Mikrometer (enhet)

Modern mikrometer med en avläsning på 1,639 ± 0,005 mm. (Observera att du måste förstora bilden för att kunna läsa instrumentet korrekt.) Om du antar att inget fel är noll, är detta också måttet.

Utsida, insida och djupmikrometer

En mikrometer , ibland känd som en mikrometerskruvmätare , är en enhet som innehåller en kalibrerad skruv som ofta används för noggrann mätning av komponenter inom maskinteknik och bearbetning såväl som de flesta mekaniska yrken, tillsammans med andra metrologiska instrument som urtavla , vernier och digital bromsok . Mikrometrar är vanligtvis, men inte alltid, i form av bromsok (motstående ändar förenade med en ram). Spindeln är en mycket noggrant bearbetad skruv och föremålet som ska mätas placeras mellan spindeln och städet. Spindeln flyttas genom att vrida på spärrknappen eller fingerborgen tills föremålet som ska mätas lätt vidrörs av både spindeln och städet.

Mikrometrar används också i teleskop och mikroskop för att mäta den skenbara diametern på himlakroppar eller mikroskopiska föremål. Mikrometern som används med ett teleskop uppfanns omkring 1638 av William Gascoigne , en engelsk astronom.

Historia

Gascoignes mikrometer, ritad av Robert Hooke , ca. 1667

Ordet mikrometer är ett nyklassiskt mynt från grekiska : μικρός , romaniserat : micros , lit. 'liten' och μέτρον romaniserad : metron lit. 'mäta'. Merriam -Webster Collegiate Dictionary säger att engelskan fick det från franska och att dess första kända uppträdande i engelsk skrift var 1670. Varken mätaren eller mikrometern ( μm) eller mikrometern (anordningen) som vi känner dem idag fanns vid den tiden . Men dåtidens människor hade stort behov av och intresse för förmågan att mäta små saker och små skillnader. Ordet myntades utan tvekan med hänvisning till denna strävan, även om det inte syftade specifikt till dess nuvarande betydelser.

Den första mikrometriska skruven någonsin uppfanns av William Gascoigne på 1600-talet, som en förbättring av verniern ; det användes i ett teleskop för att mäta vinkelavstånd mellan stjärnor och de relativa storlekarna på himlaobjekt.

Henry Maudslay byggde en bänkmikrometer i början av 1800-talet som skämtsamt fick smeknamnet "Lord Chancellor" bland sin personal eftersom det var den sista domaren om mätnoggrannhet och precision i företagets arbete. 1844 publicerades detaljer om Whitworths verkstadsmikrometer. Denna beskrevs som att den hade en stark ram av gjutjärn, vars motsatta ändar var två höggradigt färdiga stålcylindrar, som korsade i längdriktningen genom inverkan av skruvar. Ändarna på cylindrarna där de möttes var halvklotformade. En skruv var försedd med ett hjul graderat för att mäta till tiotusendels tum. Hans syfte var att förse vanliga mekaniker med ett instrument som, även om det gav mycket exakta indikationer, ändå inte var särskilt benäget att störas av den grova hanteringen av verkstaden .

Den första dokumenterade utvecklingen av handhållna mikrometerskruvsok var av Jean Laurent Palmer från Paris 1848; enheten kallas därför ofta palmer på franska, tornillo de Palmer ("Palmerskruv") på spanska och calibro Palmer ("Palmer caliper") på italienska. (De här språken använder också mikrometerbeteckningarna : micromètre, micrómetro, micrometro . ) Mikrometertjockleken introducerades på massmarknaden i engelskspråkiga länder av Brown & Sharpe 1867, vilket gjorde att instrumentets användning kunde tränga in i den genomsnittliga maskinverkstaden. Brown & Sharpe inspirerades av flera tidigare enheter, en av dem var Palmers design. År 1888 Edward W. Morley till precisionen i mikrometriska mätningar och bevisade deras noggrannhet i en komplex serie experiment.

