Ten sam detal, ten sam przyrząd pomiarowy i ten sam operator, a mimo to dwa pomiary wykonane w odstępie kilkudziesięciu minut dają różne wyniki. Pierwszym podejrzeniem bywa problem z przyrządem. Tymczasem suwmiarka, mikrometr czy czujnik mogą być sprawne i mieć aktualne wzorcowanie, a źródłem rozbieżności są warunki, w których wykonywany jest pomiar.
Temperatura detalu i przyrządu, wilgotność, drgania stanowiska czy nawet cienka warstwa chłodziwa na mierzonej powierzchni mogą wpływać na wynik. Im mniejsza tolerancja i większe wymagania dotyczące dokładności pomiarów, tym większego znaczenia nabierają czynniki, które przy mniej wymagającej kontroli można uznać za pomijalne.
Dlaczego warunki otoczenia wpływają na wynik pomiaru?
Wynik pomiaru nie zależy wyłącznie od parametrów przyrządu. Jest rezultatem całego procesu, w którym uczestniczą przyrząd, mierzony detal, operator, metoda pomiarowa oraz środowisko.
Problem pojawia się wtedy, gdy wpływ warunków otoczenia staje się porównywalny z dopuszczalną tolerancją. Różnica kilku czy kilkunastu mikrometrów nie będzie miała większego znaczenia przy kontroli wymiaru z tolerancją wynoszącą kilka dziesiątych milimetra. Przy tolerancji liczonej w setnych lub tysięcznych częściach milimetra ta sama różnica może jednak zdecydować o zakwalifikowaniu wyrobu jako zgodnego lub niezgodnego.
Dlatego warunki środowiskowe pomiarów powinny być oceniane proporcjonalnie do wymagań konkretnego procesu. Nie chodzi o przenoszenie każdej kontroli na produkcji do pomieszczenia o parametrach laboratoryjnych, ale o świadomość, kiedy środowisko może przestać być czynnikiem drugorzędnym.
Temperatura - najważniejszy czynnik w wielu pomiarach wymiarowych
W metrologii wymiarowej temperatura ma szczególne znaczenie, ponieważ materiały zmieniają swoje wymiary wraz ze zmianą temperatury. Zjawisko to określa się jako rozszerzalność cieplną.
Standardową temperaturą odniesienia dla właściwości geometrycznych i wymiarowych jest 20°C. Nie oznacza to jednak, że każdy pomiar musi być bezwzględnie wykonywany przy 20°C. Oznacza natomiast, że przy dokładnych pomiarach trzeba mieć świadomość, jak różnica temperatury wpływa na mierzony wymiar.
Dla stali współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi w przybliżeniu 11,5 µm na metr i jeden stopień Celsjusza, choć dokładna wartość zależy od rodzaju materiału. NIST podaje przykładowo, że stalowy wzorzec o długości 100 mm zmienia długość o około 1,15 µm przy zmianie temperatury o 1°C.
Przy różnicy 5°C oznacza to już około 5,75 µm dla elementu o długości 100 mm. Przy elemencie długości 500 mm zmiana jest odpowiednio większa. W procesach o szerokiej tolerancji nie będzie to miało praktycznego znaczenia. Przy precyzyjnej obróbce może już wpływać na decyzję jakościową.
Przykład: pomiar bezpośrednio po obróbce
Załóżmy, że stalowy detal jest kontrolowany mikrometrem bezpośrednio po zdjęciu z obrabiarki. W wyniku procesu skrawania jego temperatura jest wyższa od temperatury otoczenia.
Operator mierzy średnicę i otrzymuje wynik znajdujący się blisko górnej granicy tolerancji. Po kilkudziesięciu minutach, gdy detal ostygnie, ponowny pomiar daje wartość niższą.
Nie oznacza to, że mikrometr wcześniej mierzył nieprawidłowo. Zmienił się sam detal. Jeżeli decyzja o dalszej obróbce lub odrzuceniu części została podjęta na podstawie pierwszego pomiaru, warunki termiczne mogły mieć bezpośredni wpływ na decyzję jakościową.
Sytuacja komplikuje się dodatkowo, gdy przyrząd i detal mają różne temperatury albo są wykonane z materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności.
Dlaczego przyrząd i detal potrzebują czasu na stabilizację?
Równie istotna jak temperatura pomieszczenia jest temperatura samego wyposażenia pomiarowego oraz mierzonego elementu.
Jeżeli mikrometr przez kilka godzin znajdował się w chłodnym magazynie, a następnie został przeniesiony na znacznie cieplejszą halę, jego elementy nie osiągają natychmiast temperatury otoczenia. Przyrząd stopniowo się nagrzewa, a jego wymiary mogą się zmieniać.
