Současné možnosti metrologie rovinného úhlu a vybraných úchylek tvaru ve Slovenské republice

Mokroš, J.

Anotace: Slovenský metrologický ústav má dlouhou tradici ve vývoji moderních kalibračních metod v oblasti metrologie rovinného úhlu. Tato tradice sahá do r. 1967, kdy začalo jeho budování ještě pod hlavičkou pražského Metrologického ústavu v Bratislavě, od r. 1968 jako Československého metrolo-gického ústavu v Bratislavě. Ten se v průběhu své činnosti v oblasti metrologie rovinného úhlu zařadil mezi popřední evropské metrologické ústavy. V této tradici pokračoval po vzniku Slovenské republiky i jeho následník – Slovenský metrologický ústav. V příspěvku jsou popsány metrologické služby v oblasti metrologie rovinného úhlu a úchylek tvaru, které v současnosti poskytuje Slovenský metrolo-gický ústav, a metrologická zařízení, na kterých se tyto služby provádějí. 1. Na úvod trošku historie

Metrologie rovinného úhlu má v Slovenském metrologickém ústavu (SMU) dlouhou tradici. Už při vzniku předchůdce SMU – Československého metrologického ústavu (ČSMÚ) v r. 1968 byla zřízena laboratoř rovinného úhlu s účastí autora tohoto příspěvku. Při budování přístrojového vybavení labo-ratoře a při vývoji nových metod kalibrace a uchovávání jednotek rovinného úhlu byl kladen důraz na využití nejnovějších poznatků celosvětové metrologické pospolitosti. Po ukončení vývoje bylo v r. 1971 uvedené do provozu etalonové zařízení pro kalibraci polygonů [1]. Po jeho postupném vylepšo-vaní jsme se na základě mezinárodních porovnávacích měření v r. 1979 zařadili mezi špičkové me-trologické ústavy východního bloku. V r. 1981 byl i s využitím těchto výsledků konstituován primární etalon rovinného úhlu [2]. Dobrá pozice tohoto primárního etalonu byla potvrzena i výsledky celosvě-tového porovnávacího měření [3]. V r. 1996 byl do komplexu primárního etalonu zařazen laserový goniometr [4] a v r. 1998 byl primární etalon rovinného úhlu vyhlášen za Národní etalon (NE) Sloven-ské republiky. Svoji pozici mezi špičkovými světovými metrologickými ústavy dokázal na základě výsledků řady mezinárodních porovnávacích měření, např. [5 - 9].

Působnost laboratoře metrologie rovinného úhlu se rozšířila i na oblast vybraných úchylek geometric-kého tvaru. V r. 2000 bylo dáno do metrologického provozu etalonové zařízení pro kalibraci úhelníků NME 90°. Jeho metrologické parametry byly potvrzeny dvoustranným porovnávacím měřením SMU – PTB Braunschweig (Německo) a SMU – METAS Wabern (Švýcarsko). Svými metrologickými para-metry se toto etalonové zařízení řadí mezi několik nejlepších evropských zařízení, co potvrdily ne-dávno ukončené mezinárodní porovnávací měření [10] a [11].

2. Metrologické služby v oblasti metrologie rovinného úhlu a úchylek tvaru

Primární etalon rovinného úhlu byl už od svého vzniku koncipovaný tak, aby jako komplex etalonů a etalonových zařízení umožňoval nejen nevyhnutné vertikální a horizontální vazby, potřebné pro kontrolu stability celého etalonu, ale poskytoval i návaznost na co největší škálu etalonů a měřidel rovinného uhlu zákazníků. V následující tabulce je přehled standardně poskytovaných metrologických služeb a dosahovaná rozšířená nejistota. Skutečná nejistota kalibrace je samozřejmě závislá i na metrologických vlastnostech kalibrovaného etalonu (měřidla).

