автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование способов определения метрологических характеристик силоизмерительных приборов в диапазоне до 500 кН

УДК 006

На правах рукописи

Теплых Александр Николаевич $¡{¿£/1^'

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ В ДИАПАЗОНЕ ДО 500 кН

05.11.15 - «Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2009

003481312

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Уставич Георгий Афанасьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Данилевич Сергей Борисович;

кандидат технических наук, доцент Лизунов Виктор Дмитриевич.

Ведущая организация - ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт метрологии», г. Новосибирск.

Защита состоится 19 ноября 2009 г. в 16.30 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, Плахсггного, 10, СГГА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 15 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета . ' Симонова Г.В.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 09.10.2009. Формат 60*84 1/16. Усл. печ. л. 1,34. Уч.-изд. п. 0,99. Тираж 100 экз. Заказ ЮО

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 10.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. В начале XX в. развитие промышленности индустриального СССР потребовало решения задач по метрологическому обеспечению измерений силы и массы. Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева к 1970 г. были созданы эталонные силоизмерительные машины и динамометры. После проведения исследований Государственным комитетом СССР по стандартам в 1972 г. был утвержден Государственный первичный эталон единицы силы. Данная Государственная поверочная схема применяется и в настоящее время в Российской Федерации.

Большой вклад в развитие метрологического обеспечения измерений силы и массы внесли отечественные ученые и ведущие специалисты, такие как Бошерницан Е.С., Вишенков A.C., Герасимов Н.С., Максимов JI.M., Назарен-ко A.B., Петров В.П., Смолич С.А., Совертков А.И., Токарь Н.Г., Цибин Г.И., Чаленко Н.С., Черепанов В.Я. и др.

В настоящее время повышение точности измерений массы и силы потребовалось в нефтяной, газовой промышленности и других отраслях народного хозяйства, где были разработаны приборы для определения натяжения стальных канатов, особенно при бурении и капитальном ремонте скважин и других работах. Примером таких приборов являются так называемые «индикаторы веса» (в дальнейшем - ИВ). Дня обеспечения точности и правильности результатов измерений эти приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые в свою очередь также должны быть аттестованы и поверены. Однако при поверке учитываются только предельно возможные, для данного класса точности, погрешности. Реальные же градуировочные характеристики ИВ могут существенно различаться между собой. Поэтому требуется дальнейший анализ для выявления предельных отличий погрешностей измерений ИВ различных модификаций.

Для обеспечения достоверности результатов измерений машины типа МР-500 подвергаются поверке с помощью эталонных динамометров третьего разряда, которые в свою очередь аттестовываются на эталонных силоизмери-тельных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и приборная сложность систем, а также наличие субъективной погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения различных средств поверки типа гирь и их транспортированием, при соблюдении требуемой точности и диапазонов измерений.

Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию всех процессов метрологического обеспечения средств измерений (СИ), а также на автоматизацию испытаний различных образцов металлоконструкций. Повышение требований к точности измерений ведет к дальнейшему усовершенствованию конструкций испытательных машин. В связи с этим возникает задача создания универсальных способов проведения испытаний раз-

личных образцов металлоконструкций с применением электронно-цифровой техники, которая исключает субъективные погрешности И обеспечивает высокую точность измерений, например, при слежении за деформацией объектов. При этом способы должны учитывать особенности различных типов силоизме-рительных машин и испытательных установок. Поэтому разработка способов поверки СИ и методик проведения испытаний различных металлоконструкций с использованием цифровых систем регистрации результатов измерений является актуальной задачей определения метрологических характеристик при измерении силы.

Целью диссертационной работы является:

- разработка и исследование способов измерения величины растяжения (сжатия) сИлоизмерительных элементов динамометров, используемых в качестве эталонов для поверки испытательных машин, исключающих субъективную погрешность в результатах измерений;

- исследование способов уменьшения погрешности измерений ИВ, используемых в нефтегазовой промышленное™ для определения натяжения стальных канатов при бурении й капитальном ремонте скважин;

- разработка новых методик поверки СИ для аттестации приборов.

Основные задачи исследования. Указанная цель достигается путем решения следующих задач:

- разработки теоретической основы новых методик определения величины деформации методом высокоточного геометрического нивелирования с применением цифровых нивелиров;

- разработки и исследования способов определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров с помощью цифровых нивелиров;

- разработки предложений по совершенствованию Государственной поверочной схемы для СИ силы;

- разработки автоматизированной системы для определения метрологических характеристик мер силы с применением цифровых устройств; ,

- разработки способа аттестации мер силы с помощью высокоточных СИ длины;

- анализа погрешностей измерений приборов с помощью сличения различных образцов металлоконструкций, используемых для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов с целью установления реальных погрешностей результатов измерений;

- разработки методики поверки и аттестации ИВ.

