Разработка и исследование способов определения метрологических характеристик эталонных динамометров цифровым нивелиром

УДК 006 А.Н. Теплых СГГА, Новосибирск

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭТАЛОННЫХ ДИНАМОМЕТРОВ ЦИФРОВЫМ НИВЕЛИРОМ

A.N. Teplykh

Siberian State Academy of Geodesy, Novosibirsk

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF WAYS OF DEFINITION OF METROLOGICAL CHARACTERISTICS OF REFERENCE DYNAMOMETERS BY THE DIGITAL LEVEL

Modern lines of development of a science and technics are directed on automation of processes of checking of means of measurements in laboratory conditions. Therefore development of ways of checking of means of measurements with use of digital systems of registration of results of measurements is an actual task of definition of metrological characteristics at measurement of force.

В настоящее время особая роль повышения точности измерений массы и силы потребовалась 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. Для обеспечения надежности и правильности результатов измерений приборы обычно поверяются на гидравлических разрывных машинах типа МР-500, которые в свою очередь также должны быть аттестованы и поверены. В работах [1, 2] была рассмотрена функциональная и технологическая схема работы разрывной машины МР-500. Для обеспечения достоверности результатов измерений машины типа МР-500 подвергаются поверке с помощью эталонных динамометров третьего разряда, которые в свою очередь 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 транспортирование при соблюдении требуемой точности и диапазонов измерений. Поэтому автором была поставлена задача по разработке современных способов определения величины растяжения или сжатия, которые включают в себя совместное использование эталонных динамометров и цифровых систем регистрации результатов измерений с дистанционным съемом информации и записью её на карте памяти USB. Данные способы выполняются в лабораторных условиях 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 проводятся в автоматическом режиме, а также и все операции связанные с обработкой их результатов и с возможностью сохранения данных на карте памяти USB. Это исключает возможность возникновения субъективной погрешности в результатах измерений.

При реализации способов определения растяжения (сжатия) эталонных динамометров нивелиром необходимо соблюдать нормальные условия измерений:

- Отсутствие в помещении оборудования, создающего вибрацию;

- Нивелир устанавливается на жестком основании, на расстоянии не менее наименьшего визирования расстояния от разрывной машины;

- Диапазон температуры окружающего воздуха - (20 ± 5) °С;

- Значение относительной влажности воздуха не более 80 %.

Если динамометр и (или) нивелир находились в условиях, где режим температуры отличался от указанной выше, то перед реализацией данного способа эти приборы необходимо выдерживать в помещении при температуре окружающего воздуха (20 ± 5) °С не менее 2 часов.

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 растяжения (сжатия) эталонных динамометров нивелиром представлена на рис. 1. На эталонной 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 определенном расстоянии от исследуемого оборудования (не менее 2 м). После этого на подвижной траверсе силоизмерительной машины с помощью металлической скобы 4 закрепляется штрих-кодовая рейка 5. Перед началом пуска силоизмерительной машины нивелир 6 приводится в рабочее положение. Далее включается нивелир и проверяется его работоспособность, для чего устанавливается необходимая освещенность рейки и производятся тестовые отчеты по ней. После этого машиной создается усилие натяжения (сжатия). Поверка динамометров производится представителями органов государственной метрологической службы, допущенными в установленном порядке к поверке изделий силоизмерительной техники, знакомых с эксплуатационной документацией эталонных динамометров. С целью исключения всех люфтов в механическом соединение начальное измерение принимается при силе натяжения (сжатия) в 5 или 50 кН в зависимости от используемой силоизмерительной машины. В принципе при использовании других силоизмерительных машин значение минимальной нагрузки может

быть любым. Взятие отчета по рейке нивелиром производится через определенный интервал (5, 10 или 50 делений, в зависимости от используемой силоизмерительной машины). При использовании других машин диапазон измерений может быть любым. Эти действия продолжаются до максимальной нагрузки машины. При максимальном растяжении (сжатии) эталонных динамометров отчет нивелиром снимается дважды при прямом и обратном ходе эталонной машины. Затем в этом же диапазоне производится разгружение машины до начального измерения со снятием отчета по рейке нивелиром в каждой точке диапазона и записью в его памяти. По окончанию эксперимента результаты измерений сохраняются на карте памяти USB.

