Краткое описание простейших измерительных приборов

НОНИУС

Нониусом называют вспомогательную шкалу измерительных приборов, которая служит для отсчета дробных долей делений основной шкалы. Нониус позволяет повысить точность измерений в 10-20 раз.

В большинстве приборов используются линейные или угловые (круговые) шкалы. Отсчет по прибору представляет собой измерение длин отрезков прямой или дуги. В том случае, когда относительная точность измерения длины такова, что можно удовлетвориться абсолютной точностью в сотые или даже десятые доли миллиметра, а для углов - минутами или долями минут, для увеличения точности измерения можно пользоваться обычными масштабными линейками и угломерами, снабженными нониусами.

Рис. 1.

Самым простым является десятичный нониус, который дает возможность измерять длину с точностью до 0,1 деления основной шкалы (масштаба). Этот нониус представляет собой дополнительную линейку, разбитую на 10 равных делений. Длина всего нониуса равна девяти целым делениям масштаба. Таким образом, если длина одного деления нониуса Х, а длина одного деления масштаба Y = 1 мм, то 10× Х = 9 мм. Следовательно, длина каждого деления нониуса будет равна 0,9 мм. Если нулевой штрих нониуса, а, следовательно, и десятый, точно совпадает с каким-либо штрихом масштаба, то все остальные штрихи нониуса не совпадают со штрихами масштаба (рис. 1а). Если же нулевой штрих нониуса не совпадает с масштабным, то найдется такой штрих, который совпадает с каким-либо штрихом масштаба гораздо лучше (рис. 1б).

Наименьшая величина, которая может быть измерена при помощи нониуса, определяется разностью D Х = Y - X между длиной масштаба и длиной деления нониуса. Эта разность и будет в нашем случае ценой деления или же точностью нониуса: при Х = 0,9 мм, Y = 1 мм, D Х = 0,1 мм.

Как пользоваться нониусом

При снятии отсчета требуется определять расстояние L между нулями нониуса и основной шкалы.

В изображенной на рис. 1б ситуации это расстояние складывается из 10 делений масштаба, «пройденных» нулем нониуса, то есть из 10 мм и отрезка D L, длина которого равна расстоянию от десятого штриха масштаба до нуля нониуса с точностью до 0,1 мм.

Как видно из рисунка 1б, восьмой штрих нониуса, отмеченный стрелкой, точно совпадает с масштабным штрихом. Седьмой штрих не совпадает с масштабным штрихом настолько, насколько длина деления нониуса короче длины деления масштаба, то есть на 0,1 мм. Шестой штрих нониуса не совпадает с масштабным штрихом уже на 0,2 мм, так как длина двух делений нониуса на 0,2 мм короче длины двух делений масштаба. Нулевой штрих нониуса не совпадает с масштабным штрихом уже на 0,8 мм, так как восемь делений нониуса короче восьми делений масштаба на 0,8 мм. Расстояние между нулевым штрихом нониуса и десятым штрихом масштаба как раз равно отрезку D L. Таким образом, отрезок D L равен 0,8 мм. Другими словами, для нахождения десятых долей деления шкалы при помощи десятичного нониуса надо номер «совпадающего» деления нониуса умножить на 0,1, то есть на цену деления нониуса.

Рис. 2.

Круговой нониус, в принципе, не отличается от линейного, кроме того, что здесь вместо линейных величин следует пользоваться угловыми. Он представляет собой небольшую дуговую линейку, скользящую вдоль круга (лимба) (см. рис. 2).

ШТАНГЕНЦИРКУЛЬ

Штангенциркулем (рис. 3) называется прибор, применяющийся для измерения линейных размеров с точностью от 0,1 до 0,02 мм.

Рис.3.

