10 Методы и средства испытаний и калибровки приборов

Испытания и калибровка приборов для линейных измерений  в широком смысле это совокуп­ность операций и процедур, проводимых для определения правильности функциониро­вания приборов, их технических и метрологических характеристик, работоспособности, на­дежности и т.п.

Всесторонние испытания и проверка приборов имеет решающее значение для качества и надежности приборов и правильности результатов измерений. При этом следует иметь в виду, что приборы  работают в разных  условиях как в лабораториях, так и в машиностроительном производстве непосредственно на металлорежущих станках или в составе автоматических линий. Иногда  приборы работают непрерывно зачастую по 2–3 смены и любая неполадка прибора ведет к простоям станка, а нарушение точности к выпуску брака. Так же важно понимать, что ошибки  одних приборов легко исправить, а ошибки других приборов приводят к получению неисправимого брака или к большим материальным потерям. Например, ошибка измерения микрометром легко перепроверяется, ошибка измерения на КИМ блока цилиндров как минимум ведет к потере нескольких часов, а отказ прибора активного контроля ведет к появлению неисправимого брака.. Поэтому испытания приборов являются важной и неотъемлемой частью производства приборов.

Государственными «Правилами по метрологии» определены различные виды испытаний средств измерений  – ка­либровка (ПР 50.2.017—95), поверка (ПР 50.2.006—94) и др.

В процессе разработки   приборы и их функциональные узлы проходят всесторонние испытания, объем которых значительно больше, объем  испытаний в процессе производства  и эксплуатации, однако во всех случаях применяют одинаковые средства и методы испытаний.

Методы и средства испытаний готовых  приборов. Под испытаниями по ГОСТ 16504-81 понимают экспериментальное определение параметров и показателей качества продукции в процессе функционирования или при имитации условий эксплуатации. (а также при воспроизведении воздействий на продукцию по заданной программе).

Предусмотрено много видов испытаний. Одни носят нормативный характер и предназначены для включения прибора в госреестр или постановки на производство, другие необходимы для определения точностных, фуккциональных и надежностных характеристик приборов. Объем, правила и методы испытаний, а также средства, с помощью  которых проводят испытания, прописаны в ТУ на прибор, методиках и ГОСТах.           При проведении испытаний и калибровки допускается использовать    не только  средства контроля, указанные в нормативных документах, но и другие средства, имеющие эквивалентные характеристики.

Соответствие требованиям показателей надежности устанавливается контрольными испытаниями на надежность по ГОСТ 27.410–87 и по результатам анализа подконтрольной эксплуатации.

На стадии подготовки и в процессе проведения калибровки  соблюдают следующие условия.     При определении точностных характеристик и параметров  должны соблюдаться  нормальные условия применения:

— температура окружающего воздуха                                      (20+5-2) °С;

–относительная влажность воздуха                                          (60±20)%;

– допустимое изменение температуры окружающего воздуха

в течение 4 ч,  не более                                                                           1,0 оС

– скорость изменения температуры окружающего воздуха,

не более                                                                                              0,6 оС/ч

При отсутствии в технической документации специальных указаний для контроля конкретных пунктов технических требований температурный режим и влажность окружающего воздуха устанавливают соответствующими условиям эксплуа­тации УХЛ 4.2 ГОСТ 15150–69.

Степень защиты согласно ГОСТ  14254-96 и международному стандарту DIN EN 60529. Приборы обычно выпускают со степенью защиты от IP43  до IP 68.

В случае, если перед определением точностных характеристик прибор находился в других климатических условиях, его следует выдержать в течение времени, необходимого для достижения температуры нормальных условий применения (не менее 2х часов).     .

Перед определением точностных характеристик  и параметров  закрепленные в соответствующих зажимных устройствах поверочные измерительные средства и испытуемые устройства выдерживают до 1 ч с момента закрепления для стабилизации механических напряжений элементов измерительной цепи. С рабочих поверхностей контактных наконечников удаляют загрязнения с помощью бензина или нефраса. Перед определением точностных характеристик проводят предварительную обкатку (имитацию многократного измерения).

     После включения прибора  в сеть электрического питания, если прибор питается от сети, любой вид испытаний проводят не раньше, чем истечет период времени установления рабочего режима (обычно 15 мин).

Испытания и калибровка приборов

Испытания приборов включает много отдельных процедур. Для каждого прибора в ТУ устанавливают конкретное количество испытаний, средства измерений и т.п.

