1
ATESTACJA
APARATURY POMIAROWEJ
CZĘŚĆ 3.
ATESTACJA
APARATURY POMIAROWEJ
CZĘŚĆ 3.
Jednostka
prowadząca:
Instytut Metrologii i Inżynierii
Biomedycznej
Autor
prezentacji:
dr inż. Jerzy
Arendarski
2
Wzorcowanie
płytek wzorcowych, płytek
kątowych, kątowników
i płytek
interferencyjnych
Wzorcowanie
płytek wzorcowych, płytek
kątowych, kątowników
i płytek
interferencyjnych
3
Wzorcowanie (inaczej kalibracja) to zbiór
operacji ustalających, w określonych
warunkach,
relację między wartościami
wielkości mierzonej wskazanymi przez
przyrząd pomiarowy
...,
a odpowiednimi wartościami wielkości
realizowanymi przez wzorce jednostki miary
.
Uwaga:
Wynik wzorcowania pozwala na przypisanie wskazaniom
odpowiednich wartości wielkości mierzonej
lub na wyznaczenie poprawek wskazań.
4
Wymiary płytki wzorcowej
Wzorcowanie płytek wzorcowych
f
o
= l
max
- l
c
f
u
= l
c
- l
min
ν = l
max
- l
min
= f
o
+ f
u
5
Długość płytki wzorcowej
odległość, w kierunku prostopadłym, między
każdym dowolnym punktem powierzchni
pomiarowej a powierzchnią płaską płytki
pomocniczej, z tego samego materiału i o
takiej
samej strukturze powierzchni, do której
druga
powierzchnia pomiarowa płytki wzorcowej
została przywarta.
(wg PN-EN ISO 3650)
Definicja długości płytki wzorcowej
6
1. Odchyłka długości w dowolnym
punkcie od długości nominalnej
Podstawowe właściwości płytki wzorcowej
2. Odchyłka płaskości powierzchni pomiarowej
3. Zakres rozrzutu długości
4. Przywieralność
PN-EN ISO 3650:2000 „Płytki wzorcowe”
7
Dopuszczalne odchyłki długości płytek
wzorcowych i dopuszczalna zmienność długości
Klas
a
Odchyłki graniczne
dop. t
e
Zakres rozrzutu
długości
ν
K
± (0,20 +0,004 l
n
)
μm
(0,05 +0,0002 l
n
) μm
0
± (0,10 +0,002 l
n
)
μm
(0,10 +0,0003 l
n
) μm
1
± (0,20 +0,004 l
n
)
μm
(0,16 +0,00045 l
n
)
μm
2
± (0,40 +0,008 l
n
)
μm
(0,30 +0,0007 l
n
) μm
Klasyfikacja i właściwości płytek wzorcowych
8
Dopuszczalne odchyłki płaskości powierzchni pomiarowych
Klasyfikacja i właściwości płytek wzorcowych
Długość
nominalna,
l
n
mm
Tolerancja płaskości t
f
µm
Klasa
K
0
1
2
0,5≤ l
n
≤
150
0,05
0,10
0,15
0,25
150> l
n
≤
500
0,10
0,15
0,18
0,25
500> l
n
≤
1000
0,15
0,18
0,20
0,25
9
Przywieralność powierzchni pomiarowych
Klasyfikacja i właściwości płytek wzorcowych
Za kryterium oceny przywieralności przyjmuje się
obraz powierzchni pomiarowej po przywarciu do niej
szklanej płytki interferencyjnej, który powinien
odpowiadać wymaganiom podanym w tabeli poniżej:
klasa
płytki
wzorcow
ej
obraz interferencyjny
prążki
interferencyjne
odcienie
K, 0
nie dopuszcza się
nie dopuszcza się
1, 2
dopuszcza się
niewielkie jasne
plamy lub szare
odcienie
10
Właściwości materiału
Klasyfikacja i właściwości płytek wzorcowych
Stabilność wymiarowa
Klas
a
Największa dopuszczalna zmiana długości w
ciągu roku
K, 0 ± (0,02 m +0,25 x 10
-6
x l
n
)
1, 2
± (0,05 m +0,5 x 10
-6
x l
n
)
UWAGA
- l
n
wyrażona w milimetrach
Współczynnik rozszerzalności cieplnej stalowych płytek wzorcowych (10C ÷ 30 C)
powinien wynosić (11,5 ± 1,0) x 10
-6
K
-1
Współczynnik rozszerzalności cieplnej z niepewnością
powinien być podany
dla płytek klasy K, a dla pozostałych klas jeżeli materiał
jest inny niż stal.
