Введение к работе
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 А.С., Герасимов Н.С., Максимов Л.М., Назаренко А.В., 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). Для 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-;
I 3
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 промышленности 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 ре
шения 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 силоизмерительных 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 силоизмерительных 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 дпя оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости» (Португалия, 2007 г.); IV Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008» (Новосибирск, 2008 г.); V Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» (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.