Научная новизна выполненной работы состоит в том, что впервые:

- предложены способы определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров и эталонов сравнения (мер силы) с помощью цифровых нивелиров, исключающих субъективную погрешность в результатах измерений;

- разработана автоматизированная система определения метрологических характеристик мер силы и эталонов сравнения с применением цифровых устройств и возможностью сохранения данных на карте памяти USB;

- разработан высокоточный способ калибровки при определении величины деформации различных образцов металлоконструкций с применением лазерной интерферометрической измерительной системы;

- предложены новые научно обоснованные методы передачи размеров единицы силы от эталонов первого разряда для внесения в Государственную поверочную схему.

Теоретическая значимость. Предложен обобщенный алгоритм воспроизведения и передачи значений единицы силы, связывающий параметры единицы массы, длины и времени. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при совершенствовании Государственной поверочной схемы для средств измерений силы и разработке новых методик аттестации эталонов с применением высокоточных измерителей линейных перемещений.

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате проведенного анализа измерительных устройств с помощью способов сличения различных образцов металлоконструкций, используемых в нефтегазовой промышленности для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин, было доказано, что при всех своих функциональных возможностях электронные ИВ существенно уступают в достоверности результатов измерений по сравнению с гидравлическими аналогами, что заметно продлевает эксплуатационный ресурс последним. Результаты экспериментальных работ, выполненных с помощью предлагаемых способов, показывают возможность их использования для определения метрологических характеристик силоизмерителышх элементов эталонных динамометров, эталонов сравнения (мер силы) и при испытании образцов металлоконструкций с применением цифровых нивелиров. Предложен метод совершенствования Государственной поверочной схемы для СИ силы (ГОСТ 8.065-85).

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются существующие средства измерений силы (ИВ, стандартные меры силы, эталоны сравнения), предметом - способы измерения, воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы.

На защиту выносятся:

- способы определения метрологических характеристик силоизмеритель-ных элементов эталонных динамометров и эталонов сравнения (мер силы), исключающие субъективную погрешность в результатах измерений;

- автоматизированная система определения метрологических характеристик мер силы и эталонов сравнения с применением цифровых устройств и возможностью сохранения данных на карте памяти USB;

- высокоточный способ калибровки при определении величины деформации различных образцов металлоконструкций с применением лазерной интерферометрической измерительной системы;

- новые научно обоснованные методы передачи размеров единицы силы от эталонов первого разряда для внесения в Государственную поверочную схему.

Реализация результатов работы. Разработанные способы при непосредственном участии автора применялись при определении величины деформации

различных образцов металлоконструкций в ЗАО «НерудЗапсиб» и ЗАО «Инженерный центр». Предложенные способы применялись при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров третьего разряда в ФГУ «Новосибирский ЦСМ». Разработанные способы определения величины растяжения (сжатия) эталонных динамометров, образцов металлоконструкций с применением цифрового нивелира внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ», ЗАО «НерудЗапсиб», ЗАО «Инженерный центр». Разработанная методика поверки ИВ внедрена в учебный процесс ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет» и производственный ФГУ «Новосибирский ЦСМ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск, 2006 г.); III Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007 г.); XI Международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости» (Португалия, 2007 г.); IV Международном научном конгрессе «Г'ЕО-Сибирь-2008» (Новосибирск, 2008 г.); V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2:009» (Новосибирск, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 научных работ (из них 6 в соавторстве, 2 - в рецензируемых изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, двенадцати приложений и списка использованных источников. Работа изложена на 152 страницах (из них 33 - приложения), содержит 36 таблиц, 53 рисунка. Список использованных источников включает 53 наименования.

Основное содержание работы

В первом разделе диссертации рассмотрено современное состояние методов и средств измерения, воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы и их метрологических характеристик.

Определенная в технической системе единица силы 1 кг выбрана в соответствии с силой тяжести в гравитационном поле Земли. Единица измерения силы получила собственное наименование - «ньютон» (1 Н = 1 кг ■ м • с'2). Уравнение измерения силы явилось основой при создании государственного первичного эталона единицы силы (ГОСТ 8.065-85).

Широкий спектр существующих методов и средств измерения воспроизведения, передачи и обработки результатов измерений единицы силы и их метрологических характеристик не позволяет полностью отразить индивидуальные особенности каждого в рамках данной работы. Основное внимание уделено современному состоянию способов поверки ИВ, испытательных машин и эталон-

ных динамометров третьего разряда, представляющих повышенный интерес в современных условиях развития метрологического обеспечения СИ.

Во втором разделе рассмотрены наиболее распространенные в нефтегазовой промышленности ИВ, используемые для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин. Широкий спектр номенклатуры продукции, выпускаемой отечественной и зарубежной промышленностью, обусловил создание ряда индивидуальных средств поверки для отдельных типов ИВ. Это связано с особенностями конструкций и условиями эксплуатации.

Как видно из обзора, все устройства используют визуальные способы регистрации показаний, поэтому не исключают субъективной погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием оператора.

