариком (по Бринеллю)
(рис. 2.71, а) заключается во вдавливании на глубину I стального
закаленного шарика определенного диаметра в испытуемый обра-
зец под действием заданной нагрузки в течение определенного вре-
мени (ГОСТ 9012-59).

Конструкция универсального прибора ТПШО для определения
твердости по Бринеллю и Виккерсу представлена на рис. 2.71, б.
Шарик, установленный в головке для индентора 7, с помощью
нагружающей системы 2 вдавливается в образец 4. Измерение от-
печатка выполняется оптической головкой 5.

Число единиц твердости НВ определяется как среднее давле-
ние, выраженное в ньютонах на квадратный метр, вычисляется по
следующей формуле:
где Р— сила вдавливания, Н, нормальная к поверхности АВ, ус-
тановленная в соответствии со стандартом; 8 — площадь шаровой
поверхности отпечатка шарика, м2.

На практике пользуются специальными таблицами, где под-
считаны значения НВ для отпечатков, имеющих различные диа-
метры и полученных при нормированных нагрузках.

Испытание металлов твердостью выше НВ 450 этим методом не
производится, так как значительно увеличивается погрешность.

Метод определения твердости алмазным конусом (по Роквеллу)
(рис. 2.71, в) применяется для изделий из низкоотпущенной зака-
ленной стали или твердых сплавов в соответствии с ГОСТ 9013—59.
Алмазный конус с углом 120° имеет у вершины закругление ради-
усом р = (0,2 ± 0,005) мм.

Определение твердости производится вдавливанием в испытуемый
образец алмазного под действием двух последовательно прилагаемых
нагрузок: предварительной в 100 Н и общей в 600 или 1500 Н.

Алмазный конус сначала получает предварительную нагрузку (/о),
в результате которой конус вдавливается в испытуемый материал на
незначительную глубину. Далее нагрузка увеличивается до величины

Р= Р0+Ръ

где Д — основная нагрузка.

Рис. 2.71. Определение твердости
металлов:

а — стальным шариком (по Бринел-
лю); б — универсальным прибором
ТПШО (/ — индентор; 2 — нагружа-
ющая система; 3 — редуктор; 4 —
образец; 5 — оптическая головка);
в — алмазным конусом (по Роквеллу)
Общая нагрузка Р равна 600 Н (шкала А), 1000 Н (шкала В) 1
или 1500 Н (шкала С). Под действием общей нагрузки Р конус ’
вдавливается на глубину А,. Затем основная нагрузка Р, снимается, -
но остается предварительная Ро. Глубина вдавливания Л характери-
зует твердость испытуемого материала (НВ.).

При измерении по шкалам А и С

НК = 100 - е.

При измерении по шкале В

НК= 130-е,

Л-Ло
где е =----

0,002

Число твердости обозначается через НК с добавлением обозна-
чения шкалы (В, С, А), по которой производилось испытание.
Например:

НКВ — испытание шариком с нагрузкой 1000 Н;

НКС — испытание алмазным конусом при нагрузке 1500 Н;

НКА — испытание алмазным конусом при нагрузке 600 Н.

Пределы измерения твердости по указанным шкалам устанав-
ливаются в соответствии с табл. 2.18.

Метод определения твердости алмазной пирамидой (по Виккерсу)
(ГОСТ 2999—75) предполагает вдавливание в испытуемый мате-
риал правильной четырехгранной пирамиды стандартного разме-
ра, имеющей квадратное основание и угол 136° ± 30' у вершины.
Вдавливание производится под действием нагрузки в 50, 100, 200,
300, 500, 1000 Н.

Измерив отпечаток алмазной пирамиды по длине диагоналей
квадрата, определяют число единиц твердости:

НУ = 1,8544^-,	(2.1)

где Р— величина нагрузки на пирамиду, Н; д— среднее арифме-
тическое обеих диагоналей отпечатка, м.

Таблица 2.18

Соответствие единиц твердости по шкалам В, С, А

Обозначения		Пределы измерения в единицах твердости по Роквеллу	Приближенные значения чисел твердости в единицах по Виккерсу
шкалы	числа твердости		
в	НКВ	25 ...100	60... 228
с	НКС	25 ...670	228...900
А	НКА	70... 850	390... 1170
Полученное число твердости НУ обозначается с индексами на-
грузки и времени ее приложения. Например: НУ 100/30—500 озна-
чает число твердости «500», полученное при испытании нагрузкой
100 Н, приложенной в течение 30 с.

Числа твердости НУ практически совпадают с числами твердо-
сти НВ до значений 450.

Определение микротвердости выполняют для мелких деталей,
тонких металлических лент, отдельных структурных составляющих
сплавов, тонких поверхностных слоев, т.е. определяют твердость
небольших объемов.

Для измерения микротвердости применяются микротвердоме-
ры, построенные по принципу объединения устройства для на-
гружения алмазной пирамиды и микроскопа, чтобы определить
размер диагоналей отпечатка.

На рис. 2.72 показан микротвердомер ПМТ-3. Прибор состоит из
массивного основания 1 с вертикальной стойкой 3, по которой пе-
ремещается измерительный микроскоп 8 с окулярным микромет-
ром 7, объективом 9, осветителем и нагружающим механизмом 2.

Микроскоп снабжен винтами для грубой настройки 6 и тонкой
настройки 5 на фокусное расстояние. Цена деления микровинта
тонкой настройки 5 составляет 0,002 мм.

Испытуемый образец устанавливается на предметный столик
11, который имеет возможность независимого перемещения в двух

Рис. 2.72. Микротвердомер ПМТ-3:

1 — основание; 2 — нагружающий механизм; 3 — стойка; 4 — кулиса; 5 — винт для
тонкой настройки; 6 — винт для грубой настройки; 7 — окулярный микрометр;

8— измерительный микроскоп; 9 — объектив; 10 — алмазная пирамида; 11 —
предметный столик; 12 — стержень; 13 — рукоятка
направлениях: координатном (с помощью двух микрометрических
винтов) и круговом (на шариках) на 180°. Координатное переме-
щение предметного столика позволяет выполнить вдавливание ал-
мазной пирамиды 10 в любой точке образца. Круговым перемеще-
нием столика образец с нанесенным на него отпечатком подво-
дится под объектив измерительного микроскопа.

Нагружающий механизм 2 имеет стержень 12 с алмазной пира-
мидой 10. Рабочая нагрузка создается гирями в виде шайб с выре-
зами от 2 до 200 гс, которые устанавливаются на стержень 12. Подъем
и опускание стержня 12 с алмазной пирамидой 10 для получения
отпечатка производится рукояткой 13. Нагрузка прилагается рав-
номерным поворотом рукоятки 13. Полная нагрузка выдерживает-
ся в пределах 10 с и затем плавно снимается.

Число единиц твердости определяется по той же формуле, что
и при испытании твердости алмазной пирамидой по Виккерсу, —
формуле (2.1).

Измерение плотности. Приборы для измерения плотно-
сти жидких и сыпучих тел по принципу действия делятся на поплав-
ковые, весовые, манометрические, звуковые и радиоизотопные.

В поплавковых плотномерах (ареометрах) используется принцип
плавающего поплавка. Схема плотномера, работающего по этому
принципу, изображена на рис. 2.73, а. Жидкость по трубе /^посту-
пает в переливной сосуд 9, обеспечивающий постоянство напора.
Далее по трубе 8 жидкость поступает в измерительную камеру 4,
снабженную переливным устройством. Избыточная жидкость сте-
кает по трубе 7. Измерение плотности жидкости вызывает переме-
щение по вертикали поплавка 5 и связанного с ним сердечника.
Это перемещение измеряется с помощью индуктивного преобра-
зователя 6, включенного в схему моста 1, и регистрируется на
показывающем устройстве 2. Компенсация влияния температуры
осуществляется терморезистором 3, включенным в измеритель-
ную схему моста. Наибольший ход поплавка — 200 мм.

Весовые, или пикнометрические, методы основаны на том, что
масса жидкости при неизменном ее объеме прямо пропорциональна
плотности. Следовательно, при непрерывном взвешивании неко-
торого постоянного объема вещества, протекающего по трубопро-
воду, можно измерять его плотность.

На рис. 2.73, б представлена схема весового плотномера. Чув-
ствительным элементом прибора является 11-образная трубка,
масса которой вместе с протекающей через нее жидкостью не-
прерывно измеряется. Масса трубки 1 с жидкостью передается
на заслонку 2, прикрывающую сопло 3, и через пневмоусили-
тель 4 в виде унифицированного пневматического сигнала на
прибор. При изменении плотности жидкости, протекающей по
трубке, масса ее меняется и заслонка 2 приближается или отхо-
дит от сопла 3. В соответствии с изменением плотности измеря-
-220В

Рис. 2.73. Методы и средства измерения плотности жидких тел:

а — схема поплавкового плотномера (1 — мост; 2 — показывающее устройство;
3— терморезистор; 4 — измерительная камера; 5 — поплавок; 6 — индуктивный
преобразователь; 7, 8 и 10 — труба; 9 — переливной сосуд); б — схема весового
плотномера (1 — трубка; 2 — заслонка; 3 — сопло; 4 — пневмоусилитель; 5 —
сильфон); в — манометрический метод измерения плотности (/ — уравнительный
сосуд; 21л 4— трубка; 3 — дифференциальный манометр); г — схема радиоизотоп-
ного плотномера (1 — компенсационный клин; 2 — диск; 3 — двигатель; 4 —
источник излучения; 5 — трубопровод; 6 — счетчик; 7 — интегрирующее устрой-
ство; 8 — усилитель переменного тока; 9 — двигатель)

емой жидкости изменяется и давление воздуха на выходе пнев-
моусилителя 4. С помощью сильфона 5 осуществляется обратная
связь и восстанавливается равновесие в системе, соответствую-
щее измеряемой плотности жидкости.

Весовые плотномеры применяются для измерения плотности
вязких жидкостей, суспензий и жидкостей, содержащих твердые
включения. Возможно измерение и плотности газов.
Манометрические методы измерения плотности основаны на том,
что давление Жидкости р на глубине Н от поверхности равно мас-
се столба жидкости при площади основания 10-4 м2:

р = р§Н.

Тогда

р = р/(§Н).

При неизменной высоте столба жидкости давление является ме-
рой ее плотности. Измерение давления столба жидкости произво-
дится аналогично измерению уровня жидкости манометрически-
ми уровнемерами (рис. 2.73, в) при условии постоянного уровня.
Плюсовая камера дифференциального манометра 3 соединена труб-
кой 2 с уравнительным сосудом 7, а минусовая камера — с ниж-
ней частью водяного пространства резервуара трубкой 4. Уровень
жидкости в сосуде 1 поддерживается постоянным и ее плотность
можно определить по показаниям дифманометра.

В ультразвуковых плотномерах используется зависимость скоро-
сти распространения ультразвука в жидкости от ее плотности. Из-
меряя скорость распространения ультразвуковых колебаний, мож-
но судить о ее плотности.

Радиоизотопные методы измерения плотности основаны на из-
мерении поглощения у-излучения радиоактивного источника при
прохождении лучей через вещество, которое изменяется в зависи-
мости от изменения его плотности.

Схема радиоизотопного плотномера приведена на рис. 2.73, г.
На участке трубопровода 5, в котором протекает исследуемая жид-
кость, устанавливается источник излучения 4 и счетчик 6. В каче-
стве излучателя применяется радиоактивный изотоп 60Со; у-излу-
чатель 4 размещается на диске 2, вращающемся от двигателя 3.
Излучение попеременно попадает на один и тот же сцинтилляци-
онный счетчик 6: то через трубопровод 5, то через компенсацион-
ный клин 7. Со счетчика 6 сигнал поступает на интегрирующее
устройство 7 и усилитель переменного тока 8. Усиленный сигнал
управляет реверсивным двигателем 9, который перемещает ком-
пенсационный клин 1 таким образом, чтобы потоки, попадаю-
щие на сцинтилляционный счетчик, были равны. Величина пере-
мещения клина, с которым связана стрелка показывающего при-
бора, пропорциональна изменению плотности жидкости.

Метод просвечивания у-лучами находит широкое применение
для определения плотности плит, бетонных блоков, грунтовых
пульп и т.п.

Измерение вязкости. В технологических процессах мно-
гих отраслей промышленности важным показателем качества яв-
ляется вязкость жидких веществ. Вязкость жидкостей измеряется
вискозиметрами.
По методам измерения вискозиметры можно разделить на сле-
дующие:

капиллярные (измерение перепада давления на капилляре, че-
рез который пропускается жидкость с постоянным расходом);

ротационные (измерение усилия, возникающего при вращении
твердого тела в жидкости);

с падающим телом (измерение времени падения твердого тела
в слое жидкости заданной высоты);

вибрационные (измерение скорости затухания упругих колеба-
ний пластины в исследуемой жидкости).

Схема капиллярного вискозиметра представлена на рис. 2.74, а.
Продукт от точки отбора пробы 1 подается насосом 2 через зме-
евик 3 и регулятор расхода 5в капилляр 6. Основные части прибора
помещены в термостат 9 с мешалкой 13, обычно заполняемый
маслом. Привод мешалки осуществляет электродвигатель 4. Темпе-
ратура в ванне поддерживается постоянной с помощью регулято-
ра 11, управляющего нагревателем 12. Дифференциальный мано-
метр 7 измеряет перепад давления на капилляре и осуществляет
передачу показаний на вторичный прибор 8, градуированный в
единицах вязкости.

Погрешность прибора определяется в основном точностью под-
держания расхода и температуры исследуемой жидкости (измене-
ние температуры на 1 °С может дать погрешность в 10 %).

Капиллярные вискозиметры широко используются для анализа
дистиллятных продуктов и масел в диапазоне вязкости до 0,12 м2/с
(15° ВУ) при 150°С. Погрешность таких приборов составляет 1... 2%
от измеряемого диапазона вязкости.

Ротационные вискозиметры различаются в зависимости от ис-
пользуемой формы вращающегося элемента и способа измерения
крутящего момента. В качестве вращающегося элемента применя-
ют пластины, цилиндры, лопасти, набор дисков и др.

Крутящий момент определяют следующими способами: силой
тока, потребляемой электродвигателем привода вращающегося эле-
мента; углом поворота уравновешивающей торсионной пружины;
реактивным моментом вращения статора приводного электродви-
гателя.

На рис. 2.74, б изображена схема ротационного вискозиметра.
Термочувствительный элемент 8 располагается непосредственно в
рабочей камере 6. Измерительный блок 4 содержит узел привода
ротора 7и устройства для измерения крутящего момента и переда-
чи показаний на показывающее устройство 5.

Вискозиметры с падающим телом. Схема одного из них пред-
ставлена на рис. 2.74, в. Измерение проводится циклично. Подъем
шарика 7 в исходное положение происходит за счет восходящего
потока исследуемой жидкости, который создается шестеренчатым
насосом 2. Проба жидкости отбирается насосом из резервуара И в
Рис. 2.74. Методы и средства измерения вязкости жидких тел:

а — схема капиллярного вискозиметра (1 — точка отбора пробы; 2 — насос; 3 —
змеевик; 4 — электродвигатель; 5 — регулятор расхода; 6 — капилляр; 7 — диффе-
ренциальный манометр; 8 — вторичный прибор; 9 — термостат; 10 — термометр;
11 — регулятор; 12 — нагреватель; 13 — мешалка); б — схема ротационного виско-
зиметра (7 — точка отбора пробы; 2 — насос; 3 — электродвигатель; 4 — измери-
тельный блок; 5— показывающее устройство; 6— рабочая камера; 7— ротор; 8—
термочувствительный элемент; 9 — термостат; 10 — регулятор; 11 — нагреватель;
12 — мешалка; 13 — змеевик); в — схема автоматического вискозиметра с падаю-
щим телом (1 и 9 — катушка; 2 — насос; 3 и 8 — ограничивающая сетка; 4 —
вторичный прибор; 5 —релейный блок; 6 — усилитель; 7 — шарик; 10 — мерная
трубка; 11 — резервуар);

мерную трубку 10. Шарик, находясь в нерабочем положении у ниж-
ней ограничивающей сетки 8, при включении насоса поднимается
до верхней ограничивающей сетки 3. В момент касания шарика с
сеткой 3 насос автоматически отключается и шарик падает в непод-
вижной среде исследуемой жидкости. На мерную трубку 10, выпол-
ненную из немагнитного материала, установлены катушки 1 и 9,
первичные и вторичные обмотки которых соединены по дифферен-
циально-трансформаторной схеме. При прохождении шарика через
катушки на входе контрольной схемы возникает сигнал разбаланса,
который усиливается электронным усилителем 6. Автоматическое
включение шестеренчатого насоса и отсчет времени падения шарика
осуществляют релейным блоком 5 и вторичным прибором 4. Преде-
лы измерения вискозиметра можно менять установкой различных
расстояний между катушками и подбором размера шарика.

Контрольные вопросы

1.	Какими основными механическими свойствами характеризуются
вещества и материалы и какими единицами они оцениваются?

2.	Какие виды механических испытаний металлов выполняют в про-
мышленности?

3.	Какие применяются средства контроля твердости металлов?

4.	Чем определяется плотность жидких и сыпучих тел и каковы прин-
ципы работы этих приборов?

5.	Как определяется вязкость жидких веществ?

2.4.	Измерение и контроль тепловых величин

2.4.1.	Методы и средства измерения и контроля температуры

Температурой называется статистическая величина, характери-
зующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней ки-
нематической энергии молекул тела. За единицу температуры при-
нимается кельвин (К). Температура может быть также представле-
на в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолют-
ному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положитель-
ные. Связь между температурами / по Цельсию и Т по Кельвину
определяется следующим уравнением:

/ = 7-273,16.

Измерить температуру непосредственно, как, например, ли-
нейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют
косвенно — по изменению физических свойств различных тел, по-
лучивших название термометрических.

Для практических целей, связанных с измерением температу-
ры, принята Международная практическая температурная шкала
(МПТШ-68) (рис. 2.75), которая является обязательной для всех
метрологических органов. Она основывается на ряде воспроизво-
димых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ,
которым присвоены определенные значения температуры.

Для измерения температуры наибольшее распространение по-
лучили следующие методы, которые основаны:
2046,15 -1	к 1773	Точка плавления платины Р1
К	"С	
1812,15 -	- 1539	Точка плавления железа Ре
1723,15 -	- 1450	Точка плавления стали
1373,15 -  1337,58 -	- 1100  - 1064,43	Точка плавления стекла  Точка затвердевания золота Аи
1235,08 -	- 961,93	Точка затвердевания серебра Ай

933,25 --- 660,10

692,73 1- 419,58

Точка плавления алюминия А1

Точка плавления серы 8

Точка затвердевания цинка 7п

505,1181 --	- 231,9681 Точка затвердевания олова 8п	
408,15 у	7 135	Точка плавления полимеров
373,15 -	- 100	Точка кипения воды Н2О
273,15 -	- 0,01	Тройная точка воды Н2О
90,188/	<182,962	Точка кипения кислорода О2
54,361 н	//218,769	Тройная точка кислорода О2
27,102Л_	1246,043	Точка кипения неона Не
20,28^	>252,87	Точка кипения водорода Н2
13,81<"	^-259,34	Тройная точка водорода Н2
0'	'273,15	Абсолютный нуль

Рис. 2.75. Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68)
с реперными точками (подчеркнуты)
на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел
(термомеханический эффект);

изменении давления внутри замкнутого объема при изменении
температуры (манометрические);

изменении электрического сопротивления тел при изменении
температуры (терморезисторы);

термоэлектрическом эффекте;

использовании электромагнитного излучения нагретых тел.

Приборы, предназначенные для измерения температуры, на-
зываются термометрами. Они подразделяются на две большие груп-
пы: контактные и бесконтактные.

Контактное измерение температуры. Термометры расшире-
ния нашли широкое распространение в практике контактных из-
мерений температуры. Основные типы механических контактных тер-
мометров, их метрологические характеристики, преимущества, не-
достатки и область применения представлены в табл. 2.19.

Жидкостные стеклянные термометры конструктивно делятся на
палочные (рис. 2.76, а) и технический со вложенной шкалой (рис. 2.76,

б). Принцип их действия основан на зави-
симости между температурой и объемом
термометрической жидкости, заключен-
ной в стеклянной оболочке. Жидкостный
термометр состоит из стеклянной оболоч-
ки 1, капиллярной трубки 3, запасного
резервуара 4 и шкалы 2. Термометричес-
кая жидкость заполняет резервуар и часть
капиллярной трубки. Свободное простран-
ство в капилляре заполняется инертным
газом или из него удаляется воздух.

В качестве термометрической жидко-
сти применяют органические заполни-
тели: толуол, этиловый спирт, керосин,
пентан. Наиболее широкое распростра-
нение получили термометры с ртутным
наполнением. Это объясняется свойства-
ми ртути находиться в жидком состоя-
нии в широком диапазоне температур и
не смачивать стекло, что позволяет ис-
пользовать капилляры с небольшим ди-
аметром канала (до 0,1 мм) и обеспечи-
вать высокую точность измерения. Так,
ртутные образцовые термометры 1-го
разряда имеют доверительную погреш-
ность е = 2о = (0,002... 2)“С.

Органические заполнители характери-
зуются более низкой температурой

Рис. 2.76. Жидкостные стек-
лянные термометры:
а — палочный; б — техничес-
кий со вложенной шкалой;
1 — стеклянная оболочка; 2—
шкала; 3 — капиллярная труб-
ка; 4 — запасной резервуар
Основные метрологические характеристики механических контактных термометров

Наименование прибора	Тип прибора	Пределы измерения, °С	Погрешность измерения, %	Инерцион- ность	Преимущества	Недостатки	Область приме- нения
Металли- ческие термометры расширения	Дилато- метрические	0...1000	+5	Большая	Дешевые, надежные, малое время срабатыва- ния; очень большие пе- рестановоч- ные усилия	Малая точность, высокая инерцион- ность	Темпера- турные вы- ключатели
	Биметал- лические	0...500	±5	»	Дешевые, надежные; большие пе- рестановоч- ные усилия	Низкая точность	Оценоч- ный конт- роль темпе- ратуры, тем- пературные выключатели
Жидкост- ные термо- метры	Жидкост- ные стек- лянные	-55...+600	±1	»	Очень дешевые	Малая ме- ханическая прочность, нет дистан- ционное™	Лабора- торные тер- мометры, бытовые тер- мометры
	Жидкост- ные маноме- трические	-30...+600	±1	»	Дешевые, надежные, не требуют внешних ис- точников энергии; ди- станцион- нэстъдо 50 м, большие пе- рестановоч- ные усилия	Темпера- тура соеди- нительного капилляра влияет на показания прибора	Промыш- ленные тер- мометры, термореле
	Конденса- ционные ма- нометриче- ские	0...400	±1	Малая	То же	Нелиней- ная статиче- ская характе- ристика	Тоже
Газовые термометры	С гелие- вым заполне- нием				Принцип измерения соответствует определению термодина- мической тем- пературы	Малая механиче- ская проч- ность, боль- шая трудо- емкость про- цесса изме- рения	Повероч- ные работы
применения, меньшей стоимостью, большей погрешностью из-:
мерения.

Стеклянные термометры в зависимости от назначения и облас-
ти применения делятся на образцовые, лабораторные, техничес-
кие, бытовые, метеорологические.

Лабораторные термометры обеспечивают измерение в интерва-
ле температур О...5ОО°С, который разбит на четыре диапазона,-
что позволяет получить погрешность измерений, не превышаю^
щую ±0,01 °С (О...6О°С); ±0,02°С (55... 155°С); ±0,05°С (140... 300°С);
и±0,ГС (300... 500 °С).

В качестве технических применяют только термометры со вло-;
женной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и уг-
ловые. Допускаемая погрешность обычно равна цене деления. При'
стационарной эксплуатации в различных точках технологических;
агрегатов термометры устанавливаются в специальных металличес-
ких защитных чехлах (кожухах).

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализа-
ции в лабораторных и промышленных установках применяются спе-
циальные электроконтактные технические термометры двух типов:

с постоянными впаянными контактами, которые обеспечива-
ют замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух
или трех заранее заданных температурах;

с одним подвижным контактом (перемещается внутри капил-
ляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в
капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электричес-
кой цепи при любом значении выбранной температуры.

Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает,
цепи между контактами, к которым подводится напряжение по-
стоянного или переменного тока и нагрузка на которые не должна
превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на
свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линей-
ные размеры при изменении их температуры.

В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с вы-
соким температурным коэффициентом линейного расширения. Так,
для латуни он равен (18,3...23,6)10~6 °С-1, для никелевой стали
20 -10-6 “С-1. В то же время есть сплавы, имеющие низкий коэффи-
циент линейного расширения: сплав инвар — 0,9-10-6 V, плав-
ленный кварц — 0,55-10-6'С-1.

На рис. 2.77, а представлена конструкция биметаллического тер-
мометра, в котором в качестве термочувствительного элемента ис-
пользуется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с суще-
ственно различными коэффициентами линейного расширения: ла-
туни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец
пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффи-
циентом, и по величине этого перемещения судят о температуре.
Данный тип устройств час-
то используется как терморе-
ле в системах сигнализации и
автоматического регулирова-
ния, а также в качестве тем-
пературных компенсаторов в
измерительных устройствах,
например в радиационных пи-
рометрах, манометрических
термометрах и т. п.

На рис. 2.77, б приведена
конструкция чувствительного
элемента пневматического ди-
латометрического преобразова-
теля температуры.

В корпусе 7, изготовленном
из латуни (нержавеющей ста-
ли) расположены трубка 3 и
стержень 2, выполненный из
инвара (кварца). Стержень 246-
рез трубку 3 и толкатель 5 с по-
мощью пружины 6 постоянно

Рис. 2.77. Термометры:

а — биметаллический (7 — латунь; 2 —
инвар); б — дилатометрический (7 — кор-
пус; 2 — стержень; 3 — трубка; 4 — ша-
рик; 5— толкатель; 6— пружина; 7— пре-
образователь)

поджимается к нижнему концу

корпуса 7. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и
компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и
предназначена для исключения температурной погрешности при ус-
тановке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Из-
менение разности удлинений корпуса 7 и стержня 2, пропорциональ-
ное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в
пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает
на регистрирующий прибор.

Дилатометрические преобразователи выпускаются и с электри-
ческим выходным сигналом. Класс точности устройств 1,5 и 2,5 с
диапазоном измеряемых температур от -30 до 1000 °С.

Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.78) основаны
на использовании зависимости между температурой и давлением
термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего гер-
метически замкнутую термосистему термометра. Термосистема со-
стоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно-
или многовитковой пружины 6. Капилляр 5 соединяет термобал-
лон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвиж-
ный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, по-
водок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 7.

При изменении температуры среды изменяется давление термо-
метрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего
чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформирует-
Рис. 2.78. Конструкция ма-
нометрического термометра:
1 — стрелка; 2 — сектор; 3 —
поводок; 4 — термобаллон; 5—
капилляр; 6 — пружина; 7 —
шарнирное соединение

ся и ее свободный конец перемещается.
Данное перемещение преобразуется в
поворот регистрирующей стрелки отно-
сительно шкалы прибора.

В зависимости от термометрическо-
го вещества манометрические термо-
метры делятся на газовые, конденса-
ционные и жидкостные.

В газовых термометрах термобалдон,
капилляр и манометрическая пружина
заполняются каким-либо инертным га-
зом (азотом, гелием и др.). Диапазон из-
мерения весьма широк и лежит в пре-
делах от критической температуры газа
(азот -147 °С, гелий -267°С) до темпе-
ратуры, определяемой теплостойкостью
материала термобаллона.

В конденсационных термометрах на-
сыщенные пары некоторых низкоки-
пящих жидкостей (ацетон, метилхло-
рид, этилхл орид) меняют давление при

изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от О
до 400 °С при погрешности измерений ±1 %.

В жидкостных термометрах термосист&ма. заполнена хорошо рас-
ширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.).
Диапазон измерения этих приборов от -30 до +600 °С при погреш-
ности измерений +1 %.

На показания манометрических термометров значительное вли-
яние оказывают внешние условия: изменения температуры окру-
жающего воздуха, различная высота расположения термобаллона
и пружины, колебания атмосферного давления.

Класс точности майометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и
4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от +5
до +50 °С и относительной влажности до 80%.

Манометрические термометры применяются для измерения тем-
пературы охлаждающей воды, воздуха, жидкого и газообразного
топлива, на установках для заправки и т. п.

Термометры сопротивления. Термометр сопротивления
состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, за-
щитного чехла и соединительной головки.

Принцип действия чувствительного элемента основан на ис-
пользовании зависимости электрического сопротивления вещества
от температуры. В качестве материалов для их изготовления исполь-
зуют чистые металлы: платину, медь, никель и полупроводники.
Платина является основным материалом для изготовления термо-
метров сопротивления. В качестве чувствительного элемента в по-
лупроводниковых термометрах сопротивления используют герма-
ний, окиси меди и марганца, титана и магния.

Основные метрологические характеристики термометров сопро-
тивления, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки
и область применения представлены в табл. 2.20.

Для решения различных задач термометры сопротивления де-
лятся на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою оче-
редь подразделяются на лабораторные и технические.

Эталонные термометры сопротивления предназначены для вос-
произведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13,81 ...903,89 К.
В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повы-
шенной точности применяют платиновые термометры сопротивления.

Технические термометры сопротивления в зависимости от кон-
струкции делятся: на погружаемые, поверхностные и комнатные;
защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды;
стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го класса
точности и т.д.

Одна из конструкций промышленных термометров сопротивле-
ния, используемого для измерения температур жидких и газообраз-
ных сред, представлена на рис. 2.79, а. Термометр состоит из чув-

Рис. 2.79. Термометр сопротивления:

а — конструкция термометра (7 — корпус головки; 2 — штуцер; 3 — защитный
кожух; 4 — фарфоровые бусы; 5 — чувствительный элемент; 6 — клеммная колод-
ка; 7 — сальниковый ввод; 8 — монтажный кабель; 9 — провода; 10 — крышка);
б— конструкция его чувствительного элемента (7 — глазурь; 2 — пространство;

3 — каркас; 4 — платиновые спирали; 5 — выводы)
с\
оо

Основные метрологические характеристики электрических контактных термометров

Характеристики	Термометры сопротивления		Термоэлектрические термометры	
	металлические	полупроводниковые	стандартные	в тонком чехле
	к д 1 й	V у	хд хд ® в	ХД хд и ®
Пределы измерения, °С	-200...+800	-150...+450	0...1600	0...2500
Погрешность измерения, %	±0,5	±(1...5)	±0,5	±0,5
Инерционность	Большая	Малая	Большая	Малая
Преимущества	Высокая точность, линейная статическая характеристика	Высокая чувстви- тельность, возмож- ны измерения в точке	Дешевые, хорошая линейность статиче- ской характеристики	Прочность, малая тепловая инерция, линейная статическая характеристика
Недостатки	Невозможно изме- рение температуры в точке	Нелинейная статическая харак- теристика, большой разброс парамет- ров, низкая стаби- льность параметров во времени	Большая тепловая инерция	Не известны
Область применения	Энергетика, непре- рывные технологи- ческие процессы в хи- мии, пищевая про- мышленность	Энергетика, тех- нологические про- цессы в химии, производство ис- кусственных мате- риалов, медицина	Энергетика, непре- рывные производства, пищевая промышлен- ность	Энергетика, непре- рывные производства, химия, медицина, стро- ительство, производство искусственных мате- риалов
ствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном ко-
жухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные
фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного эле-
мента 5 с клеммной колодкой 6, находящейся в корпусе головки 1.
Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый
ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.

Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 2.79, б)
выполнен из металлической тонкой проволоки толщиной 0,03... 0,1 мм
с безиндукционной каркасной или бескаркасной намоткой. В каче-
стве каркаса для платиновых термометров применяют плавленный
кварц и керамику на основе окиси алюминия. В каналах каркаса 3
расположены четыре (или две) последовательно соединенные пла-
тиновые спирали 4. К верхним концам спиралей припаяны выво-
ды 5, выполненные из платины или сплава иридия с радием. Про-
странство 2 между спиралями и каркасом заполнено порошком
окиси алюминия. Крепление спиралей и выводов в каркасе произ-
водится глазурью 1.

При применении термометров сопротивления о температуре
можно судить по изменению электрического сопротивления его

чувствительного элемента, падению напряжения на нем при по-

стоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.
Наибольшее распространение получила первая схема, когда изме-
нение сопротивления служит мерой температуры (рис. 2.80). В этом
случае терморезистор 1 включают в одну из диагоналей моста
последовательно с регулировочным резистором служащим для

приведения к определенному значению сопротивления подводя-

Рис. 2.80. Схема вклю-

чения термометра со-
противления:

1 — терморезистор; 2 —
уравнительный резис-
тор А,; 3 — гальванометр;
4 — измерительный мост
с резисторами К*, Ку
КА, Ал; 5 — источник пи-
тания; 6 — регулировоч-

ный резистор

щих проводов. Показания гальванометра 3,
включенного в диагональ моста, зависят
также от напряжения питания моста, для
поддержания постоянства которого в цепь
питания включен ретулировочный резистор.

Термоэлектрические термо-
метры состоят из термопары, защитного
чехла и соединительной головки, они ос-
нованы на термоэлектрических свойствах
чувствительного элемента.

Сущность термоэлектрического метода

заключается в возникновении электродви-
жущей силы в проводнике, концы которо-
го имеют различную температуру. Для по-
лучения зависимости термоэде от одной
температуры /2 необходимо температуру
поддерживать на постоянном уровне, обыч-
но при 0 или 20 °С. Спай, помещаемый в
измеряемую среду, называют горячим, или
рабочим, концом термопары, а спай, тем-
пературу которого поддерживают постоянной, — холодным, или
свободным, концом.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода
измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею:
несколько последовательно включенных термопар, рабочие кон-
цы которых находятся при температуре 12, а свободные — при из-
вестной и постоянной температуре Ц.

Основные метрологические характеристики термоэлектричес-
ких термометров, их принципиальные схемы, преимущества, не-
достатки и область применения см. в табл. 2.20.

В качестве термопар (ТП) наиболее часто применяются комби-
нации материалов, имеющих высокое значение развиваемой тер-
моэдс, стабильность характеристик при различных температурах,
воспроизводимость и линейную зависимость термоэдс от темпера-
туры, простоту технологической обработки и получения спая, а
именно: хромель-копелевые (ТХК), хромель-алюмелевые (ТХА),
платинородий-платиновые (ТПП), вольфрам-рениевые (ТВР) и
др. Наиболее точной является термопара ТПП, которая исполь-
зуется в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров
1-го, 2-го и 3-го разряда.

Основные характеристики термоэлектрических термометров
представлены в табл. 2.21.

На рис. 2.81 показана конструкция термоэлектрического термо-
метра. Термопара 7 установлена в защитный кожух 6. В головке 2

Рис. 2.81. Конструкция термоэлектрического термометра:

1 — контактное устройство; 2 — головка; 3 — термоэлектроды; 4 — штуцер; 5 —
керамические трубки; 6 — защитный кожух; 7 — термопара
Основные характеристики термоэлектрических термометров

Термопара	Градуировка	Химический состав термоэлектрода		Пределы примене- ния, °С		Пределы допускаемой погрешности, 'С, при температуре, °С				При /2= 100 ес, /,= 0 °С, мВ
		положительного	отрицательного	НИЖ- НИЙ	верх- ний*	300	800	1500	1800	
Стандартной градуировки										
Платино- родий-плати- новая (ТПП)	ПП-1	Платинородий (90% РГ +10% КЬ)	Платина (100% Р1)	0	1300  1600	1,23	2,06	3,36	—	0,64 ±0,03
Платиноро- дий-платино- родиевая (ТПР)	ПРЗО/6	Платинородий (70% Р1 + 30% Ют)	Платинородий (94% Р( +6%Ю1)	300	1600  1800	3,20	3,51	4,31	5,17	—
Хромель- алюмелевая (ТХА)	ХА	Хромель (89 % РП + 9,8% Сг + 1%Ре + 0,2% Мп)	Алюмель (94 %№ + 2% А1 + 2,5% Мп + 1 % 81 + 0,5 % Ре)	200	1000  1300	3,9	6,5	—	—	4,10±0,16
Хромель- копелевая (ТХК)	ХК	То же	Копель  (55 % Си + 45 % РН)	200	600  800	2,4	5,8	—	—	6,95±0,2
Вольфрам- рениевая (ТВР)	ВР5/20	Вольфрам-рений (95 % XV + 5 % Ре)	Вольфрам-рений (80% XV + 20% Ке)	0	2200  2500	5,00	5,00	7,40	9,60	1,33 ±0,03 (1,40±0,03)
Нестандартной градуировки

Вольфрам- рениевая	ВР10/20	Вольфрам-рений (90%\У + 10% Не)	Вольфрам-рений (80%\У + 20% Ре)	0	2200  2500	—	—	—	—	0,97±0,02
Вольфрам- молибденовая	ВМ	Вольфрам (100%	Молибден (100% Мо)	1250	2000  2000	—	—	5,00	—	0,40±0,03
	ЦНИИЧМ-1	То же	Молибден-алю- миний  (99,5 % Мо + 0,5 % А1)	1000	2000  2400	—	—	—	—	—
Медь кон- стантановая	МК	Медь (100% Си)	Константан  (42 % № + 58 % Си)	250	350  500	0,5... 1,0	—	—	—	4,10±0,16

* В числителе — длительный период, в знаменателе — кратковременный.


термометра расположено контактное устройство 1 с зажимами для
соединения термоэлектродов 3 с проводами, идущими от измери-
тельного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине
изолированы друг от друга и от корпуса керамическими трубками
5. В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром
0,3...0,5 мм. Спай на рабочем конце термопары /образуется свар-
кой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется
для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.

Для измерения возникающей термоэдс в контур термопары в
холодный спай (рис. 2.82, а) или в разрыв одного из термоэлекг-
родов (рис. 2.82, б) с помощью проводов Свключают измеритель-
ный прибор ИП. В первом случае (см. рис. 2.82, а) в схеме присут-
ствуют три спая: горячий 2 и два холодных (7 и 3), во втором
случае (см. рис. 2.82, б) в схеме — четыре спая: горячий 4, холод-
ный 1 и нейтральные 2 и 3, причем температура последних (3 дол-
жна быть одинаковой.

В схеме уравновешивающего преобразования (рис. 2.83) урав-
новешивание эдс термопары осуществляется за счет сигнала с мо-
стовой схемы, управляемой двигателем Д.

Компенсация методических погрешностей в термоэлектричес-
ких термометрах, обусловленных изменением температуры холод-
ного спая, осуществляется путем применения мостовых схем с тер-
мосопротивлением, питаемых стабилизированным постоянным на-
пряжением.

Бесконтактное измерение температуры. О температуре нагретого
тела можно судить на основании измерения параметров его тепло-
вого излучения, представляющего собой электромагнитные вол-
ны различной длины. Термометры, действие которых основано на
измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они по-

Рис. 2.82. Схемы включения измерительного прибора:

о: 1 и 3 — холодный спай; 2 — горячий спай; б: 1 — холодный спай; 2 и 3 —
нейтральный спай; 4 — горячий спай
зволяют измерять температуру в
диапазоне от 100 до 6000°С и
выше.

Физические тела характеризу-
ются либо непрерывным спектром
излучения (твердые и жидкие ве-
щества), либо избирательным
(газы). Участок спектра в интерва-
ле длин волн 0,02...0,4 мкм соот-
ветствует ультрафиолетовому из-
лучению, участок 0,4... 0,76 мкм —
видимому излучению, участок
0,76 — 400 мкм — инфракрасному
излучению. Интегральное излуче-
ние — это суммарное излучение,
испускаемое телом во всем спек-
тре длин волн.

Рис. 2.83. Принципиальная схема
подключения термоэлектрического
термометра:

— сопротивления компенсаци-
онного моста; Ар А3 — терморезисто-
ры; А,, А|0 — сопротивления делителя
напряжения; Т/Т — термопары; С —
конденсатор; У — усилитель; Д —
двигатель; ОУ — отсчетное устройство
излучения

Монохроматическим называют излучение, испускаемое при оп-
ределенной длине волны.

На основании законов излучения разработаны пирометры сле-
дующих типов:

суммарного (полного) излучения, в которых измеряется пол-
ная энергия излучения;

частичного излучения (квазимонохроматические), в которых из-
меряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником)
участке спектра;

спектрального распределения, в которых измеряется интенсив-
ность излучения фиксированных участков спектра.

Впирометрах полного излучения оценивается не ме-
нее 90 % суммарного потока излучения источника. При измерении
температуры реального тела пирометры этого типа показывают не
действительную, а так называемую радиационную температуру тела.
Поэтому эти пирометры называют радиационными. При известном
суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с ра-
диационной температуры тела на его действительную температуру.
Исходя из этого пирометры полного излучения удобно использо-
вать при измерениях разностей температур в неизменных условиях
наблюдения в диапазоне от 100... 3500°С. Основная допустимая по-
грешность в технических пирометрах возрастает с увеличением верх-
него предела измерения температуры. Так, для 1000°С— ±12%,
для 2000 °С — ±20%.

В радиационном пирометре (рис. 2.84) лучи нагретого тела поступа-
ют на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на прием-
ник излучения 3. Приемник излучения состоит из большого числа
термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде
секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных пос-
Основные метрологические характеристики приемников полного излучения

Характеристики	Электрические						Пневматические			Оптические		
	Термобатареи	Болометры	Тепловые быстродействую- щие индикаторы	Пироэлектриче- ские кристаллы			Детектор Голея			Жидкие кристаллы		
	♦  -+4	44	♦ 44		1	—О		1  // । /г				Л
Пределы из- мерения	Теоретически не ограничены, зависят от конструкции									1О2...1О3 к		
Чувствитель- ность	10° В-Вт*1	10' В-Вт-1	КУ4 В-Вт-'	103 В-Вт-1			105 В-Вт-1			102 нм-К-1		
Инерцион- ность, с	ю-2	10г3	10-8	ю-7			10*2			ю-1		
Преимущества	Высокая вре- менная стабиль- ность	Большая по сравнению с термобатарея- ми чувствитель- ность	Малая тепло- вая инерция	Малая тепло- вая инерция, широкий часто- тный диапазон			Чрезвычайно широкий частот- ный диапазон			Большая раз- решающая спо- собность (10-3 К)		
Недостатки	Большая по сравнению с болометрами инерционность	Необходимость источника питания, соб- ственное нагре- вание	Малая чувствите л ьность	Исчезновение поляризации выше точки Кюри	Невозможны статические из- мерения	Высокая инерционность
Область применения	Пирометрия, спектроскопия, радиометрия	Пирометрия, спектроскопия, радиометрия	Обнаружение лазерного излу- чения	Пирометрия, спектрометрия, регистрация температурных полей	Спектромет- рия	Медицина, исследования
Рис. 2.84. Схема радиационного пирометра:
1 — линза; 2 — диафрагма; 3 — приемник излу-
чения; 4 — окуляр; 5 — фильтр; ОУ — отсчет-
ное устройство

ледовательно, подается на
отсчетное устройство ОУ.
Через окуляр 4 с фильтром
5 производится наведение
пирометра на объект из-
мерения. Основные метро-
логические характеристи-
ки приемников полного

излучения, их принципи-
альные схемы, основны-
е преимущества, недостат-
ки и область применения

представлены в табл. 2.22.

Они подразделяются на электрические (термобатареи, боломет-

ры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пнев-
матические (детектор Голея) и оптические (жидкие кристаллы).
Наибольшая чувствительность (105 ВВт-1) у пневматических при-
емников. У электрических она составляет от 10-4 доЮ3 В Вт-1.

Приемники полного излучения отличаются тем, что их спект-

ральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин
волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиоле-
товой. Для увеличения поглощательной способности чувствитель-
ные поверхности приемников излучения окрашивают в черный
цвет. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник помешают в
вакуумированные или газонаполненные корпуса.

Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных
последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются
на узком участке поверхности, на который фиксируется излучение.

Болометры— это термометры сопротивления, изготовленные
либо из фольги проводящих материалов, либо из полупроводни-
ков (термисторов).

Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде
тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой
имеет хороший тепловой контакт с основанием. Это дает возмож-
ность повысить быстродействие (время успокоения до 10-9 с). Они
применяются для идентификации мощных сигналов, например ла-
зерного излучения.

Пироэлектрические приемники — это кристаллы с определенным
видом симметрии, в которых в зависимости от изменения темпе-
ратуры проявляется эффект спонтанной поляризации.

Пирометры полного излучения подразделяются на
пирометры с преломляющей оптической системой (рис. 2.85, а) и
пирометры с отражающей оптической системой (рис. 2.85, б).

В первом случае излучение от объекта измерения 1 через линзо-
вый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного
излучения 4. Для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с
Рис. 2.85. Схемы пирометров полного излучения:

а — с преломляющей оптической системой (7 — объект измерения; 2 — объектив;
3 и 7 — диафрагма; 4 — приемник полного излучения; 5 — светофильтр; 6 —
окуляр; 8 — глаз оператора; 9 — милливольтметр); б — с отражающей оптической
системой (1 — объект измерения; 2 — полиэтиленовая пленка; 3 — приемник
излучения; 4 — диафрагма; 5 — зеркальный объектив; 6 — зрительная труба; 7 —
глаз оператора; 8 — милливольтметр)

дымчатым светофильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устрой-
ством является милливольтметр 9.

В пирометрах с отражающей оптической системой (см. рис. 2.85, б)
излучение от объекта измерения 1 попадает на приемник излуче-
ния 3 после прохождения через защитную полиэтиленовую плен-
ку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив 5. Для наводки на объект
излучения служит зрительная труба 6. Отсчет показаний произво-
дится по шкале милливольтметра 8. Полиэтиленовая пленка про-
зрачна для инфракрасного излучения и служит для защиты опти-
ческой системы пирометра от загрязнения потоков воздуха.

Основные метрологические характеристики пирометров пол-
ного излучения, их преимущества, недостатки и область их при-
менения представлены в табл. 2.23.

Пирометры частичного излучения работают в узком
диапазоне волн, они называются квазимонохроматическими пиромет-
рами. К данному типу пирометров относят оптические и фотоэлектри-
ческие пирометры. Разновидностями оптических пирометров являют-
ся пирометр «с исчезающей нитью», пирометр «с оптическим круго-
вым клином», фотоэлектрические монохроматические пирометры.

На рис. 2.86, а изображена схема оптического пирометра «с исче-
зающей нитью», принцип действия которого основан на сравне-
нии яркости объекта измерения и яркости градуированного ис-
точника излучения в определенной длине волны.

Изображение излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 4 объектива
пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания 5. Оператор
через диафрагму 6, линзу окуляра 8, красный светофильтр 7 на
фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок рео-
стата 77, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и
добивается уравнивания яркостей нити и излучателя. Момент «ис-
00
о

Основные метрологические характеристики пирометров

Наименование прибора	Тип прибора	Пределы измере- ния, °С	Пог- реш- ность измере- ния, %	Инер- цион- ность, с	Преимущества	Недостатки	Область применения
Пирометры полного излу- чения	С пре- ломляю- щей оп- тиче- ской систе- мой	100...2000	±1	0,005... 5	Дешевый, надежный	Со стеклянной оптикой, применим только для высоких температур, показа- ния зависят от коэф- фициента черноты	Прокатные станы, производство резино- технических изделий, текстильная промыш- ленность, производст- во керамики и стекла
	С от- ражаю- щей оп- тиче- ской систе- мой	-100...2000	±1	0,005... 5	Применим для очень низких температур	Дороже пирометра с рефлекторной оптикой	Целлюлозно-бума- жная промышлен- ность, производство искусственных мате- риалов, пищевая и текстильная промышленность
Квазимоно- хроматиче- ские пироме- тры (части- чного излуче- ния)	С исчезаю- щей нитью	700...3000	0,5... 1	30	Дешевый, надежный	Показания прибора зависят от коэффи- циента черноты	Производство стали и стекла
Пирометры спектраль- ного распре- деления	Пиро- метры сравне- ния	1000...2000	1... 1,5	30	Одновременно измеряется действительная и яркостная температура	Дорогой прибор с ручным уравнове- шиванием, оператор должен уметь хорошо различать цвета	Доменные печи, розлив стали, вращающиеся печи
	Пиро- метры спект- рального отноше- ния	800...2500		5	Автоматиче- ский прибор, показания не зависят от коэффициента черноты	Большая цена	То же

ОО
Рис. 2.86. Схемы пирометров частичного излучения:

а — «с исчезающей нитью» (7 — излучатель; 2 и 3 — линза; 4 и 6 — диафрагма;
5 — нить накаливания; 7— светофильтр; 8— линза окуляра; 9 — регистрирующий
прибор; 10 — источник питания; 77 — реостат); б — фотоэлектрический (7 —
излучатель; 2 — линза; 3 — диафрагма; 4 — окуляр; 5 — светофильтр; б — фотоэле-
мент; 7 и 8 — отверстие; 9 — заслонка; 10 — катушка возбуждения; 11 — якорь;
12 — постоянный магнит; 13 — усилитель; 14 — фазовый детектор; 15 — потенцио-
метр; 16 — калибровочное сопротивление; П — лампа)

чезания» нити на фоне объекта соответствует равенству яркостей
нити и объекта излучения. Регистрирующий прибор 9 фиксирует
силу тока, соответствующую этому моменту, и позволяет произве-
сти считывание результата измерения температуры объекта излуче-
ния, °С. Красный светофильтр 7 пропускает область излучения с
шириной около 0,1 мкм и с эффективной длиной волны 0,65 мкм.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуры в ин-
тервале 700... 8000°С. Основная допустимая погрешность измере-
ния для интервала температур 1200... 2000 °С составляет ±20°С.

Пирометр с оптическим круговым клином является модификаци-
ей описанного выше. В нем яркостную температуру нити лампы
накаливания поддерживают постоянной, а уравнивание яркостей
осуществляется перемещением оптического клина, пропускающего
больше или меньше света от объекта. По положению клина судят о
яркостной температуре объекта излучения.

Фотоэлектрические пирометры основаны на использовании за-
висимости интенсивности излучения от температуры в узком ин-
тервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных пиро-
метрах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэле-
менты и фотоумножители.

Основные метрологические характеристики фотоэлектрических
приемников излучения, их принципиальные схемы, преимуще-
ства, недостатки и область применения представлены в табл. 2.24.

На рис. 2.86, б приведена схема фотоэлектрического монохрома-
тического пирометра, в котором в качестве приемника применяет-
Основные метрологические характеристики фотоэлектрических
приемников излучения

Характе- ристика	С внутренним фотоэффектом					С внешним фотоэффектом	
	Фотоэле- мент	Фотоди- од	Фото- транзи- стор	Фоторе- зистор	РЕМ-де- тектор	Фотоэле- менте внешним фотоэф- фектом	Фотоум- ножи- тели
	♦	♦	♦	♦		♦	
	1^1	4-й-		1^1			
Преде- лы изме- рения, К	102...104	102... 104	102... 104	102... 104	1О2...1О4	103...104	103... 104
Чувст- витель- ность, А-лм1	10~4	10~2	10-'	103	—	10-5	103
Инер- цион- ность, с	10~2	10-7	10-6	10~4	10-6	10-8	10~8
Преи- мущест- ва	Гене- ратор- ный преоб- разова- тель	Малая инерци- онность	Высо- кая чув- ствитель- ность	Возмо- жность комму- тировать большие токи	Гене- ратор- ный преоб- разова- тель с малым внутрен- ним соп- ротив- лением	Высо- кая чувстви- тель- ность	Очень высокая чувстви- тель- ность
1 Недо- статки	Высо- кая инерци- онность	Требуется источник питания			Необ- ходимо магнит- ное поле	Тре- буется источ- ник пи- тания	Тре- буется высокое напря- жение питания (>1 кВ)
Характе- ристика	С внутренним фотоэффектом					С внешним фотоэффектом	
	Фотоэле- мент	Фотоди- од	Фото- транзи- стор	Фоторе- зистор	РЕМ-де- тектор	Фотоэле- менте внешним фотоэф- фектом	Фотоум- ножи- тели
	♦	♦	1	♦		♦	
	(1	1 Д^Д 1					
Об- ласть приме- нения	Пирометрия, информационная техника			Пи- ромет- рия, свето- вые из- мере- ния, ме- дицина, релей- ные схемы	Пи- ромет- рия	Ин- форма- цион- ная тех- ника, свето- вые из- мерения	Астро- номия, ядерная физика

ся фотоэлемент. Поток от излучателя 7 с линзой 2 и диафрагмой 3
объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5
таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхно-
сти излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величи-
на светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, располо-
женного за светофильтром 5, определяется яркостью излучателя,
т.е. его температурой. В держателе светофильтра 5 расположено еще
одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от
лампы 7/обратной связи. Световые потоки от излучателя 7 и лампы
7 7 подаются на катод попеременно через отверстия 7 и 8 с частотой
50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9.

При различии световых потоков излучателя 7 и лампы 17 в
токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имею-
щая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности дан-
ных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной со-
ставляющей, а фазовый детектор 14 — последующее ее выпрям-
ление. Полученный выходной сигнал подается на лампу 77, что
вызывает изменение тока накаливания. Это будет происходить до
тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух
источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной
связи однозначно связан с яркостной температурой объекта из-
мерения.

В цепь лампы 17 включено калибровочное сопротивление 16,
падение напряжения на котором пропорционально силе тока и
измеряется быстродействующим потенциометром 75, снабженным
температурной шкалой.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения
500... 1100°С применяют- кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в
приборах со шкалой 800...4000°С — вакуумный сурьмяно-цезиевый.
Пределы допускаемой погрешности до 2000°С не превышают ±1 %.

Фотоэлектрические пирометры характеризуются малой инер-
ционностью (до 10-3 с), поэтому их используют для регистрации
быстропротекающих температурных процессов, а также для изме-
рений температуры малых объектов.

Пирометры спектрального распределения измеря-
ют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей из-
лучения в двух определенных участках спектра. Основное преимуще-
ство таких пирометров заключается в независимости их показаний от
излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли
и испарений в пространстве между объектом и пирометром.

В пирометрах сравнения (рис. 2.87, а) отношение спектральных ин-
тенсивностей оценивается субъективно по цветовому ощущению,
создаваемому смесью двух монохроматических пучков. Излучение от
объекта измерения 1 через объектив 2, нейтральный оптический клин
3 и двойной светофильтр 4 направляется к фотометрическому куби-
ку 5. Двойной светофильтр 4 выполнен в виде двух клиньев (красного
и зеленого), относительным перемещением которых можно изме-

Рис. 2.87. Схемы пирометров спектрального распределения:
а — пирометра сравнения (1 — объект измерения; 2 и 12— объектив; 3 — оптический
клин; 4 — светофильтр; 5 — фотометрический кубик; 6 — окуляр; 7 — диафрагма;
8 — глаз оператора; 9 — лампа; 10 — матовое стекло; 11 — светофильтр); б —
пирометра спектрального отношения; (1 — объект измерения; 2 — объектив; 3 —
фильтр; 4 — обтюратор; 5 — фотоэлемент; 6 — усилитель; 7 — реверсивный
двигатель)
нять соотношение между интенсивностями красного и зеленого цве-
тов. На фотометрический кубик поступает также излучение от лампы
9 через матовое стекло 10, красный и зеленый светофильтр 11 и объек-
тив 12. Через окуляр 6 глаз оператора 8 видит два участка, соответ-
ствующих излучению от объекта измерения 1 и лампы 9, окрашен-
ных смесью зеленого и красного цветов с различным соотношением
их интенсивности. Взаимным смещением оптических клиньев двой-
ного светофильтра 4 уравнивают соотношение излучения объекта из-
мерения 1 и излучения лампы 9. Для уравновешивания соотношения
цветов необходимо равенство яркостей излучения объекта и лампы.
Этого добиваются изменением положения нейтрального оптическо-
го клина 3. После уравновешивания положения нейтрального клина
определяют яркостную температуру, а положение одного из клиньев
двойного светофильтра определяет цветовую температуру объекта.

Оператор, работающий с пирометром сравнения, должен об-
ладать хорошим цветоощущением.

В пирометрах спектрального отношения (рис. 2.87, б) вводится
модуляция светового потока. Световой поток от объекта измере-
ния 1 прерывается обтюратором 4 с двумя светофильтрами, про-
пускающими излучение на двух длинах волн Л, и Л2 к фотоэлемен-
ту 5. Переменная составляющая выходного сигнала фотоэлемента
усиливается в усилителе 6 и подается на реверсивный двигатель 7,
который перемешает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор,
пока не уравняются интенсивности излучения на обеих длинах
волн. В положении равновесия перемещение фильтра 3 является
мерой измеряемой температуры.

Краткую характеристику пирометров спектрального распреде-
ления и область их применения см. в табл. 2.23.

Контрольные вопросы

1.	Что такое температура и какими единицами она оценивается?

2.	Как работают контактные термометры расширения?

3.	Что такое термометр сопротивления и каков принцип его работы?

4.	Каковы конструкция и принцип действия термоэлектрического тер-
мометра?

5.	Как работают бесконтактные термометры?

6.	Какие типы пирометров нашли наибольшее распространение в про-
мышленности?

2.4.2. Методы и средства измерения и контроля теплофизических
свойств веществ и материалов

Теплофизические свойства принято делить на несколько групп.
Первую группу составляют равновесные теплофизические свойства
веществ, являющиеся функциями состояния. К этой группе отно-
сятся так называемые термодинамические свойства, которые в свою
очередь подразделяются на термические и калорические. К терми-
ческим свойствам относят плотность вещества (см. подразд. 2.3.3), к
калорическим свойствам относят внутреннюю энергию, энталь-
пию, энтропию, теплоемкость.

Ко второй группе теплофизических свойств веществ относят
«переносные» свойства, такие как теплопроводность, вязкость,
диффузия. Эти свойства характеризуют неравновесные процессы в
физических средах. К теплофизическим свойствам относят также
некоторые оптические свойства, связанные с поглощением и ис-
пусканием теплового излучения.

Рассмотрим некоторые теплофизические свойства веществ и
материалов, методы и средства их измерения и контроля.

Единицей количества теплоты (2 является джоуль (Дж). Джо-
уль— это количество теплоты, эквивалентное механической ра-
боте (энергии) 1 Дж. В технике пока еще нередко применяется ста-
рая (внесистемная) единица количества теплоты — калория (кал).
Соотношение между ними:

1 кал = 4,1868 Дж;

1 Дж = 1 Втс = 1 Нм.

Тепловой поток Ф — это количество теплоты, проходящей че-
рез поперечное сечение за единицу времени Т:

Ф = Ь(2/ЬТ

Тепловой поток измеряется в единицах мощности (Дж/с), ко-
торые могут быть переведены в другие единицы мощности:

1 Дж/с = 1 Вт= 1 Н-м/с.

Для грубых практических расчетов можно принимать

1 ккал/ч = 1 Вт.

Плотность теплового потока д определяется как количество теп-
лоты, проходящей за единицу времени через единицу площади
поверхности (а).

Единицей измерения плотности теплового потока является Дж/(с-м2):

9 = (1/5)(дс/дТ).

Теплоемкость вещества С (ранее называвшаяся также водяным
эквивалентом) означает изменение теплосодержания вещества (эн-
тальпии) при изменении его температуры на 1 К:

С = ДС/ДИ

Единицей измерения теплоемкости является джоуль на кель-
вин; 1 Дж-К-1 — это теплоемкость тела, температура которого по-
вышается на 1 К при подведении к нему количества теплоты 1 Дж.

Напомним, что кельвин (К) — это 1/273,16 части термодина-
мической температуры тройной точки воды.

Удельная теплоемкость вещества — это величина, равная коли-
честву теплоты, необходимой для нагревания 1 кг вещества на 1 К.
Единица удельной теплоемкости — джоуль на килограмм-кель- ’
вин (Дж/(кг-К)).

Молярная теплоемкость — это величина, равная количеству теп-
лоты, необходимой для нагревания 1 моля вещества на 1 К.

Ст = Д(2/г>АТ,

где V — количество вещества, выражающее число молей.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же
структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде 12С
массой 0,012 кг.

Удельная теплоемкость с связана с молярной Ст следующим
соотношением:

С„ = сМ,

где М— молярная масса вещества.

Различают теплоемкости при постоянном объеме и постоян-
ном давлении, если в процессе нагревания вещества его объем
или давление поддерживается постоянным.

Внутренняя энергия моля твердого тела определяется из зависи-
мости

= ЗКТ,
где К — молярная газовая постоянная.

Молярная теплоемкость твердого тела (химически простых тел)
не зависит от температуры, Дж/(моль-К):

Си = ЗК « 25.

Молярная теплоемкость твердых химических соединений,
ДжДмольК):

Си = ЗпК ~ 25и,
где п — число атомов в молекуле.

Вблизи нуля Кельвина теплоемкость тел пропорциональна Т3.
Алмаз, например, имеет теплоемкость, равную 3 К при 1800 К.
Если в одной области вещества (газа, жидкости, твердого тела)
энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени
вследствие постоянных столкновений молекул происходит про-
цесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, ины-
ми словами, выравнивания температур. Изменение температуры в
пространстве характеризуется градиентом температуры.

Передача теплоты вследствие наличия такого свойства веще-
ства, как теплопроводность, всегда происходит в направлении
уменьшения температуры.

Теплопроводность — градиент температуры, равный скорости из-
менения температуры на единицу длины в направлении нормали
к этой площадке.
Теплопроводность численно равна плотности теплового потока
при градиенте температуры, равном единице.

Коэффициент теплопроводности Л характеризует способность ве-
щества проводить теплоту. Он зависит от природы вещества, тем-
пературы и в меньшей степени от давления. Единица измерения —
ватт на метр-кельвин (Вт/(м • К)).

При температуре больше 100 К значения коэффициента тепло-
проводности изменяются в следующих пределах: для газов —
0,005...0,5 Вт/(м-К); для капельных жидкостей —0,08...0,7 Вт/(м-К);
для твердых тел — 0,02... 400 Вт/(м • К). Для твердых тел нижняя часть
диапазона Л (0,02...3,0 Вт/(м-К)) относится к диэлектрикам; мате-
риалы с коэффициентом менее 0,2 Вт/(м • К) используются как теп-
лоизоляционные,-а значения коэффициента Л от 20 до 400 Вт/(м  К)
характерны для металлов и сплавов.

Коэффициент теплообмена а характеризует процесс обмена теп-
лотой между твердой поверхностью и жидкостью (газом) путем и
теплопроводности, и конвенции одновременно. Единица измере-
ния — ватт на квадратный метр-кельвин (Вт/(м2-К)).

Коэффициент теплопередачи К характеризует процесс переноса
тепла от одной жидкой среды к другой через разделяющую их твер-
дую стенку. Единица измерения коэффициента теплопередачи ана-
логична коэффициенту а — Вт/(м2-К).

Важными величинами теплофизических свойств веществ и ма-
териалов являются температурные коэффициенты линейного и
объемного расширения.

Температурный коэффициент линейного расширения а, — это из-
менение тела длиной в 1 м при изменении его температуры на 1 К.
Единица измерения — метр на метр-кельвин (м/(м • К)).

Температурный коэффициент объемного расширения сс„ — это из-
менение объема тела (вещества) в 1 м3 при изменении его темпе-
ратуры на 1 К. Единица измерения — кубический метр на кубичес-
кий метр-кельвин (м3/(м3-К)).

Явление диффузии заключается в том, что происходит самопро-
извольное проникновение и перемешивание двух соприкасающихся
газов, жидкостей и твердых тел. Диффузия сводится к обмену масс
частиц этих тел; она возникает и продолжается, пока существует
градиент плотности.

Плотность потока массы — величина, определяемая массой ве-
щества, диффундирующего в единицу времени через единичную
площадку, перпендикулярную оси.

Диффузия (коэффициент диффузии) численно равна плотнос-
ти потока массы при градиенте плотности, равном единице.

Методы и средства измерения и контроля теплофизических
свойств веществ и материалов достаточно разнообразны.

Рассмотрим принцип действия основного средства измерений
теплофизических свойств веществ и материалов — калориметра.
Калориметр обычно работает таким образом, что после иници-
ирования какого-либо процесса проба (образец) отдает калори-
метрическому устройству или получает от него некоторое неизве-
стное количество теплоты Д0. При этом специальными мероприя-
тиями предотвращается теплообмен калориметрического устрой-
ства с окружающей средой. В соответствии с изменением энталь-
пии калориметра на Д@ его температура повышается или понижа-
ется на Д/. Это изменение температуры и является мерой количе-
ства теплоты Л (2, участвовавшей в теплообмене. Таким образом,
измерение количества теплоты сводится к определению разности
температур.

На этом принципе построены калориметры для измерения теп-
лоемкости, теплопроводности, коэффициентов теплопередачи и
других теплофизических свойств веществ. Рассмотрим некоторые
из них.

Теплоемкость твердых тел обычно исследуют как функцию тем-
пературы при давлении, равном атмосферному.

Метод непосредственного нагревания заключает-
ся в следующем. На исследуемом образце 5 (рис. 2.88, а) намотан
электрический нагреватель 4. Образец помещен в цилиндр 3 из
того же материала. Нагреватель одновременно служит термомет-
ром сопротивления. Образец подвешивается внутри сосуда 2, со-
единенного с вакуумной линией 7. Калориметр помешается в кри-
остат, где создается стационарная температура.

Измерив разность температур образца до и после включения
нагревателя, определив количество теплоты, подведенное к изме-
ряемому образцу за счет работы нагревателя, определяют тепло-
емкость образца.

Метод смешения заключается в том, что в печи образец
нагревается до нужной температуры, после чего он сбрасывается в
расположенный под печью калориметр, в котором остывает до
температуры, близкой к комнатной. В калориметре измеряется теп-
лота, отданная образцом при его остывании.

Ледяной калориметр (рис. 2.88, б) позволяет определить количе-
ство теплоты жидкого вещества с высокой точностью. Нагретую в
электропечи /до определенной температуры ампулу 11 с исследуе-
мым веществом сбрасывают в ледяной калориметр II. Количество
теплоты, введенное с ампулой в калориметр, определяется по мас-
се расплавившегося льда 6, намороженного на металлических реб-
рах 10, и теплоте плавления льда. Массу определяют по уменьше-
нию объема системы лед 6 — вода 9 в калориметре 5, а это измене-
ние объема определяют по количеству ртути 7, втянутой внутрь ка-
лориметра по приемному каналу калориметра 4 по капилляру для
подачи ртути 7 при плавлении льда. Количество ртути 7 находят
весовым методом по ее убыли в сосуде 2. Калориметр 5 окружен
тающим льдом 8 для исключения притока теплоты извне.
3

Рис. 2.88. Измерение теплоемкости твердых тел:

а — конструкция калориметра непосредственного нагревания (/ — вакуумная линия;
2— сосуд; 3— цилиндр; 4 — электрический нагреватель; 5 — исследуемый образец);
б — конструкция ледяного калориметра (7 — капилляр для подачи ртути; 2 —
сосуд; 3 — термостатирующая спираль; 4 — приемный канал калориметра; 5 —
калориметр; 6 — лед; 7 — ртуть; 8 — тающий лед; 9 — вода; 10 — металлические
ребра; 11 — ампула с исследуемым веществом; I — электрод; II — ледяной
калориметр); в — конструкция калориметра смешения (1 — печь; 2 — трубка; 3 —
термопара; 4 — термостат; 5 — калориметр; б — платиновый нагреватель)

Метод смешения часто применяют для определения теплоемко-
сти газа. Конструкция калориметра смешения для измерения тепло-
емкости газов представлена на рис. 2.88, в. Исследуемый газ предва-
рительно подогревается в печи 1. Затем он поступает по трубке 2 в
основной платиновый нагреватель 6, состоящий из двух концент-
рично расположенных платиновых трубок, по которым пропуска-
ется электрический ток через токопроводы 2Г( и 2^. Температура газа,
Рис. 2.89. Конструкция установки для из-
мерения теплопроводности металлов ме-
тодом продольного теплового потока:
1 — нагреватель охранного цилиндра; 2—
терпомары; 3 и 4 — холодильник; 5 —
охранный цилиндр; 6 — образец; 7— блок
нагревателя

покидающего печь и поступа-
ющего в калориметр 5, изме-
ряется термопарой 3, распо-
ложенной внутри основного
нагревателя. Калориметр 5 ок-
ружен калориметрической
жидкостью термостата 4, ко-
торая непрерывно перемеши-
вается. Повышение темпера-
туры калориметра измеряет-
ся термометрами. Исследуе-
мый газ, выходящий из ка-
лориметра, охлаждается до
температуры калориметра.

Для определения тепло-
проводности веществ ис-

пользуют две группы методов: стационарные и нестационарные. В не-
стационарных методах в отличие от стационарных применяют из-
меняющиеся по определенному закону во времени температурные
поля.

Один из методов определения теплопроводности металлов, на-
шедший широкое применение, является метод продольно-
го теплового потока. На рис. 2.89 изображена конструкция
установки, построенная на этом методе. Вдоль длинного образца 6
с заданной площадью поперечного сечения создается равномер-
ный тепловой поток с помощью блока нагревателя 7или холодиль-
ника 4. Между двумя сечениями образца, расположенными на оп-
ределенном расстоянии, измеряют с помощью термопар 2 разность
температур. Защита образца от боковых тепловых потерь осуществ-
ляется с помощью охранного цилиндра 5, в котором создается тем-
пературное поле, повторяющее поле образца с помощью нагрева-
теля охранного цилиндра 7 или холодильника 3. По измеренной
разности температур определяют теплопроводность образца.

Для определения теплоты сгорания твердых, жидких и газооб-
разных веществ, применяемых в теплосиловом хозяйстве, исполь-
зуют калориметры горения.

Известно, что при полном сгорании вещества выделяется не-
которое количества теплоты О (теплота сгорания). Если разделить
ее на массу т (или объем при нормальных условиях У„), то полу-
чится (удельная) теплота сгорания:

Я= ()/т (Дж/кг)

или Нп = (>/Уп (Дж/м3).

Этот показатель нужен для определения коэффициентов полезно-
го действия, расчетов экономности и расхода энергии в различных
Рис. 2.90. Устройство кало-
риметрической бомбы Бер-
тло:

1 — клапан для подачи кис-
лорода; 2— запальное напря-
жение; 3 — клапан для отвода
продуктов сгорания; 4 — ис-
следуемое вещество; 5 — элек-
трический запальник

подводимое для зажига-

установках, а также для оптимального
управления процессом горения.

Для быстро протекающих процессов
горения твердых и жидких веществ раз-
работана так называемая калориметри-
ческая бомба Бертло (рис. 2.90). Сжига-
ние малого, точно отмеренного количе-
ства вещества 4 происходит при посто-
янном объеме в герметической емкости
в атмосфере возможно более чистого кис-
лорода под давлением ~ 3 МПа (30 ат).
Заполненная емкость помещается в жид-
костную ванну калориметра, которая и
воспринимает выделяющееся тепло го-
рения.

Исследуемое вещество 4 помешают
в чашечки из платины или кварца или
в малые пластмассовые капсулы. На
крышке, закрепляемой к корпусу ем-
кости, расположены устройства, необ-
ходимые для измерения: клапаны для
подачи кислорода 1 и отвода продуктов
сгорания 3, держатели для проб и элек-
трический запальник 5. Зажигание осу-
ществляется подводом электричества к
тонкой платиновой проволоке, причем

ния тепло также должно быть точно измерено для учета при оп-
ределении теплоты сгорания вещества.

Твердые вещества обычно прессуют в брикеты (таблетки) ма-
лых размеров и взвешивают с высокой точностью. Плохо горящие
вещества перемешивают с хорошо горящими жидкостями с извест-
ной теплотой сгорания.

При определении теплоты сгорания в калометрической бомбе
измеряется количество воды, образующейся при химических реак-
циях и находящейся в парообразном состоянии в продуктах сго-
рания.

Для определения теплоты сгорания газообразных сред приме-
няются так называемые влажные и сухие калориметры, основан-
ные на непрерывном измерении. В обоих случаях исследуемый газ,
очищенный от механических примесей и увлажненный до 100%,
непрерывно сжигают в горелке при постоянном давлении, уста-
навливаемом и поддерживаемом при помощи редукционного кла-
пана. Вся выделяемая при сгорании теплота поглощается либо вво-
дом охлаждающей среды 3 в теплообменнике (влажный или теп-
лообменный калориметр — рис. 2.91, а), либо посредством сме-
шивания продуктов сгорания: охлаждающего воздуха и дымовых
Рис. 2.91. Устройство калориметров для определения теплоты сгорания
газообразных сред:

а — влажного; б — сухого; 1 — конденсат; 2 — отходящие газы; 3 — ввод охлажда-
ющей среды; 4 — отвод охлаждающей среды; 5 — воздух; 6 — газ; 7 — охлаждаю-
щий воздух и дымовые газы; 8 — охлаждающий воздух

газов 7 с потоком воздуха 5 с известным расходом (сухой или сме-
шивающий калориметр — рис. 2.91, б). Зная массовые расходы по-
токов и разность температур на входе и выходе калориметра, мож-
но по уравнению теплового баланса вычислить соответствующую
теплоту сгорания.

Достижимая точность теплообменных калориметров сравнитель-
но высока. Их погрешность не превышает ±(0,25... 1)%. Сухие ка-
лориметры имеют погрешность от ±(1 ...2) % верхнего предела ди-
апазона измерений.

Поверку калориметров выполняют на эталонном газе (напри-
мер, водороде), чтобы установить отклонение от уравнивания теп-
лового баланса для идеального состояния калориметра.

Важное место в практике измерений тепловых потоков занима-
ют методы и средства измерения тепловых потоков в текущих сре-
дах, движущихся в замкнутой сети.

Анализ теплового потока, передаваемого потоком среды-теп-
лоносителя, показывает, что его измерение непосредственно сво-
дится к измерению температур и массовых расходов. Во многих
случаях измеряют не массовый расход среды-теплоносителя, а
объемный расход. При этом полученный результат будет отличать-
ся на величину плотности теплоносителя.

Для жидкостей уравнение теплового потока имеет вид, Дж/с,

Дф = /пс(4- О,
где АФ — разность тепловых потоков на входе и выходе измеря-
емой зоны; тс — массовый расход теплоносителя; 1С, 1а — темпера-
тура теплоносителя соответственно на входе и выходе зоны теп-
лового баланса.

На рис. 2.92 представлена схема электрического измерения теп-
лового потока для сжимаемого и несжимаемого теплоносителя.
Измерение расхода в данном примере осуществляется по пере-
паду давлений на диафрагме 7. Среда-теплоноситель т проходит
через входное е и выходное а контрольные сечения. Перепад дав-
ления на дроссельном устройстве Др, абсолютное давление р, оп-
ределяемые преобразователем перепада давления 8 и преобразо-
вателем давления 9, а также температуры 1С и 1а, измеряемые
преобразователями температуры 5 и 6 соответственно на входе и
выходе процесса, поступают на ввод вычислительного устрой-
ства (например, микропроцессора) для расчета теплового пото-
ка количества теплоты. Сюда же вводятся данные о свойствах ма-
териала при нормальных условиях (плотность р0 и удельная теп-
лоемкость Ср).

Погрешность электрических приборов в зависимости от испол-
нения может составлять от ±0,5 % (у прецизионных приборов) до
±1,5% (у простых производственных приборов).

В качестве преобразователей могут быть использованы верту-
шечные расходомеры (см. подразд. 2.8.3) или аналогичные измери-
тели расхода (счетчики), которые при каждом обороте посылают
один электрический импульс, а также устройства, основанные на
измерении расхода по перепаду давления на дросселе или диаф-

Рис. 2.92. Схема электрического измерения теплового потока для сжима-
емого и несжимаемого теплоносителя:

7 — питание вспомогательной энергией; 2 — выход сигнала к счетчикам; 3 — выход
сигнала к показывающим приборам; 4 — вычислительное устройство; 5 и 6 — пре-
образователь температуры; 7—диафрагма; 8— преобразователь перепада давления;

9 — преобразователь давления; е, а — входное и выходное контрольные сечения
Рис. 2.93. Конструкция теп-
ломера:

7 — передающее устройство;

2— показывающее устройство;

3 — умножитель и интегратор;

4 — отводящий трубопровод;

5 — подающий трубопровод; 6
и 7— счетчики количества сре-
ды и теплоты; 8 — трубчатые
спиральные термометры

рагме и на акустическом принципе (см.
подразд. 2.7 и 2.8.3).

Простейшими тепломерами, работа-
ющими без подвода вспомогательной
энергии, являются механические изме-
рители теплового потока. На рис. 2.93
показана конструкция тепломера, оп-
ределяющего тепловой поток в трубо-
проводах. В нем разность температур в
подающем 5 и отводящем 4 трубопро-
водах определяется трубчатыми спи-
ральными термометрами 8. Расход теп-
лоносителя измеряется гидрометричес-
кой вертушкой и счетчиком 6. Перемно-
жение сигналов расхода и разности тем-
ператур, а также интегрирование теп-
лового потока осуществляется умножи-
телем и интегратором 3. С помощью пе-
редающего устройства 1 показание раз-
ности температур фиксируется на по-
казывающем устройстве 2. Количество
теплоты фиксируется на счетчиках 7.

