Построение и применение метрологических схем

Построение и применение метрологических схем (формализация метрологических моделей)

Схема какого-либо объекта есть семиотическая модель этого объекта, отражающая его наиболее важные характерные черты. Схемы объектов строят в зависимости от целевого назначения:

• исследование объекта (его структуры, функционирования и др.);
• объяснение объекта заинтересованным лицам.

Схема может сопровождаться текстом. Распределение информации между схемой и сопроводительным текстом может значительно различаться в зависимости от целевого назначения схемы и используемой в ходе ее построения контекстной информации. Предельными случаями можно считать схемы, "содержащие всю необходимую информацию" (не нуждающиеся в дополнительных пояснениях) и схемы, в виде наборов опорных сигналов (понятные без пояснений только профессионалам). Реально схемы первого вида не существуют, но в некотором приближении можно представить себе достаточно полную схему, рассчитанную на человека, владеющего известным объемом определенной контекстной информации.

Схемы второго рода (очевидно неполные) могут не отражать логику связей между элементами, поскольку логика привносится в них извне – специфическими контекстными знаниями читающего или представляющего схему. К неполным схемам относятся предельно редуцированные семиотические модели, схемы с многократно кодированными элементами, схемы "с пропусками" элементов и связей. Примерами таких схем являются блок-схемы из прямоугольников (см. рис. 15, 16), машиностроительные чертежи общего вида, схемы алгоритмов.

Чтение схем осуществляется по определенным правилам, например:

• если схема сопровождается глоссарием или описанием схемных элементов и связей и/или их условных обозначений, следует ознакомиться с этими материалами до ее чтения и декодирования;
• схема представляет завершенный объем информации, значит, перед изучением подробностей следует рассмотреть всю схему в целом;
• графические изображения на схеме обычно отображают и структурные элементы системы, и связи между ними. Под элементом системы в данном случае мы понимаем такой ее объект, который выполняет определенные функции и в условиях поставленной задачи не подлежит расчленению на части;
• схемные элементы могут иметь разный характер, что отражается с помощью различий в обозначениях и конфигурации;
• связи могут иметь разный характер, что отражается с помощью различий в обозначениях линий связи или расположения взаимосвязанных элементов;
• схема как любая другая форма представления определенной информации может оказаться неполной или внутренне противоречивой, содержащей ошибки. В подобном случае можно поступать так же, как с дефектной информацией в другой форме (можно самостоятельно корректировать незначительные недостатки или в принципе отказаться от использования схемы из-за нерентабельности внесения исправлений).

С позиций системотехники схему сложного объекта следует рассматривать как модель реальной системы, отражающую ее элементный состав, наличие связей и обладающую свойством инвариантности (неизменности) во времени. В структуру схемы следует включать только те свойства системы, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования, и отражают приемлемую для практического использования совокупность значимых свойств системы.

Построение большинства схем осуществляется экспертными методами, причем в литературных источниках не приводятся ни алгоритмы, ни рецепты построения схем. Определенный опыт, накопленный в данной области, позволяет предложить метод, который представляется полезным, поскольку позволяет упорядочить работу. В основу метода положены следующие допущения:

• схема строится для представления системного объекта;
• в основу построения схемы кладут ее целевое предназначение;
• схема строится для определенного пользователя (для группы исследователей, для специалистов, для научной общественности, для обучающихся);
• в системе есть главные элементы и связи, которые должны найти отражение в схеме для любого пользователя (при разных уровнях дифференциации элементов объекта и снятия неопределенности);
• имеют право на существование несколько разных схем, однотипно представляющих один и тот же объект.

       Построение любой схемы можно рассматривать как решение слабо структурированной задачи при наличии существенной неопределенности, которую постепенно снимают в процессе решения. Процесс получения структурной схемы можно рассматривать как исследование системы на основе экспериментальных и теоретических сведений о характере функционирования системы в заданных обстоятельствах. Членение системы на блоки и элементы нужно осуществлять в соответствии с необходимостью детализации описания структуры и наглядности отображения ее свойств.