В настоящее время в нефтегазовой промышленности преобладающие место для измерений и регистрации усилий натяжения стальных канатов занимают ИВ ГИВ6-М2 и ИВЭ-50. Гидравлические ИВ постепенно уступают свои лидирующие позиции современным электронным ИВ, так как последние обладают множеством функциональных преимуществ. Во время калибровки нескольких электронных и гидравлических приборов было обнаружено, что у электронных ИВ погрешности носят хаотичный характер и в ряде случаев превышают установленные в паспорте прибора, в отличие от гидравлических ИВ, между погрешностями измерений которых существует определенная закономерность. Эти недостатки выявлены при проведении анализа погрешностей приборов при помощи разрывной машины МР-500, имеющих одинаковую предельную погрешность измерений, но отличающихся принципом определения силы.

При повышении требований к точностным характеристикам средств измерений, используемых в нефтегазовой промышленности, и ужесточении требований к периодичности аттестации приборов, существующая технологическая последовательность поверки гидравлических ИВ явно не пригодна, так как не дает четких однозначных результатов определения погрешностей ИВ.

Машины гидравлические разрывные предназначены для статических испытаний на растяжение и изгиб при нормальной температуре стандартных образцов металлов и образцов сварных соединений. Наибольшая предельная нагрузка машины типа МР-500 порядка 500 кН. Предел допускаемой погрешности измерений нагрузки при нагружении не превышает ±1 %. Машины типа МР-500 используются в качестве эталона для поверки ИВ и динамометров.

Поверку разрывных машин типа МР-500 производят с помощью эталонных динамометров третьего разряда типа ДОРМ-3 и ДОСМ-3. Предел допускаемой основной погрешности показаний от наибольшего диапазона измерений не превышает ±0,5 %. Динамометр растяжения ДОРМ-3 представляет собой упругое стальное цилиндрическое тело с механическим измерительным индикатором часового типа и переходными элементами - резьбовыми шпильками, соединенными с упругим элементом при подготовке к работе и фиксируемыми контргайками при нагрузке, превышающей наибольший предел измерений на

10 %. В свою очередь, динамометр сжатия ДОСМ-3 представляет собой упругое стальное цилиндрическое тело с механическим измерительным индикатором часового типа и стальными опорами. Отсчет показаний динамометров ведется в условных единицах - делениях шкалы индикатора часового типа. При поверке динамометров составляются таблицы номинальных значений силы в делениях часового индикатора, которые используются при поверке испытательных машин и стендов.

Эталонные динамометры третьего разряда аттестовываются на эталонных силоизмерительных машинах второго разряда. Однако очевидными недостатками данных способов поверки являются: технологическая и приборная сложность систем, а также наличие погрешности измерений, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием поверителя. Под технологической сложностью системы понимаются инструментальные и организационные трудности в проведении поверки, вызванные необходимостью применения различных средств поверки типа гирь и их транспортированием при соблюдении требуемой точности и диапазонов измерений. При использовании двух поверочных схем возникают определенные трудности в удобстве их использования, в связи с чем возникает необходимость в разработке способов определения величины растяжения (сжатия), которые включают в себя совместное использование эталонных динамометров и цифровых систем регистрации результатов измерений с дистанционным съёмом информации и записью её на карте памяти USB.

Таким образом, создание дистанционных способов определения метрологических характеристик силоизмерительных приборов направлено на автоматизацию процессов поверки СИ в лабораторных условиях. Однако существующая Государственная поверочная схема не устанавливает взаимосвязь эталонных СИ силы с дистанционными измерителями линейных перемещений для осуществления возможности заимствования СИ из других поверочных схем. Поэтому была поставлена задача по разработке предложений по совершенствованию Государственной поверочной схемы для СИ силы. К недостаткам Государственной поверочной схемы необходимо отнести: отсутствие единого критерия сопоставления результатов, полученных на различных динамометрах, отсутствие динамометров второго разряда, а также отсутствие взаимосвязи эталонных машин второго разряда с динамометрами третьего разряда в диапазоне до 300 кН, что, в свою очередь, нарушает единство измерений. Суммируя вышесказанное, отметим, что существует необходимость в выработке технических решений по совершенствованию методик измерений силы и массы, что имеет важное значение для метрологии.

В третьем разделе предложены способы определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров с помощью цифрового нивелира. Разработаны и исследованы в лабораторных условиях установки с применением высокоточного цифрового нивелира типа Trimble DiNi 0.3, который позволяет измерять перемещения чувствительного элемента с погрешностью измерений линейных величин ±0,01 мм. Измерения производятся в автоматическом режиме и все операции, связанные с обработ-

кой их результатов, имеют возможность сохранения данных на карте памяти USB. Это исключает возможность возникновения субъективной погрешности в результатах измерений.

При реализации способов определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров цифровым нивелиром необходимо соблюдать нормальные условия измерений:

- диапазон температуры окружающего воздуха (20 ± 5) °С, при этом изменение температуры в процессе поверки не более 0,5 °С;,

- величина относительной влажности воздуха не более 80 %.