Погрешности таких приборов состав-
ляют около 2%.

Контрольные вопросы

1.	Какими теплофизическими свойствами характеризуются вещества и
материалы?

2.	От каких факторов зависит выбор метода и средства измерения теп-
лофизических параметров?

3.	Как и чем определяется теплоемкость твердых тел?

4.	Как и чем определяется теплопроводность веществ и материалов?

5.	Каков принцип работы тепломера?

2.5.	Измерение и контроль электрических
и магнитных величин

2.5.1.	Средства и единицы измерения

Развитие измерительной техники все шире идет по пути ис-
пользования электрических методов измерений вне зависимости
от того, какие параметры, электрические или неэлектрические,
предполагается измерять. Поэтому процесс измерений можно пред-
ставить в виде блок-схемы, состоящей из блока преобразования,
обеспечивающего преобразование практически любой физической
величины, подлежащей измерению, в электрическую, которая мо-
а

б

Рис. 2.94. Схемы преобразователей:
а — одноступенчатого; б — двухступенчатого

жет быть уже измерена электрическим прибором (рис. 2.94, а). Та-
кой преобразователь часто называют просто датчиком. Удобнее всего
проводить измерения на выходе такого преобразователя с помо-
щью прибора для измерения напряжения или тока. Например, для
измерения частоты вращения двигателя внутреннего сгорания ав-
томобиля используют преобразователь, представляющий собой ге-
нератор постоянного напряжения, величина которого прямо про-
порциональна частоте вращения, и тот прибор — вольтметр, ко-
торый подключается к выходу генератора, может быть непосред-
ственно отградуирован в единицах частоты вращения. В некоторых
случаях конструкция преобразователя может быть двухступенча-
той (рис. 2.94, б). Первая ступень преобразовывает входную вели-
чину, которая непосредственно не может быть преобразована в
напряжение или ток, в другую физическую величину, которая уже
легко может быть преобразована в напряжение или ток.

К подобной схеме преобразователя можно отнести устройство
измерения атмосферного давления, в котором первая ступень пред-
ставляет собой анероидную коробку — круглую металлическую с
гофрированными основаниями, в которой создано сильное разря-
жение. Изменение атмосферного давления приводит к сжатию или
раздуванию коробки. Это изменение геометрических размеров ане-
роидной коробки можно превратить в электрическую величину,
если установить потенциометр, движок которого, связанный ме-
ханически с коробкой, будет при этом перемещаться. Этот потен-
циометр будет представлять собой вторую ступень преобразовате-
ля атмосферного давления в электрический сигнал. На этом прин-
ципе работают, например, авиационные высотомеры.

Рассмотрим электрические и магнитные величины и единицы
их измерения, с которыми чаще всего приходится иметь дело.

В табл. 2.25 приведены физические величины, наименование еди-
ниц и их условные обозначения как русские, так и международные.

Кратные и дольные единицы электрических и магнитных вели-
чин образуются в соответствии с общим правилом путем добавле-
ния соответствующих приставок к основным единицам (см. табл. 1.1).

Например, напряжение на входе радиоприемника при приеме
дальних радиостанций составляет несколько микровольт, а напря-
жение в цепях электронных усилителей может быть порядка десят-
ков или сотен милливольт. Еще недавно с конденсаторами емко-
стью в несколько фарад практически не приходилось встречаться.
Таблица 2.25

Электрические и магнитные величины

Физическая величина	Наименование единицы	Обозначение единицы	
		международное	русское
Электрическое напряжение, раз- ность электрических потенциалов, электродвижущая сила	вольт	V	в
Сила тока	ампер	А	А
Активная мощность	ватт	\У	Вт
Количество электричества (электрический заряд)	кулон	С	Кл
Электрическое сопротивление	ом	й	Ом
Электрическая емкость	фарад	Р	Ф
Индуктивность, взаимная индуктивность	генри	Н	Гн
Электромагнитная энергия	джоуль		Дж
Магнитный поток	вебер	\УЬ	Вб
Магнитная индукция	тесла	т	Тл
Напряженность магнитного поля	ампер на метр	А/ш	А/м

Только сейчас появились конденсаторы такой и еще большей ем-
кости, используемые, например, в системах пуска двигателей внут-
реннего сгорания вместо аккумуляторных батарей. В остальных слу-
чаях применяются конденсаторы гораздо меньшей емкости. Так, в
радиоприемниках чаше всего можно встретить конденсаторы ем-
костью в десятки и тысячи пикофарад, а в выпрямителях в схемах
фильтров — обычно не более сотни микрофарад.

В то же время приходится сталкиваться и с более крупными
значениями электрических величин, чем их основные единицы.
Это кило (к) и мега (М), где к = 103, а М = 106. Например, мощ-
ность электродвигателей различных станков обычно лежит в пре-
делах 5... 15 кВт, а сопротивление изоляции проводов и кабелей
доходит до сотен МОм.

Параметры некоторых электрических процессов или материа-
лов не имеют специальных единиц измерений, а характеризуются
размерностью. Например плотность тока измеряется в амперах на
метр (А/м). Размерности таких величин будут рассмотрены в разде-
лах, где описывается методика их измерения.

В некоторых случаях используется понятие стандартного сиг-
нала, который представляет собой сигнал с нормированными ха-
рактеристиками (параметрами), утвержденный как стандартный
государственным или международным мет-
рологическим органом.

Благодаря стандартизации параметров
сигналов обеспечивается совместимость из-
мерительных устройств между собой и с дру-
гими устройствами. В качестве международ-
ных используются, например, следующие
электрические стандартные сигналы:

тока 0...5 мА, 0...20 мА;

напряжения 0... 10 В.

Понятие стандартного сигнала распрос-

Рис. 2.95. Конструкция
прибора магнитоэлект-
рической системы:

1 — рамка с обмоткой; 2—
магнит

траняется также и на цифровые сигналы.
Так, в двоичной системе уровню нуля со-
ответствует стандартный сигнал 0 В, а уров-
ню единицы — 12, 24 или 48 В.

Как уже отмечалось, измерение большин-
ства электрических (так же, как и неэлект-

рических) величин в той или иной степени связано с измерением

напряжения или тока.

Рассмотрим наиболее часто используемые для этой цели изме-
рительные приборы. Один из них — магнитоэлектрический
прибор (рис. 2.95). Для простоты на рисунке не показана спи-
ральная пружина, создающая противодействующий момент.

Прибор представляет собой неподвижный постоянный магнит
2, в поле которого располагается рамка с обмоткой 1. При проте-
кании по катушке тока в соответствии с физическими законами
возникают силы, действующие на витки катушки, находящейся в
магнитном поле. Так как силы, действующие на витки противопо-
ложных сторон катушки из-за противоположного направления тока
в них направлены в разные стороны, то создается вращающий мо-
мент, подвижная часть с рамкой поворачивается и стрелочный
указатель показывает величину силы тока, проходящего через рам-
ку, или величину приложенного к обмотке рамки напряжения.

Теория такого магнитоэлектрического прибора показывает, что
угол отклонения стрелки а оказывается прямо пропорциональным
напряжению или току:

а = к\ V;
а = Л2Д

где и к2 — коэффициенты пропорциональности, зависящие от
конструктивных параметров прибора.

К достоинствам магнитоэлектрического прибора можно отнес-

ти следующие:

достаточно высокую точность;

очень высокую чувствительность (можно измерять до миллион-
ных долей вольта магнитоэлектрическими гальванометрами);
га

Рис. 2.96. Схема прибо-
ра выпрямительной
системы

отсутствие влияния внешних магнитных
полей (так как магнитное поле своего по-
стоянного магнита достаточно сильное);

линейность шкалы (т.е. шкала равномер-
ная).

В то же время прибор не лишен и недо-
статков, основной из которых — невозмож-
ность измерения переменных напряжений
и токов.

Магнитоэлектрический прибор находит
самое широкое применение в различных
схемах измерений и в качестве конечного индикатора на выходе
преобразователей.

Разновидность магнитоэлектрического прибора, предназначен-
ного для измерения переменных напряжений и токов, — прибор
выпрямительной системы. Он представляет собой комби-
нацию магнитоэлектрического прибора со схемой выпрямителя.
Наиболее часто в качестве выпрямителя используют мостовую схе-
му, или, как ее еще часто называют, полусхему Греца (рис. 2.96). В
ней используются два полупроводниковых диода УО, два резисто-
ра К. К одной диагонали моста подводится измеряемое переменное
напряжение, а во вторую диагональ подключается стандартный
магнитоэлектрический прибор.

Известно, что диоды пропускают ток только в одном направле-
нии (в направлении стрелки условного обозначения) и, как вид-
но из схемы выпрямителя, ток через собственно прибор проходит
в одном и том же направлении при любой полярности переменно-
го напряжения на входе. По сравнению с магнитоэлектрическим
прибором прибор выпрямительной системы обладает меньшей чув-
ствительностью и точностью. Это связано с тем, что характеристи-
ки полупроводникового диода зависят от температуры и он не может
пропускать ток при напряжениях, приложенных к нему меньше
0,1 В. Кроме того, характеристика диода нелинейна и для обеспе-
чения приемлемой линейности шкалы последовательно с ним вклю-
чается резистор К. Несмотря на эти недостатки выпрямительные
приборы находят достаточно широкое применение в технике из-
мерений.

В качестве третьего типа приборов рассмотрим конструкцию
прибора ферродинамической системы (рис. 2.97),
которая широко используется в качестве приборов для измерения
мощности — ваттметров. Во многом конструкция такого прибора
напоминает конструкцию магнитоэлектрического прибора, но в нем
вместо постоянного магнита используется электромагнит, т.е. в нем
имеется магнитопровод 2, на котором намотана обмотка 3 для со-
здания магнитного потока. Если через эту обмотку пропустить элек-
трический ток, то вторая обмотка, намотанная на рамке, окажется
в магнитном поле и, если в ней протека-
ет ток, как и в магнитоэлектрическом
приборе, возникнет вращающий момент
и стрелка прибора, связанная с подвиж-
ной рамкой, переместится на некоторый
угол. Отличие заключается только в том,
что при подаче к обеим катушкам пере-
менного тока одновременно будет менять-
ся направление тока в катушке на рамке
и направление магнитного поля, созда-
ваемого обмоткой на магнитопроводе. По-

ние. 2.97. Конструкция при-
бора ферродинамической
системы:

1 — рамка с обмоткой; 2 —
магнитопровод; 3 — обмотка

этому направление вращающего момен-
та будет все время направлено в одну и
ту же сторону, т. е. ферродинамический
прибор может работать как на постоян-
ном, так и на переменном токе.

Ферродинамический прибор облада-

ет достаточно высокой чувствительностью, но точность его ниже,
чем у прибора магнитоэлектрического типа, особенно при работе

на постоянном токе, так как магнитопровод в этом случае может

намагнититься и это будет вносить дополнительные погрешности

в показания прибора.

Широкое применение в промышленности нашел прибор
электромагнитной системы (рис. 2.98). Пожалуй, это один

из наиболее простых и дешевых прибо-
ров, обладающий к тому же большой пе-
регрузочной способностью и большой
механической прочностью. Конструктив-
но он состоит из неподвижной катушки
1 и ферромагнитного сердечника 3, ко-
торый под действием магнитного поля
катушки при подаче на нее напряжения
втягивается внутрь катушки. Ферромагнит-
ный сердечник 3 связан со стрелкой при-
бора, а так как магнитное поле тем силь-
ней, чем больший ток проходит по вит-
кам неподвижной катушки 7, то откло-
нение стрелки будет зависеть от величины
приложенного напряжения или проходя-
щего через катушку тока. Втягивание фер-

Рис. 2.98. Конструкция при-
бора электромагнитной
системы:

1 — неподвижная катушка;
2— пружина; 3 — ферромаг-
нитный сердечник

ромагнитного сердечника 3 внутрь катуш-
ки не зависит от направления тока в ней,
и, следовательно, прибор может работать
как на постоянном, так и на переменном
токе. К сожалению, электромагнитный
прибор обладает и рядом недостатков. Чув-
Рис. 2.99. Схема аналогового электронного вольтметра
ствительность его невелика, точность также мала, особенно при ра- ;
боте на постоянном токе. Кроме того, у него нелинейная шкала, что !
в какой-то мере затрудняет считывание результатов измерения.

Несмотря на эти недостатки прибор электромагнитной систе- >
мы наиболее широко используется для непосредственного изме-
рения напряжения и токов в цехах, на транспорте, а также в слу-
чаях, где требуется высокая надежность работы приборов в усло-
виях вибраций, тряски и даже ударов.

Все рассмотренные измерительные приборы относятся к так
называемому аналоговому типу, имеющему подвижную индика-
торную часть в виде стрелки. Развитие электроники позволило не
только улучшить характеристики измерительных приборов, но и
изменить их качественно, снабдив цифровым индикатором резуль-
татов измерений. Такие приборы обычно называются цифровыми
или дискретного типа.

Рассмотрим электронный прибор с аналоговым индикатором —
электронный вольтметр (рис. 2.99). На его входе имеется вход-
ное устройство, которое обеспечивает очень большое входное со-
противление вольтметра, практически не нагружающего цепь изме-
рения. (В отличие от электромеханических приборов электронные
для своей работы не нуждаются в энергии измеряемой цепи, так
как для своей работы используют или электрическую сеть, или ав-
тономные источники питания.) Усиление входного сигнала может
осуществляться как на переменном, так и на постоянном токе при
измерении переменного напряжения или только на постоянном токе
при измерении постоянного напряжения. При измерении перемен-
ного напряжения для обеспечения работы усилителя постоянного
тока применяется выпрямитель, часто именуемый детектором. На вы-
ходе прибора устанавливается обычный магнитоэлектрический при-
бор, по которому производится отсчет результатов измерений.

Цифровой вольтметр (рис. 2.100) после усиления вход-
ного сигнала аналоговыми усилителями использует аналого-циф-
ровой преобразователь (АЦП), преобразующий аналоговый сиг-
Рис. 2.100. Схема цифрового вольтметра

нал в цифры, которые могут быть поданы на цифровой индика-
тор, где результаты измерения отображаются непосредственно в
виде цифр. Еще сравнительно недавно цифровые приборы были
большими по габаритным размерам, включали много транзисто-
ров и других элементов схем. Развитие микроэлектроники, созда-
ние новых микросхем позволили существенно уменьшить габарит-
ные размеры, схемную сложность и стоимость цифровых прибо-
ров. Например, АЦП представляет собой небольшую микросхему.

Необходимо иметь в виду, что цифровые приборы не удобны при
измерении быстроменяющихся величин, так как мелькание различ-
ных цифр на индикаторе не дает понять характер процессов, контро-
лируемых измерительной аппаратурой. В то же время цифровые прибо-
ры позволяют очень просто вводить результаты измерений в компью-
теры, которые все шире используются в измерительных комплексах.

2.5.2.	Методика измерения в электрических цепях

Измерение постоянного и переменного напряжения. Измерение как
постоянного, так и переменного напряжения может производиться
непосредственно вольтметрами, рассчитанными для работы соот-
ветствующего типа напряжения. В тех случаях, когда необходимо
измерить напряжение больше того, на которое рассчитан вольт-
метр, необходимо последовательно с ним включить добавочный
резистор. Тогда часть измеряемого напряжения будет падать на до-
бавочный резистор, а часть — на прибор. Подбирая величину со-
противления добавочного резистора, можно в широких пределах
расширять возможности измерения больших напряжений. Если из-
вестно сопротивление вольтметра Кпр и выбран коэффициент рас-
ширения пределов расширения:

и =

где — максимальное напряжение на входе схемы, подлежащее
измерению; 11пр — максимальные пределы измерения непосредствен-
но вольтметром.

Величина сопротивления добавочного резистора может быть най-
дена по следующей формуле:

Адоб = ^пр (Л ~ О'

Обычно для удобства производства отсчетов коэффициент п вы-
бирают кратным 2; 5 или 10.
Рис. 2.101. Схемы измерения напряжения

Для измерения высоких переменных напряжений мотуг быть
использованы так называемые измерительные трансформаторы на-
пряжения.

Они представляют собой понижающие трансформаторы, т. е. та-
кие, у которых число витков вторичной обмотки к которой
подключается вольтметр, меньше числа витков 1Ц первичной об-
мотки. Коэффициент расширения пределов измерения п =	.

Схемы подключения вольтметров для измерения напряжения при-
ведены на рис. 2.101.

Измерение электродвижущей силы (эдс) Е имеет свои особенно-
сти. При подключении вольтметра к источнику эдс для ее измере-
ния через него всегда будет проходить ток, а так как любой источ-
ник эдс обладает внутренним сопротивлением 7?вн, то напряжение
на таком источнике

П=Е- 1Квк

и вольтметр будет измерять величину меньшую, чем эдс Е.

Если нет требований к высокой точности измерения эдс, то
для уменьшения тока можно воспользоваться вольтметром с боль-
шим внутренним сопротивлением, например электронным. В этом
случае можно считать, что измеренное напряжение II ~ Е. Более
точные методы измерения эдс связаны с использованием компен-
сационных схем (рис. 2.102). В них напряжение, измеряемое вольт-
метром РУ, снимаемое с переменного резистора К, сравнивается
с напряжением на источнике эдс. Изменяя напряжение на выходе
переменного резистора (потенциометра), можно добиться такого
условия, когда измерительный прибор Р покажет отсутствие тока
через источник эдс. В этом случае показания вольтметра будут точ-
но соответствовать величине эдс источника, т. е. 1/= Е.

Измерение тока можно производить непосредственно ампермет-
ром, включенным в разрыв измеряемой цепи (рис. 2.103, а). При

Рис. 2.102. Схемы измерения эдс

необходимости расширить
пределы измерения ампер-
метра необходимо парал-
лельно амперметру включить
резистор (рис. 2.103, б),
который чаще всего называ-
ют просто шунтом. Тогда

через амперметр будет про-
ходить только часть тока, а
Рис. 2.103. Схемы измерения силы тока

остальная — через шунт. Так как сопротивление амперметров обыч-
но небольшое, то для существенного расширения пределов из-
мерения сопротивление шунта должно быть очень небольшим.
Обычно это доли ома. Существуют формулы для расчета сопро-
тивления шунта, но обычно на практике приходится вручную
подгонять его сопротивление, контролируя ток эталонным ам-
перметром.

Для измерения больших переменных токов часто используют
измерительные трансформаторы токов (рис. 2.103, в). У них пер-
вичная обмотка, включаемая в разрыв измеряемой цепи, имеет
число витков И7! меньшее, чем число витков вторичной обмот-
ки, т.е. трансформатор является повышающим по напряжению,
но по току он понижающий. Амперметр подключается к выходу
вторичной обмотки трансформатора тока. Часто лабораторные
трансформаторы тока вообще не имеют изготовленной заранее пер-
вичной обмотки, а в их корпусе имеется широкое сквозное отвер-
стие, через которое сам экспериментатор наматывает необходи-
мое число витков (рис. 2.103, г). Зная число витков вторичной об-
мотки (оно обычно указано на корпусе трансформатора тока),
можно выбрать коэффициент трансформации п = и опреде-
лить измеряемый ток 1Х по показаниям амперметра /пр по следую-
щей формуле:

4= 4Р/«-

Совершенно по-иному производят измерение токов в элект-
ронных схемах, которые обычно спаяны, изготовлены на печат-
ных платах; произвести какой-либо разрыв в них практически не-
возможно. Обычно для измерения токов в этих случаях используют
вольтметры (обычно электронные с большим внутренним сопро-
тивлением для устранения влияния прибора на работу электрон-
ной схемы), подключая их к резисторам схемы, величины кото-
рых либо известны, либо могут быть предварительно измерены.
Воспользовавшись законом Ома, можно определить силу тока:

1= V/ К.
а	б

Рис. 2.104. Схема для измерения сопротивлений методом амперметра и
вольтметра (а) и схема омметра (6)

Измерение сопротивлений. Часто при работе с электрическими
установками или при наладке электронных схем необходимо про-
изводить измерение различных сопротивлений. Простейший спо-
соб измерения сопротивлений заключается в использовании двух
измерительных приборов: амперметра и вольтметра. С их помощью
измеряют напряжение и ток в сопротивлении К, подключенном к
источнику питания, и по закону Ома находят величину искомого
сопротивления:

К = 11/1.

Однако этот способ измерения сопротивлений не позволяет по-
лучить результаты измерения с высокой точностью, так как на
результаты измерения оказывают влияние собственные внутрен-
ние сопротивления амперметра и вольтметра. Так, на приведенной
на рис. 2.104, а схеме амперметр измеряет не только ток, проходя-
щий через сопротивление, но и ток, проходящий через вольт-
метр, чем вносится методическая погрешность измерений. Этим
способом производят измерение обычно в тех случаях, когда нет
специальных приборов — омметров. Одна из возможных схем ом-
метра (рис. 2.104, б) — последовательная, она состоит из автоном-
ного источника питания Е, переменного резистора К и миллиам-
перметра магнитоэлектрического типа РА. В качестве источника
питания обычно используются сухие элементы или батареи на-
пряжением 1,4...4,5 В. Если к выводам прибора подключить сопро-
тивление Кх, величину которого необходимо определить, то по
цепи пойдет ток, величина которого будет зависеть от величины
сопротивления. Так как миллиамперметр измеряет этот ток, то его
шкала может быть непосредственно отградуирована в омах. Шкала
у такого омметра обратная, т. е. нуль находится в правой части шка-
лы, так как при сопротивлении на входе, равном нулю (режим
короткого замыкания), через амперметр будет протекать макси-
мальный ток. Если внешняя цепь разорвана, что соответствует бес-
конечно большому сопротивлению на входе, то стрелка миллиам-
перметра будет находиться в самой левой части шкалы, где стоит
знак «о. Шкала такого омметра резко нелинейная, что в какой-то
мере затрудняет считывание результатов. Переменный резистор
Рис. 2.105. Схемы мегометра (а) и электрического моста {б)

омметра служит для установки прибора на нуль перед началом ра-
боты с ним. Для этого замыкают выводы омметра накоротко и,
вращая ручку переменного резистора, добиваются нулевых пока-
заний прибора. Так как эдс элемента питания с течением времени
за счет разряда уменьшается, такую установку нуля необходимо
периодически контролировать. С помощью подобных омметров
можно измерять сопротивления от единиц Ом до нескольких со-
тен кОм.

Измерение больших сопротивлений до 100 МОм обычно про-
изводится с помощью мегометров (рис. 2.105, а). В своем класси-
ческом виде он представляет собой комбинацию автономного ис-
точника питания и измерительного прибора — логометра. Лого-
метр — разновидность магнитоэлектрического прибора, у которо-
го вместо одной рамки имеются две, соединенные жестко между
собой под некоторым углом. Так же, как и в обычном магнито-
электрическом приборе, с ними связана стрелка прибора и нахо-
дятся они в магнитном поле постоянного магнита. При пропуска-
нии тока через обмотки рамок они создают вращающие моменты
противоположных знаков, в результате чего положение стрелки
будет зависеть от отношения токов в рамках. В цепь одной из рамок
включен резистор К, а в цепь второй — сопротивление Кх, величи-
на которого должна быть определена. Применение логометра объяс-
няется тем, что его показания определяются только отношением
токов в рамках и не зависят от изменения питающего напряжения
17пит. В качестве источника напряжения для мегометра используют
либо индуктор, приводимый во вращение рукой оператора, либо
аккумуляторную батарею с электронным преобразователем напря-
жения. Такая система питания определяется тем, что для работы
прибора требуются большие напряжения — порядка 500 В, так как
при меньших напряжениях токи в обмотках прибора были бы слиш-
ком малыми для его нормальной работы. Использование автоном-
ного источника питания диктуется тем, что мегометром часто из-
меряют сопротивление изоляции кабелей; при этом, естественно,
напряжение в них бывает отключенным. Кроме того, с его помо-
щью часто проводят измерения вне помещений, где нет электри-
ческой сети.
Измерение малых сопротивлений (меньше 1 Ома), а также
измерения других сопротивлений в широком диапазоне значе-
ний с высокой точностью могут проводиться с помощью элек-
трических мостов. Электрический мост (рис. 2.105, б) представ-
ляет собой четыре сопротивления (одно из них — подлежит
измерению), включенные по кольцевой схеме. Каждое из со-
противлений образует плечо моста. В одну диагональ моста пода-
ют постоянное напряжение питания 17пит, а к другой подключа-
ют измерительный прибор — гальванометр Р. Он представляет
собой высокочувствительный магнитоэлектрический прибор с
нулем посередине шкалы. Его назначение — фиксировать мо-
мент, когда ток будет отсутствовать. Приборы подобного типа
часто называются нуль-индикаторами. Одно или два сопротив-
ления в плечах моста делаются переменными, и именно ими
добиваются нулевых показаний прибора. Мост при этом счита-
ется сбалансированным. Как показывает теория электрических
мостов, условие баланса достигается при равенстве произведе-
ния сопротивлений противоположных плеч, т. е. при условии	=

= К2К3. Следовательно, после балансировки моста можно, зная ве-
личины всех сопротивлений, определить значение неизвестного
сопротивления

Кх = — К3 или Кх = Л7?3,
Л
где	— множитель.

Точность измерения с помощью мостов постоянного тока мо-
жет быть очень велика. Результирующие значения сопротивлений
могут иметь более пяти значащих цифр. В то же время мост не
позволяет оперативно производить измерения, так как процесс ба-
лансировки требует определенного времени и навыка оператора.

Измерение емкостей. Определение емкости конденсатора или
других устройств емкостного характера так же может осуществ-
ляться различными способами. Простейший из них — метод ам-
перметра— вольтметра (рис. 2.106, а). Он во многом аналогичен

Рис. 2.106. Схемы измерения емкости
такому же методу измерения сопротивлений, с той только разни-
цей, что схема питается переменным синусоидальным напряже-
нием от генератора низкой или высокой частоты (или от сети).
Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следую-
щей формуле:

(1/2Л/С),
где / — частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показа-
ниям приборов

хс= V/!.

Измерение малых по величине емкостей удобнее производить
методом резонанса (рис. 2.106, б). Измеряемый конденсатор Сх
подключается к известной индуктивности Ь, образуя колебатель-
ный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от ге-
нератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряже-
ние на контуре. При резонансе оно достигает максимума. Известно,
что резонансная частота контура может быть выражена следующей
формулой:

/0 = 1/(2тг71с;).

Следовательно, при известной величине индуктивности в кон-
туре и определенной по максимальным показаниям вольтметра
частоте резонанса можно найти искомое значение емкости Сх.

Измерение больших емкостей (например, электролитических
конденсаторов) проще всего производить путем разряда конден-
сатора на известное сопротивление К. Известно, что за время, рав-
ное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напря-
жение уменьшается в е раз, где е = 2,71... — основание натураль-
ного логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора
на резистор определяется соотношением

т = КС.

Схема измерения емкости этим методом (рис. 2.106, в) состоит
из источника постоянного напряжения питания, известного по
величине сопротивления резистора К, электронного вольтметра
РУ, переключателя 5 и клемм для подключения конденсатора. С
помощью переключателя 8 конденсатор Сх заряжается до напря-
жения источника питания, а после переключения конденсатора
на разряд с помощью секундомера измеряют время I, по истече-
нии которого конденсатор разрядится до напряжения Ц1ИТ/е. Ем-
кость конденсатора определяется по формуле

С = 1/К.

Емкости конденсаторов можно измерять также с помощью мо-
стов переменного тока.
Измерение индуктивностей несколько сложнее. Это связано с
тем, что любая катушка, обмотка трансформатора и т. п. имеет кроме
индуктивности еще и резистивное сопротивление. Поэтому во мно-
гих случаях измеряют предварительно полное сопротивление ка-
тушки индуктивности:

г = -(/Я2 + х%.

Оно может быть определено методом амперметра и вольтметра
путем измерения напряжения и тока измерительными приборами
схемы на переменном напряжении (рис. 2.107, а) г = V/!. При
подаче на схему постоянного напряжения (рис. 2.107, б), как уже
рассматривалось выше, можно определить резистивное сопротив-
ление катушки К. Тогда

хк = /д2 - К2.

В свою очередь индуктивное сопротивление

хь = 2л/1.

При известном значении частоты / напряжения питания легко
найти величину искомого значения индуктивности

2л/

При малых значениях индуктивности (например, контурных ка-
тушек радиоэлектронных устройств) можно воспользоваться ре-
зонансной схемой, аналогичной схеме определения емкости
резонансным методом.

Для измерения индуктивности можно использовать также мо-
сты переменного тока, специальные измерительные приборы —
куметры, позволяющие определять не только величину индук-
тивности, но и такую характеристику, как добротность катушки,
и характеризующие качество работы катушки в электронных схе-
мах.

а

Рис. 2.107. Схемы измерения индуктивностей
Измерение мощности в электрических цепях удобнее рассматри-
вать отдельно для цепей постоянного и переменного тока.

На постоянном токе основные формулы для определения мощ-
ности следующие:

Р= Ш-,

Р= 1Р/К-,
Р = КР.

В соответствии с приведенными формулами мощность в каком-
то сопротивлении нагрузки К можно измерить тремя способами: с
помощью вольтметра и амперметра (рис. 2.108, а), только вольт-
метром (рис. 2.108, б) и только амперметром (рис. 2.108, в). Во всех
случаях после снятия показаний с приборов необходимо провести
математические расчеты для определения собственно мощности.

Этого можно избежать, если для измерения мощности восполь-
зоваться специальным прибором ваттметром (рис. 2.108, г). Как пра-
вило, выпускаемые промышленностью ваттметры изготавливаются
на базе ферродинамического прибора (см. рис. 2.97). У ваттметров
имеются две обмотки и соответственно четыре вывода. Одна из об-
моток является токовой, через нее проходит ток к нагрузке, расхо-
дуемая мощность в которой подлежит измерению, а вторая — об-
моткой напряжения. Она подключается непосредственно к источ-
нику питания.

Измерение мощности на переменном токе имеет свои особен-
ности. Во-первых, здесь существуют три различные мощности:

полная мощность

5 = ЦТ;

активная мощность

Р= Шсозср;

реактивная мощность

В этих формулах <р — угол сдвига по фазе между током и напря-
жением.

Рис. 2.108. Схемы измерения мощности в цепях постоянного тока
Чаще всего интересуются полной и активной мощностями. Зна-
ние полной мощности необходимо для расчета токов в нагрузке,
выбора сечения проводов и предохранителей. Активная мощность
важна потому, что именно она характеризует ту мощность, кото-
рая в нагрузке преобразуется в тепло, свет, звук и т.д.

Измерение полной мощности обычно производят, измеряя на-
пряжение и ток вольтметром и амперметром и перемножая полу-
ченные значения. Активная мощность чаще всего измеряется с по-
мощью ферродинамических ваттметров, которые кроме напряже-
ния и тока учитывают и так называемый коэффициент мощности
сов <р. При подключении обмоток ваттметра к нагрузке, так же как
и при постоянном напряжении, ваттметр непосредственно произ-
ведет измерение активной мощности.

На переменном токе достаточно часто приходится решать задачу
измерения активной мощности в трехфазных цепях. Трехфазные цепи
могут быть двух типов: трехпроводные и четырехпроводные. В трех-
проводных цепях к нагрузке подходят три провода, обозначаемые
буквами А, В, С. Для измерения активной мощности в такой цепи
при любом варианте подключения элементов нагрузки к проводам
достаточно подключить только два ваттметра так, как это показано
на рис. 2.109. При этом необходимо соблюсти определенные правила
подключения ваттметров. Выводы обмоток ваттметра, обозначен-
ные на его корпусе звездочками, должны быть обращены в сторону
источника энергии. Поэтому эти выводы получили название генера-
торные (подключаются к проводам, идущим от генератора). Сум-
марная активная мощность такой трехфазной системы находится
как алгебраическая сумма показаний двух ваттметров. При этом воз-
можен вариант, когда показания одного из ваттметров могут быть
отрицательными, т.е. его стрелка уйдет влево. Для снятия показаний
с такого ваттметра необходимо поменять местами провода, подхо-
дящие к любой из обмоток, прочесть результат измерения, но в
формулу подставить с отрицательным знаком.

Рис. 2.109. Схемы измерения мощности на переменном токе:
а — трехпроводная система; б — четырехпроводная система
Измерение активной мощности в четырехпроводных цепях тре-
бует использования трех ваттметров. Один из выводов каждого ватт-
метра здесь подключается к четвертому проводу, обычно называе-
мому нулевым. Показания всех ваттметров здесь могут быть только
положительными, и суммарная активная мощность, потребляе-
мая трехфазной цепью, будет равна сумме мощностей, измеряе-
мых каждым из ваттметров:

Рх=Р1 + /’2+А-

Один из наиболее простых методов измерения количества элек-
тричества — метод измерения с помощью так называемого балли-
стического гальванометра. Он представляет собой прибор магни-
тоэлектрической системы (см. рис. 2.95) с умышленно утяжелен-
ной подвижной частью (с большим моментом инерции). Если на
вход такого баллистического гальванометра подать кратковремен-
ный импульс напряжения, то подвижная часть прибора, получив
как бы импульсный вращающий момент, начнет движение, при-
чем уже после окончания входного импульса это движение еще
будет продолжаться и стрелка прибора, двигаясь по инерции, от-
клонится до какого-то значения шкалы, а затем возвратится в ис-
ходное нулевое положение. В качестве отсчета на таком приборе
необходимо отметить то максимальное отклонение стрелки атах от
нулевого значения, которое наблюдалось во время ее движения по
«баллистической траектории». Теория такого баллистического галь-
ванометра показывает, что этот отсчет по максимальному откло-
нению стрелки оказывается пропорциональным количеству элек-
тричества, прошедшего через рамку такого прибора, т. е.

®тах=

где С6 — баллистическая постоянная, зависящая от конструктив-
ных особенностей гальванометра.

Измерение количества электричества О на обкладках предвари-
тельно заряженного конденсатора можно осуществить, разрядив его
через баллистический гальванометр, и по максимальному отклоне-
нию его стрелки найти искомое значение количества электричества:

О ~ ®тах-

При разработке новых сплавов, предназначенных для исполь-
зования в электротехнических цепях, возникает необходимость в
определении их удельного сопротивления. Под удельным сопро-
тивлением понимают сопротивление проводника сечением 1 мм2
и длиной 1 м. Соответственно такое удельное сопротивление р
измеряется в единицах Ом (мм2/м). Для его измерения выбирают
отрезок проводника, желательно небольшого сечения, и измеря-
ют его сопротивление любым из рассмотренных выше методов.
После этого расчетным путем приводят величину этого сопротив-
ления к сечению 1 мм2 и длине 1 м, что не представляет каких-
либо трудностей, и получают значение удельного сопротивления.
Для получения большей точности измерения желательно длину
проводника брать по возможности большей.

Для многих изоляционных материалов представляет определен-
ную ценность определение их диэлектрической проницаемости е.
Одним из простейших способов ее измерения является способ кос-
венного измерения с последующим расчетом величины диэлектри-
ческой проницаемости. Известно, что емкость простейшего конденса-
тора, состоящего из двух одинаковых пластин площадью 5, располо-
женных на расстоянии 5 друг от друга, с диэлектриком, заполняю-
щим все пространство между пластинами, определяется по формуле

где е — диэлектрическая проницаемость материала между пласти-
нами.

Измерение диэлектрической проницаемости материала произ-
водят с помощью конденсатора (рис. 2.110), между пластинами
которого помещают испытуемый материал, а также измерения ем-
кости такого элементарного конденсатора любым из описанных
выше методов. Численную величину диэлектрической проницае-
мости определяют по формуле

с — С§/5>.

Развитие радиоэлектроники и установок для высокочастотно-
го воздействия на материалы машиностроения привело к тому,
что, практически все пространство заполнено электромагнитны-

ми волнами.

В мире работают миллионы передающих радиостанций, многие
из которых излучают значительные мощности (например, радиоло-
кационные станции дальнего обнаружения, вещательные радиостан-
ции и т.п.). Для оценки электромагнитных волн часто возникает

Рис. 2.110. Схема для из-

мерения диэлектричес-
кой постоянной изоля-
ционных материалов

необходимость определения их уровня.
Обычно об уровне электромагнитных волн
судят по напряженности электрического
поля, величина которого аналитически
может быть пересчитана в мощность элек-
тромагнитного поля. Напряженность элек-
трического поля наиболее часто измеряют
с помощью рамочной антенны (рис. 2.111),
которая представляет собой плоскую ка-

тушку, намотанную на каркас из какого-
либо диэлектрика. (На рисунке для просто-
ты изображен только один виток.)
Рис. 2.111. Измерение напряженности электрического поля

Диаграмма направленности такой антенны показывает, что мак-
симум принимаемого излучения идет со стороны, лежащей в пло-
скости витков катушки. Это позволяет не только производить из-
мерение напряженности электрического поля, но и определять на-
правление на источник высокочастотных излучений по максималь-
ной величине напряжения на выходе рамки при ее поворотах от-
носительно вертикальной оси. Напряженность электрического поля
определяется по величине напряжения на выходе рамки по следу-
ющей формуле, В/м:

Е 3-108^

где I] — напряжение на выходе рамки, В; /— частота принимаемо-
го сигнала, Гц; п — число витков в рамке; 5— площадь рамки, м2.

Обычно на геометрические размеры рамки в зависимости от
частоты сигнала напряженность поля которого определяется, на-
кладываются определенные ограничения. В частности, на частотах
более 30 МГц более точные результаты получаются, если вместо
рамочной антенны использовать полуволновый диполь, представ-
ляющий собой проводник длиной в половину длины волны, раз-
резанный посередине. Напряжение с диполя снимается с цент-
ральной разрезанной части. Значение напряженности электричес-
кого поля можно определить по следующей формуле:

3-108’

где / — частота, Гц; V — напряжение на выходе диполя, В.

Диполь, так же как и рамка, позволяет определять направле-
ние, с которого приходит сигнал, так как обладает определенной
направленностью, что видно из диаграммы направленности. Мак-
симум принимаемых сигналов определяется перпендикуляром к
плоскости диполя. Именно так ориентированы телевизионные ан-
тенны по отношению к телевизионной вышке.

Напряжение на выходе рамки или диполя можно измерять с
помощью электронного вольтметра непосредственно при сильных
сигналах или применяя электронные усилители. В этом случае, ис-
пользуя селективные свойства усилителей, можно определить уро-
вень напряженности электрического поля определенной частоты.
Нужно учесть, что уровень сигнала на выходе рамки и частично
диполя складывается из большого числа электромагнитных полей,
существующих в пространстве в районе расположения приемного
устройства от различных источников (передатчиков).

При необходимости определить частоту высокочастотного сиг-
нала можно, если он сильный, используя непосредственное вклю-
чение электронного частотомера на выход рамки или диполя. При
слабых сигналах и использовании усилителей можно по их частот-
ной настройке определять частоты сигналов, наведенные в рамке
или диполе, т. е. так, как обычно по шкале радиоприемника мож-
но определить длину волны или частоту принимаемой станции.

2.5.3.	Методика измерения магнитных величин

Измерение магнитных величин в практике встречается реже,
чем измерение электрических. К чисто магнитным величинам, с
которыми приходится сталкиваться при разработке различных, в
первую очередь электротехнических, изделий обычно относятся
магнитная индукция В, магнитный поток Ф и напряженность маг-
нитного поля Нт. Все эти величины связаны друг с другом функ-
циональными зависимостями. Для вакуума и практически для воз-
духа соотношения между ними следующие:

В=1к>Нт\

Ф = зВ,

где ро = 4л-10~7 Гн/м — магнитная постоянная; 5— сечение (маг-
нитопровода), через которое проходит магнитный поток.

Из-за функциональной связи магнитных величин достаточно
экспериментально определить одну из них, а остальные могут быть
определены расчетным способом. Существует большое число ме-
тодов их измерения и различных, в большинстве случаев доста-
точно сложных, приборов для этих целей. Практически все они
предварительно преобразовывают магнитные величины в элект-
рические, а затем с помощью электрических приборов осуществ-
ляется их измерение.

Простейший прибор для измерения магнитной индукции — тес-
лометр (рис. 2.112) представляет собой измерительную катушку,
намотанную на рамке из немагнитного материала 7, укрепленную
на валу электродвигателя 3, который вращает катушку со строго
постоянной частотой.

Известно, что если через вращающуюся катушку проходит маг-
нитный поток, то в ней наводится эдс, тем большая, чем больше
этот магнитный поток. (На этом принципе работают практически
Рис. 2.112. Схема прибора для измерения магнитной индукции:
/ — рамка из немагнитного материала; 2 — контактные кольца; 3 — вал электро-.
двигателя; 4 — выпрямитель

все электрогенераторы.) Следовательно, по величине эдс в ка-
тушке можно судить о величине магнитной индукции В.

Для ее измерения на оси вала двигателя устанавливают контак-
тные кольца 2. С помощью неподвижных щеток переменное напря-
жение с катушки поступает на выпрямитель 4, а с его выхода — на
измерительный прибор, чаще всего магнитоэлектрической систе-
мы. Этот прибор может быть непосредственно отградуирован в ве-
личинах магнитной индукции. Диаметры измерительных катушек
обычно лежат в пределах 1,5...25 мм. Катушки малого диаметра
могут помещаться в довольно узкие воздушные зазоры магнито-
проводов. При достаточной простоте рассмотренного прибора он
имеет один крупный недостаток — наличие подвижных частей. Этого
недостатка лишен прибор для измерения магнитной индукции,
использующий эффект Холла.

Для того чтобы понять принцип работы такого прибора, необ-
ходимо рассмотреть физику самого эффекта Холла (рис. 2.113, а).
Если взять пластину, изготовленную из полупроводника типа л,
(т. е. с электронной проводимостью) и к граням а и Ь приложить
постоянное напряжение, то в цепи за счет движения свободных
электронов полупроводника возникнет ток I. Если при этом через
плоскость полупроводниковой пластины проходит магнитный по-

Рис. 2.113. Эффект Холла (а) и измеритель магнитной индукции, основан-
ной на эффекте Холла (б):

1 — датчик Холла; 2 — магнитоэлектрический индикатор; 3 — выпрямитель; 4 —
усилитель переменного напряжения; 5 — источник переменного напряжения
питания
ток, то он будет стремиться сдвинуть поток электронов в одну из
сторон (с или <1 в зависимости от знака магнитного потока), что
приведет к появлению эдс между гранями с и <1. Величина этой эдс
связана с магнитной индукцией В следующим соотношением:

где Кх— постоянная Холла, зависящая от материала полупровод-
ника; I— ток в цепи между гранями аиЬ, В — магнитная индук-
ция; Л — толщина полупроводниковой пластины.

Если к пластине приложить переменное напряжение, то и на
других гранях также появится переменная эдс, так как из-за изме-
нения направления тока в пластине поток электронов в ней будет
отклоняться в разные стороны.

Упрощенная схема прибора на эффекте Холла приведена на
рис. 2.113, б. Она включает источник переменного напряжения пи-
тания 5 (чаще всего частотой порядка 1000 Гц), датчик Холла 1,
усилитель переменного напряжения 4, выпрямитель 3 и магнито-
электрический индикатор 2. Так как толщина полупроводниковой
пластины обычно не превышает 1 мм, то с помощью такого при-
бора можно определять магнитную индукцию в очень узких зазо-
рах электрических машин.

При разработке новых электротехнических изделий, таких как
электрические машины, трансформаторы, электромагнитные реле,
бывает необходимо определить основные характеристики ферро-
магнитных материалов, используемых в этих изделиях. Аналогич-
ные задачи возникают и при создании новых сплавов ферромаг-
нитных материалов с новыми свойствами и более качественными
характеристиками. Определение таких характеристик представляет
собой непростой процесс, требующий подчас сложной и дорогос-
тоящей аппаратуры. Наиболее доступный метод определения осо-
бо важной характеристики ферромагнитных материалов, которые
используются в переменных магнитных полях, — основная кривая
индукции. Для ее определения необходимо изготовить из материа-
ла, подлежащего исследованию, тороидальное кольцо и намотать
на нем две обмотки. Одна из них — первичная — служит для созда-
ния магнитного потока в сердечнике в виде кольца (рис. 2. 114).
Если измерить ток I в этой обмотке и знать число витков в ней

Генератор

Рис. 2.114. Схема для снятия динамической кривой намагничивания
то можно определить значение амплитуды напряженности магнит-
ного поля по формуле

т	.	5

*ср

где I— действующее значение переменного синусоидального тока
в первичной обмотке; /ср — средняя длина магнитной линии маг-
нитопровода.

Для получения более точных результатов первичная обмотка на-
матывается равномерно по всей длине тороидального магнитопро-
вода. Вторичная обмотка с числом витков 1У2 располагается ком-
пактно на любом участке магнитопровода. Измерение напряжения на
этой обмотке 112 дает возможность определить максимальное ампли-
тудное значение магнитной индукции в тороидальном сердечнике:

п _ ^2ср
т 4/^5’

где и2ср — среднее значение напряжения на вторичной обмотке;
/— частота переменного напряжения; — число витков вторич-
ной обмотки; 5— сечение тороидального магнитопровода.

Схема для снятия описанной выше динамической кривой на-
магничивания приведена на рис. 2.114. В ней предусмотрен источ-
ник синусоидального напряжения, автотрансформатор для регу-
лирования тока в первичной обмотке, тороидальный сердечник
с двумя обмотками и два измерительных прибора: амперметр и
вольтметр. Последние должны быть выбраны из тех соображе-
ний, чтобы амперметр измерял так называемое действующее зна-

чение силы тока, а вольтметр — среднее значение переменного
напряжения. Так как в схеме используются только два прибора, то
сам метод получил название метода амперметра и вольтметра. Ча-
стота генератора переменного напряжения выбирается примерно
такой же, какая будет использоваться в изделиях из испытуемого
материала. Если оно будет работать на промышленной частоте, то
в качестве источника питания обычно

используется промышленная (городс-
кая) сеть частотой в 50 Гц.

Процесс снятия характеристики зак-
лючается в последовательном увеличения
тока в первичной обмотке и записи по-
казаний амперметра и вольтметра. После
пересчета этих значений в величины на-
пряженности магнитного поля и магнит-
ной индукции строят соответствующую
зависимость Вт - вид которой при-
веден на рис. 2.115. Полученные значения

Рис. 2.115. Динамическая
кривая намагниченности
позволяют также определить абсолютное значение амплитудной маг-
нитной проницаемости

- Вт / Нт.

При необходимости аналогично можно построить используе-
мую при различных расчетах зависимость тт=/(Нт).

Довольно часто при расчетах интересуются относительной маг-
нитной проницаемостью, показывающей, во сколько раз магнит-
ная проницаемость данного материала больше магнитной прони-
цаемости вакуума:

Нг = /Ио-

Исследование магнитных материалов иногда требует проведе-
ния измерений и других параметров, но они, в большинстве слу-
чаев, сложны, применяются только в специальных лабораториях
с уникальной аппаратурой, создаваемой подчас в единичных эк-
земплярах и потому описание этих методов можно найти чаще
всего в литературе преимущественно физического профиля.

Контрольные вопросы

1.	Какие существуют основные системы электроизмерительных при-
боров?

2.	Чем отличается методика измерения напряжения от измерения элек-
тродвижущей силы?

3.	Как подключаются добавочный резистор к вольтметру и шунт к
амперметру для расширения пределов их измерения?

4.	На каком принципе работает измерительный прибор для измере-
ния магнитной индукции в воздухе?

5.	В чем заключается принцип компенсационного метода измерения,
и где он применяется?

2.6. Измерение величин оптического излучения

2.6.1.	Основные понятия

Измерение, контроль, оценка величин оптического излучения
являются самыми распространенными направлениями метрологии.
Повседневное использование человеком такого оптического сред-
ства измерения и контроля, как глаз, позволяет ему оценивать,
обнаруживать, распознавать различные природные явления, пред-
меты и процессы, определять параметры светотехники и т.д. Ис-
пользование технических средств при определении параметров оп-
тического излучения расширяет возможности глаза воспринимать
и измерять электромагнитные излучения.

На рис. 2.116 показан полный спектр электромагнитного излу-
чения, известный современной науке. Оптическое излучение со-
Микро-
Рентген	волны	Звуковые

Космические 7	т„. ~~

-----—,чи---—|Гамма-лучИ| уф । । ИК . Радио . ।
^Видимый

Длина волны, м 10г12	1(Г9	10-6	10~3	1	103	106

Частота, Гц до24 1021	1018	1015	1012	10’	106	103	1

Длина волны, нм

Ультра-
фиолет

Радиометрия
Фотометрия
Видимый свет

«

3

« « §
о 8 а*

>к
3
я

ИК

| 8 8 «

§ §

К о ч 5
ч о. Я
ю, О . ч м

«

’К

=5
К

>8
3
и



ч



Рис. 2.116. Спектр электромагнитного излучения

ставляет лишь незначительную часть спектра, а видимое излуче-
ние — еще меньшую его часть.

Оптический спектр простирается от 10 до 106 нм (нанометров)
и делится на три основные области: ультрафиолетовую (УФ), ви-
димую и инфракрасную (ИК).

Видимая область спектра простирается в диапазоне длин волн
от 370 до 770 нм (0,37...0,77 мкм). Излучение с такими длинами
волн воспринимает глаз человека со средним зрением. Эта область,
в свою очередь, делится на цвета, которые может воспринимать
стандартный наблюдатель. Основными цветами видимой области
спектра являются: фиолетовый (370...455 нм), синий (голубой)
(455 — 492 нм), зеленый (492 — 577 нм), желтый (577... 597 нм),
оранжевый (597... 622 нм), красный (622...770 нм).

Скорость распространения электромагнитных волн всех типов,
в том числе и скорость световых волн, в свободном пространстве
постоянна и примерно равна 2,99-108 м/с.

Разным типам излучения соответствуют различные частоты, а
следовательно, и длины волн в соответствии с зависимостью

/= с/К

где /— частота, Гц; с — скорость света; А — длина волны, м.

Обычно световой пучок содержит излучения ряда частот, но
если он одночастотный или на практике занимает очень узкую
полосу частот, говорят, что пучок монохроматический. Если, кро-
ме того, отдельные волны, из которых состоит пучок, находятся в
фазе друг с другом, говорят, что они когерентны.

Колебания электромагнитного поля происходят в плоскости,
перпендикулярной направлению распространения светового пуч-
ка. Обычно колебания происходят в этой плоскости в различных
направлениях. Такой свет называют неполяризованным. Если преоб-
разовать пучок так, чтобы колебания поля происходили только в
одном направлении в плоскости, перпендикулярной направлению
распространения, свет станет линейно поляризованным.

Если свет проходит через границу раздела двух сред, причем
угол падения не равен 90°, направление пучка меняется. Это явле-
ние называется преломлением света. Показатель преломления сре-
ды определяется отношением синусов углов падения и преломле-
ния и меняется от 1 до 3 в зависимости от состава материала и
длины световой волны.

Когда пучок света падает на поверхность, часть света отражает-
ся, часть поглощается, а часть проходит через среду. Коэффициен-
ты отражения и поглощения меняются в зависимости от свойств
поверхности и длины волны падающего света. Так, коэффициент
отражения может принимать значения от 98 % (для поверхности,
покрытой окисью магния) до менее 1 % (для закопченной повер-
хности). Коэффициент поглощения также может изменяться по-
чти от 0 (для чистого кварцевого стекла) до более 99% (для сажи).

При распространении света в различных средах его скорость и
интенсивность изменяются в зависимости от характеристики среды
и длины волны излучения. Например, в конденсированных сре-
дах скорость меньше, чем в воздухе. Изменение скорости света от
длины волны носит название дисперсии. Часть света рассеивается
и часть поглощается, причем поглощенный свет превращается в
тепло.

Коэффициент пропускания характеризует явление проникно-
вения в среду части падающего света на ее поверхность. Глубина
проникновения в реальных средах изменяется от 0 до 75 %.

Сумма относительных частей отраженного, поглощенного и про-
шедшего света для любых сред есть величина одинаковая и она
равна единице.

Измерение величин оптического излучения, охватывающего все
длины волн, носит название радиометрии (см. рис. 2.116), а изме-
рение параметров видимого света по производимому им зритель-
ному ощущению называется фотометрией. Фотометрические из-
мерения применяются в областях, где человеческий глаз является
основным чувствительным элементом. В фотометрии используются
различные принципы, способы и методы, а также приборы и ме-
тоды измерения для определения параметров видимого спектра
оптического излучения.
2.6.2.	Оптические световые величины и их единицы

Единицы измерения, применяемые в радио- и фотометричес-
ких системах, приведены в табл. 2.26.

Основной величиной световых измерений является сила света /.
Она характеризуется энергией, излучаемой точечным источником
и измеряется в канделах (кд) или люменах на стерадиан (лм/ср).

Таблица 2.26

Радио- и фотометрические единицы

Параметр	Радиометрические единицы			Фотометрические единицы		
	Сим- вол	Физическая величина	Наименование единицы (обозначение)	Сим- вол	Физическая величина	Наименование единицы (обозначение)
Энергия излучения	—	Энергия излучения	джоуль (Дж)	—	Световая энергия	люмен-се- кунда (лм-с)
Энергия излучения за единицу времени	<Рс	Поток излуче- ния, мощ- ность из- лучения	ватт (Вт)	фу	Свето- вой поток	люмен (лм)
Энергия от точечно- го источ- ника в еди- ничном те- лесном угле	1с	Энерге- тическая сила све- та (сила излуче- ния)	патт на стерадиан (Вт/ср)		Сила света	кандела (кд) или люмен на стерадиан (лм/ср)
Поток излучения на поверх- ности (в за- данном на- правлении)	Ц	Энерге- тическая яркость (лучис- тость)	ватт на стерадиан- квадратный метр (Вт/срм2)	Д	Яркость	кандела на квадратный метр (кд/м2)
Поток излучения, падающий на единицу поверх- ности	Ес	Энерге- тическая освещен- ность (об- лучен- ность)	ватт на квадратный метр (Вт/м2)	К	Осве- щенность	люкс (лк)
Поток излучения с единицы поверх- ности	Мс	Энерге- тическая светимость (излучае- мость)	ватт на квадратный метр(Вт/м2)	м	Свети- мость	люмен на квадратный метр (лм/м2)
Рис. 2.117. Стерадиан

Понятие точечного источника
является условным, так как ни
один из источников на практике
не является таковым. Однако было
принято, что если диаметр источ-
ника менее 0,1 расстояния от ис-
точника излучения до приемника,
его можно считать точечным.

Кандела равна силе света в за-
данном направлении источника,
испускающего монохроматическое
излучение частотой 540 Ю12 Гц,

энергетическая сила света которого в этом направлении составля-
ет 1/683 Вт/ср.

Основная единица мощности в фотометрической системе — лю-
мен (лм). Она называется световым потоком (<ру). Люмен — это све-
товой поток, испускаемый точечным источником в телесном
угле 1 ср при силе света 1 кд.

Стерадиан (ср) — мера телесного угла с вершиной в центре сферы
радиусом г, вырезающая площадку г2 на поверхности сферы (рис. 2.117).

Световая энергия излучения — это энергия световой волны в
люмен-секундах (лм-с). Люмен-секунда — испускаемая или по-
лучаемая световая энергия в течение 1 с при световом потоке,
равном 1 лм.

Плотность световой энергии, падающей на поверхность, назы-
вается освещенностью (Д) и измеряется в люксах (лк). Люкс — ос-
вещенность поверхности площадью 1 м2 при световом потоке па-
дающего на нее излучения, равном 1 лм. В качестве примеров зна-
чений освещенности в условиях естественного освещения можно
привести следующие (лк):

Яркий солнечный свет..............................105

Солнечный свет сквозь облака......................103

Заход ^солнца.....................................10'

Лунный свет......................................10'1

Звездный свет..................................  10'3

Для оценки интенсивности света, покидающего поверхность,
проходящего сквозь нее или падающего на нее В данном направле-
нии, введено понятие яркости (Д.) источника. Фотометрическую
яркость измеряют в канделах на квадратный метр (кд/м2). Кандела
на квадратный метр — яркость равномерно светящейся плоской
поверхности площадью 1 м2 в перпендикулярном ей направлении
при силе света 1 кд (эталонный излучатель).

Примерные уровни яркости различных источников (кд/м2):

Взрыв атомной бомбы

Молния

2-Ю12

7-Ю10
Угольная дуга.....................................2 • 107

Солнце с Земли....................................2-104

Люминесцентная лампа..............................7 103

Луна с Земли......................................3-103

Энергия, излучаемая поверхностью, называется светимостью. Она
представляет собой световой поток, излучаемый единичной повер-
хностью, и измеряется в люменах на квадратный метр (лм/м2).

2.6.3.	Принципы фотометрических измерений

В качестве основных принципов светотехнических измерений,
которые положены в основу измерения и построения многообраз-
ных средств измерения и контроля величин оптического излуче-
ния, рассматриваются физиологические и физические принципы.

Физиологические принципы светотехнических измерений. Электро-
магнитное излучение, как отмечалось выше, в диапазоне длин волн
370...770 нм оценивается фотометрически, т.е. в соответствии с фи-
зиологическим распределением чувствительности глаза человека.

Ввиду того, что сетчатка глаза состоит из различных рецеп-
торных элементов (колбочки — для дневного зрения и палочки —
для ночного зрения), его спектральная чувствительность к дли-
нам волн излучения различна. Максимум спектральной чувстви-
тельности глаза при дневном зрении соответствует длине волны
555 нм, а спектральная чувствительность при сумеречном (ноч-
ном) зрении — 507 нм.

Кроме чувствительности глаза в качестве физиологических прин-
ципов светотехнических измерений принимаются следующие: адап-
тация, контрастная чувствительность, инерция зрительного вос-
приятия, ощущение яркости, цветовое ощущение, одновремен-
ный цветовой контраст и другие.

Явление адаптации глаза заключается в том, что различно
окрашенные поверхности, которые кажутся одинаково светлыми
адаптированному к свету глазу, различаются по яркости. Если она
принимает значение ниже 3 кд/м2, цветовое восприятие исчезает.
Поверхности, окрашенные в цвета коротковолнового диапазона
спектра (зеленый, синий, фиолетовый), кажутся светлее, чем по-
верхности, окрашенные в цвета длинноволнового диапазона спектра
(желтый, оранжевый, красный).

Критерием различимости светлого-темного является контра-
стная чувствительность. При наблюдении двух располо-
женных рядом полей, имеющих различные яркости, они только
тогда воспринимается, когда их разность достигает некоторой по-
роговой величины. В диапазоне яркостей (0,6...60)103 кд/м2 значе-
ние контрастной чувствительности остается примерно постоянным.

Инерция зрительного в о с п р и я т и я характерна тем,
что глаз воспринимает кратковременные, периодические и следу-
ющие через длительные интервалы времени световые стимулы. При
чередовании световых стимулов возникает мерцание. При частоте,
превышающей граничную частоту 20 Гц, возникает восприятие
постоянной яркости, которое не меняется при дальнейшем возра-
стании частоты.

Ощущение яркости. Два одинаковых пучка, падающих на
соседние участки сетчатки глаза, вызывают различное ощущение
яркости. Эта субъективная яркость наибольшая при центральном
положении пучка и имеет тенденцию к уменьшению с увеличени-
ем расстояния пучка от оси глаза.

Цветовое ощущение. Два одинаковых монохроматичес-
ких пучка, падающих на соседние участки сетчатки глаза, вызыва-
ют различные цветовые ощущения, если световые пучки проходят
через середину или край зрачка. Кроме того, различие цветовых
ощущений зависит от длительности наблюдения.

Одновременный цветовой контраст — это зритель-
ный контраст, который появляется, когда светлый объект на тем-
ном фоне кажется еще светлее, а один и тот же цвет имеет разные
оттенки в зависимости от цвета окружающего его фона.

Физические принципы фотометрических измерений. Основными
физическими принципами фотометрических измерений и постро-
ения фотоэлектронных преобразователей являются: внешний фо-
тоэффект, внутренний фотоэффект, фотоэффект в фотоэлементах
с запирающим слоем, терморезистивный эффект, термоэлектриче-
ский эффект и ряд других.

Внешний фотоэффект основывается на эмиссии фото-
нов (рис. 2.118, а). Свет, состоящий из отдельных фотонов, падает
на светочувствительный слой металла (фотокатод) 3. Каждый фо-
тон имеет энергию:

Е = Ну,

где И = 6,626 10 34 Дж с — постоянная Планка; у — частота излуче-
ния.

Он вызывает выход электронов, энергия которых представляет
собой начальную кинетическую энергию. Свободные электроны ус-
коряются положительным анодным напряжением по направлению
к аноду с помощью источника напряжения 2 и вызывают во внеш-
ней цепи электрический ток, оцениваемый амперметром 1. Значе-
ние силы тока в этой цепи является мерой светотехнической вход-
ной величины.

Внешний фотоэффект используется в фотоэлементах и фото-
умножителях. Их основные метрологические характеристики,
принципиальные схемы, достоинства и недостатки представле-
ны в табл. 2.27. Так, пределы измерений газонаполненных элемен-
тов составляют 10... 104 лм, их чувствительность — 10-5 А/лм. Они
обладают высокой чувствительностью, однако для их функциони-
рования необходимо дополнительное напряжение. Для фотоумно-
жителей пределами измерений являются значения 10-3... 10 лм при
очень высокой чувствительности 10~3 А/лм и инерционности сра-
батывания 10“3 с. Необходимость наличия дополнительного высо-
кого напряжения (более 1 кВт) ограничивает область применения
фотоумножителей.

Внутренний фотоэффект или эффект в полупроводни-
ках основан на явлении фотопроводимости в полупроводниках и
изоляторах (рис. 2.118, б). Фотоэлектроны, освобождающиеся при
поглощении света (хь х2), остаются в полупроводнике и форми-
руют первичный ток. Они оставляют положительные пространствен-
ные заряды «дырки», собственная подвижность которых меньше
подвижности фотоэлектронов. При заполнении положительного
пространственного заряда электроны «впитываются» электродами
1 и 4. При появлении определенного количества «дырок» возника-
ет вторичный фотопоток, который фиксируется амперметром 3.

При недостаточной подаче электронов фотопроводимость сни-
жается и появляется фотоэлектрическая усталость, которая уси-
ливается с возрастанием интенсивности падающего излучения и в
зависимости от длины волны излучения.

Рис. 2.118. Схемы физических принципов фотометрических измерений:
а — внешний фотоэффект (7 — амперметр; 2 — источник напряжения; 3 — фото-
электронный фотоэлектрический преобразователь); б — внутренний фотоэффект
(1 и 4 — электрод; 2 — источник напряжения; 3 — амперметр; 7) — расстояние
между электродами; хр х, — смещение отрицательного или положительного заря-
да); в — фотоэффект в фотоэлементах с запирающим слоем (7 — амперметр; 2 —
электрод; 3 — р-слой; 4 — п-слой; 5 — электрод); г — эффект термоэлектродвижу-
щей силы (7— вольтметр; 2 — место контакта); д — терморезистивный эффект
(7— вольтметр; 2 — источник напряжения; 3 — болометр); е — изменение оптиче-
ской плотности (почернение) (7 — оправа; 2— состав: бромистое серебро — желатин)
Основные метрологические характеристики фотоэлектронных преобразователей

Характеристики	Внешний фотоэффект				Внутренний фотоэффект				Элемент с запирающим слоем
	Газонапол- ненный фотоэлемент	Фото- умножитель			Фотоэлемент	Фотодиод	Фото- транзистор	Фото- резистор	Фотоэлемент
	1				1	♦	♦	1	1
						-йч1			
Пределы измерения, лм	Ю'-.ЛО4	Ю-’.-.Ю1			Ю'-.ЛО8	ДЯ.-ЛО6	10-’. .ЛО6	10*2...105	10'. .ЛО8
Чувствитель- ность, А-лм"1	10-5	ю-3			10-4	10-2	10-'	103	10-4
Инерцион- ность, с	КН	10-8			10-2	10-2	10-6	10-4	ю-2
Достоинства	Высокая чувствитель- ность	Очень вы- сокая чувст- вительность			Отсутствие дополнитель- ного напря- жения	Отсутствие инерцион- ности	Высокая чувствитель- ность		Отсутствие дополнитель- ного напря- жения
Недостатки	Дополни- тельное на- пряжение	Дополни- тельное высо- кое напряже- ние (>1 кВ)			Высокая инерцион- ность	Дополнительное напряжение			Высокая инерцион- ность
Внутренний фотоэффект используется в фотоэлементах, фото-
диодах, фототранзисторах и фоторезисторах. Их основные метро-
логические характеристики, принципиальные схемы, достоинства
и недостатки см. в табл. 2.27.

Фотоэффект в фотоэлементах с запирающим
слоем возникает в системе металл — полупроводник (рис. 2.118, в).
Между материалом и полупроводником находится униполярно за-
ряженный запирающий слой. При соприкосновении металла с
полупроводником электроны переходят из проводящего слоя ме-
талла в полупроводник и накапливаются в акцепторах. В участке
соприкосновения у металла наблюдается преобладание положи-
тельного заряда, а у полупроводника — преобладание отрицатель-
ного заряда. Это электрическое поле препятствует дальнейшему
перемещению электронов и «дырок».

При падении света на отрицательный запирающий слой возни-
кают свободные фотоэлектроны. Они проходят через проводящий
слой полупроводника к металлу и компенсируют положительный
пространственный заряд. Возникающие одновременно «дырки» ком-
пенсируют отрицательный заряд в полупроводнике.

Полупроводник граничит другой стороной со слоем металла. На-
ходящийся здесь запирающий слой не облучается и остается нена-
рушенным. Между нарушенным и ненарушенным запирающими
слоями возникает фотонапряжение. Если пластина-основание и по-
кровный слой соединены друг с другом, то во внешней цепи воз-
никает электрический ток. Сила тока является мерой светового по-
тока на входе системы.

Фотоэффект в фотоэлементах с запирающим слоем использу-
ется при изготовлении фотоэлементов с пределами измерений от
10 до 108 лм с чувствительностью 10”4 А/лм. Они имеют высокую
инерционность (до 10-2 с). Достоинство таких фотоэлементов в
том, что они не требуют дополнительного источника напряже-
ния (см. табл. 2.27).

Эффект термоэлектродвижущей с и л ы. В термоэлек-
трических фотопреобразователях (рис. 2.118, г) место контакта 2
чернится, он поглощает падающее излучение. Возникающее в ре-
зультате этого изменение температуры спая пропорционально па-
дающему излучению. Неравенство температур мест соединения двух
различных проводников, связанных в единый контур, вызывает
разность потенциалов, которая может служить мерой разности тем-
ператур, а следовательно, и величины излучения.

Терморезистивный эффект был рассмотрен в подразд.
2.4.1; он заключается в том, что падающее излучение нагревает
тонкую металлическую проволочку или тонкую полоску металла
(рис. 2.118, д'). В результате изменяется электрическое сопротивле-
ние первичного измерительного преобразователя — болометра 3,
что фиксируется вольтметром 1. Изменение сопротивления явля-
ется характеристикой падающего излучения. Рассмотренный эф-
фект применяется в фотоболометрах.

Световая энергия может быть использована для изменения
оптической плотности (почернения) фотографических пле-
нок и пластин (рис. 2.118, е). Фотографическая эмульсия пленок и
пластин выполнена на основе бромистого серебра и желатина. При
падении светового излучения зерна бромистого серебра разлага-
ются на серебро и бром. Частицы серебра после фотографического
проявления становятся темными. Степень оптической плотности
или почернения полученного таким путем негатива является ме-
рой световой экспозиции, на которой основаны съемки кино-,
фотоаппаратурой.

Основные метрологические характеристики фототермоэлемен-
тов, фотоболометров и фотоаппаратов, их принципиальые схе-
мы, достоинства и недостатки представлены в табл. 2.28. Пределы

Таблица 2.28

Основные метрологические характеристики фотоэлектронных
измерительных преобразоватей

Характеристики	Эффект термоэлектродви- жущей силы	Терморезистивный эффект	Почернение (изменение оптической плотности)
	Фототермоэлемент	Фотоболометр	Фотоаппарат с объективом
	♦  -Н1	1 4^	А 0 1  1
Пределы измерения	Теоретически не ограничены, зависят от конструкции		
Чувствитель- ность, ВВт-1	10°	101	—
Инерцион- ность, с	ю-2	10~3	103
Достоинства	Большая по- стоянная времени	Чувствитель- ность превышает чувствительность фотоэлементов	Охватывает слабые и корот- кие импульсы излучения
Недостатки	Инерционность превышает инерционность фотоболометра	Дополнитель- ное напряжение, собственное нагревание	Незначитель- ная точность изме- рения, большие материальные за- траты на прове- дение измерений
измерений рассмотренных схем теоретически не ограничены и
зависят в основном от конструкции измерительных преобразова-
телей.

Чувствительность фотоболометров (101 В/Вт) несколько
выше чувствительности фототермоэлементов (10° В/Вт), инер-
ционность последних (10~2 с) уступает инерционности фото-
болометров (10-3 с).

2.6.4.	Визуальные методы и средства фотометрии

Все визуальные фотометрические измерения силы света, ярко-
сти, светового потока, освещенности и световой энергии основы-
ваются на визуальном сравнении видимых яркостей. Визуально не-
возможно оценить абсолютное значение яркости. Визуально мож-
но только установить, что две поверхности приблизительно оди-
наково яркие.

В общем существуют две разновидности визуальных методов:
прямой метод и метод замещения. При реализации прямого мето-
да измерения в визуальном фотометре предусмотрены два
фотометрических поля (рис. 2.119, а). Яркость поля фотометра яв-
ляется функцией измеряемого параметра источника излучения X.
Другое поле фотометра освещается образцовым источником излу-
чения с известными светотехническими параметрами. Яркости
обоих полей фотометра воспринимаются визуально. Свет от источ-
ника излучения X изменяют при помощи компенсационного эле-
мента до тех пор, пока глаз не увидит равнояркие фотометричес-
кие поля.

При реализации метода замещения кроме исследуемого исто-
чника излучения X и образцового излучателя вводят дополни-
тельный излучатель сравнения И(рис. 2.119, б). Сначала проводят
фотометрическое сравнение потоков источников излучения X и V.
Затем источник излучения X заменяют источником излучения ^и
проводят фотометрическое сравнение потоков излучения источ-
ников излучения ТУи V. Искомый светотехнический параметр ис-
точника излучения X определяют исходя из известных значений
параметров источника излучения 7/и результатов сравнения пото-
ков излучения.

X

’Ч*’	’Ч*’

а	б

Рис. 2.119. Схемы визуальных методов фотометрии:
а — прямой метод; б — метод замещения
В качестве компенсационного элемента применяются разнооб-
разные устройства, позволяющие выполнять грубую или тонкую
компенсации (рис. 2.120).

Средства измерения и контроля параметров светового потока
визуальным методом носят название визуальных фотометров. Для
измерения силы света применяются такие приборы, как «фото-
метрическая скамья», универсальный фотометр Бехштайна, фо-
тометр Вебера и целый ряд других.

«Фотометрическая скамья» представляет собой универсальное
средство измерения, предназначенное для фотометрических ла-
бораторий. Измерение силы света осуществляется прямым мето-
дом и методом замещения. При реализации метода замещения на
направляющей 1 (рис. 2.121, а) располагают источник излучения
2 (X) или источник излучения 6 (Т\Т), экран 3 и фотометричес-
кую головку 4, которая жестко связана через экран 5 с источни-
ком излучения 6 (И). Эту комбинацию смещают относительно
источников излучения 2 (X) или 6 (ТУ) до обеспечения равнояр-
ких полей. В качестве фотометрических головок широкое распро-
странение получили конструкции Люммера—Бродхуна и Бехш-
тайна.

При выравнивании яркостей полей с помощью фотометри-
ческой головки Люммера—Бродхуна (рис. 2.121, б) оба сравни-
ваемых потока от источников излучения 2Г и ТУ попадают на бе-
лые, диффузно отражающие поверхности экрана 1. Часть отра-
женного света попадает через зеркало на фотометрический кубик
Люммера—Бродхуна 4. Он состоит из двух прямоугольных призм,
находящихся в оптическом контакте своими гипотенузными гра-

Рис. 2.120. Схемы компенсационных элементов:

а — вращающийся секторный диск; б — два серых клина; в — полупрозрачное
зеркало; г — комбинация серых стеклянных клиньев; д — призма Николя; е —
диафрагма типа «кошачий глаз»; ж — револьверная головка с диафрагмами
Рис. 2.121. Схемы визуальных фотометров для измерения силы света:
а — «фотометрическая скамья» (1 — направляющая; 2 — источник излучения Х\ 3
и 5 — экраны; 4 — фотометрическая головка; 6 — источник излучения II (У))-, б,
в — фотометрическая головка Люммера—Бродхуна (1 — гипсовый экран; 2 и 7 —
зеркало; 3 и б— контрастная пластина; 4 — фотометрический кубик; 5 — поле
зрения; ТУ— образцовое световое излучение; X — измеряемое световое излучение);
г, д — мигающий фотометр Бехштайна (1 — пластина из матового стекла; 2 и 5—
отклоняющая призма; 3 — внешний стеклянный клин; 4 — внутренний стеклянный
клин; 6 И 7 — кольцеобразные поверхности)

нями. На одной из этих поверхностей вытравлены знаки, напри-
мер в виде трапеции, различимые в поле изображения. Световой
поток от источников излучения X или проходит участки гипо-
тенузных граней и попадает в поле зрения 5наблюдателя. На про-
травленных участках кубика световой поток полностью отражает-
ся. Аналогичную операцию выполняют с источником излучения
И Полностью отраженный от протравленного участка световой
поток попадает в поле зрения. При этом свет, прошедший участ-
ки, находящиеся в оптическом контакте, не попадает в поле зре-
ния наблюдателя. В итоге в поле зрения попадают левая трапеция
и правый фон от источников излучения X или А, а также правая
трапеция и левый фон от источника излучения V. При выравни-
вании яркость фона и трапеции становится одинаковой. В поле
зрения наблюдателя имеется равномерно освещенная поверхность
при условии, что свет обоих источников излучения имеет одина-
ковый цвет.

При реализации метода с равноконтрастными полями (рис.
2.121, в) перед призмой фотометрического кубика 4 устанавли-
ваются две контрастные пластины 3 и 6. При уравновешивании
обе трапеции имеют одинаковую яркость, но контраст их на 8 %
выше равномерно освещенного фона. Визуально устанавливает-
ся, когда обе трапеции становятся равноконтрастными по отно-
шению к окружающему фону. При незначительных различиях цве-
тов достигается более высокая точность, чем при сравнении яр-
костей.

При сравнении полей, освещаемых попеременно сравнивае-
мыми источниками с помощью мигающего фотометра Бехштай-
на (рис. 2.121, г, д) осуществляется исследование двух потоков
излучения от источников излучения Хи IV, направляемых через
диффузионно отражающую пластину из матового стекла 1 и от-
клоняющие призмы 2 и 5 на блок вращающихся стеклянных кли-
ньев Зи 4. Углы преломления внешнего 3 и внутреннего 4стек-
лянных клиньев одинаковы. Их преломляющие поверхности на-
клонены во взаимно противоположных направлениях. Поле зре-
ния образуют концентрические кольцеобразные поверхности 6
и 7. При вращении блока сдвоенных клиньев происходит быстрая
смена полей сравниваемых источников излучения. В результате
вращения создается эффект мелькания. При различии цветов из-
лучения глаз воспринимает мелькание цветов при небольшой ча-
стоте смены полей. Мелькание полей исчезает при больших час-
тотах смены полей. На изменение цветов глаз реагирует хуже, чем
на изменение яркостей. Поэтому глаз различает поля, которые
отличаются только по яркости. Предельная частота слияния яр-
костей достигается, когда яркости обоих излучений становятся
одинаковыми.

Для повышения точности частота смены полей (мельканий)
выбирается такой, чтобы мелькание исчезло, но снова возникло
при небольшом изменении яркости.

Для измерения яркости применяются яркомеры, например яр-
комер Бека, схема которого представлена на рис. 2.122, а. Прибо-
ром реализуется прямой метод измерения. Яркость измеряемого
объекта 7 определяется путем сравнения двух фотометрических
полей: одного, образуемого этим объектом, а другого — лампы V

а

6 5 4 3

Рис. 2.122. Схемы визуальных фотометрических приборов:

а — для измерения яркости (7 — фотометрический кубик; 2 — матовая стеклянная
пластина; 3 — компенсатор; 4 — лампа; 5и 6— объектив; 7— измеряемый объект);
б — для измерения освещенности (7 — покровная пластина (крышка); 2 и 5 —
диафрагма; 3 — резистор; 4 — лампа сравнения; 6 и 8 — шар из матового стекла;

7 — стеклянная пластина; 9 — поворотный цилиндр)
(4) с известными светотехническими параметрами. Пучок света
от измеряемого объекта 7 через объективы 5 и 6 падает на фото-
метрический кубик 1 и часть его поступает в объектив наблюда-
теля, создавая первое поле. Свет от лампы V(4) через компенса-
тор 3 и матовую стеклянную пластину 2 также падает на фото-
метрический кубик 1 и создает второе поле. Изменяя с помощью
компенсатора пучок света, добиваются равенства яркостей обоих
полей.