Etalon, měřící přístroj Rozšířená nejistota pro k=2 (P=95%) Optické polygony (až 72-boké) U ≥ 0,1" Úhlové měrky, pentagonální a jiné hranoly U ≥ 0,1" Goniometry, dělící hlavy a stoly, s min. krokem kalibrace 5° U ≥ 0,2" Teodolity, totální stanice - kalibrace horizontální stupnice a indexové a kolimační chyby, s min. krokem kalibrace 5° U ≥ 0,2"

Úhloměrné převodníky, včetně přenosové chyby spojky, s min. krokem kalibrace 5° U ≥ 0,2"

Autokolimátory vizuální a fotoelektrické U ≥ 0,1" Libely a sklonoměry, včetně elektronických U ≥ 0,1" Úhelníky, včetně úhelníků s břitem a válcové úhelníky

úhel: přímost:

U ≥ 0,4" (2µm/m) U ≥ 0,2µm

Příměrné pravítka (etalony přímosti) U ≥ 0,2µm Tabulka 1 Rozšířené nejistoty etalonů a měřicích přístrojů

Optické polygony se kalibrují na laserovém goniometru, který je součástí NE rovinného úhlu. Úhlo-měrná stupnice laserového goniometru je generována při otáčení stolku v důsledku činnosti tzv. kru-hového laseru. Bližší podrobnosti jsou uvedeny v [4]. Při kalibraci se používá tzv. 3-rozetová metoda, výsledkem které je soubor korekcí kalibrovaného polygonu a současně i korekcí stupnice goniometru. Korekce stupnice goniometru jsou pochopitelně známy (pravidelná rekalibrace všech částí primárního etalonu), její hodnoty jsou použity při kontrolních testech stability při každé kalibraci polygonu.

Obr. 1 Kalibrace 24-bokého polygonu na laserovém goniometru GS1L (NE rovinného úhlu SR)

Úhlové měrky, pentagonální a jiné hranoly se kalibrují také na laserovém goniometru, porovnáním s jeho stupnicí. Měřit se mohou rovinné úhly na libovolných optických prvcích s rovinnými optickými plochami (i nepokovenými). Měření vertikálních úhlů (např. pro justáž roviny měření) je orientační (s nejistotou cca 6"). U pentagonálních hranolů se měří úhel odklonu optického svazku (stejně jako je tomu při jejich použití) s využitím pomocného zrcadla.

Obr. 2 Příklad kalibracie pentagonálního hranolu na laserovém goniometru GS1L (NE rovinného úhlu SR) při použití pomocného zrcadlového systému s pomocným pentagonálním hranolem

Goniometry, dělící hlavy a stoly se kalibrují porovnáním s některým z optických polygonů, které jsou součástí NE rovinného úhlu a autokolimátorem pro indikaci polohy normál k funkčním plochám poly-gonu. Vhodná velikost polygonu (počet jeho funkčních ploch) se určí podle požadavku na kalibrační krok (v násobcích 5°), přičemž největší krok je 30°. Pro připevnění polygonu k otočné části kalibrova-ného přístroje je nutné použít upevňovací přípravky, pomocí kterých jsou splněny nevyhnutné justáž-ní podmínky pro přiřazení obou stupnic (kalibrovaného přístroje a osnovy směrů, reprezentované polygonem).

Obr. 3 Příklad kalibrace goniometru pomocí etalonového 12-bokého polygonu a fotoelektrického autokolimátoru

Obr. 4 Příklad kalibrace dělícího stolu pomocí etalonového 72-bokého polygonu a fotoelektrického autokolimátoru

Teodolity, včetně totálních stanic - horizontální dělený kruh se kalibruje porovnáním se 72-bokým optickým polygonem, součástí NE rovinného úhlu a autokolimátorem pro indikaci polohy normál k funkčním plochám polygonu. Kalibrace se provádí na (pro tento účel) adaptovaném etalonovém zařízení pro kalibraci polygonů, s min. krokem kalibrace 5°, přičemž největší krok je 30°. Protože v strojírenství se teodolity velmi často používají i při cílení na velmi blízké objekty, je součástí kali-brace i zjišťování indexové a kolimační chyby při minimální zaostřovací vzdálenosti (cca 1,5 m) a vzdálenostech 6 m a 12 m. Při těchto vzdálenostech dochází při přeostřování dalekohledu k největšímu posunu zaostřovacího optického členu, proto bývají změny v poloze optické osy daleko-hledu (indexová a kolimační chyba) největší.