При определении величины растяжения (сжатия) эталонных динамометров необходимо получение информации о значениях растяжения (сжатия) динамометров в различных точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины. Принципиальная схема способов определения метрологических характеристик эталонных динамометров цифровым нивелиром представлена на рисунке 1. На эталонной силоизмерительной машине второго разряда 1 закрепляется в захваты динамометр растяжения 2 или устанавливается на катковую опору машины динамометр сжатия 3. Затем на жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на расстоянии от исследуемого оборудования не менее 2 м (данные паспорта нивелира). Была разработана методика определения метрологических характеристик методом высокоточного геометрического нивелирования цифровым нивелиром. Данная методика включала: выбор точности измерений, предела измерений, быстроты измерений и продолжительности цикла измерений. Точность измерений зависит от расстояния до предмета измерений, выбранной программы измерений и влияния внешних условий. В зависимости от поставленной задачи измерений могут применяться различные программы наблюдений.

Рисунок 1 - Принципиальная схема способов определения метрологических характеристик эталонных динамометров цифровым нивелиром

Программа А. Сущность данной программы состоит в том, что измерение перемещений производится путем однократного «взятия отсчета». Под одно-

кратным взятием отсчета понимается взятие отсчета по рейке путем однократного визирования на рейку и однократного нажатия на кнопку «пуск» нивелира. При этом необходимо отметить, что нивелир представляет на цифровом табло отсчет, состоящий из ста независимых отсчетов. После взятия ста отсчетов происходит их осреднение с последующей выдачей его на табло. Отсчет, взятый по рейке, при неизменном положении нивелира будет являться горизонтом нивелира. В начале необходимо произвести исходный отсчет по штрих-кодовой стороне рейке 0| Затем через определенный временной интервал после изменения нагрузки берется повторный отсчет Ог по рейке. Таких операций производится п число раз в зависимости от условий применения (величины нагрузки силоизмерительной машины). Отметим, что при необходимости взятие отсчетов производится в обратной последовательности.

В тех случаях, когда по производственным условиям возникает необходимость измерения перемещений в двух пунктах, необходимо применять программу Б. С помощью этой программы измерение перемещений чувствительного элемента можно производить последовательно в двух пунктах. Взятие отсчета и осреднение производятся аналогично программе А.

После этого на подвижной траверсе эталонной машины с помощью металлической скобы 4 закрепляется штрих-кодовая рейка 5. Затем силоизмерительной машиной создается усилие натяжения (сжатия). Взятие отчетов по рейке нивелиром 6 производится через определенные интервалы (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой силоизмерительной машины). При использовании других силоизмерительных машин диапазон измерений может быть любым. При максимальном растяжении (сжатии) эталонных динамометров отсчет нивелиром снимается дважды при прямом и обратном ходе силоизмерительной машины. Затем в этом же диапазоне производится разгружение машины до начального измерения со снятием отсчета по рейке цифровым нивелиром в каждой точке диапазона и записью в его памяти. По окончанию эксперимента результаты измерений сохраняются на карте его памяти USB.-

Представленная методика измерений может применяться при определении метрологических характеристик мер силы и при испытании различных строительных конструкций.

Для получения результатов измерений заданной точности, цифровой нивелир должен применяться аттестованным в комплекте со штрих-кодовой рейкой.

Величина растяжения (сжатия) эталонных динамометров и различных образцов металлоконструкций рассчитывается по формуле:

А/ = Nt-N2, (1)

где yV, - показания нивелира при максимальном растяжении (сжатии) эталонных динамометров (металлоконструкций), мм;

М2 - показания нивелира при минимальном растяжении (сжатии) динамометров (металлоконструкций), мм.

Субъективная погрешность оператора и погрешность гистерезиса чувствительного элемента динамометра рассчитываются по формуле:

= (2)

где кн1 - показания нивелира в /-Й точке измерения, задаваемой силоиз-мерительной машиной при нагружении, мм;

/г., - показания нивелира в /-й точке измерения, задаваемой силоиз-мерительной машиной при разгружении, мм.

В таблице 1 показаны результаты испытаний эталонного динамометра ДОРМ третьего разряда на растяжение. На основании полученных результатов строится график субъективной погрешности оператора и погрешности гистерезиса динамометра (рисунок 2).

Таблица 1 - Показания приборов при испытании эталонного динамометра на растяжение

Показания эталонной машины второго разряда Р, кН Показания цифрового нивелира, Н, мм Величина растяжения эталонного динамометра третьего разряда, di, мм

Нагрузка Разгрузка Нагрузка Разгрузка

50 481,57 481,62 2,89 2,84

100 482,04 482,02

150 482.37 482.43

200 482,67 482,76

250 482,96 483,08

300 483,27 483,38

350 483,57 483,65

400 483,85 483,93

450 484,17 484,22

500 484,46 484,46

485 !

484 Г

1483+2 ;

X 482-1481 ]_ 480

■ "_

■■-■К.

- ■_

Показания нивелира при нагрузке машины Показания нивелира "при разгрузке машины

к'?;

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Р, кН

Рисунок 2 - График субъективной погрешности оператора и погрешности гистерезиса динамометра

Из полученных результатов исследования эталонного динамометра на растяжение можно сделать следующий вывод: во всех точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины при прямом и обратном ходах цифровым нивелиром были выявлены субъективная погрешность оператора и погрешность гистерезиса чувствительного элемента динамометра.