Момент равенства фиксируется, и по нему определяется яр-
кость исследуемого объекта. Пределы измерения аналогичных яр-
комеров находятся в диапазоне 10_|... 106 кд/м2. Контрастная чув-
ствительность зависит нелинейно от яркости поля изображения и
составляет примерно: 10 — для яркости 10-2 кд/м2; 40 — для ярко-
сти 10° кд/м2; 60 — для яркости 102 кд/м2. Приборы характерны
большой инерционностью, незначительными затратами на прове-
дение измерений, удобством при эксплуатации, возможностью из-
мерения очень малых яркостей при относительно небольшой пло-
щади измерения. Яркомер предназначен для измерения яркости
малых объектов на расстоянии более 1,5 м в лабораторных услови-
ях и вне лабораторий.

Измерение освещенности осуществляется методом замещения.
В люксметре ОСРАМ (рис. 2.122, б) в поворотном цилиндре 9
расположены два шара из матового стекла 6 и 8 и одна стеклян-
ная пластина 7. Измеряемый пучок света образует на шаре <? свет-
лое пятно яркостью Ьт. Аналогичная световая поверхность обра-
зуется пучком сравнения на другом шаре из матового стекла 6.
Через сменную диафрагму 5 направляется также световой поток
от лампы сравнения V (4), который образует светлое пятно на
поверхности шара яркостью С помощью резистора 3 устанав-
ливается постоянная сила тока лампы V. Стеклянная пластина 7
является фотометрическим полем, которое наблюдается визуаль-
но через окно с диафрагмой 2. Стеклянная пластина расположена
под углом 45° к оптической оси между двумя стеклянными шара-
ми и разделена на узкие полоски. Каждая четная полоска покры-
та частично отражающим слоем, а каждая нечетная полоска про-
пускает излучение полностью. Через частично отражающие по-
лоски можно видеть один стеклянный шар, а через остальные
полоски — другой стеклянный шар. Фотометрическое уравнива-
ние осуществляется путем вращения поворотного цилиндра 9.
Изменение отверстия диафрагмы 5 вызывает изменение потока
сравнения. При уравнивании стеклянная пластина 7 освещена
равномерно.

Рассмотренная конструкция люксметра имеет пределы измере-
ния 10~'... 104 лк, нелинейную зависимость контрастной чувстви-
тельности от яркости изображения, большую инерционность, не-
большую точность, сложность конструкции, необходимость обес-
печения высокой точности при изготовлении и сборке. Использу-
ется в лабораториях и вне лабораторий.

Основные метрологические характеристики, достоинства, не-
достатки и область применения некоторых визуальных фотометри-
ческих средств измерения и контроля представлены в табл. 2.29.

Таблица 2.29

Основные метрологические характеристики визуальных
фотометрических систем

Назна- чение прибо- ра	Тип прибора	Пределы измере- ния	Конт- растная чувстви- тельность	Инерц- ион- ность	Достоинства	Недостат- ки	Область приме- нения
Для изме- рения силы света	«Фо- томет- риче- ская скамья» с фото- метри- ческой голов- кой	Ю-’.ЛО6 КД-М'2	-4-ю  △1  для  Ь = 0,01  КД-М”2	Боль- шая	Высокие универсаль- ность, точ- ность	Ста- ционар- ная из- мери- тельная система	Уни- версаль- ный прибор для лабора- торий
Для изме- рения яркос- ти (ярко- меры)	Ярко- мер Бека	НТ'.-ЛО6 кд-м~2	-4=40 ад  для 1=1 КД-М'2	»	Незначи- тельные зат- раты на проведение измерений, удобен при эксплуата- ции, пере- носного ти- па, воз- можны из- мерения малых ярко- стей при небольшой площади измерения	Высо- кие тре- бования к опера- тору при проведе- нии ге- терохро- мных из- мерений	Для измере- ния яр- кости малых объек- тов на рассто- янии более 1,5 м в лабора- тории и вне ее
Для изме- рения свето- вого потока (лю- мен- метры)	Фо- томет- ричес- кий шар	Ю-’-.ЛО6 лм	-4 = 60  АД для  Д = 100  КД-М’2	»	Незави- симость от локальной чувстви- тельности приемной поверхности фотоприем- ника, быстрота, простота	Много влияю- щих фа- кторов, необхо- димость соблю- дения опреде- ленных условий	Для измере- ния в произ- водст- венных услови- ях
Назна- чение прибо- ра	Тип прибора	Пределы измере- ния	Конт- растная чувстви- тельность	Инер- цион- ность	Достоинства	Недостат- ки	Область приме- нения
Для изме- рения осве- щен- ности (люкс- метры)	Люкс- метр ОСРАМ	юч.ло3 лк	-4=50  ДЛЯ Ь = = 10000 кд-м-2	»	Перенос- ной прибор	Небо- льшая точность, сложная конст- рукция, необхо- дима вы- сокая точность при сборке	Ис- поль- зуется в лабора- ториях и вне их

2.6.5.	Физические фотометрические методы и средства
измерения и контроля светотехнических параметров

Все физические фотометрические методы измерения силы све-
та, яркости, светового потока, освещенности и световой энергии
основаны на определении освещенности в плоскости первичного
измерительного преобразователя. При этом в физических фотометрах
световая энергия преобразуется в другие формы энергии или в
энергию химических реакций.

Различают метод прямого отсчета и компенсационный метод.

Метод прямого отсчета (рис. 2.123, а) характерен тем,
что источники излучения X и Л2 должны располагаться на одина-
ковом расстоянии от фотоэлектрического преобразователя 1. При
этом на приемник попеременно направляются измерительный по-
ток и поток сравнения.

Исходя из полученного соотношения значений освещенности
и известных светотехнических параметров источника излучения IX,

Рис. 2.123. Схемы физических фотометрических методов измерения и кон-
троля светотехнических параметров:

а — прямого отсчета (7 — фотоэлектрический преобразователь; 2 — амперметр);

б— компенсационного (7 — компенсационный элемент; 2 — первичный
преобразователь; 3 — амперметр)
находят искомое значение параметра источника излучения X. Если
освещенности пропорциональны соответствующим значениям силы
тока, определяемого амперметром 2, то можно вместо отношения
освещенности использовать отношение сил тока.

При реализации компенсационного метода (рис. 2.123, б) ис-
точники излучения Хи попеременно устанавливают перед пер-
вичным преобразователем 2. При этом измеряемый поток и поток
сравнения изменяются с помощью компенсационного элемента 7
таким образом, чтобы формируемые токи имели одинаковое зна-
чение.

Искомое значение светотехнического параметра источника из-
лучения X определяется путем умножения известного параметра
источника излучения № на соответствующий коэффициент.

К физическим фотометрическим средствам измерения свето-
технических параметров относятся: «фотометрическая скамья» с
кремниевым фотоэлементом (для измерения силы света), фото-
метр с фотоумножителем (для измерения яркости), прибор для
измерения распределения силы света с кремниевым элементом,
фотометрический шар с фотоэлементом (для измерения светового
потока), люксметр с кремниевым фотоэлементом (для измерения
освещения), прибор Льемта и Врена (для измерения световой энер-
гии) и др.

Основные метрологические характеристики этих средств изме-
рения, их достоинства, недостатки и область применения пред-
ставлены в табл. 2.30 и 2.31.

Рассмотрим схемы и принцип действия некоторых из них.

С помощью «фотометрической скамьи» (рис. 2.124, а) произво-
дят измерение силы света методом прямого отсчета и компенса-
ционным методом.

При реализации метода прямого отсчета на направляющей 6 на-
ходятся источники излучения X или	(5), экран 4 и первичный

а	б

Рис. 2.124. Физические фотометрические средства измерения светотехни-
ческих параметров:

а — «фотометрическая скамья» с кремниевым фотоэлементом (7 — источник на-
пряжения питания; 2 — амперметр; 3 — первичный преобразователь (кремние-
вый фотоэлемент); 4 — экран; 5 — источник излучения X или (V; 6 — направляю-
щая); б — портативный люксметр (1 — матовая стеклянная пластинка; 2 — изме-
рительный преобразователь; 3 — амперметр)
Основные метрологические характеристики физических фотометрических приборов

Тип прибора	Назна- чение прибора	Пределы измерения, КД'М-2	Чувстви- тельность, А-лм4	Инер- цион- ность, с	Достоинства	Недостатки	Область применения
«Фотометри- ческая скамья» с кремниевым фотоэлементом	Для измере- ния силы света	ю-3... 108	ю-3	ю-2	Универсальность, высокая точность	Стационарность	Универсальный прибор для фотомет- рических лаборато- рий
Фотометр с фотоумножи- телем	Для измере- ния ярко- сти (яр- комеры)	КУ4... 108	102	10-2	Высокая чувстви- тельность, оценка И(Х), апертурный угол 6'... 2°, возмож- ны измерения очень малых полей	Необходима высокая точность настройки, периодическая градуировка	Возможны измере- ния в лабораториях и вне их
Прибор для измерения рас- пределения си- лы света с кремниевым элементом	Для из- мерения распреде- ления си- лы света	10-2... 10'	ю-3	10-2	Высокая точность, возможны любые направления излучения	Расстояние источ- ника света от фото- чувствительного при- емника меньше фо- тометрического пре- дельного расстояния	Измерение силы света, яркости, пол- ного светового пото- ка при использоварш источников излуче- ния малых размеров
Основные метрологические характеристики физических
фотометрических систем

Тип прибора	Назна- чение при- бора	Пределы измере- ния	Чувст- витель- ность, А-лм"1	Инер- цион- ность, с	Достоинства	Недостатки	Область примене- ния
Фото- метри- ческий шар с фото- элемен- том на основе окиси цезия	Для изме- рения- све- то во- го по- тока	ю-1... 106 лм	ю-2	ю-8	Незави- симость от локальной чувстви- тельности приемной поверхно- сти фото- элемента, простота, быстро- действие	Сущес- твенные погреш- ности, обуслов- ленные внешними факторами	Обыч- ные повсе- дневные и производ- ственные измерения
Мало- габарит- ный люкс- метр с крем- ниевым фото- элемен- том	Для изме- рения осве- щен- ности	10'... 104 лк	10-3	10	Оценка в соответст- вии с зако- ном коси- нусов, нез- начитель- ные затраты на измере- ния, при- бор пере- носного типа, дешев	Ограни- ченная точность измере- ния, не- обходима периоди- ческая градуир- овка прибора	Обыч- ные изме- рения в условиях лаборато- рии и вне ее
Изме- ритель- ное уст- ройство с фото- элемен- том на осно- ве оки- си це- зия	Для изме- рения свето- вой энер- гии	10"1... 108 лмс	10~2	10~6	Пропор- циональная зависимость между све- товой энер- гией и по- тенциалом	Необхо- димо соответ- ствие характе- ристик фотопри- емника кривой	Измере- ния при фотохи- мических, фотогра- фических процессах, измерения распреде- ления сил света им- пульсных источни- ков света
преобразователь 3 (например, кремниевый фотоэлемент). Источ-
ники Хк Е, установленные на одном расстоянии от первичного
преобразователя 3, создают попеременно на приемной площадке
преобразователя освещенность Е„хи Е^. Фототок /у^-или 1^, воз-
никающий в фотоэлементе, пропорционален освещенностям Е„х
и Е^. Тогда сила тока 1уХ определяется из следующей зависимости:

4х= 4л(Ага/Ает)-

В портативном люксметре (рис. 2.124, б) освещенность измеря-
ется методом прямого отсчета.

Световой поток, создающий на матовой стеклянной пластинке
7 освещенность Е„х, поступает в измерительный преобразователь 2
(например, кремниевый фотоэлемент). Сила фототока //^пропор-
циональна освещенности Е„х. Амперметр 3 градуируется по осве-
щенности Е^ образцового источника излучения А. Освещенность
исследуемого объекта Е„х можно непосредственно считывать по
шкале люксметра. Амперметр 3 градуируется по освещенности Е^
образцового источника излучения А.

Освещенность исследуемого объекта Е„х можно непосредствен-
но считывать по шкале люксметра.

2.6.6.	Основы волоконной оптики и волоконно-оптические
средства измерения

Теоретические и экспериментальные исследования в области фи-
зики твердого тела, квантовой электроники, оптики, химии стекла
привели в последнее десятилетие к разработке и созданию нового
класса приборов — волоконно-оптических функциональных уст-
ройств (например, демультиплексоры, направленные ответвители
и т. п.), волоконно-оптических преобразователей физических вели-
чин, волоконно-оптических линий связи и систем передачи ин-
формации.

Наиболее широкое распространение волоконная оптика полу-
чила в области связи. Преимущество волоконно-оптических кабе-
лей перед обычными кабелями из медной проволоки заключается
в меньших размерах и массе при значительных увеличениях объема
передаваемой информации, нечувствительности к помехам от элек-
трических и магнитных полей, создаваемых грозовыми разрядами
и электрическими машинами. Они также не подвержены перекре-
стным помехам, потому что даже если свет выходит из повреж-
денного кабеля, он не попадает в соседний кабель. От волоконно-
оптического кабеля трудно сделать ответвление, поэтому посто-
роннее вмешательство легко выявить, в отличие от коаксиальных
кабелей, где отвод сделать несложно, а обнаружить его трудно.
Поэтому волоконно-оптические кабели все шире применяются в
системах связи повышенной надежности. Эти преимущества ис-
«1

Рис. 2.125. Преломление светового
пучка

пользуются и при создании локаль-
ных, региональных и всеобщих вы-
числительных сетей, объединяю-
щих ЭВМ, например Интернет.

Волоконно-оптические преоб-
разователи находят все более ши-
рокое применение в различных об-
ластях науки и техники, таких как
гибкие автоматизированные про-

изводства в машиностроении, системы управления и контроля в
авиации, судостроении, ядерной физики и многих других.

Основными элементами волоконно-оптических систем являются
источник света, волоконный световод и приемник.

В качестве источников света чаще всего используют светодиоды
и полупроводниковые лазеры, а в качестве приемников — полу-
проводниковые фотодиоды.

Волоконный световод состоит из одно- или многожильных во-
локон, которые, в свою очередь, состоят из стеклянной или квар-
цевой середины с диаметром 4... 100 мкм, окруженной стеклян-
ной, кварцевой или полимерной оболочкой. Внешний диаметр
волокна составляет 100...200 мкм.

Принцип действия оптических волокон заключается в полном
внутреннем отражении светового пучка. Рассмотрим его.

Если световой пучок (рис. 2.125) пересекает границу раздела
двух сред с показателями преломления и п2, он испытывает
преломление. При некотором угле падения <р, пучок испытывает
полное внутреннее отражение. Чтобы это имело место, должны
выполняться следующие неравенства:

л2 < и,,

ф! > аГССО8(л2 / Л|).

Минимальный угол, при котором наблюдается полное внут-
реннее отражение, называется критическим:

Фс =агссо8(п2/л1).

Рис. 2.126. Распространение света
в волокне со ступенчатым изме-
нением показателя преломления

импульсов при распространении
в волокне
Рис. 2.128. Профили показателя преломления в оптических волокнах:
а — ступенчатое изменение; б — плавное изменение

Для выполнения этих условий в практике оптическое волокно
изготавливается из двух частей — сердцевины и оболочки, у кото-

рых значения п2 и пх различны.

На рис. 2.126 показано распространение света в волокне со сту-
пенчатым изменением показателя преломления на границе между
сердцевиной волокна и оболочкой. При полном внутреннем отра-
жении коэффициент отражения превышает 99,9% по сравнению с
80 ...90% при отражении от зеркал с посеребренной поверхностью.

Длина волны излучения, используемого для волоконно-оптиче-
ской связи, составляет 800... 1600 нм, причем наиболее широко
применяются длины волн 850 и 1300 нм. Более длинные волны
обеспечивают меньшие потери и широкую полосу пропускания,

но источники и приемники на этих длинах волн дорогие.

По волоконному световоду может распространяться несколько

мод оптического излучения, т. е. несколько волн с различными длина-
ми. Правда, это приводит к искажению сигнала на выходе (рис. 2.127).
Если световая волна в световоде состоит из двух мод а и Ь, ясно, что
пучок а проходит более длинный путь, чем пучок Ь. Это приводит к
уширению импульсов. Эти искажения можно уменьшить при исполь-
зовании градиентных волокон (с плавным изменением показателя
преломления). В таком волокне показатель преломления сердцевины
постепенно снижается от ее оси к границам. На рис. 2.128 показаны

профили показателя преломления
для волокон со ступенчатым и плав-
ным изменением.

В результате траектория светово-
го пучка приобретает параболиче-
скую форму (рис. 2.129) и искаже-
ния импульсов уменьшаются при-
мерно в 200 раз. Это сопровождает-
ся расширением полосы пропуска-

Оболочка

Сердцевина

Рис. 2.129. Распространение света
в градиентном волокне
ния. Оптоволокна могут состоять из стеклянных сердцевины и обо-
лочки, кварцевой сердцевины и пластмассовой оболочки или пласт-
массовых сердцевины и оболочки. Пластмассовые волокна проч-
нее и легче подключаются к другим устройствам, однако обладают
высоким поглощением. Волокна со стеклянными сердцевиной и
оболочкой обладают наилучшими характеристиками по поглоще-
нию, но они менее прочны.

Стеклянные волокна получают нанесением первой мягкой обо-
лочки, называемой первичным защитным покрытием, на свежевы-
тянутую стеклянную сердцевину. Затем наносится вторая оболочка, а
потом — прочная внешняя трубка.

Благодаря своим преимуществам волоконно-оптические кабе-
ли находят все более широкое применение в измерительной тех-
нике, способствуя дистанционности измерений и испытаний.

Все более широкое распространение среди волоконно-опти-
ческих систем получают преобразователи физических величин,
позволяющие преобразовывать значения характеристик физичес-
кого поля (таких, как напряженность поля, индукция, частота,
направление распространения) в один или несколько парамет-
ров световой волны, распространяющейся по волокну (амплиту-
ду, фазу, поляризацию). Наиболее разработаны в настоящее вре-
мя волоконно-оптические преобразователи (ВОП) для измере-
ния акустических полей: микрофоны, гидрофоны, гироскопы. Ин-
тенсивно разрабатываются преобразователи температур, элект-
рического и магнитного полей, линейного перемещения и уско-
рения, химического состава, уровня жидкости, радиоактивного
излучения и т.д.

Волоконно-оптические преобразователи обладают многими до-
стоинствами, характерными для волоконно-оптической техники, а
в большинстве случаев превосходят аналогичные показатели тради-
ционных приборов.

Основными преимуществами таких преобразователей являют-
ся: электрическая массивность, термическая стабильность и кор-
розийная стойкость, устойчивость к электромагнитным помехам
и радиационным воздействиям, разнообразие геометрических форм
и размеров преобразователей.

По принципу действия все ВОП физических величин делятся
на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оп-
тической волны, распространяющейся по волокну, используется
для получения информации об изменяемом физическом воздей-
ствии: амплитуда электрического поля Е (амплитудные преобра-
зователи или преобразователи с модуляцией интенсивности), фаза
Ф (фазовые преобразователи), состояние и направление поляри-
зации электрического вектора р (поляризационные преобразова-
тели) или частота о (частотные преобразователи). В табл. 2.32 при-
ведены основные типы преобразователей.
Типы преобразователей

Измеряемая физическая величина	Тип датчика			Примечание
	с мо- дуляци-  ей ин- тенсив- ности	фа- зо- вый	поля- риза- цион- ный	
Акустичес- кое давление	+	+	+	Измеряются либо механические деформации, либо изменения оптических свойств, возникающие под действием акустических давлений
Температу- ра	+	+	—	Измеряются вызванные нагревом изменения оптических свойств и геометрических размеров
Смещение	+	+	+	Измеряется изменение параметра световой волны под влиянием механического смещения элементов оптической схемы
Напряжен- ность магнит- ного поля •	—	+	+	Измеряются либо магнитострик- ционные деформации, либо фара- деевское вращение плоскости поляризации
Напряжен- ность электри- ческого поля	-	-	+	Используются электрооптические эффекты Керра и Поккельса, а также обратный пьезоэлектрический эффект
Электриче- ский ток	-	+	+	Измеряется магнитное поле тока
Ускорение	+	+	-	Измеряются механические смещения инерциальных элементов
Параметры вращательно- го движения	—	+	—	Используется эффект Саньяка

Области потенциального применения волоконно-оптических
преобразователей:

Конвейерные линии........датчики смещения, толщины,

счетчик прерываний

Высокоскоростные
печатные устройства......датчики смещения, положения,

счетчик прерываний

Технологический контроль ...датчики температуры, давления,
потока

Автомобилестроение.......датчики температуры, давления,

счетчик прерываний
Авиация..................датчики температуры, потока,

давления, положения, уровня
жидкости, напряжения, вращения

Нефтепереработка.........датчики уровня жидкости,

детектор утечек газов

Энергетика...............датчики электрического

и магнитного поля, электрического
тока, температуры, давления,
вибрации, счетчик прерываний

Судостроение.............датчики давления, вибрации,

магнитного поля, уровня жидкости

Рассмотрим принципиальные схемы некоторых преобразова-
телей.

Преобразователи акустических полей с модуляцией интенсив-
ности разбиваются на два подкласса: разрывные и безразрывные.
В разрывных преобразователях оптическое волокно в области пре-
образователя имеет разрыв и измеряемые акустические колебания
преобразуются в механические перемещения мембраны, которые,
в свою очередь, приводят к изменению пропускания светового
потока на входе и выходе преобразователя.

На рис. 2.130, а представлена конструкция шторного волокон-
но-оптического преобразователя, а на рис. 2.130, б — его оптичес-
кая схема. Механизм действия этого прибора заключается в том,

2	3 4  1  1 у* ^/ /’/7'/ Ж. •/  ХЖЛ  а  2	3  1 в	4^_- --  б  Рис. 2.130. Конструкция шторного во- __	локонно-оптического преобразовате-  5 дя (а), его оптическая схема (б) и конструкция решетчатого волоконно- ~оптического преобразователя (в): [//	1 — входное волокно; 2 — корпус; 3 —  уХЛ &	гибкий элемент (мембрана); 4 — подвиж-  ная шторка; 5 — выходное волокно; 6 и 9— градиентный стержень (микролинза);  7 и 8 — дифракционная решетка
что световой поток, выходящий из входного волокна 1 в простран-
ство между торцами входного волокна 1 и выходного волокна 5,
частично перекрывается подвижной шторкой 4, жестко скреплен-
ной с гибким элементом (мембраной) 3, который закреплен в
корпусе 2 преобразователя. При колебаниях мембраны шторка мо-
дулирует интенсивность световой волны, попадающей в выходное
волокно.

В решетчатом волоконно-оптическом преобразователе
(рис. 2.130, в) вместо шторки установлены дифракционные решет-
ки 7 и 8, одна из которых закреплена на мембране 3, а вторая — на
корпусе 2. Градиентные стержни (микролинзы) 6 и 8 позволяют
создавать и фокусировать ту часть лучей, которая прошла через
систему решеток в сердцевину выходного волокна 5.

Минимально измеряемое смещение х составляет 6-Ю-2 нм для
шторного и З Ю’3 нм — для решетчатого преобразователей с час-
тотным диапазоном от 20 до 1000 Гц.

Преобразователи механических смещений и ускорений с моду-
ляцией интенсивности в основном построены по тому же принци-
пу, что и акустические ВОП, в которых регистрируются смеще-
ния и деформации подвижных элементов преобразователя.

На рис. 2.131, а представлена конструкция высокочувствитель-
ного волоконного акселерометра с качающимся зеркалом, пред-
назначенного для определения величин ускорения. Зеркало 4 со-
вершает движения, вызванные вертикальными ускорениями, в со-
ответствии с перемещениями присоединенной массы 3, находя-
щейся на конце упругого стержня 1 прямоугольного сечения. Вход-
ное волокно 7 и два выходных волокна 8 и 9 сьюстированы на
торце градиентного стержня 5 таким образом, что изображение
торца входного волокна 7 в результате отражения от зеркала и
двухкратного прохождения через градан строится посередине между
торцами выходных волокон (рис. 131, б). Угловые смещения зерка-
ла 4 приводят к вертикальным смещениям светового пятна и соот-

Рис. 2.131. Конструкция волоконного акселерометра (а) и распределение
интенсивности светового пучка в плоскости торцов волокон (б):

1 — упругий стержень; 2 — корпус; 3 — присоединенная масса; 4 — зеркало; 5 —
градиентный стержень; 6 — разъем; 7 — входное волокно; 8 и 9 — выходное
волокно; 10 — зазор
ветствующим изменениям сигналов в волокнах 8 и 9. Сигналы фо-
топриемников, расположенных на выходах волокон, обрабатыва-
ются операционным усилителем. Акселерометр имеет порог чув-
ствительности около 2-10'6# в диапазоне частот 5... 500 Гц и дина-
мический диапазон около 80 дБ.

Фазовые преобразователи являются наиболее чувствительными
среди различных волоконно-оптических преобразователей, в ос-
нове которых лежит измерение изменения фазы светового потока
под действием внешних факторов (например, давления, темпера-
туры).

Одним из представителей средств определения разности фаз
световой волны является волоконно-оптический интерферометр,
схема которого представлена на рис. 2.132.

Излучение полупроводникового или газового лазера 1 колли-
мируется системой — коллиматором 2 и подается на полупрозрач-
ную пластинку 3 (или светоделительный кубик). Микрообъективы
4 фокусируют оптические потоки на входные торцы рабочего 6 и
опорного 7 одномодовых волокон. Для обеспечения эффективного
ввода излучения в волокна предусмотрены микропозиционеры 5
(трехкоординаторные подвижки с точностью установки 1 мкм).
Большая часть рабочего волокна 6 помещена в исследуемый объем,
в котором определяется та или иная физическая величина. Опор-
ное волокно 7 находится в стабильных внешних условиях, чтобы
исключить или уменьшить дрейф измеряемой фазы.

Под действием внешних исследуемых факторов, таких как тем-
пература, давление и т.д., в связи с изменением оптических свойств
материала рабочего волокна 6 (изменение плотности материала
приводит к изменению показателя преломления, диаметра попе-
речного сечения сердцевины волокна и т. п.) происходит измене-
ние фазы световой волны на выходе рабочего волокна, т. е. на вы-
ходе волокон 6 и 7 имеются оптические сигналы разной фазовой
характеристики.

Рис. 2.132. Схема волоконно-оптического интерферометра:

1 — лазер; 2 — коллиматор; 3 — полупрозрачная пластинка; 4 — микрообъектив;

5 — микропозиционер; 6 — рабочее волокно; 7 — опорное волокно; 8 — объектив;

9 — светоделитель; 10 — плоскость фильтрации; 11 — собирающая линза; 12 —
фотоделитель; 13 — усилитель; 14 — блок обработки
С помощью выходных объективов 8 светоделителя 9 в плоскость
фильтрации 10 поступают оба световых потока. Фотодетектор 12,
усилитель 13 и блок обработки 14 позволяют провести интерфе-
ренционные измерения возникающих полос и, следовательно, раз-
ность фаз световых потоков.

Волоконно-оптические интерферометры обладают практичес-
ки безинерционностью измерения изменения исследуемой вели-
чины (~10~7... 10“6 с), значительной чувствительностью без слож-
ных многолучевых схем (до 10~8 рад), низким значением динами-
ческого диапазона (до 70 дБ), простотой конструкции и меньшей
массой. Применение интерферометрических волоконно-оптических
преобразователей магнитного поля позволяет достигать рекордной
чувствительности (порядка 10~п А/м), сопоставимой только с чув-
ствительностью магнитометров на основе сверхпроводимости.

Контрольные вопросы

1.	Чем характеризуется оптический спектр электромагнитного излу-
чения и каковы единицы его измерения?

2.	Каковы основные принципы светотехнических измерений и их сущ-
ность?

3.	Какие визуальные методы и средства фотометрии применяются в
машиностроении?

4.	Какие физические фотометрические методы и средства измерений и
контроля светотехнических параметров применяются в промышленности?

5.	Каковы преимущества и область применения волоконно-оптиче-
ских средств измерений?

6.	Каковы основные элементы волоконно-оптических систем?

7.	Каков принцип действия волоконного световода?

2.7.	Измерение акустических величин

2.7.1.	Основные понятия

Акустические явления играют большую роль в жизни человека и
его деятельности. Достаточно большую долю информации он полу-
чает за счет слуха. Общение между людьми, переговоры по линиям
связи — все это осуществляется за счет звуковых волн. Человеческое
ухо — уникальный акустический приемник, который позволяет слы-
шать и звук летящего комара, и рев реактивных двигателей самоле-
та. Широк диапазон частот, воспринимаемых человеком: от 16 Гц
до 16... 18 кГц. С помощью звуковых волн определяют глубины мо-
рей и океанов, используя измерение времени прохождения сигнала
до дна и возвращения отраженного сигнала. Летучие мыши исполь-
зуют принципы звуковой локации для определения препятствия в
условиях полного отсутствия видимости. Эти же методы стали при-
меняться для создания аппаратов ориентирования для слепых. Уль-
тразвук широко применяется в промышленности для определения
брака в отливках металла, выявления нарушений в работе турбин.
Специальные акустические датчики устанавливаются на двигателях
внутреннего сгорания для фиксирования детонации, вредно влия-
ющей на его работу. Перечень областей использования акустических
методов можно было бы продолжить, но и приведенных примеров
достаточно для того, чтобы понять актуальность проведения раз-
личных измерений в области акустики.

К основным параметрам, которые измеряются в акустике, мож-
но отнести звуковое давление, звуковую интенсивность, частоту и
период колебаний. Большой интерес для практики представляют
вопросы измерения скорости распространения звуковой волны в
различных средах, коэффициентов отражения и поглощения. Наи-
более важной характеристикой является звуковое давление. Это в
первую очередь связано с тем, что человеческое ухо воспринимает
колебания давления. В то же время именно звуковое давление легче
всего подается измерению.

Приведем названия и размерности основных величин, исполь-
зуемых в акустике (табл. 2.33).

Важнейшие приборы для измерения давления и других пара-
метров представляют собой различные типы микрофонов (для
газа) и гидрофонов (для жидкости). Наибольшая трудность при
производстве акустических измерений связана не с самими из-
мерениями, а с проведением их градуировки, что объясняется
использованием для этих целей сложной, часто уникальной, ап-
паратуры в специально оборудованных помещениях (например,
акустических излучателей, создающих звуковое поле).

Определенный интерес представляет определение слуховых ха-
рактеристик человека, так как человеческое ухо не только воспри-
нимает звуковые колебания в очень широком диапазоне интен-
сивности, но и хорошо различает их частоты. Практически каждый

Таблица 2.33

Основные величины и единицы акустических величин

|	Наименование  величины	Наименование единицы	Обозначение единицы
Звуковое давление, давление звука	паскаль	Па
Интенсивность звука	ватт  на квадратный метр	Вт/м2
Плотность звуковой энергии	джоуль на кубический метр	Дж/м3
Уровень громкости звука (вне- системная безразмерная единица)	фон	Ф
человек имеет специфичес-
кий, присущий только ему,
спектр частот в произноси-
мых им словах. Это, в част-
ности, позволяет, проведя
специальными методами ана-
лиз частотных составляющих
голоса, идентифицировать по
записи голоса конкретного
индивида, что в криминали-
стике дополняет метод сня-
тия отпечатков пальцев. На
рис. 2.133 приведены диаг-

Рис. 2.133. Диаграммы восприятия звука
человеческим ухом

раммы восприятия звука че-

ловеческим ухом. На ней по вертикали отложен уровень интенсив-
ности звука в относительных единицах — децибелах (дБ), а по гори-
зонтали — частоты в герцах (Гц). Измерение интенсивности звука в
децибелах вызвано тем, что отношение самого громкого звука, вы-
зывающее болевые ощущения, к самому тихому, воспринимаемым
ухом человека, составляет 1014. Если интенсивности звуков обозна-
чить через I, то отношение их в децибелах определяется по следую-
щей формуле:

^ = 101е4-
л

Обычно интенсивность звука в децибелах измеряется по отно-
шению к порогу слышимости ухом человека.

На диаграмме верхняя кривая соответствует наиболее громким
звукам, вызывающим болевые ощущения, а нижняя — порогу слы-
шимости. Видно, что как верхний, так и особенно нижний пороги
зависят от частоты. Лучше всего человек воспринимает частоты в
области 2000...3000 Гц.

2.7.2.	Средства измерения

Основным средством измерения акустических параметров в га-
зовой (воздушной) среде являются микрофоны. По принципу дей-
ствия их можно разделить на несколько групп. Простейшим из них
является угольный микрофон (рис. 2.134). Основу его составляет
угольный порошок, расположенный в капсуле микрофона. К по-
рошку плотно прижата тонкая металлическая пластина — мембра-
на. Она находится в непосредственном контакте с порошком, и с
ней связан один из выводов микрофона. Второй вывод располага-
ется в задней части капсулы. Внутреннее сопротивление микрофо-
на определяется сопротивлением угольного порошка в простран-
стве между мембраной и задним выводом. Звуковые волны вызы-
а

Рис. 2.134. Угольный (а) и электродина-
мический (б) микрофоны:

1 и 5 — мембрана; 2 — угольный порошок;

3 — войлочное кольцо; 4 — звуковая катуш-
ка; 6 — зашитная сетка; 7 — магнит

вают колебания мембраны,
оказывающей воздействие на
угольный порошок, крупин-
ки которого оказываются по-
разному прижаты друг к дру-
гу. При этом изменяется внут-
реннее сопротивление мик-
рофона в такт с приложен-
ным к нему звуковым воздей-

ствием. Угольный микрофон
может работать примерно до
частот в 10... 12 кГц, но за
счет хаотичных контактов
крупинок угольного порош -

ка его сопротивление так же
хаотично меняется, что приводит к появлению «шума», который
накладывается на полезный сигнал и ограничивает чувствительность
микрофона.

Лучшими характеристиками обладает микрофон электродина-
мического типа (см. рис. 2.134). Он представляет собой постоянный
магнит 7, в воздушный зазор которого помещена звуковая катуш-
ка 4, механически связанная с мембраной 5. Под воздействием
звуковых волн колебания мембраны 5 передаются на звуковую ка-
тушку 4, в которой за счет перемещения в магнитном поле посто-
янного магнита возникает эдс. Величина эдс и ее частота опреде-
ляются амплитудой и частотой звукового воздействия. В отличие от
угольного микрофона электродинамический микрофон обратим,
т. е. он может служить не только приемником звуковых колебаний,
но и их источником. Для этого необходимо к звуковой катушке 4
приложить напряжение, тогда мембрана 5 будет колебаться с час-
тотой приложенного напря-

Рис. 2.135. Конденсаторный (а) и пьезо-
электрический (б) микрофоны:

1 — корпус; 2 — изоляционная шайба; 3 и
5— мембрана; 4— корпус из изоляционного
материала; 6 — пьезоэлемент

жения, вызывая звуковые
волны. На этом принципе ра-
ботают практически все ди-
намические головки (гром-
коговорители) в радиоаппа-
ратуре и телевизорах. Только
в них вместо мембраны ис-
пользуют диффузор, связан-
ный с катушкой, который
обычно изготавливается из

плотного картона.

Конденсаторный микро-
фон (рис. 2.135, а) представ-
ляет собой конденсатор, у
которого одна пластина не-
подвижна и укреплена на корпусе 1 микрофона, а вторая, изго-
товленная чаще всего из алюминия, является мембраной 3. Звуко-
вые волны, воздействующие на мембрану 3, заставляют ее коле-
баться, изменяя расстояние между пластинами. Как следствие, ме-
няется емкость конденсатора в такт с приложенным к мембране 3
звуковым давлением. Пьезоэлектрический микрофон (рис. 135, б)
основан на пьезоэффекте, согласно которому при деформации (из-
гибе) тонкой пластины, например из кварца или кристалла сегне-
товой соли, на ее сторонах образуется разность потенциалов. При
переменных механических воздействиях на пластину с нее можно
снять переменное напряжение, которое будет зависеть от ампли-
туды и частоты механических воздействий. Такой микрофон пред-
ставляет собой тонкую мембрану, воспринимающую звуковые вол-
ны, связанную с кварцевой пластинкой так, что колебания мемб-
раны вызывают ее деформацию. Пьезоэлектрические микрофоны
относятся к группе наиболее дешевых микрофонов, обладающих в
то же время достаточно хорошими характеристиками. Они, в час-
тности, хорошо работают в ультразвуковом диапазоне и так же,
как и электродинамический микрофон, обратимы, т.е. могут при-

меняться в качестве источников звука.

Для измерения звуковых волн в жидкой среде (например, воде)
применяются гидрофоны, конструкция одного из которых приве-
дена на рис. 2.136. Он, как и большинство других типов гидрофо-
нов, работает с использованием пьезоэффекта. Пьезоэлемент 4 в
нем выполнен в виде полусферы. Внешнее и внутреннее покрытия
из напыленного металла образуют элементы съема эдс с пьезоке-
рамики. С внешней стороны гидрофон для исключения влияния
жидкости (воды) на работу пьезоэлемента покрыт тонким слоем
резины 3. В некоторых типах гидрофонов внутренняя полость за-
полняется касторовым маслом 2, чтобы исключить деформацию
пьезоэлемента 4 от статического давления среды, в которой он

работает. Рассмотренная конструкция явля-
ется практически всенаправленной, одина-
ково воспринимающей звуковое давление
со всех сторон. В гидролокации использу-
ются приемники звука, работающие также
с использованием пьезоэффекта, но име-
ющие определенную диаграмму направлен-
ности для определения направления на под-
водную цель (подводные и надводные суда,
косяки рыбы, скалы и т.д.).

Для работы в области ультразвука нахо-
дят широкое применение приемники и из-
лучатели звуковых колебаний, работающие
на принципе магнитострикции. Магнито-
стрикция — явление, связанное с измене-

Рис. 2.136. Конструкция
гидрофона:

7 — корпус; 2 — касторо-
вое масло; 3 — резина; 4—
пьезоэлемент
нием геометрических размеров изделий из некоторых металлов (ос-
новной из которых никель) под воздействием магнитного поля.
Если на стержень, изготовленный из никеля, намотать катушку и
пропустить через нее ток, то под воздействием магнитного поля
катушки длина стержня изменится. Если по катушке пропустить
переменный ток, то и длина стержня будет совершать продольные
колебания с частотой приложенного к катушке напряжения, тем
самым создавая своим концом звуковые или ультразвуковые вол-
ны. Такая система в принципе обратима, т. е. если на стержень па-
дает звуковая волна, то под действием переменного звукового дав-
ления стержень начнет колебаться (то расширяясь, то сжимаясь),
а это наведет в катушке, намотанной на стержне, переменную эдс
той же частоты, что и звуковые колебания. Магнитострикционные
генераторы и приемники ультразвуковых сигналов применяются в
гидролокации, эхолотах, а также в радиоэлектронике для созда-
ния ультразвуковых линий задержки (используются в цветных те-
левизорах) и во многих других устройствах.

2.7.3.	Методика проведения акустических измерений

Одним из основных и наиболее важных параметров, подлежа-
щих измерению в акустике, является звуковое давление, измеряе-
мое в паскалях (Па). При технических измерениях для этой цели
служит микрофон. Для получения численных значений звукового
давления используемый микрофон должен быть откалиброван, т. е.
величина его выходного напряжения должна быть жестко связана
со значениями звукового давления. Такая калибровка производит-
ся в специальных лабораториях, и она достаточно сложна. Так как
напряжение на выходе микрофона может быть слишком мало для
непосредственного измерения вольтметром, то в этих случаях на-
пряжение с выхода микрофона подается на электронный усили-
тель со строго фиксированным коэффициентом усиления. В зави-
симости от типа микрофона схемы его подключения к измери-
тельному прибору или усилителю могут быть различны (рис. 2.137).
Пьезоэлектрический микрофон обычно подключается ко входу
усилителя непосредственно.

Рис. 2.137. Схемы подключения микрофонов:
а — угольного; б — электродинамического; в — конденсаторного
Таблица 2.34

Скорость распространения звука в средах

Среда	Плотность среды, кг/м3	Скорость, м/с
Воздух	1,21	344
Гелий	0,167	1005
Кислород	1,34	326
Вода  дистиллированная	1000	1492
Спирт	790	1150
Бензин	750	1190

Частота звуковых колебаний измеряется также с помощью мик-
рофонов, на выход которых (или после усилителей) подключает-
ся частотомер, представляющий собой электронный измеритель-
ный прибор, выдающий результаты измерения частоты в виде ана-
логового сигнала (перемещение стрелки по шкале) или в виде
непосредственно цифрового значения.

Скорость распространения звука в любой среде чаще всего оп-
ределяется по времени прохождения импульса (кратковременной
посылки) звука от его источника до приемника — микрофона. Из-
мерение времени осуществляется электронными методами, ши-
роко используемыми в радиоэлектронике.

Зная расстояние от источника звука до приемного микрофона,
можно определить скорость распространения звуковой волны. В
табл. 2.34 в качестве примера приведены скорости распростране-
ния звука в различных средах при температуре 20 °С.

При разработке материалов шумоподавления, когда интересу-
ются, насколько тот или иной материал снижает уровень звуковых
шумов в помещениях, на транспорте, в цехах и т.д., необходимо
проводить измерение коэффициентов поглощения данных мате-
риалов. Для этого пропускают звуковые колебания через испытуе-
мый материал определенной толщины и определяют с помощью
микрофона уровень звукового давления. После этого увеличивают
толщину материала на известную
величину и снова определяют
уровень звукового давления
(рис. 2.138). Разность двух изме-
рений позволяет определить по-
глощение звука на данной добав-
ленной толщине испытываемого
материала; приведя полученные
значения к единице толщины,
можно определить коэффициент

Рис. 2.138. Определение поглощения
звука:

1 — микрофон; 2 — испытуемый ма-
териал; 3 — источник звука
Рис. 2.139. Определение коэффици-
ента отражения:

1 — источник звука; 2 — отражающий
материал; 3 — микрофон

поглощения. Такие измерения дол-
жны проводиться в специальных
камерах, исключающих прохож-
дение звуковых волн в обход ус-

тановленного образца.

Определение коэффициента от-
ражения звуковой волны. Измеря-
ют, посылая в сторону среды, от-
ражение от которой должно быть

измерено, кратковременный звуковой импульс, и с помощью при-

емника, расположенного рядом с источником звука, регистриру-

ют уровень отраженного сигнала, возвратившегося от отражаю-
щей поверхности (рис. 2.139). Если приемное устройство не зареги-
стрирует возвращение посланного импульса, то коэффициент от-
ражения равен нулю. По силе отраженного сигнала можно судить
об отражающей способности исследуемого материала, среды и т. п.
Хотя теоретически такие измерения не представляют серьезных
трудностей, на практике должны быть приняты специальные меры,
исключающие отражение сигналов от предметов, находящихся за
средой, коэффициент отражения которой определяется. Кроме того,
должно быть учтено ослабление сигнала на участке движения зву-
ковой волны к измеряемой среде и обратно и многое другое.

Использование отраженных звуковых волн находит широкое при-
менение в технике. Учитывается тот факт, что отражение звука про-
исходит практически от границы раздела любых сред, имеющих раз-
личную плотность. Так, если направить ультразвук на изделие из
металла, внутри которого имеются полости (например, из-за брака

20 I 100 I 500 I 2К 116к1 Гц

50 200 1К 5К 20К

. Рис. 2.140. Кривые зависимости уровня
звука от его частоты

отливок), то можно зафиксиро-
вать отражение от границ этой
полости. На этом принципе по-
строены ультразвуковые дефек-
тоскопы. С их помощью прове-
ряют качество ответственных
изделий для авиации и косми-
ческой техники. Отражение уль-
тразвука происходит и от тре-
щин в металлических издели-
ях, которые также можно ди-
агностировать.

Источники и приемники
ультразвуковых колебаний мо-
гут обладать высокой направ-
ленностью. (Можно прослушать
выборочно разговор отдельных
людей, находящихся на рассто-
янии до 200 м.) Используя это
свойство как источника, так и приемника ультразвуковых сигна-
лов, можно получить изображение различных объектов, находя-
щихся в сфере облучения. На этом принципе основаны корабель-
ные ультразвуковые локаторы, на экране которых можно видеть (и
фиксировать их азимуты) различные объекты: скалы, рифы, под-
водные лодки. Направив ультразвуковой луч вниз, на корабле из-
меряют глубину под килем. Конечно, здесь необходимо измерить
время прохождения ультразвукового импульса до дна и обратно к
кораблю. Используя отражения ультразвука, можно даже просмат-
ривать объекты, находящиеся за стеной комнаты.

Интенсивность звука 7(Втм2), может быть определена по изме-
ренному звуковому давлению р по следующей формуле:

1 = р2/(рс),

где р — плотность среды (материала); с — скорость распространения
звука.

Плотность энергии звукового поля е, измеряемая в Дж/м3, оп-
ределяется как

в = 7 / с.

В физике уровень громкости звука определяют в единицах, по-
лучивших название фон, но в радиотехнике чаще пользуются децибе-
лами. Они совпадают, если иметь в виду звук частотой 1000 Гц. Значе-
ния уровня громкости можно определить по следующей формуле:

ЛГ = 201^—,
Ро

где р — звуковое давление, Па; р0 — звуковое давление на пороге
слышимости человеком, Па.

Все измерения проводятся на фиксированной частоте 1000 Гц.

На рис. 2.140 показаны кривые зависимости уровня звука от его
частоты. Видно, что на низких частотах уровень громкости намно-
го ниже уровня звукового давления.

Особенности человеческого слуха приходится учитывать при раз-
работке звуковоспроизводящей аппаратуры. Например, все регу-
ляторы громкости в такой аппаратуре изменяют уровень выходно-
го сигнала по антилогарифмическому закону. Это необходимо по-
тому, что только в этом случае слушатель будет ощущать плавное
изменение громкости звука при равномерном вращении ручки ре-
гулятора громкости.

Контрольные вопросы и задания

1.	Какие основные приемники звуковых сигналов используются в аку-
стических измерениях?

2.	Каковы особенности слуха человека по восприятию звука?
3.	Как измеряется скорость распространения звуковой волны?

4.	Приведите примеры применения акустики в технике.

5.	С чем связано использование логарифмических единиц в акустике?

2.8. Измерение давления, количества и расхода
газов и жидкостей

2.8.1.	Общие сведения

Давление является важнейшим параметром, характеризующим
протекание технологических процессов в различных отраслях про-
мышленности. Согласно молекулярно-кинетической теории мате-
рии под давлением понимается сила, с которой молекулы веще-
ства в термодинамической системе воздействуют на единицу огра-
ничивающей ее поверхности. При этом предполагается, что дви-
жение молекул равновероятно во всех направлениях.

При определении величины давления принято различать давле-
ние абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуумметрическое.

Абсолютное давление (ра) — это давление внутри какой-либо
системы, под которым находится газ, пар или жидкость, отсчи-
тываемое от абсолютного нуля.

Атмосферное давление (рв) создается массой воздушного столба
земной атмосферы. Оно имеет переменную величину, зависящую
от высоты местности над уровнем моря, географической широты
и метеорологических условий.

Избыточное давление определяется разностью между абсолют-
ным давлением (ра) и атмосферным давлением (рв):

Ризб = Ра ~ Рв-

Под вакуумом (разрежением) понимают такое состояние газа,
при котором его давление меньше атмосферного. Количественно
вакуумметрическое давление определяется разностью между атмос-
ферным давлением и абсолютным давлением внутри вакуумной
системы:

Рвак — Рв ~ Ра-

Как уже отмечалось в подразд. 2.3.2, за единицу давления в
Международной системе единиц СИ принято давление, называ-
емое паскалем (Па). Паскаль связан с широко применяющимися
единицами (официально отмененными) следующими соотноше-
ниями:

1	кгс/см2= 735,563 мм рт. ст. = 104 мм вод. ст. = 9,80665  104 Па.

Для измерения средних и высоких давлений применяются крат-
ные единицы: килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и др.

При измерении давления в движущихся средах под понятием
давления понимают статическое и динамическое давление.
Статическое давление — это давление, зависящее от запаса по-
тенциальной энергии газовой или жидкостной среды; определя-
ется статическим напором. Оно может быть избыточным или ва-
куумметрическим, в частном случае может быть равно атмосфер-
ному.

Динамическое давление — это давление, обусловленное скорос-
тью движения потока газа или жидкости. Определяется оно через
скоростной (динамический) напор по следующей формуле:

РЛ = рг2/2,

где ра — динамическое давление; р — плотность движущегося веще-
ства; V — скорость движущегося потока.

Полное давление (рп) движущейся среды слагается из статичес-
кого (рст) и динамического (д;1) давлений:

Рп ~ Рсг Рд-

Измерение расхода и количества жидкостей, газа или пара яв-
ляется важным звеном в оперативном контроле, регулировании и
управлении технологическими процессами в промышленности.

Количество вещества, проходящего через поперечное сечение
трубопровода в единицу времени, измеряется объемным О, или мас-
совым (2М показателями (расходом), выражаемыми в м3/ч, м3/с, л/с
или кг/с, кг/ч, т/ч соответственно. Допускаются единицы, выра-
женные отношением объема или массы к минуте: м3/мин, кг/мин
и т.д.

Количество вещества, проходящего через поперечное сечение
трубопровода за определенный промежуток времени, измеряется
показателями количества в единицах объема Со (м3, л) или едини-
цах массы См (т, кг).

Выражения для определения мгновенного расхода жидкости или
газа следующие:

И=
д = р5г>,
где V— объемный расход; д — массовый расход; р — плотность
вещества; 5 — поперечное сечение трубопровода; о — скорость пе-
ремещения вещества.

Из выражений следует, что измерение расхода жидкости или
газа можно свести к измерению р, 5 и V. Во многих случаях 5 или р
остаются постоянными, тогда измерение расхода можно свести к
измерению о при постоянной площади 5 или наоборот.

Для получения сравнимых результатов измерений количества и
расхода измеренный объем приводят к нормальным условиям и
называют приведенным объемом ^н. В промышленной практике
нормальными условиями считаются температура /н = +20°С, дав-
ление рн = 101325 Па, относительная влажность газа <р = 0.
2.8.2.	Методы и средства измерения и контроля давления

Широкое использование давления, его перепада и разрежения
в технологических процессах вызывает необходимость применять
разнообразные методы и средств измерения и контроля давления.

Методы измерения давления основаны на сравнении сил изме-
ряемого давления с силами:

давления столба жидкости (ртути, воды) соответствующей вы-
соты;

развиваемыми при деформации упругих элементов (пружин,
мембран, монометрических и анероидных коробок, сильфонов и
манометрических трубок);

тяжести грузов;

упругими силами, возникающими при деформации некоторых
материалов и вызывающими электрические эффекты.

В соответствии с указанными методами средства измерения па-
раметров давления можно разделить на жидкостные, деформацион-
ные, грузопоршневые и электрические. Наибольшее распростране-
ние в промышленности получили деформационные средства изме-
рения. Остальные, в большинстве своем, нашли применение в ла-
бораторных условиях в качестве образцовых или исследовательских.

Средства измерения давления подразделяются на барометры (для
измерения атмосферного давления), манометры (для измерения
избыточного давления), вакуумметры (для измерения вакууммет-
рического давления), мановакуумметры (для измерения избыточ-
ного и вакуумметрического давления), манометры абсолютного
давления (для измерения давления, отсчитываемого от абсолют-
ного нуля), дифференциальные манометры (для измерения раз-
ности (перепада) давления).

Жидкостные средства измерения давления. Действие жидкостных
средств измерений основано на гидростатическом принципе, при
котором измеряемое давление уравновешивается давлением стол-
ба затворной (рабочей) жидкости. Разница уровней в зависимости
от плотности жидкости является мерой давления.

Простейшим прибором для измерения давления или разности
давлений является двухтрубный (или 11-образный) манометр
(рис. 2.141, а), представляющий собой согнутую стеклянную труб-
ку, заполненную рабочей жидкостью (ртутью или водой) и при-
крепленную к панели со шкалой. Один конец трубки соединяется
с атмосферой, а другой подключается к объекту, где изменяется
давление. Его значение определится из выражения

р = Ир§,

где р — измеряемое давление, Па; Л — разность уровней жидко-
сти, м; р — плотность жидкости, кг/м3; % — ускорение силы тяже-
сти, м/с2.
Рис. 2.141. Жидкостные манометры:
а — О-образный; б — чашечный; в — микроманометр

Верхний предел измерения двухтрубных манометров составля-
ет 1... 10 кПа при приведенной погрешности измерения 0,2...2%.
Точность измерения давления этим средством будет определяться
точностью отсчета величины И, точностью определения плотнос-
ти рабочей жидкости р и не зависеть от сечения трубки.

Более удобным средством измерения давления является одно-
трубный (чашечный) манометр (рис. 2.141, б), в котором одна из
трубок заменена сосудом, диаметр его, как правило, в 20 раз больше
диаметра трубки. Принцип действия манометра аналогичен рас-
смотренному выше, однако давление или разрежение будет опре-
деляться по формуле

Р = № (1 + с?2/Л2) =	(1 +//Г),

где б, В — диаметры трубки и широкого сосуда соответственно, м;
/, Р— сечения трубки и широкого сосуда, м2.

Так как соотношение диаметров или сечений трубки и сосуда
значительны, понижением уровня й2 при изменении давления можно
пренебречь и отсчет вести только по стеклянной трубке, т.е. по кх.

Однотрубные манометры имеют верхний предел измерения
1,6... 10 кПа, приведенная погрешность измерения составляет
0,25 ...0,4%.

На рис. 2.141, в показан однотрубный микроманометр, осно-
ванный на том же принципе, который применяется для измере-
ния малых величин давления (до 2 кПа). В этом манометре стек-
лянная трубка расположена под углом а к горизонту. При этом точ-
ность измерения увеличивается в несколько раз.

Учитывая, что й1 = /кш а и пренебрегая малостью величины //Р,
измеряемое давление можно определить из выражения

р = 1р§ 81П а.
С уменьшением угла наклона трубки уменьшаются пределы из-
мерения манометром и увеличивается точность измерения.

Рассмотренные выше жидкостные средства измерения давле-
ния характерны отсутствием дистанционной передачи показаний,
небольшими пределами измерений и низкой прочностью. В то же
время благодаря своей простоте, дешевизне и относительно высо-
кой точности измерений они широко распространены в лаборато-
риях и реже в промышленности при эпизодических измерениях и
при проверке средств измерений других типов.

Рис. 2.142. Деформационные чувствительные элементы средств измерения
давления
Деформационные средства измерения давления основаны на урав-
новешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом конт-
ролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих
деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация
в виде линейных или угловых перемещений передается регистри-
рующему устройству (показывающему или самопишущему) или
преобразуется в электрический (пневматический) сигнал для ди-
станционной передачи.

В качестве чувствительных элементов используют одновитко-
вые трубчатые пружины (рис. 2.142, а), многовитковые трубчатые
пружины (рис. 2.142, б), упругие мембраны (рис. 2.142, в), упругие
мембранные коробки (рис. 2.142, г, д), двойные упругие мембран-
ные коробки (рис. 2.142, е, ж), пружинно-мембранные с гибкой
мембраной (рис. 2.142, з), сильфонные (рис. 2.142, и) и пружин-
но-сильфонные (рис. 2.142, к).

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин при-
меняются бронза, латунь, хромоникелевые сплавы, отличающие-
ся достаточно высокой упругостью, антикоррозийностью, малой
зависимостью параметров от изменения температуры.

Рассмотрим подробнее некоторые деформационные средства
измерения давления.

Мембранные приборы применяются для измерения не-
больших давлений (до 40 кПа) нейтральных газовых сред. Класс
точности данных приборов 2,5.

На рис. 2.143 показана конструкция мембранного вакуумметра
с профильной шкалой от 250 до 25 000 Па. Чувствительным эле-
ментом служит мембранная коробка 6, соединенная с изменяе-
мой средой с помощью трубки 12. Мембрана прикреплена к кор-
пусу прибора с помощью штуцера 13. Изменение давления изме-

Рис. 2.143. Конструкция мембранного вакуумметра с профильной шкалой:
1 и 7— рычаг; 2 — стопорный винт; 3 — противовес; 4 и 8— ось; 5 — указательная
стрелка; 6 — мембранная коробка; 9 — поводок; 10 — плоская пружина; 11 —
винт корректора нуля; 12 — трубка; 13 — штуцер; 14 — тяга; 15 — спиральная
пружина
Рис. 2.144. Конструкция сильфонного самопишущего манометра:
1, 2 и 9 — рычаг; 3 — штифт; 4 — сильфон; 5 — пружина; 6 — камера; 7 — штуцер;

8 — стрелка; 10 — тяга

ряемой среды вызывает соответствующее изменение прогиба мем-
бранной коробки 6. При этом поводок 9, прикрепленный к верх-
ней части мембранной коробки 6, поворачивает рычаг 7, установ-
ленный на оси 8. Для увеличения жесткости упругой системы ось 8
закреплена на плоской пружине 10. Поворот рычага 7 вызывает
перемещение тяги 14 и рычага 1, установленного на оси 4. На этой
же оси с помощью стопорного винта 2 закреплена указательная
стрелка 5 с противовесом 3. Конец указательной стрелки 5 переме-
щается вдоль горизонтальной профильной шкалы. Спиральная пру-
жина 15 служит для устранения влияния зазоров в сочленениях
рычажного механизма. Для установки стрелки на начальную от-
метку шкалы служит винт 11 корректора нуля.

Сильфонные приборы предназначены для измерения из-
быточного и вакуумметрического давления неагрессивных газов с
пределами измерений до 40 кПа, до 400 кПа (как манометры), до
100 кПа (как вакууметры), в интервале -100...+300 кПа (как мано-
вакуумметры).

Чувствительным элементом этих приборов является сильфон
(см. рис. 2.142, и), представляющий собой тонкостенную цилинд-
рическую емкость с поперечной гофрировкой, которая изменяет
свои линейные размеры при перепаде давлений внутри и вне ее.
Сильфоны изготавливают из фосфористой бронзы, нержавеющей
стали или медноникелеевого сплава.

Применяют сильфоны диаметром 8... 150 мм толщиной стенки
0,1...0,3 мм, с числом волн 4; 6; 10 и 16.

Приборы рассматриваемого типа конструктивно состоят из двух
частей: сильфонного блока и регистрирующего блока (показываю-
щего или самопишущего). Оба блока встроены в единый корпус.
Класс точности самопишущих приборов 1 или 1,5.

На рис. 2.144 показана конструкция сильфонного самопишуще-
го манометра. Измеряемое давление через штуцер 7 подается в ка-
меру 6, где размешается сильфон 4. Внутренняя область сильфона 4
сообщается с атмосферой. Внутри сильфона 4 установлена пружина
5, противодействующая его сжатию. В донышко сильфона 4 упира-
ется штифт 3, соединенный с рычагом 2, передающим перемеще-
ние от сильфона 4 рычагу 1. Этот рычаг тягой 10 соединен с рыча-
гом 9, передающим перемещение стрелке 8 с укрепленным на ней
пером. След движения стрелки с пером записывается на диаграмме,
перемещаемой часовым механизмом или синхронным двигателем.

Трубчато-пружинные
наиболее распространенных
манометров, вакуумметров и
мановакуумметров.

Трубчатая пружина пред-
ставляет собой тонкостен-
ную, согнутую по дуге окруж-
ности, трубку (одно- или
многовитковую) с запаен-
ным одним концом, которая
изготавливается из медных
сплавов или нержавеющей
стали. При увеличении или
уменьшении давления внут-
ри трубки пружина раскручи-

приборы принадлежат к числу

Рис. 2.145. Устройство пружинного ма-
нометра:

1 — корпус; 2 — полая трубка; 3 — шкала;

4 — стрелка; 5 — шестерня; 6 — зубчатый
сектор; 7 — поводок; 8 — штуцер; 9 —
пружина

вается или скручивается на
определенный угол.

На рис. 2.145 представлено
устройство простейшего пру-
жинного манометра. Оно со-
стоит из корпуса 7; полая
трубка 2, выполненная в форме согнутой по кругу на угол 270° с
поперечным овальным сечением, с одной стороны свободна и на-
глухо закрыта, а с другой — впаяна в держатель, который присо-
единен к источнику измеряемого давления при помощи штуцера 8.
Закрытый конец трубки поводком 7 соединен с зубчатым секто-
ром 6, который зацеплен с шестерней 5, установленной на одной
оси с показывающей стрелкой 4. Под действием избыточного дав-
ления трубка разгибается, ее свободный конец перемещается и
тянет поводок 7, который поворачивает связанный с ним зубча-
тый сектор 6. Последний вращает шестерню 5 и стрелку 4, указы-
вающую по шкале 3 величину измеряемого давления. Для устране-
ния мертвого хода между зубьями сектора и шестерни применена
спиральная пружина 9.

Манометры рассмотренного типа выпускаются для верхних пре-
делов измерения 60... 160 кПа. Вакуумметры выпускаются со шка-
лой 0... 100 кПа. Мановакуумметры имеют пределы измерений: от
-100 кПа до +(60 кПа ...2,4 МПа). Класс точности для рабочих ма-
нометров 0,6...4, для образцовых — 0,16; 0,25; 0,4.

Все рассмотренные выше деформационные средства измерения
давления относятся к недистанционным схемам, основанным на
принципе прямого преобразования деформации в сигнал, посту-
пающий на показывающее устройство.

Рис. 2.146. Схемы дистанционного включения деформационных средств
измерения давления:

а — манометра с потенциометрическим преобразователем (7 — двухкатушечный
логометр; 2— подвижный магнит); б — манометра с индуктивным преобразователем
(7 — индуктивный преобразователь; 2 — подвижный магнит); в — манометра с
силовой компенсацией (7 — рычаг; 2— преобразователь сигналов; 3— электромагнит;

У — усилитель; ОУ — отсчетное устройство)
Существует значительное число схем дистанционного типа, в ко-
торых сигнал деформации упругого элемента (мембраны, сильфона,
пружинной трубки и т.п.) используется для перемещения элемента
преобразователя (электрического, индуктивного и т. п.), сигнал ко-
торого и регистрируется на показывающем устройстве (рис. 2.146).

Так, на рис. 2.146, а сигнал деформации упругого элемента (мем-
браны) используется для перемещения движения потенциометра.
Потенциометр образует два плеча (Д и /?2) моста, а два других
плеча составлены из резисторов Д и Д.В качестве указателя в ма-
нометре применяется двухкатушечный логометр 1 с неподвижны-
ми рамками (катушками) и подвижным магнитом 2.

Изменение давления в полости манометрической коробки пре-
образуется в силу, которая вызывает деформацию коробки. Послед-
няя вызывает перемещение щетки по потенциометру, а следова-
тельно, и изменение разности сопротивлений и напряжений на
диагонали моста. Отношение токов в рамках двухкатушечного ло-
гометра 1 определяет положение показывающей стрелки.

В целях устранения контактного трения щетки о потенциометр
применяются бесконтактные преобразователи: индуктивный или
емкостной. В манометре с индуктивным дифференциальным пре-
образователем (рис. 2.146, б) якорь связан с жестким центром мемб-
раны. Снимаемые с индуктивного преобразователя 7 сигналы пе-
ременного тока, промодулированные по амплитуде сигналом де-
формации, выпрямляются диодом Д и на двухкатушечный лого-
метр с подвижным магнитом 2 указателя поступают детектиро-
ванные сигналы, пропорциональные измеряемому давлению.

Применяются также схемы с уравновешивающими преобразо-
ваниями: статические (силовая компенсация) и астатические (сле-
дящие системы).

В схеме статического уравновешивания (рис. 2.146, в) деформа-
ция сильфона преобразуется в перемещение рычага 1, на конце
которого установлен преобразователь сигналов 2. Сигналы с пре-
образователя после усиления в усилителе У поступают на отсчет-
ное устройство ОУ и на катушку силового электромагнита 3, якорь
которого связан с рычагом 1. При взаимодействии токов в катушке
с магнитным полем постоянного магнита образуется сила, урав-
новешивающая силу, создаваемую сильфоном, и препятствующая
перемещению рычага 1. При этом чем больше измеряемое давле-
ние, тем больше сила тока в катушках. Таким образом, с точнос-
тью до статической погрешности рычаг будет находиться в сред-
нем положении, а показания прибора, пропорциональные силе
тока в катушках, будут являться мерой давления, подаваемого в
прибор.

Грузопоршневые манометры (рис. 2.147, а) применяются как
устройства для поверки механических контрольных и образцовых
манометров среднего и высокого давления. Давление в них опре-
Рис. 2.147. Грузопоршневые манометры:
а — конструкция манометра (7 — поверяемый манометр; 2 — штурвал; 3 — вспо-
могательный поршень; 4— поршень; 5— калиброванные грузы); б — конструкция
установки для поверки манометров (/ — тарелка для установки грузов; 2 — пор-
шень; 3 — измерительная колонка; 4 и 7 — штуцер; 5 — корпус; 6 — насос; 8 —
воронка; 9 — игольчатый клапан)

деляется по калиброванным грузам 5, помещаемым на поршне 4.
В качестве рабочей жидкости применяют керосин, трансформа-
торное или касторовое масло. Показания грузопоршневых мано-
метров необходимо корректировать на непостоянство силы тяжес-
ти используя формулу

8р - (^/9,8066-1).

Класс точности грузопоршневых манометров 0,05 и 0,02%.

На рис. 2.147, б представлена конструкция установки для по-
верки манометров, основанной на принципе грузопоршневых ма-
нометров. Она состоит из корпуса 5, на котором крепится измери-
тельная колонка 3. Внутренняя полость через воронку 8 и игольча-
тый клапан 9 заполняется маслом. При этом винт насоса 6 вывора-
чивается из корпуса 5 и засасывает масло из воронки 8. Канал в
корпусе 5 соединяется со штуцерами 4 и 7, которые служат соот-
ветственно для установки контрольного и поверяемого маномет-
ров. С тем же каналом соединена измерительная колонка 3, имею-
Рис. 2.148. Конструк-
ция преобразователя
пьезоэлектрического
манометра:

1 — крышка; 2, 4 и
5 — металлическая
прокладка; 3 — про-
водник; 6 — штуцер;
7— мембрана; 8 и 9—
пьезоэлемент; 10 —
шарик

шая внутри поршень 2 и тарелку для установки грузов 7. При от-
крытых вентилях 5, и В2 давление жидкости, на которую воздей-
ствует поршень 2, нагруженный образцовым грузом, передается
поверяемому манометру М. Сравнивая это давление жидкости с
показаниями манометра, определяют его погрешность.

Электрические манометры и вакуумметры. Развитие полупро-
водниковой техники и микроэлектроники позволяет разраба-
тывать и создавать более совершенные средства измерения дав-
ления в широких диапазонах величин. Действие приборов этой
группы основано на свойстве некоторых материалов изменять
свои электрические параметры под действием давления.

Пьезоэлектрические манометры применяют при из-
мерении пульсирующего с высокой частотой давления в механиз-
мах с допустимой нагрузкой на чувствительный элемент до 8-Ю3
ГПа. Чувствительным элементом в пьезоэлектрических маномет-
рах, преобразующим механические напряжения в колебания элек-
трического тока, являются пластины цилиндрической или прямоу-
гольной формы толщиной в несколько миллиметров из кварца, ти-
таната бария или керамики типа ЦТС (цирконат-титанат свинца).

Конструкция преобразователя пьезоэлектрического манометра по-
казана на рис. 2.148. Измеряемое давление через
мембрану 7 действует на пьезоэлементы 8 и 9,
расположенные так, что на их внутренних гра-
нях, соприкасающихся с металлической про-
кладкой 4, возникают одноименные заряды. По-
тенциал с внутренних граней пластинок сни-
мается изолированным проводником 3, присо-
единенным к прокладке 4, а с внешних граней
пьезоэлементов — через корпус и металличес-
кие прокладки 2 и 5, мембрану 7 и шарик 10,
крышку 7. Штуцер 6, зажимающий мембрану 7,
служит для присоединения чувствительного эле-
мента к объекту измерения.

Величина электрического заряда будет пря-
мо пропорциональна давлению:

д - кр8,

где д — заряд, Кл; к — пьезоэлектрическая по-
стоянная, Кл/Н; р — давление, Па; 8— пло-
щадь поверхности пластин, м2.

Измерение заряда выполняется электрон-
ной схемой.

Тензометрические манометры
имеют малые габаритные размеры, простое
устройство, высокую точность и надежность
в работе. Верхний предел показаний 0,1 ...40 МПа, класс точнос-
ти 0,6; 1 и 1,5. Применяются в сложных производственных усло-
виях.

В качестве чувствительного элемента в тензометрических мано-
метрах применяются тензорезисторы, принцип действия которых
основан на изменении сопротивления под действием деформации.

Конструкция тензометрического манометра приведена на
рис. 2.149. Манометр имеет цилиндрический корпус 4, образую-
щий в верхней части упругую мембрану, а в нижней — штуцер для
подвода измеряемого давления р. К мембране припаяна круглая
сапфировая пластина 7, на поверхность которой нанесены тонко-
пленочные полупроводниковые тензорезисторы ^...Т^ из моно-
кристаллического кремния.

Тензорезисторы с помощью припаянных к ним выводных про-
водов 5, соединены со сборными пластинками 2, закрепленными
на кольце из диэлектрика 3.

Давление в манометре измеряется схемой неуравновешанного
моста, плечами которого являются тензорезисторы

В результате деформации мембраны с сапфировой пластинкой
1 и тензорезисторами возникает разбаланс моста в виде напряже-
ния, которое с помощью усилителя преобразуется в выходной
сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.

Принцип действия тепловых вакуумметров (рис. 2.150)
основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степе-
ни ее разряжения. В обеих схемах чувствительным элементом являет-
ся нагретая путем пропускания электрического тока платиновая нить
3, расположенная в вакуумном баллоне 2. При увеличении разряже-

Рис. 2.149. Конструкция тензометрического манометра:

1 — сапфировая пластина; 2 — сборные пластинки; 3 — кольцо из диэлектрика;

4 — корпус; 5 — выводные провода
а

Рис. 2.150. Тепловые вакуумметры:
а — сопротивления; б — термопарный:
1 — электрические вводы; 2 — ваку-
умный баллон; 3 — платиновая нить;
4 — соединительная трубка; 5 — тер-
мопара

ния среды ее теплопроводность бу-
дет уменьшаться, следовательно,
нагретая платиновая нить будет
хуже отдавать тепло стенкам ваку-
умного баллона 2, в результате чего
ее температура будет возрастать. Из-
меряя температуру нити, можно
судить о наличии вакуума. Темпера-
тура нагрева нити должна быть око-
ло +100 °С для исключения тепло-
передачи за счет лучеиспускания.

В термопарном тепловом ваку-
умметре температуру измеряют
термопарой 5, изготовленной из
хромель-копели, и соединенной
с нитью при помощи крючка из
тонкой проволоки. Температура
нити измеряется милливольтмет-
ром, подключаемым через элект-
рические вводы 1.

Тепловые вакуумметры приме-

няются для измерения очень малых величин давления (вакуума).

Дифференциальные манометры применяются для измерения раз-
ности (перепада) давления жидкостей и газов. Они могут быть ис-
пользованы для измерения расхода газов и жидкостей, уровня жид-
кости, а также для измерения малых избыточных и вакуумметри-
ческих давлений.

Наиболее широкое распространение в промышленности в
последнее время получили мембранные и сильфонные дифферен-
циальные манометры.

Мембранные дифференциальные манометры яв-
ляются бесшкальными первичными измерительными приборами,
предназначенными для измерения давления неагрессивных сред,
преобразующими измеряемую величину в унифицированный ана-
логовый сигнал постоянного тока 0...5 мА, переменного тока вза-
имной индукции 0... 10 мГн или в пневматический сигнал давле-
нием 20... 100 кПа.

Схема мембранного диффенциального манометра типа ДМ с
дифференциально-трансформаторным преобразователем представ-
лена на рис. 2.151, а. Чувствительным элементом этого манометра
является мембранный блок, состоящий из двух мембранных коро-
бок 1 и 3, закрепленных в корпусе 2. Мембранные коробки изго-
товлены из гофрированных мембран, выполненных из немагнит-
ного хромоникелевого сплава. Внутренние полости коробок запол-
нены дистиллированной водой и через отверстие в перегородке
сообщаются между собой. С центром верхней мембраны связан сер-
Рис. 2.151. Дифференциальные манометры:

а — мембранный типа ДМ (7 и 3— мембранная коробка; 2— корпус; 4— сердечник;

5 — преобразователь; 6 — разделительная трубка); б — сильфонный (7 — сильфон;

2 — пружина; 3 — пружинная подвеска; 4 — магнитный сердечник; 5 —
разделительная трубка; 6 — преобразователь; 7 — транзисторный усилитель)

речник 4 дифференциально-трансформаторного преобразователя
5. Сердечник 4 перемещается внутри разделительной трубки 6, вы-
полненной из немагнитной стали. Давление и р2 в камеры диф-
ференциального манометра подводится трубками через запорные
вентили, причем давление р^ больше давления р2. Под действием
измеряемой разности давлений (р{ — р2) нижняя мембранная ко-
робка 7 сжимается и жидкость из нее перетекает в верхнюю мемб-
ранную коробку 3, вызывая перемещение центра мембраны верх-
ней коробки, а вместе с ней и сердечника 4 преобразователя до
тех пор, пока усилие от приложенной к мембранному блоку раз-
ности давлений не уравновесится упругими силами мембранных
коробок. Перемещение сердечника 4 приводит к изменению на-
пряжения выходного сигнала пропорционально измеряемому пе-
репаду давления.

Диффенциальные манометры типа ДМ выпускаются на пре-
дельные перепады давления 1,6...630 кПа.

Сильфонные дифференциальные манометры.На
рис. 2.151, б показана конструкция сильфонного дифференциаль-
ного манометра с магнитным преобразователем. Измерительный
блок дифференциального манометра состоит из сильфона 7, в ко-
торый встроена пружина 2, ее жесткость определяет диапазон из-
меряемого перепада давления. Сильфон 1 жестко соединен с плос-
кой пружинной подвеской 3, с которой связан магнитный сердеч-
ник 4. Магнитный сердечник 4 находится внутри разделительной
трубки 5 из немагнитной стали, на которой установлен преобра-
зователь 6 с магнитной компенсацией. Рядом с преобразователем
6расположен транзисторный усилитель 7. Подвод давления р\ и р2
в камеры диффенциального манометра осуществляется через им-
пульсные трубки. Под воздействием разности давлений (р, — р2)
сильфон 1 сжимается, вызывая перемещение его дна. При этом
перемещается магнитный сердечник 4 преобразователя 6, воздей-
ствующий на магнитный усилитель, выходной сигнал которого
дополнительно усиливается и в виде унифицированного сигнала
0...5 мА поступает ко вторичному прибору.

Сильфонные дифференциальные манометры выпускаются на
предельные перепады давления 1 ...4 кПа, они рассчитаны на пре-
дельно допустимое рабочее избыточное давление 25 кПа.

2.8.3.	Методы и средства измерения и контроля расхода
и количества газов и жидкостей

Средства измерения, определяющие количество вещества, про-
текающего через поперечное сечение трубопровода за определен-
ный промежуток времени, называются счетчиком количества.

Средства измерения, определяющие количество вещества, про-
текающего через поперечное сечение трубопровода в единицу вре-
мени, называются расходомерами.

Помимо деления всех устройств для измерения объема и мас-
сы, представленных счетчиками и расходомерами, существует клас-
сификация их методов измерения по тем физическим законам,
которые лежат в основе принципа действия этих устройств.

Существуют следующие методы измерения:

объемный;

переменного и постоянного перепада давления (дросселирую-
щие устройства и расходомеры обтекания);

скоростного напора (напорные трубки);

переменного уровня (щелевые расходомеры);

тепловой, ультразвуковой, электромагнитный, тахометричес-
кий, инерциальный, оптический, маркерный и др.

На рис. 2.152 приведена классификация методов и средств из-
мерения расхода и количества газов, жидкостей и пара.

При использовании объемного метода применяются об-
ратимые насосы: шестеренчатые (рис. 2.153, о), лопастные
(рис. 2.153, б) и др. При подаче на насос перепада давления ротор
начинает вращаться, подавая порции жидкости при каждом обо-


Рис. 2.152. Классификация методов и средств измерения расхода и количества вещества

Оптические
Рис. 2.153. Конструкции обратимых насосов:
а — шестеренчатого; б — лопастного; в — однопоршневого; 1 — овальные лопас-
ти; 2— выдвижные лопасти; 3 — входной патрубок; 4 — четырехходовой кран; 5 —
патрубок; 6 — механизм переключения; 7 — шток поршня; 8 — поршень; 9 —
корпус; А, Б — камера

роте. Измерение расхода сводится к определению числа порций
жидкости, проходящих в единицу времени, т.е. к измерению час-
тоты вращения ротора насоса.