Штангенциркуль состоит из линейки (штанги) 1 с миллиметровыми делениями и подвижной рамки 2 с нониусом 3 и фиксирующим винтом 4. На штанге и рамке имеются ножки (губки) 5 и 6. Ножки с внутренней стороны имеют плоские поверхности. При сомкнутых ножках отсчет по нониусу равен нулю. Для измерения штангенциркуль берут в правую руку, а измеряемый предмет помещают между ножками, плотно зажимают и закрепляют винт. После этого производят отсчет. Многие штангенциркули снабжены еще одной рамкой 7 с закрепляющим 8 и микрометрическим 9 винтами. Для более точного отсчета измерения можно поступать следующим способом. Измеряемый предмет слегка зажимают между ножками. Закрепляют винт 8, и при помощи винта 9 рамка 2 более плотно (но без сильного нажима) прижимается к предмету. Затем закрепляют винт 4 и производят отсчет.

Для измерения внутренних размеров пользуются специально отшлифованными внешними сторонами ножек со стороны тупых концов, суммарная толщина которых известна и нанесена на них в миллиметрах. Ножки вставляют внутрь отверстия, а затем раздвигают. К отсчету по нониусу следует прибавить толщину ножек.

МИКРОМЕТР

Микрометр (рис.4) представляет собой прибор, предназначенный для измерения линейных размеров с точностью до 0,01 мм. Микрометр для измерения наружных размеров в пределах от 0 до 25 мм состоит из скобы 1 с пяткой 2 и трубкой (стеблем) 3. В трубке имеется внутренняя резьба, в которую ввинчен микрометрический винт 4 с закрепленным на нем барабаном 5. На конце барабана имеется фрикционная головка (трещотка) 6.

Действие микрометра основано на свойстве винта совершать при его повороте поступательное перемещение, пропорциональное углу поворота. При измерении предмет зажимается между пяткой и микрометрическим винтом. Для вращения барабана при этом пользуются только фрикционной головкой. После того, как достигнута предельная степень нажатия на предмет (500-600 г), фрикционная головка начинает проскальзывать, издавая характерный треск. Благодаря этому, зажатый предмет деформируется сравнительно мало (его размеры не искажаются).

Рис. 4.

На трубке 3 нанесены деления основной шкалы. Барабан 5 при вращении винта перемещается вдоль трубки. Шаг винта подбирается таким, что один полный оборот барабана соответствует его смещению вдоль основной шкалы на одно деление. На барабане нанесена добавочная шкала.

Рис.5.

Основная шкала микрометра разбита на миллиметры. Шаг микрометрического винта также равен 1 мм. На шкале барабана нанесено 100 равных делений. Ясно, что каждое из этих ста делений имеет достоинство 0,01 мм, так как при повороте барабана на одно деление происходит поступательное перемещение микрометрического винта на 0,01 мм. Если нулевое деление барабана совпадает с прямой линией А на трубке (рис.5), то микрометр показывает целое число миллиметров, которое определяется делением основной шкалы, показавшимся из-под барабана. Если же нуль шкалы барабана не совпадает с линией на трубе, то отсчет не равен целому числу миллиметров. В этом случае число целых миллиметров определяется последним видимым делением основной шкалы, а число сотых долей миллиметра - делением барабана, стоящим против линии на трубки. На рис. 5 измеряемая длина равна 13,73 мм.

Перед началом работы с микрометром следует убедиться в его исправности. Для этого вращением фрикционной головки приводят в соприкосновение микрометрический винт с пяткой. Момент соприкосновения определяется по сигналу трещотки. При этом край барабана должен располагаться над нулевым делением основной шкалы, а нуль барабана - против линии на трубке. Если эти условия не соблюдены, то во всех дальнейших измерениях следует учитывать систематическую ошибку микрометра, равную тому числу делений барабана, которое соответствует сомкнутым микрометрическому винту и пятке. Если это отклонение велико, то микрометр нуждается в регулировке. Вращать винт с усилием (за барабан) после того, как заработала трещотка, запрещается, так как это ведет к порче прибора.

Особенности отсчета

Рис. 6.