Podobnie zachowuje się detal przeniesiony między pomieszczeniami o różnych temperaturach. Na jego powierzchni temperatura może zmieniać się szybciej niż wewnątrz materiału, przez co przez pewien czas występują gradienty temperatury.
Nie istnieje jeden uniwersalny czas stabilizacji odpowiedni dla wszystkich sytuacji. Zależy on między innymi od masy, wymiarów i materiału detalu, konstrukcji przyrządu oraz różnicy temperatur.
Przykład: przyrząd z chłodnego magazynu
Firma przechowuje wyposażenie pomiarowe w pomieszczeniu, w którym jest około 16°C. Na hali produkcyjnej temperatura wynosi 24°C. Operator pobiera mikrometr i natychmiast zaczyna wykonywać kontrolę partii.
Pierwsze wyniki mogą być uzyskiwane w innych warunkach niż wyniki wykonane tym samym przyrządem godzinę później. Jeżeli mierzona cecha znajduje się blisko granicy tolerancji, taka sytuacja powinna przynajmniej skłonić do weryfikacji wyniku po ustabilizowaniu temperatury.
Wilgotność, zabrudzenia i stan powierzchni pomiarowych
Wpływ wilgotności na pomiary wymiarowe jest zazwyczaj mniej bezpośredni niż wpływ temperatury, ale nie powinien być całkowicie pomijany.
Wysoka wilgotność sprzyja korozji stalowych powierzchni pomiarowych i wzorców. Szczególnym problemem może być kondensacja wilgoci po przeniesieniu chłodnego przyrządu do ciepłego, wilgotnego pomieszczenia. Wilgotność ma również większe znaczenie przy pomiarach materiałów higroskopijnych oraz w niektórych precyzyjnych systemach optycznych i elektronicznych.
W warunkach produkcyjnych znacznie częstszym źródłem błędów są jednak zabrudzenia. Wiór, pył, olej, chłodziwo czy emulsja pozostawiona na detalu może uniemożliwić prawidłowy kontakt powierzchni pomiarowych.
Przy kontroli suwmiarką niewielka warstwa zabrudzenia może pozostać niezauważona. Przy pomiarach mikrometrycznych nawet bardzo cienka warstwa znajdująca się między powierzchniami może już mieć znaczenie.
Dlatego stan powierzchni detalu i przyrządu powinien być traktowany jako element przygotowania do pomiaru, a nie wyłącznie kwestia estetyki czy konserwacji wyposażenia.
Drgania i miejsce wykonywania pomiaru
Nie każdy przyrząd jest w takim samym stopniu podatny na drgania. W przypadku prostego pomiaru suwmiarką wpływ niewielkich wibracji stanowiska może być praktycznie niezauważalny. Znacznie większego znaczenia nabiera on przy pomiarach czujnikowych, komparatorowych, współrzędnościowych czy pomiarach powierzchni.
Problem może pojawić się na przykład wtedy, gdy stanowisko kontrolne znajduje się bezpośrednio obok prasy, obrabiarki lub innej maszyny cyklicznie generującej drgania.
Operator wykonujący kilka kolejnych pomiarów tego samego elementu może wtedy otrzymywać wyniki o gorszej powtarzalności. Jeżeli po przeniesieniu detalu na stabilne stanowisko rozrzut wyników wyraźnie się zmniejsza, przyczyny warto szukać nie w samym przyrządzie, lecz w organizacji miejsca pomiarowego.
Hala produkcyjna a kontrolowane warunki pomiarowe
Pomiar wykonywany na hali produkcyjnej nie jest z definicji pomiarem niewiarygodnym. W wielu procesach właśnie takie pomiary są najbardziej racjonalne i wystarczające do bieżącej kontroli.
Różnica polega na tym, że warunki na produkcji mogą zmieniać się znacznie szybciej. Otwarcie bramy, działanie nagrzewnic, bezpośrednie nasłonecznienie, ciepło emitowane przez maszyny czy przepływ powietrza mogą powodować lokalne różnice temperatur.
W bardziej kontrolowanym pomieszczeniu łatwiej ograniczyć te zmienne i utrzymać stabilne warunki pomiarowe. Dlatego ten sam detal zmierzony przy maszynie, a następnie w pomieszczeniu pomiarowym może dać nieco inny wynik mimo użycia sprawnego wyposażenia.
Nie należy automatycznie zakładać, że jeden z tych wyników jest błędny. Najpierw trzeba ustalić temperaturę detalu, warunki pomiaru, sposób jego przygotowania i wymaganą dokładność.
Kiedy wpływ środowiska staje się istotnym problemem?
