Средства измерений занимают важное место в жизни людей. Поэтому и появилось крылатое выражение «знай меру». Качество и полнота метрологической поддержки производства и технического обслуживания используемого оборудования определяют потребительские свойства продукции. Метрология также влияет на себестоимость и конкурентоспособность товаров, предлагаемых производителями.
В научных исследованиях оперативность и достоверность тестов определяют развитие науки на много лет вперёд. В здравоохранении от достоверности результатов диагностики, актуальности и быстроты получения тестов зависит здоровье, а иногда и жизнь пациентов.
Измерительные головки представляют собой распространённые средства измерений, которые применяются в машиностроении и электротехнике. Эта статья поможет читателям сориентироваться в номенклатуре рассматриваемых устройств. Она подготовлена для того, чтобы познакомить аудиторию с функциональными возможностями и особенностями эксплуатации средств измерений этого класса.
Время чтения: 14 минут
Обзор измерительных головок
В машиностроении головки используются для точной диагностики размеров деталей машин и механизмов. Другое распространённое название этих изделий «индикаторы». Принцип действия индикаторов основан на конверсии небольших отклонений размеров тестируемых изделий в величины, которые удобны для восприятия и дальнейшего анализа.
Выпускаются измерители с часовым или пружинным механизмом, с рычажно-зубчатой передачей и электронные.В электротехнике измерительные головки используются для количественной оценки режимов работы узлов и блоков. С помощью таких электрических приборов можно измерять ток, напряжение, мощность и объём потребляемого электричества. Также выпускаются многофункциональные устройства с расширенными возможностями. Есть индикаторы стрелочного типа и устройства с цифровой визуализацией итогов измерений. Устройства первого вида работают по принципу аналогового магнитоэлектрического гальванометра, знакомого по курсу физики средней школы. В изделиях второго типа измеряемая величина преобразуется в дискретную форму и отображается на цифровом дисплее. Метрологические характеристики измерительных приборов, перечисленных выше, определяются принципом действия. Этот аспект будет обсуждаться далее.
Классификация и типы измерительных головок
Механические измерители
Существуют несколько механических приборов. К ним относятся:
- головки рычажно-зубчатые;
- микрокаторы;
- миникаторы;
- микаторы;
- компараторы;
- оптикаторы;
- электроконтактные измерители.
Микрокаторы используются для непосредственных контактных исследований линейных размеров и контроля геометрической формы различных изделий в машиностроении.
В них измеряемый линейный размер преобразуется в угол поворота стрелки индикатора. Пределы измерения составляют от единиц до нескольких сотен микрон. Первые микрокаторы были предложены в 1930 г. шведской фирмой «Johanson Company».
Миникаторы — это устройства, применяемые для измерений размеров изделий сложной формы в труднодоступных местах.
Компараторами называют метрологические инструменты, позволяющие сравнивать результаты тестов с эталоном.
Оптикаторы (головки пружинно-оптические) применяются для тех же целей, что и микрокаторы. Принцип их работы тоже одинаков. Основное отличие состоит в способе визуализации результатов тестирования. В рассматриваемом средстве измерений вместо стрелочного индикатора применяется оптическая система, состоящая из зеркальца, конденсора и лампочки, освещающей штриховую метку.
Оптикатор обладает вдвое большей чувствительностью по сравнению с микрокатором и одинаковой точностью измерений во всех точках шкалы.
Для тестирования размеров деталей производится целый класс устройств, называемых оптиметрами. Вертикальные оптиметры предназначены для тестирования наружных габаритов деталей. Приборы горизонтального размещения универсальны, поскольку позволяют измерять наружные и внутренние размеры. Рассмотрение этих аппаратов выходит за рамки настоящей публикации.
Электроконтактные головки предназначены для преобразования измеряемого размера в электрический сигнал. Они используются в металлообрабатывающих станках с ЧПУ, не являются самостоятельными метрологическими средствами, поэтому здесь не рассматриваются.
По конструктивному исполнению выделяют изделия рычажно-зубчатого, пружинного, часового типа или электронные.
В зависимости от применяемых средств индикации, механические тестовые головки делят на несколько категорий.
- Стрелочные (с ограничителями угла поворота стрелки).
- Часовые (с одним или двумя циферблатами).
- Оптические.
- С цифровой шкалой.
