Metrologijos terminas apibrėžiamas kaip sistema ir mokslas apie svarsčius ir matus ir pirmiausia siejamas su tradiciniais masės, ilgio, laiko bei kitais matavimais. Daugelyje pasaulio šalių matavimų vienovės ir tikslumo užtikrinimo priemonės (tam tikrų matavimo vienetų įteisinimas, reguliari matų, taip pat naujų bei jau eksploatuojamų matavimo priemonių patikra) yra reglamentuojamos įstatymų.
Tarptautinio susitarimo poreikis metrologijos srityje buvo pripažintas dar 1860 metais. Plėtojant šalių kultūrinius bei ekonominius ryšius pirmiausia prireikė suvienodinti matus tarptautiniu mastu. Pagrindiniai matavimų vienovės principai buvo pradėti įgyvendinti dar XVIII a. pabaigoje Prancūzijoje sukūrus metrinės vienetų sistemos pagrindus.
Tačiau tik XIX a. antroje pusėje ši sistema buvo pripažinta tarptautine, kai 1875 m. Paryžiuje septyniolika pasaulio valstybių pasirašė tarpvalstybinį susitarimą - Metrinę konvenciją. Metrine konvencija atsakomybė už adekvačią techninę matavimo vienetų prasmę perduodama generalinei svarsčių ir matų konferencijai, su kuria šalys, pasirašiusios Metrinę konvenciją, gali bendradarbiauti.
Kad šalyje būtų užtikrinta matavimų vienovė, matavimo vienetų apibrėžimai turi būti suderinti su jų apibrėžimais, įteisintais kitose šalyse. Metrinėje konvencijoje numatyta nuolatinė organizacinė struktūra. Ja vadovaudamosi vyriausybės gali veikti sutartinai dėl visų dalykų, susijusių su matavimo vienetais. Generalinės svarsčių ir matų konferencijos šaukiamos kas ketveri metai Paryžiuje. Jose dalyvauja visų Konvenciją pasirašiusių šalių atstovai.
Tarptautinį svarsčių ir matų komitetą (CIPM) sudaro 18 generalinėje konferencijoje išrinktų asmenų. Konsultaciniai komitetai rūpinasi matavimo vienetų apibrėžimų bei jų verčių perdavimo tobulinimu. 1998 m. BIPM dirbo 8 konsultaciniai komitetai: Sekundės, Metro, Elektrinių dydžių, Masės, Termometruos, Fotometrijos ir radiometrijos, Jonizuojančiosios spinduliuotės ir Vienetų komitetas. Kiekvienas konsultacinis komitetas savo srities klausimais konsultuoja CIPM.
1791 m. Prancūzijos nacionalinis susirinkimas priėmė metrinę matų sistemą. Tai buvo pirmoji dydžių vienetų sistema. Ją sudarė ilgio, ploto, tūrio ir masės vienetai. Pagrindiniai vienetai buvo metras ir kilogramas. Žinoma, šių dienų reikalavimų ši sistema nebeatitinka.
Pagrindinių ir išvestinių vienetų sistemą pasiūlė K. Gausas (Gauss). Šioje sistemoje buvo tokie pagrindiniai vienetai: ilgio - milimetras, masės - kilogramas, laiko - sekundė. Jos visos rėmėsi K. Gauso sukurtu modeliu. Ilgainiui atsirado didelė dydžių vienetų ir sistemų įvairovė, todėl buvo gana keblu jomis naudotis. Dėl to kilo idėja sukurti bendrą dydžių vienetų sistemą, patogią vartoti visose mokslo ir technikos srityse, kuri pakeistų visas vienetų sistemas ir įvairius nesisteminius vienetus.
SI pagrindas yra septyni gerai apibrėžti pagrindiniai vienetai: metras, kilogramas, sekundė, amperas, kelvinas, molis ir kandela. SI vienetai yra koherentiški. Iš SI vienetų tik kilogramo apibrėžimas susijęs su dirbtiniu produktu - platinos ir iridžio lydiniu. Sekundę apibrėžia atominiai ir kvantiniai reiškiniai; metrą - šviesos greitis ir sekundė; amperą - mechaninė jėga ir atstumas; kelviną - termodinaminės pusiausvyros būsena; kandelą - galia ir fiziologinės konversijos faktoriai; molį - kiekis medžiagos, lygus skaičiui atomų dvylikoje gramų anglies 12C.
Išvestiniai SI vienetai sudaromi iš pagrindinių ir papildomųjų. Kadangi matuojamųjų dydžių verčių ruožas labai platus, tai SI vienetais naudotis ne visada patogu, nes gaunama ir labai didelių, ir labai mažų verčių. Todėl leidžiama naudotis kartotiniais ir daliniais sistemos vienetais. Šiems vienetams sudaryti vartojami daugikliai.
