2.1.5 Лабораторная работа № 5

«Поверка микрометрического измерительного

инструмента»

2.1.5.1 Цель работы

Углубление знаний в области прикладной метрологии, ознакомление с методикой поверки микрометрического инструмента, приобретение практических навыков поверки микрометрических средств измерений.

2.1.5.2 Содержание работы

Определение отклонений от параллельности измерительных плоскостей; определение погрешности шкалы; оценка годности микрометра.

2.1.5.3 Экспериментальное оборудование

Объект поверки – микрометр гладкий, диапазон измерения 0…25 мм.

Средства поверки – концевые меры длины, набор № 1, набор из четырех плоскопараллельных стеклянных пластин.

2.1.5.4 Подготовка к работе

Самостоятельная подготовка студентов к работе осуществляется по следующим разделам:

– поверка и калибровка средств измерений [15, 20, 24];

– допускаемые погрешности средств измерений [15, 20, 24];

– поверка гладких микрометров согласно ГОСТ 6507–90.

2.1.5.5 Теоретическая часть

а) Микрометры гладкие

Микрометром называется измерительное средство с корпусом в виде скобы с двухточечной схемой измерения, в котором перемещение одной из точек определяется с помощью резьбовой пары – винта и гайки.

Известно, что если повернуть винт на один оборот, когда гайка неподвижна, то винт переместится в направлении оси на величину, равную шагу резьбы. Но для того, чтобы отсчитывать величины перемещения винта не только кратные шагу резьбы (полные обороты), но и значения меньшие, чем шаг (дольные значения шага), в микрометры введены дополнительные шкалы.

Схема и конструкция микрометра. В корпусе микрометра в виде скобы (рисунок 10, а, б, в) заключены неподвижная пятка 2, которая реализует неподвижную точку в двухточечной схеме измерения, и гайка 3 резьбовой пары. С гайкой 3 соединен неподвижно стебель 4. Винт 5 скреплен с барабаном 6, на конце узла «винт – барабан» находится устрой­ство 7, обеспечивающее измерение с определенным усилием.

На стебле 4 вдоль оси проведена сплошная линия 8 (рису- нок 10, в), которая используется для отсчета целых оборотов винта 5 и вместе с ним барабана 6. Полные обороты отсчитывают при совпадении нулевой отметки на барабане 6 с линией 8 на стебле 4. На бараба­не 6 на скошенной поверхности нанесены деления 9, служащие для отсчета части полного оборота винта 5 и барабана 6. Число таких делений зависит от шага резьбы.

Наиболее часто шаг резьбы делают равным 0,5 мм, и тогда на барабане наносят 50 интервалов, т.е. при повороте на один интервал осевое перемещение винта (барабана) будет равно 0,5/50 = 0,01 мм.

а – схема; б – конструкция для диапазона измерения 0 – 25 мм;

в – отсчет по шкале на стебле и барабане.

Рисунок 10 – Микрометр гладкий

Это значение (b = 0,01 мм) весьма близко к понятию цены деления, но более правильно называть его величиной отсчета, как это имело место при измерении штангенциркулями, поскольку деления на барабане выполняют такую же функ­цию, что и деления нониуса, и также позволяют отсчитывать дольные (дробные) значения по основной шкале, наносимой на стебле микрометра и имеющей интер­вал деления, равный шагу резьбы (наиболее часто цена деления шкалы состав­ляет 0,5 мм). На стебле при шаге резьбы 0,5 мм штрихи шкалы наносят для удоб­ства отсчета с двух сторон от осевой линии.

На рисунке 10, в нижние деления 10 соответствуют значению с окончаниями 1 мм и оцифрованы через пять делений, верхние 11 – с окончанием на 0,5 мм, а на той и другой части шкалы интер­валы между штрихами равны 1 мм. Винт, используемый в микро­метрах или других устройствах для определения вели­чины перемещения для измерения или установки размера, часто называют микрометрическим винтом или сокращенно – микровинтом, а резьбовую пару для указанных случаев применения – микропарой.

