KURZUS: Finommechanika és optika a járműtechnikában

MODUL: I. modul

1. lecke: Méréssel kapcsolatos definíciók

| A lecke tanulásának a célja: A méréssel kapcsolatos definíciók azzal a céllal kerülnek oktatásra a tantárgy keretein belül, hogy a méréshez szükséges alapvető dolgokat megértsük, elsajátítsuk.
Szükségesen elsajátítandó: A lecke kiemelkedő fontosságú része az egyes mérési módok és mérés során fellépő hibák megismerése, továbbá kezelésük/korrigálásuk.
Lecke elsajátításának időtartama: A lecke elsajátításához kb. 60perc szükséges.
Testek szabadságfoka
3 fő tengely és a 3 fő sík szemléltetése CAD szoftver segítségével
1. ábra
Az 1. ábra a koordinátarendszer 3 fő tengelyét és általuk meghatározott 3 fő síkot szemlélteti. A megmunkálás terén általánosságban elmondható, hogy a "z" tengely felfelé mutatása a függőleges koordináta pozitív iránya (ellenpélda, hogy a BIESSE gyártmányú faipari megmunkáló központok esetében a pozitív irány a "z" tengely esetén lefelé mutat). Bár nincs szabványosítva, de célszerű a "z" tengely pozitívját felfelé definiálni, ezzel is követve a világ vezető gépgyártóit, továbbá megkönnyítjük a rajta dolgozó szakemberek és mérnökök munkáját is.
A testek szabadságfoka 3 főtengely (x, y, z) mentén történő elmozdulás és 3 tengely (x, y, z) mentén történő elfordulás alapján 6.
Mérőeszközök csoportosítása
Mérendő fizikai mennyiség szerint:
hosszúság, szög, tömeg, hőmérséklet, nyomás, fordulatszám, erő, stb.
Működtető energiaforrás szerint:
mechanikus, pneumatikus, villamos.
Mérőeszközök mérésügyi felosztása:
Alapmérőeszközök: más eszközök beállítására ill. ellenőrzésre szolgálnak. Etalonok: egy vagy több mennyiség meghatározott értékét testesítik meg. Nemzetközi alapmértékek: egyes fizikai mennyiségek meghatározott értékét rögzítik. Országos alapmértékek: a nemzetközivel megegyező alapmérték.
Mérőeszközök mérésügyi felosztása:
Használati mérőeszközök: gyártás, fejlesztés, kutatás során végeznek méréseket. Ellenőrző mérőeszközök: gyártásellenőrzésre szolgáló mérőeszközök. Felülvizsgáló mérőeszközök: a használati és ellenőrző mérőeszközök pontosságának időszakos ellenőrzésére szolgáló mérőeszközök.
Mérőműszerek metrológiai jellemzői:
Méréshatár: a mérőeszközzel mérhető legnagyobb értéke a mérendő mennyiségnek. Méréstartomány: a mérőeszközön leolvasható legkisebb és legnagyobb értékek közötti tartomány. Érzékenység: a mért mennyiség egységnyi megváltozásának hatására bekövetkező kitérésváltozás. É=mutatókitérés/mérendő mennyiség. Műszerállandó: az érzékenység reciproka. C=1/É Pontosság: a mért érték és a mérendő érték közötti különbség. A mérőműszereket pontossági osztályba sorolják. Reprodukálóképesség: azt fejezi ki, hogy ugyan azt a mérendő mennyiséget többször mérve a leolvasott értékek csak egy meghatározott értéken belül térnek el. Mozgékonyság: a mérendő mennyiségnek az a legkisebb változása, amely a mérőeszközzel észlelhető változást hoz létre. Állékonyság: a mérőeszköznek az a tulajdonsága, hogy egy mérendő mennyiség hatására változatlan körülmények között, huzamosabb ideig ugyanazt az értéket mutatja. Túlterhelhetőség: a mérőeszköz általi méréshatárt meghaladó értékű, még károsodás nélkül elviselhető igénybevétel. Csillapítás: a kilendülő mutató mért érték körüli lengéseinek száma.