Рис. 1. Принципиальная схема способов определения растяжения (сжатия) эталонных динамометров третьего разряда цифровым нивелиром

Величина растяжения (сжатия) динамометров рассчитывается по

формуле (1):

А1 = ЫХ-Ы 2,

где N - показания нивелира при максимальном растяжении (сжатии) эталонного динамометра третьего разряда, мм;

N - показания нивелира при минимальном растяжении (сжатии) динамометра третьего разряда, мм.

Личная погрешность оператора, обусловленная его индивидуальными особенностями, рассчитывается по формуле (2):

Ah = ±hHi - hpi

где ^ - показания нивелира в /-ой точки измерения задаваемой силоизмерительной машиной при нагружении, мм;

й - показания нивелира в /-ой точки измерения задаваемой

силоизмерительной машиной при разгружении, мм.

Рассмотрим реализацию предложенного способа при испытании эталонного динамометра на растяжение. Реализация данного способа на растяжение осуществляется при помощи: эталонной машины 0М-2-50 с погрешностью измерений 0,2 % и наибольшей предельной нагрузкой 500 кН; эталонного динамометра растяжения ДОРМ-3 с погрешностью измерений 0,5 % и наибольшей предельной нагрузкой 500 кН; нивелира Trimble DiNi 0.3 с погрешностью измерений линейных величин ±0,01 мм.

Для определения величины растяжения эталонного динамометра составляется табл. 1, в которую заносятся снятые с приборов показания.

Таблица 1. Данные приборов при испытании на растяжение Из полученных результатов исследования эталонного динамометра третьего разряда на

растяжение можно сделать следующие выводы:

Показания Показания Величина растяжения

эталонной цифрового эталонных

машины второго нивелира динамометров третьего

разряда Н, мм разряда

Р, кН л1, мм

Нагрузка Разгрузка Нагрузка Разгрузка

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

100 482,04 482,02

150 48237 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

- При нагружении эталонной машины в пределах показаний с 50 до 500 деления значение растяжения динамометра составит 2,89 мм;

- При разгружении машины в пределах показаний с 500 до 50 деления значение растяжения динамометра составляет 2,84 мм;

- Во всех точках исследуемого диапазона силоизмерительной машины при прямом и обратном ходах цифровым нивелиром была выявлена личная погрешность оператора, обусловленная его индивидуальными особенностями, колеблющаяся в диапазоне от ±0,02 до ±0,12 мм.

В табл. 2 показаны результаты испытаний эталонного динамометра третьего разряда на сжатие.

Таблица 2. Данные приборов при испытании на сжатие

Показания эталонной машины второго разряда Р,кН Показания цифрового нивелира Н, мм Величина сжатия эталонных динамометров третьего разряда ^ 1, 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

На основании полученных результатов исследования эталонного динамометра третьего разряда на сжатие можно сделать следующие выводы:

- При нагружении машины в пределах показаний с пятого до пятидесятого деления значение сжатия динамометра составляет 3,73 мм;

- При разгружении машины в пределах показаний с пятидесятого до пятого деления значение сжатия динамометра составит 3,85 мм;

- Во всех точках исследуемого диапазона эталонной машины при прямом и обратном ходах цифровым нивелиром была выявлена личная погрешность оператора, обусловленная его индивидуальными особенностями, колеблющаяся в диапазоне от ±0,05 до ±0,23 мм.

Таким образом, предложенные способы определения метрологических характеристик силоизмерительных приборов позволяют автоматизировать процесс поверки СИ в лабораторных условиях. Однако Государственная поверочная схема не устанавливает взаимосвязь эталонных СИ силы с дистанционными измерителями линейных перемещений, но в ней существует возможность заимствования СИ из других поверочных схем. Поэтому автором была поставлена задача по разработке предложений по совершенствованию Государственной поверочной схемы для СИ силы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теплых, А.Н. Совершенствование методики поверки гидравлического индикатора веса ГИВ6-М2 [Текст] / А.Н. Теплых, И.Н. Косенко // Методы дистанционного зондирования и ГИС-Технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризация земель и объектов недвижимости: сб. материалов XI междунар. научно-практ. конф. - Португалия, 2007. - С. 75-79.

2. Теплых, А.Н. Анализ погрешности индикаторов веса на разрывной машине МР-500 [Текст] / А.Н. Теплых, СВ. Хатюшин // «ГЕО-Сибирь»: сб. науч. тр. III междунар. науч. конгр. - Новосибирск, 2007. - С. 164-167.

© А.Н. Теплых, 2009