Вязкость жидкости при этом методе не оказывает влияния на
показания прибора, что является преимуществом объемного ме-
тода измерения. Однако изменение температуры жидкости суще-
ственно влияет на точность измерения.

Другим представителем объемного счетчика количества жидко-
стей является однопоршневой насос, принцип действия которого
представлен на рис. 2.153, в. Жидкость по входному патрубку 3 че-
рез распределительный четырехходовой кран 4 направляется под
поршень 8 в камеру А. Вещество, находящееся в камере Б, вытес-
няется поршнем 8 и через четырехходовой кран 4 уходит к потре-
бителю через патрубок 5. При подходе поршня 8 к верхнему поло-
жению четырехходовой кран 4, связанный специальным механиз-
мом переключения 6 со штоком поршня 7, перемещается в поло-
жение, указанное пунктиром. Теперь жидкость поступает в камеру
Б, а из камеры А вытесняется через кран. Циклы многократно по-
вторяются.

Количество жидкости, прошедшее через счетчик, определяется
счетным механизмом, приводимым в действие штоком поршня 7.

Метод переменного перепада давления основан
на дросселировании, т. е. сужении потока вещества, движущегося
по трубопроводу. Сужение потока приводит к возрастанию сред-
ней скорости потока, а следовательно, к увеличению его кинети-
ческой энергии и уменьшению потенциальной согласно закону
сохранения энергии. Соответственно статическое давление в месте
сужения уменьшается и возникает разность (перепад) давлений
потока до сужения и в суженном сечении. Измерение расхода сво-
дится к измерению перепада, связанного со скоростью потока
жидкости или газа. Для образования переменного перепада давле-
ния, пропорционального скорости потока, применяют напорную
трубку, трубку Вентури, сопло и диафрагму.

Напорная трубка (рис. 2.154, а) помещается в трубопровод на-
встречу потоку, в результате чего давление на выходе трубки скла-
дывается из статического давления и скоростного напора.

Для напорной трубки в случае несжимаемости жидкости мож-
но получить зависимости:

объемного расхода

массового расхода

Я = <$72(л-а)р>

где Р1 — давление при отсутствии скорости; р — плотность жидкости.

Трубка Вентури (рис. 2.154, б) состоит из двух конических тру-
бок, соединенных узкими частями между собой. Диаметры широ-
ких частей равны диаметру трубопровода, по которому течет жид-
кость или перемещается газ.

Сопло (рис. 2.154, в) в качестве дроссельного элемента приме-
няется при измерении расхода воздуха и газов. Параметры сопел
стандартизованы.

Диафрагма (рис. 2.154, г) представляет собой тонкий круглый
диск с отверстием концентричным трубопроводу. Со стороны входа
жидкости отверстие имеет острую кромку, а дальше — конус с уг-
лом 45°.

Зависимость объемного и массового расходов несжимаемой жид-
кости от разности давлений для дросселирующих устройств (труб-
ки Вентури, сопла, диафрагмы) определяется следующими выра-
жениями:

Г = (Л5/р)72р(Л-д):

Я = (.^)у1'2р(Р2 ~Р\),

где X — коэффициент расхода, зависящий от вязкости жидкости,
типа и размеров дросселя, характера течения и т.д.; ускоре-
ние силы тяжести.
Рис. 2.154. Конструкции расходомеров метода переменного перепада дав-
ления:

а — напорная трубка; б — трубка Вентури; в — сопло; г — диафрагма

Если жидкость или газ сжимаемы, что чаще всего и встречает-
ся, то коэффициент Л еще зависит от отношения давлений (Р]/р2)-

При реализации метода постоянного перепада дав-
ления скорость оцениваемого потока постоянна. Перепад давле-
ния возникает при прохождении среды через суженное сечение,
причем площадь проходного сечения изменяется в зависимости от
изменения расхода. Постоянный перепад давления, возникающий
в месте сужения, создается подвижным чувствительным элемен-
том, изменяющим свое положение в потоке, и определяется глав-
ным образом массой этого элемента. Пределы измерения расхода
составляют от 0,00025 до 10 000 м3/ч.

На практике используются три вида расходомеров постоянного
перепада давления: поплавковые, поршневые и ротаметры.

Простейшим из них является поплавковый расходомер (рис. 2.155, а),
чувствительный элемент которого выполнен в виде поплавка 2,
свободно перемещаемого потоком в вертикальном направлении
относительно конического седла 3. Подъем поплавка 2 увеличива-
ет площадь поперечного сечения Р, следовательно количество про-
текающего вещества. Высота подъема поплавка 2 определяется мо-
ментом равновесия противоположно действующих на него сил:
силы тяжести поплавка и сил, определяемых самим движущимся
потоком. Величина подъема фиксируется преобразователем 4 и пе-
редается на регистрирующий прибор 1.

В поршневом расходомере (рис. 2.155, б) поток свободно входит
под давлением рх под поршень 3, установленный в корпусе 2, под-
нимает его и уходит через прямоугольное отверстие Р, перекрыва-
емое поршнем 3. Условие равновесного положения поршня 3 в
потоке аналогично условию равновесия поплавка. Поршень 3 жес-
тко связан с системой преобразования и регистрации подъема.

Расходомеры этого типа позволяют измерять расходы вязких
жидкостей (60... 85 сСт) при давлении не более 1,6 МПа и темпе-
ратуре до +100 °С. Пределы измерения — 0,5... 4,0 м3/ч при погреш-
ности, не превышающей 2,5%.

Ротаметр (рис. 2.155, в) является самым распространенным при-
бором постоянного перепада давления. Он состоит из длинной вер-
тикально расположенной и расширяющейся вверх конусной труб-
ки 4, внутри которой свободно плавает поплавок 3, изготавливае-
Рис. 2.155. Конструкции расходомеров постоянного перепада давления:
а — поплавкового (7 — регистрирующий прибор; 2 — поплавок; 3 — коническое
седло; 4 — преобразователь); б — поршневого {1 — регистрирующий прибор; 2 —
корпус; 3 — поршень; 4 — преобразователь); в — ротаметра (7 — шкала; 2 —
винтовая насечка; 3 — поплавок; 4 — конусная трубка)

мый в зависимости от пределов измерения из различных материа-
лов (стали, фторопласта, дюралюминия и т.п.). Центрирование по-
ложения поплавка внутри потока достигается применением спе-
циальной винтовой насечки 2 на ободе поплавка.

Положение поплавка внутри трубки связано с расходом и мо-
жет быть определено непосредственно по шкале 1, нанесенной на
корпусе (стеклянный ротаметр), или передается с помощью пре-
образователя на регистрирующее устройство.

Пределы измерения для таких ротаметров по воздуху до 40 м3/ч,
по воде — до 3 м3/ч при наибольшем избыточном давлении до
0,6 МПа.

Метод скоростного напора. Скоростные счетчики ко-
личества жидкости основаны на суммировании числа оборотов по-
мещенного в поток вращающегося элемента за определенный про-
межуток времени. Вращающийся элемент приводится в движение
за счет кинетической энергии самого потока. Скорость вращения
пропорциональна средней скорости протекающей жидкости, а сле-
довательно, и расходу.

По конструктивному исполнению чувствительного элемента эти
счетчики делятся на аксиальные и тангенциальные. Первые чаще
называют турбинными, а вторые — крыльчатыми счетчиками. Ак-
сиальный рабочий орган размещается горизонтально, тангенци-
альный — вертикально. Такие приборы позволяют измерять расход
количества жидкости от 3 до 13 000 м3/ч.

Скоростной (турбинный) расходомер (рис. 156, а) состоит из
собственно самой турбинки (вертушки) 7, представляющей собой
многоходовой (4...6) заходный винт, червячной передачи 2 и ва-
лика 3, передающего скорость вращения турбинки в потоке на
измерительный прибор или преобразователь.

В качестве примера конкретной конструкции скоростного рас-
ходомера жидкости рассмотрим конструкцию счетчика воды типа
вст.

Счетчик воды турбинного типа (рис. 2.156, б) компонуется из
трех основных частей: корпуса, измерительного блока 21, счет-
ного устройства 4. Измерительный блок 21 состоит из фланца крон-
штейна 19, на котором монтируются измерительная камера-крон-
штейн 10, регулятор, механизм передачи вращения 28. Измери-
тельная камера-кронштейн 10 предназначена для преобразова-
ния скорости потока воды во вращение турбинки 14. Она уста-
навливается и закрепляется одновременно со счетным устрой-
ством и состоит из струевыпрямителя 75, измерительной каме-
ры-кронштейна 10, турбинки 14с осью 77. Струевыпрямитель 75
предназначен для выравнивания потока и направления его на
лопасти турбинки.

Аксиальная турбинка 14 с винтовыми лопастями жестко связана
с осью 77, вращающейся в подшипниках скольжения 32.

Механизм передачи вращения состоит из пластмассового чер-
вячного колеса 31, жестко посаженного на валу турбинки, верти-
кального вала червячного колеса 29, на верхнем конце которого
жестко закреплена магнитная полумуфта 8.

Счетное устройство 4 состоит из кожуха 3, магнитного экрана 35,
магнитной полумуфты 8, редуктора, шести цифровых роликов,
двух — четырех стрелочных индикаторов, магнита 41 и узла датчи-
ка 7.

Угловая скорость вращения вертикального вала 29 через магнит-
ные полумуфты и ведущее зубчатое колесо передается на редуктор,
который приводит в движение цифровые ролики, стрелки цифер-
блатов и магнит 41 магнитоуправляемого контакта, который фор-
мирует сигналы, передаваемые на исполнительные органы.

Счетчики рассмотренной конструкции применяются для изме-
рения объема сетевой воды по СНиП 2.04.07—86 и питьевой воды
по ГОСТ 2874—82, протекающей в обратных или подающих тру-
бопроводах закрытых и открытых систем теплоснабжения, систе-
мах холодного и горячего водоснабжения при давлении до 1,6 МПа,
температуре 5... 150°С, расходе воды 0,03... 1200 м3/ч с порогом
чувствительности 0,01 ...8 м3/ч (в зависимости от расхода).
На рис. 2.157, а представлен одноструйный крыльчатый счет-
чик, измеряющий суммарное количество жидкости в горизонталь-
ных трубопроводах при сравнительно небольших расходах
(0,15... 12,6 м3/ч), давлении до 1,0 МПа и температуре измеряемой
жидкости до 90 “С.

Он состоит из корпуса 6, кожуха 9 с откидной крышкой и
гайкой; крыльчатки 4 звездообразной формы, вращающейся на
вертикальной оси с агатовой точечной опорой; редуктора 7, со-
единяемого через магнитную муфту 3; счетного механизма 1,
имеющего циферблат с роликовым и стрелочным указателями,
перегородки 8. Счетчик снабжен регуляторами 10 и 11 для тари-
ровки прибора.

Жидкость из трубопровода поступает через фильтр 5 на лопатки
крыльчатки, приводит ее во вращение и посредством редуктора 7
и муфты 2 передает его счетному механизму, по показаниям кото-
рого определяется количество протекающей жидкости.

Конструкция крыльчатого счетчика воды типов ВСХ, ВСГ пред-
ставлена на рис. 2.157, б. Он компануется из латунного корпуса 75,
крыльчатки 1 и счетного устройства 5. Условия применения этих
счетчиков и их эксплутационные показатели аналогичны услови-
ям применения и характеристикам счетчиков турбинного типа.

Тепловой метод реализуется в основном в двух вариантах.
Если чувствительный элемент расходомера выполнить в виде тон-
кой нити 1 (рис. 2.158, а) из материала с большим температурным
коэффициентом сопротивления и нагреть нить током, то темпера-
тура нити, а следовательно, и сопротивление будут зависеть от
скорости потока. Мерой скорости (расхода) будет сила тока или
падение напряжения на сопротивлении нити.

Если сопротивление нити 1 выполнить из материала с нулевым
температурным коэффициентом и нагреть нить током, то темпе-
ратуру нити, зависящую от скорости потока, можно измерить с
помощью термопары 2 (рис. 2.158, б).

Рис. 2.156. Расходомеры турбинного типа:	----►

а — принципиальная схема (7 — турбинка (вертушка); 2 — червячная передача;
3 — валик); б — конструкция счетчика воды типа ВСТ (7 — узел датчика; 2 и 27 —
специальный винт; 3 — кожух счетного устройства; 4 — счетное устройство; 5 —
прижимное кольцо; 6, 13, 22, 34 и 37 — уплотнительное кольцо; 7 — камень
подшипника; 8 — магнитная полумуфта; 9 — кронштейн с фланцем; 10 — изме-
рительная камера-кронштейн; 11 — ось турбинки; 12 — рычаг регулятора; 14 —
турбинка; 75—струевыпрямитель; 16 — ось струевыпрямителя; 77—лопасть регу-
лятора; 18 — стержень регулятора; 19 — фланец кронштейна; 20 — шток регулято-
ра; 27 — измерительный блок; 23 — скользящая шайба; 24 — гайка регулятора;
25— втулка подшипника; 26— защитное кольцо; 28 — механизм передачи враще-
ния; 29 — вал червячного колеса; 30 — конусный штифт; 31 — червячное колесо;
32 — подшипник скольжения; 33 — винт подшипника; 35 — магнитный экран;
36— прокладка; 38— кожух муфты; 39 — скользящее кольцо; 40— футляр магни-
та; 41 — магнит)
б
ятдшмм г



Рис. 2.157. Расходомеры крыльчатого типа:

а — принципиальная схема; (1 — счетный механизм; 2 — муфта; 3 — магнитная
муфта; 4 — крыльчатка; 5— фильтр; б — корпус; 7— редуктор; 8 — перегородка; 9 —
кожух; 10и 11 — регулятор); б — конструкция счетчика воды типов ВСХ, ВСГ (7 —
крыльчатка; 2, 3, 6 и 16 — уплотнительное кольцо; 4 — прижимное кольцо; 5 —
счетное устройство; 7— подвижное кольцо; 8 — корпус счетного устройства; 9 —
плата верхняя; 10 — защитное кольцо; 11 — разъемное кольцо; 12 — подшипник
крыльчатки; 13 — ось крыльчатки; 14 — винт; 15 — латунный корпус; 17 —
фильтр; 18 — корпус фильтра)
Рис. 2.158. Тепловые расходомеры:

а — схема расходомера с термосопротивлением (/ — нить; ОУ — отсчетное уст-
ройство); б — схема расходомера с термопарой (1 — нить; 2 — термопара; ОУ —
отсчетное устройство); в — термоанемометр (7 — керамическая трубка; 2 — нить;
3 — токосъемники); г — термоанемометр с газовым сопротивлением (7 — плати-
новые электроды; 2 — держатель); д — схема искрового разрядника (7 — прием-
ник; 2— экран; 3 — электроды; П— преобразователь; ГИ — генератор одиночных
импульсов; У — усилитель звуковой частоты; <р — частотомер)

По первой схеме работают термоанемометры (рис. 2.158, в), чув-
ствительный элемент которых представляет собой нить 2 из вольф-
рама или платины диаметром 5 мкм и длиной от 1 до 10 мм, растя-
нутую между серебряными токосъемниками 3, закрепляемыми в
керамической трубке 7. Такие устройства работают в незапыленных
потоках до скоростей 150 м/с. Для измерения расходов жидкостей,
движущихся со скоростью 10 м/с, применяются пленочные чув-
ствительные элементы. Они представляют собой узкий клин из тер-
мического стекла, на острие которого нанесена тонкая пленка пла-
тины (до 1 мкм), включаемая в виде сопротивления в мостовую
схему измерения.

Измерение средней скорости горячих газовых потоков в каналах
большого сечения (дымоходах, вентиляционных каналах и т.д.)
производят термоанемометрами с газовым сопротивлением (рис.
2.158, г), которые отличаются от других термоанемометров более
высокой чувствительностью (~1 В на 1 м/с скорости, в то время
как у остальных она не превышает 0,01 В на 1 м/с). Чувствитель-
ный элемент преобразователя представляет собой два сферичес-
ких платиновых электрода 7, закрепленных в держателе 2.
Между электродами зажигается электрический коронный разряд
или осуществляется ионизация газового промежутка с помощью ис-
крового разрядника (рис. 2.158, д). Преобразователь //состоит из воз-
будителя и приемника. База преобразователя (расстояние /) состав-
ляет около 200 мм. Движение ионов частично зависит от скорости
движущегося потока. Поэтому искровой промежуток, образованный
двумя электродами 3, и приемник 1 располагаются в потоке вдоль
движущейся среды. Приемник 1 — шарик диаметром 8 мм, окружен-
ный цилиндрическим экраном 2, подключен к высокоомному входу
усилителя звуковой частоты У, выход которого соединен с цепью
запуска генератора одиночных импульсов ГИ, питающего искровой
разрядник. К выходу усилителя подключен частотомер ср. Команда на
запуск разрядника осуществляется от реле времени с частотой 1 Гц.
Как только в системе возникают колебания, запуск отключается. Ско-
рость потока связана с показателем частотомера зависимостью гср=<р/,
где <р — показания прибора, Гц; I — база, м (расстояние, при кото-
ром в неподвижном потоке не проходит сигнал от возбудителя на
приемник). Диапазон измеряемых скоростей 4... 500 м/с.

При реализации ультразвукового метода измерение

расхода можно свести к определению разности времени излучения
и приема сигналов, разности фаз и разности частот при прохожде-
нии ультразвуковых волн (частотой выше 15 кГц) вдоль и против

направления движущегося потока.

Ультразвуковые расходомеры обеспечивают погрешность изме-
рения, не превышающую 0,5 % от измеряемого значения при ско-
рости движения до 10 м/с и диаметре трубопроводов до 2 м.

Электромагнитный метод измерения расхода применим
для агрессивных, ядовитых, воспламеняющихся и других опасных
жидкостей, обладающих удельным электрическим сопротивлением,
не превышающим 105 Ом-см~3 при температуре -4О...+18О°С. Досто-
инством расходомеров, построенных на принципе электромагнит-
ной индукции при движении электропроводной жидкости, пересека-
ющей магнитное поле, явля-

Рис. 2.159. Схема электромагнитного
метода измерения расхода:

1 — электромагнит; 2 — трубопровод; 3 —
съемные электроды; КП — катодный повто-
ритель; У — усилитель; ОУ — отсчетное ус-
тройство

ется отсутствие в их конструк-
ции каких-либо движущихся
или неподвижных элементов,
вносимых в движущийся по-
ток и способных влиять на
скорость, создавать потерю
давления, независимость по-
казаний от вязкости и плот-
ности жидкости.

Функциональная схема
индукционного расходомера
(рис. 2.159) включает в себя
электромагнит 1, который
наводит переменное магнитное поле в движущемся потоке; съем-
ные электроды 3, установленные на трубопроводе 2, сигнал с ко-
торых подается на симметричный катодный повторитель КП, уси-
литель У и далее на отсчетное устройство ОУ.

В электромагнитных расходомерах возникают погрешности, выз-
ванные переменным магнитным полем электромагнита. Устране-
ние этих погрешностей достигается замыканием одного из элект-
родов 3 на низкоомный делитель напряжения и выбором положе-
ния движка потенциометра так, чтобы при нулевой скорости жид-
кости сигнал с прибора отсутствовал.

Выпускаемые расходомеры данного типа рассчитаны на избы-
точное давление до 2,5 МПа и имеют класс точности от 0,6 до 1,6.
Они обеспечивают измерение расходов в диапазоне 1... 25 000 м3/ч
в трубопроводах с диаметром 3... 1000 мм при средних скоростях
движения жидкости, не превышающих 10 м/с .

Оптические расходомеры появились с разработкой оптических
квантовых генераторов (лазеров), позволяющих на основе исполь-
зования эффектов Доплера конструировать измерители потоков про-
зрачных газов и жидкостей. Достоинствами их являются высокая чув-
ствительность, малая инертность, бесконтактный способ измере-
ния, неограниченный диапазон измеряемых скоростей независимо
от физических свойств, протекающей среды (за исключением тре-
бования к ее прозрачности в диапазоне волн, излучаемых лазером),

инвариантность по отношению к направлению потока.

Схема устройства, реализующая оптический метод измерения
расхода, представлена на рис. 2.160. Лазер /Сгенерирует две встреч-

ные волны, бегущие навстречу
друг другу по замкнутому
оптическому пути, образован-
ному зеркалами 1, 5 и 11. По-
ток жидкости или газа, движу-
щийся на некотором участке
через трубопровод 3 с прозрач-
ными окнами 2, 4, 12 и 13, со-
здает вследствие эффекта увле-
чения (изменение скорости
света в прозрачной движущей-
ся среде) разные частоты ко-
лебаний лучей, которые, сум-
мируясь на зеркалах б и 9, со-
здают интерференционную
картину. Ее изображение на-
правляется на фотоприемник 8,
сигнал которого регистрирует-
ся измерительным прибором 7.
Этот сигнал пропорционален

Рис. 2.160. Схема оптического метода
измерения расхода:

1, 5, б, 9 и 11 — зеркало; 2, 4, 12 и 13 —
прозрачное окно; 3 — трубопровод; 7 —
измерительный прибор; 8 — фотоприем-
ник; 10 — лазер
скорости потока, интегрируемой по длине луча, и носит линей-
ный характер. Погрешность лазерных расходомеров находится в пре-
делах 0,5%.

Контрольные вопросы

1.	Что такое давление и какие его разновидности различают?

2.	Какими величинами определяются расход и количество жидкостей,
газа, пара?

3.	На чем основаны методы измерения величин давления?

4.	Какие средства измерения параметров давления нашли примене-
ние в промышленности?

5.	Каковы принцип действия и устройство деформационных средств
измерения давления?

6.	Каковы принцип действия и устройство электрических манометров
и вакуумметров?

7.	Что такое дифференциальные манометры и каков принцип их дей-
ствия?

8.	Какими методами и средствами измерений и контроля определяет-
ся расход жидкостей и газа?

9.	Каковы принцип действия и устройство ротаметра?

10.	Каковы принцип действия и устройство скоростных счетчиков ко-
личества жидкости?

Лабораторная работа'. «Измерение и контроль параметров давления,
расхода и количества вещества».

2.9. Средства измерения и сигнализации уровня жидкости

Измерение, контроль и сигнализация уровня жидкости имеют
большое значение в технике, особенно при обслуживании техни-
ческих систем с непрерывной подачей и отбором жидкости.

Средства измерения уровня жидкой среды называют уровнеме-
рами. Они нашли широкое применение для измерения количества
топлива в баках транспортных средств — летательных аппаратов,
автомобилей, кораблей (они называются топливомерами); для из-
мерения уровня топлива в топливохранилищах, уровня жидкости
(воды) в котельных агрегатах, водонапорных системах и т.п.

Существуют следующие методы измерения уровня жидкости:
поплавковый, манометрический, емкостный, ультраакустический,
радиационный, радиочастотный и др.

Поплавковый метод. Простейшими уровнемерами, при-
меняемыми для контроля уровня жидкости, находящейся в резерву-
аре под атмосферным давлением, являются поплавковые уровнеме-
ры. На рис. 2.161, а представлена конструкция механического уровне-
мера с поплавком 1, плавающим на поверхности жидкости 4. Поло-
жение поплавка и, следовательно, связанного с ним уравновешива-
ющего груза 2 относительно шкалы 3 определяет уровень жидкости.
Рис. 2.161. Поплавковые методы измерения уровня жидкости:
а — конструкция поплавкового уровнемера (7 — поплавок; 2 — уравновешиваю-
щий груз; 3 — шкала; 4 — жидкость); б — конструкция уровнемера с тонущим
поплавком-буйком (1 — пружина; 2 — рычаг; 3 — шкала; 4 — стрелка; 5 — ось; 6—
буек); в — схема поплавкового электрического уровнемера (X— уровень жидкости;
КГ..К* — сопротивление плеч моста; Кх — сопротивление преобразователя;

и Кк1 — сопротивление логометра)

Чаще применяются тонущие поплавки-буйки, частично погру-
женные в жидкость (рис. 2.161, б). Буек 6подвешен на рычаге 2 и
пружине 1. При изменении уровня жидкости изменяются степень
погружения буйка и, следовательно, растягивающее усилие пру-
жины 1 под действием массы буйка. Благодаря этому каждому уров-
ню соответствует определенное положение буйка. Перемещение буй-
ка через рычаг 2 передается на ось 5, на которой установлена стрелка
4, показывающая по шкале 3 уровень жидкости. Положение буйка
или поплавка, преобразуемое в линейное или угловое перемеще-
ние, может быть передано на показывающий прибор или преобра-
зовано в электрический сигнал для дистанционной передачи.

На рис. 2.161, в приведена схема поплавкового электрического
уровнемера. В ней определенный уровень жидкости X с помощью
поплавка и потенциометра преобразователя Кх, измерительного
моста /?!...Т?4 фиксируется на магнитоэлектрическом логометре,
сопротивление которого Т?А1 и 7?и. Преобразователь уровнемера
Рис. 2.162. Схема манометрического
уровнемера:

Ко... /?3 — сопротивления плеч моста;
Д— двигатель; У — усилитель; Кх —
тензорезистор

включается в мостовую схему
таким образом, что одновре-
менно изменяются два соседних
плеча моста. В такой схеме дос-
тигается температурная компен-
сация.

При использовании мано-
метрического метода
измерения уровня определяет-
ся давление столба жидкости в
резервуаре. Для измерения уров-
ня жидкости в барабанах паро-
генераторов, котлов-утилизато-

ров и системах испарительного охлаждения широко применяют мем-
бранные дифманометры, отградуированные в единицах уровня.

На рис. 2.162 показана схема манометрического уровнемера с
применением электрической схемы преобразования сигнала. Жес-
ткий центр манометра через шар давит на тензорезистор Кх, вклю-
чаемый в плечо моста. При изменении уровня жидкости вменяет-
ся тензосопротивление, что приводит к разбалансу моста. Сигнал
рассогласования, снимаемый с моста, усиливается в усилителе У
и подается на двигатель Д. Последний уравновешивает мост и че-
рез редуктор перемещает стрелку показывающего или сигнализи-
рующего устройства.

Емкостный метод измерения уровня основан на том, что
электрическая емкость специального конденсатора, установлен-
ного в резервуаре с жидкостью, зависит от ее уровня.

В зависимости от электрических характеристик жидкости, уро-
вень которых измеряют емкостным методом, разделяют на неэлек-
тропроводные и электропроводные.

На рис. 2.163, а показано устройство емкостного преобразова-
теля для измерения уровня неэлектропроводной жидкости. В среду
опущен электрод 1, изолированный от корпуса втулкой 3. Вторым
электродом является заземленный корпус преобразователя 2. Та-
ким образом, преобразователь состоит из двух параллельно соеди-
ненных конденсаторов: конденсатора Сж, образованного частью
электрода и диэлектриком — жидкостью, уровень которой изме-
ряется, и конденсатора Св, образованного остальной частью элек-
трода и диэлектриком — воздухом.

Измерение электрической емкости Сд производится индуктив-
но-емкостным мостом (рис. 163, б), состоящим из индуктивнос-
тей двух вторичных обмоток трансформатора Тр, конденсаторов
С,, С2 и емкости Сд. Измерительный мост питается от генератора Г
частотой 100 Гц. С изменением уровня жидкости изменяется глу-
бина погружения электрода, что вызывает изменение емкости Са
и разбалансировку моста.
Рис. 2.163. Устройство емкостного преобразователя для измерения уровня
неэлектропроводной жидкости (а) и его электрическая схема (б):
1 — электрод; 2 — корпус преобразователя; 3 — втулка

Сигнал разбаланса, пропорциональный уровню жидкости, пода-

ется на вход усилителя, выходное напряжение которого измеряется
вторичным прибором ВП (потенциометром или миллиамперметром).

Диапазон измерения зависит от типа электрода, его длины, ха-
рактеристики измеряемой жидкости.

Ультраакустический метод.Ультраакустическиеуровне-
меры (рис. 2.164) находят применение в технологических процессах,
связанных с использованием токсичных и взрывоопасных сред, а также
сред, находящихся в условиях высоких температур и давлений.

Действие средств измерения и контроля уровня этого типа
основано на свойстве ультразвуковых колебаний проникать че-
рез металлические стенки резервуаров практически любой тол-
щины и отражаться от границ раздела сред. Это свойство реали-
зуется в двух вариантах.

В первом варианте использу-
ется способ отражения ультра-
акустической волны от грани-
цы раздела воздух — жидкость
со стороны воздуха. Во втором
варианте используется способ
отражения импульсных сигна-
лов от границы жидкость — воз-
дух со стороны жидкости.

Мерой уровня жидкости X
является время прохождения
ультразвука от пьезоэлектри-
ческого преобразователя / до
границы и обратно.

Рис. 2.164. Принципиальная схема
ультраакустического уровнемера:

Г — и / — пьезоэлектрический преоб-
разователь; 2 — генератор импульсов; 3 —
генератор пакетов; 4 — схема измерения;

5' и 5 — приемники-усилители
Рис. 2.165. Принципиальная
схема радиационного уров-
немера

Для реализации обоих методов пье-
зоэлектрический преобразователь Г
или 1 устанавливают в верхней или в
нижней части резервуара. Преобразо-
ватель посылает пучок импульсов в
пространство над жидкостью (или в
жидкость). Отраженный от жидкой (га-
зовой) границы сигнал воспринима-
ется тем же преобразователем.

Электрические сигналы, подаваемые
на пьезоэлектрический преобразователь
7'или 1 формируется высокочастотным

генератором импульсов 2. Для формирования кратковременного
пучка импульсов служит генератор пакетов 3, который одновре-
менно управляет генератором импульсов 2 и схемой измерения 4.
Выходной сигнал, подаваемый на указатель ОУ, формируется пу-
тем автоматического слежения за длительностью сигнала 7 — вре-

мени распространения пучка от излучателя до поверхности разде-
ла и обратно. Поскольку пьезоэлектрические преобразователи 7'и
7 работают в режиме излучения— приема, после подачи пучка
импульсов они же начинают прием отраженных сигналов. Так как
скорость звука зависит от температуры воздуха, то для возникаю-
щих температурных погрешностей при измерении уровня жидко-
сти применяют температурную компенсацию.

Ультраакустические измерители уровня имеют диапазон изме-
рения от 1 до 15 м при погрешности, не превышающей 2,5%.

Принцип действия радиационного метода измерения
уровня жидкости представлен на рис. 2.165. Радиоизотопный ис-
точник Из, например кобальтовый 80 Со, помещается в верхней
части резервуара, а детектор Дет, состоящий из нескольких плас-
тмассовых сцинтилляторов, светоколлекторов и общего фиксиру-
ющего устройства, — в нижней части резервуара. Сигналы с детек-
тора поступают на усилитель У и отсчетное устройство ОУ.

С изменением уровня жидкости Xизменяется число импульсов
в секунду, воспринимаемых детектором.

Уровнемеры, работающие по этому методу, имеют незначи-
тельные погрешности (не более 2...3%), однако требуют защиты
от излучения. Они предназначаются для непрерывного бесконтак-
тного дистанционного измерения уровней различных жидкостей,
в том числе расплавленных металлов и пластмасс.

Контрольные вопросы

1.	Какие методы и средства измерения и сигнализации уровня жидко-
сти применяются в машиностроении?

2.	Какие преимущества и недостатки присутствуют в поплавковых
уровнемерах?
3.	Каковы принцип действия и устройство манометрических средств
измерения уровня?

4.	Каковы принцип действия и схема средств измерения уровня емко-
стных, ультраакустических и радиационных уровнемеров?

Лабораторная работа'. «Измерение и контроль уровня жидкости».

2.10.	Анализаторы газов и жидкостей

2.10.1.	Основные понятия и определения

В области автоматического анализа состава или физико-химиче-
ских свойств газов и жидкостей используются следующие основ-
ные понятия и определения.

Анализатор — устройство для получения информации о составе
или физико-химических свойствах анализируемого вещества. В за-
висимости от агрегатного состояния анализируемого вещества раз-
личают: газоаналитические (газоанализаторы), анализаторы жид-
кости и анализаторы твердых веществ.

Анализируемое вещество — смесь нескольких химических веществ
(компонентов), подвергаемая анализу в целях определения ее со-
става или физико-химических свойств.

Определяемый компонент — компонент анализируемого веще-
ства, концентрация которого измеряется анализатором.

Концентрация — объемная или весовая доля определяемого ком-
понента в анализируемом веществе, измеряемая по объему или в
кг/м3, а также кратных этим единицах.

Между объемными и весовыми единицами измерения концен-
трации газов существует следующее соотношение (кг/м3):

1% по объему = 21,385Л/р/Т,

где М— относительная молекулярная масса газа; р — давление, Па;
Т — температура, К.

Для характеристики содержания пара в газе чаще всего приме-
няют следующие величины.

Абсолютная влажность а равна массе т водяного пара, со-
держащегося в единице объема Vпарогазовой смеси (г/м3 или
кг/м3):

а = т/У.

Парциальное давление е (упругость) водяного пара в парогазо-
вой смеси характеризует ее абсолютную влажность, с которой оно
связано следующим соотношением:

а = 289 е/Т (мм рт. ст./К) = 38,53-103е/Т(Па/К),
где Т — температура газа, К.
Относительная влажность <р равна отношению действительной
влажности к максимально возможной для анализируемого газа при
данной температуре (%):

(р = 100е/ Е,

где Е — упругость насыщения водяного пара при температуре Т,
Па.

Объемное влагосодержание х равно отношению объема водяного
пара к общему объему парогазовой смеси. Эта величина идентична
объемной концентрации водяного пара в анализируемом газе и
измеряется в тех же единицах (процент на объем).

Температура точки росы т (’С) равна температуре, которую
примет анализируемая парогазовая смесь при изобарическом ох-
лаждении до полного насыщения над плоской поверхностью воды.

Качество анализатора газа или жидкости, как и любого сред-
ства измерения, характеризуется значениями следующих основ-
ных показателей.

Метрологические показатели'.

пределы измерений;

класс точности и предел допускаемой основной приведенной
погрешности;

пределы допускаемых дополнительных приведенных погрешнос-
тей;

вариация показаний;

стабильность и др.

Динамические показатели'.

время начала реагирования;

время переходного процесса;

время установления процесса;

постоянная времени и др.

Надежностные показатели:

вероятность безотказной работы в течение определенного време-
ни;

интенсивность потока отказов и др.

Определения перечисленных выше показателей анализаторов
аналогичны представленным в подразд. 1.6.4 и 1.6.5. Эти показате-
ли нормируются стандартными и техническими условиями для каж-
дого представителя анализаторов.

Многообразие анализируемых веществ и весьма широкий диа-
пазон измерения их концентрации обусловили применение мно-
гочисленных и чрезвычайно разнообразных методов и средств из-
мерений, основанных на использовании различных физико-химиче-
ских явлений и свойств вещества.

Наиболее широкое применение в промышленности нашли ав-
томатические анализаторы.
Конструктивно автоматичес-
кий анализатор может быть вы-
полнен в виде единого устройства
или в виде набора функциональ-
ных блоков. На рис. 2.166 пред-
ставлена схема автоматического
анализатора. Она включает в себя
пробоподготовительную станцию
1, первичный преобразователь 2
с чувствительным элементом, из-
мерительный преобразователь 3,
регистрирующее устройство 4.

Отличительной особенностью

Проба

Проба

ические

— линии связи

Рис. 2.166. Схема автоматического
анализатора:

1 — пробоподготовительная станция;
2— первичный преобразователь; 3 —
измерительный преобразователь; 4 —
регистрирующее устройство

газопровод

от традиционных схем средств измерения является наличие в рас-
смотренной схеме специальной пробоподготовительной станции.
Она представляет собой комплект вспомогательных устройств для
отбора пробы анализируемого вещества из технологического ап-
парата, трубопровода или окружающей среды, ее обработки в целях
приведения параметров к требуемым для анализа значениям, транс-
портирования до чувствительного элемента анализатора и эвакуа-
ции после выполнения анализа.

Общие технические требования, предъявляемые к промышленным
автоматическим анализаторам, регламентированы ГОСТ 13320—69 и
ГОСТ14833—69.

2.10.2.	Классификация автоматических анализаторов
газов и жидкостей

В соответствии с техническими требованиями, предъявляемы-
ми к автоматическим газоанализаторам жидкостей, они класси-
фицируются по пределам и диапазонам измерений, классам точ-
ности, допустимому углу наклона, стабильности, динамическим
свойствам и времени прогрева.

Пределы измерения для газоанализаторов не регламен-
тированы, однако в зависимости от верхнего предела измерений
они делятся на газоанализаторы: для макроконцентраций (с верх-
ним пределом от 10-2 до 100% по объему, микроконцентраций (от
10-4 до 10-2% по объему) и ультрамикроконцентраций (менее 10^%
по объему).

Для анализаторов жидкости верхние и нижние пределы изме-
рений выбирают из нормального ряда предпочтительных чисел по
ряду ЕЮ.

Класс точности автоматических анализаторов должен
принадлежать следующему ряду:

для газоанализаторов—1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0; 10,0; 15,0;
20,0;
для анализаторов жидкости — 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6;
1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0.

При этом для газоанализаторов минимальный класс точности
зависит от диапазона измерений. Для диапазона измерений свы-
ше 2 % по объему класс точности должен быть не ниже 4,0; для
диапазона 1...2% по объему — 6,0; 10“2... 1% по объему— 10,0;
10-2... 10^% по объему — 10,0; до 10^% по объему не ниже 20,0.

В зависимости от значения допустимого угла наклона ана-
лизатора от нормального положения приборы делятся на неза-
висимые (допустимый угол свыше 5°, для газоанализаторов — до
20°), зависимые (с углом до 5°) и не допускающие наклона (в пре-
делах точности уровня).

По стабильности автоматические газоанализаторы под-
разделяются на пять групп в зависимости от времени сохранения
постоянства показаний при допускаемой основной приведенной
погрешности. Так, для группы СП-1 время сохранения показаний
составляет свыше 30 сут., для СП-2 — 15...30 сут., для МП-5 —
1 ...3 сут.

По динамическим свойствам автоматические анали-
заторы подразделяются на быстродействующие (время переходно-
го процесса не более 10 с); малоинерционные (10 ...30 с); инерци-
онные (30...60 с для газоанализатора, 30...80 с — для анализатора
жидкостей); с большой инерционностью (для газоанализаторов —
60... 120 с); медленно действующие (для газоанализаторов — свы-
ше 120 с, для анализаторов жидкостей — свыше 180 с).

Для анализаторов одним из важных динамических показателей
является время прогрева, а также установление теплового равно-
весия прибора. По этому показателю газоанализаторы делятся на
три группы: приборы, практически не требующие предваритель-
ного прогрева (время прогрева— не более 10 мин); приборы с
предварительным прогревом (до 60 мин); приборы с длительным
прогревом (до 180 мин).

Автоматические газоанализаторы по степени влияния измене-
ний состава неопределяемой части анализируемого газа делятся на
две группы:

первая группа — приборы, обыкновенные по избирательности,
у которых предельно допустимое изменение концентрации одного
из неопределяемых компонентов при замене его другим неопреде-
ляемым компонентом не превышает 10% по объему;

вторая группа — приборы с повышенной избирательностью, у
которых предельно допустимое изменение концентрации одного
из неопределяемых компонентов превышает 10% по объему.

Предельно допустимым считается изменение концентрации не-
определяемых компонентов, которое вызывает дополнительную по-
грешность, равную пределу допускаемой основной предельной по-
грешности.
В зависимости от методов, основанных на использовании разли-
чных физико-химических явлений и свойств газов и жидкостей,
газоанализаторы подразделяются на механические (объемно-по-
глотительные, объемно-химические, пневматические), термокон-
дуктометрические, термохимические, магнитные (термомагнит-
ные), инфракрасного поглощения (оптико-акустические), фото-
колориметрические (жидкостные, ленточные), гигрометры — вла-
гомеры (точки росы, кулонометрические, психрометрические),
хроматографы, масс-спектрометры.

Анализаторы жидкостей являются: хроматографы, кондуктомет-
ры, потенциометрические анализаторы, фотометрические анали-
заторы, рефрактометрические анализаторы, вискозиметры, плот-
номеры.

Рассмотрим принцип действия и характеристики некоторых

из них.

Анализаторы газов. Механические газоанализаторы
основаны на изменении молекулярно-механических параметров со-
стояния или свойств анализируемой смеси. Величинами, характе-

ризующими концентрацию определенного компонента, в таких
приборах являются:

изменение объема или давления пробы газовой смеси (при по-
стоянном объеме или давлении) в результате химического воздей-
ствия на определенный компонент;

вязкость газовой смеси;

плотность газовой смеси и некоторых свойств, зависящих от
плотности, например скорость распространения звука и ультра-
звука, скорость диффузии.

К механическим относятся объемно-поглотительные газоанализа-
торы (рис. 2.167), предназначенные для циклического измерения
концентрации, например аммиака в газовых смесях, не содержащих
компонентов, способных взаимодействовать с серной кислотой.

Анализируемый газ поступа-
ет через реперное устройство 1
на вход дозатора 2, который дис-
кретно отбирает пробу постоян-
ного объема и прокачивает ее с
определенной скоростью через
реактор 3, где определяемый
компонент реагирует с поглоти-
телем и поглощается им. Непог-
лотившийся газ на выходе из ре-
актора очищается защитным
фильтром 4 от паров поглотите-
ля и поступает в преобразователь
5, в котором непоглотившаяся
часть пробы преобразуется в дав-

Рис. 2.167. Схема объемно-поглоти-
тельного газоанализатора:

1 — реперное устройство; 2 — дозатор;
3— реактор; 4 — защитный фильтр; 4 и
5 — преобразователь; 6 — выходной сиг-
нал; 7 — командное устройство; 8 — ста-
билизатор опорных давлений
ление путем вытеснения непоглощенного газа в емкость известного
объема.

В узле масштабирования и запоминания выходного сигнала 6 из
преобразователя отбирается часть объема непоглотившейся пробы
газа, преобразующейся с определенным коэффициентом в давле-
ние выходного сигнала, которое запоминается на время очередно-
го цикла анализа.

Синхронная работа всех узлов газоанализатора обеспечивается
командным устройством 7, формирующим дискретные управляю-
щие сигналы. Необходимые для работы газоанализатора опорные
давления задаются стабилизатором опорных давлений 8.

Наибольшее распространение из группы объемно-химических га-
зоанализаторов получили переносные газоанализаторы, применя-
емые для анализа газов на три компонента: СО2; О2 и СО. Их рабо-
та основана на последовательном удалении анализируемых ком-
понентов из взятой на анализ пробы газа при проведении хими-
ческих реакций.

Это удаление осуществляется поглощением определенного ком-
понента соответствующим реактивом. Реактивом для поглощения
СО2 служит раствор едкого калия КОН; для О2 — смесь едкого
калия с пирогалловой кислотой С5Н3(ОН)3; для СО — раствор по-
лухлористой меди СиС12, нашатырного спирта ЫН4С1 и аммиака
1ЧН3.

Конструкция механического переносного газоанализатора хи-
мического поглощения типа ГХП-3 представлена на рис. 2.168. При-
бор состоит из трех поглотительных сосудов 5, 6 и 7, измеритель-
ной бюретки 3, соединительной гребенки 2 и напорной подвиж-
ной банки 4. Измерительная бюретка емкостью 100 см3 для повы-
шения точности измерения (выравнивание температуры) поме-

Рис. 2.168. Конструкция газоанализатора химического поглощения:

1 — трехходовый кран; 2 — гребенка; 3 — измерительная бюретка; 4 — подвижная
банка; 5, 6 и 7 — поглотительный сосуд; 8 — груша; 9 — фильтр
а	б

Рис. 2.169. Конструк-
ции съемных чув-
ствительных эле-
ментов с откры-
той спиралью:
а — рабочего; б —
сравнительного; 1 —
стеклянный корпус;
2— металлическая
нить; 3 — токопровод

щена в цилиндр, заполненный водой. Для увеличения поверхнос-
ти соприкосновения между анализируемым газом и реактивом по-
глотительные сосуды 5, 6 и 7 заполнены стеклянными трубками.
Трехходовой кран 1, соединяющий гребенку 2 с трубкой для под-
вода анализируемого газа с помощью резиновой груши 8, соеди-
нен также с фильтром 9, служащим для очистки поступающего
газа от пыли.

Для анализа газов, в которых наряду с СО2; СО; О2; 1ЧН3 содер-
жатся горючие составляющие (например, Н2; СН4 и др.) приме-
няют механические приборы более сложной конструкции, снаб-
женные устройствами для сжигания горючих компонентов анали-
зируемой газовой смеси.

Принцип действия термокондуктометрических га-
зоанализаторов основан на измерении теплопроводности ана-
лизируемой газовой смеси, которая зависит от концентрации в
ней определяемого компонента. Так как абсолютные значения теп-
лопроводностей газов чрезвычайно малы и их непосредственное
измерение вызывает трудности, в термокондуктометрических га-
зоанализаторах производится относительное
измерение изменений теплопроводности ана-
лизируемых газовых смесей. В современных при-
борах удается с высокой точностью контроли-
ровать изменение теплопроводности (погреш-
ность 0,1...0,5%).

Чувствительный элемент термокондуктомет-
рического газоанализатора, в котором осуще-
ствляется первичное преобразование состава
анализируемой газовой смеси в электрический
сигнал (рис. 2.169), представляет собой стек-
лянный корпус 1, обладающий высокой теп-
лопроводностью. По оси цилиндра расположе-
на металлическая нить 2 (как правило, из пла-
тины диаметром 0,02 ...0,05 мм), по которой
протекает электрический ток. Нить одновремен-
но выполняет функции нагревательного элемен-
та и термометра сопротивления (коэффициент
сопротивления платины 3,9 -10"3°С_| обеспечи-
вает высокую чувствительность при измерении
температуры).

Температура нити (при постоянной силе
тока) зависит от условий теплоотдачи в окру-
жающую среду. С изменением концентрации
определяемого компонента анализируемой га-
зовой среды изменяется ее теплопроводность,
что приводит к изменению температуры нити
и, как следствие, к изменению ее сопротив-
ления. Таким образом, изменение сопротивления чувствительного
элемента пропорционально изменению концентрации определяе-

мого компонента.

Чувствительные элементы устанавливают в камерах, которые

выполняются в виде вертикальных цилиндрических каналов, выс-
верленных в общем массивном корпусе газоанализатора. Диаметр
камер 4... 10 мм, а длина не превышает 100 мм.

Камера с установленным в ней чувствительным элементом об-
разует измерительную ячейку. По назначению измерительные ячей-
ки делятся на рабочие, через которые проходит анализируемая
газовая смесь, и сравнительные, заполненные газом постоянного
(известного) состава.

Чувствительные элементы рабочих и сравнительных измеритель-
ных ячеек, выполняющие функции термометров сопротивления,
включаются в мостовые измерительные схемы. Простейшей явля-
ется схема неуравновешенного моста постоянного тока (рис. 2.170).
Сопротивления и К3 являются чувствительными элементами двух
рабочих измерительных ячеек, через которые последовательно про-
ходит анализируемая газовая смесь. Сопротивления Т?2 и Д, явля-
ются чувствительными элементами двух сравнительных измери-
тельных ячеек. Шкала измерительного прибора, который контро-
лирует силу тока в измерительной диагонали моста или напряже-
ние в измерительной диагонали, может быть проградуирована в

единицах концентрации определяемого компонента.

Газоанализаторы типа ТП, построенные по рассмотренному
принципу, предназначены для измерения концентрации одного
из следующих компонентов в бинарных и многокомпонентных га-
зовых смесях: водорода, гелия, азота, метана и двуокиси углерода.
Анализируемая газовая смесь в месте отбора должна иметь: влагосо-

Рис. 2.170. Мостовая измерительная
схема

держание — не менее 15 г/см3; со-
держание механических приме-
сей — не более 0,001 г/м3; тем-
пературу 5...50°С; давление —
не более 105... 4 • 105 Па. Классы
точности приборов — от 2,5 до
10 в зависимости от пределов
измерений (0... 100% по объе-
му). Погрешность измерения
рассмотренных газоанализато-
ров составляет 1,5... 10% в за-
висимости от анализируемого
компонента и пределов изме-
рения.

Термохимический ме-
тод анализа основан на изме-
рении теплового эффекта ре-
акции каталитического окисления, в которой принимает участие
определяемый компонент анализируемой смеси. Наибольшее рас-
пространение этот метод получил при измерении концентрации
горючих газов (водорода, метана и др.) в избытке кислорода, а
также при измерении концентрации окиси углерода в присут-
ствии кислорода и концентрации кислорода в избытке горючих
газов.

Термохимические газоанализаторы выпускают двух основных
типов:

к первому типу относятся приборы, в которых реакция катали-
тического окисления происходит на твердом гранулированном ка-
тализаторе, причем полезный тепловой эффект реакции измеря-
ется по изменению температуры в слое катализатора термометром
сопротивления или другим термочувствительным элементом;

ко второму типу относятся приборы, в которых реакция ката-
литического окисления определяемого компонента происходит на
поверхности нагретой каталитически активной нити, одновременно
являющейся термочувствительным элементом для измерения по-
лезного теплового эффекта реакции.

На примере сигнализатора горючих паров нефти и нефтепро-
дуктов типа СГП-1ХЛ4 рассмотрим принцип действия газоанали-
заторов, построенных на термохимическом методе анализа.

Названный сигнализатор предназначен для сигнализации о на-
личии в воздухе помещений паров нефти и нефтепродуктов, от-
носящихся к третьей категории взрывоопасных смесей. Он может
быть прокалиброван на пары следующих веществ: нефть сырую;
керосин; бензины А-76, А-92, А-96 и другие продукты.

Анализируемый воздух на входе в сигнализатор не должен со-
держать агрессивных примесей, являющихся ядами для катализа-
торов платиновой группы, а также механических примесей. Сигна-
лизатор предназначен для работы при относительной влажности
до 80% и атмосферном давлении 122... 155 Па.

Принцип действия сигнализатора основан на измерении теп-
лового эффекта сгорания паров определяемого вещества на ката-
литически активной платиновой спирали.

Газовая схема прибора представлена на рис. 2.171. Она мо-
жет работать в одном из следующих режимов: рабочем (кран-
переключатель 75 находится в положении «Анализ»), калибро-
вочном (кран-переключатель 75 находится в положении «Ка-
либровка») и проверки нуля (когда электропневматический пе-
реключатель режимов 7 подает к чувствительному элементу чи-
стый воздух). В любом режиме движение газа через первичный
преобразователь осуществляется за счет разряжения, создавае-
мого побудителем расхода 5.

В рабочем режиме анализируемая смесь поступает в газовый блок
через один из фильтров 7, газовый переключатель 2, кран-пере-
Рис. 2.171. Газовая схема сигнализатора горючих паров:

1 — фильтр; 2 — газовый переключатель; 3 — дроссель; 4 и 9 — взрывозащитное
устройство; 5 — побудитель расхода; 6 — блок чувствительных элементов; 7 —
переключатель режимов; 8 — дроссель; 10 и 12 — ротаметр; 11 — регулятор расхо-
да; 13— фильтр тонкой очистки; 14 — фильтр паров этилированного бензина; 15 —
кран-переключатель

ключатель 75, фильтр паров этилированного бензина 14, фильтр
тонкой очистки 13, ротаметры 10 и 72 и регулятор расхода 77.

В газовом блоке анализируемый воздух или контрольная смесь
(при калибровочном режиме) проходит через взрывозащитные ус-
тройства 4 и 9, переключатель режимов 7 и попадает в блок чув-
ствительных элементов 6, откуда через побудитель расхода 5 выхо-
дит в атмосферу.

Если в анализируемом воздухе имеется горючий компонент, на
измерительном чувствительном элементе (платиновая спираль)
происходит его окисление (сгорание). При этом температура воз-
растает, равновесие измерительного электрического моста, в ко-
торый включен чувствительный элемент, нарушается и в его диа-
гонали возникает напряжение, пропорциональное концентрации
определяемого компонента.

При достижении концентрации паров нефтепродуктов предель-
ной величины (21 % НПВ) включается принудительная вентиля-
ция помещения, а при уменьшении ее до 9% НПВ — вентиляция
отключается.

По аналогичной схеме построены сигнализаторы взрывоопасных
концентраций типа СВК, которые предназначены для автоматиче-
ской сигнализации о наличии в воздухе закрытых помещений го-
рючих газов, паров и их смесей, относящихся по взрывоопасности
к 1...3 категориям, например ацетилена, ацетона, бутана, водоро-
да, диоксана, изобутана, метана, толуола и других веществ.
Термомагнитные газоанализаторы построены на
магнитных свойствах различных газов, оцениваемых величиной маг-
нитной восприимчивости. Для парамагнитных газов (О2; Г4О; воз-
дух) их магнитная восприимчивость — величина положительная
(газ способен притягиваться магнитом), а для диамагнитных газов
(М2; Н2; СН4; СО2) магнитная восприимчивость — величина от-
рицательная (газ отталкивается от магнита).

Основной узел термомагнитного газоанализатора — измери-
тельная ячейка. В зависимости от способа теплообмена различают
измерительные ячейки с внутренней и внешней конвекцией.

На рис. 2.172 изображена схема измерительной цепи и кольцевой
камеры с внутренней конвекцией (термомагнитного газоанализа-
тора). Камера 2 представляет собой полое металлическое кольцо с
диаметральным каналом 7 в виде тонкостенной трубки, в которой
расположены термоэлементы Л] и Л2 из тонкой платиновой прово-
локи, включенные в мостовую измерительную схему и нагреваемые
электрическим током. Термоэлемент расположен в поле постоян-
ного магнита 3. Через кольцевую камеру прокачивается анализируе-
мый газ, причем его расход поддерживается постоянным ротамет-
ром 4.

Благодаря парамагнитным свойствам кислорода, находящегося
в анализируемой газовой смеси, газ под действием магнитного поля
втягивается в поперечную трубку. Попадая в область левого подо-

греваемого термоэлемента, кислород нагревается и его магнитные
свойства уменьшаются. В ре-

зультате этого частицы на-
гретого газа непрерывно вы-
талкиваются из магнитного
поля холодным газом и в по-
перечной трубке образуется
поток газа слева направо.
Возникает так называемая
термомагнитная конвекция.
В зависимости от содержа-
ния кислорода в анализиру-
емой смеси изменяется ско-
рость движения газа в попе-
речной трубке, следователь-
но, изменяется и теплооб-
мен между термоэлемента-
ми и газом. Левый термоэле-
мент Л, охлаждается, а пра-
вый термоэлемент /?2 нагре-
вается. Изменение темпера-
туры термоэлементов приво-
дит к нарушению равнове-

Рис. 2.172. Схема измерительной цепи
термомагнитного газоанализатора:

1 — канал; 2 — камера; 3 — поле постоянно-
го магнита; 4 — ротаметр
Рис. 2.173. Термомагнитный газоанализатор:
а — измерительная ячейка с внешней конвекцией первой группы (1 — полюса
магнита; 2 — чувствительный элемент; 3 — корпус камеры); б — чувствительный
элемент (1 — спираль из платиновой проволоки; 2 — стеклянный капилляр; 3 —
токопроводы; 4 — стеклянная оболочка)

сия моста, степень которого зависит от концентрации кислорода в
анализируемой газовой смеси. Измерительный прибор регистри-
рует величину разбаланса.

При отсутствии кислорода в анализируемом газе поток газа в
поперечной трубке отсутствует и мост, состоящий из сопротивле-
ний термоэлементов Кх и К2, постоянных сопротивлений А3 и
сопротивления установки величины тока Ао и сопротивления уста-
новки нуля Л, находится в равновесии.

Измерительные ячейки с внешней конвекцией делятся на три
группы в зависимости от направления потоков тепловой и термо-
магнитной индукции. К первой группе относятся ячейки, в кото-
рых направления этих потоков совпадают (рис. 2.173, а). У измери-
тельных ячеек второй группы направления потоков взаимно пер-
пендикулярны, а у третьей группы — поток термомагнитной кон-
векции направлен навстречу потоку температурной конвекции.

Конструкция измерительных ячеек представляет собой гори-
зонтальную цилиндрическую полость, в которой расположены по-
люсные наконечники постоянного магнита, между которыми ус-
танавливается чувствительный элемент.
Для ячеек первой группы чувствительный элемент (рис. 2.173, б)
представляет собой спираль из платиновой проволоки 1 диаметром
20 мкм, которая намотана на стеклянный капилляр 2 с двумя впа-
янными токоподводами 3 и сверху покрыта тонким слоем стекла 4.
Газообмен в таких ячейках происходит за счет диффузии через от-
верстие в верхней части камеры.

У измерительных ячеек второй (рис. 2.174) и третьей (рис. 2.175)
групп поток анализируемого газа проходит по щелевым отверсти-
ям, образованным между полюсами постоянного магнита 1 и между
ложными полюсами 3. Чувствительные элементы 2 расположены
вдоль образующей цилиндра: один — вблизи от полюсов магнита,
а другой — около ложных полюсов. Анализируемый газ, содержа-
щий кислород, затягивается в щель между полюсами и нагревает-
ся, соприкасаясь с чувствительным элементом, расположенным
здесь же. В результате возникает поток термомагнитной конвек-
ции, который вызывает перенос тепла от одного чувствительного
элемента к другому.

В автоматических газоанализаторах промышленного назначе-
ния измерения, как правило, производят дифференциальным ме-
тодом. Для этого измерительную систему газоанализатора комп-
лектуют из двух пар ячеек: рабочей ячейки, через которую про-
ходит анализируемая газовая смесь, и сравнительной ячейки, через
которую пропускается воздух. Измерительная схема термомагнит-
ного газоанализатора с ячейками второй группы представлена на
рис. 2.176.

Диапазон измерения содержания кислорода магнитными газо-
анализаторами типа МН весьма широк: от 0...0,5; 0... 10 и до
98... 100%. Погрешность измерения составляет 2... 10% в зависи-
мости от пределов измерения.

Рис. 2.174. Измерительная ячейка с
внешней конвекцией второй труппы:
I — полюса магнита; 2 — чувствитель-
ные элементы; 3 — ложные полюса

Рис. 2.175. Измерительная ячейка с
внешней конвекцией третьей группы:
1 — полюса магнита; 2 — чувствитель-
ные элементы; 3 — ложные полюса
Рис. 2.176. Измерительная схема термомагнитного газоанализатора с ячей-
ками второй группы:

Тр — трансформатор; К, ...7^ — сопротивления; К,, — реохорд; У — электронный
усилитель; Д — реверсивный электродвигатель; I — рабочий мост; II — сравнитель-
ный мост

Газоанализаторы инфракрасного поглощения
относятся к группе абсорбционных оптических анализаторов. Их
принцип действия основан на измерении степени поглощения энер-
гии электромагнитного излучения, проходящего через слой ана-
лизируемого вещества. Каждый газ поглощает инфракрасное излу-
чение в определенной, свойственной только ему, области спектра.
Например, окись углерода поглощает лучистую энергию в инфра-
красной области спектра с длиной волны 4,7 мкм; двуокись угле-
рода — 2,7 и 4,3 мкм; метан — 3,3 и 7,6 мкм и т.д.

На рис. 2.177 представлена измерительная схема автоматичес-
кого газоанализатора инфракрасного поглощения непосредствен-
ного измерения.

Потоки инфракрасного излучения от излучателей 2 (открытая
нихромовая, хромоникелевая спираль, нагретая до температуры
700... 1000°С), периодически прерываемые с частотой 5 Гц обтю-
ратором 3, поступают в рабочий и сравнительный оптические ка-
налы. В рабочем канале находится рабочая камера 4, через которую
проходит поток анализируемого газа, и герметично закрытая филь-
тровая камера 5. В сравнительном канале расположены сравнитель-
ная 10 и фильтровая 9 камеры. Состав газа в сравнительной камере
10 соответствует среднему содержанию неопределяемых компонен-
тов в анализируемом газе, а фильтровые камеры 5 и 9 заполнены
теми неопределяемыми компонентами анализируемого газа, по-
лосы поглощения которых частично перекрываются полосами по-
глощения определяемого компонента.

Мощность потока излучения на выходе рабочего оптического
канала изменяется в зависимости от концентрации определяемого
компонента в анализируе-
мом газе, а мощность пото-
ка излучения на выходе
сравнительного канала оста-
ется постоянной. Их разность
преобразуется оптико-акус-
тическим преобразователем
б в электрический сигнал,
который является мерой
концентрации определяемо-
го компонента. После усиле-
ния и выпрямления в уси-
лителе 8 сигнал поступает на
вторичный прибор 7, кото-
рым может быть миллиам-
перметр и потенциометр.
Питание электрической схе-
мы производится от стаби-
лизатора напряжения 12.

Для повышения точнос-
ти измерений применяют
различные схемы, в том чис-

Рис. 2.177. Измерительная схема автома-
тического газоанализатора инфракрас-
ного поглощения непосредственного
измерения:

1 — синхронный электродвигатель; 2 — из-
лучатель; 3 — обтюратор; 4 — рабочая каме-
ра; 5 и 9 — фильтровая камера; 6 — оптико-
акустический преобразователь; 7 — вторич-
ный прибор; 8 — усилитель; 10 — сравни-
тельная камера; 11 — отражатель; 12 —
стабилизатор напряжения

ле компенсационные, в ко-
торых предусматриваются
газовая компенсация, опти-
ческая компенсация и др.

Промышленностью вы-
пускаются газоанализаторы
инфракрасного поглощения
типов ОА и ГИП для ана-
лиза газов на составляющие

СО2, СО, СН4, 1Ч2Н2 и ГШ3
для диапазонов от 0... 0,01 до
0... 100% по объему анализируемого компонента с основной по-
грешностью от верхнего предела измерения 2,5...5%.

Принцип действия фотоколориметрических газоана-

лизаторов основан на избирательной реакции между опреде-
ляемым компонентом анализируемой газовой смеси и специаль-
ным реагентом-индикатором. В результате образуется окрашенное

соединение, концентрация которого определяется по степени све-
топоглощения. Анализаторы делятся на жидкостные и ленточные.

В фотоколориметрических жидкостных газоанализаторах анали-
зируемый газ барботирует через слой индикаторного раствора в
течение определенного времени. Оптическая плотность окрашен-
ного раствора будет являться мерой концентрации определяемого
компонента. Она определяется с помощью дифференциальных
оптических схем с использованием фотосопротивлений в качестве
фотоэлектрических чувствительных элементов.

Принцип действия фотоколориметрических ленточных газоанали-
заторов состоит в следующем. Бумажная или текстильная лента, про-
питанная индикаторным раствором, соприкасается с анализируемым
газом, определяемый компонент которого образует с индикатором
окрашенное соединение. Интенсивность окраски ленты, которая за-
висит от концентрации определяемого компонента, измеряется по
степени ослабления светового потока, отраженного от ее поверхно-
сти с помощью фотоэлектрического чувствительного элемента.

Фотоколориметрические газоанализаторы типа ФЛ предназна-
чены для измерения микроконцентраций озона, двуокиси азота,
сернистого газа, сероводорода, аммиака или хлора в технологи-
ческих газах и в воздухе производственных помещений. Они вы-
пускаются с пределами измерения в кг/м3 0...0,0001; 0...0,0005;
0...0,02; 0 — 0,1 с классом точности 20,0.

Гигрометры — анализаторы газов, которые предназначены
для измерения содержания паров воды.

В настоящее время применяют гигрометры следующих типов:
точки росы (конденсационные), кулонометрические, с подогрев-
ными электролитическими чувствительными элементами (гидро-
метрического равновесия), с электролитическими чувствительными
элементами, психрометрические.

Гигрометры точки росы. Принцип действия гигрометров этого
типа основан на охлаждении при постоянном давлении ненасы-
щенного газа до состояния насыщения и измерении температуры,
при которой наступает насыщение (выпадение капель влаги). На
практике конденсация происходит не над поверхностью воды, как
это следовало бы из определения температуры точки росы, а над
плоской металлической поверхностью, охлаждаемой в атмосфере
анализируемого влажного газа.

В автоматических гигрометрах типа АГК поток анализируемого
воздуха омывает металлическую пластину, которая находится в кон-
такте с электронагревателем и термоэлектрическим охлаждающим
элементом. Если температура пластины ниже температуры точки
росы окружающего воздуха, то на ее поверхности образуется пленка
конденсата, толщина которой тем больше, чем ниже температура
пластины.

На поверхности пластины в гигрометре установлены два изо-
лированных от нее параллельных палладиево-серебряных электро-
да, которые выполняют роль чувствительного элемента толщины
пленки конденсата. Если поверхность пластины сухая, то цепь элек-
тродов разорвана. Чем толще пленка конденсата, тем меньше со-
противление между электродами.

Гигрометры этого типа применимы для следующих условий эк-
сплуатации:
Температура окружающего воздуха, °С...............5...35

Относительная влажность, %........................30...80

Атмосферное давление, МПА.........................0,98... 1,05

Пределы измерения температуры точки росы, °Стр....-20...+50

Допускаемая основная абсолютная погрешность, °Стр... ±0,5

Принцип действия кулонометрических гигрометров (влагомеров)
основан на непрерывном поглощении влаги анализируемого газа
пленкой гидрофильного вещества (пятиокиси фосфора) из точно
дозируемого объема газа и на одновременном электролизе обра-
щающегося раствора фосфорной кислоты. Мерой влажности слу-
жит сила тока электролиза, которая регистрируется вторичным
прибором.

Главным узлом влагомеров является кулонометрический чув-
ствительный элемент (рис. 2.178). Он представляет собой толсто-
стенную стеклянную трубку 4 небольшого диаметра, на внутрен-
ней поверхности которой размещены два спиральных платино-
вых электрода 3. Электроды и зазор между ними покрыты тонки-
ми пленками фосфорного ангидрида 7 и 2, которые имеют боль-
шое сопротивление в сухом виде и малое сопротивление при по-
глощении влаги.

Анализируемый газ с постоянной скоростью непрерывно про-
пускают через трубку. При этом непрерывно происходят два про-
цесса:

Р2О5 + Н2О-> 2НРО3;

2НРО3 -> Н2 + 0,5О2+ Р2О5.

Ток электролиза, измеряемый микроамперметром, является ме-

рой влаги в анализируемом газе.

Кулонометрические гигрометры предназначены для измерения
микроконцентраций влаги в газах от 10^ до 10°% по объему с

погрешностью ±(5... 10) %.

Психрометрические гигрометры ос-
нованы на измерении температуры
газовой среды двумя термометрами,
один из которых обернут влажной
тканью. Эти два термометра будут
иметь разные показания. Понижение
температуры влажного термометра
происходит в результате затраты теп-
ла на испарение жидкости в окру-

Рис. 2.178. Схема кулонометри-
ческого влагомера:

1 и 2 — пленка фосфорного ан-
гидрида; 3 — платиновые элект-
роды; 4 — стеклянная трубка

жающую среду. Чем ниже влажность
окружающей среды, тем интенсив-
нее идет испарение влаги с поверх-
ности мокрого термометра. Следова-
тельно, разница в показаниях сухо-
го и мокрого термометров будет тем больше, чем ниже влажность
в измеряемой точке. По разности температур (4 - /вл), называе-
мой психрометрической разностью, и температуре сухого термо-
метра 4 с помощью таблиц (при ручном способе определения
влал ности) или соответствующих электронных схем (в случае ав-
томатического определения) узнают о влажности анализируемо-
го газа.

На рис. 2.179 представлена пневмогидравлическая схема гигро-
метра типа АПГ. Анализируемый воздух отбирается в точке конт-
роля с помощью пробоотборного устройства 1 за счет разреже-
ния, создаваемого воздушным эжектором 5. Он очищается фильт-
ром 2 от механических примесей и поступает в электронагреватель
3, где приобретает постоянную температуру +80 °С. Это сделано
из-за того, что психрометрический метод не применим при тем-
пературе анализируемого воздуха выше +100 °С и в гигрометре при-
ходится осуществлять сухое охлаждение до указанной выше тем-
пературы. Далее анализируемый воздух попадает в измерительную
ячейку 4, в которой установлены «мокрый» и три «сухих» термо-
резистора. Температура измерительной ячейки стабилизируется. Для
смачивания «мокрого» терморезистора используется паровой кон-
денсат, который получается в конденсаторе 7. Распыление кон-
денсата осуществляется потоком анализируемого воздуха с помо-
щью эжектора, установленного в измерительной ячейке.

Пределы измерения абсолютного влагосодержания психромет-
рическими гигрометрами составляют: 50... 200 г/кг при
40,2...64,4°Стр для первого диапазона измерений и 150...450 г/кг
при 59,5...77°Стр — для второго диапазона измерений. Основная
допустимая абсолютная погрешность измерения составляет ± 1 °СТ р

Рис. 2.179. Пневмогидравлическая схема гигрометра АПГ-203:

1 — пробоотборное устройство; 2 — фильтр; 3 — электронагреватель; 4 — измери-
тельная ячейка; 5 — эжектор; б — змеевик; 7 — конденсатор
Хроматографы предназначены для определения количествен-
ного состава смесей газов, паров и испаряемых жидкостей. От других
анализаторов состава хроматографы отличаются тем, что содержат
два преобразователя: один обеспечивает разделение сложной смеси
на отдельные компоненты (хроматографическая колонка), а другой —
определение количества каждого компонента (система детектиро-
вания). Подбирая свойства каждого из этих преобразователей, мож-
но разделить и определить состав многих производственных смесей.

Принцип хроматографического разделения анализируемого газа,
состоящего, например, из четырех компонентов А, В, Си В, по-
казан на рис. 2.180. Проба анализируемого газа вводится в хрома-
тографическую колонку 1 и перемешается газом-носителем через
слой наполнителя (сорбента) колонки. Если компоненты газовой
смеси А, В, С и В обладают различной сорбируемостью (поглоща-
емостью) по отношению к наполнителю колонки, то скорости
продвижения этих компонентов будут различны. С наименьшей ско-
ростью будет двигаться наиболее сорбирующий компонент. Через
некоторое время вперед уйдет компонент В как менее сорбирую-
щийся, за ним В и, наконец, более сорбирующиеся и поэтому
медленнее движущиеся компоненты А и С. При дальнейшем их
продвижении компоненты окончательно разделяются, в результа-
те из хромаграфической колонки будут выходить составляющие
компоненты газовой смеси раздельно либо газ-носитель, либо би-
нарная смесь газ-носитель — компонент.

В качестве газа-носителя применяют инертный по отношению
к сорбенту газ (воздух, азот, водород, аргон, гелий).

В качестве сорбента при газоадсорбционной хроматографии при-
меняют пористые вещества: активированный уголь, силикагель,
окись алюминия и др.

На выходе колонки устанавливается детектор 2, который опре-
деляет разделенные компоненты в порядке их выхода. Регистриру-
ющий прибор 3 записывает сигнал детектора на диаграмме (хро-
матограмме) 4.

Измерительные колонки выполняются в виде спиральных или
11-образных трубок с внутренним диаметром 4... 8 мм, длиной 1... 3 м.

Рис. 2.180. Схема хроматографа:

1 — хроматографическая колонка; 2 — детектор; 3 — регистрирующий прибор;

4— диафрагма (хроматограмма)
Рис. 2.181. Схема термокондуктометриче-
ского детектора:

1 — потенциометр; 2 — сравнительная каме-
ра; 3 — металлический корпус; 4 — рабочая
камера; I — газ-носитель; II — компоненты
газа; Д— двигатель; П— переключатель шкал;
/?! и Л4 - постоянные резисторы; Д и К, —
терморезисторы

В качестве детектора ис-
пользуются термоэлектри-
ческие, ионизационные и
другие преобразователи. Де-
тектор преобразует количе-
ственное изменение соста-
ва газа, выходящего из хро-
матографической колонки,
в электрический сигнал. На
рис. 2.181 представлена схе-
ма термокондуктометри-
ческого детектора. Через
сравнительную камеру 2
непрерывно проходит чис-
тый газ-носитель I. Через
рабочую камеру 4 проходят
компоненты газа II после
хроматографической ко-
лонки. Камеры расположе-
ны в металлическом корпу-

се 3. Терморезисторы К2 и
2?з, расположенные в соот-
ветствующих камерах, и
постоянные резисторы и
/?4 являются плечами изме-
рительного моста постоян-
ного тока. Когда через обе
камеры детектора проходит

газ одинакового состава, то
условия теплопередачи будут одинаковы, температура терморези-
сторов будет также одинакова, следовательно, измерительный мост
будет сбалансирован. При появлении в газе-носителе компонента,

теплопроводность которого отлична от теплопроводности чистого
газа-носителя, температура, а следовательно, и сопротивление тер-
моэлемента, находящегося в рабочей камере, изменятся. На выхо-
де мостовой схемы появится сигнал, который регистрируется по-
тенциометром 1.

Для изменения масштабов в измерительную диагональ моста
включен двигатель Д с переключателем шкал П.

Термоэлементами могут служить платиновые, вольфрамовые или
никелевые нити диаметром 5 мкм.

Отечественные промышленные хроматографы типа ХП харак-
теризуются широким диапазоном термостатирования анализато-
ра (20 ...200°С), достаточно высокой чувствительностью (наимень-
шее значение определяемой концентрации от 0,1 до 5-10-3% по
объему и воспроизводимостью результатов (среднеквадратичное от-
слонение от среднего ±(1,5... 3) %. Пределы измерения по концен-
грации компонентов от 0 до 100 %.

Анализаторы жидкостей. Для определения количественного со-
става смесей жидкостей непосредственно на технологических ус-
тановках широкое применение нашли автоматические хромато-
графы, принцип действия которых не отличается от газовой хро-
матографии. Проба анализируемой жидкости доводится до темпе-
ратуры испарения, и в измененном агрегатном состоянии (газооб-
разном) она потоком газа-носителя вносится в хроматографичес-
кую колонку.

Кондуктометры основаны на измерении электрической
проводимости (электропроводности) растворов электролитов (ана-
тизируемых жидкостей). Они применяются для измерения концен-
грации или удельной электропроводности агрессивных и неагрес-
сивных жидких сред (обессоленной и дистиллированной воды, ра-
створов солей, кислот и щелочей, концентрированных и загряз-
ненных электролитов и т.д.).

По типу чувствительного элемента (измерительной ячейки) ме-
тоды измерения удельной электропроводности делятся на контак-
тные и бесконтактные. Простейшим чувствительным элементом яв-
ляется двухэлектродная ячейка (рис. 2.182, а), которая преобразу-
ет измеряемый параметр — удельную электропроводность раство-
ра — в сопротивление:

К = 1/(ок) = 11/1,

где К— сопротивление, Ом; о — удельная электропроводность,
См/м; к— константа измерительной ячейки, м; II— напряже-
ние, приложенное к электродам, В; I— сила тока в цепи элект-
родов, А.

Константа двухэлектродной ячейки А: зависит от площади повер-
хности электродов и расстояния между ними. Для растворов с низ-
кой электропроводностью применяют ячейки с большой констан-
гой (большая площадь при малом расстоянии), а для жидкостей с
эольшой электропроводностью — ячейки с малой константой.

Рис. 2.182. Измерительные ячейки кондуктометров:

1 — двухэлектродная; б — трехэлектродная; в — четырехэлектродная (7 и 4 —
электрод; 2 и 3 — внутренний электрод)
В процессе измерений, когда через электроды протекает элект-
рический ток, они поляризуются и сопротивление ячейки изме-
няется. Для уменьшения поляризации в автоматических кондукто-
метрах измерения производят на переменном токе. Погрешности
от поляризации электродов возрастают с увеличением концентра-
ции раствора, поэтому двухэлектродные ячейки применяются толь-
ко для анализа чистых разбавленных растворов с электропровод-
ностью не выше 101 См/м. Кроме того, они используются в сигна-
лизаторах электропроводности, не требующих высокой точности
измерения.

В трехэлектродной ячейке (рис. 2.182, б) внешние электроды
соединены (обычно они заземляются), поэтому, по существу,
она представляет собой две двухэлектродные ячейки, включен-
ные параллельно. В такой ячейке меньше сказываются внешние
наводки.

В четырехэлектродной ячейке (рис. 2.182, в) к двум крайним
«токовым» электродам 1 и 4 подводится переменное напряжение и
между ними в растворе протекает ток. Два внутренних электрода 2
и 3 служат зондами для измерения падения напряжения, которое
создает ток на участке раствора, заключенном между ними. Авто-
матические кондуктометры с четырехэлектродными измеритель-
ными ячейками применяются для анализа чистых растворов с удель-
ной электропроводностью от 10-2 до 10 См/м.

Бесконтактные методы измерения электропроводности приме-
няются при анализе технологических растворов, содержащих взве-

си, коллоиды, а также при анализе растворов, склонных к плен-
кообразованию, кристаллизации и выпадению осадка.

Принцип действия измерительной ячейки низкочастотного бес-
контактного кондуктометра поясняет схема, представленная на
рис. 2.183. Анализируемый раствор заполняет трубу, на которой
установлены два тороидальных трансформатора Трх и Тр2. Ток в
первичной обмотке 1 возбуждающего трансформатора Трх создает
в его сердечнике магнитный поток, который наводит эдс ех в зам-

Рис. 2.183. Принцип действия из-
мерительной ячейки низкочас-
тотного бесконтактного кондук-
тометра

кнутом витке проводящего раство-
ра (жидкостном витке). Для транс-
форматора Тру жидкостной виток
является вторичной обмоткой. Сила
тока/, протекающего в растворе,
пропорциональна его электропро-
водности.