В таблице 2 представлены результаты испытаний эталонного динамометра ДОСМ третьего разряда на сжатие. На основании полученных результатов изображается график субъективной погрешности оператора и погрешности гистерезиса динамометра (рисунок 3).

Таблица 2 - Показания приборов при испытании эталонного динамометра на сжатие

Показания Показания Величина сжатия

эталонной цифрового эталонного

машины второго нивелира, динамометра трегьего

разряда II, мм разряда,

Р, кН л1, мм

Нагрузка Разгрузка Нагрузка Разгрузка

5 540,65 540,53 3,73 3,85

10 541,06 541,11

20 541,86 542,09

30 542,72 542,93

40 543,50 543,60

50 544,38 544,38

545 544

543

1 542 .541

Х 540

539 538

•ад:

—^

_

-'<;' V У:

_Г_

______

ю

20 30

Р, кН

40

50

Показания нивелира ' при нагрузке машины Показания нивелира ~ при разгрузке машины

Рисунок 3 - График субъективной погрешности оператора и погрешности гистерезиса динамометра

На основании полученных результатов исследования эталонного динамометра на сжатие можно сделать следующий вывод: во всех точках исследуемого диапазона эталонной машины при прямом и обратном ходах цифровым нивелиром были выявлены субъективная погрешность оператора и погрешность гистерезиса чувствительного элемента динамометра.

Результаты измерений наглядны и могут быть записаны в цифровые карты памяти USB измерительных устройств для учета действительных погрешностей измерений.

Предложенным методом были проведены исследования образцов арматурной стали на растяжение. При определении растяжения арматурной стали необходимо получение информации о значениях её растяжения в различных точках исследуемого диапазона разрывной машины. Принципиальная схема способа определения растяжения образца арматурной стали цифровым нивелиром представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная схема способа определения растяжения образца арматурной стали цифровым нивелиром

В зажимах разрывной машины 1 закрепляется исследуемый образец арматурной стали 2. На жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на расстоянии от разрывной машины не менее 2 м. При выполнении нивелирования применялась программа наблюдений А. На подвижной траверсе гидравлической машины с помощью металлической скобы 3 закрепляется штрих-кодовая рейка 4. Машиной типа МР-200 создается усилие натяжения. Отсчет по рейке цифровым нивелиром 5 производится через каждые 10 делений разрывной машины с записью результатов измерений в его памяти. Эти действия продолжаются до максимальной нагрузки разрывной машины, интересующей точки исследуемого диапазона или момента разрыва исследуемого образца. По окончании эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти USB. Величина растяжения исследуемого образца арматурной стали рассчитывается по формуле (1) или по кривой Гука, полученной из результатов измерений (рисунок 5).

За максимальное растяжение образца арматурной стали принимался момент разрыва. При этом на циферблате разрывной машины регистрировались показания в килоныотонах.

Предел текучести

Предел прочности _ х

Предел упругости

Предел пропорциональности

40 60 80 100 120

Р, кН

Рисунок 5 - Деформация образца арматурной стали при нагружении разрывной машины

Аналогичным образом проведены испытания образца сварной металлоконструкции на изгиб. Принципиальные отличия от вышерассмотренного исследования состоят в том, что в качестве исследуемого образца использовалась сварная металлоконструкция и разрывной машиной создавалось усилие сжатия. Принципиальная схема способа определения стрелы прогиба /образца сварной металлоконструкции нивелиром представлена на рисунке 6.

Рисунок б - Принципиальная схема способа определения стрелы прогиба/

образца сварной металлоконструкции нивелиром: 1 - подвижная траверса разрывной машины; 2 - исследуемый образец сварной металлоконструкции; 3 - штрих-кодовая рейка; 4 - цифровой нивелир

За максимальный прогиб образца сварной металлоконструкции принимался момент излома. При этом на циферблате разрывной машины регистрировались показания в килоньготонах.

По аналогии проведены испытания образца металлической трубы на сжатие. Принципиальная схема способа определения процесса сжатия металлической трубы цифровым нивелиром представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Принципиальная схема способа определения процесса сжатия металлической трубы цифровым нивелиром: 1 - подвижная траверса разрывной машины; 2 - исследуемый образец металлической трубы; 3 - штрих-кодовая рейка; 4 - цифровой нивелир

За максимальное сжатие образца металлической трубы принимался момент визуальной деформации. При этом на циферблате разрывной машины регистрировались показания в килоныотонах.

Аналогичным образом проведены испытания стального каната на растяжение. Для определения величины растяжения стального каната применялась такая же технология, как и рассмотренная ранее при определении растяжения образца арматурной стали. Принципиальное отличие состоит в том, что в качестве исследуемого образца использовался стальной канат.