Savo ruožtu SI sistema nėra nekintama: ji nuolat tobulinama siekiant patenkinti vis didėjančius reikalavimus matavimams. Matuojamąjį dydį, nusakantį kokį nors sistemos bruožą, apibūdina jo dimensija. Fundamentalioji vertė, susijusi su bet kuria dimensija, priklauso nuo vieneto. Pavyzdžiui, masės, ilgio, laiko dimensijos asocijuojasi su kilogramo, metro, sekundės vienetais.
Pirminis etalonas nustato (nusako) dydžio vieneto vertę ir realizuoja vienetą taip, kaip jis yra apibrėžtas. Savo ruožtu dydis apibrėžiamas remiantis fizikos žinių lygiu taip, kad jį būtų galima nustatyti su kuo mažesne neapibrėžtimi. Todėl tarptautiniai susitarimai dėl vienetų apibrėžimo siejami su pirminių etalonų panaudojimu; šiais susitarimais numatomos priemonės etalonui realizuoti.
Tiksliausi šalyje turimi etalonai vadinami valstybiniais. Jie nebūtinai turi būti pirminiai. Nacionalinių matavimo etalonų lygį lemia šalies poreikiai, metrologinės galimybės bei turimi resursai. Tačiau labai svarbu užtikrinti, kad matavimai, atlikti bet kur šalyje kasdien naudojamomis laboratorinėmis ar darbinėmis matavimo priemonėmis, derintųsi tarpusavyje, t.y. tą pačią matuojamojo dydžio vertę atitiktų tas pats matavimo rezultatas (matavimo neapibrėžties ribose). Šią dydžio vertę ir atkuria tarptautinis ar nacionalinis etalonas.
Dydžio vieneto vertės perdavimas etalonų sieties grandine (nuo aukščiausio lygio etalono iki pat darbinės matavimo priemonės) vadinama susiejimu. Pasaulinio masto tarptautinis susitarimas dėl matavimo vienetų ir tikslių matavimo etalonų sieties užtikrinimo, tenkinant mokslo, pramonės, prekybos bei visuomenės poreikius, apibrėžtas Metrine konvencija.
Įgyvendinti šį susitarimą patikėta BIPM ir išsivysčiusių šalių metrologijos institutams. BIPM atsako už vieningos, koherentiškos dydžių matavimo sistemos bazės sukūrimą. BIPM netik platina vienetus, pavyzdžiui, masės, laiko vienetus, bet ir užsiima koordinacine veikla, t. y. lygina tarptautinius nacionalinius etalonus.
Kad didžiausio reikiamo tikslumo matavimai ilgai būtų stabilūs, reikalingi vienetai, susiję su atominiais ir kvantiniais reiškiniais. Fundamentaliosios fizikinės savybės yra atkartojamos geriau, negu savybės (požymiai), apibrėžtos naudojantis matavimo vienetais, grindžiamais žmogaus sukurtais prototipais. Aiškiai apibrėžtose situacijose vienetus sieja fundamentaliosios fizikos konstantos; šių konstantų vertės SI vienetais gaunamos arba tiesiogiai iš bandymų, arba apskaičiuojamos netiesiogiai, panaudojant vieną iš daugelio jas siejančių ryšių.
Tarptautinių ir nacionalinių matavimo etalonų kūrimas ir palaikymas yra savita matavimų mokslo sritis, kuriai būdinga siekti kuo didesnio matavimo etalonų tikslumo (kuo labiau sumažinti konkretaus vieneto etalono neapibrėžtį). Pirminiai etalonai yra sudėtingi ir brangūs, be to, dažnai jie nepritaikyti praktinėms kalibravimo reikmėms.
Kiekvienos žemesnės pakopos etalonai kalibruojami pagal greta esančio aukštesnio lygio etalonus. Matavimo vienetų atgaminimas panaudojant etalonus, sukurtus remiantis fundamentaliosiomis fizikos konstantomis bei kvantiniais efektais, suteikia galimybę realizuoti pirminius SI vienetų etalonus tiesiog pažangių technologijų įmonėse bei išplatinti šiuos vienetus per nacionalinius matavimo institutus. Kalibravimo laboratorijos, kurios sugeba pasinaudoti šiais kvantiniais efektais, gali disponuoti pirminiais etalonais.
Kita vertus, kai egzistuoja daug pirminių etalonų, sunkiau teisiškai užtikrinti matavimų vienovę. Reikalingi teisiniai aktai ir tarptautiniai susitarimai, kad būtų sukurtos priemonės (prielaidos), kuriomis pasinaudojant matavimo rezultatai būtų pripažinti galiojančiais, nes vienoje šalyje sukurti pirminiai etalonai iš principo negali būti susieti su kitų šalių pirminiais etalonais, pavyzdžiui, negali būti įtraukti į tą pačią kalibravimo grandinę.