       Можно предложить следующий порядок построения схемы:

• определение целевого назначения схемы (цели и задачи исследования модели объекта);
• определение важнейших функций системы в соответствии с целевым назначением схемы;
• определение главных структурных элементов системы, обеспечивающих реализацию важнейших функций системы, и выявление связей;
• выбор системы условных обозначений структурных элементов и связей;
• построение "основной части" схемы (предварительный вариант);
• развитие схемы;
• проверка, критика, оценка, модернизация схемы.

В ходе построения схемы и по его окончании проводится проверка схемы на адекватность отображаемому объекту. Схема признается удовлетворительной после апробации предполагаемым пользователем, включая проверку адекватности восприятия схемы.

Специфика схем, предназначенных для объяснения объекта заинтересованным лицам, заключается в двух моментах: схемы следует строить с учетом предполагаемого уровня информированности будущих пользователей (используется имеющееся знание), но вместе с тем они должны нести новую информацию. При недостатке знаний у пользователя ему следует представить дополнительную (не включенную в схему) письменную или устную текстовую информацию.

Схемы бывают необходимы при описании измерительных процедур, методик выполнения измерений, методик поверки и калибровки средств измерений, при описании средств измерений в технической проектной и эксплуатационной документации а также при метрологической и стандартизационной экспертизе.

Метрологическая схема не только несет концентрированную информацию, но и позволяет строить модели появления составляющих погрешностей, чтобы затем проводить необходимые точностные расчеты. Сложность применения метрологических схем на сегодняшний день в значительной мере связана с отсутствием какой бы то ни было их регламентации в нормативных документах и научно-технической литературе.

Часто встречающиеся в литературе и технической документации понятия "схема измерения", "схема поверки", "схема контроля", "схема средства измерений" и некоторые другие не имеют четких определений, принципов построения и условных обозначений элементов, чем существенно затрудняется их использование. Прямое заимствование определений из стандартов ЕСКД, регламентирующих схемы, невозможно, а использование условных обозначений непродуктивно из-за существенных различий в содержании и целевом назначении схем.

Следует определить назначение и состав схем средств измерений, схем измерений физических величин, схем измерительного приемочного контроля объектов, схем контрольных точек (сечений) контролируемых объектов, а также возможности совмещения схем этих видов. При необходимости разрабатывают специальные схемы поверки, калибровки и метрологической аттестации средств измерений.

В современных условиях часто не обращают внимания на разницу между схемами измерений конкретной физической величины, носителем которой является объект, и схемами измерительного контроля объекта. Основное различие между измерением и контролем состоит в том, что результатом измерений является оценка физической величины, а результатом контроля – заключение о годности объекта по контролируемому параметру (по заданной величине). Поэтому в отличие от схемы измерения схема контроля включает указание числа и расположения контрольных точек (сечений) объекта, необходимых для создания его адекватной экспериментальной модели, которую сопоставляют с нормативной моделью для оценки годности объекта. Следовательно, схема контроля объекта по некоторому нормированному параметру (физической величине) в ряде случаев не исчерпывается схемой измерения этой физической величины, а должна включать дополнительную информацию.

Схема измерения может совпадать со схемой контроля в том случае, когда физическая величина воспроизводится на объекте однократно и контрольные точки (сечения) в принципе отсутствуют (масса детали, сопротивление высокоомного резистора, объем тела) или модель объекта строится по результатам измерения в одной контрольной точке/сечении (наибольшая глубина водоема, длина швейной иглы). Схема измерения имеет ограниченную область применения, например она необходима при измерениях ненормированных объектов, что часто встречается в научных исследованиях. Однако при исследовании объекта, на котором номинально одна физическая величина фактически воспроизводится как бесконечное множество однородных величин, схема измерений обязательно должна быть дополнена схемой контрольных точек (сечений) объекта.