В конструкции микропары для обеспечения беззазорного соприкосновения резьбы винта и гайки предусмотрена регулировка, которая осуществляется деформацией гайки 8. Для этого гайка 3 имеет несколько пазов, проходящих вдоль оси (разрез­ная гайка). Часто наружную поверхность гайки делают в виде конуса, а на ее цилиндрической поверхности нарезают резьбу.

При вращении регулировочной гайки 13 ее конусная поверхность через конусную поверхность гайки 3 сжимает или отпускает гайку в зависимости от направления вращения гайки 13. Устройство 7, создающее измерительное усилие, бывает двух принципов действия: в виде трещотки или фрикциона. Трещотка представляет собой схему храпового механизма. На одной торцовой поверхности втулки, скрепленной с микровинтом, наносятся зубцы, на другой поверхности, за которую вращается винт, уста­новлен подпружиненный цилиндр со скосом («зуб»). При вращении в направлении соприкосновения измерительных поверхностей с деталью или между собой поджим этих поверхностей будет про­исходить с усилием, обеспечиваемым пружиной, поджимающей зуб. (Обычно это усилие составляет 500 – 900 сН). При дальнейшем вращении храповой механизм проскальзывает, и раздается харак­терный треск, когда зуб соскальзывает со скосов (отсюда название «трещотка»). В некоторых механизмах используется фрикционная пара, в которой измерительное усилие обеспечивается усилием поджима фрикционных поверхностей (по привычке такие устройства часто называют также трещоткой, хотя треска и не слышно).

В микрометрах существует большое разнообразие конструкций стопорных устройств 12, например, в виде втулки и винта (см. рисунок 10, б), цанг и других устройств. Узел микровинта 5, барабан 6 и трещотка 7 обеспечивают возможность установки микрометра на нулевое деление. В этом случае сводятся до соприкосновения измерительные поверхности. При раскреплении трещотки 7 с барабаном 6 последний поворачивается относительно винта 5 до совмещения своего нулевого деления и стебля 4.

б) Погрешности измерения микрометром

Погрешность измерения микрометром возникает от погрешности микрометра, от установочных мер или блока концевых мер, от непараллельности измерительных поверхностей, от разгиба скобы под действием усилия, погрешности отсчета показаний, погрешности от температурных и контактных деформаций.

1. Погрешность от микрометра проявляется полностью в том случае, если измерение производится с отсчетом полного размера по микропаре. Обычно погрешность микрометров нормируется равной от 4 до 10 мкм в зависимости от диапазона измерений при поверке по концевым мерам длины.

2. Погрешность от установочных мер входит в погрешность измерения микрометром с диапазоном измерения свыше 25 мм. Точность измерения можно повысить при установке микрометра по блоку концевых мер. В этом случае погрешность микропары оказывает влияние на результат измерения только на небольшом используемом интервале. Экспериментально установлено, что эта величина находится в пределах 2 мкм.

3. Погрешность от непараллельности измерительных поверхностей при точечном контакте (рисунок 11, а) может полностью войти в погрешность измерения в зависимости от положения точек контакта на измерительных поверхностях.

а – при точечном контакте; б – при плоскостном контакте

(перекос поверхностей микровинта); в – при перекосе обеих поверхностей;

г – при линейчатом контакте.

Рисунок 11 – Влияние непараллельности измерительных

поверхностей на погрешность измерения

При плоскостном контакте если одна из измерительных поверхностей не перпендикулярна к оси вращения микровинта (рисунок 11, б), то погрешность практически не вносится. Если же имеется перекос обеих поверхностей (см. рисунок 11, в), величина погрешности определяется величиной перекоса той поверхности, где этот перекос меньше. При линейчатом контакте (см. рисунок 11, г) в погрешность измерения может войти половина непараллельности измерительных поверхностей, так как контакт с деталью осуществляется приблизительно средней частью измерительных поверхностей, в то время как при по­верке по концевым мерам с плоскими поверхностями контакт может быть по краям измерительных поверхностей.