Когда отсчеты по шкале барабана немного меньше 50 (или 100), следующее деление шкалы барабана обычно показывается из-под края барабана. Это особенно актуально при измерениях микрометрами, имеющими шкалы с половинными делениями. Такая шкала изображена на рис. 6. Верхний ряд делений на основной шкале отмечает половинные доли основной шкалы. Естественно в этом случае шкала барабана имеет в два раза меньше делений, чем изображенная на рис. 5.

Последнее видимое нижнее деление на рис. 6а соответствует 8 мм и, кроме того, показалось еще верхнее деление. Возникает вопрос, как правильно отсчитывать число целых и половинных делений: 8,0 мм или 8,5 мм? В этом случае появившееся верхнее деление не должно приниматься в расчет, так как показания шкалы барабана, равные 48 делениям, говорят о том, что край барабана отошел от последнего нижнего видимого восьмого деления на 0,48 мм; следовательно, в данном случае отсчет будет 8,0 + 0,48 = 8,48 мм. Если бы край барабана отошел на 0,48 мм от верхнего деления, то между этим делением и барабаном был бы заметный просвет почти полмиллиметра. На рис. 6б показано положение барабана, при котором из-под его края уже видно шестое деление основной шкалы. Однако, отсчет по барабану 0,47 мм. Это означает, что до шестого целого миллиметра нужно повернуть барабан на три деления его шкалы (переместить край барабана на 0,03 мм). Таким образом, в этом случае шестое деление основной шкалы не следует принимать во внимание и, следовательно, отсчет будет равен 5,0 + 0,5 + 0,47 = 5,97 мм.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕСЫ

Рис.7.

Технические (лабораторные) весы (рис. 7) представляют собой рычажные весы. Точкой опоры рычага-коромысла 1 является ребро опорной призмы 2, которая опирается на стальную пластинку (подушку), расположенную в верхней части колонки 3. Чашки весов подвешивают при помощи призм 4, расположенных на концах коромысла. Вертикальная установка колонки 3 осуществляется при помощи установочных винтов 5 и контролируется отвесом 6. К коромыслу прикреплена стрелка-указатель 7. В нижней части колонки находится шкала с делениями (обычно, по десять делений справа и слева от нуля, расположенного посередине шкалы). На концах коромысла имеются регулировочные грузики (гайки) 8, при помощи которых можно смещать положение равновесия весов.

Технические весы снабжены арретиром - приспособлением, закрепляющим коромысло весов в нерабочем состоянии и предохраняющим ребро призмы от изнашивания. Обычно, весы должны быть арретированы (коромысло закреплено). При взвешивании коромысло освобождается поворотом ручки 9, расположенной в средней части подставки весов.

Для изменения положения центра тяжести коромысла служит грузик 10, который можно перемещать вверх и вниз. Центр тяжести коромысла для устойчивого равновесия должен лежать ниже точки опоры. С другой стороны, чем выше центр тяжести коромысла, тем чувствительнее весы.

Точность технических (лабораторных) весов составляет 0,1 г. Перед взвешиванием следует убедиться, правильно ли установлены весы по отвесу и находятся ли они в равновесии без нагрузки при освобождении арретира. Чтобы определить, находятся ли весы в равновесии, нет необходимости ждать, пока они остановятся. Весы уравновешены, если стрелка при их качании отклоняется на одинаковое число делений вправо и влево. Если стрелка ненагруженных весов отклоняется в одну сторону больше, чем в другую, то можно добиться одинакового отклонения осторожным вращением регулировочных грузиков 8 (вращать грузики можно на один-два оборота и только на арретированных весах). При наличии больших отклонений в одну сторону, следует обратиться к механику.

Правила взвешивания

Ставить на чашки весов, а также снимать с них грузы (взвешиваемые предметы и разновес, даже самый мелкий) можно только при арретированных (закрепленных) весах.

Взвешиваемый предмет кладут на одну чашку весов, а разновес - на другую.

Большие гири разновеса (до 10 г) берут руками, а маленькие (от 10 г и меньше) - пинцетом. Снятый с чашки весов разновес должен быть сразу же положен в соответствующее гнездо ящика

Определить, какая из чашек перевешивает, можно, слегка освободив коромысло от арретира и проследив за направлением отклонения стрелки, не выводя при этом арретир полностью.