11
Pomiary długości płytek wzorcowych klasy K
Metoda interferencyjna
M
ε
12
Wyposażenie pomiarowe i pomocnicze
Wzorcowanie płytek wzorcowych klas 0, 1 i 2
•
komplet płytek wzorcowych odniesienia klasy dokładności K
•
komplet płytek wzorcowych klasy dokładności 0 – wzorce robocze
•
płaskie płytki interferencyjne klasy I i klasy II
•
dwugłowicowy komparator do pomiarów porównawczych Mahr 826
•
kamień drobnoziarnisty Arkansas lub Missisipi
•
przyrząd do rozmagnesowywania płytek wzorcowych
•
zestaw do czyszczenia i konserwacji płytek wzorcowych
•
pęseta
13
Pomiary długości płytek wzorcowych
metodą porównawczą (klasy: 0, 1 i 2)
Pomiary długości płytek wzorcowych
Schemat komparatora do pomiaru długości płytek
14
Komparator Mahr 826E
15
Budowa obsady z gniazdami dla porównywanych płytek
Komparator Mahr 826E
16
Manipulator do przemieszczania obsady z płytkami
Komparator Mahr 826E
17
Warunki środowiskowe
Dopuszczalne wartości zmian
temperatury
przy wzorcowaniu płytek wzorcowych
Klasa
płytki
wzorco
wa
-nej
Długość nominalna płytki wzorcowej
mm
do
2
Powyże
j 2
do 10
powyż
ej 10
do
100
do 2
powyż
ej 2
do 10
powyż
ej 10
do
100
odchylenie od
temperatury
otoczenia 20ºC
różnica temperatury
płytki wzorcowanej i
płytki odniesienia
ºC
0
±2
±1
±0,5
±0,2
±0,1
±0,05
1
±3
±2
±0,5
±0,3
±0,2
±0,1
2
±5
±3
±1
±0,5
±0,3
±0,1
18
Reklimatyzacja
Klasa
płytki
wzorco
wa
-nej
Długość nominalna płytki wzorcowej
mm
do
2
powyż
ej 2
do 5
powyże
j 5
do 10
powyż
ej 10
do 20
powyż
ej 20
do 50
powyż
ej 50
do
100
minuty
0
30
60
90
135
150
165
1
25
50
75
105
135
135
2
20
45
60
105
135
135
Czas potrzebny na wyrównanie temperatury płytek wzorcowych
19
Długość płytki wzorcowej w dowolnym punkcie
–
może być interpretowana jako odległość między
punktem powierzchni pomiarowej, a punktem
przeciwległej powierzchni pomiarowej w kierunku
prostopadłym do płaszczyzny do niej przylegającej.