Znaczenie środowiska rośnie przede wszystkim wtedy, gdy tolerancja jest mała w stosunku do możliwego wpływu temperatury lub innych czynników.
Szczególnej uwagi wymagają pomiary wykonywane blisko granic tolerancji, pomiary długich elementów, kontrola bezpośrednio po obróbce cieplnej lub mechanicznej oraz sytuacje, w których detal i przyrząd pochodzą z miejsc o różnych temperaturach.
Jeżeli zmienność wynikająca z warunków pomiarowych stanowi tylko niewielki ułamek tolerancji procesu, rozbudowana kontrola środowiska może nie przynieść praktycznych korzyści. Gdy natomiast różnice temperatur mogą powodować zmianę wymiaru porównywalną z dopuszczalnym odchyleniem, problem staje się metrologicznie istotny.
To właśnie dlatego wpływ temperatury na dokładność pomiarów powinien być rozpatrywany razem z wymaganiami konkretnej cechy, a nie według jednej zasady obowiązującej wszystkie pomiary.
Jak firmy mogą ograniczyć wpływ warunków otoczenia?
W wielu przypadkach nie są potrzebne kosztowne zmiany infrastruktury. Znacznie ważniejsze jest uporządkowanie sposobu wykonywania kontroli.
W praktyce warto:
- określić, dla których pomiarów temperatura i inne warunki środowiskowe mogą mieć znaczenie;
- nie mierzyć precyzyjnych detali bezpośrednio po obróbce, jeśli ich temperatura wyraźnie różni się od otoczenia;
- zapewnić czas na stabilizację przyrządów i części przenoszonych między pomieszczeniami;
- utrzymywać powierzchnie pomiarowe w czystości i kontrolować obecność chłodziwa, oleju oraz wilgoci;
- przy szczególnie dokładnych pomiarach rejestrować temperaturę w miejscu wykonywania kontroli i ograniczać wpływ drgań.
Warto również określić zasady postępowania z wynikiem znajdującym się bardzo blisko granicy tolerancji. Powtórzenie pomiaru po ustabilizowaniu detalu może być znacznie bardziej racjonalne niż natychmiastowe uznanie części za niezgodną.
Podsumowanie
Aktualne wzorcowanie przyrządów pomiarowych jest ważnym elementem nadzoru nad wyposażeniem, ale nie eliminuje wszystkich źródeł błędów pomiarowych. Przyrząd może działać prawidłowo, a wynik nadal może być niewiarygodny z punktu widzenia konkretnego procesu, jeśli pomiar wykonano w nieodpowiednich warunkach.
Temperatura pomiaru, stabilizacja detalu i przyrządu, wilgotność, zabrudzenia czy drgania stanowiska powinny być traktowane jako element całego procesu pomiarowego.
Nie każdy pomiar wymaga ściśle kontrolowanych warunków. W metrologii przemysłowej najważniejsze jest podejście proporcjonalne: im większej dokładności wymaga proces i im węższa tolerancja, tym dokładniej należy ocenić wpływ otoczenia na wynik.
FAQ
Czy każdy pomiar wymiarowy powinien być wykonywany w temperaturze 20°C?
Nie. 20°C jest standardową temperaturą odniesienia dla pomiarów wymiarowych, ale w wielu procesach produkcyjnych pomiary w innych temperaturach są wystarczające. Trzeba ocenić, czy wpływ temperatury jest istotny w stosunku do wymaganej tolerancji.
Ile czasu detal powinien stabilizować się przed pomiarem?
Nie ma jednej wartości odpowiedniej dla wszystkich elementów. Czas zależy między innymi od wielkości, masy i materiału detalu oraz od różnicy między jego temperaturą początkową a temperaturą miejsca pomiaru.
Czy wilgotność wpływa na dokładność pomiarów?
Może wpływać zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio. Szczególne znaczenie ma możliwość kondensacji wilgoci, korozji powierzchni pomiarowych oraz zmiany właściwości materiałów wrażliwych na wilgotność.
Czy wzorcowanie przyrządu eliminuje wpływ temperatury?
Nie. Wzorcowanie przyrządów pomiarowych dostarcza informacji o właściwościach metrologicznych wyposażenia w określonych warunkach. Nie eliminuje zmian wymiaru detalu, różnic temperatur ani wpływu środowiska podczas późniejszego użytkowania przyrządu.
Kiedy warto przenieść pomiar z hali do bardziej stabilnych warunków?
Przede wszystkim wtedy, gdy tolerancja jest niewielka, wynik znajduje się blisko jej granicy lub gdy na hali występują duże wahania temperatury, drgania albo inne czynniki mogące istotnie wpłynąć na wynik.