Для измерительного трансфор-
матора Тр2 жидкостный виток слу-
жит первичной обмоткой, поэто-
му эдс е2, наводимая в его вторич-
ной обмотке II, зависит от силы
тока I, т. е. от электропроводности
анализируемого раствора. Величину е2 обычно измеряют компен-
сационным методом с использованием дополнительной обмотки
/Л измерительного трансформатора Тр2. Эта обмотка создает в его
магнитопроводе встречный магнитный поток по отношению к по-
току жидкостного витка. При полной компенсации, когда е2 = О,
сила тока в обмотке III пропорциональна силе тока I.

Бесконтактные автоматические кондуктометры применяются
для анализа растворов с удельной электропроводностью от 10 до
102 См/м.

Автоматические кондуктометрические анализаторы общепро-
мышленного применения (типа АКК, КНЧ, АК, САР и др.) вы-
пускаются с пределами измерения в зависимости от типа чув-
ствительного элемента (например, для прибора АКК-1 с двух- или
трехэлектродными ячейками пределы измерения составляют от 10-6
до 10_| См/м, для прибора АКК-3 с четырехэлектродной ячей-
кой — от Ю-2 до 10 См/м, для АКК-9 с бесконтактным методом
измерения — от 10 до 102 См/м) классов точности 0,4; 0,6; 1,0; 2,5;
4,0; 6,0.

Температура анализируемого раствора может составлять 1... 110°С
при вязкости не более 0,2 Па-с и давлении не более 0,05 МПа.
Основная допускаемая приведенная погрешность измерения со-
ставляет от ±(1... 5) %.

Потенциометрические анализаторы основаны на
принципе определения активности ионов в растворах электроли-
тов, а также измерения окислительно-восстановительного потен-
циала различных сред. Они чаще всего применяются для определе-
ния кислотности или щелочных свойств водных растворов, а так-
же для контроля очистки сточных вод.

Фотометрические анализаторы основаны на изме-
рении ослабления излучения вследствие избирательного поглоще-
ния, определяемого растворенным веществом в некоторой облас-
ти спектра излучения.

Метод таких анализов носит еще название абсорбционного спект-
рального анализа. Различают спектрофотометрический (в монохро-
матическом излучении) и фотометрический (когда излучение огра-
ничено некоторым спектральным интервалом) методы анализа.

Наибольшее аналитическое применение для оценки состава
жидкостей имеют ультрафиолетовая (200...400 нм) и видимая
(400...800 нм) области спектра.

Поглощение лучей ультрафиолетовой или видимой областей
спектра возбуждает электронную систему молекул. Избыток энер-
гии выделяется в той или иной форме. Например, излучение мо-
жет приводить к химическим превращениям (фотохимические про-
цессы) или вызывать вторичное излучение (люминесценция).

В большинстве случаев энергия возбуждения распределяется по
отдельным энергетическим колебательным уровням, превращаясь
в тепловое движение. Именно этот процесс является основой для
измерения концентрации вещества по величине поглощения света.

Средства измерения концентрации веществ в различных жид-
ких средах, основанные на зависимости оптической плотности ра-
створа от концентрации растворенного вещества, носят название
фотометров.

По принципу построения большая часть фотометров может быть
разделена на две группы: однолучевые и двухлучевые некомпенса-
ционные, двухлучевые с оптической или электрической компен-
сацией.

Наряду с фотометрами, предназначенными для определения
концентрации растворенного вещества в растворе, важное зна-
чение и большое распространение получили фотометрические
приборы для определения концентрации взвешенных веществ
(микрочастицы). С помощью анализаторов взвешенных частиц кон-
тролируется мутность воды, анализируется чистота топлив, инъ-
екционных растворов, эффективность фильтрационных устано-
вок и т.д.

Большая часть методов анализа дисперсных систем основана на
оптических явлениях и, в частности, на эффекте рассеяния света
на микрочастицах. Интенсивность рассеянного (отраженного) света
возрастает с увеличением числа рассеивающих частиц. На этом яв-
лении основаны родственные методы определения концентрации
веществ: нефелометрия и турбидиметрия.

На рис. 2.184 изображена функциональная схема фотометра,
предназначенного для измерения оптической плотности микроби-
ологической суспензии (активный ил) на станциях биологической

Рис. 2.184. Функциональная схема фотометра:

1 — лампа; 2 — линзы; 3 — фильтры; 4 — зеркало; 5 — нейтральный светофильтр;

6 и 7 — оптические клинья; 8 — измерительная камера; 9— фотометрический
шар; 10 и 11 — светоприемник; 12, 13, 14, 16 и 20 — усилитель; 15 — реостат;

17— двигатель; 18 — шкала прибора; 19 — трансформатор
□чистки сточных вод предприятий коммунального хозяйства, неф-
техимической, химической и других отраслей промышленности.

Световой поток от лампы просвечивания рабочего канала фоку-
сируется в параллельный пучок при помощи линз 2. Из общего спек-
гра при помощи цветовых фильтров 5 выделяется необходимая спект-
эальная область 700... 800 нм. Далее световой поток проходит оптичес-
<ий клин 7, измерительную камеру 8 и попадает в интегрирующий
|ютометрический шар 9, на котором установлен светоприемник 10.

Аналогично световой поток сравнительного канала от лампы 1
зроходит через линзы 2 и фильтры 3, отражается при помощи
юркала 4, пройдя через нейтральный светофильтр 5 и оптический
<лин 6, и попадает на светоприемник 11.

В исходном положении световые потоки, падающие на свето-
зриемники 10 и 11 рабочего и сравнительного каналов, уравнове-
шены.

При изменении оптической плотности измеряемой среды в
измерительной камере 8 нарушается равновесие световых пото-
ков и, тем самым меняется освещенность светоприемника 10 ра-
бочего канала. В результате этого возникает электрический сиг-
зал разбаланса измерительной схемы прибора, который посту-
тает на согласующий усилитель 12, обеспечивающий согласова-
зие высокоомной измерительной схемы с низкоомным входом
эеверсивного усилителя 13. Последний приводит во вращение дви-
атель 17, на валу которого закреплены измерительный оптичес-
кий клин 7, шкала прибора 18 и реостат 15 источника калибро-
занного сигнала.

Электродвигатель вращает измерительный оптический клин 7
(о тех пор, пока снова не уравновесятся световые потоки рабочего
з сравнительного каналов. Угол поворота оптического клина 7фик-
:ируется по шкале прибора 18 в единицах оптической плотности.

Рефрактометрические анализаторы основаны на за-
висимости показателя преломления анализируемого раствора от
;го состава.

При падении узкого пучка света под углом <р (рис. 2.185) на
раницу раздела двух сред 7 и 2 часть пучка отражается от границы
)аздела под углом у = -<р, а другая часть переходит из среды 7 в
:реду 2 под углом у, причем

ЯПф/япу = Л2/И],

де «1 и л2 — соответственно показатели преломления сред 7 и 2.

При некотором угле у > упр (где упр = агсап И1/л2 — предельный
тол) преломленного пучка не будет и весь пучок отражается от гра-
зицы сред.

Значения угла преломления предельного угла могут быть точно
шределены различными способами, некоторые из которых поло-
кены в основу лабораторных и промышленных рефрактометров.
Рис. 2.185. Отражение и
преломление светово-
го пучка у плоской по-
верхности раздела двух
сред (/ и 2)

а

Рис. 2.186. Определение показателя прелом-
ления с помощью призм:

а — преломление лучей в призме; б — ход лучей через
систему из двух смежных призм; в — отклонение лу-
чей системой трех призм

Для измерения показателя преломления прозрачных жидкостей
часто применяется метод призмы, который заключается в том, что
световой пучок, проходя через прозрачную призму (рис. 2.186, а),
отклоняется на угол 0, величина которого зависит от показателя
преломления вещества призмы. Заполняя полую призму исследуе-
мой жидкостью, можно измерять показатель преломления после-
дней.

Наиболее широкое распространение при конструировании про-
мышленных рефрактометров получил метод измерения отклоне-
ния светового пучка, проходящего систему из двух (рис. 2.186, б)
или трех (рис. 2.186, в) призм. Эти рефрактометры получили на-
звание дифференциальных.

Угол отклонения 0:

для системы из двух призм

0 = Алфа,

для системы из трех призм

0 = 2Длфа/2,

где Ал = л, - п2.

Зная значение показателя преломления одной из призм, на-
пример п2, и измеряя угол отклонения 0, легко вычислить значе-
ние Л].

Вискозиметры — это средства измерения вязкости или внут-
реннего трения жидких продуктов. Методы и средства определе-
ния вязкости были рассмотрены в подразд. 2.3.3.

Плотномеры — это средства измерения плотности жидких
веществ. Методы и средства измерения плотности веществ были
рассмотрены в подразд. 2.3.3.
2.10.3.	Анализаторы состава и физико-химических свойств
нефти и нефтепродуктов

Наряду с автоматическими анализаторами общепромышленно-
го назначения в нефтеперерабатывающей и нефтехимической про-
мышленности применяют специализированные приборы для ана-
лиза состава и физико-химических свойств нефти и нефтепродуктов.

Анализаторы температуры вспышки. Температурой вспышки на-
зывается температура, при которой загорается смесь паров нефте-
продукта с воздухом при наличии источника пламени и происхо-
дит взрыв паровоздушной смеси без воспламенения жидкости. Этот
параметр характеризует содержание в нефтепродукте легколетучих
компонентов.

Анализаторы типа АВН обеспечивают регистрацию температу-
ры вспышки и преобразование ее в унифицированный электриче-
ский или пневматический сигнал.

Анализатор предназначен для работы при температуре окружа-
ющего воздуха 5...50°С, относительной влажности 30...80%. Его

основные технические характеристики:
Пределы измерения, °С........................0... 150; 150...300

Основная допускаемая абсолютная
погрешность измерения,°С...................+(1... 3)

Дополнительная допускаемая погрешность
измерений в долях основной погрешности.....0,5...0,6

Анализируемое вещество в месте отбора пробы должно иметь
следующие параметры:

Температура от 150°С до следующей минимальной, ’С:

для веществ с вязкостью от 4 сСт
при температуре 20 °С...........................5

для веществ с вязкостью до 10 сСт

при температуре 100 °С..........................80

Давление, МПа................................... 1...5

Содержание воды, об.%............................до 5

Содержание механических примесей, кг/м3..........до 2

Вязкость при температуре 100 °С, сСт.............не более 10

В комплект анализатора входят первичный преобразователь, блок
подготовки пробы, нормирующий преобразователь, потенциометр
и стабилизатор напряжения.

Рассмотрим принцип действия основных блоков анализатора.

Анализируемый продукт, предварительно очищенный от меха-
нических примесей, поступает на вход блока подготовки пробы. Блок
подготовки пробы предназначен для охлаждения или нагревания
анализируемого продукта и ручного задания расходов нефтепро-
дукта и воздуха, подаваемых на вход первичного преобразователя.
На рис. 2.187 изображена конструкция технологического блока пер-
Рис. 2.187. Конструкция технологического блока анализатора АВН-70 для
измерения температуры вспышки:

1 — корпус вспомогательного нагревателя; 2 и 19 — вкладыш нагревательного
элемента; 3 — вспомогательный нагревательный элемент; 4, 12, 17 и 22 — про-
кладка; 5— карман ртутного термоконтактора; 6 — ртутный термоконтактор; 7—
измерительная термопара; 8 — карман измерительной термопары; 9 — термопара;
10 — узел уплотнения термопары; 11 — свеча; 13 — канал вывода газов; 14 —
камера вспышки; 15 — анализируемый нефтепродукт; 16 — канал вывода нефте-
продукта; 18 — корпус основного нагревателя; 20 — основной нагревательный
элемент; 21 — штуцер для подвода воздуха; 23 — сливная трубка

вичного преобразователя для измерения температуры вспышки в
пределах 24... 100 °С на продуктах вязкостью до 4 сСт при температу-
ре 20 °С.
Работа этого блока протекает следующим образом. Анализируе-
гый продукт последовательно проходит вспомогательный нагре-
ательный элемент 3, основной нагревательный элемент 20, ка-
геру вспышки 14 и сбрасывается самотеком в сборную емкость по
пивной трубке 23, находящейся под атмосферным давлением. При
ключении электропитания нагревательные элементы 3 и 20 нач-
ут подогревать продукт. В камеру вспышки 14 свече 11 периода-
ески подается электрическая искра, генерируемая генератором,
(спомогательный нагревательный элемент 3 будет нагревать про-
одящий через него нефтепродукт до тех пор, пока температура на
ыходе не достигнет заданной ртутным термоконтактором 6. В пред-
арительно подогретый нефтепродукт дозируется необходимое
оличество воздуха по штуцеру 21. Смесь поступает в основной
агревательный элемент 20, подогревается и подается в камеру
спышки 14. Если температура поступившего в камеру продукта
остигла температуры вспышки, то происходит вспышка паровоз-
ушной смеси от электрической искры. Наличие пламени вспыш-
и воспринимает термопара 9. Сигнал с термопары 9 подается на
ход регулятора основного нагрева, который отключает электро-
итание основного нагревательного элемента 20. Если произойдет
есколько вспышек подряд, основной нагревательный элемент 20
го время остается отключенным. Включение вновь произойдет
осле первой искры, при которой вспышки не будет.

Таким образом осуществляется регулирование температуры ана-
изируемого нефтепродукта, протекающего через камеру вспыш-
и 14, на наименьшем уровне, при котором происходит вспышка,
емпература продукта в камере вспышки 14 измеряется термопа-
ой 7, сигнал которой подается на вход электронного потенцио-
[етра — регистратора температуры вспышки.

Автоматические анализаторы кислотного числа. Кислотным числом
азывается количество едкого калия (КОН), выраженное в мг, не-
бходимое для нейтрализации 1 г испытуемого нефтепродукта.

Автоматические анализаторы типа АК4 предназначены для оп-
еделения кислотного числа окисленного парафина (оксидата) в
роцессе производства синтетических жирных кислот. Основные
арактеристики этих приборов:

Пределы измерений КОН/г, мг........................0... 100

Основная допускаемая приведенная
погрешность измерения, %...........................4

Параметры анализируемого вещества на входе:
плотность (при 90 °С), кг/м3.......................776...820

температура, °С....................................90... 105

давление, МПа......................................0,5... 1,5

Принцип действия прибора основан на использовании экзо-
омической реакции нейтрализации жирных кислот раствором ще-
лочи и определении тепла, выделенного в результате реакции, ко-
личество которого пропорционально кислотному числу.

Анализаторы упругости паров. Упругость паров (давление насы-
щенных паров) является характеристикой качества светлых неф-
тепродуктов. Наиболее существенные требования предъявляются к
упругости паров бензиновых фракций, так как этот параметр ха-
рактеризует качество стабилизации бензинов, косвенно отражая
содержание низкокипящих фракций в продукте.

Индикатор состава (типа ИС) предназначен для определения
состава бинарных смесей в системах автоматического регулирова-
ния процессов ректификации. Он обеспечивает измерение разно-
сти между упругостью эталонной жидкости и абсолютным давле-
нием в ректификационной колонне.

Датчик упругости паров (типа ДУ) предназначен для измере-
ния упругости паров бензина и преобразования ее в унифициро-
ванный пневматический сигнал 0,2... 1 МПа.

Его основные технические характеристики:

Пределы измерения, Па........................3,3 104...8,7 104

Основная допускаемая абсолютная
погрешность измерения, Па....................±0,2-104

Бензин на входе в первичный преобразователь должен иметь сле-
дующие характеристики:

Температура, °С........................................До	105

Давление, МПа....................................6... 12

Расход, л/мин.....................................0,8

В основу действия прибора положен принцип измерения ваку-
уметром динамического равновесия между вакуумом, образующем-
ся в межсопловом пространстве струйного насоса, через который
протекает анализируемый бензин, и давлением его паров при тем-
пературе термостатирования 38 °С. Степень компенсации вакуума
парами исследуемого бензина зависит от упругости его паров.

Конструкция первичного преобразователя прибора представлена
на рис. 2.188. Бензин, отбираемый с технологической установки на
анализ, поступает в фильтр грубой очистки 1. Часть бензина прохо-
дит через фильтр, очищается от механических примесей и, предва-
рительно охладившись, попадает в холодильник 6. Остальная (основ-
ная) часть бензина по трубопроводу 4 возвращается в технологичес-
кую линию. Пройдя через змеевик 5 холодильника, который омыва-
ется проточной водой, бензин охлаждается до температуры 25... 35 °С,
попадает в фильтр тонкой очистки 7 и далее в термостат 75.

Пройдя по змеевику 13, помещенному в термостатную жид-
кость (антифриз), анализируемый бензин нагревается до темпера-
туры термостатирования +38 °С и поступает в струйный насос 14.
Струя бензина, проходя через сопло струйного насоса, создает
около сопла разрежение (вакуум), которое заполняется парами
’ис. 2.188. Конструкция первичного преобразователя упругости паров бен-
зина ДУ-1М:

— фильтр грубой очистки; 2 — вентиль игольчатый; 3 — вентиль муфтовый; 4 —
рубопровод; 5, 11 и 13 — змеевик; 6 — холодильник; 7 — фильтр тонкой очистки;
и 16— термометр; 9 — манометр; 10— барботажор; 12— сифонная трубка; 14—
груйный насос; /5 — термостат; 17— ртутный контактный термометр; 18— блок
лектропитания; 19 — вакуумметр; 20 — фильтр-редуктор воздуха; 21 — блок реле;

22 — отсекающий пневматический клапан
бензина. Разрежение измеряется вакуумметром 19 и преобразуется
им в пневматический выходной сигнал преобразователя. Из струй-
ного насоса 14 бензин через сифонную трубку 12 самотеком по-
ступает в приемный бак на утилизацию. Система термостатирова-
ния, обеспечивающая необходимую температуру анализируемого
бензина, состоит из термостата 15, ртутного контактного термо-
метра 17, отсекающего пневматического клапана 22, блока реле
21 и блока электропитания 18. При изменении температуры термо-
статной жидкости контактный термометр замыкает или размыкает
электрическую цепь питания якоря блока реле, который исполь-
зуется в качестве заслонки воздушного сопла. Таким образом, элек-
трический сигнал от термоконтактора преобразуется в пневмати-
ческий. Усиленный пневмосигнал от блока реле поступает на ис-
полнительный пневмоклапан, который открывает или закрывает
подачу теплоносителя в змеевик подогрева. Температура бензина
после фильтра тонкой очистки и в термостате измеряется соответ-
ственно термометрами 8 и 16. Градуировка и поверка рассмотрен-
ного прибора осуществляются по результатам лабораторных ана-
лизов контрольных проб анализируемого вещества.

Анализаторы влажности жидких сред в нефтепереработке и неф-
техимии предназначены для измерения содержания влаги в ацето-
не, метиловом, этиловом, бутиловом спиртах, изопрене, толуоле
и других веществах переработки нефтепродуктов.

Принцип действия измерительных преобразователей у этих ана-
лизаторов основан на измерении степени поглощения жидкой вла-
гой энергии излучения в инфракрасной области спектра на опреде-
ленной характеристической полосе с максимумами 1,89; 1,91; 2,7 мкм.
Пределы измерений приборов соответствуют диапазонам изменения
влажности жидких материалов, используемых в нефтепереработке
(0... 10% по объему). Основная допускаемая приведенная погрешность
в зависимости от пределов измерения составляет ±(2,5...6)%.

Градуировка анализаторов проводится с помощью контрольных
смесей, аттестованных на содержание влаги лабораторным анали-
зом. Поверка выполняется сравнением показаний анализатора с
результатами лабораторных анализов контрольных проб.

Индикаторы цветности нефтепродуктов предназначены для сиг-
нализации об отклонениях нормы цвета нефтепродуктов и других
жидкостей в технологическом потоке. Принцип действия наиболее
распространенных индикаторов цветности основан на измерении
оптической плотности (цвета) продукта путем определения свето-
поглощения в видимой области спектра в диапазоне 450...700 нм. В
качестве первичного преобразователя в индикаторах типа АФИТ
применяется однолучевой фотометр с одним источником и одним
приемником излучения с непосредственным отсчетом показаний.

Анализаторы фракционного состава. Фракционный состав — ос-
новной параметр качества продуктов нефтепереработки. Нефть
представляет собой сложную смесь уг-
леводородов различного химическо-
го состава. Нефтепродукты разделяют
путем перегонки на отдельные час-
ти, каждая из которых является ме-
нее сложной смесью. Такие части при-
нято называть фракциями или дистил-
лятами. Нефтяные фракции не имеют

постоянной температуры кипения.
Они выкипают в определенных ин-
тервалах температур, т.е. имеют тем-

пературы начала и конца кипения,
которые зависят от химического со-
става фракции.

Фракционный состав нефтепро-
дуктов определяется в лабораторных
условиях путем их перегонки. Для оп-

Рис. 2.189. Структурная схема
анализатора фракционного со-
става нефтепродуктов АКТК:

1 — блок отбора и подготовки
пробы; 2 — измерительный пре-
образователь; 3 — потенциометр;

4 — нормирующий преобразова-
тель; 5 — миллиамперметр; 6 —
панель блокировки

«деления содержания отдельных фракций в светлых нефтепро-
(уктах по температуре кипения или вспышки применяются агре-

"атированные комплексы анализатора фракционного состава неф-
тепродуктов АКТК. Структурная схема агрегатированного комп-
текса АКТК изображена на рис. 2.189.

Анализируемый продукт поступает на вход технологического
сомплекса, который выполняет функции отбора и подготовки про-
зы для анализа (фильтрация, обезвоживание, стабилизация дав-
тения, дозирование и охлаждение). Пройдя через функциональ-
ные блоки технологического комплекса проба попадает в измери-
ельный преобразователь 2, где непрерывно автоматически вы-

юлняется анализ по определению температуры кипения или тем-
гературы вспышки. При этом измеряемая величина преобразуется
। эдс термопары, которая является выходным сигналом измери-
ельного преобразователя. Этот сигнал подается на вторичный при-
юр — электронный потенциометр 3 или через нормирующий пре-
бразователь 4 на электронный миллиамперметр 5.

Контрольные вопросы

1.	Что такое анализатор и какие показатели он оценивает?

2.	Чем характеризуются состав и физико-химические свойства газов и
жидкостей?

3.	Какие блоки включает в себя автоматический анализатор?

4.	Какие анализаторы газов нашли применение в промышленности?

5.	Каковы принцип и схема механического газоанализатора химиче-
кого поглощения?

6.	В чем заключается термохимический метод анализа веществ?

7.	Каковы принцип и устройство газоанализатора инфракрасного по-
ющения?
Глава 3

СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ
И КОНТРОЛЯ

В решении задач для обеспечения всемерного роста эффектив
ности производства и улучшения качества продукции важная рол
принадлежит измерительной технике, позволяющей наряду с по
лучением объективных данных о качестве продукции повышать про
изводительностъ труда на контрольных операциях и благодаря это
му сокращать число контролеров на предприятиях.

Важным направлением в машиностроительной промышленно
сти является использование контроля не как средства разделена
уже готовой продукции на годную и бракованную, а как средств
управления автоматически или с помощью оператора металлоре
жущими станками в целях получения размера с заданным допус
ком, предупреждения и исключения брака, а также установлени
оптимальных режимов обработки, обеспечивающих высокую про
изводительностъ при высоком качестве обрабатываемой поверхно
сти и отклонениях от правильной геометрической формы в преде
лах соответствующего допуска. Такие измерительные средства на
зываются средствами активного контроля.

Применение средств активного и автоматизированного контро
ля позволяет повысить эффективность технологических процессов
машиностроении и улучшить качество выпускаемой продукции.

3.1.	Общие принципы построения

3.1.1.	Классификация автоматических и автоматизированных
средств контроля размеров

По степени автоматизации процесса средства контроля разме
ров могут быть разделены:

на автоматизированные приспособления (обычно светофорнс
го типа), у которых операция загрузки и, как правило, операци
съема осуществляются вручную, а измерительное средство сигнг
лизирует о результатах контроля;

полуавтоматические системы, у которых операция загрузки ос]
ществляется вручную, а все остальное — автоматически;
автоматические системы, у которых весь цикл работы автома-
тизирован;

самонастраивающиеся системы, у которых автоматизирован
цикл настройки.

По воздействию на технологический процесс автоматические и
автоматизированные средства контроля размеров можно разделить:
на пассивные средства контроля, осуществляющие лишь рассор-
тировку деталей на группы в зависимости от результатов контроля;

активные средства контроля, которые при определенном измене-
нии контролируемой величины автоматически изменяют ход техно-
логического процесса и обеспечивают заданную точность обработки.

По способу преобразования измерительного импульса автома-
тические средства контроля делят на механические, пневматиче-
ские, гидравлические и электрические.

Принцип действия во многих конструкциях автоматических и
автоматизированных контрольных устройств основан на различ-
ном сочетании перечисленных средств преобразования измеритель-
ного импульса.

3.1.2.	Принципы построения приборов, используемых в средствах
активного и автоматизированного контроля

Средства активного контроля выполняют всю совокупность опе-
раций, необходимых для сравнения действительного размера обра-
батываемой детали с заданным размером и в зависимости от ре-
зультатов этого сравнения управляют технологическим процессом.

Независимо от технологического оборудования средства актив-
ного контроля в общем виде (рис. 3.1) строят по единой принци-
пиальной схеме, состоящей из отдельных узлов, предназначенных
для выполнения определенных задач.

Измерительная оснастка 1 включает в себя необходимые щупо-
вые механизмы в виде скоб, призм, рычажных устройств и т.д.,

Рис. 3.1. Схема средств активного контроля:

1 — измерительная оснастка; 2 — измерительный прибор; 3 — командное устрой-
ство; 4 — блок усилителя командных сигналов; 5 — блок сигнализации; 6 — блок
питания
подвижные элементы которых воспринимают изменения контро- 1
лируемого размера и преобразуют их в удобные для дальнейших |
измерений перемещения одного или нескольких своих звеньев. Эти |
преобразования обычно выполняются без усиления, а в некото- =
рых случаях даже с понижением чувствительности. К измеритель- ]
ной оснастке относятся также механизмы отвода и подвода щупо- !
вых устройств на позицию контроля, а также механизмы связи :
этих устройств со станком. Основная задача этих механизмов — мак- 5
симально снизить влияние на результаты контроля случайных пе-
ремещений контролируемой детали относительно узлов станка,
вызванных силами резания, трения и тепловыми явлениями.

Для получения информации о состоянии контролируемого па-
раметра в виде показаний на шкале перемещения звеньев измери-
тельной оснастки преобразуются в перемещения указателя шка-
лы, проградуированной в принятых единицах измерения. Эту функ-
цию выполняет измерительный прибор 2.

Измерительную информацию в виде аналогового сигнала пре-
образовывают в дискретный электрический сигнал-команду. При
достижении контролируемого размера определенной величины с
помощью сигналов-команд осуществляют автоматическое управ-
ление технологическим процессом.

В некоторых случаях для повышения точности и надежности
дискретный сигнал получают без изменения вида измерительной
информации, например в пневматических приборах, где измери-
тельной информацией является давление сжатого воздуха. С помо-
щью специальных устройств измерительную информацию преоб-
разовывают в дискретный сигнал в виде скачка давления и только
затем этот сигнал преобразовывают в электрический дискретный
сигнал-команду. Задачу получения дискретного сигнала-команды
выполняет командное устройство 3.

Команды прибора на станках выполняют путем коммутации мощ-
ных электрических цепей станка, приводящих в действие его ис-
полнительные органы, поэтому электрический сигнал-команду при-
бора усиливают, а коммутацию внешних выходных электрических
цепей осуществляют с помощью электромагнитных реле. Все это
вместе образует блок усилителя командных сигналов 4. Для инфор-
мации об исполнении команды служит блок сигнализации 5.

Средство активного контроля должно иметь источник, а в не-
которых случаях два источника питания (пневматические прибо-
ры). Для поддержания заданных параметров применяют специаль-
ные блоки питания 6.

Рассмотренная схема построения средств активного контроля
решает всю совокупность поставленных задач. Однако в некоторых
случаях, например в мелкосерийном производстве, где техноло-
гическое оборудование не приспособлено для восприятия команд
и их реализации, не требуется выполнения всех задач. Средство
контроля упрощается за счет исключения от-
дельных узлов. Построение средств активного
и автоматизированного контроля из отдель-
ных самостоятельных узлов экономически вы-
годно и удобно.

В качестве измерительных приборов, широ-

Рис. 3.2. Схема сред-
ства измерения с ме-
ханическим прибором:
1 — измерительная ос-
настка; 2 — механичес-
кий шкальный прибор

ко используемых в средствах активного и авто-
матизированного контроля, применяют меха-
нические, электроконтактные, пневматичес-
кие, индуктивные и другие приборы. Выбор того
или иного прибора зависит от задач, решае-
мых средством активного контроля, а также от
технологического оборудования для обработки

детали. Средство измерения с механическим прибором (рис. 3.2)
предназначено только для выдачи информации о состоянии раз-
мера обрабатываемой детали в виде показаний по шкале. Механи-

ческий шкальный прибор 2 жестко связан с измерительной осна-
сткой 1. Управление технологическим процессом осуществляется
вручную по результатам показаний прибора.

Средство измерения с электроконтактным преобразователем
(рис. 3.3) применяют для контроля деталей с точностью не выше
7...8квалитетов.

Из-за отсутствия шкалы в приборе измерительное средство до-
полнено механическим шкальным прибором 6. Выпускают также
механические шкальные приборы, включающие в себя электро-
контактный двухкомандный преобразователь.

Блок усилителя командных сигналов 3, блок сигнализации 4,
блок питания 5 выпускаются серийно промышленностью как в виде
отдельных блоков, так и в едином корпусе, объединяющем эти
три блока.

Недостатками измерительного средства с электроконтактным
преобразователем являются громоздкость и относительная слож-
ность конструкции измерительной оснастки 7, чувствительность к

Рис. 3.3. Схема средства измерения с электроконтактным преобразователем:
1 — измерительная оснастка; 2 — электроконтакгный преобразователь; 3 — блок
усилителя командных сигналов; 4 — блок сигнализации; 5 — блок питания; 6 —
механический шкальный прибор
Рис. 3.4. Схема средства измерения с пневматическим прибором:
1 — измерительная оснастка; 2 — пневматический прибор со шкалой; 3 — команд-
ное устройство; 4 — усилитель командных сигналов; 5 — блоки питания и
сигнализации; 6 — блок электропитания; 7 — блок питания сжатым воздухом

вибрациям, поэтому возникает необходимость постановки демп-
фирующих устройств. Кроме того, непосредственная связь элекг-
роконтактного преобразователя 2 с измерительной оснасткой 1,
которая может находиться в зоне обработки, требует надежной
герметизации преобразователя.

Средство измерения с пневматическим прибором (рис. 3.4) об-
ладает высокой точностью (обеспечивает контроль деталей с точно-
стью 6...7 квалитетов), позволяет вести бесконтактные измерения
и, что особенно важно, может быть построено из нормализованных
блоков серийного производства. Это средство измерения включает в
себя командное устройство 3 в виде электроконтактного преобразо-
вателя, поэтому усилитель командных сигналов 4, блоки питания и
сигнализации 5, блок электропитания 6 применяют те же, что и
для средства измерения с электроконтактным преобразователем.

Блок питания сжатым воздухом 7 состоит из стабилизатора дав-
ления и фильтра для очистки воздуха, которые выпускают как в
виде отдельных узлов, так и в виде объединенного блока.

Имеются пневматические приборы, включающие блоки для
построения полной схемы средства активного контроля.

Пневматический прибор со шкалой 2 позволяет создавать наи-
более простую и малогабаритную измерительную оснастку 1, что
важно при контроле в относительно труднодоступных местах. Это
объясняется тем, что с измерительной оснасткой 1 связывается
лишь выходное сопло прибора. Кроме того, эти приборы не чув-
ствительны к вибрациям и не требуют специальной герметизации.
К недостаткам следует отнести необходимость особого наблюде-
ния в процессе эксплуатации за всеми устройствами, обеспечива-
ющими подготовку сжатого воздуха.

Средство измерения с индуктивным преобразователем (рис. 3.5)
обладает высокой точностью, малой чувствительностью к вибраци-
ям, габаритные размеры измерительной оснастки значительно мень-
Рис. 3.5. Схема средства измерения с индуктивным преобразователем:

1 - измерительная оснастка; 2 — индуктивный преобразователь; 3 — командно-
показывающий прибор; 4 — блок питания

ше размеров оснастки с электроконтакгным преобразователем. Ин-
дуктивный прибор выпускают в виде единого узла, который включа-
ет все необходимые, рассмотренные выше функциональные блоки.
Данное средство требует высококвалифицированного обслуживания.

3.1.3.	Особенности метрологических характеристик
автоматизированных средств измерения и контроля

Автоматизированные и автоматические средства измерения и кон-
троля, используемые в машиностроении, так же как и универсаль-
ные, имеют нормируемые метрологические свойства. Общие для
большинства приборов показатели рассмотрены выше (цена деле-
ния шкалы, интервал деления шкалы, диапазон показаний, диапа-
зон измерений, вариация показаний, погрешности: абсолютная,
относительная, систематическая, случайная и т.д.). Аналогично были
рассмотрены и методы измерений (прямой, косвенный, абсолют-
ный, относительный, контактный, бесконтактный и т.д.).

Остановимся в этом подразделе только на некоторых, наиболее
характерных для автоматических средств контроля показателях:

чувствительность прибора — отношение изменения сигнала на
выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению
измеряемой величины;

погрешность срабатывания — погрешность команды (дискрет-
ного сигнала), выдаваемой прибором при достижении заданной
величины контролируемого размера или прекращении процесса
обработки контролируемой детали на станке;

погрешность смещения настройки — погрешность, характери-
зующаяся стабильностью работы прибора и определяемая смеще-
нием его настройки после определенного числа срабатываний;

погрешность настройки — погрешность, характеризующаяся не-
которым смещением срабатываний по отношению к настроечному
размеру за счет несовершенства узла настройки и опыта наладчика;

погрешность обратного хода — разность показаний прибора при
установке наконечника прибора в одно и то же положение при
теремещении его в прямом и обратном направлениях;
градуировочная характеристика — зависимость между значени-
ями величин на выходе и входе средства измерения, определяемая
для уточнения результатов измерения.

Кроме перечисленных характеристик для приборов часто ого-
вариваются нормальные (рабочие) условия работы, при которых
величины, влияющие на точность получаемых результатов, имеют
минимальные значения (температура, влажность, давление и т.д.).
Расчет величин указанных погрешностей проводится по специаль-
ным методикам.

3.1.4.	Измерительные преобразователи средств
автоматического контроля

На автоматизированных и автоматических средствах измерения и кон-
троля применяются в основном следующие виды преобразователей.

Фотоэлектрические преобразователи. Оптикатор, дополненный
светочувствительными элементами, называется фотоэлектричес-

кие. 3.6. Схема предельного фото-
электрического преобразователя:
1 и 2 — зеркальный сектор; 3 — зер-
кало; 4 — деталь; 5 — стержень; 6 и
7— фоторезистор; 8 — осветитель

ким сортировочным преобразовате-
лем. Световой луч, отраженный
подвижным зеркалом скрученной
ленты, освещает одновременно
шкалу прибора и соответствующий
светочувствительный элемент. Све-
товая коммутация этих элементов
используется для получения ко-
манд управления. Такие преобра-
зователи применяют при построе-
нии высокоточных контрольно-
сортировочных автоматов.

Малогабаритный предельный
фотоэлектрический преобразова-
тель (рис. 3.6) имеет механизм для
регулировки границ выдачи ко-
манд. Он позволяет получать две
команды, соответствующие любо-
му значению шкалы в диапазоне
±0,025 мм.

Измеряемое перемещение вос-
принимается стержнем 5 и далее,
как в оптикаторе, пружинным ме-
ханизмом преобразуется во враще-
ние зеркала 3.

Осветитель 8 направляет пучок
света на зеркало 3 (это направле-
ние постоянное), который, отра-
зившись от зеркала, при опреде-
Рис. 3.7. Схема формирования
команды с непосредственным
подключением электромаг-
нитного реле к фоторезистору
преобразователя

ленном положении измерительного
стержня может попасть на цилинд-
рические (кольцевые) зеркальные
секторы 1 или 2. Положение этих сек-
торов регулируется с помощью спе-
циального зубчатого механизма и ус-
танавливается в зависимости от ве-
личины допуска на контролируемый
размер детали 4. Пучок света, отра-
зившись от сектора 2, освещает фо-
торезистор 6, а световой луч сектора
7 — фоторезистор 7. Рабочие поверх-
ности зеркальных секторов и шкалы
соосны с осью вращения зеркала 3.

Если оба фоторезистора освещены, деталь считается годной; при
засветке только одного фоторезистора деталь будет отнесена к груп-
пам «Брак +» или «Брак -». Электрический ток на фоторезисторы
подается после установки светового индекса в положение, соответ-
ствующее контролируемому размеру.

Команды фотоэлектрических преобразователей формируют с по-
мощью электрических схем двух видов: с непосредственным под-
ключением электромагнитных реле к фоторезисторам или через
усилитель.

В схемах первого вида используют электромагнитные реле ис-
полнения с определенным сопротивлением катушки. Учитывая,
что оптимальной нагрузкой для фоторезисторов ФСК-4а (преоб-
разователь ПФС) является сопротивление 31 кОм, реле выпуска-
ют с этим сопротивлением, и его катушка имеет 80000 витков.
Принципиальная схема такого включения фоторезистора показа-
на на рис. 3.7. При освещении фоторезистора К его сопротивление
резко уменьшается, сила электрического тока в цепи возрастает,
реле Р, (Р2) срабатывает. Поскольку
чувствительность фоторезисторов ко-
леблется в значительных пределах,
для срабатывания реле при одинако-
вой засветке вводится переменное со-
противление К. Команда запоминает-
ся через замыкающийся контакт
КХ(К2). Ток на фоторезистор К подает-
ся через контакт измерительного тока
КИТ. Время срабатывания реле 60 мс.

На рис. 3.8 приведена схема фото-
реле с усилительной электронной
лампой, в анодную цепь которой
включено электромагнитное реле Рх
(схема второго вида).

Рис. 3.8. Схема формирования
команды с помощью элек-
тронного фотореле
Когда фотосопротивление К затемнено, напряжение смещения,
подаваемое с делителей К2, К3, К4 и сопротивлений и Я5 на сетку
лампы, запирает ее — реле Рг обесточено. При освещении фоторе-
зистора К потенциал сетки резко изменяется, лампа открывается,
возникает анодный ток, реле срабатывает (возник командный
сигнал). Схема реле обеспечивает запоминание команды на опреде-
ленное время за счет питания катушки электромагнитного реле Р{
через замыкающий контакт и контакт самопитания КСП. Таким
образом, срабатывание электромагнитного реле используется для
образования новой цепи питания катушки этого же реле. Настройка
срабатывания реле при определенном положении светового луча осу-
ществляется с помощью сопротивления Я5. Схема в исходное по-
ложение возвращается кратковременным разрывом контактов КСП.

Ток на фоторезисторы подается с помощью контактов измери-
тельного тока КИТ только тогда, когда подвижная система прибо-
ра находится в равновесном состоянии, т.е. через некоторый ин-
тервал времени после установки детали на позицию измерения.

Электроконтактные преобразователи. Электроконтактный пре-
образователь — это преобразователь линейных перемещений в дис-
кретный электрический сигнал — команду за счет замыкания или
размыкания электрических контактов.

Преобразователи подразделяют на предельные и амплитудные.
Первые предназначены для выдачи сигналов-команд при дости-
жении контролируемого размера заданной предельной величины;
вторые — для выдачи сигнала-команды, когда величина отклоне-
ний от правильной геометрической формы детали достигла задан-
ной независимо от величины контролируемого размера.

В средствах активного контроля используются электроконтакт-
ные приборы с предельными преобразователями, в автоматизиро-
ванных приборах — с амплитудными преобразователями.

В электроконтакгном преобразователе модели 228 (рис. 3.9) кон-
тролируемое перемещение воспринимается наконечником 1 изме-
рительного стержня 4 и далее через твердосплавный нож 23 и ко-
рундовый штифт 24 передается на рычаг 25, контакты которого
при определенной величине перемещения замыкают или размы-
кают электрическую цепь, проходящую через соответствующую
пару вольфрамовых контактов 19, 20 или 8, 28.

Перемещение измерительного стержня в бронзовых втулках 3 и
21 ограничивается поворотом штифта 5 и вилкой 29 с регулируе-
мым по ширине пазом. Измерительное усилие создается пружи-
ной 26, определенная величина усилия замыкания электрических
контактов обеспечивается пружиной растяжения 10 и плоской пру-
жиной 27. Большее усилие замыкания вызывает значительный ме-
ханический износ контактов.

Электрическая связь контактов со схемой включения осуществ-
ляется с помощью медных лепестков 30. Настройку преобразователя
Рис. 3.9. Конструкция электроконтактного преобразователя модели 228:
1 — наконечник; 2 и 13 — гайка; 5 и 21 — бронзовая втулка; 4 — измерительный
стержень; 5 — штифт; 6 — планка; 7 — барабан; 8, 19, 20 и 28 — вольфрамовый
контакт; 9— шарнир; 10— пружина растяжения; 11 — держатель; 12 — микромет-
рическая гайка; 14 — пружинная шайба; 15 — винт; 16 и 17 — текстолитовая
втулка; 18 — кольцо; 22 — корпус; 23 — нож; 24 — корундовый штифт; 25 — рычаг;
26 — пружина; 27 — плоская пружина; 29 — вилка; 30 — лепестки

на выдачу сигнала при заданной контролируемой величине произво-
дят настроечными винтами 75, которые соединены с микрометри-
ческой гайкой 12 и барабаном 7 (шкала их проградуирована в еди-
ницах длины с ценой деления 2 мкм) и изолированы от планки 6
текстолитовыми втулками 16 и 17. Перемещение винтов ограничи-
вается кольцом 18.

Осевой люфт винта 75 устраняется пружинной шайбой 14, ве-
личину усилия которой регулируют гайкой 13. Рычаг 25 изолиро-
ван от корпуса 22 и планки 6 корундовым штифтом 24, текстоли-
товыми прокладками, установленными под основание пружинно-
го крестообразного шарнира 9, и текстолитовым держателем 11.
Гайка 2 микроподачи служит для перемещения измерительного
стержня при настройке преобразователя по шкале микрометра (зак-
репляемого в отверстии диаметром 8Н9), наконечник которого
упирается в верхний торец измерительного стержня 4.

Преобразователь может работать в любом положении. Для его
закрепления служат два резьбовых отверстия М5.

Электроконтактный преобразователь модели 229 (рис. 3.10) от-
личается от преобразователя модели 228 наличием второй пары
контактов. При перемещении измерительного стержня вверх кон-
такт 2, подвешенный к рычагу на плоской пружине 1, замкнется
со сферическим контактом 3, закрепленным в дополнительном
регулировочном винте 4. При дальнейшем перемещении измери-
тельного стержня пружина 1 прогибается, при достижении задан-
ного размера замыкаются контакты 5 и 6. Наличие еще одной пары
контактов позволяет выдавать три размерные команды.

В элекгроконтактном преобразователе модели 233 (рис. 3.11) кон-
тролируемое перемещение воспринимается измерительным стер-
жнем 4 и через корундовый упор 3, закрепленный в верхней части
стержня, и планку 5 передается на подвижный рычаг, призма ко-

Рис. 3.10. Конструкция электроконтактного преобразователя модели 229:

1 — пружина; 2, 5 и 6 — контакт; 3 — сферический контакт; 4 — винт
Рис. 3.11. Конструкция электроконтактного преобразователя модели 233:
1 — гайка; 2 — шайба; 3 — упор; 4 — измерительный стержень; 5 — планка; 6 —
пружина растяжения; 7 — колодка; 8 — штуцер; 9 — уплотняющая гайка; 10 —
трубка; 11 — корпус; 12 — пластмассовая втулка; 13 — контакт; 14 — опора; 15 —
настроечный винт; 16— барабан; 17— пружина сжатия; 18— резьбовая втулка; 19
и 20 — электрический контакт

торого опирается на ножевидную опору 14, закрепленную в кор-
пусе 11 преобразователя.

Кинематическую связь планки 5 подвижного рычага с измери-
тельным стержнем обеспечивает пружина растяжения 6. Поворот
измерительного стержня относительно своей оси ограничивается
штифтом, перемещающимся в пазу колодки, закрепленной в кор-
пусе преобразователя.

Измерительное усилие создается пружиной сжатия 17, закреп-
ленной в резьбовой втулке 18. При перемещении измерительного
стержня вверх контакт 13 размыкается со сферическим контактом
настроечного винта 15 (цена деления барабана 16 равна 1 мкм).
При дальнейшем движении стержня происходит замыкание
электрических контактов 19 и 20.

Осевой люфт винтов 75 устраняется пружинными шайбами 2 и
гайками 7, регулировкой которых задается требуемая величина осе-
вого натяга. Перемещение регулировочных винтов ограничивается
гайками.

Электрические контакты изготовлены из палладиево-серебряного
сплава ПдСр-40. Плоские контакты изолированы от корпуса пласт-
массовыми втулками 12. Выводы от контактов подпаяны к переход-
ной колодке 7, от которой через штуцер 8 и уплотняющую гайку 9 в
общем жгуте в защитной трубке 10 выведены из датчика. Электричес-
кая связь с контактами, запрессованными в микровинты, осуществ-
ляется через корпус преобразователя, являющийся, таким образом,
общей точкой схемы подключения. Общая точка выведена из преоб-
разователя через специальный провод, расположенный в том же жгуте.

Пневматические преобразователи. Способ преобразования расхо-
да воздуха через чувствительный элемент преобразователя в давле-
ние является основным классификационным признаком пневмати-
ческих преобразователей. Исходя из этого существующие первич-
ные преобразователи можно разделить на следующие классы: дрос-
сельные, дроссельно-эжекторные, струйные, пневмочастотные и др.

Дроссельные преобразователи. К этому классу отно-
сятся преобразователи с чувствительным элементом в виде дрос-
селирующего канала, минимальная проходная площадь которого
прямо или косвенно зависит от контролируемой линейной вели-
чины, а преобразование расхода воздуха через этот элемент в дав-
ление осуществляется с помощью дросселя (входного сопла).

По виду геометрической формы канала дроссельные преобразо-
ватели можно разделить на две группы: первая группа — преобразо-
ватели без изменения направления движения газового потока через

Рис. 3.12. Схемы дроссельных преобразова-
телей

канал; вторая группа — с
изменением направления
движения газового потока
через канал.

Преобразователи пер-
вой группы образуются
при контроле малых от-
верстий (рис. 3.12, а),
проволоки (рис. 3.12, в),
кольцевых щелей, образо-
ванных в сопряжении
втулка — вал, щелей в
виде «цилиндрическое от-
верстие — шар» (рис. 3.12,
б) и других по форме ка-
налов.
Преобразователи второй группы образуются при бесконтакт-
ном контроле цилиндрических деталей (рис. 3.12, г), деталей с
плоскими поверхностями (рис. 3.12, д), а также при построении
контактных преобразователей, имеющих коническую или шаро-
вую заслонки (рис. 3.12, е, ж), т.е. к этой группе относятся преоб-

разователи с дросселирующим элементом типа сопло—заслонка.

Изменение направления движения потока в дросселирующем
канале (канал типа сопло — заслонка) по сравнению с каналами,
где такой эффект отсутствует, существенно меняет и физическую
картину дросселирования потока. Поэтому основы их расчета и вы-
бора параметров для этих групп преобразователей различны.

К конструктивным параметрам относятся диаметры входного,
измерительного сопел, шара (см. рис. 3.12, б, ж), конструктивные
элементы заслонок, вставок (см. рис. 3.12, в, е).

Для рассмотрения метрологических характеристик пневматичес-
ких преобразователей на рис. 3.13 представлен график зависимости
избыточного измерительного давления А от проходной площади из-
меряемого канала Рр которую в дальнейшем будем называть стати-
ческой характеристикой преобразователя. При работе пневматических
приборов используют прямолинейный участок характеристики, сте-

пень нелинейности которого не должна превышать заданную вели-
чину. Этот участок на графике ограничен точками РЕ т1п и Рк

К метрологическим характеристикам пневматического преоб-

разователя обычно относят следующие величины:

1)	диапазон измерения:
~ тах — тт»

2)	площадь измерительного дроссе-
лирующего канала, соответствующую
середине линейного участка:

— (^тш + ^тах)/ 2,

3)	чувствительность преобразовате-
ля К(Р^ = (1к/(1Реср, характеризующую
величину изменения измерительного дав-
ления при изменении площади (зазора)
измерительного канала на единицу пло-
щади (длины). Чувствительность макси-
мальна в середине линейного участка, и
это значение принимают в расчетах;

4)	нелинейность характеристики 5РВ =
= (Д/^/Л/у 100%, где Д/^ — расхожде-
ние между кривой А = / (/Д) и прямой,
ее линеаризующей. Линеаризующая
прямая проходит через середину линей-
ного участка с угловым коэффициен-
том, равным максимальной чувстви-
тельности.

Рис. 3.13. Статическая ха-
рактеристика дроссельного
преобразователя
Дроссельно-эжекторные преобразователи. К это-
му классу относятся преобразователи с чувствительным элемен-
том в виде дросселирующего канала, минимальная проходная пло-
щадь которого прямо или косвенно зависит от контролируемой
линейной величины, а преобразование расхода газа через этот эле-
мент в давление осуществляется с помощью струйного аппарата —
эжектора.

Эти преобразователи имеют существенно больший диапазон из-
мерения, более высокую производительность, меньшую погреш-
ность, вызванную колебанием давления питания.

Принципиально дроссельно-эжекторные преобразователи можно
разделить на две группы:

1)	преобразователи, дросселирующий измерительный элемент
которых, воспринимающий линейные перемещения, является
неотъемлемой частью эжектора; такие преобразователи будем на-
зывать дроссельно-эжекторными',

2)	преобразователи, дросселирующий элемент которых явля-
ется самостоятельным узлом и лишь с помощью трубопровода свя-
зан с эжектором; эти преобразователи будем называть дроссельно-
эжекторными с выносным соплом.

На рис. 3.14, а представлена схема дроссельно-эжекторного пре-
образователя, относящегося к первой группе. Сжатый воздух под
постоянным давлением питания Н истекает из входного сопла 1
непосредственно в сопло дросселирующего элемента 2. Данная пара
сопел и образует струйный аппарат — эжектор.

Рис. 3.14. Дроссельно-эжекторный преобразователь:

а — первой группы (7 — входное сопло; 2 — сопло дросселирующего элемента;
3— деталь; 4 — манометр); б — второй группы — с выносным соплом (7 и 2 —
сопло; 3 — выносное сопло; 4 — манометр); в — зависимость измерительного
давления от величины зазора (7 и 2— кривые)
В зависимости от зазора 7, т. е. от величины расхода воздуха через
дросселирующий элемент, в измерительной камере устанавливается
определенное измерительное давление /г, которое используется как
носитель измерительной информации линейного размера детали 3 и
измеряется манометром 4, проградуированным в единицах длины.

На рис. 3.14, б показана схема преобразователя с выносным со-
плом 3, образующим с поверхностью контролируемой детали дрос-
селирующий канал. В зависимости от величины зазора 7 в камере
эжектора, образованного соплами 7 и 2, устанавливается опреде-
ленное измерительное давление А, определяемое манометром 4.

Зависимость й = / (7) (рис. 3.14, в) является характеристикой
преобразователя. Прямолинейный участок характеристики дроссель-
но-эжекторного преобразователя (кривая 2) значительно больше,
чем у дроссельного преобразователя (кривая 7) при одинаковой
чувствительности. При больших зазорах за счет явления эжекции
измерительное давление данного преобразователя может достигать
даже отрицательных значений, что отмечено кривой 2.

Дроссельно-эжекторные преобразователи позволяют более гибко
решать различные метрологические задачи. На рис. 3.15 приведены
схемы построения типовых измерительных средств с помощью дан-
ных преобразователей. Толщину детали измеряют контактным или
бесконтактным способом от неподвижной базы преобразователя-
ми с заслонками (см. рис. 3.15, а). Схема измерения диаметра Л
преобразователем с двумя выносными соплами, показанная на
рис. 3.15, б, исключает в определенных пределах из результатов
измерения случайные перемещения детали по линии измерения.

Рис. 3.15. Схемы измерительных средств с дроссельно-эжекторными преоб-
разователями
Схема косвенного измерения диаметра Б прутка, проволоки
или площади проходного сечения отверстия показана на рис. 3.15, в.
При автоматизации контроля диаметра проволоки в процессе ее
волочения важным является обеспечение относительно большой

кольцевой щели между проволокой и внутренней поверхностью
сопел с одновременно высокой чувствительностью преобразова-
теля. Это условие наиболее полно удовлетворяется с помощью дрос-
сельно-эжекторных преобразователей с выносным соплом.

Схема измерительного средства для автоматической комплекс-
ной сборки или комплексной обработки с использованием дрос-
сельно-эжекторного преобразователя с выносными соплами по-
казана на рис. 3.15, г. При правильно выбранных параметрах изме-
рительное средство обеспечивает получение Л2 ~ Л = сопй при
одном и том же показании прибора (Л = сопв!) независимо от
номинальных размеров контролируемых деталей.

Автоматическое исключение из результатов контроля толщи-
ны детали (размер Ь) случайных перемещений базовой поверх-
ности осуществляется двумя преобразователями (см. рис. 3.15, д'),
измерительные камеры которых включены в противоположные
ветви дифференциального манометра. Аналогичная схема, пред-
назначенная для контроля разности двух размеров Д и Д, по-
казана на рис. 3.15, е.

Индуктивные преобразователи. В индуктивных приборах исполь-
зуют свойство катушки изменять свое реактивное сопротивление

а	б

Рис. 3.16. Схемы индуктивных
преобразователей:

а — измеряемая величина вызывает
изменение длины воздушного зазо-
ра; б — измеряемая величина вызы-
вает изменение площади воздушно-
го зазора; 1 — катушка преобразова-
теля; 2 — магнитопровод; 3 — якорь
преобразователя; 4 — пружина, со-
здающая измерительное усилие; 5 —
контролируемая деталь

при изменении некоторых ее па-
раметров, определяющих величи-
ну индуктивности Ь.

Для получения возможно боль-
шей индуктивности катушку, как
правило, выполняют с магнито-
проводом из ферромагнитного ма-
териала (рис. 3.16). Один из элемен-
тов магнитопровода (якорь 3) вы-
полняют подвижным, и его поло-
жение относительно неподвижной
части магнитопровода 2 определя-
ет величину изменения магнитно-
го сопротивления цепи, а следо-
вательно, и индуктивности катуш-
ки преобразователя 1.

Изменение индуктивного сопро-
тивления катушки преобразовате-
ля 1 ведет к соответствующему из-
менению ее полного сопротивле-
ния 7. Таким образом, если связать
перемещение якоря 3 с измеряе-
Рис. 3.17. Характеристики индуктивных преобразователей:
а — с изменяющейся шириной воздушного зазора; б — с изменяющейся площадью
воздушного зазора

мой величиной 5 при I/ = сопй, то возникнет функциональная
зависимость между б и электрическим параметром Ь: Ь -/(б).

Устройство, которое преобразует линейные перемещения в элек-
трический сигнал с помощью рассматриваемой выше катушки,
называется индуктивным преобразователем.

В применяемых в настоящее время индуктивных преобразовате-
лях для линейных измерений индуктивность изменяют посредством
изменения величины б0 (рис. 3.17, а) или площади Уо (рис. 3.17, б).

Характеристика индуктивного преобразователя с переменным
зазором Ь = / (б) приведена на рис. 3.17, а, а преобразователя с
переменной площадью — на рис. 3.17, б. Из рис. 3.17, а видно, что
характеристика преобразователя с переменным зазором нелиней-
на, но позволяет получить высокочувствительную измерительную
систему. Для повышения чувствительности преобразователя вели-

чину воздушного зазора сле-
дует уменьшать. Чтобы с за-
данной степенью точности
можно было считать чувстви-
тельность преобразователя
величиной постоянной, не-
обходимо рабочий участок
длиной Аб = бтах - бт,п пре-
образователя ограничивать
допустимыми зазорами бтах и
бт!п, причем минимальная
величина воздушного зазора
должна быть тем больше, чем
больше диапазон изменения
зазора в процессе измерения.

Чем меньше отношение
Дб/б0, тем меньше величина

Рис. 3.18. Схемы индуктивных преобра-
зователей:

а — дифференциальный с изменяющимся воз-
душным зазором; б — дифференциальный с
изменяющейся площадью воздушного зазора
нелинейности характеристики преобразователя. Для получения бо-
лее линейной зависимости без уменьшения величины А8 приме-
няют индуктивные преобразователи, принцип действия которых
показан на рис. 3.18, а. Преобразователь имеет две магнитные цепи
с общим якорем. Под действием измеряемой величины оба зазора
изменяются одинаково, но с различными знаками. Такой преоб-
разователь называют дифференциальным.

Для дифференциальных преобразователей при нелинейности ха-
рактеристики 1 % Д5/б0 ~ 0,15... 0,20. При таком отношении диапазо-
на измерения и начального зазора нелинейность характеристики
недифференциального преобразователя составит более 10%.

При соответствующем включении обеих катушек в измеритель-
ную схему (например, в соседние плечи мостовой схемы) диффе-
ренциальный преобразователь имеет примерно в два раза боль-
шую чувствительность по сравнению с недифференциальным, ме-
нее чувствителен к колебаниям окружающей температуры, пита-
ющего напряжения и его частоты. Поэтому дифференциальные пре-
образователи находят широкое применение в приборах для линей-
ных измерений.

Индуктивные преобразователи с переменной площадью воздуш-
ного зазора имеют линейную характеристику 2, =/(.%) (см. рис. 3.17, б),
но невысокую чувствительность, используются для измерения боль-
ших перемещений. Дифференциальная схема данного типа преоб-
разователя (рис. 3.18, б) обладает аналогичными преимуществами.

Для измерения больших перемещений и построения малогаба-
ритных преобразователей с высокой степенью линейности харак-
теристик применяют дифференциальные преобразователи солено-
идного типа (рис. 3.19). Преобразователь состоит из двух катушек,
внутри которых помещен ферромагнитный
сердечник (якорь). При перемещении яко-
ря внутри катушек индуктивность их изме-
няется. Для повышения чувствительности
катушки заключены в ферромагнитный эк-
ран. Характеристика соленоидного преоб-
разователя линейна, измерительное усилие
незначительно.

Эти преобразователи питаются напряже-
нием с частотой 5... 10 кГц и позволяют кон-
струировать приборы с ценой деления
0,02... 50 мкм для измерения ±(0,001... 6) мм.

Для получения требуемой чувствитель-
ности особенно важно правильно выбрать
магнитную цепь преобразователя.

Магнитные цепи индуктивных преобра-
зователей должны обеспечивать следующие
требования:

Рис. 3.19. Схема диффе-
ренциального преобра-
зователя соленоидного
типа
минимальную реакцию электромеханических сил на измери-
тельный стержень;

минимальную зависимость параметров от температуры;
минимальные габариты магнитной системы;

форму магнитной цепи, обеспечивающую наиболее простую тех-
нологию обработки и сборки и наиболее рациональное сочетание
конструкции магнитной системы с конструкцией подвески изме-
рительного стержня с подвижным якорем.

Этим требованиям наилучшим образом отвечают дифференци-
альные преобразователи.

Катушки преобразователя обычно питаются стабилизированным
по частоте и амплитуде напряжением 1... 10 В. Выбор значения ча-
стоты источника питания определяется необходимостью получе-
ния достаточной чувствительности и уменьшением динамических
погрешностей измерений. Чувствительность преобразователя рас-
тет с увеличением частоты питающего напряжения, но одновре-
менно растут потери в сердечнике и, следовательно, активное со-
противление катушки преобразователя. При некоторой оптималь-
ной частоте питания чувствительность преобразователя достигает
своего максимума.

Существующие высокоточные приборы питаются напряжени-
ем с частотой 3... 10 кГц.

Выбор материала для магнитных цепей индуктивных преобра-
зователей определяется из условия минимальных потерь на гисте-
резис и вихревые токи.

3.1.5.	Автоматизированные контрольные устройства

К автоматизированным контрольным устройствам относят све-
тофорные и полуавтоматические устройства с датчиками, сигна-
лизирующими о результатах контроля или управляющими испол-
нительными механизмами. Эти устройства широко используют в
индивидуальном, мелкосерийном и реже крупносерийном произ-
водстве. Обычно в таких устройствах применяют ручную загрузку и
съем детали с измерительной позиции. Достоинствами этих уст-
ройств являются их низкая стоимость по сравнению с автоматами,
повышенная производительность по сравнению с механизирован-
ными приспособлениями, особенно при многомерном контроле,
высокая точность, объективность результатов измерения и возмож-
ность применения типовых элементов электрических схем. Свето-
форные приспособления обеспечивают лишь контроль предельных
отклонений, а не измерение действительных размеров изделия. Све-
тофорные устройства предпочтительно применять при многомер-
ном контроле сложных изделий (при одновременном измерении
более двух размеров), например, таких деталей, как поршни, пор-
шневые пальцы, коленчатые валы, клапаны двигателей и т.д.
4

Рис. 3.20. Схема измерительной позиции многомерного приспособления
БВ-7221:

7 — базирующая призма; 2 — упор; 3 — контролируемая деталь; 4 — датчик; 5 —
измерительные наконечники; 6 — ручка

В сборных контрольных приспособлениях на опорной плите с
Т-образными пазами монтируют базирующие элементы (призмы,
центры, оправки, столики), закрепляющие элементы (патроны,
рукоятки, прижимы), элементы установки и съема изделий с из-
мерительных позиций, передаточные устройства (штоки, рычаги,
коромысла, прижимные подвески), датчики и показывающие при-
боры, исполнительные устройства в виде светофорных табло, эк-
ранов, блоков с цифровой индикацией, устройства поворота и
перемещения изделий, усилительно-преобразующие элементы с
пороговыми схемами и электронными реле.

На рис. 3.20 представлена схема измерительной позиции много-
мерного приспособления БВ-7221, предназначенного для контро-
ля до шести размеров валов и ползунов с погрешностью контроля
не более 0,025 мм, с габаритными размерами 410x207x319 мм. Кон-
тролируемую деталь 3 вручную укладывают на базирующие при-
змы 1 и прижимают к упору 2. Поворотом ручки 6 арретирующего
механизма скобы с датчиками 4 наводятся на деталь, а измери-
тельные наконечники 5 входят в проточки детали. В зависимости от
вида брака и годности на световом табло загорается зеленая, белая
или красная лампочка.

3.1.6.	Автоматические системы для пассивного контроля размеров

Поскольку в массовом производстве под контролем изделий по-
нимают не только установление соответствия их действительных раз-
меров предельным (калибровка, сравнение с образцовыми деталя-
ми и т.д.), но и измерение размеров в целом, то различают автома-
тические системы разбраковочные, образующие в процессе конт-
роля группы годных и отбракованных изделий, и сортировочные,
осуществляющие рассортировку изделий на группы по размерам и
форме. Различают также комплектующие системы, осуществляю-
щие комплектование сборочных единиц в зависимости от размеров
входящих в них деталей, и системы со встроенным контролем, в
которых контрольные операции выполняются после технологичес-
ких. По степени охвата изделий контрольными операциями разли-
чают системы сплошного (100%-го) и выборочного контроля.

В зависимости от состояния изделия в процессе контроля (по-
кой или движение) различают системы с периодическим и непре-
рывным перемещением изделий. По степени воздействия преобра-
зователей контрольного импульса на изделие различают две груп-
пы систем: с контактным и бесконтактным воздействием. По чис-
лу контрольных позиций системы подразделяют на одно- и много-
позиционные.

Точность и точностная надежность средств пассивного контро-
ля размеров определяются величинами возмущающих воздействий
(привходящих и собственных колебаний, соударений подвижных
масс, центробежных сил, колебаний температуры и др.), выбором
метода контроля, типом преобразователя контрольного импульса
и степенью его воздействия на изделие, инструментальными по-
грешностями контрольных позиций и жесткостью системы, свой-
ствами контролируемых изделий (шероховатость поверхности, сте-
пень загрязненности, жесткость и т. п.). Величина комплексной пре-
дельной погрешности средств пассивного контроля размеров со-
ставляет от ±(0,25... 10) мкм в зависимости от сочетания перечис-
ленных факторов.

Типаж систем для пассивного контроля. В зависимости от формы
поверхности контролируемых изделий и размеров, подвергаемых
контролю, системы для пассивного контроля подразделяют на сле-
дующие: для контроля диаметров и формы деталей типа тел вра-
щения (пальцев, роликов, шаров, колец и др.); для контроля длин,
глубин и толщин; для контроля резьбовых деталей; для контроля
зубчатых колес; для контроля параметров качества изделий.

Системы для контроля диаметров и формы де-
талей типа тел вращения. Для данного контроля приме-
няют системы с наклонно расположенными линейками, шибер-
ные, с транспортирующими дисками, с отклоняющимся рыча-
гом, с клиновыми калибрами, с раздвижными линейками и роли-
ками, роторные и др.

На рис. 3.21 представлена позиция (первая) автомата БВ-471,
на которой производится контроль диаметра, овальности и угла
конуса дорожки качения внутреннего кольца конического роли-
коподшипника. Измерительное устройство установлено в основа-
нии 21 на станине. Стойка 12 с шариком служит для центрирова-
Рис. 3.21. Позиция автомата БВ-471 для контроля колец роликоподшип-
ников (первая):

1 — пружина; 2 и 4 — плавающая рамка; 3 и 5 — пружинная подвеска; 6 и 15 —
сопло; 7 и 14 — кронштейн; 8 — стойка; 9 — винт; 10 — базовая опора; 11 —
магнитный патрон; 12 — стойка; 13 — наконечник; 16 и 19 — кронштейн; 17 и
18— преобразователь; 20 — регулировочный винт; 21 — основание; 22 — шток;

23— арретир; 24 — пружины

ния магнитного патрона 77, в котором закреплено кольцо роли-
коподшипника. К стойкам 8 на плоских пружинных подвесках 3 и
5 прикреплены соединенные пружиной 1 плавающие рамки 2 и 4,
на которых установлены кронштейны 7 и 14 с твердосплавными
наконечниками 13. При установке в патроне 77 с базовыми опора-
ми 10 контролируемого кольца наконечники 13 опираются в мо-
мент контроля на поверхность дорожки качения кольца. На ниж-
ней рамке 2 установлен кронштейн 16 с упорами, взаимодейству-
ющими с измерительными наконечниками преобразователей 77
и 18, закрепленных на верхней рамке 4. Электроконтактный пре-
дельный преобразователь 7 7контролирует диаметр дорожки, амп-
литудный преобразователь 18 контролирует овальность дорожки
качения кольца. Сопла 6 и 15 с винтами 9, установленные в крон-
штейнах 7и 14, измеряют разность диаметров дорожки на опреде-
ленной длине, т. е. отклонение угла конуса. Эти сопла подсоедине-
ны к опорному сильфону пневмопреобразователя, который реаги-
рует на изменение суммарного зазора у торцов обоих сопл. Для
отвода рамок 2 и 4 от кольца при его установке или снятии служат
пневматические арретиры 23, пружины 24 которых перемещают
штоки 22 и посредством регулировочных винтов 20 и кронштей-
нов 19 отводят рамки от центра позиции. При контроле в полость
цилиндра арретира 23 поступает сжатый воздух и перемещает пор-
шень со штоком 22 к центру, освобождая рамку.

На второй позиции (рис. 3.22) контролируется разностенность
и высота внутренних колец конического роликоподшипника. Кон-
троль разностенности производится амплитудным преобразовате-
лем 1 электроконтактного типа, установленным на каретке 18. По-
грешность радиального биения кольца исключается посредством
установки каретки 18 на шариковых направляющих. Базовый упор 5
каретки соприкасается с внутренней поверхностью кольца под уси-
лием пружины 77. С наружной поверхностью кольца соприкасается
наконечник 4 рычага 3, который установлен на каретке и может
качаться вокруг оси. Наконечник 4 прижимается к поверхности
кольца под измерительным усилием штока 2 преобразователя 7.
Арретирование наконечника 4 после окончания контроля произ-
водится штоком 14 пневмоцилиндра 75, перемещающимся вправо
под действием пружины 16, в то время как в правой полости пнев-
моцилиндра 75 давление уменьшается до атмосферного. При этом
шток 14 через упоры 13 и 12 рычага 3 воздействует на упор 77
каретки 18, вследствие чего контролируемое кольцо освобождает-
ся от нажима упора 5. Контроль высоты кольца осуществляется
пневмосоплом 8, воздух из которого поступает под давлением в
зазор между верхним торцом сопла и нижней базовой плоскостью
кольца /патрона 6. Упор 10колодки 9, установленной на подвеске

Рис. 3.22. Позиция автомата БВ-471 для контроля колец роликоподшип-
ников (вторая):

1 — преобразователь; 2 и 14 — шток; 3 — рычаг; 4 — наконечник; 5 — базовый
упор; 6 — патрон; 7 — кольцо; 8 — пневмосопло; 9 — колодка; 10, 11, 12 и 13 —
упор; 15 — пневмоцилиндр; 16 и 17 — пружина; 18 — каретка
Рис. 3.23. Блок контроля глубины выточки, длины и наружного диаметра стаканчика:

1м. 11 — упор; 2м 10— измерительная головка; 3 и 8 — шток; 4м 7 — контрольный инструмент; 5 — базовое кольцо; 6 — проходное
кольцо; 9 — преобразователь; 12 — стаканчик
из плоских пружин, соприкасается с плоскостью нижнего торца

кольца, которое при контроле отклонения от соосности и высоты
вращается вокруг своей оси.

Системы для контроля длин, глубин и толщин.
На рис. 3.23 представлен контрольный блок роторной системы, в
которой контролируется глубина выточки, длина и наружный ди-
аметр металлического стаканчика. К корпусу блока присоединены
с двух сторон измерительные головки 2 и 10 с электроконтакгны-
ми рычажными преобразователями 9. В штоках 3и Оголовок зак-
реплен контрольный инструмент 4 и 7, а также упоры 7 и 11,
взаимодействующие с измерительными стержнями преобразова-
телей 9. При контроле стаканчик 12 поджимается своим торцом к
базовому кольцу 5, при этом измерительная головка 2 контроли-
рует глубину выточки, а измерительная головка 10— длину ста-
канчика и наружный диаметр. Наружный диаметр контролируется
проходным кольцом 6. Если стаканчик не входит в кольцо, изме-
рительная головка 10 отбраковывает его как длинный.

Системы для контроля резьбовых деталей. Для
контроля наружных резьб (болтов) используются плоские плашки
без прокатывания изделия (контроль резьб точного класса по приве-
денному среднему диаметру в одном осевом сечении), плоские плашки
с прокатыванием изделия (контроль малогабаритных изделий), резь-
бовые ролики и разрезные сегментные калибры. Внутренние резьбы

контролируют посред-
ством раздвижных или пре-
дельных калибров пробок.

Конструкция автомата
системы для контроля
резьбы винтов МЗ...М8
показана на рис. 3.24. Из
загрузочного устройства
винты попадают в питаю-
щий лоток 4, откуда они
поочередно поступают на
контрольную позицию,
выполненную в виде зак-
репленной на ползуне 7
подвижной плашки 3, со-
вершающей возвратно-по-
ступательное движение, и
неподвижной плашки 6,
связанной с электрокон-
тактным преобразователем
7. Контролируемый винт
подается отсекателем 5 к
фиксатору 2. При движе-

Рис. 3.24. Конструкция автомата для конт-
роля наружной резьбы:

7 — ползун; 2 — фиксатор; 3 — подвижная
плашка; 4 — лоток; 5— отсекатель; 6 — непод-
вижная плашка; 7 — электроконтактный пре-
образователь
Рис. 3.25. Схема контроля
внутренней резьбы:

1 — гладкий непроходной ка-
либр; 2 — гладкий проходной
калибр; 3 — резьбовый проход-
ной калибр

нии ползуна 1 вниз плашки 3 и 6 зах-
ватывают и прокатывают винт. В зави-
симости от размера приведенного сред-
него диаметра резьбы винта замыкает-
ся один из контактов преобразователя
7, при этом подается соответствующий
электрический импульс на разбрако-

вочное устройство (брак исправимый,
годный, брак неисправимый). Настрой-
ка системы производится по двум пре-
дельным резьбовым калибр-пробкам.

Одним из наиболее распространен-
ных методов контроля внутренней

резьбы (рис. 3.25) является контроль
вначале гладким проходным калибром 2, затем резьбовым про-
ходным калибром 3 и наконец гладким непроходным калибром 1.

Гладкий и резьбовой проходные калибры выполнены в виде ком-
бинированного калибра и снабжены приводом возвратно-посту-
пательного и вращательного движений. Гладкий непроходной ка-

либр имеет привод возвратно-поступательного движения.

На рис. 3.26, а показана конструкция автомата для контроля
данным методом внутренней резьбы гаек. Гайки поштучно пода-
ются из магазина с помощью отсекателя 10, на измерительную
позицию 2. Комбинированный проходной калибр 1 укреплен на

шпинделе и имеет вращательное с реверсом и возвратно-поступа-
тельное движения. Сначала в гайку входит гладкий проходной ка-
либр, который проверяет внутренний диаметр резьбы и ориенти-

Рис. 3.26. Конструкция автомата для контроля резьбы гаек (а) и схема
контрольной позиции (б):

1 — комбинированный проходной калибр; 2 — измерительная позиция; 3 — про-
кладка; 4 — непроходной калибр; 5, 7и 9 — контакт; би 11 — пружина; 8— щеки;

10 — отсекатель
рует ось резьбы с осью резьбового калибра. Если размер резьбы
занижен, то гайка заклинивается на калибре и начинает вращать-
ся в щеках 8, растягивая пружины 11 (рис. 3.26, б). При этом раз-
мыкается контакт 9, подающий командный сигнал на разбрако-
вочное устройство. При реверсировании движения калибра он вы-

винчивается из гайки, так как усилие, удерживающее гайку в ще-
ках 8, при вывинчивании резко возрастает за счет уменьшения
плеча щеки при сохранении момента от действия пружин 11. Пос-
ле вывинчивания и выхода проходного калибра следует контроль
непроходным калибром 4. Если он входит во внутренний диаметр
резьбы, то размыкается контакт 5, управляющий устройством раз-
браковки. В том случае, когда в этот диаметр не входит гладкий
проходной калибр 1, он проталкивает гайку вместе с прокладкой
3, вследствие чего сжимается пружина 6 и размыкается контакт 7,
также связанный с разбраковочным устройством.

На рис. 3.27 изображена конструкция головки для контроля внут-
ренних резьб. Резьбовая калибр-пробка состоит из двух взаимосвя-
занных половин, которые заводятся в контролируемое резьбовое
отверстие в сжатом состоянии прямолинейным перемещением всей
головки. После этого резьбовая пробка разжимается и ввинчивается
в резьбу при вращении контролируемой детали. При отклонении в

размерах резьбы размыкается нормально замк-
нутый контакт, подающий сигнал на разбрако-
вочное устройство. Самоустановка пробки по
резьбе и ее продольное перемещение осуществ-
ляются за счет выхода конуса 3 из конусного от-
верстия 2 и подвески всей головки в момент кон-
троля на резиновом шнуре 1.

Системы для автоматического
контроля и комплектования при се-
лективной сборке. Селективная сборка мо-
жет осуществляться тремя основными способами:
загрузкой системы рассортированными на
размерные группы составными частями изделий
с последующим комплектованием по заданной
программе;

подбором парных составных частей без пред-
варительной рассортировки по группам;

предварительной рассортировкой на группы
только одной составной части из двух или не-
скольких сопрягаемых с последующим контро-
лем нерассортированных составных частей и ком-
плектованием их с рассортированными состав-
ными частями определенной размерной группы.