Pomiary długości płytek wzorcowych
(wg. PN-83/M-53101)
20
Punkty pomiarowe
Pomiary długości płytek wzorcowych
)
(
a
b
e
e
k
c
u
o
f
f
b
b
v
min
max
PO
+
1
PW
+
2
+
4
+
3
+
5
+
6
PO
+
a
PW
+
b
+
b
2
+
b
1
+
b
3
+
b
4
21
Pomiar odchyłki płaskości powierzchni pomiarowej
m
m
m
p
3
,
0
2
22
Płytka mierzona:
deklarowana klasa
dokładności 0;
porównywane płytki są
wykonane ze stali;
l
n
= 50 mm
;
t
ko
= (0 0,5)C
;
t
kw
=(0
0,05)C
;
e
k
= - 0,08m
;
b-a = +0,12m
Niepewność pomiaru długości wybranej płytki wzorcowej
23
e
w
= (b – a) + e
k
Po uwzględnieniu poprawek wzór przyjmuje postać:
e
w
= (b-a) + e
k
+ P
t
+ P
b
+ P
d
+ P
ν
Otrzymuje się
równanie pomiaru
:
e
w
= (b - a) + e
k
+ l
n
t
ko
+ l
n
w
t
kw
+
P
b
+ P
d
+ P
ν
Po podstawieniu wzoru na poprawkę temperaturową
P
t
= [l
w
·
w
(t
o
– t
w
) – l
k
k
(t
o
– t
k
)]
Niepewność pomiaru długości wybranej płytki wzorcowej
24
gdzie:
c
1
= c
2
= c
7
= c
8
= c
9
= 1
c
3
= l
n
·
t
ko
= 0; c
4
= l
n
= 0; c
5
= l
n
t
kw
= 0; c
6
= l
n
w
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
2
9
2
2
8
2
2
7
2
2
6
2
2
5
2
2
4
2
2
3
2
2
2
2
2
1
r
d
b
kw
w
ko
k
w
P
u
c
P
u
c
P
u
c
t
u
c
u
c
t
u
c
u
c
e
u
c
a
b
u
c
e
u
Równanie niepewności standardowej złożonej przyjmuje postać:
25
1. Niepewność standardowa pomiaru różnicy
długości
płytek u(b-a)
1
n
2
i
d
d
d
s
a
b
s
Otrzymaną wartość oznaczyć symbolem u
p
(b-a) i
traktować jako niepewność standardową połączoną przy
wzorcowaniu innych płytek
(o zbliżonym wymiarze nominalnym).
m
a
b
u
a
b
u
p
Obliczanie niepewności standardowych składowych
26
2. Niepewność standardowa pomiaru długości płytki
kontrolnej, u(e
k
).
k
e
U
e
u
k
k
3)
Niepewność
standardowa
różnicy
współczynników
rozszerzalności cieplnej, u(
).
= (11,5 1,0) 10
-6
o
C
-1
1
6
1
6
C
10
0,82
6
C
10
2
Δα
u
Obliczanie niepewności standardowych składowych
27
4. Niepewność standardowa odchylenia temperatury
płytki kontrolnej od temperatury otoczenia,
u(
t
ko
).
t = (20
t
max
)
o
C
t
u
Δt
Δt
u
2
2
komax
ko
2
Obliczanie niepewności standardowych składowych
28
5. Niepewność standardowa współczynnika
rozszerzalności
cieplnej materiału płytki wzorcowanej, u(
w
)
= (11,5 1,0) · 10
-6
o
C
-1
1
6
1
6
C
10
0,58
3
C
10
1
w
α
u
6. Niepewność standardowa różnicy temperatur
płytki
wzorcowanej i płytki kontrolnej, u(
t
kw
)
3
max
kw
kw
Δt
Δt
u
Obliczanie niepewności standardowych składowych
29
7. niepewność standardowa poprawki wskazania
przyrządu na płytce wzorcowanej, u(P
b
)
3
g
b
E
P
u
Obliczanie niepewności standardowych składowych
30
8. Obliczenie niepewności standardowej poprawki
na stabilność
materiału płytki kontrolnej, u(P
d
)
3
l
P
u
d
6
2 l
P
u
d
W normach podane są dopuszczalne roczne zmiany
długości płytek
l
Obliczanie niepewności standardowych składowych
31
9. Obliczanie niepewności standardowej poprawki
na zmienność
długości płytki sprawdzanej, u(P
ν
)
9
0,5
ν
0,5
ν
h
0,5
3
h
P
u
Obliczanie niepewności standardowych składowych
32
Budżet niepewności pomiaru
33
e
w
= (b - a) + e
k
+
l
n
t
ko
+
l
n
w
t
kw
+ P
b
+ P
d
+ P
r
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
2
2
2
2
2
2
2
2
ko
n
ko
n
ko
n
ko
n
t
u
u
l
t
u
l
u
t
l
t
l
2
y
u
Składowe wyższego rzędu
)
(
)
(
0
0
)
(
2
2
2
ko
n
ko
n
t
u
u
l
t
l
2
y
u
)
(
)
(
)
(
ko
t
u
u
A
u
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
2
2
2
2
2
2
2
2
kw
w
n
kw
w
n
w
kw
n
kw
w
n
t
u
u
l
t
u
l
u
t
l
t
l
2
y
u
)
(
)
(
)
(
0
)
(
2
2
2
2
2
2
kw
w
n
kw
w
n
kw
w
n
t
u
u
l
t
u
l
t
l
2
y
u
)
(
)
(
)
(
kw
w
t
u
u
B
u
34
Budżet niepewności pomiaru (skorygowany)
35
Niepewność pomiaru dla kompletu płytek wzorcowych
36
nm
l
0,93
70
U(l)
2
n
2
2
Niepewność pomiaru dla kompletu płytek wzorcowych
38
Płytka kątowa
– wzorzec kąta w kształcie wielościanu
o równoległych podstawach, przy czym dwie z jego
ścian stanowią powierzchnie pomiarowe równoległe.