     Внешним осмотром проверяют:

— качество отделки, покрытий и окраски прибора;

— плавность перемещения регулировочных элементов;

— надежность затяжки крепежных винтов;

— маркировку соединительных кабелей и разъемов;

— наличие клеммы для подсоединения «заземления» (если приор снабжен электронным блоком.

Комплектность прибора проверяют на соответствие ведомости комплектации и  эксплуатационной документации.

Маркировку прибора проверяют на соответствие чертежам и ГОСТ 13762—86.

Механические испытания. К механическим испытаниям относятся виды испытаний, в которых имитируются реальные условия эксплуатации при механических воздействиях.

Такими испытаниями являются: вибрации, дорожная тряска, имитирующая транспортировку, удары, постоянное ускорение, износоустойчивость. Механические испытания проводят с помощью специальных стендов.

Вибрационные испытания прибора позволяют выявить наличие механических дефектов и проверить стабильность их метрологических характеристик при воздействии вибраций.

Вибрацией называется механическое воздействие, характеризуемое

постоянными амплитудой, частотой и ускорениями, соответствующими

периодическому закону:

x = Asin wt

Первая производная дает скорость x = Acos w t.

Вторая производная – ускорение х =Аsin w t.

Здесь A – амплитуда, w – круговая частота w = p n , где n – частота.

Испытания проводятся с заданными частотой и амплитудой, которым

соответствует ускорение по приведенной формуле. Испытания проводятся на вибрационных стендах.

При стендовых вибрационных испытаниях желательно более полно имитировать условия эксплуатации и проверять приборы на весь спектр частот, воздействующий на них. Однако такие испытания слишком трудоемки и, кроме того, не всегда точно известны значения частот, встречающиеся в эксплуатации. Поэтому испытания приборов проводят при фиксированных нагрузках (желательно максимальных), возникающих в условиях эксплуатации.

Приборы  проверяют по двум параметрам на вибропрочность и виброустойчивость. Проверка на вибропрочность позволяет выявить недостатки сборки, пайки и другие дефекты изготовления. Поэтому целесообразно проверять на вибропрочность все приборы на заводе-изготовителе. Проверка на виброустойчивость позволяет установить, не возникают ли дополнительные погрешности прибора под воздействием вибраций в процессе измерения, например, в результате отрыва измерительных наконечников датчика касания КИМ от измеряемой поверхности. На виброустойчивость целесообразно проверять приборы только при разработке и выпуске новых моделей. Для испытаний приборов на вибропрочность и виброустойчивость подходят электродинамические виброустановки с диапазоном частот 5—5000 Гц, максимальным перемещением 10 мм.

Проверку вибропрочности прибора и оценку качества монтажа электрооборудования проводят с помощью вибростенда, создающего вибрации с частотой 50 Гц и с амплитудой виброперемещения (половина размаха) до 0,2 мм. Все составные части прибора закрепляют в рабочем положении на платформе вибростенда. В течение 10 минут проводят испытания на режимах, указанных в ТУ. Прибор считают выдержавшим испытания, если после прекращения вибрационной нагрузки при наружном осмотре не будут выявлены механические повреждения, ослабление креплений, нарушение качества монтажа электрооборудования. При этом нормируемые характеристики приборов должны соответствовать требованиям стандартов и техническим условий.

Герметичность пневмопроводов и их соединений проверяют при давлении 0,6 МПа включением манометра класса 2,5 на участке между входом в пневмосистему и стабилизатором давления. При перекрытии входа и выхода участка проверяемой пневмосистемы стрелка манометра не должна отклоняться от начального положения в течение 1 мин. При проверке герметичности на участке пневмосистемы от стабилизатора давления до измерительной оснастки используют манометр класса 1. При подаче воздуха под давлением 0,2 МПа и при перекрытии входа и выхода проверяемого участка пневмосистемы стрелка манометра не должна отклоняться от исходного положения в течение 3 мин.

Герметичность приборов, механизмы которых заключены в герметичный корпус (степень защиты IP68), проверяют погружением в сосуд с водой (рис. 10.1) и подачей внутрь корпуса воздуха с избыточным давлением от 0,01 до 0,015 МПа. По истечении 5 минут с момента погружения не должно появляться следов утечки воздуха (пузырьков).    .12.1-1 Рис. 10.1 Схема проверки герметичности

Существует и более технологичный метод проверки без погружения в воду.     Испытание  производят с помощью специального компрессора небольшой мощности, создающего в приборе небольшое избыточное давление в соответствии с ТУ. С помощью секундомера замеряют время падения давления с момента прекращения нагнетания воздуха до снижения давления на половину избыточного давления, поданного в прибор.