Mérési alapgondolatok:
a hőtágulás során bekövetkező méretváltozás miatt a mérést 20 °C-on kell elvégezni, a mérést az adott alkatrészről azonos pozícióban többször el kell végezni, míg min. kétszer azonos mérési eredményt nem kapunk.
Mérési hibák
Abszolút hibák: a pontos és a mért érték közötti teljes eltérés lehet pozitív vagy negatív H absz = h valós − h mért Relatív hiba: a mérés pontosságáról ad képet, az abszolút hibát a helyes értékhez viszonyítjuk H rel = H absz − h valós Rendszeres hibák: nagyságuk, előjelük meghatározható, a mérési eredmény ezzel a hibával korrigálható, forrásai: műszerhibák (skála pontatlansága, irányváltási hiba, nullapont hiba stb.), mérőeszköz elhasználódása, kopása, hőmérséklet változása. Véletlen hibák: előforduló zavaró hibák, kellő számú méréssel és az eredmények megfelelő átlagolásával a mérés legvalószínűbb értéke meghatározható. Durva hibák:
| 1. | rosszul v. helytelenül megválasztott mérésből ered,
| 2. | több mérést elvégezve kiszűrhető.
Leolvasási hibák:
Leolvasási hiba és helytelen mérőeszköz használat
2. ábra
A leolvasási hibák elég nagy számmal vannak jelen a mérnöki tervezés területén. Egyik forrása a - gyakorlatlan mérők estében - mérőeszköz helytelen felhelyezése és leolvasása, azonban leggyakrabban kényelmi szempontok miatt kerülnek be a leolvasási hibák a mérésünkbe, azaz pl. a mérőórát leolvasva nem a skálára merőleges leolvasást alkalmazunk, hanem szög alattit, mely mérési hibát visz be a mérésünkbe.
A 2. ábra által szemléltetett méréssel több probléma is van:
1. | A mérőeszköz skálázása nem a mérőeszköz végétől kezdődik, hanem kb. 3 mm-rel beljebb, így ennek az értéknek a tudtával a mérési eredményünket korrigálni kell (leolvasott 47 mm+ 3 mm=50 mm).
2. | Nem megfelelő oldalon van a skála a mérőeszközön.
3. | A leolvasást ebben az esetben akár szög alatt fogjuk hibásan elvégezni (ld. "A" kiemelt nézet).
A helyes leolvasást, mérési módot, és mérőeszköz használatát a 3. ábra szemlélteti:
Helyes leolvasás, mérési mód és mérőeszköz használat
3. ábra
Zavaró skála
4. ábra
A 4. ábra által szemléltetett rajzon, mely a Car-O-Liner cég manuális karosszériamérését szemlélteti, olyan leolvasási hibákba ütköznek sokszor a hallgatók, mely komoly figyelmetlenségre vezethető vissza. A mérés során elhangzó ROSSZ válaszok az alábbiak voltak:
3,2 cm, 32 cm, 2,8 cm.
A helyes válasz 28 mm. Fontos szempont, hogy meggyőződjünk a mérés módjáról, ebben az esetben a skála indulásáról és a leolvasás helyéről is. A gépészmérnöki világban a kiejtett szám - pl. 42 - alatt 42 mm-ert értünk. A leghelyesebb megoldás az, amikor alkalmazzuk a mértékegységet, hiszen pl. faipari részlegen dolgozva a kimondott méretet cm-ben értik - pl. 3,2 az 3,2 cm-ert jelent, azaz 32 mm-ert.
