Выключатель для реплики штангенциркуля Mitutoyo

Электронные штангенциркули уже давно плотно вошли в нашу жизнь и практически вытеснили из неё своих механических предшественников. И это не удивительно, ведь они не просто измеряют точнее, но и обладают высокой читаемостью показаний, что сильно ускоряет работу с ними. Однако, есть у них и один существенный недостаток – разряд батарейки. К сожалению, большинство доступных моделей на рынке спроектированы так, что потребляют небольшой ток даже в выключенном состоянии, что приводит к полному разряду батарейки за полгода-год независимо от того, пользуетесь ли вы инструментом или нет. Наступает это обычно в самый неподходящий момент, когда срочно что-то нужно замерить, а штангенциркуль лежит перед вами такой весь красивый, но абсолютно бесполезный.

---

Принцип работы электронного штангенциркуля не сильно отличается от механического – в нем также есть образцовая штанга с нанесенными на неё метками расстояния и есть подвижная рамка, которую можно перемещать вдоль этой штанги. Точка, где остановилась рамка на штанге и определяет измеряемое расстояние, только вместо человеческих глаз показания со штанги считывает микроконтроллер. Поскольку показания должен читать электронный прибор, шкала на штанге изготавливается наиболее удобным для него способом – обычно это определенный код в виде рисунка из металлических дорожек, который считывает специальный набор ёмкостных датчиков.

И вот тут начинается самое интересное – очевидно, что точно разместить 100 металлических дорожек на каждом миллиметре штанги будет стоить очень дорого, что сделает общую цену прибора неприемлемой для большинства покупателей. Поэтому производители размещают дорожки значительно реже, например, через каждый миллиметр, а в рамке используют несколько датчиков, расположенных со смещением. Затем они вычисляют точное расстояние с помощью комплексной обработки и интерполяции сигналов, одновременно полученных со всех датчиков. Так себестоимость штанги получается значительно ниже. Внутри это выглядит следующим образом (фото взято из интернета):


Но тут возникает другая проблема – такой штангенциркуль способен отличать расстояния только в пределах шага шкалы, который мы условно приняли за миллиметр. На каком именно миллиметре мы стоим – на первом, пятом или сорок втором прибор понять не в состоянии. Чтобы преодолеть этот недостаток, производители размещают на штанге дополнительную шкалу, которая каким-либо образом кодирует номер текущего миллиметра. Поскольку шаг этой шкалы достаточно крупный, её изготовление сильно не влияет на конечную стоимость прибора. Зато микроконтроллер в любой момент времени может прочитать номер текущего миллиметра, добавить к нему интерполированное расстояние между делениями шкалы и практически мгновенно показать нам точное измеренное расстояние от нуля. Благодаря этому такой вид штангенциркулей называется абсолютными.

К сожалению, я не смог найти в интернете пример фотографии цифровой шкалы штангенциркуля Mitutoyo, но ChatGPT видит её примерно такой. Наверняка, на самом деле она выглядит сильно иначе, однако всё равно понятно, что она содержит сильно больше информации, чем обычная шкала.


Казалось бы, имеется отличная технология, позволяющая успешно решать поставленную задачу, зачем надо что-то менять? А дело в том, что при относительно невысокой стоимости изготовления штанги такой штангенциркуль требует более дорогую рамку, оснащенную несколькими датчиками, размеры которых должны быть достаточно небольшими. Поэтому производители закономерно решили рамку упростить. Очевидно, что избавиться от основных датчиков, определяющих расстояние внутри делений шкалы не получится, но вот избавиться от дополнительной шкалы номера миллиметра вполне можно! Для этого всего лишь надо завести внутри микроконтроллера счетчик, который будет считать номер текущего миллиметра при движении рамки, после чего добавлять к нему интерполированное расстояние между делениями шкалы и, таким образом, вычислять точно такое же точное расстояние от нуля. За счет принципа работы данный вид штангенциркулей получил название инкрементальных.