Иногда,  подобные испытания проводят, вводя в полость прибора фреон под избыточным давлением в соответствии с ТУ. С помощью газовой горелки, чувствительной к появлению в воздухе фреона, определяют наличие утечки фреона. Вместо фреона иногда применяют гелий, утечку которого обнаруживают с помощью специальных течеискателей.

     Электрическую прочность изоляции проверяют между клеммой “Земля”, соединенной с корпусом электронного блока (если прибор снабжен электронным блоком), и всеми входными и выходными электрическими цепями, изолированными от корпуса по постоянному току. На цепи подают испытательное напряжение переменного тока и плавно повышают его до указанной в ТУ величины, например,  от 0 до 1,5 кВ в течение 5–10 с. При достижении 1,5 кВ поддерживают напряжение в течение одной минуты, а затем плавно снижают его до нуля. Прибор считают выдержавшим испытания, если не произошло пробоя или перекрытия изоляции. Появление “короны” или шума при испытании не считается признаком неудовлетворительного результата испытания. Значения напряжений могут быть другими в соответствии с ТУ.

Испытание на электрическую прочность изоляции допускается проводить на одних и тех же образцах приборов не более 2 раз. При повторном испытании испытательное напряжение не должно превышать 1,2 кВ.

     Сопротивление изоляции между корпусом блока  и электрическими цепями, указанными при испытаниях на прочность изоляции, определяют в нормальных условиях применения с помощью мегаомметра. Испытательное напряжение постоянного тока, указанное в ТУ, например,  500 В подводят к испытуемым электрическим цепям, соединенным  последовательно с микроамперметром. Отсчет показаний по мегаомметру и микроамперметру проводят по истечении одной  минуты после приложения напряжения к испытуемым цепям. Прибор считают выдержавшим испытания, если сопротивление изоляции равно или превышает нормированное в ТУ значение.

У электронных штангенциркулей, индикаторов, индуктивных преобразователей, сопротивление изоляции проверяют между корпусом и распаянными на кабельную вилку проводами. Кроме того, проверяют сопротивление изоляции между корпусом  и экраном выводов кабеля. Полученные значения должны быть не меньше нормированных в ТУ величин.

Шероховатости рабочих поверхностей контактных наконечников устанавливают путем визуального сравнения с образцами шероховатости или аттестованными деталями-образцами.

Качество функционирования узлов прибора определяют путем опробования. При этом устанавливают отсутствие заеданий и люфтов при наладочных перемещениях элементов настройки, надежность их фиксации при установке в требуемое рабочее положение. Правильность функционирования прибора устанавливают воспроизведением взаимодействия механической, электрической и пневмогидравлической систем.    

Контактное усилие приборов проверяют на весах для статического взвешивания,  с помощью набора гирь,  с помощью специального пружинного динамометра (рис. 10.2) или динамометра со шкалой и стрелкой (рис. 10.3). Силу, прикладываемую к наконечнику по линии измерения, фиксируют при достижении близкого к нулю показания отсчетного устройства или в момент срабатывания у датчиков касания КИМ.

динамометрРис. 10.2  Специальный пружинный динамометр для контроля малых измерительных усилий

Выпускают пружинные динамометры со шкалой и стрелкой с диапазоном измерений от 5 до 50 сН и ценой деления от 1 до 5 сН.

  Рис. 10.3    Пружинный динамометр со шкалой и стрелкой

Дорожная тряска.  Проверенный в нормальных условиях применения и упакованный в транспортную тару прибор испытывают  либо в естественных условиях транспортировкой готовых приборов на расстояния, заданные ТУ по неровным дорогам (булыжным мостовым, грунтовым дорогам), либо на стенде, имитирующим дорожную тряску.   Расстояние транспортировки и скорость движения автомашины задается  ТУ. После испытаний на вибрацию и тряску проверяются крепление неподвижных соединений, усилия, крутящие моменты и равномерность хода  подвижных соединений.

      Испытание на удар.   Испытание на удар производится на специальных стендах, на которых создаются необходимые мгновенные ускорения, соответствующие требованиям ТУ. Ударные нагрузки характеризуются формой, амплитудой, периодом и длительностью колебаний. Они представляют собой импульсы силы с амплитудой до 10g (ускорение силы земной тяжести) с малой длительностью и значительным по сравнению с длительностью периодом.

При этом ускорения создаются за счет удара свободно падающего тела о наковальню или по платформе, на которой устанавливаются приборы. Кинетическая энергия падающего тела определяется его массой и высотой расположения центра тяжести тела.

