Приложение Г (справочное). Области применения динамометров

Приложение Г
(справочное)

Области применения динамометров

Динамометры, соответствующие настоящему стандарту, могут быть применены как в качестве рабочих средств измерений силы, так и в качестве эталонов 2-го разряда по ГОСТ 8.663.

Г.1 Эталонные динамометры 2-го разряда по ГОСТ 8.663

Динамометры 2-го разряда занимают ключевое место в поверочной схеме для средств измерений силы. Именно они обеспечивают прослеживаемость и показатели точности наиболее распространенных средств измерений силы - силоизмерителей, встроенных в испытательные машины, стенды, прессы и т.п. Состояние измерений в этой области решающим образом влияет на качество и конкурентоспособность промышленной продукции, а также на безопасность эксплуатации строительных конструкций, транспортных средств, энергетических машин, авиатехники и др.

Приведенная в настоящем стандарте процедура калибровки необходима для определения доверительной погрешности эталонных динамометров 2-го разряда, границы которой установлены ГОСТ 8.663.

Г.1.1 Пример применения динамометров 2-го разряда для поверки машин для одноосных испытаний механических свойств материалов

Поверка испытательных машин

Одним из основных применений динамометров 2-го разряда по ГОСТ 8.663, откалиброванных в соответствии с настоящим стандартом, является поверка одноосных машин для испытаний материалов.

Как правило, применяют два метода поверки машины: либо на дисплее машины устанавливают номинальное значение и для измерений воспроизводимой силы используют динамометры 2-го разряда или силу увеличивают до значения, измеряемого динамометром, и регистрируют значение силы, отображенное индикатором машины. Первый метод предпочтителен. В данном пункте будет проведен анализ первого метода. Аналогичный анализ может быть проведен для второго метода.

Требуется провести не менее трех серий измерений с увеличивающейся силой и, если необходимо, также должна быть проведена одна серия измерений с уменьшением силы. При каждом значении силы вычисляют систематические погрешности и погрешность повторяемости и при необходимости погрешность гистерезиса. Погрешность нуля и разрешающая способность машины могут быть использованы для определения классификации машины.

Неопределенностью результатов калибровки машины для возрастающих сил является неопределенность, связанная с оценкой относительной систематической погрешности при каждой эталонной силе. Она основывается, как минимум, на повторяемости результатов, разрешении индикатора машины и составляющих неопределенности эталона. Эти составляющие эталона сравнения включают его неопределенность калибровки, его чувствительность к температуре, любой дрейф с момента его калибровки и любые эффекты, обусловленные аппроксимациями к уравнению интерполяции.

Неопределенность измерений систематической погрешности машины вычисляют по формуле

,

где - стандартное отклонение погрешностей при данной силе, выраженное как относительная величина;

- составляющая, обусловленная разрешающей способностью (относительное разрешение/);

- составляющая, обусловленная эталоном сравнения, представляемая выражением:

,

где - неопределенность калибровки эталона сравнения;

- неопределенность, обусловленная температурными эффектами;

- неопределенность, обусловленная сдвигом чувствительности эталона;

- эффект аппроксимирования к уравнению интерполяции.

Г.1.2 Пример калибровки динамометра

Пример калибровки динамометра, применяемого с интерполяцией только для возрастающей нагрузки на установке ЭУ-10, входящей в состав государственного первичного эталона единицы силы. В паспорте на ЭУ-10 указана расширенная относительная неопределенность (W = 0,002%).

В таблице Г.1 приведены исходные данные и рассчитанные значения по 6.5 настоящего стандарта.

