Danas je nabavljen uređaj za mjerenje površinske hrapavosti materijala (pertometar, profilometar) Perthometer C3A njemačke tvrtke Mahr Perthen iz druge polovice 1970-tih godina.
Tvrtka Mahr vuče korijene iz 1861. godine kada je bravarski majstor Carl Mahr u Esslingenu (Njemačka) počeo proizvoditi pomična mjerila. U narednim godinama obiteljska tvrtka nastavlja razvijati i proizvoditi različite mehaničke precizne mjerne alate, a nakon 2. svjetskog rata proizvodnja se širi na precizne dozirajuće pumpe za izradu sintetičkih vlakana za tekstilne predionice. Krajem 1950-tih godina Mahr počinje proizvodnju preciznih kugličnih vodilica kao univerzalne komponente mehaničkih konstrukcija. Tijekom 1973. godine Mahr preuzima tvrtku Dr. Ing. Perthen GmbH (Hanover), zatim 1999. tvrtku Federal Products Co. (SAD), 2004. godine tvrtku OKM Optical Coordinate Measurement GmbH (Njemačka), 2006. godine tvrtku Helios Messtechnik GmbH & Co. KG (Njemačka) i 2015. godine tvrtku MWF Roland Friedrich GmbH (Njemačka). Danas je Mahr grupacija sa proizvodnim i prodajnim podružnicama širom svijeta. Spomenute tri kategorije proizvoda (precizni industrijski mjerni instrumenti za kontrolu geometrije izratka, zupčaste rotirajuće pumpe i kuglične vodilice) i danas čine osnovu ponude grupacije Mahr.
Na našem instrumentu otisnut je logo Mahr Perthen, Hannover. Kao što smo rekli, 1973. godine tvrtka Mahr je preuzela tvrtku Dr. Ing. Perthen GmbH u Hannoveru, a 1988. godine proizvodni pogon Perthen je iz Hannovera premješten u Göttingen. To bi naš instrument svrstalo u razdoblje između ove dvije godine.
Općenito o mjeračima hrapavosti već smo pisali u objavi SURTRONIC 112/1100. Takvi uređaji služe za otkrivanje mikroskopskih nepravilnosti kod završnih obrada površina materijala koje ostaju nakon postupka obrade ili drugih utjecaja (hrđa, stvaranje slojeva raznih nečistoća i slično). Instrumenti koji mjere hrapavost mogu se bazirati na tri osnovne metode: kontaktnoj, beskontaktnoj i usporednoj. Usporednom metodom se ispitivana površina vizualno uspoređuje sa etalonima hrapavosti poznate vrijednosti pri čemu se koriste specijalni komparativni mikroskopi. Beskontaktne metode uglavnom uključuju različite skenere koji rade na principu mjerenja refleksije laserske zrake s površine materijala, no ovisno o namjeni mogu se upotrebljavati i druge valne duljine od ultrazvučnih, preko mikrovalnih, sve do vidljive svjetlosti pa i kraće.
Naš instrument se temelji na kontaktnoj metodi. Kod takvih metoda vrlo tanka igla (ticalo) klizi po površini materijala te se njeno gibanje po neravninama površine induktivnim, piezo, optičkim ili kakvim drugim tipom pretvornika pretvara u električni signal koji se dalje pojačava za prikaz na instrumentu ili displeju. Dakle sam princip jako podsjeća na princip reprodukcije zvuka sa gramofonske ploče. Najčešće se radi o dijamantnim ili rubinskim iglama promjera nekoliko μm. Površina na kojoj vršimo mjerenje i mjerna igla moraju biti dobro fiksirani i pravilno vođeni da se spriječi utjecaj vanjskih vibracija, pomaka i drugih nepravilnosti koje mogu utjecati na mjerenje. Mi smo nabavili samo mjerni uređaj (pojačalo), no da bi mogli mjeriti hrapavost uz njega moramo imati i iglu (ticalo) sa električnim pretvornikom, mehanizam za pozicioniranje te neki električni pogon za pravilno vođenje te igle po površini materijala.
Za mjerač hrapavosti Perthometer C3A nismo pronašli nikakve podatke niti dokumentaciju. Na prednjoj ploči nalazimo kontrole sa oznakama koje su uobičajene kod mjerenja hrapavosti.