4. Погрешность от разгиба скобы происходит из-за непостоянства измерительного усилия (колебания измерительного усилия по­рядка 200 сН). Обычно нормируется величина разгиба скобы под действием усилия в 10 Н в пределах 2 – 12 мкм, т. е. колебание усилия может вызвать погрешность, равную 0,2 от нормируемой (0,4 – 2,4 мкм). Эта относительно небольшая погрешность имеет место при применении трещотки. Однако очень часто при работе не пользуются трещоткой и этим создают большую величину перепада измерительного усилия (30 Н и более). Это, в свою очередь, приводит к появлению большой погрешности и от разгиба скобы (0,01 – 0,02 мм и более).

5. Погрешность от отсчета показаний возникает из-за параллакса (шкалы на стебле и барабане расположены на разных плоскостях) и трудности отсчета. Эта погрешность составляет ориентировочно 2 мкм.

6. Погрешность от температурных деформаций связана:

– с деформацией из-за разности первоначальных температур детали, установочной меры и микрометра, с разными коэффициентами температурного расширения;

– деформацией микрометра, возникающей из-за нагрева его руками оператора.

Погрешность от нагрева руками нельзя практически определить в каждый конкретный момент времени, так как установить зависимость между температурой на поверхности микрометра и его деформациями не представляется возможным.

Величина и знак деформаций зависят от положения рук оператора на скобе. Например, если расположить руки на внутренней части скобы, т. е. обращенной к детали, то помимо общего изменения размера скобы произойдет ее разгиб за счет того, что температура, а следовательно, и расширение материала с внутренней стороны скобы будет больше, чем с наружной. При расположении рук оператора с наружной стороны скобы помимо общего расши­рения скобы произойдет сжатие, т. е. эти деформации частично компенсируют друг друга.

Для уменьшения влияния рассмотренных деформаций на по­грешность измерения обычно большие скобы оснащают теплоизоляционными накладками.

7. Погрешность от контактных деформаций возникает в основном при измерении сферических поверхностей (точечный контакт) из-за измерительного усилия. При измерении сферы радиусом 5 мм величина контактной деформации достигает 3 мкм, с радиусом свыше 5 мм – 2 мкм.

Общая погрешность измерения микрометром с учетом влияния рассмотренных составляющих погрешности находится в пределах от 5 до 50 мкм в зависимости от типоразмера микрометра (первая цифра для микрометра 0 – 25 мм, вторая – для микрометра 400 – 500 мм). Эти значения соответствуют определенным температурным условиям при использовании установочных мер, а микрометр при работе находится в руках. При установке микрометра в специальный штатив или при обеспечении надежной изоляции скобы от тепла рук оператора погрешность измерения для типоразмеров начиная с 25 – 50 мм значительно сокращается (в 2 раза и более).

в) Поверка и калибровка средств измерений

Поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средств измерений установленным обязательным требованиям.

Средства измерений, подлежащие метрологическому контролю и надзору, подвергаются поверке при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при продаже и выдаче напрокат, а также при эксплуатации.

Правилами ПР 50.2.006-94 «ГСИ. Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения» установлено, что поверку средств измерений осуществляют органы государственной метрологической службы (ГМС), государственные научные метрологические центры (ГНМЦ), а также аккредитованные метрологические службы юридических лиц.

Поверка проводится физическим лицом, аттестованным в качестве поверителя в соответствии с правилами ПР 50.2.012-94 «ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений», по нормативным документам, утверждаемым по результатам испытаний с целью утверждения типа. Если средство измерений по результатам поверки признано пригодным к применению, то на него и (или) техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма и (или) выдается «Свидетельство о поверке». Если по результатам поверки средство измерений признано непригодным к применению, оттиск поверительного клейма и (или) «Свидетельство о поверке» аннулируются, и выписывается «Извещение о непригодности» или делается соответствующая запись в технической документации.