Последний способ применяют при сборке ша-
рико- и роликоподшипников в целях получения

Рис. 3.27. Конст-
рукция головки
для контроля вну-
тренних резьб:

1 — резиновый
шнур; 2 — конус-
ное отверстие; 3 —
конус
радиальных и осевых зазоров собранных подшипников в пределах
нормированных величин. Конструкция системы для автоматического
контроля и комплектования при селективной сборке шарикоподшип-
ников представлена на рис. 3.28. На измерительных позициях системы
одновременно измеряются средние диаметры беговых дорожек внут-
ренних 1 и наружных 2 колец подшипника. В каждой измерительной
станции установлено по четыре пневмосопла, расположенных под
углом 90° друг к другу. Это позволяет оценить размер желоба по ус-
редненному значению диаметра. Все восемь сопел включены в одну
ветвь пневматического мембранного преобразователя 11. Чем меньше
диаметр желоба наружного кольца и чем больше диаметр желоба внут-
реннего кольца, тем меньше их разность и суммарный зазор у сопел,
от которого зависит давление с левой стороны мембраны преобразо-
вателя. Давление с правой стороны мембраны определяется зазором
между соплами 9 и клином 8. Клин 8 перемещается в сторону умень-
шения зазора, и при выравнивании давлений с обеих сторон мемб-
раны происходит замыкание электрических контактов 12 и 13. В мо-

Рис. 3.28. Конструкция системы для автоматического контроля и комплек-
тования при селективной сборке шарикоподшипников:

1 — внутреннее кольцо подшипника; 2 — наружное кольцо подшипника; 3 —
бункер; 4 — реле; 5 — комплект шариков; 6 — подвижная каретка; 7— щетка; 8—
клин; 9 — сопла; 10 — вход; 11 — мембранный преобразователь; 12 и 13 — элек-
трический контакт
мент замыкания рейка подвижной каретки 6установит щетку /ком-
мутатора в определенное положение, тогда будет замкнут контакт
коммутатора, соответствующий требуемой для комплектования раз-
мерной группе шариков. Многосекционное реле 4 подает команду на
выдачу комплекта шариков 5 из определенного бункера 3. Сжатый
воздух стабилизированного давления в данной системе подается на
вход 10, а также на устройства для арретирования измерительных
сопел посредством золотника, управляемого электромагнитом.

Контрольные вопросы и задания

1.	Как подразделяются автоматические и автоматизированные сред-
ства контроля размеров по степени автоматизации?

2.	Какие основные элементы включены в структуру средств автомати-
зированного контроля?

3.	Назовите основные метрологические характеристики автоматизи-
рованных средств контроля.

4.	Какие типы измерительных преобразователей применяются в при-
борах автоматического и автоматизированного контроля? Назовите их
преимущества и недостатки.

5.	Назовите признаки, по которым классифицируются автоматиче-
ские системы пассивного контроля.

3.2.	Средства активного контроля

Средства активного контроля в процессе об-
работки характеризуются тем, что обрабатываемый размер не-
прерывно измеряется во время обработки и получаемая информа-
ция используется для автоматического или ручного изменения ре-
жимов обработки и прекращения ее при достижении обрабатыва-
емым размером заданного значения. Эти средства используют в тех
случаях, когда обрабатываемый размер изменяется в процессе обра-
ботки за счет перемещения (подачи) рабочей поверхности режуще-
го инструмента в направлении изменения обрабатываемого размера
относительно установочных баз или обрабатываемой детали. К та-
ким видам обработки относятся, например, внутреннее шлифова-
ние, круглое наружное врезное шлифование, хонингование, плос-
кое шлифование с многократным проходом шлифовального круга
по обрабатываемой поверхности, врезное точение и т. п.

Средства активного контроля после обработ-
ки, называемые также подналадочными, применяют в тех случа-
ях, когда получение заданного размера обеспечивается установ-
кой рабочей поверхности режущего инструмента «на размер», т. е.
на определенном расстоянии от установочных баз или от оси вра-
щения обрабатываемой детали или обрабатывающего инструмента.
Информацию о размере, получаемую от средства активного конт-
роля и содержащую сведения о том, находится ли обработанный
размер в поле допуска, а также не приближается ли этот размер к
границам поля допуска, используют для изменения положения ра-
бочей поверхности режущего инструмента, прекращения обработ-
ки или остановки обрабатывающего оборудования и подачи сиг-
нала для вызова наладчика. К таким видам обработки относятся,
например, бесцентровое круглое шлифование «на проход», раста-
чивание, в том числе и алмазное, обтачивание, плоское шлифо-
вание «за один проход», развертывание и т.п. Средства активного
контроля после обработки применяют иногда и в тех случаях, ког-
да детали обрабатывают инструментом, перемещающимся в на-
правлении изменения обрабатываемого размера, но случайные по-
грешности обработки невелики по сравнению с допуском, а так-
же при устранении влияния медленно действующих систематичес-
ких погрешностей, например вследствие износа шлифовального
круга при наружном бесцентровом врезном круглом шлифовании.

Основной задачей средств активного контроля является устра-
нение влияния на обрабатываемый размер различных факторов,
действующих в системе СПИД (станок — приспособление — ин-
струмент— деталь) систематическим и случайным образом, та-
ких, например, как износ режущего инструмента, температурные
деформации, упругие силовые деформации в системе СПИД,
возникающие из-за нестабильности припуска и механических свойств
обрабатываемого материала, а также затупления режущего инстру-
мента. Иногда средства активного контроля позволяют исключить и
температурную погрешность, возникающую из-за непостоянства тем-
пературы обрабатываемой детали в момент окончания обработки.
В этом случае средства активного контроля стабилизируют режимы
обработки к моменту ее окончания, чтобы стабилизировать темпе-
ратуру обрабатываемой детали, или определяют эту температуру по
температурным деформациям обрабатываемой детали или непос-
редственно и вводят поправку в свою настройку.

Экономическая эффективность применения средств активного
контроля достигается за счет сокращения и исключения брака,
повышения производительности обработки при многостаночном
обслуживании, поддержания оптимальных режимов и исключе-
ния потерь времени на остановку станка и пробные измерения,
повышения качества выпускаемой продукции.

Основной областью применения средств активного контроля в
настоящее время остается финишная абразивная обработка дета-
лей, в первую очередь шлифование и хонингование. Это объясня-
ется высокими требованиями к точности обработки и в ряде слу-
чаев относительно малой размерной стойкостью режущего инст-
румента. Реже средства активного контроля используют на расточ-
ных и еще реже — на токарных работах.

Современным направлением в создании средств активного кон-
троля является автоматическое управление станками. Это объясня-
ется тем, что в промышленности значительно возрос парк автома-
тических и автоматизированных станков, а все вновь проектиру-
емые станки, в которых предусмотрено использование средств ак-
тивного контроля, рассчитаны на автоматическую связь с этими
средствами и управление с помощью команд, получаемых от них.
Сокращается использование жестких калибров в качестве средств
активного контроля, так как их применение ограничивает число
команд, которые можно получить для управления станком, лишает
возможности точно регулировать уровень настройки, получать сиг-
нал о значении измеряемого размера в аналоговой форме, затруд-
няет компенсацию неизбежного износа измерительных поверхностей
калибра, не позволяет визуально наблюдать за ходом обработки.

В последнее время широкое распространение получил электрон-
ный принцип измерения. Этому способствовали быстродействие, воз-
можность преобразования сигнала в нужную форму, хорошо разви-
тая для создания прибора элементная база, а также наличие стандар-
тизованных вторичных устройств для промежуточных преобразова-
ний и получения отсчета, сигнала и команд в требуемой форме. Ис-
пользование электронного принципа измерения позволило расши-
рить область применения средств активного контроля на современ-
ные методы обработки и соответствующие металлорежущие станки.

Электронные приборы активного контроля используют на стан-
ках для скоростного и силового шлифования, где все время обра-
ботки составляет несколько секунд. Такие приборы позволяют осу-
ществлять следящую подачу режущего инструмента, поддерживая
реальную подачу в заданных пределах на станках, где это не удает-
ся сделать с помощью обычных механизмов подачи из-за недоста-
точной жесткости СПИД или по другим причинам.

Наилучшие результаты по точности и производительности об-
работки на внутришлифовальных станках с малой жесткостью
шпинделя шлифовального круга удается получить при так называ-
емой адаптивной системе управления подачей, когда электрон-
ный прибор активного контроля следит не только за величиной
обрабатываемого размера, но и за скоростью его изменения, под-
держивая эту скорость на определенном для каждого участка при-
пуска уровне. В этом случае прибор определяет скорость измене-
ния размера как производную от размера по времени с помощью
дифференцирующего устройства.

В станках с ЧПУ шлифовальной и токарной групп необходимы
приборы активного контроля с большим диапазоном измерений,
позволяющие определить абсолютный размер обрабатываемой (или
обработанной) поверхности во всем диапазоне обработки, для ко-
торой этот станок предназначен. Эти приборы должны быть связа-
ны с системой программного управления станком, выполнять по-
тучаемые от этой системы команды и в свою очередь передавать в
ну систему сигналы о значении измеряемого размера.
Широкое распространение находят средства активного контро- ;
ля в автоматических линиях и гибких производственных системах 
(ГПС), успешная работа которых без этих средств была бы невоз- ;
можна: средства активного контроля управляют механизмами по-
дачи шлифовальных станков, измеряют диаметры отверстий пос-
ле тонкого растачивания или развертывания и подают сигналы на
подналадку инструмента или остановку станка для его замены,
управляют хонинговальными станками, дают команды на подна-
ладку токарных, бесцентровошлифовальных и плоскошлифоваль-
ных станков, работающих «на проход».

Средства активного автоматического контроля являются одним
из наиболее эффективных устройств для регулирования качества
машиностроительной продукции. Применение их позволяет надежно
обеспечить поддержание оптимальных режимов обработки на ме-
таллорежущих станках, получение обработанных размеров с нуж-
ной точностью.

3.2.1.	Принципы построения измерительной оснастки
для шлифовальных станков

На круглошлифовальных центровых станках наиболее широкое
распространение получили устройства для контроля наружного ди-
аметра обрабатываемой детали. Реже применяют устройства для кон-
троля положения шлифуемого торца, расстояния между торцами или

Рис. 3.29. Схема трехконтактной
измерительной скобы:

1 — измерительный наконечник; 2—
обрабатываемая деталь; 3 — груз; 4 и
6 — шарнир; 5 — стержень; 7 — от-
счетное устройство; 8 — скоба; 9 —
базирующий наконечник

установки стола с деталью опреде-
ленным относительно шлифоваль-
ного круга образом по ее торцу.

Для измерения диаметра ис-
пользуют ряд схем, которые при-
нято различать по числу измери-
тельных и базовых наконечников,
соприкасающихся с обрабатывае-
мой поверхностью. В устройствах,
работающих по трехконтактной
схеме (рис. 3.29), скоба 8 снабжена
жестко связанными с ней измери-
тельным 1 и базирующим 9 нако-
нечниками, опирающимися на об-
рабатываемую поверхность и обес-
печивающими строго определенное
взаимное расположение оси обра-
батываемой детали 2 и скобы 8.

Второй измерительный нако-
нечник связан со стержнем 5, ко-
торый может перемещаться отно-
сительно скобы 8. Изменение ди-
аметра Л обрабатываемой детали воспринимается отсчетным уст-
ройством 7 или чувствительным элементом этого устройства (ин-
дуктивным преобразователем, измерительным соплом), жестко свя-
занным со скобой.

В большинстве случаев скоба специальным механизмом закреп-
лена на кожухе шлифовального круга. Это удобно при установке и
съеме детали, так как бабка шлифовального круга отводится от
нее на значительное расстояние. Такое закрепление удобно также
при шлифовании одним кругом последовательно нескольких шеек
обрабатываемой детали.

В случае шлифования с продольной подачей устройство для ус-
тановки скобы закрепляют на столе станка на передней или зад-
ней бабке, чтобы исключить относительное перемещение скобы и
детали вдоль ее оси, влияющее на точность измерения. Здесь диа-
метр обрабатываемой детали измеряется в одном сечении вдоль ее
оси. Конструкция устройства для установки трехконтактной скобы
на станке обеспечивает необходимые степени свободы для ее са-
моустановки на поверхности детали благодаря наличию шарниров
4 и 6. Поджим наконечников 7 и 9 к поверхности детали осуществ-
ляется грузом 3 или с помощью специальной пружины.

При контроле деталей больших размеров и особенно таких, об-
работка которых ведется в люнетах, применяют измерительную
оснастку с призмой («наездники»).

Существующие устройства этого типа строят по двум различ-
ным измерительным схемам. На рис. 3.30, а приведена принципи-
альная схема, где косвенное измерение диаметра вала осуществ-
ляется измерительной головкой 1 по биссектрисе угла, образован-
ного опорными поверхностями призмы 2.

Существенным недостатком этой схемы является то, что пере-
даточное отношение к отклонениям от правильной геометричес-
кой формы (овальности, огранке) оказывается значительно боль-
шим, чем к изменению диаметра вала. Поэтому при овальности,
равной, например, допуску на диаметр, практически невозможно
точно контролировать обрабатываемый диаметр.

Передаточное отношение схемы при измерении диаметра кон-
тролируемого вала:

Ка= 1/2(1/8ша- 1).

Передаточное отношение схемы при измерении овальности:

„ . (1 -58ша)(1 + 28ша)

А  1 — —————-----------.

281ПСС

Таким образом, если контролировать детали, предельные разме-
ры которых соответствуют одному и тому же допуску, но одни из них
имеют правильную цилиндрическую форму, а другие овальную, то
Рис. 3.30. Схемы измерительного устройства с призмой:

а — измерение вала по биссектрисе угла призмы (1 — измерительная головка; 2 —
опорные поверхности призмы); б — измерение вала перпендикулярно биссектри-
се угла призмы; (7 — опорные поверхности призмы; 2 — передающий рычаг; 3 —
измерительная головка)

перемещения измерительного стержня головки от первоначального

настроечного положения будут различными для этих двух групп дета-
лей. Так, при изменении диаметра вала (рис. 3.31) на Д/) = О — 3
перемещение стержня датчика составит Д5 = А С — ВО.

При контроле же овальной детали, у которой минимальный раз-

мер также равен В, а максимальный О, перемещение измеритель-

Рис. 3.31. Схема опреде-
ления передаточных
отношений призмы

ного стержня ДД' = АС- ВО’. Из рисунка
видно, что Д5” значительно больше Д5. Это
различие определяется отношением

Ко / Ка = I + 2 ып о

В другой схеме (рис. 3.30, б) косвенное
измерение диаметра осуществляется по ли-
нии, перпендикулярной биссектрисе угла
между опорными поверхностями призмы
7, измерительной головкой 3 с помощью
передающего рычага 2. Передаточное отно-
шение такой схемы к овальности, огранке

практически равно передаточному отноше-

нию при измерении диаметра вала. Поэто-
му схема обладает более высокими метро-
логическими данными.
При контроле длинных дета-
лей, обрабатываемых с продоль-
ной подачей, или деталей с не-
сколькими обрабатываемыми
шейками измерительные уст-
ройства типа «наездник» обыч-
но крепят к кожуху шлифоваль-
ного круга. Измерительное уст-
ройство непрерывно ведет кон-
троль по всей шлифуемой дли-
не детали. В других случаях уст-

Рис. 3.32. Схема двухконтактной из-
мерительной скобы:

1 и 3 — измерительный наконечник; 2—
деталь обрабатываемая; 4 — отсчетное
устройство; 5и 7— каретка (рычаг); 6—
упор; 8 — подводящее устройство

ройства крепят к столу станка
или к передней бабке станка.

В качестве отсчетных уст-
ройств в схеме могут быть ис-
пользованы сравнительно про-
стые измерительные головки и
индикаторы с механической пе-

редачей, так как конструкция скобы (призмы) позволяет без осо-
бых затруднений вывести эти головки из зоны обработки для со-
хранения их чистоты и удобства отсчитывания показаний.

К недостаткам схемы относятся: сложность автоматизации вво-

да измерительной скобы в рабочее положение и ее вывода из него,
необходимость в значительном ходе при вводе и выводе скобы для

установки и съема обрабатываемых деталей на станке, затрудне-
ния в обработке с продольной подачей при обычном закреплении
скобы на кожухе шлифовального круга.

В устройствах, работающих по двухконтактной
схеме (рис. 3.32), измерительные наконечники 7 и 3
закреплены на каретках (рычагах) 5 и 7, позволяю-
щих наконечникам следить за изменением обраба-
тываемого размера 7) детали 2. С одной из кареток
связано отсчетное устройство 4 или чувствитель-
ный элемент этого устройства, а с другой — упор 6.

При такой схеме случайные перемещения де-
тали по линии измерения, вызванные силами ре-
зания или тепловыми явлениями, не влияют на
результаты контроля. Влияние перемещений де-
тали перпендикулярно линии измерения в зна-

Рис. 3.33. Схема

одноконтактно-
го измеритель-
ного устройства:
1 — отсчетное уст-
ройство (или его
чувствительный эле-
мент); 2 — деталь
обрабатываемая

чительной степени устраняется за счет параллель-
ности измерительных наконечников. Двухконтак-
тные скобы с помощью подводящего устройства
8 обычно крепят на столе станка и с помощью
этих скоб контролируют деталь в одном сечении.
Прямолинейная траектория ввода и вывода уст-
ройства позволяет наиболее просто автоматизи-
ровать эти движения. Двухконтактные измерительные схемы полу-
чили наибольшее распространение на автоматизированных станках.

При одноконтактной схеме измерения (рис. 3.33) отсчетное уст-
ройство (или его чувствительный элемент) 1 закрепляют обычно на
столе станка и измеряют расстояние обрабатываемой поверхности
детали 2 от поверхности стола. Полагая, что высота центров в про-
цессе обработки постоянна, можно считать, что измеряется радиус
детали — расстояние от оси центров до обрабатываемой поверхнос-
ти изделия.

Одноконтактная схема проста по конструкции, нет необходи-
мости в вводе и выводе измерительного устройства, отсутствуют
помехи при установке и съеме обрабатываемой детали.

Недостатки этой схемы следующие: в измерительную цепь вхо-
дят узлы станка (стол, задняя и передняя бабки и т.д.) и на точно-
сти отсчитывания полностью сказываются силовые и температур-
ные деформации этих узлов. Кроме того, контролируется измене-
ние радиуса детали, что также снижает точность измерений. Одна-
ко при достаточно стабильных режимах обработки применение од-
ноконтактной схемы позволяет получать детали 7...8 квалитетов.

3.2.2.	Способы контроля деталей с прерывистой поверхностью

При круглом наружном шлифовании часто приходится конт-
ролировать детали, имеющие на поверхности разрывы. В этих слу-
чаях измерительные наконечники прибора периодически нахо-
дятся на поверхности обрабатываемой детали и сходят с нее.

Сечения деталей (валов) с прерывистой поверхностью, встре-
чающиеся при круглом шлифовании, бывают следующие: шпо-
ночного (рис. 3.34, а) и шлицевого (рис. 3.34, б) валов, вала со
смазочным отверстием (рис. 3.34, в), вала с тремя смазочными
канавками (рис. 3.34, г), зубчатого колеса (рис. 3.34, <)), разверт-
ки и фрезы (рис. 3.34, е), спирального сверла (рис. 3.34, ж), мет-
чика (рис. 3.34, з) и овального поршня (рис. 3.34, и) двигателя
внутреннего сгорания.

При выборе прибора активного контроля необходимо знать не-
которые характеристики прерывистой поверхности. Ее важной ха-
рактеристикой является длина дуги Ц на протяжении которой из-
мерительные наконечники не попадают в разрывы. Если выступы
на поверхности детали расположены равномерно и число их чет-
ное (см. рис. 3.34, б, д, е, ж), длину дуги I для одно- и двухконтак-
тного прибора определяют по формуле

2)/2<р,

где В — наружный диаметр обрабатываемой поверхности, мм; ср —
центральный угол непрерывного участка, рад.
Для определения временных и динамических характеристик при-
бора необходимо знать скорость V (мм/с) движения контролиру-
емой поверхности:

V = пИп / 60,

где п — число оборотов обрабатываемой детали в минуту.

Важнейшей характеристикой прибора является время I (с) на-
хождения измерительного наконечника на измеряемой поверх-
ности:

1=к/У.

От значения I во многом зависят принципиальная схема и кон-
структивные особенности прибора.

Для характеристики обрабатываемой прерывистой поверхнос-
ти, перемещающейся под измерительным наконечником с посто-
янной скоростью в одном направлении, используют отношение
дуги к (или угла <р) к длине дуги разрыва т (или соответствующе-
го угла (о), называемое коэффициентом прерывистости'.

К = к/ т = у/ сп.

Измеряя детали с прерывистой поверхностью, в конструкцию

прибора вводят специальные
ломки измерительные нако-
нечники при их западании в
разрывы поверхности. Эти
устройства предупреждают
выдачу ложных управляю-
щих команд и уменьшают
колебания стрелки отсчетно-
го устройства.

Самым простым устрой-
ством для контроля преры-
вистой поверхности при
круглом шлифовании явля-
ются дугообразные наконеч-
ники, имеющие радиус Кн,
близкий к радиусу Ка детали
и перекрывающий разрывы
поверхности (рис. 3.35).

Для спокойной и безудар-
ной работы дугообразного
наконечника его ширина
должна составлять:

о = (2,2...2,5)6,

устройства, предохраняющие от по-

Рис. 3.34. Сечения валов с прерывистой
поверхностью, встречающиеся при круг-
лом шлифовании
Рис. 3.35. Схема контроля с дуго-
образным наконечником (Д > Д)

где Ь — ширина паза, а его радиус
Ян > 7?Д) причем Д, обычно равен
радиусу обрабатываемой детали с
припуском.

Приборы с дугообразными нако-
нечниками могут обеспечить точность
обработки не менее 0,015...0,020 мм,
поэтому в настоящее время такие
приборы применяются редко.

Детали со шпоночными канавка-
ми и отверстиями при К> 2 контро-
лируют путем уменьшения колеба-
ний выходного сигнала преобразова-
теля. В пневматических приборах для
этого на выходе измерительной ка-
меры устанавливают дроссель диамет-
ром 0,4...0,5 мм. Наличие дросселя
существенно снижает колебания дав-
ления в сильфонах отсчетного уст-
ройства, соответственно уменьшают-
ся колебания каретки с электрокон-
тактами и стрелки прибора.

В электронных приборах снижение колебаний выходного сигна-
ла достигается установкой цепочки КС в выходных каскадах. При-
менение этого способа при правильном подборе дросселя или це-
почки КС дает хорошие результаты. Возникающие дополнитель-
ные динамические погрешности, связанные с увеличением инер-
ционности приборов, незначительны. Приборы с затормаживани-
ем измерительных наконечников на время прохождения разрыва
поверхности под ними из-за сложности их конструкции и настройки
в настоящее время не применяются.

При контроле разверток, фрез и других подобных деталей с
малой протяженностью выступов применяют сложные индуктив-
ные приборы, у которых измерительные рычаги связаны с эффек-
тивными гидравлическими демпферами, исключающими их от-
рыв от измеряемой поверхности, а электронное отсчетное устрой-
ство снабжено блоком памяти, удерживающим выходной сигнал
на время прохождения разрыва поверхности под измерительными
наконечниками.

При контроле прерывистой поверхности неизбежно возникают
дополнительные динамические погрешности вследствие отрыва из-
мерительных наконечников от контролируемой поверхности и по-
вышения инерционности прибора. Уменьшение отрыва измери-
тельных наконечников достигают двумя способами: увеличением
измерительного усилия и применением гидравлических демпфе-
ров. Однако при увеличении измерительного усилия может воз-
никнуть погрешность от деформаций измерительных рычагов и эле-
ментов их подвески. Применение демпферов дает хорошие резуль-
таты, но требует точного подбора измерительного усилия и спо-
собности демпфера снижать колебания измерительных рычагов в
каждом конкретном случае обработки. Увеличение инерционности
прибора может вызвать динамические погрешности.

3.2.3.	Индуктивная измерительная система активного
контроля БВ-4100

Измерительная система, основанная на электронном принци-
пе действия, предназначена для управления автоматическим цик-
лом обработки деталей на центровых круглошлифовальных стан-
ках. Параметры и характеристики измерительной системы соот-
ветствуют ГОСТ 8517-70 и ГОСТ 18272-72.

Для удовлетворения широкого круга требований, предъявляе-
мых к современным средствам активного контроля при круглом
шлифовании, измерительную систему комплектуют в различном
сочетании гаммами типовых функциональных узлов.

Предусмотрено 30 вариантов исполнения измерительной сис-
темы. Каждое исполнение комплектуют электронным отсчетно-
командным устройством типа БВ-6119-01 или БВ-6119-02, выда-
ющим во внешние цепи соответственно четыре или две управляю-
щие команды.

Контроль гладких валов и валов со шпоночными пазами в
процессе обработки методами врезания или продольной подачи
на круглошлифовальных автоматах и полуавтоматах обеспечивает-
ся настольными индуктивными скобами типов БВ-3152-40, БВ-
3152-80, БВ-3152-125 и БВ-3152-200.

Диапазоны измерения этих скоб соответственно 2,5... 40,10... 80,
35... 125 и 125... 200 мм. Скобы оснащены индуктивным преобразо-
вателем типа БВ-6067.

Автоматизация перемещений измерительной скобы и ее ори-
ентация по отношению к шлифуемой заготовке обеспечивается
гидравлическим подводящим устройством типа БВ-3102 Т. Наряду
с поставкой полного комплекта подводящего устройства предус-
мотрены варианты поставки только гидроцилиндров без деталей
привязки к конкретной модели станка.

Рабочий цикл шлифования методом врезания с помощью из-
мерительной системы БВ-4100 (рис. 3.36) осуществляется следую-
щим образом. В начальной фазе цикла настольная скоба 5 и шли-
фовальная бабка занимают исходное положение. Для исключения
выдачи ложных команд в нерабочем положении скобы из схемы
станка в измерительную систему поступает сигнал, обеспечиваю-
щий блокировку цепей выдачи команд управления. После закреп-
ления заготовки на позиции обработки без участия измерительной
Рис. 3.36. Измерительная система БВ-4100:

1 — отсчетно-командное устройство; 2 — показывающий прибор; 3 — гидроци-
линдр; 4 — индуктивный преобразователь; 5 — настольная скоба

системы осуществляется ускоренный подвод шлифовальной бабки
и переход на форсированную или черновую подачу. В момент, пред-
шествующий снятию черновой части припуска, гидросистема стан-
ка реверсирует потоки масла, поступающие к гидроцилиндру 3. Бла-
годаря этому измерительная скоба приобретает плавное движение
в сторону заготовки. Одновременно для снятия с блокировки ко-
мандных цепей управления схема станка формирует сигнал, про-
изводящий запуск электронного реле времени в отсчетно-ко-
мандном устройстве 1. Реле времени исключает выдачу ложных ко-
манд в нерабочем положении скобы, из схемы станка в измери-
тельную систему поступает сигнал, обеспечивающий блокировку
цепей выдачи команд управления. После закрепления заготовки на
позиции обработки без участия измерительной системы осуществ-
ляется ускоренный подвод шлифовальной бабки и переход на фор-
сированную или черновую подачу. В момент, предшествующий
снятию черновой части припуска, гидросистема станка реверси-
рует потоки масла, поступающие к гидроцилиндру 3. Благодаря
этому измерительная скоба приобретает плавное движение в сто-
рону заготовки. Одновременно для снятия с блокировки команд-
ных цепей управления схема станка формирует сигнал, произво-
дящий запуск электронного реле времени в отсчетно-командном
устройстве 1. Реле времени обеспечивает установку измерительной
скобы в контролирующее положение.

В процессе обработки шток индуктивного преобразователя 4 вос-
принимает перемещение измерительных кареток скобы. Выходной
сигнал преобразователя, пропорциональный изменению размера
шлифуемого вала, после усиления электронной схемой преобра-
зуется в аналоговый сигнал для показывающего прибора 2 и в
дискретные команды для исполнительных органов станка.

Предварительные команды обеспечивают переход от быстрого
подвода шлифовального круга к его черновой и чистовой подачам.
На завершающей фазе цикла в режиме чистового или доводочного
шлифования с заготовки снимается оставшаяся часть припуска.
В момент достижения заданного размера формируется окончатель-
ная команда для ускоренного отвода шлифовальной бабки и изме-
рительной скобы на исходную позицию.

Для контроля деталей с прерывистой поверхностью электри-
ческая схема устройства снабжена пиковым детектором, который
в сочетании с элементами электронной памяти пропускает в от-
счетно-командную часть устройства полезные сигналы, соответ-
ствующие размерам выступов шлифуемой поверхности, и исклю-
чает прохождение ложной информации, когда измерительные на-
конечники попадают в разрывы этой поверхности.

В случае обработки валов методом продольной подачи команды
управления, поступающие от измерительной системы, восприни-
маются схемой электроавтоматики станка в конце продольного хода
стола.

Измерительная система БВ-4100, комплектуемая настольными
скобами, обеспечивает получение гладких валов 5 квалитета, а ва-
лов с прерывистой поверхностью — 6...7 квалитетов.

Контроль гладких валов в процессе обработки методом вреза-
ния на круглошлифовальных полуавтоматах или на универсальных
станках обеспечивается измерительной системой БВ-4100, осна-
щаемой гаммой навесных трехконтактных индуктивных скоб ти-
пов БВ-3154-40, БВ-3154-80, БВ-3154-125 и БВ-3154-200 (рис. 3.37).
Диапазоны измерения этих скоб составляют соответственно 4...40,
10... 80, 40... 125 и 80... 200 мм. Скобы комплектуют индуктивными
преобразователями 7 7 типа БВ-6067.

Скобу 9 устанавливают на станке с помощью унифицирован-
ного кронштейна б типа БВ-3221, закрепляемого обычно на кожу-
Рис. 3.37. Конструкция индуктивной навесной скобы БВ-3154:
1 — скалка для шарнирной подвески корпуса скобы 9; 2 — ось, установленная на
подшипниках качения 3 и 5; 4— спиральная пружина, создающая крутящий момент
для отвода скобы в исходное положение и обеспечивающая измерительное усилие на
нижнем измерительном наконечнике 75; 6 — кронштейн, закрепленный на кожухе
шлифовальной бабки; 7 — микрометрический винт, взаимодействующий с измери-
тельным наконечником индуктивного преобразователя 77; 8 и 11 — плоскопарал-
лельная пружина для подвески измерительного штока 16; 10 — спиральная пружина,
обеспечивающая измерительное усилие на верхнем измерительном наконечнике 15;
12 — движок с боковым наконечником 14; 18— шарнир для подвески корпуса скобы

хе шлифовального круга. При обработке с продольной подачей прак-
тикуется установка кронштейна со скобой на одной из бабок или
на столе шлифовального станка. Оба способа крепления навесной
скобы обеспечивают измерение диаметра шлифуемой детали в од-
ном сечении.

Рабочий цикл круглошлифовального полуавтомата при исполь-
зовании измерительной системы с навесной скобой аналогичен
описанному выше циклу шлифования с настольной скобой. Отли-
чие заключается в том, что запуск реле времени РВ осуществляет-
ся не внешними цепями, а элементами собственной элекгросхе-
мы по сигналу индуктивного преобразователя, возникающему в
момент установки измерительных наконечников на заготовку,
имеющую припуск. Уровень срабатывания этого сигнала в отсчет-
но-командном устройстве БВ-6119 соответствует точке 15 мкм. Ус-
тановку навесной скобы в контролирующее положение и возврат
на исходную позицию осуществляют вручную.
Измерительная система БВ-4100, оснащенная навесными трех-
контактными скобами, обеспечивает получение гладких валов с
точностью 1Т7.

Технические характеристики измерительной системы БВ-4100:

Принцип действия.............................электронный

Диапазон измерений, мм...........................2,5...200

Диапазон показаний, мм:

по шкале с ценой деления 0,001 мм..0,080 (-0,020... +0,060)

по шкале с ценой деления 0,005 мм.. 0,400 (-0,100 ...+0,300)

Число управляющих команд...........................2 и 4

Диапазон электрической коррекции нуля, мм.........+0,060

Измерительное усилие, Н:

при контроле гладких валов.......................6,0± 1

при контроле валов с прерывистой

поверхностью.....................................10,0 ±2

Погрешность (размах) срабатывания команд, мм:
окончательной......................................0,0003

предварительной................................ 0,0005

Напряжение питания, В ........................ПО;	127; 220

3.2.4.	Приборы для сопряженного шлифования

Для получения заданных малых зазоров (натягов) в соединени-
ях, например в деталях топливной аппаратуры, применяется со-
пряженная обработка одной из деталей соединения (чаще всего
вала) по результатам измерения другой детали.

В этих случаях прибор состоит из измерительной скобы, контро-
лирующей обрабатываемый вал; измерительного устройства, изме-
ряющего диаметр обработанного отверстия; отсчетно-командного
устройства, суммирующего сигналы, поступающие с обоих изме-
рительных устройств, и управляющего циклом обработки станка.

Точные сопряжения обычно достигаются в условиях частичной
взаимозаменяемости за счет сортировки деталей с отверстиями и
валов, обработанных со сравнительно широкими, экономически
выгодными допусками, на селективные группы по размеру, а за-
тем сборки сопрягаемых деталей из одноименных селективных групп.
Внутри каждой из таких групп при этом осуществляется полная
взаимозаменяемость.

Применение селективной сборки возможно только в массовом
или крупносерийном производстве, где имеется достаточное коли-
чество деталей, в том числе и деталей одноименных групп. В инди-
видуальном производстве получение сопряжения такой точности
достигается трудоемкой и дорогостоящей ручной пригонкой.

Применение прибора активного контроля для сопряженного
шлифования рационально в серийном и мелкосерийном произ-
водстве и позволяет получать цилиндрические сопряжения высо-
кой точности без ручной пригонки. Необходимым условием при
этом является обеспечение круглошлифовальным станком точно-
сти получения размера, правильной геометрической формы и ше-
роховатости поверхности обрабатываемой детали, соответствую-
щих допуску на зазор (натяг) в сопряжении.

Приборы для сопряженного шлифования изготавливают на базе
стандартных пневматических, индуктивных и емкостных приборов.

Пневматический прибор БВ-4009. Прибор БВ-4009Д дифферен-
циального типа (рис. 3.38, а) состоит из отсчетно-командного ус-
тройства 3 типа БВ-6060 с ценой деления 0,5 мкм, в котором вме-
сто узла противодавления включено устройство 1 для измерения
диаметра отверстия Д втулки 2, и измерительной скобы 4 типа
БВ-3153-80, с помощью которой измеряется диаметр /)2 пригоня-
емого вала 5. Для того чтобы независимо от диаметра 2)] отсчетно-
командное устройство 3 выдавало команду на окончание обработ-
ки вала при достижении зазором (или натягом) постоянной вели-
чины (2), - 2)2 = Солк!), необходимо чтобы чувствительности обеих
ветвей измерительной схемы были равны.

В этом случае при увеличении размера очередной втулки, т.е.
при увеличении зазора на определенную величину, команда от-
счетным устройством будет выдана при увеличенном на ту же ве-
личину зазоре 52, т.е. при большем значении диаметра 2)2 шлифу-
емого вала. Таким образом, зазор в сопрягаемой паре останется
постоянным.

На рис. 3.38, б показана схема прибора БВ-4009НД, работаю-
щего по недифференциальной схеме. Прибор состоит из отсчетно-
командного устройства 3 типа БВ-6060, измерительной скобы 4
типа БВ-3153-80, с помощью которой измеряется диаметр В2 шли-
фуемого вала 5, и измерительной станции 1, с помощью которой
измеряется диаметр окончательно обработанного отверстия втул-
ки 2. Отличие от дифференциального прибора заключается в том,
что измерительные сопла измерительной скобы 4 и измеритель-
ной станции 1 включены в одну ветвь пневматической системы. В
этом случае постоянство зазора (натяга) - Д2 = сот! обеспечи-
вается при условии 5, + 52 = СОП81.

Из схемы видно, что при увеличении размера зазор 5, умень-
шается, поэтому команда прибора будет выдана при увеличении
зазора 52, а следовательно, и диаметра О2 на ту же величину. Та-
ким образом, зазор в сопрягаемой паре остается постоянным.

Точностные и эксплуатационные характеристики недифферен-
циального и дифференциального приборов практически одинако-
вы. При измерении глубоких отверстий предпочтительнее приме-
нять дифференциальный прибор с бесконтактной пневматичес-
кой пробкой, в то же время недифференциальный прибор позво-
ляет иметь более простую измерительную станцию универсально-
го назначения.
Рис. 3.38. Схемы пневматического прибора БВ-4009 для сопряженного шли-
фования:

а — дифференциального типа (1 — устройство для измерения диаметра; 2 — втулка;
3 — отсчетно-командное устройство; 4 — измерительная скоба; 5 — пригоняемый
вал); б— недифференциального типа (7 — измерительная станция; 2 — втулка; 3 —
отсчетно-командное устройство; 4 — измерительная скоба; 5 — шлифуемый вал)

Прибор БВ-4009 позволяет производить сопряжения в пределах
±30 мкм. Точность получения зазоров (натягов) при технологичес-
ки обоснованных режимах составляет 1 ...2 мкм.

Индуктивная измерительная система БВ-4180. Система пред-
назначена для управления автоматическим циклом шлифования
гладкого вала, пригоняемого с требуемым зазором или натягом к
сопрягаемому с ним окончательно обработанному отверстию
втулки.
Предусмотрено 23 варианта исполнений измерительной систе-
мы, различие которых определяется требованиями в отношении
числа команд управления рабочим циклом, диапазона измерений
и цены деления шкалы, а также особенностями привязки к раз-
личным моделям станков.

В комплект измерительной системы входят типовые функцио-
нальные узлы: отсчетно-командное устройство БВ-6119, настоль-
ная индуктивная скоба БВ-3152 или БВ-3232 с подводящим уст-
ройством гидравлического либо ручного действия и устройство для
измерения отверстий БВ-3111.

Рабочий цикл измерительной системы, оснащенной настольной
скобой с механизмом арретирования и подводящим устройствам
ручного действия, осуществляется следующим образом (рис. 3.39).

В начальной фазе цикла шлифовальная бабка и настольная ско-
ба б находятся в исходном положении. Предназначенную для со-
пряжения с валом втулку 14 устанавливают на базирующие эле-
менты устройства для измерения отверстий 20. При повороте ру-
коятки 21 механизма арретирования установленные на каретках 13
и 18 измерительные наконечники 15 и 77 под действием создаю-
щих измерительное усилие пружин 19 и 22 соприкоснутся с конт-
ролируемой деталью. Взаимное положение кареток 13 и 18, опре-
деляемое размером отверстия, контролируется индуктивным пре-

Рис. 3.39. Кинематическая схема измерительной системы БВ-4180:

1 — шток индуктивного преобразователя; 2 и 4 — измерительная каретка; 3 —
заготовка сопрягаемого вала; 5 — плунжер; 6 — настольная скоба; 7— рычаг; 8 —
промежуточный рычаг; 9 — сферический упор; 10 — рессора; 11 — кулачок; 12 —
ролик; 13 и 18 — каретка; 14 — втулка; 75 и 17 — измерительный наконечник;
16 — отсчетно-командное устройство; 19 и 22 — пружина; 20 — базирующие эле-
менты устройства для измерения отверстий; 21 — рукоятка; 23 — индуктивный
преобразователь
образователем 23. Выходной электрический сигнал А преобразова-
теля, пропорциональный диаметру контролируемого отверстия,
поступает в отсчетно-командное устройство 16.

После закрепления в центрах станка заготовки сопрягаемого
вала 3 осуществляется ускоренный подвод шлифовальной бабки и
снятие черновой части припуска.

Рабочее перемещение скобы 6 в сторону шлифуемой заготовки
обеспечивается роликом 12, взаимодействующим с рессорой /6 при
повороте рычага /против часовой стрелки. За счет деформации рес-
соры 10в конце рабочего хода обеспечивается силовой контакт сфе-
рического упора 9 с гранями базирующей призмы. Благодаря этому
скоба стабильно ориентируется относительно контролируемой за-
готовки. Подводящее устройство оснащено механизмом арретиро-
вания измерительных наконечников. В исходном положении скобы
и в процессе ее движения к контролируемой детали конический
плунжер 5 раздвигает измерительные каретки 2н4, получая пере-
мещение от промежуточного рычага 8, взаимодействующего с выс-
тупом кулачка 77. В конце рабочего хода скобы горизонтальное пле-
чо рычага 8 западает во впадину рабочего профиля кулачка 77. Бла-
годаря этому конический плунжер 5 под воздействием возвратной
пружины устремляется вправо и освобожденные измерительные на-
конечники соприкасаются с поверхностью шлифуемого вала. Вза-
имные перемещения измерительных кареток скобы воспринимают-
ся штоком индуктивного преобразователя 7. Выходной сигнал 7? пре-
образователя, пропорциональный текущему размеру вала, поступа-
ет в отсчетно-командное устройство 76, где вычитается из сигнала
А, пропорционального размеру отверстия во втулке 14. Результиру-
ющий сигнал К = А - В, характеризующий величину зазора или
натяга в сопрягаемой паре, после преобразования электронной схе-
мой отсчитывается по шкале показывающего прибора, градуиро-
ванной в микрометрах. Автоматическое управление рабочим цик-
лом станка осуществляется командами измерительной системы, по-
ступающими во внешние электрические цепи при достижении за-
ранее установленной величины К.

Предварительные команды, воздействуя на исполнительные
органы станка, изменяют скорость подач шлифовальной бабки. Ко-
нечная команда прекращает цикл обработки в момент получения
заданной величины зазора или натяга в сопрягаемой паре.

Для настройки измерительной системы рекомендуется приме-
нять подогнанные с требуемым зазором вал и втулку; желательно,
чтобы размер отверстия соответствовал середине поля допуска на
его изготовление, а разность размеров отверстия и вала была рав-
на среднему значению заданного зазора в сопряжении.

В процессе наладки и эксплуатации измерительной системы не-
обходимо согласовать масштабы выходных сигналов индуктивных
преобразователей и определить погрешность их суммирования. Ме-
Рис. 3.40. Схема определения погрешности суммирования:

1 — настольная скоба; 2 и 9 — измерительный наконечник; 3 — устройство для
измерения отверстий; 4 и 8 — наконечник; 5 и 7 — рычаг; 6 — микрометрический
винт; 10 и 11 — индуктивный преобразователь; 12 — показывающий прибор

тодика проверки заключается в следующем (рис. 3.40). Настольную
скобу 1 крепят на устройстве для измерения отверстий 3 таким об-
разом, чтобы ее измерительные наконечники 2 и 9 соприкасались с
наконечниками 4 и 8 для контроля отверстий. Наконечники 4 и 8
вводят в контакт с прикрепленными к корпусу рычагами 5 и 7,
способными разжиматься сферой микрометрического винта 6. Вра-
щением винта сообщают равные по значению и противоположные
по направлению перемещения индуктивным преобразователям 10
{ПА) и 11 {ПВ), включенным по схеме суммирования. Результиру-
ющий выходной сигнал преобразователей А может изменять свое
значение лишь в пределах допускаемой погрешности суммирования.
Для измерительной системы БВ-4180 эта погрешность составляет
0,5 мкм на участке суммирования ±120 мкм и 1 мкм на участке
суммирования ±200 мкм. Если погрешность суммирования, опреде-
ляемая по отклонению стрелки показывающего прибора 12, превы-
шает допускаемое значение, следует согласовать масштабы выход-
ных электрических сигналов, индуктивных преобразователей с по-
мощью потенциометров, размещенных на задней панели отсчетно-
командного устройства.

3.2.5.	Измерительная система для осевой ориентации БВ-4116

Система БВ-4116 (рис. 3.41) предназначена для осевой ориен-
тации торцовых поверхностей детали относительно режущей кромки
абразивного круга. Система применяется на торцекруглошлифо-
вальных станках, оснащенных механизмами автоматического пе-
ремещения детали вдоль линии центров и осуществляющих совме-
стную обработку методом врезания цилиндрических и торцовых
Рис. 3.41. Измерительная система для осевой ориентации БВ-4116:

1 — измерительный рычаг; 2 — измерительная головка; 3 — пружина; 4 — индук-
тивный преобразователь; 5 — гидроцилиндр; 6 и 7 — микровыключатель; 8 —
торцовая поверхность; 9— рычаг; 10— ось; 11 — показывающий прибор

поверхностей деталей. В результате обработки обеспечиваются диа-
метральные и осевые размеры многоступенчатых валов.

Необходимость осевой ориентации обусловлена непостоянством
установочных баз из-за различной глубины зацентровки заготовок.
При закреплении таких заготовок в центрах станка не обеспечива-
ется их однозначное осевое положение относительно режущих кро-
мок абразивного инструмента.

Измерительную головку устанавливают на верхний стол шли-
фовального станка. Рабочий цикл осевой ориентации осуществля-
ется следующим образом. В начале цикла шлифовальная бабка от-
ведена на исходную позицию. Измерительная головка 2 усилием
пружины 3 удерживается в исходном положении, показанном
штрихпунктирной линией.

После закрепления в центрах станка заготовка смещается в осе-
вом направлении так, чтобы освободить зону для установки изме-
рительного рычага 1 и таким образом исключить его повреждение
при подводе.

Поворот измерительной головки в рабочее положение обеспечи-
вается подачей масла из гидросистемы станка в рабочую полость
гидроцилиндра 5. В конце поворота, совершаемого вокруг оси 10,
рычаг 9 воздействует на микровыключатель 6, благодаря чему выра-
батывается сигнал для начала осевого перемещения центров вместе
с заготовкой в заданном направлении. При ускоренном осевом дви-
жении ориентируемая торцовая поверхность 8 встречается с изме-
рительным рычагом 1. Перемещение сообщается штоку индуктив-
ного преобразователя 4. Выходной сигнал преобразователя, пропор-
циональный осевому положению торца, после усиления электрон-
ной схемой выдает первую команду на переход от ускоренного к
замедленному движению заготовки. В момент достижения торцовой
поверхностью 8 заданного осевого положения стрелочный указа-
тель показывающего прибора 11 совмещается с нулевой отметкой
шкалы и в схему станка поступает вторая команда для окончания
цикла осевой ориентации. По этой же команде гидросистема станка
обеспечивает слив масла из рабочей полости гидроцилиндра 5 и из-
мерительная головка усилием пружины 3 поворачивается в исходное
положение, контролируемое микровыключателем 7. По сигналу мик-
ровыключателя осуществляется переход к завершающей фазе авто-
матического цикла — врезному шлифованию детали по командам из-
мерительной системы активного контроля, например БВ-4100.

Описанная выше измерительная головка обеспечивает осевую
ориентацию деталей, имеющих открытые торцовые поверхности.
В случае осевой ориентации закрытых торцовых поверхностей, рас-
положенных в узких проточках (кольцевых канавках), установке
измерительного рычага в положение контроля препятствует ци-
линдрическая поверхность детали, расположенная вблизи
ориентируемого торца. Для осевой ориентации такого рода дета-

ю

8 7 х6

9

Рис. 3.42. Кинематическая схема механизма
передачи измерительной головки БВ-4116:
а — измерительный рычаг в момент соприкос-
новения измерительного наконечника с некон-
тролируемой поверхностью детали; б — изме-
рительный рычаг головки в положении контак-
та измерительного наконечника с ориентируе-
мой поверхностью; 1 — шток индуктивного пре-
образователя; 2 — измерительная головка; 3 —
рычаг; 4 и 5 — шарнир; б — измерительный на-
конечник; 7 — дополнительный рычаг; 8 к 11 —
пружина; 9 к 10 — упор
лей механизм передачи измерительной головки (рис. 3.42) осна-
щен сменным узлом — дополнительным рычагом 7, шарнирно
соединенным с основным двуплечим рычагом 3. Для кинематичес-
кой связи рычагов предусмотрены пружина 8 и упор 9.

Цикл осевой ориентации в этом случае осуществляется следую-
щим образом. Установленная в центрах станка деталь перемещается
в крайнее левое положение (см. рис. 3.42, а). При помощи гидравли-
ческого механизма измерительная головка 2 поворачивается в по-
ложение контроля. Измерительный наконечник соприкасается с не-
контролируемой цилиндрической поверхностью, а дополнительный
рычаг поворачивается вокруг шарнира 5. При осевом движении де-
тали в направлении ориентации, указанном на рис. 3.42, б стрел-
кой, измерительный наконечник 6 проскальзывает вдоль образую-
щей детали, а рычаг 3 под действием пружины 11 сохраняет свое
начальное положение, определяемое упором 10. При дальнейшем
движении детали измерительный наконечник под действием пру-
жины 8 западает в выточку детали, а дополнительный рычаг при-
жимается упором к основному измерительному рычагу 3, образуя с
ним одно целое. При соприкосновении измерительного наконечни-
ка с ориентируемой торцовой поверхностью основной измеритель-
ный рычаг 3 поворачивается вокруг шарнира 4, разобщаясь с упо-
ром 10, и отклоняет шток индуктивного преобразователя 1.

Точность осевой ориентации детали зависит от динамических
характеристик системы станок — прибор. Доминирующее влияние
на точность осевой ориентации оказывают следующие факторы:
V — скорость осевого перемещения детали в момент выдачи окон-
чательной команды на прекращение движения; Аг — непостоян-
ство скорости г; /и — время исполнения окончательной команды
органами станочной автоматики; Л/и — нестабильность /и; — по-
стоянная времени прибора.

Систематическая динамическая погрешность осевой ориента-
ции определяется зависимостью

5дс — г(?0 + /и).

При V = 5 мм/мин (0 = 0,05 с и /„ = 0,2 с, 5Дс = 0,02 мм. Эту
погрешность можно скомпенсировать смешением уровня настрой-
ки окончательной команды.

Случайные составляющие динамической погрешности опреде-
ляются следующими зависимостями:

бдг ~~

5Д/ = гА/и.

При Аг = 0,5 мм/мин V = 5 мм/мин, 10 = 0,05 с и АГИ = 0,06 с,
5Д„ = 0,0004 мм, 5Д,= 0,005 мм.
3.2.6.	Широкодиапазонный прибор ХШ-9 для станков с ЧПУ

Прибор ХШ-9 (рис. 3.43) предназначен для контроля диаметров
ступенчатых валов в процессе их обработки на круглошлифовальных
станках с ЧПУ. Прибор состоит из широкодиапазонной измеритель-
ной скобы, широкодиапазонного датчика, контролирующего поло-
жение шлифовальной бабки, и отсчетно-командного устройства.

Измерительная система состоит из емкостного линейного пре-
образователя перемещений П и прецизионного делителя напря-
жений Д, включенных в уравновешенный мост переменного тока.
Мост питается током напряжением 25 В, частотой 10 кГц от блока
питания Г. Емкостный дифференциальный преобразователь 77 яв-
ляется цилиндрическим коаксиальным конденсатором с воздуш-
ным зазором и состоит из задающих и съемной втулок. Искажение
поля конденсатора на краях втулки практически исключается ус-
тановкой охранных колец.

Пятидекадный делитель напряжения Д содержит трансформато-
ры, выполненные на кольцевых ферритовых сердечниках со специ-
альной намоткой. Трансформаторы обеспечивают высокую точность
деления. Размер задается путем изменения соотношения двух транс-
форматорных плеч мостовой измерительной схемы Д в два других
плеча которой включен емкостный преобразователь перемещения 77.
Соотношение плеч изменяется в диапазоне 1:100000 поразрядно
пятью десятичными разрядами. Каждый разряд делителя произво-
дит деление подведенного напряжения на 10 частей с помощью
трансформаторов, коммутация нужной цифры осуществляется кон-
тактами реле или транзисторными ключами.

Напряжение питания подается на первичную обмотку делитель-
ного трансформатора. Делитель старшего разряда образуют 10 сек-
ций вторичной обмотки, и на них появляются одинаковые напря-

Рис. 3.43. Схема измерительного прибора ХШ-9
жения. Если напряжение II на 10 последовательно соединенных
секциях делителя старшего разряда принять за базовое, то каждая
секция делителя имеет напряжение V/10. Напряжение 6/10 с од-
ной из изолированных обмоток подается на 10 секций вторичной
обмотки второго делительного трансформатора, и так образуется
делитель следующего разряда, каждой единице которого соответ-
ствует напряжение 6/Ю2, добавляющееся к напряжению старшего
разряда. Таким образом, 1/10 напряжения предыдущего разряда
делится на 10 в последующем разряде. Единице младшего порядка
(1 мкм) соответствует напряжение 6/Ю5.

Напряжение питания, подаваемое на задающие втулки преоб-
разователя П, и длину съемной втулки выбирают такими, чтобы
единице старшего разряда делителя соответствовало перемещение
съемной втулки (штока преобразователя), равное 10 мм, а едини-
це младшего разряда — 1 мкм.

Система работает следующим образом. Задание (диаметр шли-
фуемой шейки вала) вводится с помощью ручных декадных пере-
ключателей, расположенных на передней панели отсчетного уст-
ройства. Переключатели коммутируют с помощью контактов реле
или транзисторных ключей соответствующие секции делителя
напряжения Дво всех разрядах и цифровые индикаторы. Таким об-
разом, выходное напряжение делителя соответствует заданному
размеру (с дискретностью 1 мкм), который устанавливается на
цифровых индикаторах. В процессе обработки по мере съема при-
пуска мостовая измерительная схема уравновешивается напряже-
нием, снимаемым со съемной втулки емкостного преобразователя
П, и сигнал рассогласования уменьшается. Сигнал рассогласования
подается через выносной усилитель У, расположенный в измери-
тельной скобе, на блок уставок БУ и на показывающее устройство
О, которое используется для наблюдения за ходом обработки. Блок
уставок выполнен на кольцевых трансформаторах и позволяет с по-
мощью переключателей устанавливать уровни управляющих команд.
Сигнал рассогласования с блока уставок подается на усилитель ко-
манд ФК и далее на электромагнитные реле, контакты Р которых
коммутируют исполнительные элементы в схеме станка.

Навесную двухконтактную измерительную скобу (рис. 3.44) ус-
танавливают на кожухе шлифовального круга. В корпусе 1 скобы
помещена гильза 2, служащая направляющей механизма преобра-
зователя. В гильзе 2 на насыпных шарах 5 перемещается цилиндр 9,
на котором с помощью втулки 7 закреплена планка 8 с нижним
измерительным наконечником, установлена съемная втулка 4 и
охранные кольца емкостного преобразователя. В цилиндре 9на шарах
11 перемещается шток 6 с втулками 5 емкостного преобразователя.
Шток оканчивается твердосплавным измерительным наконечни-
ком. Измерительное усилие на верхнем наконечнике создается ве-
сом штока, а на нижнем — спиральной пружиной 12, которая
через корпус 13 и гибкую ленту 14 подтягивает цилиндр 9 с план-

кой 8 вверх. Измерительные наконечники разводятся с помощью

гидроцилиндра 10. Преобра-
зователь и механизмы скобы
защищены от шлама и эмуль-
сии гофрированными элас-
тичными уплотнениями.

Диапазон измерения ско-
бы составляет от 15 до 85 мм.
Измерительное усилие 700 ±
±200 сН.

Датчик для контроля пе-
ремещения шлифовальной
бабки так же, как и скоба,
оснащен емкостным линей-
ным преобразователем и по-
зволяет осуществлять кос-
венный контроль при обра-
ботке шеек вала в тех случа-
ях, когда это нельзя сделать
с помощью скобы, напри-
мер при контроле шеек со
шпоночными пазами. Дат-
чик и скоба подключаются
к отсчетно-командному ус-
тройству.

Отсчетно-командное ус-
тройство служит для преоб-
разования сигнала рассогла-
сования мостовой измери-
тельной схемы и выдачи
пяти управляющих команд в
схему станка. На лицевой па-
нели устройства расположе-
ны: декадные переключате-
ли набора диаметра обработ-
ки, цифровое табло, шкаль-

Рис. 3.44. Конструкция навесной двух-
контактной измерительной скобы:
1 — корпус скобы; 2 — гильза; 3 — втулка
емкостного преобразователя; 4 — съемная
втулка; 5 — насыпные шары; 6 — шток;
7— втулка; 8— планка; 9— цилиндр; 10—
гидроцилиндр; 11 — шары; 12 — спираль-
ная пружина; 13 — корпус; 14 — гибкая
лента
ные двухпредельные индикаторы с ценой деления 0,001 и 0,005 мм
для слежения за ходом обработки, ручки настройки команд, пере-
ключатели коррекции, сигнальные лампы и элементы управления.

Прибор работает следующим образом. На декадных переключате-
лях отсчетного устройства устанавливаются заданные диаметры об-
рабатываемых шеек. При этом коммутируются соответствующие вы-
воды трансформаторов делителя и меняется плечевое соотношение
двух трансформаторных плеч мостовой измерительной схемы, в два
других плеча которой включен емкостный преобразователь скобы.

К обрабатываемой шейке вала с помощью гидроцилиндра под-
водится измерительная скоба, и ее измерительные наконечники
опускаются на обрабатываемую поверхность. В процессе обработки
уменьшаются диаметр шлифуемой шейки и разбаланс моста, уси-
ленный сигнал рассогласования поступает на шкальные индика-
торы, позволяющие следить за ходом обработки, и на блок уста-
вок, где установлены уровни предварительных команд для изме-
нения режима шлифования. Когда размер обрабатываемой шейки
достигает заданного значения, мостовая схема уравновешивается
(сигнал рассогласования отсутствует) и выдается команда на от-
вод шлифовальной бабки.

Измерительная скоба и шлифовальная бабка перемещаются к сле-
дующей шейке вала, и таким образом производится последователь-
ная автоматическая обработка всех шеек вала. Прибор имеет высокие
метрологические характеристики. Погрешность выдачи окончатель-
ной команды на всем диапазоне измерения (70 мм) не превышает
±0,002 мм. Предел допускаемой погрешности прибора ±0,005 мм.

3.2.7.	Приборы активного контроля
для внутришлифовальных станков

Внутреннее шлифование применяется значительно реже, чем
наружное. Наибольшее распространение внутришлифовальные стан-
ки получили в подшипниковой промышленности, где они приме-
няются при обработке желобов и отверстий колец подшипников.
Здесь же используется большая часть приборов.

При контроле отверстий небольшого диаметра (менее 30 мм) труд-
но одновременно разместить шлифовальный круг и измерительные
наконечники прибора. В этих случаях измерительная головка прибора
перемещается вместе со шлифовальным кругом вдоль оси обрабаты-
ваемого отверстия. Иногда измерительную головку располагают со
стороны шлифовального шпинделя, и измерительные наконечники
Зи 4(рис. 3.45, а), охватывающие оправку 2шлифовального круга 7,
периодически входят в обрабатываемое отверстие вслед за шлифо-
вальным кругом (рис. 3.45, б). На специальных станках с полым ко-
ротким шпинделем измерительная головка может быть помещена внут-
ри шпинделя, и измерительные наконечники вводятся в обрабаты-
Рис. 3.45. Расположение измерительных наконечников за шлифовальным
кругом:

1 — шлифовальный круг; 2 — оправка; 3 и 4 — измерительный наконечник
ваемое отверстие, когда шлифовальный круг частично выводится из
него. В обоих случаях несмотря на гладкую поверхность отверстия при-
боры работают в условиях контроля прерывистой поверхности, они
должны иметь соответствующую конструкцию.

Длина хода, на протяжении которой измерительные наконеч-
ники находятся на контролируемой поверхности,

/ = 2а,

где а — глубина вхождения измерительных наконечников в изме-
ряемое отверстие за вычетом длины фаски, мм.

Средняя скорость V перемещения измерительных наконечников
вдоль отверстия зависит от скорости перемещения шлифовального
шпинделя (числа двойных ходов и длины хода наконечников).

Время I нахождения измерительных наконечников на контро-
лируемой поверхности определяется по следующей формуле:

/ =	+ ^2 + (з 5

где /ь — время прохождения измерительными наконечниками пу-
ти а при ходе туда и обратно, с; ?2 — время выстоя при реверсе, с.

Обычно глубина вхождения измерительных наконечников
а = 2... 3 мм, а при контроле отверстий диаметром 1... 5 мм умень-
шается до а = 0,9... 1,5 мм. Число двойных ходов обычно составляет
60... 100 и время I = 0,3...0,4 с. Однако на современных станках
наблюдается тенденция к увеличению скорости обработки и числа
двойных ходов до 200... 300 в минуту. В этих условиях уменьшается
время 1= 0,05...0,15 с.

Приборы с жестким калибром. Наиболее простыми и надежными
устройствами для внутреннего шлифования являются жесткие ка-
либр-пробки (рис. 3.46). Они располагаются в бабке изделия и вво-
дятся в обрабатываемое отверстие со стороны, противоположной
кругу. На станке соосно с обрабатываемым отверстием 3 устанавли-
вают шток 1, на конце которого закреплен ступенчатый калибр-
пробка 2. Периодически при от-
ходе вправо шлифовального
круга 4 шток с калибром под
действием пружины подводит-
ся к отверстию диаметром В.
Однако войти в это отверстие
калибр сможет только при
В>В\, т.е. когда размер отвер-
стия станет больше диаметра

Рис. 3.46. Схема контроля жестким
калибр-пробкой:

1 — шток; 2 — калибр-пробка; 3 — обра-
батываемое отверстие; 4 — шлифоваль-
ный круг; 5 — выключатель; 6 — конеч-
ный выключатель

первой ступени калибра. В этот
момент регулируемый упор,
связанный со штоком 1, нажи-
мает на конечный выключатель
6, команда которого использу-
ется в схеме станка для измене-

ния режима обработки. При

дальнейшем шлифовании наступает момент, когда В>Въ вторая
ступень калибра получает возможность войти в отверстие, и второй
регулируемый упор нажимает на выключатель 5, который подает
команду на прекращение обработки. Известны устройства с четы-
рехступенчатыми калибрами, подающие в цепь управления станка
четыре команды на изменение режимов обработки. Калибр-пробки
позволяют контролировать отверстия со шпоночными и шлицевы-
ми пазами, нечувствительные к вибрациям; они имеют малые раз-

меры и простую конструкцию.

Однако применение жесткого калибра возможно только для из-
мерения деталей со сквозными отверстиями диаметром до 100 мм,
обрабатываемых на специальных станках. На универсальных внут-
ришлифовальных станках жесткие калибры не применяются.

Погрешность обработки отверстий при использовании жестких
калибров составляет 0,01 — 0,02 мм.

Контактные приборы. Наибольшее распространение при шли-
фовании отверстий получили приборы с двухконтактными изме-
рительными скобами, аналогичными по конструкции скобам,
применяемым на круглошлифовальных станках, и отличающи-
мися специальными измерительными наконечниками и аррети-
ром, с помощью которого наконечники сближаются перед вво-
дом их в обрабатываемое отверстие или в желоб. В большинстве
случаев стараются разместить наконечники в отверстии вместе со
шлифовальным кругом, и они сохраняют неизменное положение
в отверстии в течение всего цикла обработки. Такие приборы имеют
простую конструкцию и обеспечивают высокую точность обра-
ботки. Однако при контроле отверстий малого диаметра, напри-
мер менее 15 мм, круг занимает почти все свободное простран-
ство и там трудно разместить наконечники. В этих случаях много-
кратно пытались применять сложные скобы, наконечники кото-
рых вводятся в отверстие после круга и при каждом его двойном
ходе, а при выходе из отверстия они фиксируются специальны-
ми тормозными электромагнитными устройствами для запоми-
нания размера.

Кроме того, приборы снабжаются специальной системой управ-
ления электромагнитами торможения, обеспечивающей отпуска-
ние наконечников при входе в отверстие и их надежное торможе-
ние при выходе из него. Вследствие недостаточного быстродействия
тормозных электромагнитов такие приборы работают при невысо-
ких скоростях шлифования — 60... 80 двойных ходов в минуту.

При контроле приборами с фиксацией наконечников могут воз-
никнуть дополнительные погрешности, равные 0,5... 1,0 мкм, обус-
ловленные нестабильностью работы тормозных механизмов. В на-
стоящее время приборы с торможением наконечников применя-
ются редко.

Для контроля отверстий малых диаметров применяют контакт-
ные приборы, помещаемые внутри шпинделя бабки изделия. Для
внутришлифовального автомата ЛЗ-239 разработана измеритель-
ная система БВ-4188, предназначенная для активного контроля
посадочных отверстий внутренних колец приборных подшипников.

С помощью отсчетно-командного электронного устройства
БВ-6119-06 измерительная система выдает в схему управления стан-
ка три команды для перехода на чистовое шлифование, выхажи-
вание и прекращение обработки при достижении отверстием за-
данного размера.

Кинематическая схема двухконтактного измерительного при-
бора БВ-4188 показана на рис. 3.47. Механизм перемещения изме-
рительной головки 74 устанавливают на бабке изделия шлифоваль-
ного станка так, чтобы измерительные рычаги 20 и 21, оснащен-
ные алмазными наконечниками, через полый шпиндель 11 бабки
изделия ввелись в обрабатываемое отверстие детали 18. Благодаря
кинематической связи со шлифовальной бабкой, осуществляемой
с помощью толкателя 12, механизм перемещения, выполненный
в виде шарнирного четырехзвенника, обеспечивает возвратно-по-
ступательные движения измерительной головки синхронно с
осциллирующими движениями абразивного круга. Силовое замы-
кание со шлифовальной бабкой обеспечивается пружиной растя-
жения 3.

Измерительная головка 14 содержит два автономных измери-
тельных узла идентичной конструкции. Оба узла снабжены диффе-
ренциальными индуктивными преобразователями ПА и ПВ плун-
жерного типа. Ферритовые якори 13 и 75, установленные на кон-
цах измерительных рычагов, взаимодействуют с катушками ин-
дуктивности. При погружении якорей внутрь катушек изменяются
их индуктивное и комплексное сопротивления. Следствием этого
является изменение выходных сигналов преобразователей как функ-
Рис. 3.47. Кинематическая схема двухконтактного измерительного прибора
БВ-4188:

1 — упор; 2 — гидроцилиндр; 3, 22 и 23 — пружина растяжения; 4 — переключа-
тель; 5 — каретка; 6 — пружина; 7 — упор; 8 — угловой рычаг; 9 — бесконтактный
переключатель; 10 — отсчетно-командное устройство; 11 — шпиндель; 12 — толка-
тель; 13 и 75— ферритовый якорь; 14 — измерительная головка; 16 и 17 — гидрав-
лический демпфер; 18 — деталь обрабатываемая; 19 — шлифовальная бабка; 20
и 21 — измерительный рычаг

ции линейных перемещений якорей. Оба преобразователя включе-
ны в отсчетно-командное устройство 10 по схеме суммирования

А = А + В,

где А — результирующий сигнал, пропорциональный суммарно-
му линейному перемещению измерительных наконечников и со-
ответственно отклонению размера детали.

Измерительное усилие, не превышающее 1 Н, создается пру-
жинами растяжения 22 и 23. Дря исключения вредного воздей-
ствия вибрации, обусловленной прерывистым характером измере-
ний, головка оснащена гидравлическими демпферами 16 и 17, ки-
нематически связанными с измерительными рычагами. Каждый
демпфер представляет собой закрытый герметизирующей диаф-
рагмой гидроцилиндр, образованный расточкой в корпусе голов-
ки. Поршневой шток гидроцилиндра, выведенный через централь-
ное отверстие в диафрагме, прикреплен к измерительному рычагу.
Полости по обе стороны поршня заполнены полиметилсилокса-
новой демпфирующей жидкостью таким образом, чтобы отсут-
ствовали газовые пузырьки. Из одной полости в другую жидкость
перетекает через кольцевой зазор между поршнем и цилиндром.
Усилие демпфера, препятствующее вибрации подвижных частей
измерительной цепи, пропорционально диаметру поршня, скоро-
сти перемещения измерительного наконечника и кинематической
вязкости демпфирующей жидкости.

Исходное положение измерительной головки обеспечивается
нагнетанием масла из гидросистемы станка в правую полость гид-
роцилиндра 2. При этом в отсчетно-командное устройство посту-
пает сигнал бесконтактного переключателя 9 типа БРП, необхо-
димый для подготовки электросхемы к очередному циклу работы.

В начальной фазе автоматического цикла после закрепления де-
тали 18 в магнитном патроне шпинделя 11 осуществляется подвод
шлифовальной бабки к обрабатываемой детали. В момент, предше-
ствующий снятию припуска на черновое шлифование, гидросис-
тема станка реверсирует потоки масла так, что левая полость гид-
ронилиндра 2 сообщается с напорной магистралью, а правая — со
сливом. Благодаря этому под действием пружины 3 каретка 5 с
измерительной головкой 14 приобретает плавное движение в сто-
рону обрабатываемой заготовки. В начале движения бесконтактный
переключатель 9 подает сигнал, благодаря которому включаются
цепи выдачи команд в схему управления станка. Рабочий ход огра-
ничивается толкателем 12, имеющим кинематическую связь со шли-
фовальной бабкой 19. Толкатель сообщает измерительной головке
осциллирующие движения синхронно с перемещениями шлифо-
вальной бабки. Измерительные наконечники вводятся в обрабаты-
ваемое отверстие поочередно с абразивным кругом.

В конце рабочего хода, когда измерительные наконечники входят
в соприкосновение с обрабатываемой поверхностью, упор 7 разоб-
щает угловой рычаг 8 с ножкой переключателя 4, замыкая его элек-
трический контакт. Благодаря этому обеспечивается включение из-
мерительного тракта электронной системы и выходные сигналы ин-
дуктивных преобразователей, пропорциональные размеру отверстия,
поступают к отсчетно-командному устройству 10. Отрыв измеритель-
ных наконечников от контролируемой поверхности в момент удара о
торец кольца исключается гидравлическими демпферами 16 и 17.

При обратном ходе, прежде чем измерительные наконечники
выйдут за пределы обрабатываемой поверхности, угловой рычаг 8
усилием пружины 6 поворачивается против часовой стрелки. При
этом размыканием электроконтакта переключателя 4 прерывается
цикл измерения и одновременно включаются цепи электронной
памяти о размере контролируемого отверстия. Таким образом, из-
мерительный тракт оказывается заблокированным от ложных сиг-
налов индуктивных преобразователей, возникающих при холостом
ходе измерительных наконечников без соприкосновения с обраба-
тываемой поверхностью. По мере снятия припуска стрелка показы-
вающего прибора совершает дискретные перемещения на величину
припуска, снятого за каждый двойной ход абразивного круга.

При достижении заранее установленных размеров отверстия сиг-
налы преобразователей, усиленные электронной системой, выра-
батывают предварительные команды для переключения механиз-
ма подач станка на чистовой режим шлифования и на выхажива-
ние. При достижении заданного размера отверстия формируется
окончательная команда для ускоренного отвода измерительной
головки и шлифовальной бабки в исходное положение. После уда-
ления обработанной детали и закрепления в патрон станка оче-
редной заготовки рабочий цикл повторяется.

В случае необходимости правки абразивного круга внутри цик-
ла шлифовальная бабка 19 отводится вправо, а измерительные на-
конечники под действием пружины растяжения 3 углубляются в
контролируемое кольцо. Для исключения повреждений измеритель-
ной головки служит упор 7, ограничивающий ход каретки 5. Пер-
воначальную настройку измерительной головки на заданный раз-
мер производят вне станка с помощью специального приспособ-
ления. Окончательную настройку осуществляют на станке по коль-
цу, размер которого соответствует середине поля допуска.

Универсальный бесконтактный пневматический прибор
(рис. 3.48), разработанный на базе пневмоиндуктивного преобразо-
вателя, состоит из пневматической пробки 8, пневмоиндуктивного
преобразователя 7, индуктивного отсчетно-командного устройства
6 и путевого выключателя 7. Пневматическая пробка 8 расположена
в шпинделе изделия со стороны, противоположной шлифовально-
му кругу, и вводится в отверстие при осцилляции круга. Пробки

Рис. 3.48. Схема бесконтактного пневматического прибора:

1 — пневмоиндуктивный преобразователь; 2 — регулируемое сопло; 3 — мембран-
ная коробка; 4 якорь; 5 — преобразователь; 6 — отсчетно-командное устрой-
ство; 7 — путевой выключатель; 8 — пневматическая пробка; 9 и 10 — входное

сопло
могут применяться для контроля отверстий различного диаметра.
Представляет интерес пробка диаметром 0,92 мм, используемая для *
контроля в процессе обработки посадочных отверстий колец шари- |
коподшипников диаметром 1 мм. Пневмоиндуктивный преобразова- |
тель расположен вблизи пневмопробки для уменьшения объема под- 'Я
водящих воздухопроводов и повышения быстродействия прибора. |

Пневмоиндуктивный преобразователь 1 соединен с отсчетно- |
командным устройством БВ-6119, снабженным блоком памяти, 1
который позволяет фиксировать выходной сигнал, соответствую- '*
щий размеру отверстия на время выхода пробки 8 из него. Блок
памяти управляется командой путевого выключателя 7, срабаты-
вающего в момент вхождения пробки в отверстие.

Выбор путевого выключателя зависит от глубины вхождения из-
мерительных сопел пробки в контролируемое отверстие. При боль-
шой глубине вхождения (2...3 мм) применяют обычные электро-
контактные путевые выключатели, при небольшой (0,9... 1,5 мм) —
используют электроконтактные преобразователи.

Пневматическая система прибора питается сжатым воздухом под
постоянным рабочим давлением Н = сопй через входные сопла 9
и 10. От входного сопла 9 воздух поступает к измерительным соплам
пробки б’и вытекает в зазор между ними и поверхностью контроли-
руемого отверстия. Воздух под измерительным давлением А посту-
пает в мембранную коробку 3. От входного сопла 10 воздух поступа-
ет в корпус преобразователя и вытекает через регулируемое сопло
2, создавая снаружи мембранной коробки необходимое противо-
давление Й].

Для повышения быстродействия прибора снижают чувствитель-
ность пневматической системы. Так, отношение перемещения цен-
тра мембранной коробки 3 к изменению диаметра контролируе-
мой детали назначают 1,5...2,0. Общая чувствительность прибора,
равная 1000... 2000, достигается повышением чувствительности ин-
дуктивной системы.

Пневматическая пробка периодически входит в обрабатывае-
мое отверстие при каждом двойном ходе круга. Когда пробка нахо-
дится в отверстии, измерительное давление й в мембранной ко-
робке 3 повышается, якорь 4 перемещается вверх и с преобразова-
теля 5 в отсчетно-командное устройство 6 поступает сигнал на-
пряжения, соответствующий размеру отверстия. Этот сигнал фик-
сируется в блоке памяти, когда пробка выходит из отверстия и
давление в мембранной коробке падает.

По мере съема припуска прибор выдает управляющие команды
для изменения режимов обработки и на окончание шлифования.
Прибор обладает высоким быстродействием и может работать при
100... 150 двойных ходов в минуту.

При активном контроле на внутришлифовальных станках наи-
большую точность обеспечивают двухконтактные приборы, измери-
тельные наконечники которых постоянно находятся в обрабаты-
ваемом отверстии. При периодических измерениях во время каж-
дого двойного хода шлифовального круга возникают дополни-
тельные динамические погрешности бд. Одна составляющая
динамической погрешности возникает вследствие того, что из-
мерение производится каждый раз после съема припуска за двой-
ной ход. И если в процессе обработки при очередном измерении
размер отверстия еще немного меньше заданного, например на
0,1 мкм, то за следующий ход круга может быть снят припуск
больше необходимого, например 0,5 мкм, и возникает погреш-
ность, составляющая в данном случае 0,4 мкм. Для уменьшения
этой погрешности следует снижать скорость съема припуска в
конце обработки. Другая составляющая динамической погрешно-
сти связана с инерционностью прибора и небольшим временем
(0,05...0,2 с), отводимым на измерение при каждом ходе. Если за
время измерения выходной сигнал прибора не успевает достиг-
нуть установившегося значения, соответствующего размеру от-
верстия, появляется динамическая погрешность, выражающаяся
в отставании показаний прибора от изменений размера обраба-
тываемого отверстия. Эта погрешность уменьшается в конце цик-
ла шлифования по мере снижения скорости съема припуска.

3.2.8.	Приборы активного контроля
для плоскошлифовальных станков

В промышленности широко применяются приборы для контро-
ля размеров деталей, ограниченных плоскими поверхностями, на
плоскошлифовальных, торцешлифовальных и шлицешлифоваль-
ных станках. При плоском шлифовании обычно обрабатывается
большое число одинаковых деталей, закрепленных на магнитной
плите или в специальном приспособлении на столе станка. Проме-
жутки между деталями, фаски на их краях, пазы и отверстия со-
здают разрывы на обрабатываемой поверхности, и измерительный
наконечник прибора контактирует с ней периодически. Даже при
обработке одной длинной детали с непрерывной поверхностью,
например направляющих станины, на плоскошлифовальном станке
с прямоугольным столом деталь только периодически оказывается
под измерительным наконечником.

Практически непрерывную поверхность при плоском или тор-
цовом шлифовании можно наблюдать во время обработки торцов
прорезных и отрезных фрез, дисковых пил и шестерен, когда их
устанавливают по одной детали в центре круглого стола или на
специальном патроне.

Длина измеряемой поверхности I при плоском шлифовании оп-
ределяется длиной гладкого участка обрабатываемой поверхнос-
ти, проходящей под измерительным наконечником прибора
Рис. 3.49. Контроль прерывистой поверхности при плоском шлифовании:
а — на круглом столе; б — на прямоугольном столе

(рис. 3.49, а). Время нахождения измерительного наконечника на
гладком участке

/ = I / V,

где V — скорость перемещения деталей, мм/с.

Эту формулу используют при контроле деталей на станке с круг-
лым столом.

При шлифовании длинных деталей на станке с прямоугольным
столом, совершающим возвратно-поступательное движение
(рис. 3.49, б),

1 = {\ +{2>

где Ц — время нахождения наконечника на гладком участке по-
верхности за один двойной ход стола; (2 — время выстоя стола на
реверсе, с.