Kulturen av verktygsrumsnoggrannhet och precision, som började med utbytbarhetspionjärer inklusive Gribeauval , Tousard , North , Hall , Whitney och Colt , och fortsatte genom ledare som Maudslay, Palmer, Whitworth , Brown, Sharpe, Pratt , Whitney , Leland och andra växte under maskinåldern till att bli en viktig del av att kombinera tillämpad vetenskap med teknik . Från början av 1900-talet kunde man inte längre verkligen bemästra verktygs- och formtillverkning , maskinverktygsbyggande eller ingenjörskonst utan viss kunskap om vetenskapen om metrologi, såväl som vetenskaperna om kemi och fysik (för metallurgi , kinematik / dynamik , och kvalitet ).

Typer

Stor mikrometersok, 1908

Specialiserade typer

Ännu en stor mikrometer i bruk

Varje typ av mikrometerok kan förses med specialiserade städ och spindelspetsar för speciella mätuppgifter. Till exempel kan städet vara format i form av ett segment av skruvgänga , i form av ett v-block, eller i form av en stor skiva.

Universella mikrometerset kommer med utbytbara städ, såsom platt, sfärisk, spline, skiva, blad, spets och knivegg. Termen universell mikrometer kan också syfta på en typ av mikrometer vars ram har modulära komponenter, vilket gör att en mikrometer kan fungera som extern mikrofon, djupmikrofon, stegmikrofon, etc. (ofta känd under varumärkena Mul-T-Anvil och Uni- Mikrofon).
Bladmikrometrar har en matchande uppsättning smala spetsar (blad). De tillåter till exempel mätning av ett smalt o-ringsspår .
Mikrometrar med stigningsdiameter (alias gängmikrofoner ) har en matchande uppsättning gängformade spetsar för att mäta stigningsdiametern på skruvgängorna.
Limit-mikrofoner har två städ och två spindlar och används som en snabbmätare . Den del som kontrolleras måste passera genom den första springan och måste stanna vid den andra springan för att vara inom specifikationen. De två luckorna återspeglar exakt toppen och botten av toleransintervallet .
Bore mikrometer , vanligtvis ett tre-städhuvud på en mikrometerbas som används för att noggrant mäta innerdiametrar.
Rörmikrometrar har ett cylindriskt städ placerat vinkelrätt mot en spindel och används för att mäta tjockleken på rör.
Mikrometerstopp är mikrometerhuvuden som är monterade på bordet på en manuell fräsmaskin, bäddar i en svarv eller andra verktygsmaskiner, istället för enkla stopp. De hjälper föraren att placera bordet eller vagnen exakt. Stopp kan också användas för att aktivera kickout-mekanismer eller gränslägesbrytare för att stoppa ett automatiskt matningssystem.
Kulmikrometrar har kulformade ( sfäriska ) städ. De kan ha ett plant och ett kulstäd, i vilket fall de används för att mäta rörväggtjocklek, avstånd från ett hål till en kant och andra avstånd där ett städ måste placeras mot en rund yta. De skiljer sig i applicering från rörmikrometer genom att de kan användas för att mäta mot rundade ytor som inte är rör, men kulstädet kanske inte heller passar in i mindre rör lika lätt som en rörmikrometer. Kulmikrometrar med ett par kulor kan användas när entangentialpunktskontakt önskas på båda sidor. Det vanligaste exemplet är att mäta stigningsdiametern på skruvgängor (vilket också görs med koniska städ eller 3-trådsmetoden , varav den senare använder liknande geometri som par-kulor).
Bänkmikrometrar är verktyg för inspektion vars noggrannhet och precision är cirka en halv mikrometer (20 miljondelar av en tum, "en femtedel av en tiondel" i maskinistjargong) och vars repeterbarhet är cirka en kvarts mikrometer ("en tiondels tiondel" ). Ett exempel är Pratt & Whitney Supermicrometer.
Siffermikrofoner är typen med mekaniska siffror som rullar över.
Digitala mikrofoner är den typ som använder en kodare för att upptäcka avståndet och visar resultatet på en digital skärm.
V-mikrofoner är externa mikrofoner med ett litet V-block för ett städ. De är användbara för att mäta diametern på en cirkel från tre punkter jämnt fördelade runt den (mot de två punkterna på en standard yttre mikrometer). Ett exempel på när detta är nödvändigt är mätning av diametern på 3-kanals pinnfräsar och spiralborrar.

Funktionsprinciper

Animation av en mikrometer i bruk. Objektet som mäts är i svart. Måtten är 4,140 ± 0,005 mm.

