Odchylka s od referenční teploty může způsobit velké chyby měření. Záznam teploty umožňuje matematickou kompenzaci tepelných vlivů na souřadnicový měřicí stroj. Výsledkem je mnohem ekonomičtější alternativa k vysoce přesné klimatizované měřicí místnosti.
Odchylky teploty jsou jednou z mnoha různých složek nejistoty měření. Teplota stroje, stupnice a obrobku má přímý vliv na výsledek měření. Odchylky teploty v místnosti od referenční teploty 20 °C mají na tyto teploty nepřímý vliv. Dalšími ovlivňujícími faktory jsou zbytkové teplo obrobku (např. ze zpracování a manipulace) a také zdroje tepla v měřicím zařízení (např. motory, světelné zdroje). Časové teplotní gradienty způsobují drift výsledků měření.
Hlavními tepelně indukovanými zdroji nejistoty měření jsou lineární roztažnost obrobku a odměřování s rostoucí teplotou. Další tepelně indukované chyby měření jsou způsobeny deformací měřicího zařízení a změnou délky dotyku při kontaktním měření. Tyto vlivy nejsou u většiny přístrojů korigovány.
Velikost odchylky měření se liší v závislosti na koeficientu tepelné roztažnosti materiálu obrobku. Teplotní korekce výsledků měření je nutná pouze v případě, že je po celou dobu měření udržována referenční teplota. To znamená, že se udržuje konstantní teplota 20 °C jak pro celý souřadnicový měřicí stroj (CMM), tak pro obrobek.
Tepelně indukovaná změna délky
Čím větší je koeficient tepelné roztažnosti materiálu α, délka obrobku L0 a teplotní odchylka ΔT od referenční teploty, tím větší je tepelně indukovaná chyba délky ΔL:
ΔL = α * L0 * ΔT
Bez teplotní kompenzace je například výsledkem měření délky 100 mm dlouhého obrobku PVDC při teplotě 25 °C a stupnicích na ocelových podložkách chyba měření přibližně 70 µm.
S rostoucí teplotou se obrobek rozpíná a chyba měření se zvyšuje. Protože se rozšiřují i měřítka, dochází k částečné kompenzaci odchylky měření (obr. 1). Proto byla ve výše uvedeném příkladu změna délky odměřování na ocelových nosičích odečtena od změny délky obrobku. Pokud se měří obrobky ze stejného materiálu jako odměřování, účinky roztažnosti se vzájemně kompenzují za předpokladu, že na měřítkách a obrobku panují stejné teplotní podmínky. Tato metoda má však dvě nevýhody: Zaprvé, v praxi je poměrně vzácné, aby se teploty stupnice a obrobku přesně shodovaly, a zadruhé, tímto způsobem lze měřit pouze obrobky vyrobené ze stejného materiálu jako stupnice.
Obr. 1: Expanze odměřování a obrobku se částečně vyruší.
Stupnice ze speciální keramiky mají koeficient tepelné roztažnosti blízký nule, takže je třeba zohlednit pouze roztažnost obrobku. To však samo o sobě není optimálním řešením pro kompenzaci teplotně vyvolaných odchylek měření. Je tomu tak proto, že bez matematické teplotní korekce bude chyba způsobená teplotní roztažností obrobku větší, pokud se neroztáhnou i stupnice. Matematická korekce teplotních vlivů je zde naprosto nezbytná, pokud nelze zajistit, aby obrobky byly měřeny přesně při teplotě 20 stupňů.
Specifikace pro reálné podmínky prostředí
Pro každý souřadnicový měřicí stroj udává výrobce maximální přípustnou odchylku měření délky za definovaných podmínek. Tyto podmínky zahrnují také teplotní interval, ve kterém přístroj pracuje v rámci daných specifikací. Specifikace se obvykle vztahují na teplotní odchylky ±2 K od referenční teploty 20 °C v měřicí místnosti. Někteří výrobci zaručují vyšší výkonnost měřicího přístroje pro stabilnější teplotní podmínky tím, že uvádějí nižší maximální přípustnou odchylku měření délky, například pro teplotní výkyvy pouze ±1 K.
Jen málo výrobců nabízí specifikace pro provoz přístroje v neklimatizovaném prostředí, například pro měření ve výrobě. V takovém případě by měla platit uvedená maximální přípustná odchylka měření délky alespoň pro teplotní interval mezi 16 °C a 30 °C. Upozorňujeme, že výrobce by tuto specifikaci neměl omezovat na etalony s koeficientem roztažnosti = 0. Taková specifikace by měla jen malý praktický význam, protože málokdo měří obrobky s touto vlastností.
Teplotní čidla na odměřování jsou standardním vybavením všech souřadnicových měřicích strojů Werth. Pomocí koeficientu tepelné roztažnosti materiálu stupnice je lineární roztažnost matematicky korigována.
Matematická korekce teplotních odchylek měření
U přístrojů s obzvláště malými odchylkami měření (HA - High Accuracy a UA - Ultra Accuracy) se používají stupnice ze speciální keramiky. Tyto přístroje se obvykle instalují v klimatizovaných místnostech i přes matematickou korekci teploty. Pro přesné stanovení koeficientu roztažnosti může být nutná komplexní kalibrace na obrobku. Nejistota matematické teplotní korekce způsobená nejistotou kalibrace koeficientu roztažnosti by jinak mohla při větších teplotních rozdílech zvýšit i odchylky měření související s teplotou. Klimatizací se rovněž zamezí dalším výše uvedeným vlivům (zkreslení atd.).
Při použití souřadnicového měřicího stroje ve výrobním prostředí je možné měřit teplotu dodatečně v měřicím objemu nebo přímo na obrobku. Druhá varianta poskytuje přesnější výsledky, ale je složitější pro obsluhu. Koeficient tepelné roztažnosti pro různé materiály lze obvykle převzít z tabulek nebo jej lze určit kalibrací. Po zadání koeficientu teplotní roztažnosti pro příslušný materiál obrobku vypočítá měřicí software WinWerth roztažnost obrobku a naměřené hodnoty odpovídajícím způsobem koriguje.
Kompenzace teploty obrobku je nezbytná ve výrobním prostředí a v měřicích místnostech s minimální nebo žádnou klimatizací. Kompenzace teploty obrobku se musí používat také u obrobků s malými tolerancemi nebo na velké rozměry, kde je změna délky v závislosti na teplotě výraznější.
Lze jej snadno dodatečně namontovat na přístroje Werth a zaručuje provoz přístroje v daném rozsahu teplot od 16 °C do 30 °C. Pokud se v měřicím prostoru navíc používá kompenzace teploty obrobku (v případě kolísání teploty o ± 2 K), dosahuje snímač pro zpracování obrazu nebo běžné dotykové sondy stejné maximální přípustné odchylky měření délky jako při odchylkách pouze ±1 K od referenční teploty.
Systematická odchylka měření délky v závislosti na teplotě bez korekce při stejné teplotě na obrobku a stupnicích