Скорость V перемещения стола с деталями на станках с прямо-
угольным столом в большинстве случаев составляет 10... 50 м/мин,
а на станках с круглым столом достигает иногда 150 м/мин. При
контроле коротких деталей, например колец подшипников, с та-
кой скоростью время нахождения наконечника прибора на обра-
батываемой поверхности может быть весьма мало и составляет иногда
0,005... 0,010 с. Для конструкции прибора важно также и время про-
хождения под измерительным наконечником разрыва поверхнос-
ти между двумя деталями. На станках с прямоугольным столом
время между двумя измерениями (прохождение разрыва поверх-
ности) составляет 1...15с.

Базой для обработки при плоском шлифовании служит, как
правило, поверхность магнитной плиты или стола, поэтому изме-
рить непосредственно толщину детали невозможно, так как ее ба-
зовая поверхность недоступна для измерительного наконечника.

В большинстве случаев прибор устанавливают на станине или
на крестовом суппорте станка, и поэтому на точность измерения
оказывают влияние силовые и тепловые деформации станка и не-
Рис. 3.50. Схема прибора БВ-4066К;

7 и 6 — управляющее сопло; 2 и 3 — кулачок; 4 — электродвигатель; 5 — коман-
доаппарат; 7, 8 и 9 — входное сопло; 10 — пневматический арретир; 11 и 13 —
пружина; 12 — рычажок; 14 — измерительный наконечник; 15 — рычаг; 16 и 18 —
пятка; 17— планка; 19 — заслонка; 20— измерительное сопло; 21 и 22— блоки-
ровочный клапан; 23 — отсчетно-командное устройство

постоянство зазора в направляющих стола, на котором устанавли-
вают обрабатываемые детали.

Приборы для многопроходных станков. Прибор БВ-4066К (рис. 3.50)
снабжен фрикционным тормозным механизмом, удерживающим
измерительный рычаг в положении, соответствующем наибольшему
размеру контролируемой детали, с блокировочным (опросным) ус-
тройством фиксирующим сигнал (размер) в отсчетно-командном
устройстве. Измерительный рычаг 15 прибора шарнирно связан с
планкой 77, удерживаемой от перемещения при помощи пружины
77, рычажка 72и пяток 16и 18. Пружина 77 отрегулирована так, что
при отсутствии детали под измерительным наконечником 14 рычаг
75 не опускается. Если высота детали больше расстояния наконеч-
ника 14 до плиты, то рычаг 75 поднимается, и после проскальзыва-
ния планки 77 между пятками 16 и 18 остается в положении, соот-
ветствующем размеру детали. Для повторного измерения предназ-
начен пневматический арретир 10. При подаче сжатого воздуха от
программного устройства (командоаппарата 5) шток арретира от-
водит рычажок 12, освобождается планка 17 и измерительный ры-
чаг 15 под действием пружины 13 опускается. Верхний конец рычага
15 служит заслонкой измерительного сопла 20, показания прибора
определяются зазором 5 между заслонкой 19 и соплом 20.

Сжатый воздух под постоянным давлением Н= сопЫ поступает
к входному соплу 9 и вытекает в зазор 5. Измерительное давление
Л, образующееся в камере между входным 9 и измерительным 20
соплами и зависящее от зазора 5, подается через блокировочные
клапаны 21, 22 к отсчетно-командному устройству 23. Циклом ра-
боты прибора управляют при помощи командоаппарата 5. Коман-
доаппарат 5 состоит из электродвигателя 4, на валу которого уста-
новлены кулачки 2 и 3, и двух управляющих сопел 1 и 6. Воздух к
управляющим соплам поступает через входные сопла 7 и 8.

При обработке деталей на станке под наконечником 14 переме-
щается прерывистая поверхность. Вал командоаппарата 5 вращает-
ся с постоянной скоростью, и за каждый оборот вала поочередно
выдаются две команды, управляющие работой прибора. Сначала
кулачок 3 закрывает сопло 6, давление под мембраной арретира 10
повышается, шток арретира перемещается и отводит рычажок 12,
освобождая планку 17. Измерительный рычаг 75 под действием пру-
жины 13 опускается на обрабатываемую поверхность или в ее раз-
рыв. Через установленное время сопло 6 открывается, арретир 10
возвращается в исходное положение, пружина 77 и рычажок 12
затормаживают измерительный рычаг 75. Если измерительный на-
конечник 14 попадает на обрабатываемую поверхность, то рычаг
75 фиксируется в этом положении. Если измерительный наконеч-
ник 14 попадает в разрыв поверхности, то при ее перемещении
выступ детали поднимает наконечник. Через заданное время откры-
вается управляющее сопло 7, давление под мембраной клапанов 27,
22 падает и в результате срабатывания клапана измерительная ка-
мера соединяется с отсчетно-командным устройством 23, которое
фиксирует размер обрабатываемых деталей. Цикл измерения повто-
ряется при каждом обороте вала командоаппарата 5.

На рис. 3.51 приведена циклограмма работы прибора. Цикл на-
чинается с закрытия управляющего сопла 6 (см. рис. 3.50), сраба-
тывания арретира 10 и затормаживания измерительного рычага 75.
После затормаживания рычаг должен быть поднят выступами де-
талей, прежде чем сработает блокировочный клапан 27.

Время одного цикла измерения

т = 2?! + ?2 + 6 + 24} + ($ + 4б>

где й — время срабатывания и отпускания арретира; /2 — время сво-
бодного состояния измерительного рычага; — время поднятия ры-
Рис. 3.51. Циклограмма работы
прибора БВ-4066К:

1 — арретир тормозного механизма;

2 — измерительный рычаг; 3 — бло-
кировочный клапан .

чага; /4 — время срабатывания и
закрытия клапана; /5 — время от-
крытого состояния; — интервал
между включениями арретира и
клапана.

На значение Т при плоском
шлифовании наибольшее влияние
оказывает составляющая /3, рав-
ная примерно 0,9 Т. За время /3 под
измерительным наконечником
должна пройти хотя бы одна де-
таль. Поэтому /3 должно быть боль-
ше, чем время прохождения наи-
большего разрыва поверхности
(при наименьшей скорости стола)
под измерительным наконечни-
ком прибора.

Как было показано выше, для

станка с прямоугольным столом интервал /3 может составлять до 15 с.

Увеличение /3 и Тспособствует повышению долговечности при-
бора, но может привести к появлению дополнительной динами-
ческой погрешности из-за отставания команды прибора.

Чтобы уменьшить эту погрешность за время г3 на конечной ста-
дии обработки, например при выхаживании, должен сниматься
минимальный припуск. Выхаживание на плоскошлифовальных стан-
ках с вертикальным шпинделем и непрерывной подачей произво-
дится в течение 3...5 оборотов (ходов) стола в течение не менее
10... 15 с. Для этих станков /3 выбирают равным 6... 8 с. Для станков
с горизонтальным шпинделем и периодической подачей время вы-
хаживания больше и Тсоставляет 15... 20 с. Указанные циклы удов-
летворяют большинству встречающихся на практике случаев обра-
ботки на плоскошлифовальных станках.

В комплект прибора входит одноконтактная измерительная го-
ловка, командоаппарат, пневматическое отсчетно-командное уст-
ройство БВ-6060 и установочный кронштейн. Конструкция изме-
рительной головки показана на рис. 3.52. Для уменьшения измери-
тельного усилия и подвижной массы измерительный рычаг 6 вы-
полнен из титанового сплава ВТ-5. Ось рычага установлена на ша-
рикоподшипниках 10 таким образом, чтобы ее люфт и биение не
превышали 1 мкм.

Фрикционный механизм состоит из двух плоских пяток 77 и
12, между которыми находится планка 4, выполненная из гиб-
кой ленты, соединенная с рычагом 6. Пятки установлены на
плоскопружинных параллелограммах и сжимают планку 4 с по-
мощью пружины 8 и рычага 9. Такая конструкция механизма
обеспечивает параллельность перемещения пяток, хорошее при-
2

Рис. 3.52. Конструкция измерительной головки прибора БВ-4066К:

1 — корпус; 2 — винт; 3 — измерительное сопло; 4 — планка; 5 — плоская пружи-
на; 6 и 9 — рычаг; 7 — арретир; 8 — пружина; 10 — шарикоподшипники; 11 и
12— плоская пятка

легание их к планке 4 и, главное, отсутствие люфтов во фрик-
ционном механизме. Рычаг 6 освобождается с помощью пнев-
матического мембранного арретира 7, отводящего рычаг 9 при
подаче под мембрану сжатого воздуха. Механизм торможения
обеспечивает нестабильность фиксации измерительного рычага
при многократных измерениях не более 0,8 мкм. Верхний конец
рычага 6 служит заслонкой измерительного сопла 3, соединен-
ного с отсчетно-командным устройством. Настройка прибора на
размер производится с помощью винта 2, покачивающего кор-
пус 1 на шарнире из плоской пружины 5.
Измерительную головку уста-
навливают на станке на жестком
кронштейне, позволяющем ре-
гулировать положение головки в
вертикальном и горизонтальном
направлениях при настройке
прибора.

Для контроля прерывистой
поверхности при плоском шли-
фовании фирма «Марпос» вы-
пускает прибор «Альсар» (рис.
3.53), состоящий из однокон-
тактной измерительной голов-
ки и отсчетно-командного уст-
ройства, снабженного блоком
памяти. Измерительная головка
имеет измерительный рычаг 2,
установленный на крестообраз-
ном шарнире из плоских пру-
жин 3. Один конец рычага 2
снабжен твердосплавным роли-
ком 7, который служит измери-

Рис. 3.53. Конструкция индуктивно-
го прибора «Альсар» для плоского
шлифования:

1 — ролик; 2 — рычаг; 3 — шарнир из
плоских пружин; 4 — пружина; 5 — пор-
шень; 6 — ферритовая чашка; 7 — ка-
тушка индуктивности; 8 — ферритовая
шайба

тельным наконечником, на дру-
гом конце укреплена феррито-
вая шайба 8, являющаяся яко-
рем индуктивного недифферен-
циального преобразователя.
Преобразователь состоит из
ферритовой чашки б и катушки
индуктивности 7. Рычаг 2 жест-
ко связан с поршнем 5 гидрав-

лического демпфера. Наличие демпфера исключает отрывы изме-

рительного наконечника от контролируемой поверхности при на-

езде его на деталь и позволяет сравнительно медленно опускаться
в разрыв поверхности. Измерительное усилие на ролике 1, рав-
ное 70... 120 сН, создается пружиной 4.

Погрешность обработки при плоском шлифовании больше, чем
при других видах шлифования, так как обычно одноконтактное из-
мерение осуществляется от подвижной базы (стола станка), поверх-
ность которой может иметь значительную неплоскостность. На по-
грешность обработки также влияют тепловые и силовые деформа-
ции станка, зазоры в направляющих стола, разогрев и деформация
магнитной плиты, на которой расположены обрабатываемые дета-
ли, и другие факторы. Некоторые из погрешностей, обусловленных
этими факторами, являются систематическими и могут быть час-
тично скомпенсированы поднастройкой прибора и станка.
Приборы для однопроходных станков. На однопроходных (про-
дукционных) плоскошлифовальных станках весь припуск снимает-
ся за один проход обрабатываемой детали под шлифовальным кру-
гом. Эти станки широко применяются в подшипниковой и автомо-
бильной промышленности, в автоматических линиях при крупно-
серийном и массовом производстве. Они снабжены медленно вра-
щающимся столом с круглой электромагнитной плитой, отдельные
секторы которой могут включаться и отключаться независимо друг
от друга. На станке установлены две (или три) шлифовальные баб-
ки с шлифовальными кругами, работающими своими торцами.

Детали, предназначенные для обработки, укладываются или по-
ступают автоматически на движущуюся магнитную плиту в обесто-
ченный сектор. При дальнейшем вращении плиты в этот сектор
подается ток и детали закрепляются на плите. Затем эти детали про-
ходят под первой шлифовальной бабкой, где с них за один проход
снимается черновой припуск. При дальнейшем движении стола де-
тали проходят под второй шлифовальной бабкой и с них за один
проход снимается весь чистовой припуск. После этого детали с окон-
чательно обработанной поверхностью и требуемым размером по
высоте попадают в зону разгрузки, в которой соответствующий сектор

Рис. 3.54. Схема работы станка с
автоматической подналадкой
шлифовального круга:

1 — шлифовальный круг; 2 — шли-
фовальная бабка; 3 — винт; 4 — ре-
дуктор; 5 — электродвигатель; 6 —
усилитель; 7 — измерительная голов-
ка; 8 — измерительный наконечник;

9 — обработанные детали

магнитной плиты обесточивается,
и детали сходят со станка.

При такой схеме обработки ос-
новным фактором, влияющим на
размер детали, является износ
шлифовального круга, вследствие
чего размер деталей будет посте-
пенно увеличиваться. Поэтому для
компенсации износа круга после
каждой шлифовальной бабки ста-
вят подналадчик, который опре-
деляет момент, когда высота де-
талей превышает заданную и вы-
дает команду на опускание бабки.

Схема работы станка с авто-
матической подналадкой шлифо-
вального круга показана на рис.
3.54. Обработанные детали 9пос-
ле выхода из-под шлифовального
круга 1 проходят под измеритель-
ным наконечником 8 измеритель-
ной головки 7. По мере износа
шлифовального круга размеры об-
работанных деталей возрастают, и
при достижении деталью разме-
ра, равного или превышающего
подналадочный, измерительная головка выдает команду на под-
наладку. Сигнал от головки 7 поступает в усилитель 6 и через реле
времени станка РВ подается на электродвигатель 5. По команде,
поступающей от усилителя, электродвигатель 5 включается и че-
рез редуктор 4 поворачивает винт 3 шлифовальной бабки 2. Пере-
мещение шлифовальной бабки определяется временем вращения
электродвигателя подналадки, задаваемым реле времени. Значе-
ние подналадочного импульса выбирают в зависимости от поля
допуска, припуска на обработку, характеристик шлифовального
круга, формы и размеров изделий, количества изделий, находя-
щихся между кругом и измерительной головкой, и т.д. Реле време-
ни станка также задерживает следующий подналадочный импульс
на период, пока под измерительным наконечником не пройдут
все детали, находящиеся между ним и кругом при подаче первого
подналадочного импульса.

3.2.9.	Приборы активного контроля для хонинговальных станков

Активный контроль широко применяется при хонинговании,
являющемся, как правило, завершающей операцией при обработ-
ке точных отверстий. Обработка на хонинговальных станках произ-
водится с помощью мелкозернистых абразивных брусков, соверша-
ющих вращательное и возвратно-поступательное движения. Про-
цесс хонингования характеризуется небольшим снимаемым при-
пуском (0,03...0,15 мм), небольшой скоростью съема припуска в
конце обработки (0,3 ...0,5 мкм за один ход хонинговальной голов-
ки), медленным износом режущих брусков и, как следствие, ста-
бильным процессом обработки. Из многочисленных приборов, раз-
работанных для хонинговальных станков, в промышленности при-
меняются в основном жесткие калибры и пневматические бескон-
тактные и контактные устройства, встроенные в хонинговальную
головку.

Прямое измерение отверстий небольшого диаметра, например
менее 30 мм, и отверстий с прерывистой поверхностью в процес-
се их обработки на хонинговальных станках затруднено вследствие
того, что обрабатываемое отверстие полностью занято хонинго-
вальной головкой, а размещение измерительных преобразовате-
лей в самой хонинговальной головке практически невозможно из-
за ее небольших размеров и сложной конструкции. В этих случаях
хорошие результаты дают косвенные измерения. Наиболее благо-
приятные предпосылки для применения косвенного контроля со-
здаются при алмазном хонинговании, что объясняется высокой
стойкостью алмазных брусков (в ряде случаев одним комплектом
брусков обрабатывается до 30 тыс. изделий).

Довольно широкое распространение получили устройства с «па-
дающим» калибр-пробкой, расположенным непосредственно на кор-
10

11

Рис. 3.55. Конструкция устройства
с жестким калибром для контроля
в процессе хонингования:

1 — обрабатываемая деталь; 2 — хо-
нинговальная головка; 3 — рычаг; 4 —
преобразователь; 5 — винт; 6 и 7 —
контакт; 8 и 10 — шарикоподшипник;

9 — пружина; 11 — калибр-пробка



пусе хонинговальной головки над
режущими брусками (рис. 3.55).
Устройства могут применяться для
контроля отверстий с гладкой и
прерывистой поверхностью.

На штоке хонинговальной го-
ловки 2 монтируют жесткий ка-
либр-пробку 11, диаметр В{ ко-
торого соответствует среднему В
отверстия обрабатываемой дета-
ли. Калибр-пробка должен быть
подвижен относительно хонин-
говальной головки 2 и, как пра-
вило, особенно при плавающем
закреплении этой головки; он
монтируется на двух упорных ша-
рикоподшипниках 8 и 10, обыч-
но специальных, и фиксируется
в осевом направлении с помо-
щью винтовой пружины 9. Жест-
кое центрирование калибра от-
носительно хонинговальной го-
ловки недопустимо, он должен
иметь возможность свободно пе-
ремещаться в радиальном на-
правлении. От вращения вместе
с хонинговальной головкой ка-
либр-пробка 11 удерживается с

помощью имеющихся на его верхнем буртике выступов, зацепля-

ющихся с втулкой, закрепленной на станине станка.

Действие прибора основано на том, что при каждом ходе хонин-
говальной головки 2 вниз калибр-пробка 11 в конце хода под дей-
ствием пружины 9 стремится войти в отверстие обрабатываемой
детали /. Для облегчения вхождения на конце калибра сделана фас-
ка 1,5x15°. Однако калибр не сможет войти в контролируемое от-
верстие до тех пор, пока диаметр Д1 его цилиндрического пояска
больше диаметра В этого отверстия. Причем его верхний буртик не
достает рычага 3 электроконтактного преобразователя 4, установ-
ленного на станине станка. При достижении отверстием В требуе-
мого размера калибр-пробка 11 под действием пружины 9 войдет
своим рабочим пояском в это отверстие и верхний буртик калибра
нажмет на рычаг 3 преобразователя и повернет его. Контакты 6 и 7

разомкнутся, в цепь управления станка поступит команда на прекра-
щение обработки. Контакты 6 и 7 настраивают вращением винта 5.

При измерении изделий с гладкими отверстиями цилиндри-
ческий поясок калибра имеет пазы, необходимые для пропускания
смазочно-охлаждающей жидкости. Для компенсации износа калиб-
ра рабочий поясок изготавливают в виде разрезной втулки, армиро-
ванной твердым сплавом и снабженной винтом для регулировки
размера калибра. Хорошие результаты прибор этого типа дает при
контроле сравнительно коротких отверстий. К недостаткам следует
отнести отсутствие визуального наблюдения за ходом обработки, а
также невозможность контроля по всей длине отверстия.

Жесткие калибры, расположенные на хонинговальной голов-
ке, применяют при хонинговании отверстий диаметром не менее
25... 30 мм. Погрешность обработки при стабильном и отлаженном
технологическом процессе составляет 0,01 ...0,015 мм.

Кроме жестких калибров, расположенных непосредственно на
хоне, применяют калибры, имеющие собственные направляющие,
и гидроцилиндр, который вводит калибр в отверстие сверху или
снизу вслед за хоном. Наличие собственных направляющих несколь-
ко повышает точность контроля. Автономный калибр, расположен-
ный снизу под деталью, позволяет контролировать отверстие ма-
лого диаметра.

Для контроля отверстий большого диаметра, например более
60 мм, применяют контактные и бесконтактные пневматические
приборы, встроенные в хонинговальную головку.

На многих отечественных и зарубежных станках используют бес-
контактный пневматический прибор для контроля гладких отвер-
стий в процессе хонингования (рис. 3.56). Прибор состоит из из-
мерительных сопел 13 и 14, расположенных непосредственно в хо-
нинговальной головке между режущими брусками; вращающегося
герметичного пневматического соединения 1 и отсчетно-команд-
ного устройства 5. Сжатый воздух через электромагнитный клапан 4
подается к стабилизатору давления 3 и от него к отводному соплу 9
и отсчетно-командному устройству 5. Из камеры 10 вращающегося
соединения воздух поступает к измерительным соплам и вытекает в
зазор 8 между их торцами и обрабатываемой поверхностью.

Вращающееся соединение служит для подачи воздуха от непод-
вижного отсчетно-командного устройства к измерительным соплам,
вращающимся вместе с хоном. Соединение смонтировано на кор-
пусе хона 12. Втулка 6установлена на шариковых подшипниках 2 и
имеет две манжеты 11, образующие герметичную камеру 10, в ко-
торую подается сжатый воздух отводного сопла 9. Втулка 6 удержи-
вается от вращения неподвижным пальцем 15, связанным с тра-
версой станка. Для защиты измерительных сопел от повреждений
при входе хона в обрабатываемое отверстие и сведенных режущих
брусков к корпусу хонинговальной головки привернуты твердо-
сплавные планки, выступающие над торцами измерительных со-
пел 13 и 14.

Для увеличения рабочего зазора под измерительными соплами
в качестве входного сопла иногда применяют выносной эжектор,
Рис. 3.56. Конструкция бесконтактоного пневматического прибора для
хонинговального станка:

1 — пневматическое соединение; 2 — шариковые подшипники; 3 — стабилизатор
давления; 4 — электромагнитный клапан; 5 — отсчетно-командное устройство;
6— втулка; 7и 8 — сопло; 9— отводное сопло; 10— камера; 11 — манжеты; 12 —
корпус хона; 13 и 14 — измерительное сопло; 15 — палец

состоящий из близко расположенных сопел 7 и 8. Второе сопло
имеет увеличенную длину рабочего отверстия.

Прибор работает следующим образом. Вращающаяся хонинго-
вальная головка вводится в обрабатываемое отверстие и начинает-
ся съем припуска. По команде от станка открывается электромаг-
нитный клапан 4 и воздух подается в прибор. В процессе обработки
зазор 8 под измерительными соплами увеличивается и снижается
измерительное давление К, поступающее в отсчетно-командное ус-
тройство. Когда диаметр обрабатываемого отверстия достигает за-
данного значения, в цепь управления станка выдается команда на
прекращение обработки и отвод хонинговальной головки, закры-
вается клапан 4 и прекращается подача воздуха в прибор.

Настройка прибора довольно проста. Хонинговальная головка
вводится в обработанное и аттестованное отверстие. С помощью
винта противодавления отсчетно-командного устройства стрелка
устанавливается на нулевое деление шкалы и настраиваются элек-
троконтакты (управляющая команда) по загоранию сигнальных
лампочек прибора. Преимуществом прибора является возможность
контроля отверстия по всей длине. Погрешность обработки отвер-
стий с прибором составляет 0,005...0,010 мм.

В тех случаях, когда обрабатываемые отверстия имеют прерыви-
стую поверхность, применяются контактные пневматические уст-
ройства, встроенные в хонинговальную головку (рис. 3.57). В корпусе
хонинговальной головки между режущими брусками расположены
две твердосплавные планки 2 м 4, прижимаемые к обрабатываемой

Рис. 3.57. Конструкция контактного пневматического устройства для хо-
нинговальных станков:

1 — пружины; 2 и 4 — планка; 3 — шток; 5 — корпус головки; б — конус; 7 —
седло
поверхности пружинами 1. Между планками 2 и 4 расположена кон-
тактная пневматическая головка. Корпус 5 головки контактирует с
планкой 4, а шток 3 связан с планкой 2. Между корпусным концом
штока и седлом 7 корпуса 5 головки образуется измерительный за-
зор, в который вытекает воздух, подаваемый к головке от вращаю-
щегося соединения (см. рис. 3.56), расположенного выше. В процессе
обработки планки 2 и 4 раздвигаются, зазор между седлом 7и кону-
сом 6 уменьшается, давление в измерительной камере падает; при
достижении заданного размера отсчетно-командное устройство вы-
дает в схему управления станка команду на окончание обработки.

Стабильность процесса хонингования и применение стойких ал-
мазных брусков позволяют использовать косвенные методы контро-
ля. Хотя косвенные методы контроля в большинстве случаев имеют
меньшую точность, они могут применяться при обработке отвер-
стий любого диаметра с гладкой и прерывистой поверхностью с
плавающим и жестким креплением хонинговальной головки. Разли-
чают автономные устройства косвенного контроля по времени или
по числу ходов хонинговальной головки и устройства, контролиру-
ющие перемещение режущих брусков или разжимного конуса.

В автономных системах задают длительность процесса хонинго-
вания, необходимую для съема припуска. По истечении заданного
времени или числа двойных ходов обработка автоматически пре-
кращается. Зная снимаемый припуск ДА (мм) и среднее значение
времени 1 (с), приходящегося на снятие, например, 0,01 мм (оп-
ределяемое опытным путем), можно с достаточной точностью рас-
считать машинное время обработки при установившемся процессе
хонингования:

Т = 100ДАА.

Аналогично определяют число двойных ходов К, необходимое
для снятия припуска ДА (мм), при известном числе двойных хо-
дов инструмента к, необходимом для съема, например, 0,01 мм
(и определяемое опытным путем):

К = 100ДАА.

На рис. 3.58 показано устройство для активного контроля, ра-
ботающего по числу двойных ходов хонинговальной головки. Оно
состоит из электромеханического счетчика двойных ходов, гид-
равлического приводного механизма и путевых выключателей.

Счетчик включает зубчатый диск 7, лимб 10 и подвижный ку-
лачок 8. Исходное положение диска 7 определяется скосом 4, ко-
торый упирается в неподвижный упор 5. В этом положении диск
удерживается спиральной пружиной 6, а скос 4 нажимает на шток
выключателя КВВ. Счетчик приводится в действие храповым коле-
сом 2, периодически поворачивающимся на один зуб собачкой 1
при перемещении плунжера 13 вправо.
Рис. 3.58. Устройство для активного контроля по числу двойных ходов:

1 и 3 — собачка; 2 — храповое колесо; 4 — скос; 5 — неподвижный упор; б -
спиральная пружина; 7 — диск; 8 — кулачок; 9 — маховичок; 10 — лимб; 11 —
пружина; 12 — муфта; 13 — плунжер; 14 — кнопка-золотник

Собачка 3 фиксирует храповое колесо 2 при холостом ходе плун-
жера влево. За каждый двойной ход шпинделя плунжер 13 делает
также один двойной ход, поворачивая храповое колесо 2 на один
зуб. При настройке счетчика на требуемое число двойных ходов
кулачок 8 вручную за маховичок 9 выводят из зацепления с дис-
ком 7, затем поворачивают до совмещения стрелки указателя с
цифрой лимба, соответствующей числу двойных ходов. При этом
контакты выключателя КВЦ освобождаются. Когда маховичок 9
отпускают, пружина 11 вводит кулачок 8 в зацепление с диском 7.

В начале цикла обработки, когда хонинговальная головка со сжа-
тыми брусками начинает медленно перемещаться вниз, включается
электромагнитная муфта 12, соединяющая диск 7 и храповое коле-
со 2. При ходе хонинговальной головки вверх плунжер 13 при пере-
мещении вправо собачкой 1 поворачивает храповое колесо 2 и че-
рез замкнутую муфту 12 диск 7. В результате этого кулачок 8 осво-
бождает шток выключателя КВВ, включается вращение хонинго-
вальной головки, разжим брусков и подача смазочно-охлаждающей
жидкости. В процессе обработки при каждом двойном ходе хонинго-
вальной головки плунжер 13 поворачивает вал счетчика на один зуб.
Хонингование продолжается до тех пор, пока кулачок 8 не нажмет
на шток выключателя КВЦ. При его срабатывании выдается коман-
да на сжатие брусков и вывод хонинговальной головки из обраба-
тываемого отверстия. Муфта 72 выключается, и диск 7под действи-
ем пружины 6 возвращается в исходное положение. При хонингова-
нии короткими ходами для исправления отклонений от цилинд-
ричности необходимо нажать кнопку-золотник 14. При этом замы-
каются контакты выключателя КВК, прекращается подача масла к
плунжеру 13 и отсчет числа двойных ходов не происходит.

Подобными системами оснащаются многие хонинговальные
станки. Их применение позволяет обеспечить точность обработки в
пределах 0,01 ...0,02 мм при стабильном и отлаженном процессе
обработки и технологически оправданных режимах резания.

Временные системы косвенного контроля могут применяться с
жестким и плавающим хоном. В первом случае получаемая точ-
ность несколько ниже, так как в механизме разжима хонбрусков
имеются зазоры.

Применяются также устройства косвенного контроля по поло-
жению разжимного конуса хонинговальной головки. На рис. 3.59
показана конструкция устройства БВ-4217. Измерительную оснас-
тку монтируют непосредственно на хонинговальной головке. В про-
цессе обработки измерительная оснастка перемещается вместе с
ней. На корпус 6хонинговальной головки на двух шарикоподшип-
никах 5установлено основание 4, в котором в направляющей сколь-
жения расположено измерительное сопло 72 пневматической из-
мерительной системы. Заслонкой измерительного сопла 72 служит
фланец втулки 13, перемещающийся по корпусу 6 хонинговаль-
ной головки вместе с разжимным конусом 7. Втулка 13 жестко
соединена с разжимным конусом 7штифтом 7. Таким образом втул-
ка 13 вращается вместе с хоном, а основание 4 удерживается от
вращения стержнем 3 и пальцем 2, соединенным с траверсой станка.
Измерительное сопло 72 соединяется воздухопроводом с отсчет-
но-командным устройством 77 модели.

Для настройки прибора в обработанное отверстие заданного раз-
мера (близкого к верхней границе поля допуска на диаметр отвер-
стия) вводят хонинговальную головку и перемещением разжим-
ного конуса 7 вниз бруски 8 доводят до контакта с поверхностью 1
отверстия. Измерительное сопло 72 вручную подводят к нижнему '
торцу втулки 13 до тех пор, пока стрелка отсчетно-командного <
устройства 77 не выйдет к нулевому делению шкалы. В этом поло-
жении между торцом измерительного сопла 72 и фланцем втулки
13 устанавливают измерительный зазор 8, равный примерно 0,1
мм. Далее настраивают управляющую команду прибора, использу-
емую для окончания цикла обработки.

В процессе обработки втулка 13 вращается вместе с хоном и
перемещается вниз вместе с разжимным конусом 7. По мере съе-
ма припуска фланец втулки 13 приближается к измерительному
Рис. 3.59. Конструкция устройства БВ-4217:

1 — штифт; 2 — палец; 3 — стержень; 4 — основание; 5 — шарикоподшипники;
6— корпус; 7— разжимный конус; 8 — бруски; 9 — шестерня; 10— червяк; 11 —
отсчетно-командное устройство; 12 — измерительное сопло; 13 — втулка

соплу 12 и, когда между торцом сопла и фланцем устанавливает-
ся заданный зазор 5, выдается команда на окончание обработки,
разжимной конус 7 поднимается вверх, бруски 8 сводятся и хо-
нинговальная головка выводится из отверстия. В процессе даль-
нейшей обработки бруски 8 хонинговальной головки постепенно
изнашиваются, диаметр обрабатываемых отверстий постепенно
уменьшается и приближается к нижней границе поля допуска.
Когда размеры обработанных отверстий достигают установлен-
ного подналадочного уровня, осуществляют ручную или автома-
тическую подналадку прибора.

Для подналадки прибора используют небольшой реверсивный
электродвигатель, перемещающий измерительное сопло 12 с по-
мощью червяка 10 и шестерни 9. При ручной подналадке двигатель
включают с помощью кнопки и он работает установленное время,
за которое измерительное сопло 12 перемещается на величину,
равную заданному подналадочному импульсу.

Подналадка может быть автоматизирована в двух случаях: при
стабильном технологическом процессе (постоянный небольшой
припуск на обработку, алмазные бруски) или на специальных стан-
ках-автоматах. В первом случае значения частоты и подналадки мо-
гут быть определены экспериментальным путем и осуществляться
автоматически по команде реле времени станка, включающего элек-
тродвигатель.

На специальном станке может быть предусмотрена дополни-
тельная позиция, на которую поступают обработанные детали и
где отверстия измеряются другим прибором, например пневмати-
ческой пробкой. По командам этого прибора происходят включе-
ние электродвигателя и перемещение измерительного сопла.

Прибор может применяться при различных способах обработки
с жестким и плавающим хоном. Для уменьшения погрешности от
деформаций и люфтов в механизме разжима брусков в обоих слу-
чаях измерительную оснастку помещают ближе к хонбрускам.

При отлаженном технологическом процессе с применением при-
бора может быть обеспечена высокая точность обработки —
0,003...0,005 мм.

3.2.10.	Приборы для активного контроля на токарных станках

В отличие от шлифовальных станков, на которых припуск на
шлифование снимается постепенно в течение большого числа про-
ходов, припуск на обработку при точении снимается, как прави-
ло, за один проход. Эта особенность технологического процесса
токарной обработки накладывает на применяемые на токарных
станках приборы активного контроля особый отпечаток. В частно-
сти, здесь отпадает необходимость (вследствие однопроходной об-
работки) в измерении в процессе работы. Оно теряет свой смысл
для токарных станков, тем более, что у них обычно нет исполни-
тельного органа для подналадки инструмента во время обработки.

Поэтому д ля токарных станков применяются преимущественно
автоматические подналадочные устройства, которые приводятся в
действие в промежутке между следующими друг за другом деталя-
ми. При этом можно различить два основных варианта:

1)	измерение при изготовлении одной и той же детали в про-
межутке между предварительной и окончательной обработкой и
подача сигнала на подналадку перед второй операцией;

2)	измерение детали после ее обработки (обычно за пределами
зоны обработки) и подналадка станка перед изготовлением следу-
ющей детали.
В обоих случаях на токарном станке требуются специальные ис-
полнительные органы для подналадки положения резца. Первый
вариант активного контроля применяется чаше на токарных стан-
ках с программным управлением, так как там имеются устройства
для осуществления поперечной подачи резца. Этот принцип при-
меняется и на обслуживаемых вручную токарных станках, причем
возможно значительное сокращение вспомогательного времени бла-
годаря оснащению токарного станка современными цифровыми
измерительными устройствами, особенно при обработке деталей
большого диаметра (больше 200 мм).

Второй вариант применяется на прецизионных и на многошпин-
дельных токарных станках для компенсации износа резца и темпе-
ратурной деформации станка. В этом случае устройство активного кон-
троля имеет структуру роулирующего контура с запаздыванием.

Но на обычных токарных станках доминирующими являются
косвенные методы контроля, позволяющие измерить или ограни-
чить перемещение суппорта (жесткие упоры, регулируемые упо-
ры, цифровые измерительные системы и др.).

Основной недостаток этих систем состоит в том, что они не фикси-
руют погрешности, появляющиеся вследствие неправильной настрой-
ки и износа токарного резца и температурной деформации станка.

В качестве особого случая применения активного контроля на то-
карных станках можно упомянуть о регулировании формы при обта-
чивании длинных валов. При этом измеряется диаметр детали во вре-
мя обработки в сечении, находящемся как можно ближе к токарно-
му резцу. Отклонения от заданного значения, происходящие вслед-
ствие непараллельности направляющих станка и оси вращения, про-
гиба длинной обрабатываемой детали и износа токарного резца, ре-
гулируются путем автоматической подналадки, осуществляемой обыч-
но с помощью специального исполнительного органа.

Классификация основных методов активного контроля на то-
карных станках путем осуществления непосредственного (прямо-
го) измерения размера детали и косвенного измерения положе-
ния режущего инструмента дана на рис. 3.60.

К затруднениям регулирования, обусловленным технологиче-
ским процессом, добавляются другие трудности, связанные с
неблагоприятными условиями для измерений на токарных стан-
ках. Большая шероховатость поверхности и большая окружная ско-
рость детали значительно затрудняют измерение в процессе то-
карной обработки. Наибольшим препятствием для измерения яв-
ляется обильная стружка и преграды для ее отвода, создаваемые
самим измерительным устройством, устанавливаемым непосред-
ственно на станке. Требования к точности обработки деталей на
токарных станках обычно не очень высоки, благодаря чему ста-
новится возможным применение других по сравнению со шли-
фованием методов измерения.
406

I

Прямой метод
измерения

Активный контроль
на токарных станках

____I___________

Косвенный метод
измерения

Измерение перед
обработкой

Измерение
в процессе обработки

Измерение после
обработки

Приспособление
для установки
инструмента
на заданный
размер

Измерение
при врезном
обтачивании

Измерение
при продольном
обтачивании

Измерение вне
станка (вручную или
автоматическое)
и подналадка

Измерение на станке
(автоматическое)
и подналадка

Измерение
перемещения
режущей кромки
инструмента

Измерение
положения перед
обработкой

Измерение износа
в процессе обработки
и перед обработкой

Электронные (в том
числе цифровые)
системы путевого
контроля

Рис. 3.60. Классификация методов активного контроля на токарных станках
Рис. 3.61. Схема прибора с обкатным измерительным роликом:

1 — измерительный прибор; 2 — дифференцирующие звенья; 3 — датчик угловых
перемещений; 4 — обкатной ролик; 5 — датчик импульсов

Измерение диаметра с помощью обкатного измерительного роли-
ка. Принцип этих (созданных в первую очередь для токарных стан-
ков) измерительных приборов подразумевает наличие обязатель-
ного условия для применения — вращение детали во время изме-
рения и отсутствие на ее поверхности шпоночных канавок, отвер-
стий и каких-либо других разрывов.

Схема прибора с обкатным измерительным роликом изображе-
на на рис. 3.61.

В целях повышения разрешающей способности прибора в нем
применена схема учетверения количества импульсов, получаемых
с датчика угла поворота обкатного ролика 4. Для этого с датчика
угла поворота обкатного ролика 4 снимаются два синусоидальных
напряжения, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°.
Эти напряжения поступают затем на усилители-ограничители ОУЬ
инверторы ОУ2 и дифференцирующие звенья 2, на выходе кото-
рых образуется последовательность коротких по длительности им-
пульсов, число которых пропорционально углу поворота обкатно-
го ролика 4. Отсечка серии импульсов, соответствующих одному
обороту, осуществляется датчиком импульсов 5. Импульсы, посту-
пающие с датчика импульсов 5 за один оборот детали, подсчиты-
ваются цифровым счетчиком.
При числе импульсов п, обычно (2... 10) 103 на каждый оборот
датчика угловых перемещений 3, значение диаметра В детали на-
ходится по формуле

I)	= (ПУ / 4лг,

где ТУ— показания цифрового измерительного прибора 7, а 3 —
диаметр обкатного измерительного ролика.

На базе описанного выше способа с обкатным измерительным
роликом и импульсным датчиком для управления счетчиком были
созданы приборы со вторым измерительным роликом вместо дат-
чика импульсов 5. В частности, применением этого способа стре-
мятся исключить возможное проскальзывание измерительного ро-
лика. С помощью этого способа можно реализовать два вида изме-
рений, а именно:

разностное измерение;

непосредственное прямое измерение.

При разностном измерении подаются две серии импульсов на
дифференциальный счетчик или дифференциальный частотомер,
который устанавливается на нуль при равенстве размеров контро-
лируемой детали и эталона, по которому производится настройка
второго ролика.

При непосредственном прямом измерении (рис. 3.62) серия
импульсов, полученная при измерении эталона 7)0, подается с
помощью датчика 2 на счетчик ТУ0- Он пропускает через вентиль
(логический элемент И) импульсы, поступающие от датчика 7,
измеряющего размер детали, к первому счетчику только в тече-
ние определенного времени, которое соответствует одному обо-
роту детали. В результате счета ТУ на первом счетчике и идентич-

Счетчик
с логическим

Рис. 3.62. Схема прибора с двумя обкатными измерительными роликами
ных сельсин-датчиках 1 и 2 для контролируемой детали В и этало-
на 2)0 (<7/л = сопЫ) из приведенного выше отношения получается

Л = Д/МЛ.

Если принять Д численно равным величине Д, то на первом
счетчике получают непосредственно величину М численно рав-
ную диаметру В детали. Поправки вследствие погрешностей диа-
метров <1 измерительных роликов можно легко определить, уста-
навливая оба измерительных ролика на эталон с известным диа-
метром Во и изменяя показания второго счетчика Д до тех пор,
пока первый счетчик не покажет правильное значение.

Источниками погрешностей при первом способе измерения (см.
рис. 3.61) являются:

погрешность диаметра измерительного ролика вследствие от-
клонения размера, теплового расширения и износа;

перекос при установке измерительного ролика;

проскальзывание измерительного ролика относительно изме-
ряемой детали;

загрязнение измерительного ролика и детали;

погрешность управляющего сигнала;

погрешность показаний на ±1 деление счетчика.

Приборы для косвенного контроля диаметров (путем измерения
длины окружности) с помощью обкатного измерительного ролика
можно легко включить в автоматический цикл работы токарных стан-
ков с программным управлением. Перед последним проходом к об-
рабатываемой детали автоматически подводится измерительный
ролик и определяется фактический диаметр. Разность измеренного
и запрограммированного значений учитывается автоматически при
определении глубины подачи для последнего прохода.

Бесконтактное измерение. Недостатки измерения вращающихся
деталей с помощью контактных измерительных наконечников или
бесконтактных пневматических приборов с их малыми пределами
измерения заставили искать другие способы активного контроля и, в
частности, использовать оптические и телевизионные методы, а так-
же рентгеновское излучение и излучение радиоактивных изотопов.

Один из перспективных способов создан на базе промышлен-
ных телевизионных установок. При этом необходимая точность была
достигнута путем комбинирования телевидения с оптическими си-
стемами изображения. Видеосистема при этом выполняет роль при-
бора для определения разности между фактическим диаметром об-
рабатываемой детали и ее заданным значением, которое устанав-
ливается с помощью оптических средств.

Схема этого измерительного устройства показана на рис. 3.63, а.
Против торца обрабатываемой детали 1 установлены два объекти-
ва 2, оси которых находятся на расстоянии Во, соответствующем
-—Строки развертки

__Оптическая разделительная

 линия обеих частей изображения

'-Р(Л-ЛО)

—Фотокатод

—Изображение детали

Диафрагмы

Рис. 3.63. Схема телевизионного измерительного устройства (а) и изобра-
жение на фотокатоде (б):

1	— обрабатываемая деталь; 2 — объективы; 3 — телевизионная трубка; 4 — стро-
ки; 5 — формирователь импульсов; 6 — счетчик; 7— блок; 8— оптическая система
изображения

заданному диаметру. Объективы проецируют изображение краев
детали через систему зеркал на фотокатод передающей телевизи-
онной трубки 3. Все поле зрения развертывается строками 4, при-
чем средняя линия соответствует заданному диаметру Д.

С помощью дополнительных диафрагм весь диапазон изображе-
ния ограничивается узкой полоской. Предположим, что на фото-
катоде края детали изображаются светлыми, а все окружающее
поле — темным (для лучшей наглядности это изображение, пред-
ставленное на рис. 3.63, б, показано в виде негатива).

Если изображение развертывается строками, находящимися
на расстоянии а, то за усилителем получается постоянный вы-
ходной сигнал через всю строку. В области изображения детали
кривая напряжения будет скачкообразно изменяться через /V строк
с	Во)/а соответственно смене «светлое» — «темное».

Это изменение напряжения в пределах одной строки преобразу-
ется формирователем импульсов 5 в отсчетный импульс и пода-
ется на счетчик 6. Для того чтобы процесс счета происходил
только во время развертки изображения, перед счетчиком вклю-
чен вентиль в виде блока И, который управляется с помощью
Рис. 3.64. Схема фотоэлектрического измерительного прибора:
1 — дискриминатор; 2 — усилитель; 3 — фотодиод; 4 — приемник света; 5 —
осветительное устройство

блока 7. Блок 7 подает выходной сигнал о длительности двух
сменяющихся сигналов. Описанное выше измерительное устрой-
ство было опробовано при частоте 20 кГц и при 400 строках на
кадр в соединении с увеличивающей (в 8 раз) оптической сис-
темой изображения 8; был достигнут диапазон измерения 2 мм,
с разрешающей способностью =5 мкм. Экспериментально была
определена погрешность > ±10 мкм.

Схема фотоэлектрического измерительного прибора для изме-
рения на токарных станках показана на рис. 3.64. Оптическая часть
этого прибора похожа на двойной микроскоп Линника (МИС-
11), предназначенный для измерения шероховатости поверхнос-
ти, но в нем вместо наблюдательного микроскопа установлен
фотоэлектрический приемник (фотодиод). Осветительное устрой-
ство 5 проектирует маленькое световое пятно на обрабатываемую
деталь, от которой оно отражается на приемник света 4. В прием-
нике света находится фотодиод 3, выходной сигнал которого уси-
ливается усилителем 2 и затем подводится к дискриминатору 1.
Дискриминатор дает каждый раз в момент прохождения экстре-
мального значения = 0) короткий импульс.

Если поверхность детали находится в плоскости фокусирова-
ния, то максимум света попадает в фотоприемник. При расфоку-
сировке вверх или вниз, соответствующей слишком большой или
слишком маленькой детали, уменьшается освещенность светового
потока, попадающего на фотоприемник (по сравнению с макси-
мумом).
Изменение диаметра
б

Рис. 3.65. Бесконтактное радиационное устройство для активного контроля
валов:

а — схема измерительного устройства (7 — скоба; 2 и 5 — диафрагма; 3 — усили-
тель; 4 — приемник излучения; 6 — источник излучения); б — точностные харак-
теристики (7 — деталь гладкая, сухая; 77 — деталь гладкая, обрабатывается с при-
менением охлаждающей эмульсии; III — деталь гладкая, обрабатывается с при-
менением масляного охлаждения; IV — деталь с прерывистой поверхностью)

Бесконтактный способ измерения деталей во время токарной об-
работки с использованием рентгеновского и радиоактивного излуче-
ний. Схема измерительного устройства показана на рис. 3.65, а.
Источник излучения 6 и приемник излучения 4 закреплены на
скобе 1, которая шарнирно устанавливается на станке. С помощью
диафрагм 2 и 5 выделяется узкий пучок рентгеновских лучей или
пучок мягкого гамма-излучения, который направляется по каса-
тельной к обрабатываемому валу.

В качестве источника излучения служит либо маленькая перено-
сная медицинская рентгеновская установка, работающая на очень
слабом токе (0,1...0,5 мА) при напряжении 40...70 кВ, либо кап-
сула с радиоактивным изотопом, дающим мягкое гамма-излуче-
ние (например, туллий-170 или европий-155). Жесткое гамма-из-
лучение непригодно, так как оно легко проникает сквозь диафраг-
му и край детали. Бета-излучение также не годится, так как оно в
значительной мере поглощается охлаждающей жидкостью, кото-
рая обволакивает поверхность обрабатываемой детали. При изме-
нении диаметра детали интенсивность лучей, попадающих на при-
емник, изменяется пропорционально изменению размера детали.
Это вызывает изменение напряжения на выходе усилителя 3, ко-
торое видно по шкале показывающего прибора и может использо-
ваться для образования управляющих сигналов.

Приборы для активного контроля деталей в процессе их обработ-
ки. Самый простой способ контроля деталей в процессе их обра-
ботки можно реализовать при работе на токарном станке по мето-
ду врезания. В качестве приборов активного контроля и датчиков
для них можно использовать приборы, применяющиеся при на-
ружном и внутреннем шлифовании. Практически этот способ не
имеет большого значения, так как допуски, требуемые при врез-
ном точении, выдерживаются обычными токарными станками.
Известно несколько примеров применения контроля в процессе
врезного обтачивания беговых дорожек колец подшипников каче-
ния на АО «Московский подшипник».

Большое значение имеет измерение диаметра детали в процес-
се обработки при продольном точении длинных валов, чтобы ком-
пенсировать отклонения формы обрабатываемого вала от формы
правильного цилиндра, появляющиеся вследствие износа токар-
ного резца, прогиба детали и непараллельности направляющих
станка относительно оси детали.

В качестве приборов активного контроля для этой цели можно
применять все двухконтактные приборы, используемые при шлифо-
вании.

Контактное измерение детали с большой шероховатостью
поверхности при относительно большой окружной скорости пред-
ставляет, однако, известные затруднения и приводит к появле-
нию погрешностей из-за вибраций измерительных наконечников.

Схема прибора для регулирования размера и формы вала, обра-
батываемого на токарном станке, показана на рис. 3.66. При на-

Рис. 3.66. Схема пневмогидравлического прибора активного контроля
с цифровым отсчетом, устанавливаемого на токарном станке:

1 — цифровое отсчетное устройство; 2 и 9 — пневматическое сопло; 3 — каретка; 4—
ленточная передача; 5 — шкала; 6 — салазки; 7 — резец; 8 — гидравлический испол-
нительный орган; 10 — пневмогидравлический преобразователь; 11 — регулятор
стройке на заданный размер салазки 6 перемешаются установочным
винтом на заданное значение Д, отсчитываемое по шкале 5, которая
прикреплена на салазках 6, а ее цифровое отсчетное устройство 7
установлено на каретке 3, перемещаемой с помощью ленточной пе-
редачи 4 в противоположном направлении на ту же величину.

При работе станка регулятор 11 выдерживает сумму зазоров
(5| + Д) У пневматических сопел 2 и 9 в заданных пределах. Если
диаметр детали 7) изменяется вследствие износа резца 7, напри-
мер на половину величины зазора Д, то регулятор автоматически
компенсирует эту погрешность, увеличивая на ту же величину.
Подналадка токарного резца осуществляется при этом с помощью
гидравлического исполнительного органа 8, который управляется
регулятором через пневмогидравлический преобразователь 10. С по-
мощью этой и подобных ей измерительных и исполнительных си-
стем были достигнуты отклонения размеров в пределах ±5 мкм у
деталей с диаметром около 125 мм. Даже сознательно созданная
конусообразность (около 0,2 мм на длине 500 мм) регулируется в
пределах указанных границ. Регуляторы аналогичного вида можно
также применять на токарных станках с программным управлени-
ем, если погрешность позиционирования превышает допуск на
обработку детали. Случайная погрешность позиционирования из-
меряется с помощью пневматического прибора и передается в виде
поправки пневматическому исполнительному органу.

Автоматическая подналадка токарных станков. Регулирование раз-
меров деталей, обрабатываемых на токарных станках, производится
путем автоматической подналадки токарного резца в период меж-
ду обработкой следующих друг за другом деталей. Конструкции под-
наладчиков отличаются между собой по виду:

измерения, причем в основном применяются те же принципы
и те же измерительные приборы, что при круглом шлифовании;

регулирования, причем широко можно использовать основные
принципы и приборы активного контроля, которые применяются
на бесцентрово-шлифовальных станках;

исполнительного органа, причем находят применение механи-
ческие, гидравлические, пневматические, термические и магнит-
но-стрикционные устройства.

Измерительную станцию располагают либо непосредственно на
станке (например, на токарно-револьверных станках, на одно- и
многошпиндельных токарных автоматах), либо она располагается
вне станка. При этом она может обслуживаться автоматически или
вручную.

Большой проблемой при измерении деталей на токарных стан-
ках является очистка детали от стружки и охлаждающей жидкости.
Наряду с очисткой деталей сжатым воздухом хорошо оправдало
себя скребковое устройство в виде резинового кольца. На пути от
позиции обработки к измерительной станции обработанные валы
принудительно проталкиваются через это кольцо, которое удаляет
как стружку, так и остатки охлаждающей жидкости.

Для уменьшения вспомогательного времени, затрачиваемого на
измерение, в ряде случаев прибор для измерения деталей после их
обработки устанавливается непосредственно в механической руке,
с помощью которой производится разгрузка станка.

Косвенные методы активного контроля на токарных станках. При-
боры активного контроля, основанные на косвенном методе из-
мерения, широко применяются на токарных станках в качестве
устройств для измерения или ограничения перемещения суппорта
или устройств для измерения положения режущей кромки резца.

Устройства для измерения перемещения суппорта в самом про-
стом виде представляют собой жесткие, микрометрические или
индикаторные упоры, установленные на станине станка. Совре-
менные устройства этого типа имеют оптические, оптико-
электрические или электронные отсчетные измерительные систе-
мы, которые осуществляют цифровой отсчет при измерении пере-
мещения суппорта в поперечном (для определения диаметра дета-
ли) и продольном (для определения длины детали) направлениях.
Применение таких устройств оправдано только на станках с про-
граммным управлением. На этих же станках с помощью таких уст-
ройств осуществляется и позиционирование суппорта.

На точное соблюдение размеров всегда влияют настройка стан-
ка, износ режущего инструмента и температурная деформация эле-
ментов станка. С помощью устройств для контроля положения ре-
жущей кромки резца можно уменьшить эти погрешности.

Конструкция такого устройства, установленного на задней бабке
токарного станка, показана на рис. 3.67. В корпусе 1 устройства
установлен измерительный рычаг 3, снабженный твердосплавной
пластиной 5. Отклонение рычага измеряется с помощью сопла 2.
Для контроля положения режущей кромки резца 4 суппорт пода-

Рис. 3.67. Конструкция устройства для компенсации износа и погрешнос-
тей предварительной установки резца:

1 — корпус; 2 — сопло; 3 — рычаг; 4 — резец; 5 — пластина; 6 — деталь
ется до упора в соответствии с заданным размером Л детали 6,
при этом зазор 5 должен иметь определенную величину. При изно-
се резца зазор 5 увеличивается, что и регистрирует отсчетно-ко-
мандный прибор. При превышении контрольной границы сраба-
тывает пневмоэлектрический пороговый выключатель, подается
команда на подналадку резца.

Измерительные устройства такого типа применяются и на то-
карных станках с программным управлением.

3.2.11.	Автоподналадчики и автоблокировщики

При невозможности осуществления контроля непосредственно
в процессе обработки или при отсутствии необходимости контро-
ля всех деталей применяют автоподналадчики, располагаемые на
станке или с ним рядом. Подобные устройства имеют много орга-
нов, общих с автоматическими системами. Так, например, транс-
портирующие и устанавливающие устройства измерительной по-
зиции и рассортировки подналадчиков сходны с соответствующи-
ми элементами контрольных систем. Исполнительный механизм
подналадчиков перемещает либо режущий инструмент, либо упор.
Имеются подналадчики, которые осуществляют подналадку не по
одной детали, а по среднему размеру группы измеренных деталей.

Для бесцентрово-шлифовальных станков, на которых обработ-
ка дорожек качения внутренних колец конических роликовых под-
шипников производится «на врезание», разработан подналадчик
типа ОКБ-1111, статическая погрешность которого составляет
±0,003 мм.

Для черновых бесцентрово-шлифовальных станков, работаю-
щих «на проход», спроектированы подналадчик ОКБ-1140 (для ав-
томата 6С71, обрабатывающего наружные кольца железнодорож-
ных роликоподшипников диаметром 220... 280 мм), имеющий ста-
тическую погрешность ±0,003 мм; подналадчик ОКБ-1141 (для ав-
томата 6С136, обрабатывающего поршневые кольца и толкатели
клапанов диаметром 20...40 мм), имеющий статическую погреш-
ность ±0,003 мм; подналадчик ОКБ-Ю12Б (для автоматов по обра-
ботке клапанов с диаметром стержня 6... 16 мм), имеющий стати-
ческую погрешность ±0,002 мм.

Для торцешлифовальных автоматов, на которых обрабатываются
«на проход» одновременно оба торца колец (диаметром 30... 160 мм
и высотой 12...80 мм), предназначен подналадчик ОКБ-1377, осу-
ществляющий со статической точностью ±0,003 мм контроль и под-
наладку по высоте положений торцов обоих шлифовальных кру-
гов; он поддерживает не только заданный размер, но и положение
средней плоскости пространства между кругами.

Большая группа автоматических систем производит помимо опе-
рации подналадки последующую рассортировку изделий на год-
ные и бракованные. Так, автомат ОКБ-Л51К1 контролирует тол-
щину дна и высоту заготовки кольца карданных подшипников после
их выдавливания на прессе; автомат ОКБ-Л52К1 контролирует не-
сколько высот и диаметров заготовок колец карданных подшип-
ников после их обработки на токарных станках КА76 в автомати-
ческой линии, а автомат ОКБ-Л54К1 — после обработки наружных
диаметров колец карданных подшипников на бесцентровошлифо-
вальном станке автоматической линии; автомат ОКБ-1171Б конт-
ролирует прутки диаметром 1 ...6 мм, длиной 1,5... 2,5 м по диамет-
ру после их шлифования на бесцентровошифовальном станке (ста-
тическая погрешность ±0,002 мм), а автомат ОКБ-1403— прутки
диаметром 10... 50 мм, длиной 2...6 мтакже по диаметру на бесцен-
трово-шлифовальном станке; автомат ОКБ-Л68К2 контролирует на-
ружный диаметр цилиндрических деталей после их чистовой обра-
ботки на бесцентрово-шлифовальном станке-автомате 6С136 и др.

Разработана также группа автоблокировщиков, которые осуще-
ствляют не только блокировку станков при нарушении технологи-
ческого процесса, но и рассортировывают изделия на годные и брако-
ванные. К подобным устройствам следует отнести автомат ОКБ-Л53К1
для контроля отверстий заготовок колец карданных подшипников
после термической обработки; автомат ОКБ-Л45К2 для контроля кри-
визны оси катка трактора после термической обработки и др.

3.2.12.	Методы и средства поверки и испытаний приборов
активного контроля

Соответствие действительных характеристик приборов техни-
ческим условиям и государственным стандартам устанавливают
путем их поверки и испытаний с помощью универсальных средств,
специальных приспособлений и стендов и непосредственно в про-
цессе их работы на станках.

Некоторые параметры и характеристики определяют на про-
стейших установках и универсальных средствах в статическом ре-
жиме, другие — на специальных стендах в динамическом, близ-
ком к реальным условиям эксплуатации приборов. При испытани-
ях на станках устанавливают погрешность обработки, обеспечива-
емую с помощью прибора. Проведение стендовых испытаний орга-
низационно проще, так как не требуются станки и квалифициро-
ванные рабочие. Результаты испытаний легко сравнивать с уста-
новленными нормами. Однако при стендовых испытаниях трудно
имитировать все эксплуатационные условия, при которых рабо-
тают приборы активного контроля, поэтому полученные резуль-
таты не дают полного представления о действительной погреш-
ности прибора на станке. Испытания приборов на стендах прово-
дятся в статическом и динамическом режимах и при воздействии
вибраций.
Испытания приборов на станках показывают, какую точность
обработки может обеспечить прибор и система СПИД. Однако из
полученных результатов не удается выделить собственно погреш-
ность прибора в процессе обработки.

Приборы активного контроля и их функциональные узлы про-
ходят поверку, приемочные и исследовательские испытания. По-
верка приборов в соответствии с общесоюзной поверочной схе-
мой для средств измерений длины (ГОСТ 8.020—75) возможна
только для преобразователей с отсчетно-командными устройства-
ми и для приборов с одноконтактными измерительными голов-
ками и только в статическом режиме. Поверку приборов с двух-
контактными измерительными скобами проводят в соответствии
с МИ 6—74 «Методика поверки приборов активного контроля».
Методика поверки приборов в динамическом режиме и в условиях
работы на станке не разработана, поэтому динамические характе-
ристики приборов определяются при приемочных и исследователь-

ских испытаниях.

Поверка приборов в статическом режиме. Поверку приборов в

статическом режиме осуществляют универсальными измеритель-
ными средствами с несложными дополнительными приспособле-

ниями для установки и крепления приборов.

Отдельные узлы приборов, например преобразователи с отсчет-

но-командными устройствами, испытывают на жестких стойках
типа С-1 по ГОСТ 10197—70, снабженных дополнительным крон-

Рис. 3.68. Установка для статиче-
ской поверки преобразователей

штейном с двумя посадочными от-
верстиями диаметром 28Н8 (рис. 3.68).
В одно отверстие устанавливают ин-
дуктивный преобразователь или пнев-
матическое сопло, в другое — пру-
жинную головку с ценой деления 0,1
или 0,2 мкм. Измерительные наконеч-
ники преобразователя и пружинной
головки упираются в столик стойки.
Плавное изменение размера под на-
конечниками осуществляется путем
перемещения столика стойки с по-
мощью микровинта.

Аналогичным образом устанавли-
ваются на стойке одноконтакгные из-
мерительные головки и двухконтакт-
ные измерительные скобы. В последнем
случае один из наконечников скобы
упирается в неподвижную планку, а
другой — в столик стойки, и измене-

ние размера осуществляется переме-
щением одной губки. Поверка заклга-
чается в сравнении показаний или уровней срабатывания команд
поверяемого прибора с показаниями пружинной головки.

На таких установках поверяют основные статические погреш-
ности прибора (погрешность срабатывания 5ср, погрешность на-
стройки 5Н, погрешность показаний и др.), а также градуируют
шкалу и осуществляют наладку прибора.

Приборы со специальной измерительной оснасткой, например
трехконтактную скобу или седлообразное устройство, не удается
поверить рассмотренным способом. В этих случаях поверку осуще-
ствляют с помощью аттестованных образцовых деталей с заданной
небольшой разницей по размеру. Так, для поверки трехконтактной
скобы изготавливают три кольца, отличающиеся по наружному ди-
аметру на 0,001 ...0,002 мм. Кольца собирают на оправке, установ-
ленной в центрах. Скобу настраивают по размеру среднего кольца.
Затем скобу многократно надевают на каждое кольцо и отмечают
отклонение показаний отсчетного устройства от действительных раз-
меров колец. Основной недостаток этого способа — в трудности из-
готовления образцовых деталей с небольшой разницей размеров и,
следовательно, ограниченная точность поверки.

Испытания приборов в динамическом режиме. При испытаниях
приборов в динамическом режиме желательно имитировать усло-
вия их эксплуатации. Во время работы прибора на станке его изме-
рительные наконечники контактируют с вращающейся или пря-
молинейно перемещающейся поверхностью неправильной формы
(овал, огранка, непрямолинейность). Скорость перемещения по-
верхности составляет от 2 до 50 м/мин. Отклонения формы конт-
ролируемой поверхности могут достигать нескольких микромет-
ров. В процессе обработки по мере съема припуска под измеритель-
ными наконечниками непрерывно меняется размер со скоростью
от 100 мкм/с в начале обработки до почти нулевого значения в
конце. Таким образом, под измерительными наконечниками при-
бора происходят одновременно небольшие изменения размера с
относительно высокой частотой (до 10 Гц) и сравнительно мед-
ленное непрерывное изменение размера.

При стендовых испытаниях указанные воздействия имитируют
различными способами: перемещением измерительного устройства
вдоль вращающейся конической оправки (рис. 3.69, а), с помо-
щью овальной вращающейся оправки (рис. 3.69, б) или покачива-
нием измерительного устройства, контактирующего с вращающейся
поверхностью цилиндрической оправки (рис. 3.69, в). При выпуске
приборов погрешность от смещения настройки определяют путем
обкатки приборов на вращающейся оправке с лысками или оваль-
ной оправке и периодической поверки по неподвижной аттесто-
ванной оправке.

При наладке и испытаниях новых приборов в динамическом
режиме их часто поверяют с помощью вращающейся конусной
Рис. 3.69. Способы измерения размера под измерительными наконечниками
прибора при испытаниях

оправки (рис. 3.70). В неподвижных центрах 2 устанавливают конус-
ную оправку 3, вращающуюся с заданной скоростью. С поверхно-
стью оправки 3 контактируют измерительные наконечники 4 по-
веряемого прибора. Измерительное устройство 5 устанавливают на
каретке 6, которая перемещается вдоль оправки 3. Стенд снабжен
также конечным выключателем 1, сигнализирующим о достиже-
нии кареткой 6 и измерительными наконечниками 4 заданного
сечения конусной оправки. В качестве конечного выключателя 1
могут применяться электроконтактный, индуктивный или пнев-
матический преобразователи.

Поверяемый прибор настраивается на размер в левой части оп-
равки 3, меньшей по диаметру. Стрелка отсчетно-командного уст-
ройства 8 настраивается на нулевое деление шкалы, а окончатель-
ная команда прибора (в данном случае электроконтакты 7) и ко-
нечный выключатель 1 — на срабатывание. Начинается вращение
оправки 3 и возвратно-поступательное перемещение измеритель-
ного устройства 5 вдоль оправки. При ходе измерительного устрой-
ства 5 вправо размер под измерительными наконечниками увели-
чивается и стрелка отсчетно-командного устройства 8 перемеща-
ется вправо по шкале. При обратном ходе размер оправки умень-
шается, стрелка перемещается влево по шкале и последовательно
Рис. 3.70. Схема стенда с конусной оправкой для динамических испытаний:
1 — конечный выключатель; 2 — неподвижные центры; 3 — оправка; 4 — измери-
тельные наконечники; 5 — измерительное устройство; 6 — каретка; 7 — электро-
контакты; 8 — отсчетно-командное устройство

выдаются все управляющие команды. Таким образом, на стенде
имитируется изменение размера детали в процессе обработки.

Скорость изменения размера определяется скоростью переме-
щения каретки 6 и конусностью оправки. Оправка может быть вы-
полнена ступенчатой с разной конусностью, выбираемой в соот-
ветствии со скоростью съема припуска при черновом и чистовом
шлифовании и выхаживании. Погрешность прибора определяют
по нестабильности срабатывания выходной команды и по неста-
бильности времени запаздывания выходной команды.

Вибрационные испытания. Вибрационные испытания приборов
позволяют выявить наличие механических дефектов и проверить
стабильность метрологических характеристик приборов при воз-
действии вибраций. При стендовых вибрационных испытаниях же-
лательно более полно имитировать условия эксплуатации и прове-
рять приборы на весь спектр частот, воздействующий на них на
станках. Однако такие испытания слишком трудоемки и, кроме
того, не всегда точно известны значения частот, встречающиеся
на различных станках. Поэтому испытания приборов целесообраз-
но проводить при фиксированных нагрузках (желательно макси-
мальных), возникающих в условиях эксплуатации.

При работе шлифовальных станков возникают вынужденные ко-
лебания частотой 20... 300 Гц с амплитудой 0,5... 5 мкм. Изредка амп-
литуда колебаний увеличивается до 20 мкм. Частота встречающихся
автоколебаний составляет 300...800 Гц при амплитуде 0,5... 1,0 мкм.

Приборы активного контроля поверяют по двум параметрам:
на вибропрочность и виброустойчивость. При поверке на вибропро-
чность прибор устанавливают на вибростенд и подвергают воздей-
ствию вибрацией на резонансных частотах в течение 2 ч на каждой
частоте. После поверки прибор должен сохранить свои метрологи-
ческие характеристики. Поверка на вибропрочность позволяет вы-
явить недостатки сборки, пайки и другие дефекты изготовления.
Поэтому целесообразно проверять на вибропрочность все прибо-
ры на заводе-изготовителе. При поверке на виброустойчивость оп-
ределяют метрологические характеристики прибора путем воздей-
ствия вибраций на контролируемую деталь, измерительные губки
скобы и на корпус прибора и устанавливают область частот и ам-
плитуд, при которых погрешность прибора сохраняется в норми-
рованных границах. Поверка на виброустойчивость позволяет уста-
новить, не возникают ли дополнительные погрешности прибора
под воздействием вибраций в процессе шлифования, например в
результате отрыва измерительных наконечников от обрабатывае-
мой поверхности. На виброустойчивость целесообразно поверять
приборы только при разработке и выпуске новых моделей.

Приемочные испытания приборов на станке. Проведение и оцен-
ка результатов испытаний прибора на станке сопряжены с опре-
деленными трудностями, особенно при проверке прибора на уни-
версальном станке. Необходимо выбрать режим обработки, кото-
рый должен обеспечить получение заданной точности. Даже если
полученный результат положительный, следует убедиться, что при
обработке других деталей на иных режимах будет получен анало-
гичный результат. Проще испытывать приборы на специальных
станках, где обрабатывается одна деталь или ограниченное число
типоразмеров деталей с известным допуском, в процессе испыта-
ний необходимо лишь обеспечить получение заданного допуска.

В связи с изложенным выше при испытаниях на станке следует
придерживаться некоторых правил, позволяющих получить точ-
ные результаты. Испытания следует проводить на новом станке. Ста-
нок должен соответствовать нормам точности и жесткости по со-
ответствующим государственным стандартам и техническим усло-
виям.

Наиболее сложной задачей является выбор технологически обо-
снованного режима обработки (припуск, расстановка предвари-
тельных команд, частота правок шлифовального круга и др.), обес-
печивающего наивысшую точность обработки при заданной про-
изводительности. При выборе режима обработки можно ориенти-
роваться на нормированные в ТУ на станок допускаемые отклоне-
ния формы и шероховатости поверхности. Это значит, что следует
подобрать такой цикл шлифования, чтобы отклонения формы
обработанных деталей и шероховатости соответствовали установ-
ленным нормам. При соблюдении этих условий можно быть уве-
ренным, что получаемая погрешность обработки на станке с при-
бором будет минимальной.
Применяют два способа испытаний приборов на станке. При
первом способе в программе испытаний задают подачи и при-
пуски на обработку, величину обрабатываемой партии и допус-
каемое рассеяние размеров обработанных деталей. Такой способ
не учитывает изменений условий обработки, например увеличе-
ния овальности деталей и соответствующее увеличение рассея-
ния размеров.

При втором способе задаются ориентировочные режимы и ус-
ловия обработки, а допускаемое рассеяние размеров нормируют в
зависимости от параметров технологического процесса.

Чтобы при испытаниях лучше определить точностные возмож-
ности системы прибор — СПИД, следует из результатов обработ-
ки исключить некоторые составляющие (или уменьшить их влия-
ние), связанные со станком.

Контрольные вопросы н задания

1.	Как подразделяются средства активного контроля?

2.	В чем заключаются особенности контроля деталей с прерывистой
поверхностью?

3.	Расскажите, как работает индуктивная измерительная система.

4.	В чем заключаются особенности работы приборов для сопряженно-
го шлифования?

5.	Как работает измерительная система для осевой ориентации?

6.	Как подразделяются приборы активного контроля для внутришли-
фовальных станков?

7.	Расскажите, в чем заключаются особенности активного контроля
для плоскошлифовальных станков.

8.	В чем заключаются конструкции приборов активного контроля для
хонинговальных станков?

9.	В чем заключаются особенности применения приборов активного
контроля для токарной обработки?

10.	Какие методы измерения размеров используются при токарной
обработке?

И. Расскажите о назначении и применении автоподналадчиков и ав-
тоблокировщиков.

12.	Расскажите о методах поверки и испытаний приборов активного
контроля.

3.3.	Системы автоматического контроля для ГПС
и станков с ЧПУ

3.3.1.	Назначение систем автоматического контроля

Системы автоматического контроля гибких производственных
систем (САК ГПС) и станков с числовым программным управле-
нием (ЧПУ) являются их важнейшим звеном, которое определяет
возможности производственного процесса без участия человека. Си-
стемы решают следующие задачи:

получение и представление информации о свойствах, техниче-
ском состоянии и пространственном расположении контролируе-
мых объектов, а также о состоянии технологической среды и про-
изводственных условий;

сравнение фактических значений параметров с заданными;

передачу информации о рассогласованиях с моделями произ-
водственного процесса для принятия решений на различных уров-
нях управления ГПС;

получение и представление информации об исполнении функций.

Система автоматического контроля должна обеспечивать:
возможность автоматической перестройки средств контроля в
пределах заданной номенклатуры контролируемых объектов;

соответствие динамических характеристик САК динамическим
свойствам контролируемых объектов;

полноту и достоверность контроля, в том числе контроля пре-
образования и передачи информации;

надежность средств контроля.

Система автоматического контроля ГПС должна обеспечивать,
с одной стороны, требуемый уровень качества продукции путем
контроля параметров материала, заготовок, инструмента, приспо-
соблений, режима изготовления, измерения и испытания изде-
лия, параметров технологических средств и изделия на всех стади-
ях его изготовления (подсистема контроля), а с другой стороны —
максимальную эффективность ГПС за счет поддержания ее в рабо-
тоспособном состоянии путем контроля и диагностирования ро-
бототехнических комплексов и автоматического обрабатывающего
оборудования, вычислительной техники и программного обеспе-
чения.

По воздействию на объект контроль в гибком автоматизирован-
ном производстве (ГАП) может быть активным и пассивным.

На станках с ЧПУ и в обрабатывающих центрах предусматрива-
ются автоконтроль и автодиагностирование, что позволяет мгно-
венно остановить систему или подать на нее аварийный сигнал в
случае разрегулирования серводвигателя, нарушения сигнала об-
ратной связи, перегрева или температурных перепадов, сбоев ис-
точника питания, перегрузок, ограничения скорости, отклонения
временного интервала между выполнением отдельных функций,
разрегулирования зажимного патрона, появления постороннего
предмета в зоне обработки и т.д.

Для обеспечения безопасности работы ГАП требуется постоянно
контролировать фактическое положение всех подвижных элементов.

Система контроля строится на базе широкого использования
дисплеев и средств отображения информации коллективного
пользования.
Контроль процесса производства, состояния оборудования и
системы управления целесообразно осуществлять по обобщенной
информации (в основном аварийно-предупредительного характе-
ра), отображаемой, например, на мнемосхеме.

В автоматическом производстве САК должна обеспечивать не толь-
ко получение заданного качества продукции, но и безотказное те-
чение производственного процесса. Это расширение функций кон-
троля непосредственно следует из того, что при технологии без уча-
стия человека нарушение хода технологического процесса может
привести к аварийным ситуациям. Для ГАП задачи контроля много-
кратно усложняются тем, что соответствующие системы должны
функционировать не при стабильной технологии и установившейся
номенклатуре выпуска продукции, характерных для массового про-
изводства, а в изменяющихся нерегулярным образом от изделия к
изделию условиях мелкосерийного или даже единичного производ-
ства. Это вызывает необходимость к переходу от специализирован-
ных средств и процедур контроля, получивших распространение в
массовом производстве, к универсальным и, в свою очередь, к ак-
тивному внедрению средств вычислительной техники для обеспе-
чения функционирования производства в изменяющихся условиях.

Внедрение САК позволяет оптимально распределить поопера-
ционный контроль заготовок и полуфабрикатов и контроль готовой
продукции, перенося центр тяжести на этап изготовления и тем
самым обеспечивая постепенный переход от контроля качества (раз-
браковки) готовой продукции к управлению качеством в процессе
ее изготовления. На первом этапе предусматривается возможность
более раннего выявления и устранения брака, на втором — актив-
ный контроль в зоне обработки, исключающий брак продукции.

Система автоматического контроля пронизывает все элементы
ГАП и их связи (материальные и информационные потоки), обес-
печивая достоверность информации, используемой в системе уп-
равления.

При современном уровне измерительной и вычислительной тех-
ники, а также средств программного обеспечения осуществляется
первый этап внедрения машинного контроля — сравнение с обра-
зом (моделью), заложенным в ЭВМ.

3.3.2.	Структура систем автоматического контроля

Типовая структура САК ГАП (рис. 3.71) включает три уровня.

Верхний уровень обеспечивает общий контроль совокуп-
ности автоматических ячеек (АЯ) для координации их взаимодей-
ствия, перенастройки и ремонта, выдачу информации на пульт
управления ГАП и решение следующих задач:

получение, обработка и обобщение информации, поступаю-
щей с нижестоящего уровня (от автоматических ячеек);
Рис. 3.71. Типовая структура САК ГАП

контроль объема и качества продукции и материально-техни-
ческого обеспечения (материала, инструмента и др.);

контроль за исполнением совокупности операций, выполняе-
мых автоматической ячейкой;

самоконтроль и контроль функционирования нижестоящего
уровня.

Средний уровень обеспечивает контроль автоматической
ячейки и представление на верхний уровень обобщенной инфор-
мации о свойствах, техническом состоянии и пространственном
расположении контролируемых объектов и составных частей ячейки.
При этом решаются следующие задачи:

получение и обработка информации о контролируемых пара-
метрах объекта, параметрах функционирования ячейки и ее эле-
ментов, параметрах технологической среды;

передача информации на верхний уровень;

контроль качества изготовления объекта обработки на элемен-
тарных автоматических системах, входящих в ячейку;

контроль за исполнением операций;

самоконтроль и контроль функционирования нижестоящего
уровня.

Нижний уровень обеспечивает контроль объектов обра-
ботки, технического состояния и пространственного расположе-
ния составных частей элементарной автоматической системы (стан-
ка с ЧПУ, робота загрузки, автоматического средства контроля).
На этом уровне САК решает следующие задачи:

получение и обработка информации о контролируемых пара-
метрах и функциях объекта обработки и составных частей элемен-
тарных автоматических систем (ЭАС), передача информации на
средний уровень;

контроль за исполнением переходов;

контроль функционирования составных частей ЭАС;

представление информации в систему технического обслужи-
вания для прогнозирования постепенных отказов инструмента и
оборудования.

Объектом контроля верхнего уровня является совокупность ти-
повых автоматических ячеек (обрабатывающей, транспортной,
складской, контрольно-измерительной, испытательной) и рабо-
чее место оператора, а средством контроля — управляющий вы-
числительный комплекс (УВК) на базе ЭВМ. Объектом контро-
ля среднего уровня служит автоматическая ячейка, состоящая из
совокупности элементарных автоматических систем, а средством
контроля — УВК на базе мини- или микроЭВМ. В состав УВК
входят: ЭВМ, средства сопряжения с удаленными терминалами
и локальной сетью ЭВМ, средства повышения надежности фун-
кционирования и т.д. Объектом контроля нижнего уровня явля-
ются составные части ЭАС: управляющий орган, передаточное
звено, исполнительный орган, объект обработки. Средства конт-
роля на нижнем уровне определяются спецификой компонентов
ЭАС. Для металлообрабатывающего станка ими могут быть датчи-
ки касания и усилия резания, для робота — датчики позициони-
рования, для транспортного робота — путевой датчик, для конт-
роля технологической среды — датчики температуры, давления,
влажности, биологических загрязнений и т.д.