Charakterystyki płytek kątowych
Kąty pomiarowe płytki zawarte są między
przedłużeniami powierzchni pomiarowych
równoległych, a odpowiednimi ścianami
wielościanu stanowiącymi powierzchnie pomiarowe
skośne (rys.)
W procesie wzorcowania najczęściej
mierzone są kąty
,
odchyłki płaskości powierzchni
pomiarowych
i
przywieralność powierzchni
pomiarowych
.
39
Pomiary kątów płytek kątowych są wykonywane
za pomocą goniometrów z autokolimatorami,
o wartości działki elementarnej 1˝ lub 2 ˝
Pomiary kątów w płytkach kątowych
Kąt płytki
α
m
oblicza się ze wzoru
definicyjnego:
α
m
= α
1
- α
2
gdzie:
α
1
, α
2
–
wskazania goniometru przy
nastawieniach autokolimatora
odpowiednio na pierwszej i na drugiej
powierzchni pomiarowej
40
Najczęściej wykonuje się dwa lub trzy
pomiary zmieniając za każdym razem
położenie płytki na stoliku przyrządu.
Pomiary kątów w płytkach kątowych
Wzór definicyjny przyjmuje postać:
)
(
2
1
m
Zmiana położenia płytki mierzonej względem
limbusa zapewnia
uzmiennienie błędów wskazań goniometru i
błędów wynikających
z ograniczonej rozdzielczości przyrządu.
41
Niepewność pomiaru kąta
Równanie pomiaru:
2
2
1
1
2
)
(
rg
wg
rg
wg
1
m
P
P
P
P
gdzie:
P
wg1
– poprawka wskazania goniometru dla α
1
P
wg2
– poprawka wskazania goniometru dla α
2
P
wg1
i P
wg2
– poprawki kompensujące błędy rozdzielczości
Równanie niepewności standardowej złożonej:
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
2
2
2
1
2
1
2
2
rg
wg
rg
wg
m
P
u
P
u
P
u
P
u
u
u
42
Budżet niepewności pomiaru
Niepewność
pomiaru kąta
Symbol
Wielko
ści
Estymat
a
wielkośc
i
Niepewno
ść
standardo
wa
Rozkład
prawdopodobień
stwa
Współczyn
nik
wpływu
Składowe
niepewnoś
ci
standardo
wej
złożonej
1
2
3
4
6
7
X
i
x
ipop
a
i
c
i
u
i
(Y)
α
u(
α)
normalny
1
u(
α)
P
wg1
0
u(P
wg1
)
trapezowy
1
u(P
wg1
)
P
rg1
0
u(P
rg1
)
prostokątny
1
u(P
rg1
)
P
wg2
0
u(P
wg2
)
trapezowy
-1
-u(P
wg2
)
P
rg2
0
u(P
rg2
)
prostokątny
-1
-u(P
rg2
)
α
m
α
m
u(α
m
)
Δα
43
Budżet niepewności pomiaru
Niepewność
pomiaru kąta
Symbol
Wielko
ści
Estymat
a
wielkośc
i
Niepewno
ść
standardo
wa
Rozkład
prawdopodobień
stwa
Współczynn
ik
wpływu
Składowe
niepewnośc
i
standardow
ej
złożonej
1
2
3
4
6
7
X
i
x
ipop
a
i
c
i
u
i
(Y)
10º01’01
”
0,50”
normalny
1
0,50”
P
wg1
0
0,88”
trapezowy
1
0,88”
P
rg1
0
0,29”
prostokątny
1
0,29”
P
wg2
0
0,88”
trapezowy
-1
- 0,88”
P
rg2
0
0,29”
prostokątny
-1
-0,29”
α
m
10º01’01
”
1,4”
Δα
U = 2,8˝
Błąd graniczny i niepewność wzorcowania goniometru(1,42;0,65)
44
Wzorcowanie kątowników płaskich
Wzorcowanie obejmuje czynności przygotowawcze
oraz określenie:
• odchyłek prostoliniowości krawędzi
pomiarowych
w kątownikach krawędziowych,
•
odchyłek płaskości powierzchni pomiarowych
w kątownikach powierzchniowych,
•
odchyłki kąta zewnętrznego,
•
odchyłki kąta wewnętrznego.