Существуют следующие виды поверок:

– первичная поверка проводится для средств измерений утвержденных типов при выпуске их с производства, после ремонта, при ввозе из-за границы. При утверждении типа средств измерений единичного производства на каждое из них оформляется сертификат об утверждении типа; первичную поверку данные средства измерений не проходят;

– периодическая поверка проводится для средств измерений, находящихся в эксплуатации, через определенные межповерочные интервалы. Необходимость поверки обусловлена возможностью утраты измерительным средством метрологических показателей из-за временных и других воздействий. Периодичность поверки зависит от временной нестабильности метрологических характеристик (метрологической надежности), интенсивности эксплуатации и важности результатов, получаемых с помощью средств измерений. Согласно рекомендации ВНИИМС—МИ 2273-93 «ГСИ. Области использования средств измерений, подлежащих поверке», первый межповерочный интервал устанавливается при утверждении типа;

– внеочередная поверка проводится: при необходимости подтверждения пригодности средства измерений к применению; в случае использования средства измерений в качестве комплектующего по истечении половины межповерочного интервала; в случае повреждения клейма или утери свидетельства о поверке; при вводе в эксплуатацию после длительной консервации (более одного межповерочного интервала); при отправке средств измерений потребителю после истечения половины межповерочного интервала;

– экспертная поверка проводится при возникновении разногласий по вопро­сам, относящимся к метрологическим характеристикам, исправности средств измерений и пригодности их к применению;

– инспекционная поверка выполняется в рамках государственного надзора или ведомственного контроля, для контроля качества первичных или периодических поверок и определения пригодности средств измерений к применению.

Калибровка средств измерений. В настоящее время в Российской Федерации с переходом к рынку возникла не­обходимость поиска новых форм организации метрологической деятельности, которые соответствовали бы рыночным отношениям в экономике. Одной из таких форм является организация Российской системы калибровки (РСК). Контроль средств измерений на предмет их пригодности к применению в мировой практике осуществляется двумя основными видами: поверкой и калибровкой.

Калибровка средства измерений – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действитель­ных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.

Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средства измерений, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах.

Поверку (обязательная государственная поверка) может выполнять, как правило, орган государственной метрологической службы, а калибровку — любая аккредитованная и неаккредитованная организация. Поверка обязательна для средств измерений, применяемых в сферах, подлежащих Государственному метрологическому контролю (ГМК), калибровка же — процедура добровольная, поскольку относится к средствам измерений, не подлежащим ГМК. Предприятие вправе самостоятельно решать вопрос о выборе форм и режимов контроля состояния средств измерений, за исключением тех областей применения средств измерений, за которыми государства всего мира устанавливают свой контроль, таких как здравоохранение, безопасность труда, экология и др. Освободившись от государственного контроля, предприятия попадают под не менее жесткий контроль рынка. Это означает, что свобода выбора предприятия по «метрологическому поведению» является относительной, так как необхо­димо соблюдать метрологические правила. Построение Российской системы калибровки (РСК) основывается на таких принципах, как добровольность вступления; обязательность получения размеров единиц от государственных эталонов; профессионализм и компетентность персонала; самоокупаемость и самофинансирование. Основное звено РСК – аккредитованная калибровочная лаборатория.

Методы поверки (калибровки) и поверочные схемы. Допускается применение четырех методов поверки (калибровки) средств измерений, а именно: непосредственное сличение с эталоном; сличение с помощью компаратора; прямые измерения величины; косвенные измерения величины.

Метод непосредственного сличения поверяемого (калибруемого) средства измерения с эталоном соответствующего разряда широко применяется для различных средств измерений в таких областях, как электрические и магнитные измерения, для определения напряжения, частоты и силы тока. В основе метода лежит проведение одновременных измерений одной и той же физической величины поверяемым (калибруемым) и эталонным приборами. При этом определяют погрешность как разницу показаний поверяемого и эталонного средств измерений, принимая показания эталона за действительное значение величины. Достоинства этого метода заключаются в его простоте, наглядности, возможности применения автоматической поверки (калибровки), отсутствии потребности в сложном оборудовании.