Таким образом, предложенные способы позволяют непосредственно на предприятии арестовывать эталоны сравнения (меры силы) и стандартные образцы металлоконструкций. Данные способы позволяют получить достоверные результаты исследований, застрахованные от субъективной ошибки, а также возможного их умышленного изменения. Сущность предложенных способов состоит в том, что исходные метрологические данные, полученные нивелиром в автоматическом режиме без участия наблюдателя, хранятся на карте памяти USB в контролирующей организации. В случае возникновения аварийной ситуации, с целью установления причин аварии, карта памяти USB является подтверждающим документом достоверности проведения метрологических измерений. Кроме этого, на данной карте памяти USB могут записываться результаты поверки СИ.

Для хранения результатов освидетельствования эталонов сравнения и металлоконструкций в течение длительного периода времени в карте памяти USB предусмотрена база данных.

Экранная форма базы данных приведена на рисунке 8.

3

Таким образом, в результате проведенного экспериментального исследования было показано, что данные способь1 определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров, эталонов сравнения и образцов металлоконструкций могут быть применены на различных силоизмерительных машинах и испытательных установках.

При определении метрологических характеристик эталонов сравнения или опытных образцов часто необходимо получение информации об их развитии в различных точках исследуемого диапазона разрывной машины в процессе исследования во времени. Предложена принципиальная схема автоматизированной системы определения деформации опытных образцов (рисунок 9). На разрывной машине А закрепляется опытный образец в захваты или устанавливается на катковую опору. Затем в пункте Б на жестком основании устанавливается высокоточный цифровой нивелир на определенном расстоянии от исследуемого оборудования. При выполнении нивелирования применяется программа наблюдений А. На подвижной траверсе разрывной машины с помощью металлической скобы закрепляется штрих-кодовая рейка В. Далее в пунктах Г, Д, Е, Ж на твердом основании и необходимой высоте устанавливаются цифровые фотоаппараты. После этого создается усилие натяжения (сжатия). Взятие отчетов по рейке нивелиром и фиксация процесса деформации цифровыми фотоаппаратами производятся через определенные интервалы (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой разрывной машины) с записью в памяти используемых цифровых устройств. Эту информацию регистрируют до максимальной нагрузки машины, интересующей точки исследуемого диапазона или момента разрыва (излома) опытного образца. Для наблюдения процесса деформации опытных образцов в динамике цифровые фотоаппараты используются синхронно в режиме видеосъемки. По окончанию эксперимента результаты измерений и полученная фотосъемка сохраняются на карте памяти USB.

Рисунок 9 - Вид сверху принципиальной схемы автоматизированной системы определения деформации опытных образцов

Сущность данной технологии состоит в том, что в дополнение к цифровому нивелиру измерения выполняются, фиксируются и хранятся с применением цифровых фотоаппаратов. Алгоритм вычисления метрологических характеристик мер силы в автоматизированной измерительной системе приведен на рисунке 10.

Рисунок 10 - Алгоритм вычисления метрологических характеристик мер силы: / - величина деформации, м; т — прикладываемая нагрузка, кг; ! - время, с; Р - сила, Н

На рисунке 11 представлены цифровые снимки, на которых изображен опытный образец до проведения испытаний и после нагружения.

Рисунок 11 - Начало и развитие процесса деформации опытного образца

Таким образом, можно сделать вывод, что применение цифровых фотоаппаратов позволяет определять даже малейшее изменение вида и формы исследуемого объекта. Данные цифровые снимки являются дополнением к результатам, полученным цифровым нивелиром. Снимки дают визуальное представление о характере деформационных процессов, а цифровой нивелир показывает её линейную величину в зависимости от нагрузки.

В тех случаях, когда необходимо определить начало или ход деформационных процессов с дискретностью 0,001 мм, в качестве измерителя перемещений предлагается использовать лазерный интерферометр.

Интерферометр может выполнять две задачи:

- поверку штрих-кодовых реек в комплексе с цифровым нивелиром;

- выполнение собственно измерений при определении метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров и эталонов сравнения. При реализации данного способа должны соблюдаться жесткие параметры нормальных условий (температура, давление, влажность).

При аттестации эталонных мер силы необходимо получение информации о значениях данных мер в различных точках исследуемого диапазона силоиз-мерительной машины. Принципиальная схема способа определения деформации опытных образцов лазерным интерферометром приведена на рисунке 12. На разрывной машине 1 закрепляется опытный образец 2 в захваты или устанавливается на катковую опору 3. Затем на жестком основании устанавливается лазерный интерферометр 7 на определенном расстоянии от исследуемого оборудования. После этого в измерительном плече устанавливаются призма 5 и два уголковых отражателя 4 и 6. Перед началом пуска силоизмерительной машины включается ПК и запускается программное обеспечение интерферометра. Измерение длины опытного образца интерферометром производится через определенные интервалы (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой разрывной машины). Эти действия продолжаются до максимальной нагрузки машины, интересующей точки исследуемого диапазона или момента разрыва (излома) опытного образца. По окончанию эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти USB.