3.3.3.	Принципы построения систем автоматического контроля

Основная задача построения САК (рис. 3.72) заключается в рас-
пределении функций контроля между уровнями и в оптимизации
состава средств контроля на нижнем уровне. При этом следует стре-
миться к тому, чтобы на нижнем уровне САК обеспечивалась мак-

симально возможная автономность управления по результатам кон-
троля. Объем контроля распределяется между средством и объек-
том обработки, с одной стороны, и между взаимодействующими
по объекту обработки элемен-

тарными автоматическими си-
стемами, с другой. Например,
объект обработки можно кон-
тролировать путем измерения
как его параметров (размеров
и формы заготовки в механо-
обработке, толщины покрытия
при гальванических процессах,
размеров кристалла в автома-
тических процессах его выра-
щивания и т.д.), так и пара-
метров средства обработки (из-
носа сверла, резца или фрезы;

Рис. 3.72. Структура системы автома-

тического контроля

концентрации, состава и тем-
пературы электролита и времени осаждения; температурного ре-
жима роста кристалла и т.д.). Параметры измерения могут быть
разнесены во времени и пространстве: одна часть параметров кон-
тролируется в зоне обработки, другая — роботом-манипулятором,
третья — на транспортном роботе. Поскольку заготовки и детали
большую часть времени транспортируются или вылеживаются,
подобное разделение является перспективным (разумеется, кон-
кретное решение должно приниматься на основе технико-эконо-
мического анализа).

Для ГАП более приемлемым является принцип доверия. Отра-
ботка технологического процесса должна быть направлена на вне-
дрение именно этого принципа, а система контроля и диагнос-
тики призвана обеспечить решение следующей, более сложной
задачи — оптимального сокращения контрольных операций во-
обще.

3.3.4.	Режимы функционирования систем
автоматического контроля

САК может функционировать в пяти режимах: запуск, рабочий
(номинальный), наладочный (перестройки), плановый останов,
аварийный.

Режим запуска начинается с опроса всех элементов и си-
стем ГАП. При этом проводится диагностика их технического со-
стояния, дается команда на выход всех систем в начальное поло-
жение, контролируется исполнение этой команды, проверяются
наличие и коды инструментов и заготовок. В процессе проверки
система отслеживает устранение выявленных неисправностей.

В режиме запуска задействованы все уровни контроля.

В рабочем (номинальном) режиме САК обеспечи-
вает контроль за качеством изготовления продукции, потоками
изделий, инструментов, энергии, информации, функционирова-
нием вспомогательных систем (очистка от стружки, промывка, ох-
лаждение, транспортировка стружки, отсасывание пыли, подача
охлаждающей жидкости, кондиционирование воздуха и др.); пе-
риодически контролирует техническое состояние всех элементов и
систем ГАП.

В наладочном режиме (режиме перенастройки) управ-
ляющая информация поступает на ЭВМ верхнего уровня. После-
дняя принимает решение о реконфигурации системы контроля на
среднем и нижнем уровнях. ЭВМ нижнего уровня устанавливает
совокупность контролируемых параметров и функций объектов об-
работки, а также нормы контроля.

Режим планового останова — специфический режим
функционирования ГАП, призванный обеспечить последующий
запуск не с «нулевого» (начального) момента работы системы, а с
момента ее останова. Обычно в данном режиме предусматривают-
ся завершение операции обработки на станках, снятие и отправка
деталей на накопители или склад, разгрузка и приведение робо-
тов-автооператоров и штабелеров в исходное для останова поло-
жение, запись состояния ГАП на магнитный носитель (диск, лен-
ту), отключение всех видов энергоносителей и всех пультов. Задача
САК при этом состоит в контроле отработки сигналов управления.
Кроме того, поскольку реализация режима занимает некоторый
промежуток времени, в течение которого элементы и системы ГАП
последовательно прекращают функционирование, можно провес-
ти диагностику систем и выдать диспетчеру информацию для на-
ладчиков и ремонтников.

Аварийный режим инициируется любым уровнем САК.
На нижнем уровне он порождается превышением допустимого бра-
ка, отклонением от нормы параметров ЭАС либо самих средств
контроля. Сигнал об аварийном состоянии с каждого из уровней
передается на более высокий уровень и отображается на пульте
управления ГАП.

3.3.5.	Размерная настройка инструмента

Основным элементом ГАП, на который нацелена работа всех
остальных элементов и систем, является автоматическая обраба-
тывающая ячейка.

Устройства с ЧПУ на базе ЭВМ позволили значительно расши-
рить технологические и функциональные возможности станков,
увеличить степень их автоматизации, упростить и удешевить про-
цесс создания устройств с ЧПУ для различных типов станков пу-
тем перепрограммирования алгоритмов работы. Значительно воз-
росла надежность работы станков вследствие исключения непре-
рывного считывания перфоленты в стартстопном режиме, но, глав-
ное, за счет введения различных диагностических программ, вы-
являющих места повреждения не только управляющих числовых
программных устройств, но и станка.

Точность обработки на станках с ЧПУ в большей мере опреде-
ляется качеством статической размерной настройки станков с ЧПУ
следующими методами:

полной взаимозаменяемости;

настройки инструмента вне станка;

настройки по результатам измерения положения режущей кром-
ки инструмента на станке;

настройки по результатам измерения деталей на станке.

При реализации метода полной взаимозаменяемос-
ти необходимо добиться того, чтобы погрешности всех без ис-
ключения звеньев системы СПИД в совокупности не превышали
заданный допуск на измеряемый размер. Метод реализуем техни-
Рис. 3.73. Структурная схема авто-
матической системы размерной

чески трудно и со значительными
материальными затратами.

Метод настройки инст-
румента вне станка не мо-
жет обеспечить заданную точность
обработки, его цель — устранить
первоначальную погрешность ус-
тановки инструмента. При установ-
ке на станок требуется дополни-
тельная настройка по результатам
пробного прохода.

Для измерения и компенсации

настройки для одной координаты:
УЧПУ — устройство ЧПУ типа СЫС;
ТЭП— транспортный электропривод;
МП — механическая передача; РО —
рабочий орган станка; СИП — систе-
ма измерения положения рабочего
органа; ДОС — датчик обратной свя-
зи; АЦП — аналого-цифровой преоб-
разователь; ДИ— датчик определения
положения инструмента; ДД— датчик
определения положения контролиру-
емой поверхности детали; НУ — на-
строечный упор

первоначальной погрешности уста-
новки и износа инструмента наи-
более технологичным и хорошо под-
дающимся автоматизации являет-
ся метод настройки по ре-
зультатам измерения по-
ложения режущей кромки
инструмента на станке. В
связи с тем, что при этом методе
не требуется пробный проход, сни-
маются принципиальные ограниче-
ния по диапазону корректируемых

погрешностей и исключается необходимость в предварительной на-
стройке вне станка.

При обработке корпусных деталей, черновой обработке детали
с неравномерным припуском чрезвычайно большими оказывают-

ся погрешности относительного расположения установочных и из-
мерительных баз детали. В этом случае целесообразно использовать
метод настройки по результатам измерения де-

Рис. 3.74. Схема компенсации
погрешности установки
инструмента:

ОО — база станка; ИИ — база
электроконтактного базирующе-
го преобразователя; Р — фикси-
рованное смещение баз преобра-
зователя и станка; А, А' — про-
граммное перемещение инстру-
мента; С — программное переме-
щение (ОА); К — точка контак-
та с Л7У; В, В'— регистрируемое
смещение инструмента; О — рег-
ламентируемое положение вер-
шины инструмента
талей на станке с помощью щу-
пового датчика.

Наиболее эффективным решением
является оснащение станков автомати-
ческими системами комбинированной
настройки по результатам измерения де-
тали и инструмента (рис. 3.73). В общем
случае рабочий цикл этой системы
включает в себя:

калибровку (учет установочных по-
грешностей) щупа ДД (датчика детали);

измерение размерных и установоч-
ных погрешностей базовой поверхнос-
ти детали;

размерную настройку инструмента с
помощью ДИ (датчика инструмента),
после чего следует обработка детали.

Схема, поясняющая этот метод,
представлена на рис. 3.74. Задача состо-

У

Рис. 3.75. Траектория скани-
рования щупа при опреде-
лении центра отверстия

ит в установке вершины инструмента в заранее известное положе-
ние относительно базы станка Р + Б. Достигается это тем, что пе-
ремещение инструмента до момента контакта не фиксируется, в
момент контакта задается начало отсчета. По окончании прямого
перемещения С инструменту задается обратное перемещение, рав-
ное сумме Л + «перебег» {В или В'). В результате вершина инстру-
мента устанавливается на величине Р + Б независимо от точки
начала прямого перемещения. Этот же метод можно использовать

для контроля износа инструмента.

В другом методе контроля точного расположения заготовки пре-
дусмотрено наличие в ней двух базовых отверстий с известными ко-
ординатами их центров в системе координат детали. Траектория ска-
нирования измерительного щупа при определении координат цент-
ров отверстия (в общем случае) представлена на рис. 3.75. Учитывая,
что размер базового отверстия заранее известен и точка 7 лежит на
диаметре, операцию поиска точки контакта # можно исключить, т.е.
осуществить программируемый переход из точки 7 в точку О.

Для определения фактического положения вершины инстру-
мента можно использовать также метод пробного прохода заготов-
ки или ее имитатора с измерением «следа» пробного прохода из-

мерительным щупом.

3.3.6.	Первичные измерительные преобразователи и приборы

Широкое использование различных преобразователей (датчи-
ков) в ГПС, управляемых специализированными ЭВМ, привело
к значительному изменению требований к ним. Наряду с точнос-
тью, быстродействием, помехоустойчивостью существенное зв
чение приобрели требования к технологичности и совместимо
ти датчиков, в том числе к согласованию их выходов с входны?
устройствами ГПС.

При рассмотрении датчиков ограничимся преобразователям
получившими практическую реализацию на станке, в роботе и др
гих элементах ГАП.

Спецификой применения датчиков в САК ГАП являются нео
ходимость оптимального комплексирования различных типов се]
сорных устройств, изыскание путей упрощения задачи получен]
информации о внешней среде путем специальной организации эт<
среды (маркировка объектов, их освещенность и т.д.) и наибол
полного использования априорной информации о ней.

Датчики положения. К этой группе следует отнести датчики ко]
троля размеров и формы заготовки и изделия, положения рабочт
органов оборудования и роботов и др.

Основными критериями при выборе средства активного контро!
являются точность измерения, быстродействие прибора (длительное
переходного процесса), измерительное усилие, надежность устро!
ства активного контроля, габаритные размеры и масса измерител]
ного преобразователя. Кроме технических необходимо учитывать
экономические критерии, такие как стоимость оснащения групп
станков системами активного контроля и экономические потери
производстве, вызываемые дополнительными затратами времени ь
настройку системы активного контроля для группы станков с ЧП1

Для контроля геометрических размеров деталей при механооС
работке обычно используют датчики отклонений, регистрирук
щие отклонение действительного положения измеряемой повер>
ности от запрограммированного (аналоговые преобразователи мг
лых перемещений с рабочим ходом 0,5... 1 мм и погрешность!
±(1... 3) мкм, а также дискретные преобразователи растрового тип
с рабочим ходом 10...30 мм и дискретностью измерения 1 мкм'
или датчики касания, регистрирующие разность условной базы .
измеряемой поверхности.

При токарной обработке датчики размера монтируют либо
одной из позиций револьверной головки — измерительной пози
ции, либо на специальном (измерительном) суппорте с отдель
ным приводом.

Для встраивания в станки с ЧПУ за рубежом наибольшее рас
пространение получили:

датчик касания фирмы «Хитачи Сейки», обеспечивающий из
мерения геометрического размера с погрешностью ±10 мкм, связ]
с подвижной частью фотодиодная в инфракрасной области;

индуктивный измерительный преобразователь (датчик) той ж<
фирмы, имеющий диапазон измерений по трем осям ±1 мкм пр!
погрешности ±2 мкм.
Основными проблемами при внедрении активного контроля в
зоне обработки являются защита датчика (от стружки, смазочно-
охлаждающей жидкости, вибрации и др.), обеспечение чистоты
зоны контроля и необходимость останова (последнее можно уст-
ранить, применив бесконтактные методы контроля).

Для контроля размеров и формы заготовки и изделия наиболь-
шее распространение получили датчики касания — измеритель-
ные щупы в виде как одиночного щупа, обеспечивающего конт-
роль по одной координате, так и трех координатных измеритель-
ных головок или головок со сменными щупами для контроля слож-
нопрофилированных изделий.

В результате при каждом измерительном цикле получают инфор-
мацию об отклонении одной из точек измеряемой поверхности, что,
с одной стороны, снижает производительность измерений, а с дру-
гой — обеспечивает их универсальность, поскольку оказывается воз-
можным определить отклонение от заданного значения координаты
любой точки заготовки или инструмента, в которую может быть до-
ставлен (приводами станка) измерительный наконечник датчика.

Необходимо помнить, что применять щуповые методы контро-
ля можно лишь в том случае, если контактное усилие не вызывает
смещений и деформации контролируемого объекта.

На рис. 3.76 представлен токарный модуль, оснащенный систе-
мой автоматического управления точностью обработки и контро-

Рис. 3.76. Модуль токарной обработки (а), контроль состояния инструмента
(б), измерение размеров детали (в)
Рис. 3.77. Трех-
мерная щуповая
головка

ля за состоянием режущих инструментов с уст-
ройством ЧПУ и двумя индикаторами контакта.

Из зарубежных фирм, разрабатывающих и вы-
пускающих измерительные щупы и головки, наи-
более известны ДЕА, «Марпос» и «Оптон». Трех-
мерная щуповая головка фирмы «Оптон» показа-
на на рис. 3.77.

Точечными электронными щупами фирмы ДЕА
(Германия) (рис. 3.78) проводят измерение без
остановки движения измерительной головки, что

представляет значительный шаг вперед по сравнению с традици-
онными методами измерения и обеспечивает оптимизацию по трем

параметрам: производительность, точность, повторяемость резуль-
татов измерений. Фирма выпускает два типа точечных электрон-
ных щупов: одно- и многопозиционные. Последние имеют пять
гнезд для сменяемых наконечников, что позволяет контролиро-
вать все грани детали без изменения направления перемещения

щупа.

Электронные щупы для непрерывного сканирования осуществ-
ляют быстрое и точное непрерывное измерение геометрических
линий и поверхностей в трехмерном пространстве. Фирма выпус-
кает три типа щупов: одно-, многонаправленные и сенсоры. Пер-
вые два типа щупов позволяют повысить динамические характери-
стики измерительной машины, а сенсоры, установленные на го-
ловке машины, обеспечивают позиционирование измерительной
машины на измеряемой точке простым наклоном щуповой голов-
ки в требуемом направлении.

Итальянская фирма «Марпос» специализируется на выпуске при-
боров для контроля линейных размеров при обработке на шлифо-
вальных станках. В нормальных цеховых условиях погрешность из-
мерения не превышает ±0,5 мкм в течение всего рабочего дня. При-
боры снабжены двумя индикаторами, один из которых отсчитыва-
ет сотые доли миллиметра, а второй — микрометры. Точность вклю-
чения команд ±0,1 мкм. Все приборы снабжены устройствами для

Рис. 3.78. Электронные щупы:
а — точечный; б — непрерывного сканирования
управления рабочим циклом шлифовального станка. Специальное
устройство задержки включает соответствующие команды только
в том случае, когда измерительная головка находится на обраба-
тываемой детали, что не допускает действия команд до начала
обработки детали.

Наличие двух измерительных головок в большинстве типов при-
боров снижает влияние колебаний параметров окружающей среды
и станка на точность обработки. Высокая стабильность измерений в
течение всего рабочего дня обеспечивает точность обработки около
1 мкм. Измерительная головка полностью закрыта прочным метал-
лическим корпусом, благодаря чему она защищена от повреждений
во время смены'деталей. Время приведения к нулю около 2 мин, а
для приборов «Фенар» и «Динар» не более 1 мин.

Специалисты фирмы «Марпос» разработали оригинальный спо-
соб обработки, заменяющий сортировку деталей на классы при не-
обходимости обеспечения соответствующей посадки сопрягаемых
деталей.

Система «Дирак» состоит из двух измерительных головок и
специального электронного блока. Вторая головка закреплена
на штативе и предназначена для измерения обработанной дета-
ли, служащей эталоном для измерительной головки, установ-
ленной на станке. В результате обработки обеспечивается соот-
ветствующее сопряжение внутреннего диаметра с наружным
непосредственно на станке.

В подавляющем большинстве случаев погрешность копироваль-
ной обработки зависит от точности профиля копиров, поэтому
повышению точности копировальной обработки способствует изго-
товление копиров с высокой точностью профиля. Однако на прак-
тике профиль копиров до сих пор проверяли путем сравнительного
измерения штангенрейсмусом и иглой либо методом визуального
контроля с помощью калиберной дощечки, что затрудняло опреде-
ление точности профиля при копировальной обработке.

В основу управления точностью профиля копиров в ряде стан-
ков положен принцип измерения, использованный в трехкоорди-
натной измерительной машине «Тейпесентер». Это облегчает
предэксплуатационную проверку профиля копиров, дает возмож-
ность производить предварительную размерную коррекцию за счет
цифрового управления точностью, позволяет организовать эффек-
тивную систему контроля точности профиля копиров.

Метод получения трехмерных цифровых изображений сложных
конструктивных компонентов разработан в Великобритания. В этом
методе тактильный датчик и алгоритмы обработки тактильной ин-
формации на ЭВМ применяются в роботах с сенсорной обратной
связью. В качестве датчика — щупы, широко используемые при
контроле изделий на трехкоординатных измерительных машинах.
Обработка тактильных данных разделяется на две операции: полу-
чение контуров компонентов объекта вместе со всей необходимой
количественной информацией и связывание этих контуров в пос-
ледовательное структурное описание.

Для измерения перемещений подвижных частей станков с ЧПУ
широко применяют линейные и угловые индуктивные преобразо-
ватели — индуктосины, представляющие синусно-косинусные бес-
контактные измерительные преобразователи, имеющие погреш-
ность 5 и 15' соответственно, и преобразователь линейных переме-
щений с погрешностью 2...5,5; 5...22; 9...54 мкм в зависимости от
интервала координатного перемещения. Диапазон линейных пере-
мещений зависит от числа стыкуемых 250-мм линеек. Обычно он
составляет (в зависимости от класса) до 3200, 8000, 20 000 мм.

Необходимость стыковки линеек являлась серьезным препят-
ствием для повышения точности измерения больших ходов под-
вижных частей станков. В настоящее время уже созданы индукто-
сины с ленточными шкалами.

Датчики положения в роботах предназначены для решения трех
задач: определения собственного местоположения подвижного эле-
мента робота, геометрических размеров объекта манипулирования
и расстояния до него.

Для установления местоположения подвижных частей промыш-
ленных роботов (например, схвата) наибольшее распространение
получили электромеханические и фотоэлектрические (кодовые)
датчики. В качестве электромеханических датчиков служат индук-
тивные и индукционные преобразователи, многооборотные по-
тенциометры, синусно-косинусные вращающиеся трансформато-
ры, сельсины и др.

Время преобразования для кодовых датчиков положения мень-
ше, чем для дискретных, что позволяет использовать их в системах
группового управления роботами и в контурных системах с малым
временем обработки на каждую координату. Наибольшее распрос-
транение получили датчики с кодовыми дисками и фотоэлектри-
ческой системой преобразования информации. Входным воздей-
ствием является угол, выходным — кодовый сигнал, преобразуе-
мый затем в двоичный код для обеспечения совместимости с ЭВМ.

Для измерения расстояния до объекта в роботах обычно ис-
пользуют бесконтактные системы: оптические, ультразвуковые. На-
пример, в одном из вариантов оптической системы угол поворота
зеркала находится в прямой зависимости от времени работы син-
хронного электродвигателя. По углу поворота зеркала вычисляется
расстояние до поверхности детали, причем тем точнее, чем боль-
ше база между зеркалом и фотодатчиком.

Наибольшее число задач локации объекта манипулирования мо-
жет быть решено с помощью электромагнитных и акустических даль-
номеров. Для измерения малых расстояний до токопроводящих объек-
тов (0... 10 мм) можно использовать вихретоковые датчики (изме-
ряют расстояние ±2,5 мм с относительной погрешностью 5%), для
расстояний 10...20 и 100... 10000 мм — ультразвуковые дальномеры.

Геометрические размеры объекта определяются контактными
методами (например, при помощи описанных ранее измеритель-
ных щупов).

Датчики геометрических размеров. Оптический измеритель раз-
меров (ОИР) на базе линейных приборов с зарядовой связью (ПЗС)
разработан специально для использования в составе роботизиро-
ванных технологических комплексов. Характерной особенностью
ОИР, связанной со структурой, позволяющей представить конт-
ролируемый размер числом импульсов, является независимость от
таких дестабилизирующих факторов, как температура, питающие
напряжения, изменения освещенности и т.д. В сочетании с высо-
кой эксплуатационной надежностью (практически неограничен-
ным сроком службы, малыми габаритами и массой, низкими пи-
тающими напряжениями, высокой жесткостью) они обеспечива-
ют точность и надежность телевизионной измерительной системы.

Принцип работы ОИР основан на измерении изменений про-
странственного положения теневой проекции краев контролируе-
мого изделия относительно базы известного размера. Результаты
метрологических испытаний ОИР показали, что максимальная по-
грешность измерений составляет ±1 бит, что при масштабе 1,5x1
соответствует абсолютной погрешности ±0,01 мм, а при масштабе
3x1 — ±0,005 мм. Минимальный размер контролируемых деталей
ограничен размером объективов и составляет 40 мм, максималь-
ный — 200 мм (ограничен длиной стоек). Расположение видеока-
мер на разных стойках и повышение жесткости стоек позволяют
расширить диапазон в обе стороны.

Датчики давления (усилий, деформаций). Наибольшее распрост-
ранение получили датчики, основанные на использовании тензо-
резистивного эффекта. Перспективными для робототехники явля-
ются следующие структуры: кремний на кремнии и кремний на
сапфире, позволяющие достичь высокой точности (погрешность
0,1%) в широком диапазоне температур.

В последние годы разработаны встречно-штыревые преобразова-
тели (ВШП), напыляемые на поверхность пьезокристалла или пье-
зопленки. Их работа основана на использовании зависимости часто-
ты и скорости распространения поверхностных акустических волн
(ПАВ) от деформации упругого элемента. Хотя тензорезистивный
эффект освоен давно и широко используется в технике, не прекра-
щается поиск новых материалов и конструктивных решений.

Датчики изображения (распознавания) и системы технического зре-
ния (СТЗ). Эти датчики, обеспечивающие зрительное восприятие
внешней среды, уже несколько десятилетий с успехом применяют
для контроля обстановки на производстве в опасных для человека
зонах. Воспринимаемая ими информация передается на пульт опе-
ратора. Для ГАП требуется автоматическая переработка зритель-
ной информации вычислительной машиной с целью распознава-
ния образа и принятия решения программными средствами без
подключения человека.

Применение СТЗ обеспечивает адаптивное управление автома-
тическим манипулятором и роботом в процессе загрузки — раз-
грузки, сборки и взаимодействия с конвейером. Кроме того, оно
позволяет упростить требования к зажимным и ориентирующим
устройствам и устройствам позиционирования деталей, а в ряде
случаев отказаться от них вовсе, что повышает гибкость системы.

3.3.7.	Автоматическая контрольно-измерительная ячейка

В раде случаев в ГПС более целесообразно и легче организовать
специализированную контрольно-измерительную ячейку, обеспе-
чивающую выносной контроль, чем контроль распределенный по-
операционный и в зоне обработки. К таким случаям относится кон-
троль сложных изделий, например блока цилиндров двигателя внут-
реннего сгорания, картера коробки перемены передач или сверх-
большой интегральной схемы, а также выходной контроль для го-
товой продукции, являющейся предметом поставки. Поскольку кон-
трольно-измерительная ячейка создается для контроля готовой про-
дукции, то состав ячейки определяется видом производимой про-
дукции и формируется, как правило, на базе универсальных изме-
рительных машин.

К измерительным машинам предъявляются следующие требо-
вания: простота обслуживания, оптимальная доступность, высо-
кая точность измерения и воспроизведения, небольшое время про-
цесса измерения, автоматизированный метод измерения, управ-
ление процессом измерения при помощи ЭВМ.

Все измерительные машины предусматривают работу в трех ре-
жимах: ручном, полуавтоматическом и автоматическом.

С помощью переносного пульта управления для ручного обслу-
живания часто повторяющиеся программы измерения (програм-
мы определения контактных щупов, расчетного выравнивания де-
тали в пространстве и плоскости, определения плоских, сфери-
ческих, цилиндрических или конических поверхностей, компону-
ющие программы) могут быть вызваны из базы данных ЭВМ.

Вычислительное устройство автоматически распознает направ-
ление ощупывания, ось и плоскость измерения и может различать
внутренние и внешние контуры. Все измеренные значения адресу-
ются и записываются. В любое время их можно обрабатывать с дру-
гими результатами, а также использовать для образования новых
геометрических элементов. Для измерения зубчатых колес, кулач-
ковых валов, кривых и изогнутых пространственных поверхностей
имеются специальные программы.
Управление при помощи вычислительного устройства позволя-
ет работать в автоматическом режиме с высокой точностью и про-
изводительностью. Посредством обучающей программы при изме-
рении первой детали производится программирование, соответ-
ствующее данной детали, и затем последующие детали измеряют-
ся по уже составленной программе в автоматическом режиме.

Результаты измерений представляются на дисплее и дублиру-
ются печатающим устройством или на графопостроителе.

Основным измерительным элементом измерительной машины
являются щуповые головки. Они имеют возможность перемещать-
ся в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также со-
вершать вращательное движение. Такая подвижность обеспечивает
измерение и контроль всех отверстий и уступов, горизонтальных,
наклонных и вертикальных поверхностей.

Трехкоординатными измерительными машинами обычно ком-
плектуются измерительные ячейки выходного контроля. В измери-
тельных ячейках, осуществляющих пооперационный контроль,
можно использовать большинство контрольно-измерительных ав-
томатов. Эти автоматы создаются с учетом возможности встраива-
ния их в технологические цепочки. Управление автоматами осуще-
ствляется от ЭВМ.

В последнее время производители оборудования для автомати-
зации производства освоили выпуск контрольно-измерительных
роботов, предназначенных для встраивания в технологические ли-
нии. Часть моделей таких роботов имеют измерительные схваты,
использующие индуктивные и тактильные датчики. Основным пре-
имуществом таких конструкций является исключение затрат вре-
мени на контроль за счет того, что измерение выполняется одно-
временно с операцией перемещения детали.

Контрольные вопросы и задания

1.	Какое назначение имеют средства автоматического контроля в ГПС?

2.	Расскажите о структуре построения средств автоматического конт-
роля для ГПС и станков с ЧПУ.

3.	Расскажите о режимах функционирования САК.

4.	Как проводится размерная настройка инструмента в ГПС и на стан-
ках с ЧПУ?

5.	Какие первичные измерительные преобразователи применяются в
ГПС?

6.	Что такое автоматическая контрольно-измерительная ячейка?
Глава 4

ВЫБОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ

Правильный выбор средств измерения и контроля, с одной сто-
роны, обеспечивает получение достоверной информации об изме-
ряемом объекте, а это гарантия качества изготавливаемых изде-
лий, а с другой стороны — позволяет оптимизировать затраты про-
изводства на контрольные операции.

Выбор средств измерения и контроля зависит от целого ряда
факторов, таких как масштаб производства, организационно-
технические формы контроля, принятые на производстве, конст-
руктивные особенности объекта измерения и контроля, экономи-
ческие и другие факторы, а также от обязательных и дополнитель-
ных показателей, устанавливаемых ГОСТ 14.306—73.

Масштаб (объем) производства определяет тип средства измере-
ния и контроля, а также необходимую производительность про-
цесса измерения и контроля, а следовательно, уровень его автома-
тизации или механизации.

Так, в индивидуальном и мелкосерийном производствах номен-
клатура выпускаемых изделий достаточно широкая, объем выпуска
небольшой и часто изменяемый. Высокое качество изделий, в боль-
шинстве своем, зависит от индивидуальных навыков и квалифика-
ции операторов. Оно не гарантируется принудительно ходом техно-
логического процесса. И поэтому в этих условиях особенно необхо-
димы тщательный пооперационный контроль изготавливаемых из-
делий, наличие соответствующих универсальных средств измерения
и контроля, а также контролеры достаточно высокой квалификации.
При индивидуальном производстве, как правило, не проектируют
специальной контрольно-измерительной оснастки, что объясняет-
ся не только экономической нецелесообразностью, но также во
многих случаях и невозможностью задерживать изготовление изде-
лий на длительные сроки, необходимые для проектирования, изго-
товления и отладки специальных средств измерения и контроля.

При серийном производстве, как правило, изготавливают вза-
имозаменяемые детали, узлы и изделия, номенклатура которых не
меняется в течение достаточно продолжительного времени. Одно-
родность деталей по качеству достигается применением специали-
зированного оборудования, инструмента и оснастки, которые чаще
всего выполняют в виде сменных приспособлений и устройств к
универсальным станкам. Работу ведут по отработанной технологии.
Поэтому соответствующий пооперационный контроль необязате-
лен. Контрольные операции выполняют после ряда операций или
после окончательного изготовления деталей универсальными изме-
рительными средствами, специализированными контрольными при-
способлениями, жесткими предельными калибрами и шаблонами.

При массовом производстве номенклатура изделий постоянна:
в больших количествах в течение длительного времени изготавли-
ваются взаимозаменяемые детали, узлы и изделия. Качество изде-
лий обеспечивается отработанной технологией, широким приме-
нением специализированного оборудования, приспособлений и ин-
струмента, а также введением контрольных операций, являющих-
ся обязательной составной частью единого технологического про-
цесса. В таких производствах широко используют высокопроизво-
дительные механизированные и автоматические контрольно-из-
мерительные средства. Применение контрольных автоматов долж-
но быть экономически обоснованно, так как стоимость их доста-
точно высока и для обслуживания требуются квалифицированные
наладчики. Эти автоматы особенно эффективны при контроле де-
талей простой геометрической формы небольшой массы с малым
числом контролируемых параметров и в особенности при много-
диапазонной сортировке и селективной сборке.

Активные средства контроля целесообразно применять как в
массовом, так и серийном производствах.

Универсальные средства измерения и контроля в массовом про-
изводстве имеют ограниченное применение. Их используют пре-
имущественно при наладке технологической оснастки.

С позиций организационно-технических форм контроля разли-
чают:

100%-ный контроль, который назначается при сорти-
ровке деталей на размерные группы и применении селективной
сборки, а также при измерении функциональных параметров, оп-
ределяющих эксплуатационные показатели изделия в целом. В этих
случаях для условий массового производства назначают специаль-
ные контрольно-сортировочные автоматы и устройства, а для ус-
ловий индивидуального и мелкосерийного производства — уни-
версальные (реже специализированные) средства измерения с
достаточно высокой точностью измерения;

выборочный контрольсустановлением процента выбор-
ки в зависимости от стабильности технологического процесса, со-
вокупности контролируемых признаков, задачей и целей конт-
рольных операций. В зависимости от объема выборки назначают
как специальные, так и универсальные средства измерения с до-
пустимой погрешностью измерения;

статистический метод выборочного контроля
применяют для приемки готовых изделий (приемочный контроль)
и для управления точностью в процессе производства (управля-
ющий контроль). В первом случае выбор средств измерения во мно-
гом зависит от объема производства, точностных показателей про-
цесса измерения, конструктивных особенностей объекта измере-
ния, экономических и других факторов. Для управляющего конт-
роля в условиях массового производства применяют различные
средства автоматизации измерения, в том числе средства активно-
го контроля, управляющие системы различного уровня.

Конструктивные особенности объекта измерения и контроля (фор-
ма, число контролируемых параметров, габаритные размеры и масса
деталей) также влияют на выбор типа средства измерения и кон-
троля. Так, детали больших габаритных размеров и массы измеря-
ют и контролируют переносными средствами измерения и конт-
роля. При большом числе контролируемых параметров рекоменду-
ется применять многомерные средства измерения и контроля.

При выборе средства измерения необходимо учитывать матери-
ал контролируемой детали, жесткость ее конструкции и шерохо-
ватость поверхности с позиций повреждаемости объекта измере-
ния. Измерение тонкостенных деталей и деталей из легких сплавов
и пластмасс следует выполнять бесконтактным методом или сред-
ствами с малыми измерительными усилиями.

В соответствии с ГОСТ 14.306—73 установлены обязательные
показатели процесса измерения и контроля. К ним отнесены: точ-
ность измерения, достоверность, трудоемкость и стоимость. В ка-
честве дополнительных показателей для выбора средств измере-
ния и контроля используют: объем, полноту, периодичность, про-
должительность и другие показатели.

Рассмотрим подробно наиболее важный показатель выбора
средств измерения и контроля — точность измерения.

Точность измерения в соответствии с ГОСТ 16263—70 — это ка-
чество измерений, отражающее близость их результатов к истин-
ному значению измеряемой величины. Она зависит в основном от
погрешности измерения, являющейся следствием проявления ряда
причин, создающих суммарный эффект. Таких причин в зависи-
мости от применяемого метода, объекта измерения и условий из-
мерения может быть очень много, но не все они в одинаковый
мере оказывают влияние на общую погрешность измерения. В об-
щем случае на точность показания средств измерения (СИ) ока-
зывают влияние погрешности и факторы:

установки объекта измерения в СИ или установки СИ на объект
измерения;

измерительного устройства и передаточных элементов при нор-
мированных условиях;

установочных мер, используемых для настройки измеритель-
ных средств;

температурных колебаний, возникающих от комплекса причин,
обобщенных понятием «температурный режим»;
вызванные упругими деформациями от воздействия усилий зак-
репления объекта измерения в СИ и колебаниями измерительных
усилий средств измерения;

вызванные нарушением первичной настройки измерительных
средств;

обусловленные наличием шероховатости измеряемой поверх-
ности;

связанные с конструктивными особенностями измерительных
средств;

зависящие от оператора (субъективные погрешности) и др.

Разбивка погрешности измерения на отдельные составляющие
является условной. Ряд факторов (базирование, настроечные эле-
менты, температурные деформации и т.п.) может быть отнесен
как к погрешности измерительных средств, так и к условиям про-
ведения измерения. Поэтому оценка погрешности измерения дол-
жна выполняться комплексно, учитывая и саму погрешность из-
мерения, и условия измерения, при которых она должна про-
явиться.

Погрешность установки объекта измерения в
С И Дк, суммируется из погрешностей базирования, закрепления
и погрешности положения объекта, вызываемой неточностью по-
лучения линейных размеров установочных элементов или выпол-
нения технических требований на изготовление СИ.

Погрешность установки является суммой постоянных и случай-
ных систематических ошибок и определяется путем анализа схемы
установки объекта в СИ, непосредственным измерением при ат-
тестации СИ с последующим суммированием полученных вели-
чин.

Погрешность измерительного устройства Д^яв-
ляется в большинстве случаев основной составляющей, оказыва-
ющей доминирующее влияние на суммарную погрешность изме-
рения. Как отмечалось выше, ошибки измерительных устройств
могут быть систематическими и случайными. Систематическая по-
грешность может быть уменьшена в раз многократными изме-
рениями.

Погрешность измерительного устройства включает в себя: пре-
дельную погрешность для средства измерения Д'иу , погрешность
измерителя в пределах цены деления Д''. и погрешность параллак-
са Диу

В таблицах РД 50-98-86 ГОСТ 8.051—81 приведены предельные
погрешности Д'иу для универсальных измерительных средств при
измерении наружных и внутренних линейных размеров, биений,
глубин и т.п. Так, для индикаторов часового типа (ИЧ и ИТ) с
ценой деления 0,01 мм и пределом измерения от 2 до 10 мм при
перемещении измерительного стержня в 1 мм и температуре изме-
рения + 20 °С предельная погрешность измерения для всех диапазо-
нов размеров до 500 мм составляет 10 мкм. Для измерительных
пружинных головок 10 ИГП (микрокаторы) с ценой деления 0,01
мм и пределом измерения ± 0,2 мм при измерении биений пре-
дельная погрешность измерения составляет 5 мкм.

Кроме того, при оценке погрешности измерительных устройств
необходимо учитывать погрешность измерителя в пределах цены
деления Д" у, которая определяет субъективную погрешность счи-
тывания показаний стрелочных приборов. Так, для стрелочных
средств измерения Д'^у = 0,2...0,5 цены деления, а для цифровых
средств измерения Д^у = 0.

При считывании показаний со шкалы обычного (с незеркаль-
ной шкалой) средства измерения возникает погрешность считы-
вания как следствие имеющегося зазора между стрелкой и шкалой
и различных углов наклона глаза наблюдателя относительно шка-
лы. Это явление называется явлением параллакса. В общем случае
это перспективное (кажущееся) смещение рассматриваемого объек-
та, вызванное смещением точки наблюдателя.

Для стрелочных средств измерения с обычной шкалой
Д"йу=0,2...0,5 цены деления, а для стрелочных СИ с зеркальной
шкалой и для цифровых Д„у = 0...0,1 цены деления.

Так как две последние погрешности являются случайными, об-
щая погрешность Диу определяется следующим образом:

диу = д;у±7(д"+(д"')2.

В каждом конкретном СИ необходимо учитывать погрешно-
сти передаточных устройств Ап, возникающие вследствие
неточности изготовления длин плеч и углового расположения рыча-
гов, непропорциональности между линейным перемещением изме-
рительного стержня прибора и угловым перемещением рычага. Эти
погрешности являются систематическими. Их определяют расчетным
путем, и они суммируются алгебраически с учетом знака. При на-
стройке СИ по установочным мерам эти погрешности могут быть
скомпенсированы или учтены. Кроме систематических погрешностей
Д'п в связи с наличием зазоров между осями и отверстиями рычагов,
неточностью их изготовления присутствуют еще случайные погреш-
ности д;. Предельные значения этих величин определяются экспери-
ментально и могут быть взяты из соответствующих таблиц, а также
рассчитаны для наиболее неблагоприятных сочетаний предельных
размеров осей и отверстий передаточных звеньев СИ.

В общем случае погрешность передаточных устройств определя-
ется из следующего выражения:

д = д;± Х(д;')2.

У/=1
Погрешности установочных мер, используемых для
настройки измерительных средств Дм. В качестве установочных мер
применяют универсальные (концевые меры длины) и специаль-
ные (изготовленные по виду измеряемого объекта). Погрешность
измерения будет меньше, если установочная мера будет макси-
мально подобна измеряемой детали по конструкции, массе, мате-
риалу, его физическим свойствам, способу базирования и т.д.

Погрешности от концевых мер длины возникают из-за погреш-
ности их изготовления, включая измерение (классы), или погреш-
ности аттестации (разряды), а также из-за погрешности от прити-
рания. Величины погрешностей блоков концевых мер, принима-
емые при расчете суммарных погрешностей, приведены в табли-
цах РД 50-98-86. Эти данные получены квадратическим суммиро-
ванием допускаемых погрешностей изготовления для соответству-
ющего класса мер, входящих в блок, или допускаемых погрешно-
стей аттестации для соответствующего разряда и погрешностей,
возникающих при притирке мер, исходя из возможного количе-
ства мер в блоке при неблагоприятном сочетании размеров.

Например, минимальное число мер в блоке 113, 87 равно че-
тырем (100; 10; 2,5; 1,37). Соответственно в таблице для диапазона
80... 120 мм, куда входит этот размер, состав блока наименее бла-
гоприятных размеров указан: одна мера 100 мм, одна мера 10 мм и
две меры до 10 мм. Предельная погрешность блока концевых мер в
зависимости от класса составит: для 0 класса — 0,45 мкм, для 1-го
класса — 0,70 мкм, для 2-го класса— 1,1 мкм и т.д. При более
благоприятных размерах блока число мер в нем будет меньшим и
соответственно сократится погрешность блока.

Следует обратить внимание на то, что суммарная погрешность от
притирки может быть значительной. Многочисленные эксперименты
показали, что разброс размера блока составляет 0,05...0,1 мкм на
один притирочный слой. Этот разброс зависит от состояния кон-
цевых мер и от опыта оператора. Погрешность от притирки мер
превышает допускаемые погрешности аттестации, установленные
для 1-го и 2-го разряда. Следовательно, использование концевых
мер этих разрядов в блоках не дает повышения точности измере-
ния, связанной с притиркой. Это объясняется в основном непос-
тоянством слоя смазки, находящегося в микрополостях и извлека-
емого на поверхность в процессе притирки.

При назначении концевых мер длины отдельно не учитывается
их нагрев от рук оператора. В некоторых случаях это обстоятельство
может внести дополнительную погрешность. При этом нагрев мер
осуществляется значительно быстрее, чем остывание. Последнее
необходимо учитывать при определении времени, которое должно
пройти от сборки блока до использования его при настройке СИ.

При применении в качестве установочной меры специальных
(эталонных) деталей погрешность изготовления будет состоять из
систематической погрешности Д'м и случайных погрешностей А"м.
В первом случае учитываются отклонения действительных размеров
меры от номинальных, а во втором — отклонения от соосности,
параллельности, перпендикулярности,и т. п., которые косвенно вли-
яют на точность измерения. В этом случае погрешность установоч-
ной меры определится суммированием А'м+А'м. В практических рас-
четах аттестация эталонных деталей должна выполняться с точнос-
тью, принятой для аналогичных размеров концевых мер длины.

Погрешности, возникающие от температурных
деформаций, Дт (температурные погрешности). Выявление сум-
марного влияния температурных деформаций на погрешность из-
мерения сложно и связано с необходимостью иметь данные о фи-
зических свойствах материалов деталей средства измерения и объек-
та измерения и температурных полях в этих деталях. Точный расчет
в связи с этим трудоемок, поэтому выполняется упрощенный рас-
чет с использованием так называемого температурного режима.

Температурный режим — это условная, выраженная в градусах
Цельсия, разность температур объекта измерения и измеритель-
ного средства, которая при определенных «идеальных» условиях
вызовет ту же температурную погрешность, что и весь комплекс
реально существующих причин. Эти условия сводятся к тому, что
измерительное средство, его детали и объект измерения имеют
постоянную по объему температуру, а коэффициент линейного
расширения материалов, из которых они изготовлены, равен
11,6-10^ 1/°С. Если же «идеальные» условия не соблюдены, то раз-
ность температур должна быть не меньше на такое значение, кото-
рое компенсировало бы дополнительный источник погрешности.

Таким образом, температурный режим не должен пониматься
как допускаемое отклонение температуры среды от +20 °С или ко-
лебание ее в процессе измерения.

Влияние тепла рук оператора сказывается на погрешности руч-
ных приборов. Величина этой составляющей погрешности непос-
тоянна во времени и наиболее существенно проявляется при осо-
бо точных измерениях малых объектов измерения.

Эффективным методом сокращения погрешности от темпера-
турных деформаций является создание условий измерения, при
которых этими погрешностями можно пренебречь. В действующем
производстве применяются следующие конкретные меры для это-
го: выравнивание температур СИ и объекта измерения; примене-
ние термостатированных помещений и стабилизация температур
измеряемых объектов; применение теплоизоляционных колпаков
или кожухов; введение в конструкцию СИ теплоизоляционных на-
кладок, рукояток и т.п.

Погрешности, вызванные деформацией элемен-
тов СИ или объекта и з м е р е н и я в результате воздействия
силовых факторов — усилий закрепления объекта измерения в СИ
и измерительных усилий средства измерения. Как отмечалось выше,
при измерении на объект измерения действуют силы от средства
измерения и от зажимных элементов приспособления. Для обеспе-
чения надежного контакта объекта измерения с установочными
элементами СИ, предупреждения его смещения в процессе изме-
рения необходимо обеспечить условие равновесия от действующих
на него усилий. Максимальное усилие, возникающее в этом слу-
чае, следует учитывать при расчете контактных деформаций, вли-
яющих на погрешность △„,.

Этот вид погрешности учитывается при высокоточных измере-
ниях, когда допускаемые погрешности сопоставимы с величина-
ми контактных деформаций на установочных мерах и на объектах
измерения, а также при плоских измерительных наконечниках,
когда вид контакта (плоскостной, линейный и точечный) и кон-
тактные деформации зависят от формы объекта измерения.

Для сохранения постоянства измерительного усилия в измери-
тельных приборах применяются устройства, обеспечивающие наи-
меньший перепад усилия на всем пределе измерения: винтовые
пружины, промежуточные профилированные рычаги различных
конструкций, фрикционы и т.п. При отсутствии таких устройств
погрешность измерения только по этой причине может достигать
0,01 ...0,02 мм.

Погрешности настройки СИ Дн возникают в результа-
те неточного его выполнения, износа установочных элементов,
случайных внешних факторов. Значения этих погрешностей уста-
навливают в процессе аттестации средств измерения.

Погрешности, обусловленные наличием шеро-
ховатости измеряемой поверхности Аш. Влияние ше-
роховатости объекта измерения на погрешность измерения СИ с
точечными контактами определяют исходя из высоты и шага мик-
ронеровностей и радиуса измерительной поверхности наконечни-
ка. Особенно это заметно при измерении внутренних поверхностей.
Так, при измерении отверстия диаметром 35 мм нутромером с
ценой деления 0,01 мм погрешность измерения составляет 4 мкм
для шлифовальных поверхностей и 8 мкм — для расточенных. Это
объясняется тем, что в зависимости от высотных и шаговых пара-
метров шероховатости измеряемый размер изменяется даже при
незначительном перемещении измерительного наконечника. Скач-
кообразное изменение размера и является основным источником
погрешности измерения. При увеличении радиуса сферы измери-
тельной поверхности наконечников это изменение уменьшается и
погрешность снижается.

Для определения суммарной погрешности измерения на прак-
тике принимается, что

Аш = 4 Ад ~ Кг,
где Ка — среднее арифметическое отклонение профиля для изме-
ряемой поверхности; Кг — высота неровностей микропрофиля по
десяти точкам для измеряемой поверхности.

Наиболее простым способом, который можно рекомендовать
для уменьшения влияния шероховатости на погрешность измере-
ния, является нанесение небольшого слоя смазки или смазочно-
охлаждающей жидкости на измеряемую поверхность.

Погрешности, связанные с конструктивными
особенностями измерительных средств, входят в об-
щую погрешность измерительного устройства Диу и могут быть уч-
тены при разработке СИ. Эти погрешности являются случайными
и независимыми. Например, наличие дополнительных погрешнос-
тей СИ, связанных с отличием условий поверки и измерения; из-
менением нагрева СИ от рук оператора; отличием условий повер-
ки и измерения при наличии арретирующих устройств и т.п.

Погрешности, зависящие от оператора (субъек-
тивные погрешности). Возможны четыре вида субъективных по-
грешностей:

субъективные погрешности присутствия;

субъективные погрешности считывания показаний;

субъективные погрешности действия;

профессиональные субъективные погрешности.

Субъективная погрешность присутствия проявляется в виде
влияния теплоизлучения оператора на температуру окружающей
среды.

Субъективные погрешности считывания показаний рассмотре-
ны выше и включают в себя погрешность измерителя в пределах
цены деления и погрешность параллакса.

К субъективным погрешностям действия относятся погрешнос-
ти, вносимые оператором при настройке средства измерения, под-
готовке объекта измерения или установочных мер и т.д. По проис-
хождению, источнику возникновения эти виды погрешностей час-
тично можно отнести к погрешностям, связанным с измерительны-
ми средствами, которые проявляются при поверке или аттестации
этих средств. К субъективным погрешностям действия относятся по-
грешности от притирки концевых мер, при перемещении СИ от-
носительно объекта измерения или наоборот и т. п. Значения субъек-
тивных погрешностей действия существенно зависят от квалифика-
ции оператора, его опыта работы с тем или иным средством.

Они перекликаются с профессиональными субъективными по-
грешностями. Последние непосредственно связаны с квалифика-
цией оператора, его отношением к процессу измерения, с той
ролью, которую занимает измерение в выполняемых оператором
производственных функциях.

Определение суммарной погрешности измере-
ния. Точность показаний СИ определяется суммарной погрешно-
стью, составляющими которой являются систематические и слу-
чайные погрешности. Независимые случайные погрешности, в боль-
шинстве своем, подчиняются закону нормального распределения,
и поэтому суммируют их по правилам теории вероятности для не-
зависимых случайных величин.

Составляющие суммарной погрешности могут быть найдены по
справочным данным или экспериментальным путем. Суммарную
погрешность измерения на СИ определяют по следующей формуле:

= ХА/сист ± А Ысл-

1=1	у т=1

Для конкретного СИ определяются составляющие систематиче-
ских Д,сист и случайных 2^ сд погрешностей. Однако в расчетах быва-
ет непросто отделить случайные и систематические составляющие.
Поэтому можно допустить, что погрешность измерения как слу-
чайная величина подчиняется закону нормального распределения,
и вести ее расчет по следующей формуле:

△у = 7Дк + Диу + Дп + Дм + А? + ДКК + Дш + ДН -

Суммарная погрешность может составлять 8... 30 % допуска кон-
тролируемого параметра. Ее величина зависит от назначения изде-
лия и может составлять: для ответственных изделий — 8 %, для
менее ответственных — 12,5 и 20 %, для остальных — 25...30 %.

Средство измерений выбирают исходя из допустимой погреш-
ности измерения [Д] и расчетной суммарной погрешности Дх.

Допустимые погрешности измерения регламентированы
ГОСТ8.051—81 в зависимости от номинальных размеров и допус-
ков на изготовление измеряемого параметра. Величины допускае-
мых погрешностей измерения приняты следующими:

для грубых допусков

[А] = 0,2Т;

для остальных допусков

[Д] = 0,35Т,

где Т— допуск контролируемого параметра, задаваемый конст-
руктором.

Условие правильности выбора средства измерения:

Д2<[Д].

В случае, если это условие не выполняется, необходимо либо
пересмотреть составляющие суммарной погрешности измерения и
принять меры к их снижению, либо предусмотреть замену сред-
ства измерения или его элементов.

Экономические показатели выбора средств измерения занимают
важное место в процедуре выбора и его обоснования. К ним отно-
сят стоимость средства измерения, продолжительность его работы
до ремонта, срок окупаемости, время настройки средства измере-
ния и время, затраченное на измерение, необходимую квалифи-
кацию оператора и др.

ГОСТ 14.306—73 определяет экономическое обоснование вы-
бора средства измерения по его экономической эффективности.
Глава 5

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

5.1.	Правовые основы обеспечения единства измерений

Российская система измерений (РСИ) представляет собой орга-
низационные и функциональные объединения участников, про-
водящих измерения, и потребителей измерительной информации.

В РСИ входят органы и службы, обеспечивающие единство из-
мерений, разработчики, производители (поставщики) и пользо-
ватели средствами измерений, действующие в соответствии с рос-
сийским законодательством.

Основной целью РСИ является содействие экономическому и
социальному развитию общества путем защиты от неверных резуль-
татов измерения на основе конституционных норм, законов РФ,
постановлений правительства РФ и государственных стандартов.

Важнейшей задачей РСИ для достижения этой цели является
проведение единой технической политики по обеспечению един-
ства измерений в масштабах всей страны, влияющих на уровень
жизни и благосостояние граждан, на экономику и производство,
правопорядок, безопасность, экологию, науку и технику, оборо-
носпособность, а также на международное сотрудничество.

Исходными предпосылками формирования и развития РСИ в
современных условиях являются следующие положения:

переход Российской Федерации на рыночные экономические
отношения;

признание целесообразности сохранения и управления хозяй-
ственных, торговых и научно-технических отношений и интегра-
ции со странами СНГ, необходимость проведения с ними согла-
сованной политики в области метрологии;

признание необходимости интеграции экономики Российской
Федерации с европейской и мировой экономикой.

Для наглядности правовая и нормативная база обеспечения един-
ства измерений в Российской Федерации может быть изображена
в виде пирамиды, представленной на рис. 5.1.

Важнейшим документом, определяющим правовые основы обес-
печения единства измерений в России, является Конституция Рос-
сийской Федерации.
Нормативные документы Госстандарта России

Закон РФ «Об обеспечении
единства измерений». Принят
ВС РФ 28 апреля 1993 г.

Постановление Правительства РФ «Об
организации работ по стандартизации,
обеспечении единства измерений, сертификации
продукции и услуг» от 12 февраля 1994 г. № 100

Рекомендации государственных научных метрологических центров
Госстандарта России

Кон-
ститу-
ционная
норма по во-
просам метро-
логии (ст.71,
п.«Р»)

Рис. 5.1. Правовая основа обеспечения единства измерений

Следующим по важности государственным документом в обла-
сти обеспечения единства измерений является Закон РФ «Об обес-
печении единства измерений», принятый 28 апреля 1993 г.

Дальнейшее развитие положения указанного закона получили
в Постановлении Правительства РФ «Об организации работ по
стандартизации, обеспечении единства измерений, сертификации
продукции и услуг» от 12 февраля 1994 г. № 100.

Следующие по иерархии нормативные документы разработаны
Госстандартом России и научно-метрологических центров (см. рис. 5.1).

РСИ является объективным инструментом для обеспечения оцен-
ки качества продукции и услуг через стандарты, метрологическое
обеспечение производства, испытания и имеет следующие основы:
научную — метрология со своими постулатами;

нормативную — законы, подзаконные акты, стандарты по мет-
рологии и производству измерительной техники;

техническую — средства измерений соответствующего качества
(испытанные и исследованные);

организационную — Государственная метрологическая служба
и метрологические службы юридических и физических лиц.
5.2.	Государственный метрологический контроль и надзор

Государственный метрологический контроль и надзор осуществ-
ляются Государственной метрологической службой Госстандарта,
которая находится в ведении Госстандарта России и включает в себя:

государственные научные метрологические центры;

органы Государственной метрологической службы на террито-
риях республик РФ, автономных образований, краев, областей,
городов Москвы и Санкт-Петербурга.

Органы Государственной метрологической службы осуществ-
ляют государственный метрологический контроль и надзор на тер-
риториях республик РФ, автономных образований, краев, облас-
тей, городов Москвы и Санкт-Петербурга.

Государственные органы управления РФ, а также предприя-
тия, организации, учреждения, являющиеся юридическими ли-
цами, создают в необходимых случаях в установленном порядке
метрологические службы для выполнения работ по обеспечению
единства и требуемой точности измерений и для осуществления
метрологического контроля и надзора.

Государственный метрологический контроль включает в себя:
утверждение типа средств измерений;

поверку средств измерений, в том числе эталонов;

лицензирование деятельности юридических и физических лиц
по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений.

Государственный метрологический надзор осуществляется:

за выпуском, состоянием и применением средств измерений,
аттестованными методиками выполнения измерений, эталонами
единиц величин, соблюдением метрологических правил и норм;

количеством товаров, отчуждаемых при совершении торговых
операций;

количеством фасованных товаров в упаковках любого вида при
их фасовке и продаже.

Законом определяются сферы распространения, основные тре-
бования к порядку проведения, права, обязанности и ответствен-
ность государственных инспекторов по обеспечению единства из-
мерений.

Государственный метрологический контроль и надзор, осуще-
ствляемые с целью проверки соблюдения метрологических пра-
вил и норм, распространяется:

на здравоохранение, ветеринарию, охрану окружающей среды,
обеспечение безопасности труда;

торговые операции и взаимные расчеты между покупателем и
продавцом, в том числе на операции с применением игровых ав-
томатов и устройств;

государственные учетные операции;

обеспечение обороны государства;
геодезические и гидрометеорологические работы;

банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции;

производство продукции, поставляемой по контрактам для го-
сударственных нужд в соответствии с законодательством РФ;

испытания и контроль качества продукции в целях определения
соответствия обязательным требованиям государственных стандар-
тов РФ;

регистрацию национальных и международных спортивных рекордов.

Нормативными актами республик в составе автономных обра-
зований, краев областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга го-
сударственный метрологический контроль и надзор могут быть рас-
пространены и на другие сферы деятельности.

Государственный метрологический контроль и надзор осуще-
ствляют должностные лица Госстандарта России — главные госу-
дарственные инспекторы и государственные инспекторы по обес-
печению единства измерений.

Юридические и физические лица должны оказывать содействие
государственному инспектору в выполнении возложенных на него
обязанностей. Лица, препятствующие осуществлению государствен-
ного метрологического контроля и надзора, в соответствии с за-
конодательством РФ несут уголовную, административную либо
гражданско-правовую ответственность.

В сферах распространения государственного метрологического кон-
троля и надзора средства измерения подвергаются обязательным ис-
пытаниям с последующим утверждением типа средств измерения.

Решение об утверждении типа средств измерения принимается
Госстандартом России и удостоверяется сертификатом об утверж-
дении типа средств измерений. Срок действия этого сертификата
устанавливается при его выдаче Госстандартом России.

Утвержденный тип средств измерения вносится в Государствен-
ный реестр средств измерения, который ведет Госстандарт России.

Порядок ведения Государственного реестра средств измерения
указан в Правилах Пр.50.2.011—94.

Испытания средств измерения для целей утверждения их типа
проводятся государственными научными метрологическими цент-
рами Госстандарта России, аккредитованными им в качестве го-
сударственных центров испытаний средств измерения. Требования
к государственным центрам испытаний средств измерения и по-
рядок их аккредитации изложены в Пр.50.2.010—94.

Решением Госстандарта России в качестве государственных цен-
тров испытаний средств измерения могут быть аккредитованы и
другие специализированные организации.

Для проведения испытаний образцы средств измерения с соот-
ветствующими нормативными и эксплуатационными документа-
ми должны быть представлены в установленном Госстандартом Рос-
сии порядке.
Соответствие средств измерения утвержденному типу на терри-
тории Российской Федерации контролируется органами Государ-
ственной метрологической службы по месту расположения изго-
товителей или пользователей.

На средство измерения утвержденного типа и на эксплуатаци-
онные документы, сопровождающие каждый экземпляр, наносится
знак утверждения типа средств измерения установленной формы.

Информация об утверждении типа средств измерения и реше-
ние о его отмене публикуется в официальных изданиях Госстан-
дарта России.

Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств из-
мерения определяют Пр.50.2.009—94. В части средств измерений во-
енного назначения этот порядок регламентируется ГОСТ РВ 560—95
«ГСИ. СИ ВН. Испытания и утверждение типа».

Поверка средств измерения. Средства измерения, подлежащие
государственному метрологическому контролю и надзору, подвер-
гаются поверке органами Государственной метрологической службы
при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту
и эксплуатации. Допускается продажа и выдача напрокат только
поверенных средств измерения.

Поверка средств измерения — совокупность операций, выпол-
няемых органами Государственной метрологической службы (дру-
гими уполномоченными на то органами, организациями) с це-
лью определения и подтверждения соответствия средства измере-
ния установленным техническим требованиям.

Перечни групп средств измерения, подлежащие поверке, ут-
верждаются Госстандартом России.

По решению Госстандарта России право поверки средств изме-
рения может быть предоставлено аккредитованным метрологиче-
ским службам юридических лиц. Деятельность этих метрологичес-
ких служб осуществляется в соответствии с действующим законо-
дательством и нормативными документами по обеспечению един-
ства измерений. Порядок аккредитации определяется правитель-
ством Российской Федерации. Правила проведения аккредитации
метрологических служб юридических лиц на право поверки средств
измерения изложены в Пр.50.2.014—94.

Поверка средств измерения осуществляется физическим лицом,
аттестованным в качестве поверителя органом Государственной мет-
рологической службы.

Поверочная деятельность, осуществляемая аккредитованными мет-
рологическими службами юридических лиц, контролируется органа-
ми Государственной метрологической службы по месту расположе-
ния этих юридических лиц (региональными органами Госстандарта).

Ответственность за надлежащее выполнение поверочных работ
и соблюдение требований соответствующих нормативных докумен-
тов несет соответствующий орган Государственной метрологичес-
кой службы или юридическое лицо, метрологической службой ко-
торого выполнены поверочные работы.

В сферах распространения государственного метрологического
контроля и надзора юридические и физические лица, выпускаю-
щие средства измерения из производства или ремонта, ввозящие
средства измерения и использующие их в целях эксплуатации,
проката или продажи, обязаны своевременно представлять сред-
ства измерения на поверку.

Организация и порядок проведения поверки средств измере-
ния установлены Госстандартом России Пр.50.2.006—94.

Положительные результаты поверки средств измерения удосто-
веряются поверительным клеймом или свидетельством. Форма по-
верительного клейма и свидетельства о поверке, порядок нанесения
поверительного клейма устанавливаются Госстандартом России.

При выполнении поверочных работ на территории отдельного
региона с выездом на место эксплуатации средств измерения орган
исполнительной власти этого региона обязан оказывать поверите-
лям содействие, в том числе:

предоставлять им соответствующие помещения;

обеспечивать их вспомогательным персоналом и транспортом;

извещать всех владельцев и пользователей средств измерения о
времени поверки.

5.3.	Метрологическая служба Российской Федерации

Организационной основой Государственной системы обеспече-
ния единства измерений является метрологическая служба Россий-
ской Федерации. До распада СССР существовала Государственная
метрологическая служба, включавшая в себя соответствующие уп-
равления Госстандарта СССР, его научно-исследовательские ин-
ституты, территориальные центры по стандартизации и метроло-
гии, ведомственные метрологические службы с центральными, го-
ловными и базовыми организациями, а также метрологические служ-
бы предприятий и организаций. В настоящее время метрологическая
служба Российской Федерации находится в стадии становления.
Сейчас она возглавляется Госстандартом России и включает в себя:

управление метрологии Госстандарта РФ;

управление Государственного контроля и надзора Госстандар-
та РФ;

научно-технические комитеты (НТК) и комитеты Госстандарта
РФ;

Государственные научные центры;

территориальные органы — Государственные органы метроло-
гической службы (ГОМС) на территориях субъектов РФ;

Государственные службы по обеспечению единства измерений —
Государственную службу времени и частоты (ГСВЧ), Государствен-
ную службу стандартных справочных данных (ГСССД), Государ-
ственную службу стандартных образцов (ГССО);

метрологические службы федеральных органов исполнительной
власти;

службы главных метрологов в центральном аппарате;

головные и базовые организации метрологических служб (ГОМС
и БОМС соответственно) отраслей;

измерительные лаборатории (центры);

метрологические службы юридических лиц;

специализированные службы предприятий.

Схема метрологической службы Российской Федерации пред-
ставлена на рис. 5.2.

Особенностью принятой в настоящее время метрологической
службы Российской Федерации является то, что на метрологиче-

Рис. 5.2. Схема метрологической службы Российской Федерации
ские службы федеральных органов исполнительной власти, служ-
бы главных метрологов в центральном аппарате, головные и базо-
вые организации метрологических служб, измерительные лабора-
тории (центры) и метрологические службы юридических лиц го-
сударственные функции возлагаются лишь частично.

Предполагается, что в дальнейшем круг государственных фун-
кций будет расширен.

Представленные на схеме участники метрологической службы
Российской Федерации создают научные, нормативные, методиче-
ские, технические и организационные основы обеспечения един-
ства измерений, что в конечном итоге позволяет экономике стра-
ны разрабатывать, производить, экспортировать, импортировать,
производить испытания, поверку и калибровку средств измере-
ния, правильно их использовать и получать достоверную измери-
тельную информацию.

Контрольные вопросы

1.	Что является технической и организационной основами обеспече-
ния единства измерений в Российской Федерации?

2.	Какие приняты этапы жизненного цикла продукции?

3.	На каком этапе жизненного цикла изделия проверяется его техни-
ческий уровень?

4.	Что включает в себя метрологическая служба Российской Федера-
ции?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Абраимов Н. В., Елисеев Ю. С., Крымов В. В. Авиационное материало-
ведение и технология обработки металлов: Учеб, пособ. для авиац. вузов / Под
ред. Н. В. Абраимова. — М.: Высш, шк., 1998. — 444 с..

2.	Автоматизация и средства контроля производственных процессов: Се-
рия справочников. Кн. 4/ Под ред. В. В. Карибского. — М.: Недра, 1979. — 624 с.

3.	Активный контроль в металлообработке / А. В. Высоцкий, М. П. Собо-
лев, М.И.Этингоф. — М.: Изд-во стандартов, 1979. — 175 с.

4.	Активный контроль размеров / С. С. Волосов, М. Л. Шлейфер, В. Я. Рюм-
кин и др.; Под ред. С. С. Волосова. — М.: Машиностроение, 1984. — 224 с.

5.	Артемьев Б, Г., Голубев С. М. Справочное пособие для работников мет-
рологических служб: В 2 кн. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во стандар-
тов, 1990.— 959 с.

6.	Боднер В. А., Алферов А. В. Измерительные приборы (теория, расчет,
проектирование): Учебник для вузов: В 2т. — М.: Изд-во стандартов, 1986. —
224 с.

7.	БурдунГ.Д. Справочникпо международной системе единицСИ. — М.:
Изд-во стандартов, 1980.

8.	Весы идозаторы весовые: Справочник/ С. П. Маликов, С. С. Михай-
ловский, Л. Н. Старостина, П. К. Клементьев. — М.: Машиностроение,
1981. -320 с.

9.	Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения: Учеб-
никдля втузов/А. И. Якушев и др. —6-е изд, —М.: Машиностроение, 1986. —
352 с.

10.	Волоконная оптика и приборостроение / М. М. Бутусов, С. Л. Галкин,
С. П.Оробинский, Б. П. Пал; Под ред. М. М. Бутусова. —Л.: Машиностроение.
Ленингр. отд-ние, 1987. — 328 с.

11.	Гибкое автоматическое производство / В. О. Азбель, В. А. Егоров,
А. Ю.Звоницкий и др.; Под ред. С. А. Майорова, Г. В.Орловского,
С. Н.Халкиопова. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. Ле-
нингр. отд-ние, 1985. — 454 с.

12.	Грибанов Д.Д., Зайцев С. А., Митрофанов А. В. Основы метрологии:
Учебник для вузов. — М.: МГТУ «МАМИ», 1999. — 195 с.

13.	ГСП. Единицы физических величин. ГОСТ8.417—81.

14.	ГСИ. Метрология. Термины и определения. ГОСТ 16263—70.

15.	ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы
обработки результатов наблюдений. ГОСТ 8-207—76.

16.	Зайцев С. А. Основы проектирования и расчета средств измерений и
контроля в машиностроении: Учеб, пособ. для машиностроит. вузов. — М.:
МГТУ «МАМИ», 1999. - 160 с.

17.	Измерения в промышленности: Справочное изд.: В 3 кн./ Пер. с нем;
Под ред. П. Профоса. — 2-е изд., перераб. идоп. — М.: Металлургия, 1990.
18.	Измерительные приборы в машиностроении /А. Г. Иванов, Г. Д. Бур-
дун, К. С. Волосков и др. — М.: Машиностроение, 1964. — 524 с.

19.	Козловский Н. С., Виноградов А. Н. Основы стандартизации, допуски,
посадки и технические измерения. — М.: Машиностроение, 1982. — 284 с.

20.	Кондрашевский В. В., Лотце В. Активный контроль размеров деталей
на металлорежущих станках. — Новосибирск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1975. —
432 с.

21.	Котов К. И., Шершевер М. А. Средства измерения, контроля и авто-
матизации технологических процессов. Вычислительная и микропроцессор-
ная техника: Учеб, пособ. для техникумов. — М.: Металлургия, 1989. — 496 с.

22.	Марков Н. Н., Ганевский Г. М. Конструкция, расчет и эксплуатация
контрольно-измерительных инструментов и приборов: Учебник для техни-
кумов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1993. — 416 с.

23.	Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измере-
ний: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 535 с.

24.	Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных
материалов: Справочное пособ.: В 3 т. / Под ред. А. Т. Туманова. — М.: Маши-
ностроение, 1974.

25.	Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник/ Под
ред. Ю. В.Торбеева. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

26.	Саранча Г. А. Стандартизация, взаимозаменяемость и технические
измерения: Учебникдля втузов. — 2-е изд., перераб. идоп. — М.: Изд-во стан-
дартов, 1991. — 444 с.

27.	Система государственных испытаний продукции. Испытания и конт-
роль продукции. Основные термины и определения. ГОСТ 16504—81.

28.	Сорочкин Б. М. Автоматизация измерений и контроля размеров дета-
лей. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. — 365 с.

29.	Справочник по производственному контролю в машиностроении / Под
ред. А. К. Кутая. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1974. — 676 с.

30.	Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/
Е. В. Аметистов, В.А. Григорьев и др.; Под ред. В. А. Григорьева и В.М. Зо-
рина. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 512 с.

31.	Технический контроль в машиностроении: Справочник проектиров-
щика / Под ред. В. Н.Чупыринаи Л. Д. Никифорова. — М.: Машиностроение,
1987.-512 с.

32.	Технологические измерения и контрольно-измерительные приборы:
Учебникдля техникумов / А. М. Беленький, В. Ф. Бердышев и др. — М.: Ме-
таллургия, 1981. — 264 с.

33.	Хофман Д. Техника измерений и обеспечение качества: Справочная
книга / Пер. с нем.; Под ред. Л. М. Закса, С. С. Кивилиса. — М.: Энергоатом-
издат, 1983. — 472 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие...................................................3

Глава 1. Основы метрологии....................................4

1.1.	Термины и определения.................................4

1.2.	Физическая величина. Системы единиц физических
величин...................................................10

1.3.	Воспроизведение и передача размеров
физических величин........................................17

1.4.	Основы теории измерения..............................21

1.5.	Технический контроль.................................30

1.6.	Средства измерения и контроля........................33

1.6.1.	Классификация средств измерения и контроля
по определяющим признакам..............................33

1.6.2.	Обобщенная структурная схема средств
измерения и контроля...................................37

1.6.3.	Метрологические характеристики средств
измерения и контроля...................................43

Глава 2. Универсальные средства измерения и контроля.........51

2.1.	Измерение и контроль весовых величин.................51

2.2.	Измерение и контроль геометрических величин..........58

2.2.1.	Плоскопараллельные концевые меры длины..........58

2.2.2.	Измерительные линейки, штангенинструмент
и микрометрические инструменты.........................62

2.2.3.	Средства измерения и контроля
с механическим преобразованием.........................69

2.2.4.	Средства измерения и контроля с оптическим
и оптико-механическим преобразованием..................79

2.2.5.	Средства измерения и контроля с пневматическим
преобразованием........................................97

2.2.6.	Средства измерения и контроля с электрическим
и электромеханическим преобразованием..................104

2.2.7.	Средства измерения и контроля с радиоактивным
преобразованием.......................................108

2.2.8.	Контроль калибрами..............................111

2.3.	Измерение и контроль механических величин...........118

2.3.1.	Методы и средства измерения и контроля
кинематических величин................................118

2.3.2.	Методы и средства измерения и контроля
динамических величин..................................129

2.3.3.	Методы и средства измерения и контроля механических
свойств веществ и материалов..........................144

2.4.	Измерение и контроль тепловых величин...............159

2.4.1.	Методы и средства измерения и контроля температуры... 159
2.4.2.	Методы и средства измерения и контроля
теплофизических свойств веществ и материалов..........186

2.5.	Измерение и контроль электрических и магнитных величин ... 196

2.5.1.	Средства и единицы измерения................. 196

2.5.2.	Методика измерения в электрических цепях......203

2.5.3.	Методика измерения магнитных величин..........216

2.6.	Измерение величин оптического излучения.............220

2.6.1.	Основные понятия..............................220

2.6.2.	Оптические световые величины и их единицы.....223

2.6.3.	Принципы фотометрических измерений............225

2.6.4.	Визуальные методы и средства фотометрии.......231

2.6.5.	Физические фотометрические методы и средства
измерения и контроля светотехнических параметров......237

2.6.6.	Основы волоконной оптики и волоконно-оптические
средства измерения...................................241

2.7.	Измерение акустических величин......................249

2.7.1.	Основные понятия..............................249

2.7.2.	Средства измерения............................251

2.7.3.	Методика проведения акустических измерений....254

2.8.	Измерение давления, количества и расхода
газов и жидкостей........................................258

2.8.1.	Общие сведения................................258

2.8.2.	Методы и средства измерения и контроля давления.260

2.8.3.	Методы и средства измерения и контроля расхода
и количества газов и жидкостей.......................273

2.9.	Средства измерения и сигнализации уровня жидкости.....286

2.10.	Анализаторы газов и жидкостей......................291

2.10.1.	Основные понятия и определения...............291

2.10.2.	Классификация автоматических анализаторов
газов и жидкостей....................................293

2.10.3.	Анализаторы состава и физико-химических свойств
нефти и нефтепродуктов................................317

Глава 3. Средства автоматизации измерения и контроля........324

3.1.	Общие принципы построения...........................324

3.1.1.	Классификация автоматических и автоматизированных
средств контроля размеров............................324

3.1.2.	Принципы построения приборов, используемых

в средствах активного и автоматизированного контроля... 325

3.1.3.	Особенности метрологических характеристик
автоматизированных средств измерения и контроля.......329

3.1.4.	Измерительные преобразователи средств
автоматического контроля..............................330

3.1.5.	Автоматизированные контрольные устройства.......343

3.1.6.	Автоматические системы для пассивного контроля
размеров.............................................344

3.2.	Средства активного контроля.........................353

3.2.1.	Принципы построения измерительной оснастки
для шлифовальных станков.............................356

3.2.2.	Способы контроля деталей с прерывистой
поверхностью..........................................360

3.2.3.	Индуктивная измерительная система активного
контроля БВ-4100......................................363
3.2.4.	Приборы для сопряженного шлифования...........367

3.2.5.	Измерительная система для осевой ориентации БВ-4116 .. 372

3.2.6.	Широкодиапазонный прибор ХШ-9 для станков
с ЧПУ................................................376

3.2.7.	Приборы активного контроля для внугришлифовальных
станков...............................................379

3.2.8.	Приборы активного контроля для плоскошлифовальных
станков...............................................387

3.2.9.	Приборы активного контроля для хонинговальных
станков...............................................395

3.2.10.	Приборы для активного контроля на токарных станках.... 404

3.2.11.	Автоподналадчики и автоблокировщики...........416

3.2.12.	Методы и средства поверки и испытаний приборов
активного контроля...................................417

3.3.	Системы автоматического контроля для ГПС и станков с ЧПУ ... 423

3.3.1.	Назначение систем автоматического контроля....423

3.3.2.	Структура систем автоматического контроля.....425

3.3.3.	Принципы построения систем автоматического
контроля.............................................427

3.3.4.	Режимы функционирования систем автоматического
контроля.............................................428

3.3.5.	Размерная настройка инструмента...............429

3.3.6.	Первичные измерительные преобразователи и приборы ....431

3.3.7.	Автоматическая контрольно-измерительная ячейка.438

Глава 4. Выбор средств измерения и контроля.................440

Глава 5. Обеспечение единства измерений в Российской Федерации ....451

5.1.	Правовые основы обеспечения единства измерений......451

5.2.	Государственный метрологический контроль и надзор...453

5.3.	Метрологическая служба Российской Федерации.........457

Список литературы...........................................459
Учебное издание

Зайцев Сергей Алексеевич, Грибанов Дмитрий Дмитриевич,
Толстов Андрей Николаевич, Меркулов Рэм Всеволодович

Контрольно-измерительные приборы и инструменты

Учебник

Редактор Е. В. Рослякова
Технический редактор О. С. Александрова
Компьютерная верстка: А. Р. Павлов
Корректоры Н. С. Потемкина, И. Н. Волкова
Разработка серийного оформления: И. В. Соловьев

Подписано в печать 22.04.2002. Формат 60x90/16. Гарнитура «Таймс». Бумага тип. № 2.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 29,0. Тираж 30000 экз. (1-й завод 1 — 10000 экз.).

Заказ №1629.

Лицензия ИД № 02025 от 13.06.2000. Издательский центр «Академия».

117342, г. Москва, ул. Бутлерова, 17-Б, к. 223. Тел./факс: (095)330-1092, 334-8337.

Лицензия ИД № 02038 от 13.06.2000. Издательство «ПрофОбрИздат».

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.002684.05.01 от 18.05.2001.

117342, г. Москва, ул. Бутлерова, 17-Б, к. 222. Тел./факс: (095)334-7873.

Отпечатано на Саратовском полиграфическом комбинате.

410004, г.Саратов, ул. Чернышевского, 59.
Для подготовки квалифицированных
кадров в учреждениях начального
и среднего профессионального
образования предназначены следующие
учебники и учебные пособия:

	А.М. Адаскин, В.М. Зуев

Материаловедение
(металлообработка)

	Г.М. Ганевский, И.И. Гольдин

Допуски, посадки и технические
измерения в машиностроении

	Г. Г. Чернышов

Сварочное дело:

Сварка и резка металлов

	С. А.Зайцев и др.

Контрольно-измерительные
приборы и инструменты