Производятся специальные виды механических тестовых приборов, таких как герметизированные, виброустойчивые, с малым измерительным усилием, с регулируемым усилием и другие.
Электротехнические измерители
По видам применяемых индикаторов эти аппараты классифицируют на:
- аналоговые измерительные головки магнитоэлектрического типа;
- цифровые измерительные головки с жидкокристаллическими, светодиодными индикаторами или графическими дисплеями.
Внешний вид магнитоэлектрического устройства со стрелочным индикатором изображён на следующем рисунке.
В простых цифровых приборах с его помощью обеспечивается диагностика токов и напряжений. Кроме того, в устройствах имеется один или несколько видов защиты от перегрузок и интерфейс Bluetooth для связи с внешними приборами.
В многофункциональных цифровых изделиях реализованы дополнительные виды тестов. Это анализ потребляемой мощности и энергии, температуры, ёмкости аккумуляторов, отсчёт времени, прошедшего с момента начала испытаний.
Внешний вид тестера с графическим дисплеем представлен на следующем рисунке.
Технические характеристики
Механические устройства
Их можно описать следующими метрологическими показателями:
- виды тестируемых объектов;
- диапазон тестируемых размеров;
- гарантированное разрешение;
- допустимая погрешность;
- необходимое усилие.
К важным эксплуатационным критериям относятся срок службы, условия эксплуатации, периодичность калибровки и поверки, гарантии производителя.
Электротехнические приборы
Такие измерители обеспечивают такой же набор функций, как и простейшие портативные мультиметры. Этот вопрос обсуждался в ранее опубликованном материале.
В сложных многофункциональных изделиях поддерживаются дополнительные возможности. К ним относятся тестируемая мощность, температура, объём потребления энергии, временные интервалы от начала до завершения испытаний.
Электротехнические аппараты характеризуются следующими параметрами:
- погрешностью;
- разрешением;
- чувствительностью;
- пределами измерения.
Эксплуатационные показатели этих приборов и механических устройств одинаковы. Для электронных измерителей к ним добавляются время непрерывной работы от встроенного источника питания, наработка на отказ и способ выбора пределов измерения (ручной или автоматический). Все аппараты должны иметь сертификаты соответствия.
Сравнительный анализ моделей
Ниже приводится краткий обзор моделей ведущих брендов, выбранных для анализа.
Механические приборы
Для сопоставления характеристик различных измерительных головок были выбраны устройства с рычажно-зубчатым механизмом Syntek 42 мм, 0–5 мм, 0.01 мм и Anting 0–5 мм, 0.01 мм.
| Характеристика | Syntek 42 мм, 0–5 мм, 0.01 мм | Anting 0–5 мм, 0.01 мм |
| Диапазон измерения, мм | 0–5 | 0–5 |
| Разрешение, мм | 0.01 | 0.01 |
| Погрешность, мм | 0.016 | 0.005 |
| Цена, руб* | 5135 | 3949 |
*Примечание. Цена приведена на момент написания статьи.
Сравнение метрологических качеств измерительных головок этих производителей показывает, что изделие Syntek существенно проигрывает в погрешности измерения прибору Anting.
Электротехнические измерители
Для сравнения измерительных головок рассматриваемой группы устройств рассмотрим особенности многофункциональных изделий JUNTEK VAT1030 и VAC9610S 500A.
| Характеристика | JUNTEK VAT1030 | VAC9610S 500A |
| Диапазон измерения тока, А (разрешение) | 0–30 (0.01) | 0.5–500 (0.3) |
| Пределы тестирования напряжения, В (разрешение) | 0–100 (0.01) | 0–120 (0.1) |
| Диапазон измерения температуры, °С | от -20 до +120 | 1–100 |
| Пределы тестирования мощности, кВт | 0–200 | 0–60 |
| Объём потребления энергии, кВт/ч | 0–4000 | нет |
| Диагностика ёмкости аккумуляторов, кА/ч | 0–2000 | нет |
| Точность тестирования тока/напряжения/температуры,% | 5/2/3 | 2/1/2 |
| Дисплей | Светодиодный | Жидкокристаллический |
| Цена, руб* | 7751 | 6556 |
*Примечание. Цена приведена на момент написания статьи.