Be abejo, nacionalinis metrologijos institutas gali neturėti pirminių etalonų, o tenkintis atraminiais etalonais, susietais su kitos šalies ar BIPM pirminiu etalonu.
Teisinė svarsčių ir matų kontrolė yra viena seniausių vartotojų apsaugos formų. Prekyboje matavimai turėjo teisinį pagrindą beveik nuo rašytinės istorijos pradžios. Patikrinti svarsčiai ir matai yra visuotinai reikalingi prekių mainams. Tačiau prekyba nėra vienintelė sritis, kur matavimai turi būti teisiškai pagrįsti.
Kokybė tampa rinkos parametru, tad jos užtikrinimo sistemos yra sertifikuojamos pagal ISO-9000 standartų reikalavimus. Tuo pačiu kokybės užtikrinimo sistemose naudojami matavimo prietaisai - kokybės informacijos įranga - taip pat tampa prieinami (atviri) teisiniam tyrimui. Aplinkosaugai, žmonių sveikatos apsaugai ir jų saugumui vis labiau technologiškai išvystytame pasaulyje taip pat reikia daugybės reguliavimo aktų, kuriems įgyvendinti reikalingi matavimai.
Esminis matavimų bruožas yra internacionalumas; tarptautinė prekyba lemia ekonomikos globalumą, tyrimai technologijos, medicinos ir kitose srityse tai pat labai priklauso nuo tarptautinio bendradarbiavimo. Tarptautinis keitimasis žiniomis, ekspertizės rezultatais skatina įvairių žmogaus veiklos sričių pažangą.
Matmenys nusako detalės dydį, formą ir paviršių tarpusavio padėtį. Nominalusis matmuo (D, d, I ir kt.) - detalės arba sujungimo matmuo, nuo kurio atidedami nuokrypiai ir apskaičiuojami ribiniai matmenys. Nominaliuosius matmenis nurodo konstruktorius pagal stiprumo ar standumo skaičiavimus ir eksploatacinius reikalavimus. Šie matmenys parenkami iš standartinių linijinių matmenų eilučių pagal pirmenybinių skaičių eiles šiek tiek juos suapvalinus.
Praktikoje negalima detalių pagaminti ir išmatuoti absoliučiai tiksliai bei gauti jų nominaliuosius matmenis. Visada gaunami tam tikri nuokrypiai. Tikrasis matmuo nustatomas išmatavus detalę nurodytu tikslumu. Tikrasis detalės matmuo dirbančioje mašinoje (detalei dylant, deformuojantis ir dėl kitų priežasčių) kinta. Todėl nustatomi ribiniai detalės matmenys. Ribiniai matmenys - tai didžiausias ir mažiausias matmuo, kuriems gali būti lygus arba tarp kurių turi būti tikrasis matmuo. Didžiausias matmuo vadinamas didžiausiu ribiniu, mažiausias - mažiausiu ribiniu matmeniu.
Matmens nuokrypis - matmens (tikrojo, ribinio ir kt.) ir nominaliojo matmens algebrinis skirtumas. Nuokrypiai gali būti teigiami, neigiami ir lygūs nuliui. Viršutinis nuokrypis - didžiausio ribinio ir nominaliojo matmens algebrinis skirtumas. Skylės viršutinis nuokrypis žymimas ES, veleno - es. Apatinis nuokrypis - mažiausio ribinio ir nominaliojo matmens algebrinis skirtumas. Skylės apatinis nuokrypis žymimas EI, veleno - ei.
Tikrasis nuokrypis - tikrojo ir nominaliojo matmens algebrinis skirtumas. Mašinų gamybos brėžiniuose nominalieji, ribiniai matmenys ir jų nuokrypiai nurodomi milimetrais, nenurodant vienetų. Kiti matavimo vienetai (pavyzdžiui, centimetrai, metrai ir kt.) nurodomi prie atitinkamo matmens arba techninėse sąlygose.
Matmens tolerancija (lot. Tolerance - tolerancija) - didžiausiojo ir mažiausiojo ribinio matmens skirtumas arba viršutinio ir apatinio nuokrypio algebrinio skirtumo absoliučioji vertė (žymima raide T). Tolerancija visada teigiamas dydis. Matmens tolerancija apibūdina reikalaujamą detalės, gaminio tikslumą (žymima T d ir Tj).