45
• Kątownik walcowy,
• komplet płytek wzorcowych kl. 1,
• komplet płytek wzorcowych stopniowanych co 1
m
• kontrolna płyta pomiarowa (400 x 400) mm
• mikrometry o zakresach pomiarowych: (0÷25)
mm i (25÷50) mm,
• suwmiarka cyfrowa o zakresie pom. (0÷250) mm,
Pomiar odchyłek kątów
Wyposażenie pomiarowe:
46
Pomiar odchyłki kąta
zewnętrznego
2
4
1
3
b
L
l
a
)
(
a
b
l
L
w
z
47
Szacowanie niepewności pomiaru odchyłki w
z
Równanie pomiaru:
sz
wz
z
P
P
)
a
b
(
l
L
w
P
wz
– poprawka kompensująca błąd kątownika walcowego
P
sz
– poprawka kompensująca błąd oceny szczeliny.
Równanie niepewności standardowej pomiaru:
)
P
(
u
c
)
P
(
u
c
)
a
(
u
c
)
b
(
u
c
)
l
(
u
c
)
L
(
u
c
)
w
(
u
sz
2
2
6
wz
2
2
5
2
2
4
2
2
3
2
2
2
2
2
1
z
l
a
b
c
1
2
2
l
)
a
b
(
L
c
l
L
c
3
l
L
c
4
;
;
;
c
5
= c
6
=1
48
3
Budżet niepewności pomiaru
symbol
wielkośc
i
oszacowa
nie
szerokoś
ć
połówko
wa
współczyn
nik
rozrzutu
niepewnoś
ć
standardo
wa
współczynnik
wpływu
składowe
niepewno
ści
złożonej
w
w
u(w)
c
i
c
i
·u(w)
L
…..
U(L)
2
l
…..
0,5
0,29
b
…..
-
-
u(b)
a
......
-
-
u(a)
P
wz
0
……
u
1
(P
wz
)
1
u
1
(P
wz
)
0
........
2
u
2
(P
wz
)
1
u
2
(P
wz
)
P
sz
0
0,0005
0,00029
1
0,00029
w
z
.........
-
-
-
-
u(w
z
)
2
U(L)
l
a
-
b
2l
a)
-
(b
U(L)
2
l
a)
-
(b
L
-
2
l
a)
-
(b
0,29L
-
l
L
l
u(b)
L
l
L
-
3
3
l
u(a)
L
-
49
Przykładowy budżet niepewności pomiaru
3
3
3
symbol
wielkoś
ci
oszacowa
nie
szerokoś
ć
połówko
wa
współczyn
nik
rozrzutu
niepewno
ść
standardo
wa
współczyn
nik
wpływu
składowe
niepewnośc
i złożonej
w
w
u(w)
c
i
c
i
·u(w)
L
250,04
0,06
2
0,03
-4,2E-05 -1,25E-06
l
120,15
0,5
1,73
0,29
8,681E-
05
2,52E-06
b
4,000
-
-
0,00026
2,08333
33
5,42E-04
a
4,005
-
-
0,00037
-
2,08333
3
-7,71E-04
P
wz
0
0,002
1,73
0,00115
1
1,15E-03
0
0,0005
2
0,00025
1
2,50E-04
P
sz
0
0,0005
1,73
0,00029
1
2,90E-04
w
z
-0,010
-
-
-
-
0,00153
5
U(w
z
) = 2· 0,001535 mm ≈ 0,003 mm = 3 m; w
z
= (-10 ±3) m
50
Pomiar odchyłki kąta wewnętrznego
b
l
2
l
1
a
L
w
z
90
◦
c
d
L
l
d
c
l
a
b
w
w
z
w
2
1
51
Szacowanie niepewności pomiaru odchyłki w
w
Równanie pomiaru:
Równanie niepewności standardowej pomiaru:
;
;
;
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
2
2
8
2
2
2
7
2
2
6
2
2
5
1
2
2
4
2
2
3
