Файл: Лекции по теоретической метрологии.doc

При оценке свойств индикаторами используется частный случай ранговой шкалы (альтернативная шкала), которая состоит из двух ступеней (градаций), обозначающих наличие или отсутствие того или иного свойства, либо переход этого свойства через заданное пороговое значение (рисунок 2.12).



Например, индикатор электрической фазы дает ответ на вопрос о «фазовом» или «нулевом» проводе, омметр при использовании в качестве индикатора показывает наличие или отсутствие обрыва электрической цепи, металлодетекторы – наличие или отсутствие металлических предметов и т.д. Используемый в качестве индикатора будильник сигнализирует о переходе за установленный момент времени; «размерное реле» – о выходе детали за настроенный размер, температурные краски – о превышении температуры объекта, по сравнению с фиксируемой индикатором. Индикаторы как особый вид средств измерений рассматриваются в соответствующем модуле.

Шкала физической величины в метрологической практике может воспроизводиться двояко:

– воспроизведение единицы величины, ее кратных или дольных частей для обеспечения возможности построения шкалы на любом участке (мультипликация единицы);

– воспроизведение реперных точек величины, известные разности между которыми делят на пропорциональные части, из которых формируют единицу физической величины (построение шкалы по реперам).

И один и другой методы используются для воспроизведения единицы и шкалы физической величины с помощью индивидуальных эталонов, либо эталонных установок.

Шкала значений физической величины или ее отдельные точки воспроизводятся с помощью средств измерений. Однозначные меры предназначены для хранения и воспроизведения одного значения физической величины – одной точки на шкале. Измерительный прибор снабжен шкалой измеряемой физической величины в некотором диапазоне. Эта шкала заложена в прибор опосредованно, и может воспроизводиться с помощью масштабной шкалы на выходном устройстве аналогового прибора или логической пороговой схемы у прибора с дискретным выходом.

Шкала измерительного прибора или штриховой меры является конструктивным элементом средства измерений, отображающим ограниченный участок теоретической шкалы измеряемой физической величины. В отличие от опосредованно реализованной в любом средстве измерений шкалы физической величины,

---

шкала средства измерений (прибора или штриховой меры) конкретна и характеризуется верхним и нижним пределами, ценой деления и длиной деления. В основу теоретического построения отметок кладут, как правило, прямую или круговую линию (нарисованную или воображаемую), нанося вдоль нее равномерные или неравномерные деления. Операция нанесения шкалы на средство измерений называется градуировкой и может осуществляться на основании теоретических расчетов, либо по результатам измерений физических величин, соответствующих наносимым отметкам шкалы.

Градуировкой в метрологии также называют определение градуировочной характеристики средства измерений. Градуировочной характеристикой называется зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Она может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.

Условные шкалы

Условные шкалы – шкалы, в которых не определена единица величины. К ним можно отнести шкалы порядка, применяемые для оценивания некоторых физических величин. Условные шкалы иногда называются неметрическими в отличие от шкал интервалов, отношений и абсолютных, которые используют для оценки «метризованных свойств», соответствующих полной аксиоматике числа.

Наиболее известные условные шкалы – шкалы твердости («шкалы чисел твердости»). Твердость оценивается по условным шкалам Бринелля (НВ), Виккерса (HV), Роквелла (НR) и некоторым другим.

По условной шкале Бринелля твердость измеряют, вдавливая стальной закаленный шарик (диаметром 10 мм, 5 мм, 2,5 мм) в испытуемый образец, с помощью отношения силы (нагрузки) F на шарик к площади S отпечатка, остающегося на образце:

_______

НВ = F/S = F/ [πD(D – √D² – d² )],
где D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм;

F – нагрузка на шарик, измеряемая в ньютонах (Н).

Иногда силу измеряют в единицах силы технической системы единиц (1 кгс = 9,8 H).