Schemoje arba brėžinyje tolerancijos vaizduojamos plotu. Tas plotas vadinamas tolerancijos lauku. Tai laukas tarp viršutinio ir apatinio nuokrypio. Tolerancijos lauką ribojantys nuokrypiai schemoje atidedami nuo nominalųjį matmenį reiškiančios nulinės linijos. Nulinė linija - nominalųjį matmenį atitinkanti linija, nuo kurios atidedami matmens nuokrypiai, tolerancijų laukus ir suleidimus vaizduojant grafiškai.
Dvi arba kelios tarpusavyje judamai arba nejudamai jungiamos detalės vadinamos jungiamosiomis. Paviršiai arba matmenys, kuriais jungiamos detalės, vadinami jungiamaisiais paviršiais arba matmenimis. Kiti paviršiai arba matmenys vadinami laisvaisiais. Detalių sujungimuose turime gaubiamuosius ir gaubiančiuosius paviršius. Gaubiantieji paviršiai vadinami skyle, gaubiamieji - velenu. Terminai „skylė” ir „velenas” apibendrintai vartojami visai mašinų detalių aibei, nors jie yra ir kito tipo paviršiai, pavyzdžiui, išdrožos, pleištai ir kt.
Mašinų gamyboje naudojami daugelio įvairių pavidalų sujungimai. Juos galima suskirstyti į grupes pagal jungiamųjų paviršių formą, lietimosi pobūdį ir jungiamųjų detalių tarpusavio laisvumo laipsnį. Pagal gaubiamųjų ir gaubiančiųjų paviršių formą skiriami tokie sujungimai: lygūs cilindriniai ir kūginiai, srieginiai, krumpliniai, išdrožiniai, plokštieji ir sferiniai.
Pagal lietimosi pobūdį yra taškinio, linijinio ir paviršinio lietimosi sujungimai. Kiekvienas sujungimas mašinoje turi savo paskirtį ir privalo tenkinti eksploatacinius reikalavimus. Vieni turi perduoti sukimo momentą, kiti - veikiančias jėgas, dar kiti - sudaryti sandarumą, gerą kontaktą ar kinematinės poras. Visiems sujungimams keliami ir bendri reikalavimai. Sujungimai turi išlikti pastovūs kuo ilgesnį laiką, turi būti paprastai pagaminami, surenkami bei eksploatuojami. Nustatant sujungimo tikslumą pirmiausia reikia numatyti kiekvienos detalės pagaminimo tikslumą bei detalių tarpusavio ryšį sujungime.
Suleidimas - skylės ir veleno sujungimo pobūdis, priklausantis nuo gaunamų tarpelių arba įvaržų dydžio. Suleidimas apibūdina didesnį ar mažesnį sujungtų detalių laisvumą viena kitos atžvilgiu arba pasipriešinimą jų išjudinimui. Suleidimai skirstomi į tris grupes: su tarpeliu, įveržtuosius ir tarpinius.
Įveržtasis suleidimas - tai toks suleidimas, kai tarp sujungtų detalių gaunama įvarža. Tarpelis - skylės ir veleno matmenų skirtumas, kai skylės matmuo didesnis už veleno (žymimas raide S). Įvarža - dar nesujungto veleno ir skylės matmenų skirtumas, kai veleno matmuo yra didesnis už skylės matmenį (žymima raide N). Suleidimuose numatyti tarpeliai, įvaržos dėl gamybinių nuokrypių svyruoja tam tikrose ribose.
Tolerancijų ir suleidimų sistema vadinama tolerancijų ir suleidimų eilių visuma, dėsningai sudaryta remiantis bandymais, teoriniais bei eksperimentiniais tyrinėjimais ir įforminta standartu. Joje nurodomi visi mašinų gamybai reikalingi suleidimų tipai ir pateikiama tikslumo gradacija.
Šiuo metu daugumoje pasaulio šalių naudojama ISO (International Organisation for Standartisation) tolerancijų ir suleidimų sistema. ISO sistema sukurta norint unifikuoti nacionalines tolerancijų ir suleidimų sistemas, kad būtų paprastesni tarptautiniai ryšiai. Tolerancijų ir suleidimų sistemos tipinėms mašinų detalėms sudarytos pagal bendrus principus.
Paviršiaus šiurkštumo parametrai
SI sistemos pagrindiniai vienetai
SI sistemos pagrindiniai vienetai:
- Metras (m) - ilgis
- Kilogramas (kg) - masė
- Sekundė (s) - laikas
- Amperas (A) - elektros srovė
- Kelvinas (K) - termodinaminė temperatūra
- Molis (mol) - medžiagos kiekis
- Kandela (cd) - šviesos stipris
Tarptautinė teisinė metrologija
Tarptautinė teisinės metrologijos organizacija (OIML).
Idealaus paviršiaus apdailos matavimas
Paviršiaus šiurkštumo palyginimo diagrama