Úhloměrné převodníky se kalibrují porovnáním se 72-bokým optickým polygonem, součástí NE ro-vinného úhlu a autokolimátorem pro indikaci polohy normál k funkčním plochám polygonu. Kalibrace se provádí na (pro tento účel) adaptovaném zařízení pro kalibraci polygonů, s min. krokem kalibrace 5°, přičemž největší krok je 30°. Protože součástí úhloměrného převodníku je velmi často spojka pro připojení převodníku k měřené soustavě, kalibrace se provádí včetně přenosové chyby spojky, tzn. při nulovém úhlu a nulové excentricitě os obou měřících soustav (v jejich základní poloze) a při ma-ximálních hodnotách, povolených výrobcem.

Obr. 5 Příklad kalibrace teodolitu pomocí etalonového 72-bokého polygonu a fotoelektrických autokolimátorů

Obr. 6 Příklad kalibrace úhloměrného převodníku pomocí etalonového 72-bokého polygonu a

fotoelektrického autokolimátoru

Autokolimátory, ať již vizuální anebo fotoelektrické, jednoosé anebo dvouosé, se kalibrují na generá-toru malých úhlů, který je součástí NE rovinného úhlu. Generátor je vybaven přídavnou optickou sou-stavou, která umožňuje transformaci vertikální roviny měření generátoru do horizontální měřící roviny autokolimátoru.

Libely se kalibrují, stejně jako autokolimátory, na generátoru malých úhlů, který je součástí NE rovin-ného úhlu. Jen libely s citlivostí nižší jako 30"/2 mm (případně nejmenší dílek u elektronických libel) se kalibrují na zkoušeči libel, etalonu 1. řádu a libely s citlivostí nižší jako 60"/2 mm (případně nejmenší dílek u elektronických libel) se kalibrují na dělící hlavě, etalonu 1. řádu, uložené na stabil-ním základu. Protože dlouhé příložné libely jsou citlivější k deformaci základny, je při délkách nad 300 mm součástí kalibrace i úchylka přímosti základny.

Sklonoměry, včetně elektronických, sdružují v sobě měřící zařízení s úhloměrnou stupnicí a libelu. Do této skupiny patří i elektronické libely. Kalibrace se skládá z dvou částí – měření úchylky indiko-vané horizontální roviny od horizontální roviny skutečné a kalibrace úhloměrné stupnice. Měření úchylky indikované horizontální roviny se provádí stejným způsobem jako u libel. Kalibrace úhloměr-né stupnice se provádí na dělící hlavě, etalonu 1. řádu, uložené na stabilním základě.

Úhelníky, včetně úhelníků s břitem a válcových úhelníků, se kalibrují na etalonovém zařízení pro kalibraci úhelníků, etalonu 1. řádu. Maximální délka ramena úhelníku může být až 1100 mm, na zvláštní požadavek a při větší hodnotě nejistoty kalibrace je možné kalibrovat úhelníky s délkou ra-mena větší. V procesu kalibrace se měří tvar skutečné profilové čáry, vedené v rovnoběžně s osou ramena úhelníku a jeho poloha vzhledem k základně. Z polohy vyrovnávací přímky profilu se určí úchylka úhlu úhelníku od 90°. Výsledkem kalibrace je proto nejen úchylka úhlu ramena úhelníku od 90°, ale i úchylka přímosti ramene, případně graf lokálních úchylek přímosti ramene.

Obr. 7 Příklad kalibrace sklonoměru na etalonové dělící hlavě

Při kalibraci se určují i úchylky přímosti základny úhelníku. U úhelníků nejnižší třídy přesnosti se udá-vá také úchylka kolmosti podle STN 01 4401 "Tolerance tvaru a polohy. Základné pojmy a definice". U úhelníků s břitem (typy H, E a F pode STN 25 5103 "Kontrolné uholníky 90°. Typy, základné roz-mery a technické požiadavky") se měří i úchylky přímosti ramena (břitu) při pootočení úhelníku o ± 15° od základní polohy. U válcových úhelníků (typ G podle STN 25 5103), v praxi někdy nazýva-ných i "kontrolní (příměrný) válec", se zjišťují úchylky čtyř profilových přímek válcové plochy, vzdále-ných od sebe o úhel 90°. Je výhodné, když je poloha těchto přímek na úhelníku vyznačena, protože jen v tom případě je možné udat úchylky polohy přímek vzhledem k základně. V opačném případě se udává jen maximální hodnota úchylky, určená z měření čtyř přímek, bez orientace směru. Na zvláštní požadavek se může určit i kuželovitost válcového úhelníku.