Таблица Г.1 - Исходные данные и рассчитанные значения составляющих погрешности динамометра

Эталонная сила, кН	Показания динамометра, у.е.				Рассчитанные значения
					Среднее значение		Значение, рассчитанное по калибровочной характеристике	Составляющая погрешности, связанная с повторяемостью	Составляющая погрешности, связанная с воспроизводимостью	Составляющая погрешности, связанная с интерполяцией
								, %	b, %	,%
0	0,00135	0,00135	0,00135	0,00135	0,00135	0,00135	-	-	-	-
10	0,19744	0,19747	0,19774	0,19755	0,19758	0,19746	0,19745	0,015	0,152	0,0010
20	0,39355	0,39358	0,39384	0,39365	0,39368	0,39357	0,39356	0,008	0,074	0,0001
40	0,78586	0,78589	0,78617	0,78598	0,78600	0,78588	0,78585	0,004	0,039	0,0036
50	0,98203	0,98204	0,98215	0,98206	0,98208	0,98204	0,98202	0,001	0,012	0,0019
60	1,17818	1,17819	1,17828	1,17824	1,17823	1,17819	1,17821	0,001	0,008	0,0018
70	1,37439	1,3744	1,37444	1,37444	1,37442	1,37440	1,37442	0,001	0,004	0,0015
80	1,57062	1,57064	1,57065	1,57067	1,57065	1,57063	1,57064	0,001	0,003	0,0009
90	1,76689	1,7669	1,76691	1,76690	1,76690	1,76690	1,76689	0,001	0,001	0,0002
100	1,96317	1,96318	1,96318	1,96318	1,96318	1,96318	1,96316	0,001	0,001	0,0008
0	0,00136	0,00135	0,00136	0,00135	-	-	-	-	-	-
, %	+ 0,0005

- 1,96371; - 1,96510.

Полученные данные заносят в приложение MS Excel. Выбирают иконку "Мастер диаграмм" и строят график зависимости показаний индикатора от приложенной силы. В окне диаграммы щелкают правой клавишей мыши на полученном графике и в открывшемся меню выбирают пункт "добавить линию тренда", выбирают тип "полиномиальная", во вкладке "Параметры" ставят галочку рядом с пунктом "Показывать уравнение на диаграмме". В окне диаграммы появится уравнение интерполяции.

Записывают уравнение интерполяции в протокол

,

где F - сила, кН.

Вычисляют все составляющие погрешности и все составляющие неопределенности, рассчитывают расширенную суммарную неопределенность для каждой нагрузки.

Значения расширенной относительной суммарной неопределенности (доверительной относительной погрешности) и ее составляющие при каждой нагрузке приведены в таблице Г.2. Относительная стандартная неопределенность , связанная с температурой, не учитывалась, так как динамометр имеет термокомпенсацию.

Таблица Г.2 - Значения расширенной относительной суммарной неопределенности (доверительная относительная погрешность) и ее составляющих

Эталонная сила, кН	, %	, %	, %		, %		, %	, %	, %	Расширенная относительная суммарная неопределенность (доверительная относительная погрешность)
10	0,001	0,0769		0,0088	0,0021		0,0568	0,0005	0,0626	0,1920
20	0,001	0,0374	0,0044		0,0010		0,0568	0,0005	0,0293	0,1363
40	0,001	0,0199	0,0022		0,0005		0,0568	0,0005	0,0199	0,1204
50	0,001	0,0064	0,0006		0,0004		0,0568	0,0005	0,0064	0,1143
60	0,001	0,0043	0,0005		0,0003		0,0568	0,0005	0,0023	0,1139
70	0,001	0,0021	0,0004		0,0003		0,0568	0,0005	0,0006	0,1137
80	0,001	0,0016	0,0007		0,0003		0,0568	0,0005	0,0002	0,1136
90	0,001	0,0006	0,0003			0,0002	0,0568	0,0005	0,0005	0,1136
100	0,001	0,0003	0,0003			0,0002	0,0568	0,0005	0,0009	0,1136

Выбирают иконку "Мастер диаграмм" и строят график зависимости расширенной суммарной неопределенности от приложенной силы. В окне диаграммы щелкают правой клавишей мыши, на полученном графике и в открывшемся меню выбирают пункт "добавить линию тренда", выбирают тип "полиномиальная".

"Рисунок Г.1 - График расширенной относительной суммарной неопределенности (доверительная относительная погрешность)"

Из графика (см. рисунок Г.1) видно, что данный динамометр пригоден для поверки силовоспроизводящих машин с пределами относительной погрешности 1% во всем диапазоне измерений динамометра, а также для поверки силовоспроизводящих машин с пределами относительной погрешности 0,5% в диапазоне от 50 до 100 кН.