По условной шкале Виккерса число твердости определяют, вдавливая в испытуемый образец алмазный наконечник, имеющий форму четырехгранной пирамиды (с углом при вершине 136°), с приложением силы F от 49 Н (5 кгс) до 980 Н (100 кгс) в течение времени выдержки, например, 10 с, 15 с, 20 с. После приложения силы измеряют с помощью микроскопа длины диагоналей на отпечатке d1, d2 . Число твердости по Виккерсу определяется по формуле

---

HV = 1,854 F/2d.

где d = (d1 + d2 )/2.

В условных единицах оценивают и твердость по Роквеллу. При измерении твердости по Роквеллу стандартный наконечник (стальной шарик или алмазный конус) вдавливают с помощью прессов Роквелла в испытуемый образец под действием двух сил предварительного нагружения F0 и общего нагружения F, причем F = F0 + F1.

Пресс Роквелла имеет три шкалы (А, В, С). Измерение твердости по шкалам А и С производится путем вдавливания в образец алмазного наконечника (конус с углом 120°). При измерении по шкале А F0 = 98 Н (10 кгс), F1 = 490 Н (50 кгс), а общая сила F =588 Н. При измерении по шкале С усилие F0 = 98 Н, F1 = 1372 Н (140 кгс), F = 1470 Н (150 кгс). Для сравнительно мягких материалов используют шкалу В. В этом случае вдавливают стальной шарик диаметром 1,588 мм под действием нагрузок F0 = 98 Н, F1 = 882 Н (90 кгс), F1 = 980 H (100 кгс). Твердость по Роквеллу обозначают в зависимости от применяемой шкалы (НRА, НRВ, НRС) указанием числа твердости, которое определяется в случае использовании шкал А и С по формуле

НR = 100 – (h – h0)/0,002,

в случае использования шкалы В

НRВ = 130 – (h – h0)/0,002,

где h0 – глубина внедрения наконечника в образец под действием силы предварительного нагружения,

h – глубина внедрения наконечника в образец под действием силы общего нагружения, измеренного после снятия нагрузки F1 с оставлением предварительной нагрузки.

В России имеется специальный эталон воспроизведения твердости по шкалам НRС и НRСэ (шкала Супер-Роквелла). Для пересчета шкал НRС и НRСэ, существуют официальные таблицы. В настоящее время требования к твердости рекомендуется указывать числа по шкале НRСэ.

В связи с модернизацией российского государственного эталона твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла в разработанных во ВНИИФТРИ методических указаниях МИ 2211–92 «Государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла» было принято единое обозначение HRC (взамен HRC_э). Затем аналогичное решение было зафиксировано и в межгосударственном стандарте ГОСТ 8.064 – 94. «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла» В соответствии с этим были внесены изменения в ГОСТ 2.310 – 68 «ЕСКД. Нанесение на чертежах обозначений покрытий, термической и других видов обработки».

Для внедрения принятых решений можно руководствоваться следующими рекомендациями:

---

• 
  во вновь выпускаемой технической документации обозначать числа твердости по шкале С Роквелла пользуясь обозначением НRC;
  
• 
  в действующей конструкторско-технологической документации из обозначений HRC_э индекс «э» исключить;
  
• 
  в конструкторско-технологическую документацию, изданную до 1979 г. и не измененную в соответствии с требованиями новой версии ГОСТ 8.064, внести изменения в соответствии с таблицей в стандарте ГОСТ 8.064 – 94 и затем исключить индекс «э» из обозначения HRC_э.
  
• 
  обозначения чисел твердости HRC и HRC_э считать равнозначными.
  