Но удешевление изделия приносит и конструктивные недостатки – если раньше микроконтроллер мог в любой момент времени точно сказать положение рамки, то теперь для этого он должен подсчитывать миллиметры. Делать это с приемлемой скоростью не составляет никаких проблем, но только пока микроконтроллер включен. Как только вы его выключаете, значение счетчика, хранимое в ОЗУ, теряется и штангенциркуль забывает свою позицию. Конечно, для счетчика можно использовать энергонезависимую или даже постоянную перезаписываемую память, но тут возникает следующая проблема – а что, если вы переместите рамку, пока штангенциркуль выключен? Очевидно, что микроконтроллер никак об этом узнать не сможет.

И вот здесь производители пошли на самое простое, но плохое с точки зрения пользователя решение. «Если микроконтроллер не может считать миллиметры в выключенном состоянии, мы просто не будем его выключать!» — решили они. Учитывая, что потребление современных специализированных микроконтроллеров весьма небольшое, лишь пару десятков микроампер, на первых взгляд может показаться, что это не представляет совершенно никакой проблемы. Однако, и батарейки, используемые для питания штангенциркулей тоже маленькие, так что даже такого небольшого потребления хватает, чтобы полностью разрядить их за полгода-год. При этом каких-либо других заметных недостатков у инкрементальных штангенциркулей по сравнению с абсолютными нет.

Но проблема разряда батареек кроется даже не в том, что их надо покупать. В домашних условиях прибор может долго просто лежать на полке, за это время батарейка полностью разрядится, и когда вдруг настанет момент, что вам надо срочно что-то измерить, вы достаете прибор, а он попросту не работает. Как минимум вам придется искать в шкафу новую батарейку и менять её, как максимум – идти за ней в магазин. И вот это уже может стать настоящей проблемой.

Для нас, как для пользователей штангенциркулей возможных решений у этой проблемы несколько:

1. Купить прибор с абсолютной шкалой. Самое надежное и удобное решение, но затратно.
2. Установить на штангенциркуль батарейку ААА или даже АА. Для неё ток разряда в 20 мкА будет незаметен, удобство работы с прибором не пострадает, однако, выглядеть это будет полным колхозом (хотя так делают даже блоггеры на ютубе).
3. Вытаскивать батарейку после каждого измерения. Рабочий вариант, но очень муторно. Да и однажды можно забыть вытащить, что вернет вас к изначальной проблеме.
4. Положить в чехол/коробку с прибором запасную батарейку. Как только основная батарейка разряжается, вы ставите в прибор запасную, а себе делаете пометку, что нужно купить еще одну. В теории вариант рабочий, но на практике задача покупки запасной батарейки часто забывается, что снова возвращает нас обратно.
5. Установить в прибор миниатюрный выключатель. Включать его перед использованием и выключать после. Наверное, наиболее оптимальный из перечисленных выше вариантов по совокупности всех критериев (включая цену).

Конечно же узнав про наличие абсолютных штангенциркулей я выбрал для себя первый вариант и полез искать предложения на Али. И нашел Mitutoyo 150 мм за примерно $25. Почитав отзывы и немного поразмыслив, я сделал заказ. Да, я четко понимал, что за такие деньги это не будет оригинал (оригинал стоил больше $100), но у меня была надежда, что китайцы полноценно скопировали штангенциркуль, включая абсолютную шкалу. Через месяц прибор пришел:


И каково же было моё разочарование, но прибор оказался инкрементальным! То есть, во-первых, он потреблял порядка 25 мкА от батарейки в выключенном состоянии, а, во-вторых, если я вытаскивал батарейку из отсека и ставил снова, положение нуля полностью сбрасывалось.

Первоначально я даже хотел вернуть его назад продавцу, но попробовав в деле понял, что сам прибор-то сделан неплохо – хорошее качество обработки металла, отсутствие люфта, высокая точность измерений. Недостаток был только один – инкрементальный принцип работы, высаживающий батарейку в фоне. Поэтому сначала я попробовал каждый раз вытаскивать батарейку, быстро понял, что это неудобно, купил несколько запасных, бросил их в коробку и сделал вид, что забыл о проблеме. Но проблема не забыла обо мне – пока первая батарейка разряжалась, три запасных случайно ушли в лазерную указку для игры с котом, затем последняя была установлена в штангенциркуль, после чего сценарий дал сбой – я забыл купить новый комплект. И буквально через год оказался в ситуации, что штангенциркуль вообще не работает и дома нет ни одной подходящей батарейки! Тогда стало четко понятно, что надо переходить к более радикальным мерам – установке выключателя.