Г.2 Применение динамометров в качестве рабочих средств измерений

Динамометры, соответствующие настоящему стандарту, могут быть применены в качестве рабочих средств измерений силы.

При назначении пределов допускаемой погрешности, при проведении испытаний в целях утверждения типа, а также (при необходимости) разработки методик измерений силы следует учитывать дополнительные источники неопределенности результатов калибровки (поверки), подробно описанной в настоящем стандарте.

Г.2.1 Составляющие неопределенности рабочих средств измерений силы, подлежащие рассмотрению

Если динамометр используют после его калибровки, то неопределенность значения силы, вычисленная по его отображаемому значению, будет зависеть, в частности, от неопределенности его калибровки, но существует ряд других факторов, которые также следует рассмотреть. Эти источники неопределенности включают (но не ограничиваются этим) следующее:

- разрешающая способность;

- составляющая, обусловленная гистерезисом;

- сдвиг в чувствительности после калибровки;

- влияние использования динамометра при разной температуре;

- влияние использования при разных условиях концевого нагружения;

- влияние использования с разными паразитными элементами;

- влияние использования динамометра с разным профилем нагружения по времени;

- влияние применения линейной аппроксимации к интерполяционному уравнению;

- влияние замененного индикатора, если применимо;

- динамический характер силы, подлежащей измерению.

Если можно предположить, что ни один из этих эффектов не коррелирован, то для расчета суммарной стандартной неопределенности при каждой силе с их стандартными неопределенностями можно произвести квадратурное суммирование вместе с неопределенностью калибровки прибора. Предположение основано на допущении, что на все известные погрешности были введены поправки (например, если известна температурная чувствительность датчика). В этой связи в значение разности температур (между калибровкой и последующим использованием) либо должны быть введены поправки при вычислении силы или величина влияния должна быть добавлена к суммарной расширенной неопределенности по линейному закону, и не должно производиться суммирование с другими составляющими неопределенности.

Неопределенность разрешающей способности

Измеряемая сила выводится из новых значений изменений показаний индикатора динамометра, вызванных приложением силы. Из-за этого разрешающая способность индикатора должна быть включена опять таким же образом, как изложено в В.1. Если показания отклоняются более чем на разрешение индикатора, то разрешение берется как половина диапазона колебаний.

Вычисление составляющей, обусловленной гистерезисом

Составляющая погрешности, связанная с гистерезисом, не рассматривается как составляющая неопределенности калибровки. Способ ее учета будет зависеть от того, как прибор используется после его калибровки.

Если прибор применяют только для увеличивающихся нагрузок, то не требуется включать в неопределенность измеряемой силы составляющую, обусловленную гистерезисом. Однако если проводят измерения уменьшающихся значений силы без поправок на результаты калибровки, то в неопределенности измеряемой силы необходимо учесть гистерезис путем введения нижеследующей составляющей:

,

где v - относительная погрешность, связанная с гистерезисом.

Эта составляющая обусловлена исключительно результатами калибровки, и поэтому может быть указана в сертификате о калибровке прибора. При необходимости она может быть также добавлена в уравнение к составляющим неопределенности калибровки для получения расширенной неопределенности калибровки, которая включает гистерезис.

Характеристики гистерезиса конкретного динамометра, как правило, весьма повторяемы. Из-за этого, если измерения уменьшающихся нагрузок проводят после приложения максимальной эталонной силы, может оказаться более эффективным внесение корректив на основе калибровочных данных вместо того, чтобы вводить все влияние гистерезиса как составляющую неопределенности.

Сдвиг чувствительности после калибровки

Эта составляющая может быть оценена по предыстории чувствительности динамометра, основанной на прошлых результатах калибровки. Точное распределение неопределенности (и, возможно, даже оцененная коррекция погрешности) будет зависеть от отдельного динамометра, но предлагается прямоугольное распределение с расширенной неопределенностью наибольшее предыдущее изменение между двумя соседними калибровками. Если такая информация недоступна, то оценка может быть основана на предыстории эксплуатационных характеристик подобных динамометров.

