М. И. Этингоф Современный штангенциркуль

Измерительная техника. 2012. №8

М.И.Этингоф

ОАО «НИИизмерения», Москва, Россия, e-mail: etingof@glasnet.ru

 

Штангенциркуль (ШЦ) – самый популярный инструмент для измерения линейных размеров изделий, который применяется уже более 100 лет. Традиционный штангенциркуль состоит из прямоугольной штанги (отсюда и название штангенциркуль и штангенинструмент) с измерительной губкой и нанесенной на штангу миллилетровой шкалой и  перемещающимся по штанге ползуна (рамки) со второй измерительной губкой  и нониусом. В таком конструктивном исполнении ШЦ  выпускается  и в настоящее  время. Однако сравнительно недавно был разработан и выпускается электронный ШЦ, снабженный инкрементным емкостным преобразователем и цифровым отсчетом. Поэтому целесообразно установить, в чем достоинства и недостатки обеих выпускаемых конструкций и перспективу их применения.

Благодаря простой конструкции, удобству в обращении и быстроте в работе, ШЦ является самым употребляемым цеховым и лабораторным инструментом для линейных измерений.  Каждый станочник, слесарь, технолог и конструктор имеет собственный ШЦ. Большое разнообразие форм  измерительных ножек, позволяющие измерять самые разные поверхности (наружные, внутренние, выступы, впадины и др.),  делают ШЦ универсальным инструментом для линейных измерений. Кроме ШЦ  выпускают много инструментов, построенных на этом же принципе – штангенглубиномер, штангенрейсмус, штангензубомер и др.

Штангенциркули выпускают многие зарубежные фирмы Tesa (Швейцария), Mitutoyo (Япония), Carl Mahr (Германия) и отечественные фирмы – Челябинский инструментальный завод (ЧИЗ) и Кировский инструментальный завод (КРИН). Также в продаже имеются китайские ШЦ, к которым следует относиться с определенной осторожностью из-за не всегда  высокого качества.

ШЦ выпускают  с двусторонним или односторонним расположением губок для наружных и внутренних измерений и с выдвижным щупом  для измерения глубин. Выдвижным щупом снабжают только ШЦ с диапазоном измерения  125 мм.

ШЦ с отсчетом по штриховой шкале  имеет прямоугольную штангу (отсюда и название инструмента – штангенциркуль) с неподвижной губкой и ползун (рамку) с губкой,  который перемещается по штанге. На штанге нанесена основная шкала с интервалом деления 1,0 мм, на ползуне нанесен   нониус – вспомогательная шкала,  служащая для точного отсчета долей деления основной шкалы.  ШЦ с отчетом по штриховой шкале выпускают  с диапазоном измерения от 125 до 2000 мм и с ценой деления нониуса 0,1; 0,05 и 0,02 мм.

Качество современных ШЦ очень высокое. Изготовление точной  направляющей ползуна (штанги) обеспечивает его плавное  перемещение без перекосов  губок и люфтов. Применеие нержавеющих сталей и сплавов   и термообработки обеспечивает  антикоррозийные свойства инструмента и высокую  износостойкость.

Однако механический ШЦ  со штриховым отсчетом имеет серьезный эксплуатационный недостаток – неудобство отсчета по штриховой шкале и нониусу особенно в условиях плохого освещения.

Этот недостаток был полностью исключен, когда начали выпускать электронный штангенциркуль с цифровым отсчетом.

Конструктивно электронный ШЦ  мало отличается от механического, но вместо шриховых шкал и нониуса он снабжен инкрементным, как правило, емкостным, преобразователем, небольшим  преобразующим устройством и цифровым дисплеем.

Инкрементный преобразователь состоит из гибкой линейки и съемника, выполненных из фольгированного диэлектрического материала. Линейка представляет собой многослойную гибкую  ленту с нанесенным на ней фольгированным слоем. На изнаночной стороне нанесен клей и линейка (лента) приклеевается по всей длине  штанги ШЦ. На фольгированном слое выполнены прямогугольные шрихи (электроды). Ширина  прямоугольных электродов  и промежутков между ними обычно одинакова (рис.1) и определяет чувствительность и точность измерительной системы. На ползуне ШЦ расположена небольшая считывающая шкала (съемник), с   электродами, нанесенными  на фольгированном слое.

Работу инкрементного емкостного преобразователя можно рассмотреть на схеме, показанной на рис.1 [1].  Хотя на практике применяют и другие конфигурации шкал, работающих на том же принципе.

емкостной

ис.1  Инкрементный емкостной преобразователь

Преобразователь состоит из двух плоских шкал.  На одной шкале 1 (линейке) нанесены одинаковые прямоугольные электроды 2 с постоянным шагом ℓ. На эти электроды от специального генератора подаются периодические напряжения, имеющие одинаковую форму и амплитуду, но сдвинутые по фазе. Указанные электроды являются передающими. Расположенный на той же шкале длинный электрод 3 является приемным.

На другой шкале 5 с постоянным шагом L нанесены электроды связи 4, некоторые из которых перекрывают и передающие и приемный электроды и осуществляют емкостную связь части передающих электродов с приемным. Отношение между шагом  передающих электродов и шагом электродов связи  составляет  L/ℓ = m, где   m – целое число и означает число передающих электродов, размещенных на интервале, равном шагу L.

Нормальная работа инкрементного емкостного преобразователя обеспечивается m-фазной системой питания передающих электродов для создания периодической пространственной волны. Все напряжения периодические, имеют идентичную форму, одинаковую амплитуду и обеспечивают заданный сдвиг фаз  Δφ = 2π/m.