Mikrometrar använder skruven för att omvandla små avstånd (som är för små för att mäta direkt) till stora rotationer av skruven som är tillräckligt stora för att avläsas från en skala. Noggrannheten hos en mikrometer härrör från noggrannheten hos gängformerna som är centrala i kärnan i dess design. I vissa fall är det en differentialskruv . De grundläggande funktionsprinciperna för en mikrometer är följande:

Mängden rotation av en exakt gjord skruv kan vara direkt och exakt korrelerad till en viss mängd axiell rörelse (och vice versa), genom konstanten som kallas skruvens ledning ( /ˈliːd/ ). En skruvs ledning är sträckan den rör sig framåt axiellt med ett helt varv (360 ° ). (I de flesta gängor [det vill säga i alla enstartsgängor] bly och stigning till i huvudsak samma koncept.)
Med en lämplig ledning och större diameter på skruven kommer en given mängd axiell rörelse att förstärkas i den resulterande periferiska rörelsen.

Till exempel, om skruvens ledning är 1 mm, men huvuddiametern (här ytterdiametern) är 10 mm, är skruvens omkrets 10π, eller cirka 31,4 mm. Därför förstärks (förstoras) en axiell rörelse på 1 mm till en periferisk rörelse på 31,4 mm. Denna förstärkning tillåter en liten skillnad i storlekarna på två liknande uppmätta föremål att korrelera med en större skillnad i positionen för en mikrometers fingerborg. I vissa mikrometer erhålls ännu större noggrannhet genom att använda en differentialskruvjustering för att flytta fingerborgen i mycket mindre steg än en enskild gänga skulle tillåta.

I klassiska analoga mikrometrar avläses fingerborgens position direkt från skalmarkeringar på fingerborgen och hylsan (för namn på delar se nästa avsnitt). Ofta ingår en vernierskala som gör att positionen kan avläsas till en bråkdel av det minsta skalmärket. I digitala mikrometrar visar en elektronisk avläsning längden digitalt på en LCD-skärm på instrumentet. Det finns också versioner med mekaniska siffror, som stilen med bilvägmätare där siffrorna "rullar över" .

Delar

Delarna av en mikrometersok. Notera tillägget av ett enhetsomvandlingsdiagram etsat på ramen, användbart för att konvertera mellan bråktalsmått och deras decimalekvivalenter .

En mikrometer består av:

Ram: Den C-formade kroppen som håller städet och pipan i konstant förhållande till varandra. Den är tjock eftersom den behöver minimera böjning, expansion och sammandragning, vilket skulle förvränga mätningen. Ramen är tung och har följaktligen en hög termisk massa, för att förhindra kraftig uppvärmning av hållhanden/fingrarna. Det täcks ofta av isolerande plastplattor som ytterligare minskar värmeöverföringen. Förklaring: om man håller ramen tillräckligt länge så att den värms upp med 10 °C, så är ökningen i längd för varje 10 cm linjärt stålstycke av storleken 1/100 mm. För mikrometrar är detta deras typiska noggrannhetsområde. Mikrometrar har vanligtvis en specificerad temperatur vid vilken mätningen är korrekt (ofta 20 °C [68 °F], vilket allmänt anses vara " rumstemperatur " i ett rum med HVAC ). Verktygsrum hålls vanligtvis vid 20 °C [68 °F].
Städ: Den blanka delen som spindeln rör sig mot och som provet vilar mot.
Sleeve, pipa eller stock: Den stationära runda komponenten med den linjära skalan på, ibland med nockmärken. I vissa instrument är vågen markerad på en tättslutande men rörlig cylindrisk hylsa som passar över den invändiga fasta pipan. Detta gör att nollställning kan göras genom att ändra hylsens läge något.
Låsmutter, låsring eller fingerborgslås: Den räfflade komponenten (eller spaken) som man kan dra åt för att hålla spindeln stillastående, till exempel när man tillfälligt håller en mätning.
Skruv: (ej synlig) Hjärtat på mikrometern, som förklaras under "Driftsprinciper" . Det är inne i tunnan. Detta hänvisar till det faktum att det vanliga namnet för enheten på tyska är Messschraube , bokstavligen "mätskruv".
Spindel: Den glänsande cylindriska komponenten som fingerborgen får att röra sig mot städet.
Fingerborg: Den komponent som ens tumme vrider. Graderade markeringar.
Spärrstopp: (ej visat) Anordning på handtagets ände som begränsar applicerat tryck genom att glida med ett kalibrerat vridmoment.