U sredini je CUT-OFF / lt sklopka sa tri položaja. Cut-off predstavlja graničnu valnu duljinu mjerenja u mm, odnosno odabir filtra koji će izdvojiti samo željene valne duljine (ili frekvencije) titranja ticala prilikom njenog kretanja po neravninama materijala tijekom mjerenja. Naime, tijekom obrade površine materijala može nastati širok spektar finoća (gustoća) različitih nepravilnosti. One najfinije nepravilnosti nastaju zbog ograničenja u samoj finoći postupka obrade materijala i nazivamo ih hrapavost. Takve nepravilnosti će zbog velike gustoće izazivati brzo titranje igre ticala, te ćemo na izlazu iz pretvornika dobiti visoke frekvencije ili kraće valne duljine signala. S druge strane tijekom obrade mogu nastati i šire nepravilnosti odnosno svojevrsne valovitosti na površini materijala. Te valovitosti se najčešće pojavljuje zbog pogrešaka u radu stroja, greške materijala, naprezanja i drugih faktora. S obzirom da se takvi oblici ponavljaju na široj površini materijala, oni će generirati niže frekvencije, odnosno veće valne duljine u mjernom signalu. Frekvencijskim filtrom Cut-off ćemo dakle izdvojiti samo onu vrstu nepravilnosti površine koja nas kod mjerenja interesira i odabir ove vrijednosti može jako utjecati na izmjereni rezultat. U praksi fino obrađene površine zahtijevaju kratke Cut-off vrijednosti, a duži Cut-off odabire se grublje površine i površine gdje je potrebno snimiti dulji trag (limovi). Na instrumentu Perthometer C3A moguće je odabrati tri granične valne duljine od 0,25 – 0,8 – 2,5 mm. Sa dijagonalno suprotne strane su oznake minimalne duljine mjerenja za pojedinu Cut-off vrijednost. Što je valna duljina veća (hrapavost grublja) to logično i duljina mjerenja mora biti veća.
Desno je kombinacija 4-položajne sklopke za odabir vrste mjerenja i potenciometra za električnu kalibraciju kazaljke koji se veže na indikacijski nul-metar iznad njega:
- Ra – srednje aritmetičko odstupanje profila (srednja aritmetička vrijednost apsolutnih
vrijednosti visina neravnina na mjernoj duljini lt) - Rz – srednja visina neravnina (srednja vrijednost između pet najviših vrhova profila i pet najnižih dolova profila na duljini na mjernoj duljini lt)
- Rmax – najveća visina neravnina
- P – primarni profil, odnosno stvarni profil sa isključenim filtrom hrapavosti Cut-off
Lijevo je 6-položajna sklopka za odabir mjernih opsega za pojedine vrste mjerenja. Iz ovoga proizlazi da je mjerenje srednjeg aritmetičkog odstupanja (Ra) moguće u opsegu 0,001-32 µm, a sva ostala mjerenja u rasponu 0,01 – 100 µm, gledano po jednoj podjeli skale. S obzirom da je skala sa bazom 3 prilično razvučena onda bi realno rezolucija očitanja za Rz, Rmax i P bez problema išla i ispod 0,005.
Za neku referencu, u standardnoj obradi površina glodanjem postiže se finoća do Ra = 3,687 μm (Rz = 20,248 μm), u obradi tokarenjem finoća do Ra = 3,331 μm (Rz = 19,314 μm), a u obradi brušenjem finoća do Ra = 0,163 μm (Rz = 1,268 μm).
S električne strane gledano mjerač hrapavosti je svojevrsni selektivni izmjenični voltmetar opremljen ulaznim atenuatorom (sklopka mjernih opsega), frekvencijskim filtrom (Cut-off) i mjernim pojačalom sa mogućnosti mjerenja vršnih i srednjih vrijednosti amplituda napona (sklopka vrste mjerenja).
Čitav sklop sadrži 17 integriranih krugova i 30-tak tranzistora:
- HBF4017AE (SGS) – dekadski brojač/djelitelj
- NE 555 (Signetics) – timer/oscilator
- MC 1458 (Signetics) x5 – dvostruko operacijsko pojačalo
- LM301AN (National Semiconductor) – operacijsko pojačalo
- LM741CN x3 (National Semiconductor) – operacijsko pojačalo
- LH0042CH x6 (National Semiconductor) – operacijsko pojačalo
MC7912 i MC7812 su Motorolini negativni i pozitivni regulatori napona 12 V iz sredine 1970-tih godina, no zanimljivo je da su na nožicama otisnuti simboli kao kod tranzistora (B, C, E). Desno je detalj na karakteristični Siemensov induktivitet ili transformator zatvoren u feritnom lončiću.
Višepolni preklopnici, potenciometri kao i kombinacija preklopnika i potenciometra. Sve su ovo specijalizirani elementi za koje je danas vrlo teško naći neku odgovarajuću modernu zamjenu.
Ovdje vidimo otisnut logo Mahr Feinprüf. Ova podružnica je osnovana u Göttingeru 1936. godine (Feinprüf, Feinmess und Prüfgeräte GmbH). Tijekom 2. svjetskog rata tvornica je bila podređena potrebama Wehrmachta sa prisilnom radnom snagom. Tijekom 1970. godine Mahr osniva Feinprüf Corp. u Charlotteu, SAD.