Твердость некоторых веществ (элементов) по шкале Мооса

Вещество			Твердость
Наименование русское	Наименование международное	Обозначение химического элемента
Алмаз	Diamond	С	10,0
Бор	Boron	В	9,5
Хром	Chromium	Cr	9,0
Кремний	Silicon	Si	7,0
Тантал	Tantalum	Та	7,0
Вольфрам	Tungsten	W	7,0
Иридий	Iridium	lr	6,5
Рутений	Ruthenium	Ru	6,5
Германий	Germanium	Ge	6,25
Молибден	Molybdenum	Mo	6,0
Кобальт	Cobalt	Co	5,5
Марганец	Manganese	Mn	5,0
Палладий	Palladium	Pd	4,8
Железо	Iron (ferrum)	Fe	4,5
Цирконий	Zirconium	Zr	4,5
Платина	Platinum	Pt	4,3
Бериллий	Beryllium	Be	4,0
Титан	Titanium	Ti	4,0
Никель	Nickel	Ni	3,8
Мышьяк	Arsenic	As	3,5
Медь	Copper (cuprum)	Cu	3,0
Алюминий	Aluminium	Al	2,9
Серебро	Silver (argentum)	Ag	2,7
Висмут	Bismuth	Bi	2,5
Цинк	Zinc	Zn	2,5
Золото	Gold (aurum)	Au	2,5
Теллур	Tellurium	Те	2,3
Кадмий	Cadmium	Cd	2,0
Сера	Sulphur	S	2,0
Селен	Selenium	Se	2,0
Магний	Magnesium	Mg	2,0
Олово	Tin (stannum)	Sn	1,8
Кальций	Calcium	Ca	1,5
Свинец	Lead (plumbum)	Pb	1,5
Индий	Indium	In	1,2
Литий	Lithium	Li	0,6
Калий	Potassium	K	0,5
Натрий	Sodium (natrium)	Na	0,4
Рубидий	Rubidium	Rb	0,3
Цезий	Cesium	Cs	0,2

---

Для сравнения землетрясений по их силе в мире применяются различные сейсмические (условные) шкалы. Так, в России действует эмпирическая 12-балльная шкала. В ряде стран применяются эмпирические сейсмические шкалы (10-балльные и 12-балльные), отличающиеся по оценке силы землетрясений.

За последнее время в мире получила распространение сейсмическая шкала Рихтера (шкала магнитуд), основанная на оценке энергии сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. Соотношения между магнитудой землетрясения и его силой в эпицентре по шкале Рихтера зависят от глубины очага и представляются 12-балльной шкалой (предложена в 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером).

Бофорта шкала – условная шкала для визуальной оценки силы (скорости) ветра в баллах по его действию на наземные предметы или по волнению на море. Была разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 и сначала применялась только им самим. В 1874 Постоянный комитет Первого метеорологического конгресса принял шкалу Бофорта для использования в международной синоптической практике. В последующие годы шкала Бофорта менялась и уточнялась. В 1963 шкала Бофорта была принята Всемирной метеорологической организацией. Шкалой Бофорта широко пользуются в морской навигации. Ниже представлены два варианта шкал Бофорта, позаимствованные из разных источников.

Вариант представления шкалы Ф. Бофорта

Баллы/Характеристика ветра	Скорость ветра км/ч	Действие ветра
0. Штиль	Менее 1	Полное отсутствие ветра. Дым из труб поднимается отвесно
1. Тихий	2-5	Дым из труб поднимается не совсем отвесно
2. Легкий	6-11	Ощущается лицом как легкое дуновение. Слегка колеблет вымпел; листья шелестят
3. Слабый	12-19	Колеблются листья и мелкие сучья. Развеваются легкие флаги
4. Умеренный	20-28	Колеблются тонкие ветки деревьев. Ветер поднимает пыль и клочки бумаги
5. Свежий	29-38	Колеблются большие сучья. На воде появляются волны
6. Сильный	39-49	Колеблются большие ветки. Гудят телефонные провода
7. Крепкий	50-61	Качаются небольшие стволы деревьев. На море поднимаются пенящиеся волны
8. Очень крепкий	62-74	Ломаются ветки деревьев. Трудно идти против ветра
9. Шторм	75-88	Небольшие разрушения. Срываются дымовые трубы и черепица
10. Сильный шторм	89-102	Значительные разрушения. Деревья вырываются с корнем
11. Жестокий шторм	103-117	Большие разрушения
12. Ураган	Более 117	Производит опустошительные действия

---