2
2
2
2
2
1
L
u
c
l
u
c
d
u
c
c
u
c
l
u
c
a
u
c
b
u
c
w
u
c
w
u
z
w
L
l
d
c
l
a
b
w
w
z
w
2
1
1
1
c
1
2
l
L
c
1
3
l
L
c
2
1
4
l
)
a
b
(
L
c
2
5
l
L
c
2
6
l
L
c
2
2
7
l
)
d
c
(
L
c
2
1
8
l
d
c
l
a
b
c
52
z
w
w
w
symbo
l
wielko
ści
oszaco
wanie
szeroko
ść
połówk
owa
współczy
nnik
rozrzutu
niepew
ność
standar
dowa
współczy
nnik
wpływu
składowe
niepewności
złożonej
w
w
u(w)
c
i
c
i
·u(w)
-0,010
0,003
2
0,0015
1
1,50E-03
b
29,996
0,002
2
0,001
1,2502
1,25E-03
a
30,002
0,002
2
0,001
-1,2502
-1,25E-03
l
1
200,0
1,2
2
0,6
3,751E-
0,5
2,25E-05
c
30,005
0,002
2
0,001
2,5004
2,50E-03
d
29,996
0,002
2
0,001
-2,5004
-2,50E-03
l
2
100,0
1,2
2
0,6
-2,25E-
04
-1,35E-04
L
250,04
0,06
2
0,03
6E-05
1,80E-06
0,005
-
-
-
-
0,0042306
9
U(w
w
) = 8,5 m w
w
=
(5,0 ± 8,5) m
Przykładowy budżet niepewności pomiaru
53
a = +
0,8
Punkt
zetknięci
a
α
Wzorcowanie płaskich płytek interferencyjnych
54
Metoda wzajemnego wzorcowania trzech płytek
Płytka A
Płytka B
Płytka B
Płytka C
Płytka A
Płytka C
a)
b)
c)
Kombinacje ułożenia płytek przy pomiarze odchyłek płaskości „metodą trzech”:
a) – układ do wyznaczenia strzałki ugięcia oznaczonej symbolem
a,
b) – układ do wyznaczenia strzałki ugięcia oznaczonej symbolem
b,
c) – układ do wyznaczenia strzałki ugięcia oznaczonej symbolem
c
.
p
a
= (a – b + c) · λ/4
p
b
= (a + b - c) · λ/4
p
c
= (- a + b + c) · λ/4
55
Równanie pomiaru:
Szacowanie niepewności pomiaru odchyłek płaskości
4
)
(
)
(
)
(
r
r
r
a
P
c
P
b
P
a
p
Równanie niepewności standardowej pomiaru:
))
(
(
))
(
(
))
(
(
)
(
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
2
1
r
r
r
a
c
P
u
c
u
c
P
u
b
u
c
P
u
a
u
c
p
u
m
a
p
c
a
15
,
0
4
1
m
b
p
c
b
15
,
0
4
2
m
c
p
c
c
15
,
0
4
3
56
Budżet niepewności pomiaru
i
X
i
x
)
(
i
x
u
i
c
)
(y
u
i
a
)
(a
u
m
a
u
15
,
0
)
(
r
P
b
)
(b
u
m
b
u
15
,
0
)
(
r
P
c
)
(c
u
m
c
u
15
,
0
)
(
r
P
a
p
)
(
a
c
p
u
Symbol
wielkości
Estymata
wielkości
Niepewno
ść
standardo
wa
Rozkład
prawdopodobień
stwa
Współczynn
ik
wrażliwości
Udział w
niepewności
złożonej
...
normalny
0,15 m
0
0,058
prostokątny
0,15 m
0,0087
m
...
normalny
0,15 m
0
0,058
prostokątny
0,15 m
0,0087
m
...
normalny
0,15 m
0
0,058
normalny
0,15 m
0,0087
m
57
Dziękuję za uwagę