Испытание на ускорение. Испытание на постоянно действующее ускорение производится на стендах, подобных центрифугам. Используемые для испытания центрифуги характеризуются допустимыми перегрузками, развиваемым ускорением, габаритными размерами и конструкцией центрифуги. Последние могут быть дисковыми по форме и консольные. Дисковые по форме центрифуги представляют собой круглую платформу, вращающуюся на оси, приводимой во вращение двигателем. Прибор устанавливается на расчетном расстоянии от оси вращения. На таком же расстоянии укрепляется противовес с массой, равной по массе приору. При вращении платформы на прибор действует центробежная сила, создающая постоянное ускорение.

Режим испытания на перегрузку устанавливают изменением либо частоты вращения n, либо расстояния прибора от центра вращения R.

При испытаниях на удары и постоянные ускорения контролируют  прочность неподвижных соединений, равномерность движения подвижных соединений, усилия и моменты вращения, а также остаточные изменения параметров и характеристик прибора. Виды контролируемых параметров и допустимые отклонения указываются в  ТУ.

  Климатические испытания. В соответствии с условиями эксплуатации и  ТУ на приборы для линейных измерений, которые эксплуатируются в помещениях (цехах, лабораториях),   приборы должны сохранять работоспособность при температуре от +10 до +40° С и­ относительной влажности 95 %.

При испытаниях на нагревание прибор помещают в специальную камеру, обеспечивающую необходимый температурный режим в соответствии с ТУ: скорость повышения температуры, продолжительность выдержки прибора в камере при заданной температуре, режим последующего охлаждения до комнатной температуры.

При испытании на нагревание проверяют работу механизмов,  вытекания клеющего вещества, смазки и уплотняющей замазки, отслаивания лака, отпотевания внутренних  деталей, изменения  точностных характеристик, превышающих допуски. Нарушение плавности хода, увеличение люфтов, уменьшение крутящих моментов на маховичках и усилий перемещения кареток для прямолинейного движения узлов характеризуют неудовлетворительную сборку подвижных соединений, неправильный выбор зазоров и т.п.

Отпотевание  при нагревании объясняется как проникновением влаги в  приборы вследствие плохой герметичности, так и вследствие переноса влаги с металлических частей, нагревающихся быстрее неметаллических частей  из-за их меньшей теплопроводности. Приборы, в которых обнаружено запотевание, необходимо разобрать, почистить  внутри, просушить, вновь собрать и герметизировать прибор.

Испытание на охлаждение прибора имеет значение только для транспортировки, потому что приборы для линейных измерений работают при плюсовых температурах. Для проведения испытаний прибора на воздействие пониженной (повышенной) температуры, соответствующей условиям транспортирования, устанавливается следующая методика.

Проверенный в нормальных условиях применения прибор в транспортной упаковке помещают в камеру холода (тепла) и понижают температуру до (-50±3)0С, а затем повышают до (+50±3)0С и выдерживают не менее 3 ч при каждом режиме. По истечении времени выдержки извлеченный из камеры прибор распаковывают и выдерживают не менее 12 ч в нормальных условиях применения. Внешним осмотром устанавливают отсутствие повреждений. Затем в нормальных условиях применения проводят контроль соответствия точностных характеристик и основных параметров, установленных стандартами.

Для проведения испытаний прибора на воздействие повышенной влажности, соответствующей условиям транспортирования, устанавливается следующая методика. Проверенный в нормальных условиях применения и упакованный в транспортную тару прибор помещают в камеру влажности и повышают влажность до (95±3)% при температуре (35±3) 0С. Время выдержки в камере должно быть не менее 2 ч.

Прибор подвергают естественному охлаждению до температуры и влажности нормальных условий применения и выдерживают не менее 12 ч. Затем в этих же условиях проводят контроль соответствия точностных характеристик и основных параметров, установленных стандартами.

Испытания на температурный перепад проводят в специальных камерах. Они должны иметь  нагревательные устройства внутри камеры. Температурный перепад представляет наиболее неблагоприятное воздействие на приборы, потому что от  него возникает температурная погрешность. Поэтому после и во время испытаний на перепад проверяют метрологические характеристики прибора.