Периодические напряжения передающих электродов создают волну, распространяющуюся между двумя пластинами. Часть этой волны попадает на приемный электрод и выходной сигнал преобразователя подается на фазочувствительное устройство, которое может определить момент времени t1, когда фаза выходного сигнала достигает значения φ0, если подвижная шкала смещена относительно неподвижной на величину х1. При смещении подвижной шкалы на величину х2 та же фаза φ0 достигается в момент времени t2. Измеряя сдвиг фазы выходного сигнала можно получить величину перемещения подвижной пластины преобразователя относительно неподвижной. Причем однозначность связи фазы с перемещением до определенных значений не зависит от скорости и ускорения движения подвижной шкалы относительно неподвижной.

На ползуне электронного ШЦ (рис.2) также расположена   электронная микропроцессорная схема и цифровой дисплей с дискретностью показаний 0,01 мм. Высота цифр составляет 7 – 9 мм. На корпусе ползуна имеются две кнопки «вкл/выкл» и установка нуля. Установка нуля возможна как при сведенных губках ШЦ, так и в любом месте штанги (например, для контроля партии одинаковых деталей).  Некоторые модели имеют дополнительные функции, например, сортировка по размерам, кодовый выход на внешние устройства и др. Вся электронная система питается от небольшой литиевой  батарейки, срок службы которой 1,5 года или 20000 часов.

Электронные ШЦ выпускаются со степенью защиты от IP40 – до IP67 (герметичные) по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96. Рис. 2. Электронный штангенциркуль

Следует отметить, что отсчет показаний по цифровому дисплею чрезвычайно удобен, а дизайн электронного ШЦ выполнен дружелюбным и пользовться им удобно и приятно.

Инкрементные емкостные преобразователи выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы. Поэтому инкрементные емкостные преобразователи наиболее удобны для применения в ручных измерительных приборах  с батарейным питанием и жесткими ограничениями на потребляемую мощность (штангенглубиномер, штангенрейсмус, штангензубомер и др.).  Кроме того, инкрементные емкостные преобразователи чрезвычайно просты по конструкции и технологичны, но практически не поддаются ремонту.

Суммарная погрешность измерения с помощью механического ШЦ  состоит из следующих составляющих:

– погрешность Δ1, возникающая от ошибок нанесения штрихов шкалы на штанге и на нониусе;

– погрешность Δ2 , возникающая из-за нарушения принципа Аббе. Это  погрешность  первого порядка, зависящая от длины губок, зазоров в направляющей ползуна и усилия прижима губки к измеряемой детали;

– погрешность Δ3, возникающая из-за ошибок отсчета по штриховой шкале и нониусу;

– погрешность Δ4, возникающая из-за неодинакового усилия  прижима губки к измеряемой детали и  деформации контролируемой поверхности измерительными губками;

– погрешность Δ5, возникающая из-за отклонений температуры изделия и ШЦ от нормальной температуры. В процессе измерения ШЦ, а иногда и контролируемую деталь держат в руках. Поэтому температура измеряемой детали и ШЦ переменная;

– погрешность Δ2, возникающая от перекосов губок ШЦ относительно измеряемой детали.

Cуммарная погрешность выражается как

ΔΣ = ±2σ= √∆12 + ∆22 + ∆32  + ∆42 + ∆52 + ∆62          (1)

У  электронного ШЦ , дополнительно возникает  погрешность Δ7 из-за  ошибок инкрементного емкостного преобразователя, но отсутствует погрешность штриовых шкал Δ1 и отсчета по ним Δ3. Таким образом, погрешность электронного ШЦ вычисляется по формуле

ΔΣ = ±2σ= √∆22 + ∆42 + ∆52 + ∆62 + ∆72           (2)

Из (1) и (2) следует, что основные и наиболее значимые составляющие суммарной погрешности механического и электронного ШЦ –  погрешность из-за нарушения принципа Аббе и температурная погрешность у обоих ШЦ одинаковы. Поэтому наличие инкрементного преобразователя и цифрового отсчета не повышает точность ШЦ.

Таким образом, электронный ШЦ не повышает точность измерения ШЦ,  несмотря на меньшую  дискретность отсчета и удобное и правильное считывание показаний.

Фирмы – изготовители часто приводят эмпирические формулы для расчета погрешности измерения. Так, фирма Tesa (Швейцария) приводит следующие формулы для ориентировочного расчета предельно допустимой погрешности измерения:

– ШЦ с осчетом по нониусу или циферблату  с ценой деления  0,1 или 0,05 мм

Δlim = (20 + ℓ/10 мм) мкм

– ШЦ  с ценой деления  нониуса 0,02 мм или с цифровым отсчетом с ценой деления  0,01 мм

Δlim = (22 + ℓ/50 мм) мкм

Однако во всех случаях  предельно допустимая погрешность измерения ШЦ будет не менее  50 мкм.

Штангенциркули  с штриховым и цифровым отсчетом выпускают и калибруют в соответствии с ГОСТ 166—89  и  международным стандартом  DIN 862.

Следует также отметить, что ШЦ удобно измерять размеры до 100-200 мм. Измерение  деталей большего размера особенно более 500 мм крайне сложно и требуе определенного опыта.

Таким образом, в настоящее время выпускают и широко применяют две модели ШЦ –  механический со штриховым отсчетом и электронный с цифровым отсчетом. Но электронный ШЦ настолько удобен в эксплуатации и   в ближайшем будущем он, по-видимому, постепенно вытеснит механический ШЦ.

 

1. Вороничев П.П. и др. Инкрементные емкостные преобразователи перемещений. М.: Датчики и системы, 2001, №2