Освобождать и арретировать коромысло следует всегда медленно, осторожно. Освобождать полностью от арретира можно только уравновешенные весы (при этом стрелка должна качаться в пределах шкалы).

При взвешивании следует придерживаться определенного порядка. Первым на чашку весов кладут тот разновес (гирьку), который, по мнению взвешивающего, наверняка перетянет тело. Слегка освобождая весы от арретира, узнают, что перевешивает: тело или разновес. Если перетягивает разновес, то его снимают и кладут на чашку весов следующий, меньшей массы. Если же перетягивает тело, то этот разновес оставляют на чашке весов и добавляют к нему следующий из набора. Снова, слегка освобождая арретир, узнают, что перевешивает: тело или разновес. Если перетягивают разновесы, то снимают разновес, положенный последним, и кладут на чашку весов следующий. Если же перетягивает тело, то к двум положенным разновесам добавляют следующий из набора. Повторяя эту операцию последовательно, добиваются равновесия рычага. При взвешивании этим способом число проб не превышает числа различных гирек в ящике.

Весы считаются уравновешенными, если стрелка при освобождении от арретира отклоняется по обе стороны от нуля примерно на одинаковое число делений.

Взвешивание следует производить два раза: один раз тело кладут на правую чашку весов, а другой - на левую. За величину массы берут среднее геометрическое значение. Это необходимо для того, чтобы исключить ошибки, связанные с неравноплечностью коромысла. При этом взвешивании весь крупный разновес (до 1-2 г) остается тем же, так как неравенство плеч обычно бывает очень мало. Если взвешивание производится с точностью до 1 г, то можно взвешивать только на одной чашке.

Рис. 8.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП МИР-1

Предназначен для измерения небольших расстояний (3-5 мм) с точностью до сотых миллиметра. Основным преимуществом его является то, что при измерении с помощью микроскопа нет необходимости касаться измеряемого предмета. При наличии вертикального раздвижного штатива при помощи измерительного микроскопа можно измерять также вертикальные расстояния до 10-12 см с точностью до 0,1-0,5 мм.

Измерительный микроскоп состоит (рис. 8) из корпуса 1, выдвижного тубуса 2 (с нанесенными на него делениями от 130 до 200), объектива 3 и окуляра 4. Обычно, микроскоп устанавливается на вертикальном раздвижном штативе 5. Ручка 6 служит для перемещения микроскопа при его фокусировке в направлении измеряемого предмета. Шарнир с зажимным устройством (винт 7) дает возможность закреплять микроскоп под некоторым углом к горизонтальному направлению. Освободив винт 8, можно поворачивать микроскоп вокруг вертикальной оси, не двигая штатива. Вертикальное перемещение микроскопа осуществляется вращением ручки 9. Величина вертикального перемещения может быть измерена с помощью миллиметровой шкалы с нониусом 10. Штатив устанавливается вертикально винтами 11.

От обычного микроскопа измерительный микроскоп отличается, во-первых, сравнительно большим фокусным расстоянием объектива (не­сколько сантиметров вместо нескольких миллиметров). Это удобно для измерений, так как не всегда можно поместить микроскоп на очень близком расстоянии от измеряемого предмета. Во-вторых, внутри окуляра измерительного микроскопа в той же плоскости, где получается изображение, помещена шкала с мелкими делениями, нанесенная на стеклянной пластинке. Обычно, кроме шкалы, на этой же стеклянной пластинке нанесен крест, одна из линий которого проходит посередине шкалы. Глаз наблюдателя видит в поле зрения микроскопа изображение шкалы, совмещенное с изображением предмета. Выдвигая и вдвигая глазную линзу окуляра, можно добиться четкого изображения шкалы. Вращая окуляр в тубусе, можно повернуть шкалу и установить ее в любом необходимом положении.

Цена деления шкалы окуляра.