На самом деле, произошла эта история еще три года назад, но постоянно, когда я о ней вспоминал, не было времени описать весь процесс. А сейчас, когда я вдруг незапланированно попал на больничный с ОРВИ, такая возможность появилась. Так что начинаем начинать.

Сначала штангенциркуль надо разобрать. Для этого переворачиваем его вверх ногами и видим один небольшой винтик внизу:


Можно не торопиться его откручивать, так как он держит только нижнюю крышку батарейного отсека и ролик, а сам корпус рамки скреплен четырьмя другими винтами, находящимися под информационной наклейкой. Поэтому аккуратно отклеиваем наклейку и кладем её рядом:


Теперь откручиваем отдельный винтик, снимаем крышку и ролик:


Далее откручиваем четыре основных винта и снимаем пластиковую крышку рамку со всей электроникой с лицевой стороны прибора:


Снизу на ней можно рассмотреть печатные дорожки, с помощью которых выполнен ёмкостный дачтик положения. Для сравнения, вот так выглядит плата датчиков оригинального штангенциркуля Mitutoyo (фото взять из интернета). Разница налицо, не правда ли?


Теперь откручиваем три крепежных винта и извлекаем плату из корпуса рамки:


Здесь всё просто. Питание от батарейки на плату поступает в эти точки:


Один батарейный контакт установлен непосредственно на плате и касается нижнего (минусового) вывода батарейки, а другой выполнен в виде пяточка, который в собранном виде соприкасается с другим небольшим контактом, установленным в корпусе рамки:


Когда с конструкцией разобрались, примеряем выключатель. Места для него тут с лихвой:


При выборе положения выключателя главное свериться с толщиной корпуса, чтобы рычажок торчал наружу достаточно далеко для удобного включения, но и не слишком сильно. Обычно такие выключатели впаиваются в плату, но здесь это сделать проблематично, поэтому я просто приклеил его суперклеем. Да, так тоже можно и за три года эксплуатации каких-либо проблем такая установка не принесла. Единственное, наносить суперклей надо очень аккуратно, чтобы он не попал внутрь выключателя и не склеил его подвижный механизм.

Теперь аккуратно перерезаем плюсовую дорожку питания и подпаиваем в разрыв включатель с помощью небольших проводков. Свой я подсоединил так, чтобы включенное положение рычажка было справа:


Далее примеряем положение рычажка выключателя на корпусе рамки и аккуратно делаем по него вырез. Честно говоря, у меня получилось не очень:


Вид спереди:


Для того, чтобы в отверстие в корпусе попадало меньше пыли, на рычажок выключателя я надел небольшую прокладку, сделанную из кусочка черной изоленты. Возможно, это можно и пропустить:


Затем собираем штангенциркуль в обратной последовательности:


Пользуемся, радуемся и никаких больше саморазрядов!

Итоги

С тех пор прошло три года и доработкой я очень доволен – за это время батарейку больше не пришлось менять ни разу. Включение штангенциркуля перед использованием и выключение после практически не напрягает, хотя, конечно, полностью абсолютный прибор был бы еще удобней. Сам штангенциркуль оказался тоже неплохим, измеряет размеры весьма точно. У меня, к сожалению, нет образцов чтобы «документально» это подтвердить, но по косвенным признакам и сравнению с электронным микрометром точность хорошая.

К недостаткам установки выключателя можно отнести несколько странное поведение штангенциркуля сразу после включения если он был долго выключен ранее. В этом случае он может отобразить на дисплее случайное значение длины от 0 до 999 миллиметров и начать работать от этого значения. И тут надо или снова выключить и тут же включить его (при повторном включении такого не происходит), или нажать кнопку «Origin» (но для этого нужен тонкий предмет), или просто нажать кнопку относительных измерений Zero/Abs. Я обычно использую последний вариант. По сути, дополнительных неудобств это не доставляет, так как перед началом работы всё равно желательно протереть губки от возможного мусора пальцами, сомкнуть их и установить точку нуля.

На этом всё, спасибо за внимание.