Особенности изделия JUNTEK VAT1030:
- расширенный функционал, включающий тест ёмкости аккумуляторов, времени до 99 дней и объёма потребления энергии;
- наличие интерфейса Bluetooth для связи с внешним оборудованием;
- широкие пределы тестирования потребляемой мощности;
- поддержка защиты от перегрузки по току, напряжению.
- Отличная комплектация, включающая в том числе сумку для хранения и транспортировки.
Особенности продукта VAC9610S 500A:
- наличие разветвлённой системы защиты от перегрузки по току, напряжению, от превышения пределов измерения мощности и перегрева;
- лучшие точностные характеристики по сравнению с аппаратом UNTEK VAT1030;
- широкие пределы тестирования токов и напряжений.
Гарантия вендоров на все сравниваемые устройства одинакова и составляет 12 месяцев.
Калибровка измерительных головок
Целью калибровки рассматриваемых средств тестирования является определение их реальных метрологических параметров и оценка пригодности для использования по прямому назначению.
Калибровка непосредственно влияет на точность тестов, поскольку позволяет оценить величину поправки, которая индивидуальна для каждого конкретного прибора.
Методы калибровки для разных типов средств тестирования отличаются. Остановимся на основных моментах методики применительно к механическим измерителям часового типа.
Перед началом испытаний прибор осматривают. При отсутствии у испытываемого образца видимых повреждений выполняют общую проверку работоспособности.
При этом контролируют следующие ключевые функции:
- отсутствие проворачивания стрелки в момент остановки;
- плавность работы механизма совмещения стрелки прибора с произвольным делением шкалы;
- соответствие показаний шкалы числа оборотов тестера количеству перемещений измерительного стержня;
- невозможность произвольного смещения стрелки изделия от выбранного оператором положения.
Затем контролируют измерительное усилие и его отклонения (в том числе и при изменении направления перемещения измерительного штока), размах показаний измерителя и их вариацию.
Для проведения этих оценок необходимы циферблатные весы, граммометр, специальный эталон с микрометрическим винтом.
Наиболее часто встречающейся ошибкой при выполнении вышеописанных манипуляций является игнорирование важного требования: объект исследований и применяемое оборудование должны находиться в лаборатории в распакованном виде. Потребуется некоторое время, чтобы приборы пришли в состояние теплового равновесия с воздухом в помещении.
Правильная эксплуатация измерительных головок невозможна без соблюдения межкалибровочного интервала. Для механических устройств установлена периодичность калибровки один раз в год.
Рекомендации по подбору и использованию оборудования
Без применения измерительных головок механического типа немыслимо производство любых деталей машин и механизмов.
Выбирая микрокатор, учитывают следующие соображения:
- Если для тестов необходим прибор с широким диапазоном измеряемых размеров деталей и одинаковой точностью в пределах этого диапазона, то целесообразно выбрать устройство с рычажно-зубчатым механизмом и двухциферблатным индикатором часового типа.
- Если в испытаниях важна малая погрешность измерений, следует использовать микрокаторы с пружинным механизмом. Полученный при этом проигрыш в ширине диапазона тестируемых размеров можно скомпенсировать приобретением нескольких устройств для перекрытия необходимого предела измерения.
- Лучшую точность испытаний можно получить, если использовать приборы, в которых реализован оптический принцип отображения информации.
- Для простых электротехнических измерений применяют недорогие измерители магнитоэлектрического типа.
Для комплексных испытаний удобнее применять более сложные и дорогостоящие многофункциональные измерители, чтобы не возить с собой целый арсенал приборов.
Механические измерители рассчитаны на автономное использование. Тестеры электрического типа могут использоваться автономно или в составе различных электротехнических и электронных устройств. Это существенно расширяет области их применения. Поэтому характеристики таких тестеров будут непосредственно влиять на эксплуатационные параметры оборудования, в которое они интегрированы.
Подобрать средства измерений, отвечающие любым требованиям разработчиков и эксплуатантов различной электроники, поможет поисковая система магазина Суперайс. Информация, относящаяся к теме этой публикации, находится в разделе, посвящённом измерительным головкам.
Использование высококлассного профессионального оборудования позволит подразделениям контроля качества получать объективные результаты тестирования продукции. Это обеспечит её соответствие техническим условиям. Изоляции бракованных изделий на стадии выходного контроля обеспечит поставки потребителям продукции с требуемыми характеристиками.