Рисунок 12 - Принципиальная схема способа определения деформации опытных образцов лазерным интерферометром

Таким образом, данный способ аттестации эталонных мер силы позволяет получить достоверные результаты исследований, застрахованные от субъективной ошибки, а также возможного их умышленного изменения. Сущность предложенного способа состоит в том, что лазерная интерферометрическая измерительная система при равномерном нагружении позволит выявить подробную характеристику изменения величины деформации чувствительного элемента эталонных динамометров, а также величину деформации сложных элементов конструкций изделий, в том числе эталонных динамометров первого разряда.

При этом следует отметить, что, несмотря на высокую точность, данный способ имеет ограниченное применение ввиду следующих причин:

- высокой стоимости метрологического интерферометрического комплекса;

- недостаточной мобильности в его использовании;

- технологической и приборной сложности данной системы, поэтому такой способ рационально применять для измерений на уровне эталонов первого разряда и выше.

Таким образом, предложенные способы определения метрологических характеристик сипоизмерительных приборов позволяют автоматизировать процесс поверки СИ. В свою очередь, применение эталонов сравнения (мер силы), аттестованных с помощью измерителей длины, позволит повысить точность передачи размеров единицы силы, в том числе и для Государственного первичного эталона. Предлагаемые способы позволят исключить из практики аттестации несовершенный системный подход при аттестации эталонов и внедрить в процесс поверки эталоны сравнения, основными преимуществами которых по сравнению с существующими методами являются: исключение субъективной погрешности в результатах измерений, высокая точность и мобильность при их использовании. Предлагаемые изменения в Государственной поверочной схеме для средств измерений силы с применением высокоточных средств измерений длины (показано утолщением) представлены на рисунке 13. Для данной поверочной схемы предложены в качестве исходных средств измерений меры первого разряда по Государственной поверочной схеме для СИ длины (ГСИ МИ 2060-90).

к

ш

V-

р

le

ti f = а & & I

o ¡

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ силы 10+1-10'н

в»" 510-*; 90= 1-Ю"5

Гири образцовые

4-го разряда

5-ю-'+20 кг Д = 0,4+2-10 мг

(см. ГОСТ 8.021-84)

Метод прямых измерений

дч-г-кг®

Метод косвенных измерений Д'0 = 0,002%

Установки непосредственного магруження и меры силы образцовые 1-го разряда М0г+3-10!Н Д - 0,025 %; 0,05 %

Непосредственное сличение Бдо- 1-Ю"1

г\.

Динамометры образцовые 1-го разряда 200+МО6 Н Д = 0,06%; 0,1%

Метод прямых измерений Д'0 = 0,005 %

Метод прямых измерений

Д о=0,01 %

Меры силы (эталоны сравнения) М02+3-105Н До = 0,12+0,2%

Л

Измерители длины

0,01+30 000 мм Д-(0,05+11.) мкм,

где Ь в метрах (см ГСИ МИ 2060)

Метод косвенных измерений Дов 0,002 %

С ллоизмеритсл ьные машины образцовые 2-го разряда 200+2-106 Н

До" 0,12%; 0,2%

С илоизмерител ьные машины образцовые 2-го разряда Ы0*+3-107Н

До*0,12%; 0,2%

Непосредственное сличение Д'о- 0,02 %

Т

Метод прямых измерений До■ 0,02 %

Метод прямых измерений Д'о 0,02 %

ГЕ

Динамометры образцовые 3-го разряда 10+3-105Н До = 0,25%; 0,5%

Динамометры образцовые 3-го разряда 200+2-106 Н До« 0,25%; 0,5 %

zl

Динамометры образцовые 3-го разряда

ыо6+ио7н

До =0,5%

Г

Динамометры и датчики силы 1-10-г+3-105Н Дрр= 0,05%; 0,1%

Динамометры

и датчики силы ' 200+2-106Н V* 0,25%; 0,5%

Динамометры и датчики силы

200+2-1 О* Н Двр-0,5%; 1%

Динамометры и датчики силы М0*+3'107Н

Адр= ОД 5 0,5 %

Динамометры и датчики силы

М06+3-107Н Д*Р = \ %

Испытательные машины, прессы и установки 10+3-105Н До« 0,5 %; 1 %

Испытательные машины, прессы и установки 200+2-106 Н До «0,5 %; 1 %

Испытательные машины, прессы и установки М06+3-107К До- 1 %

Seso И Д'о - погрешности метода передачи размера единицы

Рисунок 13 - Государственная поверочная схема для средств измерений силы с применением высокоточных средств измерений длины

Заключение

Основные результаты: .исследований, изложенные в диссертационной работе, направлены на определение единицы силы с основными единицами массы (т), длины (1), времени (t) и на перспективы применения алгоритма для создания единого группового эталона единицы силы на основе использования элементов ш, 1, t:

- разработаны теоретические основы новых методик определения величины деформации методом высокоточного геометрического нивелирования с применением цифровых нивелиров;

- разработаны и исследованы способы определения метрологических характеристик силоизмерительных элементов эталонных динамометров с применением цифровых нивелиров, исключающих субъективную погрешность в результатах измерений;