  Испытания на дождевание и брызгозащищенность (IP43, IP54).   Испытания проводят с помощью установок, представляющих собой шкафы с водонепроницаемыми стенками. Сверху расположены душевые устройства, в которые подается вода с температурой выше температуры окружающего пространства на несколько градусов для того, чтобы при испытании не было засасывания влаги. Ниспадающие струи создаются с помощью душевых воронок. Интенсивность дождя проверяется с помощью дождемерных сосудов. Приборы размещаются на подставках либо на платформах, вращающихся с помощью электродвигателя, за счет чего меняется ориентация прибора относительно струй воды. В некоторых конструкциях камер предусмотрены устройства изменения направления струй воды под заданным углом. В описываемых камерах  испытываются также на “брызгозащищенность” при обрызгивании направленными сбоку струями воды из  сопел.

Испытания на пыленепроницаемость  (IP43, IP54). Испытания производятся в специальных камерах, в которых создается движение пылевоздушной смеси из кварцевого песка, каолина и мела с заданной скоростью. Иногда применяют пыль с примесью люминесцирующих порошков. В этом случае проникновение пыли обнаруживают при ультрафиолетовом освещении.

Функциональные испытания. Под _функциональными испытаниями_ понимают испытания, соответствующие воздействиям при работе прибора. К таким воздействиям можно отнести усталость и старение материалов, износ деталей, вызывающий погрешности функционирования, нарушение юстировки и согласования подсистем прибора. Комплекс перечисленных и других факторов может привести к отказу функционирования. В принципе, всегда имеется период времени, после которого возникает отказ под воздействием нескольких факторов или одного доминирующего фактора.

При проектировании прибора продолжительность безотказной работы рассчитывается или задается с учетом всех факторов, влияющих на функционирование прибора. Однако, вследствие дефектов материалов, технологии обработки и сборки действие отдельных факторов может усиливаться и отказ может наступить преждевременно.

Функциональные испытания ставят своей целью определить соответствие прибора требованиям  надежности. Под_функциональной надежностью_ понимают соответствие параметров и характеристик прибора, определяющих качество функционирования, номинальным значениям с отклонениями, не превышающих установленные ТУ допуски.

  Испытания на безотказность функционирования. Этот вид испытаний является общим для всех приборов в отличие от других испытаний, зависящих от назначения прибора. При осуществлении испытаний большое значение имеет планирование испытаний, которое заключается в

определении объема испытаний, числа контролируемых параметров и т.п. Задача определения объема испытаний сводится к вычислениям  или назначению наработки (времени, числа срабатываний, циклов и т.д.), которую должны показать отобранные для испытаний n изделий, чтобы подтвердить требуемый ресурс прибора  заданной доверительной вероятностью  при разрешенном числе отказов.  Под отказом понимается достижение предельного состояния, например, выход какого-либо параметра за пределы допуска. Подобные  ресурсные испытания могут быть проведены с любыми изделиями. Следует иметь в виду, что изделия, подвергшиеся испытаниям, вследствие выработки ресурса, к дальнейшей эксплуатации мало пригодны. Поэтому число изделий, подвергающихся ресурсным испытаниям , должно быть минимальным и ресурсные испытания проводятся при достаточно большом выпуске изделий.

Определение метрологических характеристик (погрешностей) прибора.    Это самая ответственная часть испытаний, включающая поверку и калибровку прибора. Для каждого прибора определение погрешностей прописаны в ТУ на прибор, а для приборов массового выпуска разработаны Методики и ГОСТы проверки прибора. Одни приборы проверяются с помощью универсальных средств, например, КМД,  для других разработаны специальные стенды и установки. Все приборы поверяются и калибруются методом сравнении с КМД или более точными образцовыми аттестованными средствами.

Калибровка приборов с помощью КМД требует опыта и достаточно трудоемка. В настоящее время выпускают оптоэлектронные приборы с ценой деления 0,1 и 0,01 мкм и диапазоном измерения до 100 мм, например  типа METRO (Heidenhain) или ЛИР—14 (СКБ СИ, Санкт-Петербург), с помощью которых очень удобно калибровать некоторые приборы – индикаторы часового типа, электронные индикаторы, индуктивные приборы, приборы активного контроля и др. Оптоэлектронные приборы благодаря большому диапазону измерения, высокой точности, установке нуля (сброс на ноль) в любой точке диапазона измерений и цифровому отсчету чрезвычайно удобны для настройки, проверки и испытаний  измерительных приборов. Одним из условий калибровки с помощью оптоэлектронного образцового прибора является обеспечений плавных одинаковых долемикронных одновременных перемещений, задаваемых  измерительным наконечникам образцового и калибруемого приборов. Это позволяет сравнить их показания и определить погрешность в любой точке диапазона измерений.

 

  Митрофанов С.С. Теоретические и физические основы устройства оптических приборов. СПбГУ ИТМО