Влияние температуры

Влияние температуры на нулевой сигнал на выходе может быть проигнорировано, так как вычисление отклонения обычно показывает его незначительным (за исключением тестов большой продолжительности, в течение которых температура окружающей среды значительно меняется), но должно быть учтено влияние температуры на чувствительность (или диапазон). Если известна фактическая температурная чувствительность прибора, то в идеале должна быть сделана поправка к вычисленной силе. Если существует информация только о допуске, установленном производителем, то должна быть применена составляющая неопределенности на основе этой цифры и разница в температуре между калибровкой прибора и его последующим применением с рекомендованным прямоугольным распределением. Тем не менее коэффициент (или допуск) обычно дается для стабилизированной температуры без какого-либо градиента, если динамометр применяют в условиях влияния температурных градиентов, то должна быть введена дополнительная составляющая неопределенности.

Влияние концевого нагружения

Испытание подушки подшипника позволяет судить о чувствительности сжатия динамометра для указанных изменений в условиях концевого нагружения. Результаты этого испытания, а также информация об условиях, в которых в будущем будут использованы динамометры, позволят оценить реалистичные составляющие неопределенности для применения при сжатии. Для динамометров, которые будут работать на растяжение, может оказаться необходимым выполнение дополнительных тестов для определения чувствительности к возможным изменениям при введении силы.

Влияние дополнительных составляющих

Составляющая воспроизводимости, включенная в неопределенность калибровки, является по В.1 действительной только для среднего из трех измерений, сделанных на калибровочной машине. Дополнительные составляющие, большие, чем применяемые в процессе калибровки, как правило, учитывают в период последующего использования динамометра.

Влияние времени нагружения

Метод калибровки динамометра и его последующее применение для поверки соосной (одноосной) испытательной машины (как указано в [1]) определяет разные профили нагружения по времени (ожидание около 30 с перед снятием показании или допускает калибровку с медленно нарастающей силой). Если датчик чувствителен к влияниям нагружения по времени, эти разные методики могут привести к ошибкам в вычисленной силе. Составляющие неопределенности от ползучести и дрейфа нуля в бюджете неопределенности калибровки будут до некоторой степени охватывать эти эффекты, но может потребоваться дополнительная составляющая неопределенности в зависимости от конкретного приложения.

Также следует быть внимательными, если предварительная нагрузка не может быть приложена до использования динамометра, в частности, если она должна быть применена в обоих режимах нагружения, то есть от растяжения к сжатию, или наоборот.

Использование уравнения интерполяции, отличающегося от полученного при калибровке

Если уравнение калибровки, приведенное в сертификате, не применяют, должна быть добавлена составляющая, основанная на различии между уравнением калибровки, и уравнением, которым пользуются на практике.

Некоторые индикаторы позволяют ввести ряд точек из калибровочной кривой, с тем чтобы дисплей выдавал показания в единицах силы, но между этими точками будет выполняться линейная интерполяция, а не применяться уравнение калибровки. Если это так, то необходимо исследовать влияние этого линейного приближения на кривую и, если оно окажется значительным, следует ввести составляющую неопределенности.

Влияние замены индикатора

Если датчик силы будет использован не с тем индикатором, с которым он был откалиброван, то следует определить расхождение между двумя индикаторами (есть несколько методов, например, калибровка обоих индикаторов, использование общей мостовой модели) и оценить неопределенность этого отклонения (в том числе такие факторы, как неопределенность калибровки индикатора, стабильность общей модели моста).

Если внесены поправки, основанные на измеренном отклонении между двумя индикаторами, то должна быть принята во внимание неопределенность этого отклонения. Если никакие поправки не внесены, то необходимо рассмотреть как отклонение, так и его неопределенность.

Неопределенность калибровки

Неопределенность калибровки представляет собой половину значения расширенной неопределенности, вычисленной в приложении В с использованием уравнения расширенной неопределенности.

Влияние динамической силы

Если датчик используют в динамических условиях, то следует принять во внимание дополнительные составляющие. Например, частотные характеристики преобразователя силы и индикатора, взаимодействие с механической структурой могут оказать сильное влияние на результаты измерений. Это требует детального анализа динамического измерения, которое здесь не рассмотрено.