Метод сличения с помощью компаратора основан на использовании прибора сравнения, с помощью которого сличаются поверяемое (калибруемое) и эталонное средства измерения. Потребность в компараторе возникает при невозможности сравнить показания приборов, измеряющих одну и ту же величину, например, двух вольтметров, один из которых пригоден для постоянного тока, а другой – для переменного. В подобных ситуациях в схему поверки (калибровки) вводится промежуточное звено — компаратор. (Для приведенного примера потребуется потенциометр). На практике компаратором может служить любое средство измерения, если оно одинаково реагирует на сигналы как поверяемого (калибруемого), так и эталонного измерительного прибора. Достоинством данного метода специалисты считают последовательное во времени сравнение двух величин.

Метод прямых измерений применяется, когда имеется возможность сличить испытуемый прибор с эталонным в определенных пределах измерений. В целом этот метод аналогичен методу непосредственного сличения, но методом прямых измерений производится сличение на всех числовых отметках каждого диапазона (и поддиапазонов, если они имеются в приборе). Метод прямых измерений применяют, например, для поверки или калибровки вольтметров постоянного электрического тока.

Метод косвенных измерений используется, когда действительные значения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями либо когда косвенные измерения оказываются более точными, чем прямые. Этим мeтoдом определяют вначале не искомую характеристику, а другие, связанные с ней определенной зависимостью. Искомая характеристика определяется расчетным путем. Например, при поверке (калибровке) вольтметра постоянного тока эталонным амперметром устанавливают силу тока, одновременно измеряя сопротивление. Расчетное значение напряжения сравнивают с показателями калибруемого (поверяемого) вольтметра. Метод косвенных измерений обычно применяют в yстановках автоматизированной поверки (калибровки).

Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерения от эталона к рабочим средствам измерения составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений.

Поверочная схема – это утвержденный в установленном порядке документ, лимитирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений. Поверочная схема может быть государственной и локальной.

Государственная поверочная схема устанавливает передачу информации о размере единицы в масштабах страны. Она возглавляется государственными или специальными эталонами.

Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических служб министерств (ведомств) и юридических лиц. Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой. Государственные поверочные схемы разрабатываются научно-исследовательскими институтами Госстандарта РФ (в настоящее время Ростехрегулирования), держателями государственных эталонов. Локальная поверочная схема уточняет требования государственной схемы применительно к специфике данного ведомства. Она возглавляется рабочими эталонами.

Государственные поверочные схемы утверждаются Госстандартом РФ (Ростехрегулированием), а локальные — ведомственными метрологическими службами или руководством предприятия. Наименование эталонов и рабочих средств измерений на схеме (рису- нок 12) располагают в прямоугольниках (для государственного эталона – прямоугольник контурный). Здесь же указывают метрологические характеристики для данной ступени схемы. В нижней части схемы расположены рабочие средства измерений, которые в зависимости от их степени точности (погрешностей измерений) подразделяют на пять категорий: наивысшей точности; высшей точности; высокой точности; средней точности; низшей точности. Наивысшая точность обычно соизмерима со степенью погрешности средства измерения государственного эталона. В каждой ступени поверочной схемы регламентируется порядок (метод) передачи размера единицы. Наименования методов поверки (калибровки) располагаются в овалах, в которых также указывается допускаемая погрешность метода поверки (калибровки).

Рисунок 12 – Общий вид государственной поверочной схемы

2.1.5.6 Контрольные вопросы

1. Что такое микрометр, его принцип действия, принцип отсчета показаний?

2. Конструкция микрометра.

3. Разновидности микрометров и их основные технические характеристики.

4. Основные составляющие погрешности измерения микро-метром.

5. Что называется поверкой средств измерений?

6. Методы и средства поверки микрометров.