Läsning

Mikrometrar är instrument med hög precision. Korrekt användning av dem kräver inte bara att man förstår deras funktion i sig utan också objektets natur och dynamiken mellan instrumentet och objektet när det mäts. För enkelhetens skull antas i figurerna och texten nedan frågor som rör deformation eller definition av längden som mäts vara försumbara om inte annat anges.

Sedvanligt/kejserligt system

Imperial enhet mikrometer fingerborg som visar en avläsning på 0,2760 tum. Huvudskalan visar 0,275 tum (exakt) plus 0,0010 tum (uppskattat) på den sekundära skalan (den sista nollan är en uppskattad tiondel). Avläsningen skulle vara 0,2760 ± 0,0005 tum, vilket inkluderar plus/minus halva bredden av den minsta härskaran som felet. Här har man antagit att det inte finns något nollpunktsfel (ofta osant i praktiken).

Spindeln på en mikrometer graderad för de kejserliga och amerikanska sedvanliga mätsystemen har 40 gängor per tum, så att ett varv flyttar spindeln axiellt 0,025 tum (1 ÷ 40 = 0,025), lika med avståndet mellan intilliggande graderingar på hylsan. De 25 graderingarna på fingerborgen gör att 0,025 tum kan delas ytterligare, så att vridning av fingerborgen genom en division flyttar spindeln axiellt 0,001 tum (0,025 ÷ 25 = 0,001). Således ges avläsningen av antalet hela divisioner som är synliga på skalan av hylsan, multiplicerat med 25 (antalet tusendelar av en tum som varje division representerar), plus numret på den divisionen på fingerborgen som sammanfaller med den axiella nolllinjen på hylsan. Resultatet blir diametern uttryckt i tusendelar av en tum. Eftersom siffrorna 1, 2, 3, etc., visas under var fjärde underavdelning på hylsan, vilket indikerar hundratals tusendelar, kan avläsningen lätt tas.

Antag att fingerborgen skruvades ut så att gradering 2, och ytterligare tre underavdelningar, var synliga på hylsan (som visas på bilden), och att gradering 1 på hylsan sammanföll med den axiella linjen på hylsan. Avläsningen skulle då vara 0,2000 + 0,075 + 0,001, eller 0,276 tum.

Metriska systemet

Mikrometerhylsa med en avläsning på 5,779 ± 0,005 mm. (Du måste förstora bilden för att kunna avläsa skalan med största precision.) Avläsningen består av exakt 5,5 mm från huvudskalan plus uppskattningsvis 0,279 mm från sekundärskalan. Om man antar inget fel på noll är detta också mätningen.

Spindeln på en vanlig metrisk mikrometer har 2 gängor per millimeter, och ett helt varv förflyttar alltså spindeln genom ett avstånd på 0,5 millimeter. Den längsgående linjen på hylsan är graderad med 1 millimeters indelningar och 0,5 millimeters underavdelningar. Fingerborgen har 50 graderingar, var och en på 0,01 millimeter (en hundradels millimeter). Sålunda ges avläsningen av antalet synliga millimeterdelningar på skalan av hylsan plus delning på fingerborgen som sammanfaller med den axiella linjen på hylsan.

Som visas på bilden, anta att fingerborgen skruvades ut så att gradering 5 och ytterligare en 0,5-underavdelning var synliga på hylsan. Avläsningen från den axiella linjen på hylsan når nästan gradering 28 på fingerborgen. Den bästa uppskattningen är 27,9 examen. Avläsningen skulle då vara 5,00 (exakt) + 0,5 (exakt) + 0,279 (uppskattning) = 5,779 mm (uppskattning). Eftersom den sista siffran är en "uppskattad tiondel", är både 5,780 mm och 5,778 mm också rimligt acceptabla avläsningar, men den förra kan inte skrivas som 5,78 mm eller, enligt reglerna för signifikanta siffror , tas det då för att uttrycka tio gånger mindre precision än vad instrumentet faktiskt har! Men observera att arten av objektet som mäts ofta kräver att man bör avrunda resultatet till färre signifikanta siffror än vad instrumentet kan.