Obr. 8 Příklad kalibrace válcového úhelníku

Příměrná pravítka (etalony přímosti) - úchylky přímosti se měří stejným způsobem jako u úhelníků, pravítko musí být upevněno pomocí přípravku ve svislé rovině. Délka pravítka je, stejně jako u úhel-níků, omezena na 1 100 mm, na zvláštní požadavek a při větší hodnotě nejistoty kalibrace je možné kalibrovat pravítka delší.

3 Závěr

Uvedené kalibrace patří mezi standardní metrologické služby SMU. Všechny pracovní postupy byly validovány porovnávacími měřeními a jsou mezinárodně uznávány zapsáním do tabulek Calibration and Measurement Capabilities [12]. Tyto tabulky jsou vyjádřením a uznáním tzv. nejlepších schop-ností kalibrace a měření (CMC). Jsou součástí databáze mezinárodních porovnávacích měření ná-rodních etalonů BIPM a jsou definovány v textu ujednání o vzájemném uznávání státních etalonů a certifikátů, vydávaných národními metrologickými ústavy – Mutual Recognition Arrangement (MRA), dodatek C. Metrologické laboratoře SMU jsou rovněž certifikovány podle ISO 9001:2000. SMU je navíc jedním ze dvou národních metrologických ústavů v EÚ (a asociovaných států), který má vedle certifikace akreditovány i všechna metrologická centra pode STN ISO/IEC 17025.

Personál laboratoře je, vzhledem na svoje mnohaleté zkušenosti, schopný provádět celou řadu dal-ších metrologických služeb (případně konzultací) podle požadavků zákazníků. Omezujícím faktorem může být jen vhodné přístrojové vybavení laboratoře.

Literatura

[1] BREZINA, I., MOKROŠ, J.: Nové etalonážne uhlomerné zariadenie na ČSMÚ v Bratislave. Měrová technika, 10, 1971, č. 6, s. 81 - 84

[2] BREZINA, I., MOKROŠ, J., KOREŇ, J.: Československý primárny etalón rovinného uhla. Československá standardizace, 7, 1982, č. 2, s. 66 - 71

[3] TOYODA, K.: Report of International Comparison of Angle Standards (Draft), Part 1, NRLM Tsukuba 1987, 103s. + 29 príloh; Part 2, NRLM Tsukuba 1990, 58s.

[4] MOKROŠ, J.: Laserový goniometer, základ metrológie rovinného uhla. Metrológia a skúšobníctvo, 4, 1999, č.4-5, s.24 ÷ 26

[5] Report of the WECC Interlaboratory Comparison M 12 "Angle gauge blocks", PTB Braunschweig, June 1993, 18 s.

[6] MOKROŠ, J., PROBST, R., JUST, A.: Vergleichsmessungen an Winkelnormalen zwischen dem SMÚ Bratislava und der PTB Braunschweig. PTB-Mitteilungen, 106, 1996, č. 5, s. 337 - 343

[7] PROBST, R., WITTEKOPF, R.: Angle calibration on precision polygons. Final Report of EUROMET Project #371. PTB Braunschweig, Juli 2001, 22s.

[8] MOKROŠ, J.: COOMET Project 133/SK/96 Comparison of optical polygons. Final report. SMU Bratislava, July 2001, 14 s.

[9] KRUGER: CIPM Key Comparison CCL-K3 Calibration of angle standards, Report - Draft B1

[10] MOKROŠ, J.: EUROMET Supplementary Comparison #570 "Comparison of squareness measurements. Final report, February 2005, 64 s. http://www.euromet.org/cgi-bin/projectfile.pl?prefno=570

[11] MOKROŠ, J.: EUROMET.L-S10 Comparison of squareness measurements. Metrologia. Technical Supplement 2005 Volume 42 Start page 04001 http://www.iop.org/EJ/abstract/0026-1394/42/1A/04001/

[12] Calibration and Measurement Capabilities, Length, Slovenský metrologický ústav: http://kcdb.bipm.fr/appendixC/country_list_search.asp?page=1&pge=1&CountSelected=SK&service=L/DimMet.3

Údaje o autorovi, kontakty: Ing. Jiří Mokroš, PhD. Slovenský metrologický ústav Karloveská 63 SK-842 55 Bratislava

Tel.: +421 2 60294 253 E-mail: mokros@smu.gov.sk