Dvostruka operacijska pojačala MC 1458 i timer NE 555 proizvođača Signetics. Tvrtka Signetics je 1972. godine prva predstavila integrirani krug 555 po dizajnu švicarca Hansa Camenzinda. Dekadski brojač/djelitelj HBF4017AE proizvođača SGS vezan je sa pinovima 555 te je moguće da se kombinacijom ova dva integrirana kruga dobivaju različite precizne vremenske baze ili oscilatori za mjerne krugove.
Operacijska pojačala LM301AN i LM741CN proizvođača National Semiconductor. Funkciju tipkala (crveni gumb na prednjoj ploči) nismo dokučili.
Dvostruka operacijska pojačala MC 1458 proizvođača Signetics i operacijska pojačala u metalnim kućištima LH0042CH proizvođača National Semiconductor. Čitav uređaj sadrži ukupno 20 operacijskih pojačala.
Na zadnjoj ploči su mrežne komponente i ulazno izlazni konektori. Preko ovih konektora uređaj dobiva signal sa ticala (senzora) te šalje upravljački signal za kontrolu pomaka ticala kao i vrlo vjerojatno izmjereni signal (u analognom obliku) za vanjski pisač ili neki drugi registracijski uređaj.
Upotrijebljen je veliki broj pinova na manjem 24-pinskom i većem 36-pinskom konektoru tako da će ovdje biti teško pronaći preko kojih pinova se dovodi sam signal sa ticala. Čak i da nađemo te pinove te simuliramo ulazni signal, jedino što možemo dobiti to su neki pomaci kazaljke, no oni imaju praktični smisao jedino za konkretno mjerenje sa kompletnim mjernim setom. Ovaj uređaj teško možemo pretvoriti u neki elektronički voltmetar jer je čitavo mjerno pojačalo konstruirano za namjensku obradu ulaznih izmjeničnih signala.
Tvrtka za proizvodnju električnih mjernih instrumenata Weigand Messtechnik GmbH (Erlangen, Njemačka) poslovala je u razdoblju 1938 – 1984. godine.
Ovdje nema smisla nagađati o mogućoj blok shemi Perthometra C3A jer se radi o specijaliziranom preciznom industrijskom mjernom instrumentu za koji nemamo nikakvih konkretnih podataka. To se posebno odnosi na 24 i 36-pinske konektore na zadnjoj strani za ulazne i izlazne mjerne te upravljačke signale. Ticala za mjerače hrapavosti obično koriste induktivne ili piezo-električne pretvornike no trebali bi barem podatak o naponskim nivoima iz tih pretvornika. Veliki dio sklopova bazira se na operacijskim pojačalima, a ona pak mogu biti sastavni dio velikog broja različitih krugova, od naponskih i strujnih pojačala do komparatora, integratora, filtara, ispravljača, oscilatora i tako dalje. Zanimljiva je naravno upotreba timera 555 u kombinaciji da brojačem/djeliteljem 4017, što može biti (dio) niskopropusnih filtara za tri različite cut-off frekvencije ili dio nekih vremenskih baza za kontrolu mjerne dužine pogona ticala.
Moderni mjerači hrapavosti mogu biti kontaktni ili beskontaktni no redovito su sa digitalnom obradom i prikazom podataka. To su kompleksni i skupi uređaji sa cijenama od 1500 eura na više. Ovo i ne čudi jer moraju sadržavati izuzetno osjetljive i precizne senzore, niskošumna pojačala velikog pojačanja, precizne frekvencijske filtre te složeno mjerno pojačalo sa funkcijom pojedinačne detekcije i sumiranja izmjerenih vrijednosti u nekom vremenskom okviru.
Test našeg primjerka Perthometra C3A je pokazao da isti vjerojatno radi. Pali se osvjetljenje skale nul-indikatora, kazaljka reagira na kalibraciju ovisno o odabranom mjernom opsegu, a puno više od toga ne možemo testirati.
Uređaj je došao sa razbijenim zaštitnim staklom mjernog instrumenta pa smo povadili krhotine da ne oštećuju kazaljku i skalu. Međutim, da bi se stavilo novo staklo potrebno je rastaviti prednju stranu kućišta koje se sastoji od dva međusobno staljena plastična dijela. Razdvajanje ta dva dijela se neće moći izvesti bez primjene grube sile i mehaničkih oštećenja, a najgore je što se upravo u tom “sendviču” nalazi zatvoren osjetljivi mjerni instrument koji baš ne podnosi grube mehaničke radove. Stoga ćemo za sada samo improvizirati neku vanjsku zaštitu, a jednom kad budemo bolje volje i koncentracije možda se i upustimo u ovaj rizični popravak gdje uvijek postoji mogućnost da se zbog trenutka nepažnje ili kakve krive procjene napravi veća šteta nego korist. Istina da ovaj instrument možda više nema neku uporabnu vrijednost, no ipak je riječ o relativno rijetkom primjerku električne mjerene tehnike koji bi onda bilo poželjno sačuvati makar u zatečenom stanju 🙂