Vernier mikrometer

Vernier-mikrometeravläsning 5,783 ± 0,001 mm, bestående av 5,5 mm på huvudskruvens blyskala, 0,28 mm på skruvrotationsskala och 0,003 mm tillagd från vernier.

Vissa mikrometer är försedda med en nockskala på hylsan utöver de vanliga graderingarna. Dessa tillåter mätningar inom 0,001 millimeter att göras på metriska mikrometer, eller 0,0001 tum på tumsystem mikrometer.

Den extra siffran för dessa mikrometrar erhålls genom att hitta den linje på hylsan som exakt sammanfaller med en på fingerborgen. Numret på denna sammanfallande nocklinje representerar den extra siffran.

Således är avläsningen för metriska mikrometer av denna typ antalet hela millimeter (om några) och antalet hundradelar av en millimeter, som med en vanlig mikrometer, och antalet tusendelar av en millimeter som ges av den sammanfallande nocklinjen på ärmvernierskalan.

Till exempel skulle ett mått på 5,783 millimeter erhållas genom att läsa av 5,5 millimeter på hylsan och sedan lägga till 0,28 millimeter som bestäms av fingerborgen. Verniern skulle sedan användas för att läsa 0,003 (som visas i bilden).

Inch mikrometer avläses på ett liknande sätt.

Obs: 0,01 millimeter = 0,000393 tum och 0,002 millimeter = 0,000078 tum (78 miljondelar) eller alternativt 0,0001 tum = 0,00254 millimeter. Därför ger metriska mikrometrar mindre mätsteg än jämförbara tumenhetsmikrometrar – den minsta graderingen av en vanlig tumavläsningsmikrometer är 0,001 tum; vernier-typen har graderingar ner till 0,0001 tum (0,00254 mm). När man använder antingen en metrisk eller tummikrometer, utan nock, kan mindre avläsningar än de graderade naturligtvis erhållas genom visuell interpolering mellan graderingar.

Kalibrering: testning och justering

Nollställning

används en liten stiftnyckel för att vrida hylsan i förhållande till pipan, så att dess nolllinje omplaceras i förhållande till markeringarna på fingerborgen. Det finns vanligtvis ett litet hål i hylsan för att ta emot nyckelns stift. Denna kalibreringsprocedur kommer att avbryta ett nollfel: problemet att mikrometern läser från noll när dess käftar är stängda.

Testning

En standard en-tums mikrometer har avläsningsdelningar på 0,001 tum och en nominell noggrannhet på ±0,0001 tum (" en tiondel ", i maskinistspråk). Både mätinstrumentet och föremålet som mäts bör vara i rumstemperatur för en noggrann mätning; smuts, missbruk och låg operatörsskicklighet är de främsta felkällorna.

Noggrannheten hos mikrometrar kontrolleras genom att använda dem för att mäta mätblock , stavar eller liknande standarder vars längder är exakt och noggrant kända. Om mätblocket är känt för att vara 0,75000 ± 0,00005 tum ("sju femtio plus eller minus femtio miljondelar", det vill säga "sjuhundrafemtio du plus eller minus en halv tiondel"), bör mikrometern mäta det som 0,7500 tum . Om mikrometern mäter 0,7503 tum är den inte kalibrerad. Renlighet och lågt (men konsekvent) vridmoment är särskilt viktigt vid kalibrering – varje tiondel (det vill säga tiotusendels tum), eller hundradels millimeter, "räknas"; var och en är viktig. Bara en smutsfläck, eller bara lite för mycket klämning, döljer sanningen om huruvida instrumentet kan läsa korrekt. Lösningen är helt enkelt samvetsgrannhet — städning, tålamod, vederbörlig omsorg och uppmärksamhet och upprepade mätningar (bra repeterbarhet försäkrar kalibratorn att deras teknik fungerar korrekt).

Kalibrering kontrollerar vanligtvis felet vid 3 till 5 punkter längs intervallet. Endast en kan nollställas. Om mikrometern är i gott skick, så är de alla så nära noll att instrumentet tycks läsa i huvudsak "-på" längs hela dess räckvidd; inget märkbart fel ses på någon lokal. Däremot, på en utsliten mikrometer (eller en som var dåligt tillverkad till att börja med), kan man "jaga felet upp och ner i intervallet", det vill säga flytta det upp eller ner till någon av olika platser längs intervallet , genom att justera hylsan, men man kan inte eliminera den från alla språk på en gång.

