УДК 921.01

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 3.Отраслевое машиностроение

Ефремов Л. В., Кумова Ж. В.

Мурманский Государственный Технический Университет

ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА НА МЕТРОЛОГИЧЕСКУЮ НАДЕЖНОСТЬ МЕРИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

В машиностроении все большее распространение получает методика оценки исправности средств измерений, основанная на мощном критерии, названным запасом метрологической надежности (ЗМН) [1 и др.]. Он представляет собой квантиль двухпараметрического нормального распределения Z вероятности b не достижения предела погрешности h_a, учитывающий в общем случае изменение как систематической h_сп, так и случайной s_сл погрешности прибора.

(1)

В этой статье дается краткая информация о результатах оценки запаса метрологической надежности мерительного инструмента, который применяется в учебном процессе и в научной работе на кафедрах технологического профиля. Целью этой работы является оценка человеческого фактора, влияющего на достоверность измерений такими инструментами, как штангенциркули, микрометры, нутромеры и другие с регистрацией результатов линейных измерений по нониусу, электронному дисплею или по индикаторной круговой шкале. Выбор для исследования этих относительно простых СИ связан с тем, что их работоспособность в основном зависит от систематической погрешности, а случайная погрешность обычно мала по величине в отличие от других более сложных приборов. Например, если коэффициент вариации электронного твердомера по данным [1] равен 2,94/84,3 = 0,035, то у штангенциркуля он составляет не более 0,015/30 = 0,00050, т.е. в 70 раз меньше. Поэтому, на примере таких СИ было проще решать задачу, которая рассматривается далее. Алгоритм ее решения состоит из двух разделов. Первый раздел содержит постоянные исходные данные: обозначение СИ, год выпуска, класс точности, размер эталона H_a (концевые меры длины или опорный размер) и предел погрешности h_a. Второй раздел представляет собой матрицу в редакторе EXCEL выборки погрешности измерений h_i= H_i – H_a объемом N = 25, где H_i – измеряемый размер. Затем вектор погрешности h_i переносится в редактор MathCad, где вычисляется систематическая h_сп и случайная s_сл погрешности по формулам (2) и (3), а так же ЗМН Z и вероятность b по формуле (1).

	(2)
	(3)

Важно отметить, что расчеты по формуле (1) выполнялась в двух вариантах. Кроме основного расчета с учетом систематической погрешности, выполнялся расчет при h_сп = 0 для исправленной выборки.

Величина ЗМН является основным критерием оценки качества измерений, допустимые значения которого могут составлять 1.5 (b = 0.93319), 2 (b= 0.97725), 3 (b= 0.99865) или 6 (b = 1) в зависимости от назначения СИ (подробности – в работе [1]). Кроме того алгоритмы расчета содержат построение графиков распределений вероятностей, «ящиков с усами» и итоговые таблицы.

Для решения поставленной задачи о влиянии человеческого фактора на достоверность измерений был выбран относительно новый штангенциркуль ШЦ -I-200-0,02 (2007 год) с пределом погрешности 0.02 мм. Измерения были поручены выполнять трем студентам Диме, Илье и Сергею, которые не имели специального опыта измерений. Испытывались три концевых меры 30, 45 и 50 мм. Результаты расчета исследуемых показателей для эталона 30 мм приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исполнит тель	Мера, мм	Систем. погрешн	СКО	Размах	ПДП	ЗМН1	b1	ЗМН2	b2
Дима	30	0.0264	0.0099	0.04	0.02	-0.643	0.26	2.0101	0.9778
Илья	30	0.0144	0.0169	0.04	0.02	0.332	0.6302	1.1868	0.8823
Сергей	30	0.0132	0.0141	0.04	0.02	0.484	0.6857	1.4225	0.9226
Средняя	30	0.018	0.015	0.04	0.02	0.134	0.553	1.335	0.909
Дима	30	0.0264	0.013	0.04	0.08	4.02	1	6	1
Илья	30	0.0144	0.017	0.04	0.08	3.893	1	4.747	1
Сергей	30	0.0132	0.014	0.04	0.08	4.751	1	5.69	1

Таблица подтвердила существенное влияние человеческого фактора, обусловленного неопытностью и неаккуратностью исполнителей. При выполнении одних и тех же замеров одного и того же эталона, одним и тем же инструментом, но разными людьми были получены разные результаты расчета при недопустимо низком ЗМН₁ (от -0.643 до 0.484), что соответствует низким вероятностям не достижения предела погрешности b₁ (от 0.26 до 0.686). Исключение систематической погрешности несколько повысило эти показатели, но они все равно оказались ниже нормы.

Интересно отметить, что такие низкие результаты получены применительно к штангенциркулю с пределом погрешности 0.02 мм.

Причина ошибочности в измерениях кроется в известной субъективности прочтения точных результатов по нониусу (см. рис. 1), неопытностью постановки губок к поверхности эталона и др. субъективных факторов.

Если бы мы имели дело с более грубым прибором, имеющий, например, предел погрешности h_a = 0.08, то даже у этих неопытных ребят были бы получены приличные показатели измерений. Это видно из нижней части таблицы 1, поскольку их грубые измерения уложились в более грубый допуск погрешности.

Рисунок 1 Нониус штангенциркуля ШЦ -I-200-0,02

Для завершения проверки человеческого фактора эти же студенты прошли обучение и повторили измерения с помощью штангенциркуля ШЦ-III-160-0,05 (1990 года) с пределом погрешности 0.05. Результаты приведены в таблице 2, из которой видно, что обучение дало разные результаты. Лучше всего освоил измерения Дима, который получил высокий ЗМН (более 4) за счет малой систематической погрешности и СКО. На втором месте оказался Сергей, у которого ЗМН составил около 2.

Таблица 2

Исполнит тель	Мера, мм	Систем погрешн	СКО	Размах	ПДП	ЗМН1	b1	ЗМН2	b2
Дима	40	0.004	0.011	0.05	0.05	4.167	1	4.49	1
Илья	40	-0.036	0.023	0.05	0.05	0.611	0.729	2.182	0.985
Сергей	40	-0.01	0.02	0.05	0.05	1.96	0.975	2.449	0.993
все	все	-0.002	0.015	0.1	0.05	3.12	0.999	3.274	0.999

Завершить эту статью целесообразно информацией о том, что с учетом выполненных исследований авторы приступили к разработке методики обучения методам измерений с контролем практических навыков по рассмотренному критерию «запас метрологической надежности».

Литература:

1. Ефремов Л.В. Вероятностная оценка метрологической надежности средств измерений: алгоритмы и программы. — СПб. : Нестор-История, 2011. — 200 с.