- предложена автоматизированная система определения метрологических характеристик мер силы и эталонов сравнения с применением цифровых устройств сохранения данных на карте памяти USB;

- предложен способ аттестации эталонов силы первого разряда с использованием лазерных измерителей длины, позволяющих получить достоверные результаты измерений силы в диапазоне до 500 кН;

- разработаны новые научно обоснованные методы передачи размеров единицы силы для эталонов первого разряда Государственной поверочной схемы;

- оценка экспериментальных результатов исследований ИВ и предложенные методы измерения силы позволили сделать следующий вывод: ИВ ГИВ6-М2 необходимо использовать в дальнейшем для определения натяжения стальных канатов при бурении и капитальном ремонте скважин;

- разработанная методика поверки ИВ ГИВ6-М2 модификаций ГИВ6-М2-1, ГИВ6-М2-2, ГИВ6-М2-3, ГИВ6-М2-4, ГИВ6-М2-5, ГИВ6-М2-6, ГИВ6-М2-7 соответствует современным требованиям для СИ ИВ;

- даны предложения по совершенствованию существующей Государственной поверочной схемы для СИ силы, использующие обобщенный алгоритм для определения метрологических характеристик единицы силы в диапазоне до 500 кН;

- практическая реализация исследований осуществлена внедрением разработанных методик поверки ИВ, способов определения величины растяжения (сжатия) эталонных динамометров и стандартных образцов металлоконструкций в производственный процесс ФГУ «Новосибирский ЦСМ», ЗАО «Неруд-Запсиб», ЗАО «Инженерный центр», а также в учебный процесс ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия», ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет».

Список основных научных работ автора, опубликованных по теме диссертации

ТТеплых, А.Н. Разработка и исследование методики поверки индикаторов веса [Текст] / А.Н. Теплых // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск, 2008,-№2.-С. 177-190.

2 Теплых, А.Н. Модернизация расходомерной установки РУ-200 [Текст] / А.Н. Теплых // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск, 2007. - № 2. - С. 177-186.

3 Теплых, А.Н. Разработка и исследование способов определения метрологических характеристик эталонных динамометров цифровым нивелиром [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 5 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2009. - С. 152-156.

4 Теплых, А.Н. Разработка и исследование способов определения деформации различных образцов металлоконструкций цифровым нивелиром [Текст] I А.Н. Теплых // Сборник материалов V Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2009». Т. 5 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2009. - С. 157-162.

5 Теплых, А.Н. Анализ погрешности индикаторов веса на разрывной машине МР - 500 [Текст] / А.Н. Теплых, C.B. Хатюшин II Сборник материалов III Междунар. науч. конгр. «ПЮ-Сибирь-2007». Т. 4 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2007.-С. 164-167.

6 Теплых, А.Н. Совершенствование методики поверки гидравлического индикатора веса ГИВ6-М2 [Текст] / А.Н. Теплых, И.Н. Косенко // Сборник материалов XI Междунар. науч.-практ. конф. «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости». - Португалия, 2007. - С. 75-79.

7 Теплых, А.Н. Разработка методики поверки индикаторов веса ГИВ6-М2 [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕ<Э-Сибирь-2008». Т. 1 «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Спутниковые навигационные системы», ч. 1. - Новосибирск, 2008. -С. 161-165.

8 Соболева, Е.Л. Влияние перемещения наблюдателя на положение штатива при выполнении высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами [Текст] / Е.Л. Соболева, А.Н. Теплых, Т.А. Хоменко // Сборник материалов Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2006». Т. 1 «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия», ч. 1. - Новосибирск, 2006. - С. 70-75.

9 Соболева, E.JI. Методика нивелирования I класса цифровым нивелиром на геодинамическом полигоне [Текст] / E.JI. Соболева, А.Н. Теплых // Сборник науч. тр. аспирантов и молодых учёных. - Новосибирск: СГТА, 2006. -Вып. 3. - С. 41-45.

10 Соболева, E.JI. Методика нивелирования IV класса с применением цифровых нивелиров [Текст] / E.JI. Соболева, А.Н. Теплых, М.С. Калинина И

Сборник науч. тр. аспирантов и молодых учёных. - Новосибирск: СГГА, 2006,- Вып. З.-С. 46-50.

11 Теплых, А.Н. К вопросу о понятиях «ошибка» и «погрешность» измерения [Текст] / А.Н. Теплых // Сборник материалов III Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». Т. 4 «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника», ч. 2. - Новосибирск, 2007. - С. 160-163.

12 Соболева, ЕЛ. Методика нивелирования III класса с применением цифровых нивелиров [Текст} / E.JI. Соболева, А.Н. Теплых // Сборник науч. тр. аспирантов и молодых учёных. - Новосибирск: СГТА, 2007. - Вып. 4. - С. 26-31.

13 Теплых, А.Н. Опытный образец лазерного бесконтактного измерителя диаметров [Текст] / А.Н. Теплых // Соврем, проблемы геодезии и оптики. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 100-105.