ТАБЛИЦА 1
Длина тубуса, мм	Цена деления шкалы, мм
	0,058
	0,053
	0,049
	0,045
	0,041
	0,038
	0,036

Для проведения измерений надо знать цену деления шкалы окуляра микроскопа. Ценой деления назовем длину такого предмета, изображение которого закрывает одно деление шкалы. Цена деления шкалы зависит от расстояния между окуляром и объективом микроскопа. Это расстояние можно менять, выдвигая и вдвигая тубус. Цена деления микроскопа при различных положениях тубуса, взятая из заводского паспорта дана в таблице 1. Положение тубуса определяется делением на нем, которое совпадает с краем корпуса. Цену деления при других положениях тубуса можно найти интерполированием.

Цену деления шкалы окуляра при любом положении тубуса можно определить самостоятельно двумя следующими способами.

1. Микроскоп наводят на предмет, размер которого заранее известен. В качестве такого предмета можно взять несколько делений миллиметровой шкалы. Подсчитывают число делений шкалы микроскопа, укладывающихся в изображении, видимом в микроскоп. Чтобы найти цену деления, нужно разделить длину предмета в миллиметрах на это число делений.

2. Установленный в выдвижном штативе микроскоп наводят на какой-либо предмет (штатив должен быть установлен вертикально, сам микроскоп - горизонтально, шкала окуляра - вертикально). Вращая ручку 9, приводят левый штрих шкалы в совпадение с какой-либо определенной хорошо заметной точкой предмета и делают отсчет по шкале на штативе при помощи нониуса. Затем, не сдвигая штатива и предмета, вращением ручки 9 приводят в совпадение с той же точкой предмета последний штрих шкалы окуляра и снова делают отсчет по нониусу. Разделив разность двух отсчетов по нониусу на общее число делений шкалы окуляра, находят цену деления этой шкалы.

Измерение малых расстояний.

Если измеряемые расстояния достаточно малы (3-5 мм) и не выходят за пределы шкалы окуляра, то для их измерения пользуются только шкалой окуляра. Микроскоп на раздвижном штативе устанавливают рядом с измеряемым предметом так, чтобы расстояние между объективом и предметом было 2,5-3 см. Оптическая ось микроскопа должна быть перпендикулярна линии, на которой лежат те две точки предмета, между которыми измеряется расстояние. В частности, при измерении расстояний между точками, лежащими на одной вертикальной линии, микроскоп должен быть установлен горизонтально. Установить микроскоп в желаемом положении можно, освободив винты 7 и 8, а затем снова их закрепив. Для установки пользуются также ручками 6 и 9. Штатив в любом случае следует установить вертикально при помощи винтов 11.

Передвигая глазную линзу окуляра, добиваются четкого изображения шкалы в поле зрения микроскопа. При помощи ручки 6 добиваются четкого изображения предмета. Находят в поле зрения две точки, расстояние между которыми нужно измерить, и добиваются того, чтобы эти точки лежали на линии, идущей посередине шкалы окуляра. Для этого, возможно, придется поднять или опустить микроскоп вращением головки 9 и слегка передвинуть микроскоп на столе, либо повернуть его, освободив винт 8, а также повернуть окуляр в тубусе. Подсчитывают число делений шкалы окуляра, укладывающееся между этими точками. Умножив найденное число делений на цену деления при данном положении тубуса, получают искомое расстояние. Абсолютная ошибка в определении расстояния составляет приблизительно половину цены деления.

СЕКУНДОМЕР1

Секундомер СМ-60 предназначен для измерения малых промежутков времени (до 30 мин.). У секундомера имеются две стрелки: большая - секундная и малая - минутная. Цена деления самого мелкого деления секундной шкалы 0,2 сек. Секундная стрелка движется скачками также через 0,2 сек. Поэтому наибольшая абсолютная точность, которую можно достичь секундомером, составляет 0,2 сек. За один оборот секундной стрелки минутная стрелка проходит одно деление. Полный оборот малая стрелка совершает за 30 минут.