Helytelen mérés
Mérőeszköz helytelen pozícionálása
5. ábra
A mérés során kiemelt jelentőségű a mérőeszköz helyes helyzetének biztosítása a mérendő darabra. A szög alatt álló mérőeszközön (5. ábra) történő méret leolvasása helytelen lesz. Az egyik leggyakrabban előforduló ilyen jellegű mérési hiba a tolómérővel történő mélységmérésénél jelentkezik. Azt, hogy a mérőeszköz az alsó síkra merőleges legyen, azt két fősíkon is egy helyzetben kell teljesíteni. Az 5. ábra szemléltetése alapján az előlnézeten (felső része az ábrának), a mérőeszköz szöget zár be a mérendő darabbal. Az 5. ábra felülnézetén (alsó része az ábrának) szintén szöget zár be a mérőeszköz a mérendő darabbal, így helytelen lesz a mérési eredmény, azaz többet mérünk a valóságos méretnél.
Mérőeszköz helytelen pozíciója a mérendő darabon
6. ábra
A 6. ábra olyan mérőeszköz pozícionálást szemléltet, amikor a mérőeszköz helyzete most már csak egy fősíkon nem megfelelő az 5. ábrán szemléltetetthez képest.
Helyes mérés
Mérőeszköz helyes alkalmazása
7. ábra
A 7. ábra által szemléltetett mérés a mérőeszköz helyes pozíciója miatt valós értéket fog mutatni. Ebben az esetben a két fősíkra merőleges a mérőeszköz.
A mérés módjai
Közvetlen: a mérendő mennyiségek és a mérőeszköz által megtestesített mérték közvetlenül összehasonlítható.
Közvetlen mérési mód szemléltetése
8. ábra
Mérés átalakítással:
a közvetlenül nem (vagy csak bonyolultan) mérhető mérendő mennyiséget közvetlenül (egyszerűbb) mérhető mennyiséggé alakítjuk, ezt megmérve elméleti v. tapasztalati összefüggésekkel származtatjuk.
Átalakításos mérési mód szemléltetése
9. ábra
m x = D g⋅L
D - a rugóállandó
Mérés helyettesítéssel:
a közvetlenül nem mérhető mennyiségnek egy másik, közvetlenül mérhető mennyiségre gyakorolt hatását mérjük, a mérést először az ismeretlen, majd egy ismert mennyiséggel végezzük el, a kapott eredményekből elméleti v. tapasztalati összefüggéssel származtatjuk a kérdéses mennyiséget.
Helyettesítéssel történő mérési mód szemléltetése
10. ábra
m x =m+ D g⋅L
D - a rugóállandó
Mérés kiegyenlítéssel (kompenzációs v. hídmódszeres):
a mérendő mennyiséget egy ismert mennyiséggel kölcsönhatásba hozzuk, a kölcsönhatást kiegyenlítjük.
Mérés kiegyenlítéssel
11. ábra
m x =m⋅ k k x
Mérés fontossága
A mérési ismeretek elsajátítása az alábbi szempontok miatt kiemelkedő jelentőségű:
1. | Tervezni akarok, de szükségem van a méretekre-mit mivel és hogyan mérjem?
2. | CAD-es szoftverben tudok rajzolni, méretezni-elég ennyi?
3. | A megtervezett és legyártott darab nem illeszkedik, nem működik tökéletesen- alak- és mérethelyességét ellenőriznem kell?
4. | A szerelés során az egyes alkatrészek tűrései miatt nem megfelelő a távolság- a darabokat osztályoznom kell?
5. | Az alkatrész elhasználódása során detektálni kell az esetleges rendellenességet okozó méretváltozást.
Ne feledjük az 1-10-100 elvet, mely szerint nagyságrendben a költség hiba esetén, ha a hibát:
tervezéskor vesszük észre akkor 1 USD, ha gyártáskor akkor 10 USD, piacra kikerülés esetén 1000 USD.
Önellenőrző kérdések
1. Egy testnek hány szabadságfoka van?
2. Mit jelent az etalon fogalma?
3. Ügyelni kell-e a mérőeszköz megfelelő helyzetéről a mérendő darabon?
4. Milyen mértékegységet használ a "mérnöki" világban?
5. Mit ért a mérés átalakítás definíciója alatt?