Контрольная точка – условное наименование, определяющее область "съема измерительной информации об исследуемой физической величине" с измеряемого объекта средством измерения или область "контакта" единичного чувствительного элемента с объектом измерения. "Точка" может иметь значительную протяженность (площадь или объем), как например, при контроле призматической детали гладким микрометром или при измерениях температуры среды жидкостным термометром. При использовании средств измерений с несколькими чувствительными элементами в одно контрольное сечение может входить соответствующее множество контрольных точек. Термин "контрольная точка (сечение)" не означает, что осуществляется процесс контроля объекта, это традиционное наименование точек съема информации об измеряемой физической величине, в том числе при экспериментальных исследованиях, когда "контроль" исследуемых параметров не имеет смысла.

В линейно-угловых измерениях под контрольной точкой понимают место взаимодействия чувствительного элемента средства измерений с поверхностью контролируемого объекта редуцированное на схеме к геометрической точке. Под контрольным сечением понимают либо сечение объекта плоскостью, проходящей через линию измерения (контролируемое или исследуемое сечение), либо прямую линию между двумя чувствительными элементами средства измерений в месте контакта с поверхностью контролируемого объекта. Если контрольное сечение несет множество номинально одинаковых величин, которые в процессе измерений могут быть признаны отличными, вопрос о получении представительных результатов в данном сечении выходит за пределы информации в схеме контрольных сечений и описывается в методике выполнения измерений или в схемах измерений либо измерительного контроля. При наличии у средства измерений более двух чувствительных элементов конфигурация контрольного сечения включает все контрольные точки, и контрольное сечение может превратиться в двумерную или трехмерную фигуру.

Схемы контрольных точек (контрольных сечений) должны включать:

1. Эскиз детали с указанием контрольных точек (контрольных сечений) объекта. Элементы, не подлежащие контролю могут быть показаны упрощенно или вообще исключены из изображения объекта контроля. При необходимости эскиз контролируемого объекта выполняется с указанием параметров расположения контрольных точек или сечений на необходимом для этого числе проекций (разрезов, сечений).
2. Обозначения направлений измерительных перемещений, если они не являются очевидными (например, при контроле биения в заданном направлении).
3. Направления и характер вспомогательных относительных перемещений чувствительного элемента СИ и контролируемого объекта (указывают при необходимости).

Примечание. К вспомогательным перемещениям относятся те, которые обеспечивают поиск направления линии измерений на объекте (например, покачивание нутромера в отверстии для поиска нормального сечения), или необходимы для получения значений измеряемой величины в исследуемом контрольном сечении (вращение детали при измерении биений, перемещение измерительной головки по нормали к линии измерения при измерении полного радиального или торцового биения и т.п.).

       Схемы контрольных точек (контрольных сечений) могут дополняться вербальными описаниями требований к их расположению и идентификации на объекте измерений, например:

• «Контрольные сечения располагать равномерно на всей длине цилиндрической поверхности. Крайние сечения должны находиться на расстоянии не менее 2 мм от торцов, ограничивающих контролируемую ступень вала».
• «Контрольные точки располагать по равномерной сетке с одинаковыми шагами на всей площади плоской поверхности. При обнаружении экстремумов провести дополнительные измерения в исследуемой области по более густой сетке и внести в схему измерений новые контрольные точки, либо зафиксировать видоизмененную (корректированную) сетку с неравномерными шагами».
• «Перемещение измерительной головки при контроле полного радиального биения в сечениях №№ 1…N осуществлять с сохранением начала отсчета отклонений в системе координат, связанной с базовой осью».

Примеры схем расположения контрольных точек для случаев исследования прямолинейности и плоскостности, а также примеры указания контрольных сечений при измерении размеров поперечного сечения цилиндрического валика, при контроле радиального и полного радиального биений одной из цилиндрических поверхностей детали типа "вал" представлены на рис. 1. На схемах не указаны направления измерений, поскольку очевидно, что линии измерений нормальны к исследуемым поверхностям. Базовые элементы деталей и базирующие устройства средств измерений не показаны, поскольку они не являются элементами схем контрольных точек (сечений).