7. Что называется калибровкой средств измерений?

8. Что называется поверочной схемой?

9. Назовите и охарактеризуйте виды поверок.

10. Перечислите методы поверок и дайте краткую характеристику каждого из них.

2.1.5.7 Порядок выполнения работы

Поверку микрометров производят с помощью концевых мер длины. При этом выясняется погрешность измерения микрометром размера детали с плоскими поверхностями. Отдельно поверяют плоскостность и параллельность измерительных поверхностей с помощью плоскопараллельных стеклянных пластин. Работу следует выполнять в нижеизложенной последовательности:

1. Изучить конструкцию, регулирование и настройку микрометра.

2. Определить метрологические характеристики микрометра и свести в таблицу 11.

Таблица 11 – Метрологические характеристики микрометра

гладкого, мм

Инструмент	Диапазон измерений	Диапазон показаний	Цена деления основной шкалы	Цена деления шкалы на барабане	Предел допуск. погрешн.
Микрометр гладкий

3. Произвести поверку технического состояния микрометра.

4. Произвести поэлементную поверку микрометра. Для этого установить микрометр на нуль:

– закрепить стопор микровинта;

– разъединить барабан и микровинт, отвернув трещотку;

– совместить нулевой штрих барабана с продольным штрихом стебля и вращать по часовой стрелке корпус трещотки до плотного закрепления барабана на микровинте;

– освободить стопор микровинта;

– проверить правильность установки микровинта на нуль.

5. Составить блоки концевых мер, имеющих следующие значения:

5,12; 10,24; 15,36; 21,50 и 25 мм.

6. Помещая каждый блок между измерительными пятками, произвести отсчет до тысячных долей миллиметра.

7. Измерение каждой меры произвести не менее трех раз, взяв в качестве результата измерения среднее арифметическое .

8. Определить погрешность результата в каждой точке как разность результата измерения и значения меры . Сравнить погрешность показаний микрометра с допускаемой погрешностью (таблица Б.1).

9. Определить отклонения от параллельности измерительных поверхностей пятки и микрометрического винта интерферометрическим методом с помощью набора из четырех плоскопараллельных стеклянных пластин.

10. Стеклянные пластины поместить между измерительными поверхностями таким образом, чтобы сумма интерференционных полос, наблюдаемых между поверхностями пластин и измерительными поверхностями, была бы наименьшей.

При определении отклонения одну полосу принять соответствующей 0,3 мкм. Полосы, расположенные на расстоянии 0,5 мм от края, во внимание не принимать.

11. Поверку провести при закрепленном и незакрепленном сто-поре.

12. Сравнить полученные значения с допускаемыми отклонениями от параллельности (таблица Б.2).

13. Исходные и полученные значения измерений свести в табли-цу 12.

14. Сделать вывод о годности микрометра.

Таблица 12 – Результаты поверки микрометра, мм

Отсчет	Размеры концевых мер длины
	5,12	10,24	15,36	21,5	25
1-й
2-й
3-й
Среднее арифм. знач.
Погрешность шкалы
Погрешность параллельности пяток
Заключение о годности

2.1.5.8 Оформление отчета по работе

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии с п. 1.4. Отчет по экспериментальной части работы должен содержать результаты: определение метрологических характеристик объекта поверки (см. таблицу 11); поверки плоскопараллельности измерительных поверхностей микрометра; поверки шкалы; выводы по работе (см. таблицу 12).

Положительный результат поверки оформляют записью: «Микрометр типа МК-25-1 прошел поверку», указывают дату проведения поверки, дату следующей поверки, наименование организации, лаборатории и фамилию поверителя.

Если хотя бы один из пунктов таблицы 12 не соответствует требованиям, микрометр считается не прошедшим поверку. Отрицательный результат поверки оформляют записью: «Микрометр типа МК-25-1 непригоден и должен быть изъят из обращения». Указывают дату проведения поверки и повторной поверки после ремонта, наименование организации, лаборатории и фамилию поверителя.