Kalibrering kan också inkludera spetsarnas tillstånd (platta och parallella), spärrhake och skalans linjäritet. Planhet och parallellitet mäts vanligtvis med en mätare som kallas en optisk platt, en skiva av glas eller plast som är slipad med extrem noggrannhet för att ha plana, parallella ytor, vilket gör att ljusband kan räknas när mikrometerns städ och spindel är mot den, vilket avslöjar deras mängd geometrisk felaktighet.

kommersiell flygindustri, kärnkraftsindustri, medicinsk och andra), krävs av olika standardiseringsorganisationer (som ISO , ANSI , ASME , ASTM , SAE , AIA , USA:s militär och andra) för att kalibrera mikrometrar och andra mätare enligt ett schema (ofta årligen), för att fästa en etikett på varje mätare som ger den ett ID-nummer och ett kalibreringsutgångsdatum, för att hålla ett register över alla mätare efter ID-nummer och att i inspektionsrapporter ange vilken mätare som användes för en viss mätning.

All kalibrering är inte en affär för metrologilabb. En mikrometer kan kalibreras på plats när som helst, åtminstone på det mest grundläggande och viktigaste sättet (om inte heltäckande), genom att mäta ett högkvalitativt mätblock och justera för att matcha. Även mätare som kalibreras årligen och inom deras utgångstid bör kontrolleras på detta sätt var eller varannan månad om de används dagligen. De kommer vanligtvis att checka ut OK eftersom de inte behöver justeras.

Noggrannheten hos själva mätblocken kan spåras genom en kedja av jämförelser tillbaka till en masterstandard som den internationella prototypen av mätaren . Denna metallstång, liksom den internationella prototypen av kilogram , hålls under kontrollerade förhållanden vid International Bureau of Weights and Measures huvudkontor i Frankrike, som är ett av världens främsta mätstandardlaboratorier . Dessa huvudstandarder har extremt noggranna regionala kopior (förvaras i de nationella laboratorierna i olika länder, såsom NIST ), och metrologisk utrustning gör jämförelsekedjan. Eftersom definitionen av mätaren nu baseras på en ljusvåglängd är den internationella prototypen av mätaren inte riktigt lika oumbärlig som den en gång var. Men sådana mastermätare är fortfarande viktiga för att kalibrera och certifiera metrologisk utrustning. Utrustning som beskrivs som "NIST-spårbar" betyder att dess jämförelse med mastermätare, och deras jämförelse med andra, kan spåras tillbaka genom en kedja av dokumentation till utrustning i NIST-labben. Att upprätthålla denna grad av spårbarhet kräver en del kostnader, varför NIST-spårbar utrustning är dyrare än icke-NIST-spårbar. Men applikationer som kräver den högsta graden av kvalitetskontroll kräver kostnaden.

Justering

En mikrometer som har nollställts och testats och visat sig vara avstängd kan återställas till noggrannhet genom ytterligare justering. Om felet härrör från att mikrometerns delar är slitna ur form och storlek, är det inte möjligt att återställa noggrannheten på detta sätt; snarare krävs reparation (slipning, lappning eller byte av delar). För standardtyper av instrument är det i praktiken lättare och snabbare, och ofta inte dyrare, att köpa ett nytt snarare än att satsa på renovering.

Se även

Bibliografi

Roe, Joseph Wickham (1916), engelska och amerikanska verktygsbyggare , New Haven, Connecticut: Yale University Press, LCCN 16011753 . Omtryckt av McGraw-Hill, New York och London, 1926 ( LCCN 27-24075 ); och av Lindsay Publications, Inc., Bradley, Illinois, ( ISBN 978-0-917914-73-7 ) .
ISO 3611: "Geometriska produktspecifikationer (GPS). Dimensionell mätutrustning. Mikrometrar för externa mätningar. Design och metrologiska egenskaper" (2010)
BS 870: "Specifikation för externa mikrometrar" (2008)
BS 959: "Specifikation för interna mikrometrar (inklusive stick mikrometrar)" (2008)
BS 6468: "Specifikation för djupmikrometer" (2008)

externa länkar