Проверка и калибровка измерительных приборов.

Введение

Проверка точности измерительных приборов, включающая оценку точности прибора, такого как весы или линейка.

В технологии измерений и метрологии калибровка – это сравнение показаний измерительного прибора с показаниями эталонного прибора известной точности. Этот эталон может быть другим измерительным прибором с известной точностью, устройством, генерирующим измеряемую величину (например, напряжение или звуковой тон), или физическим эталоном, таким как мерная линейка. Результатом сравнения может быть:

отсутствие значительной погрешности в измеряемом приборе;
обнаружение значительной погрешности без внесения корректировок;
внесение корректировок для устранения погрешности до допустимого уровня.

В строгом смысле, термин "калибровка" означает только сам процесс сравнения и не включает последующую настройку. Эталон калибровки, как правило, имеет прослеживаемость к национальному или международному стандарту, установленному метрологической службой.

Определение BIPM

Формальное определение калибровки Международным бюро мер и весов (BIPM) следующее: «Операция, которая при определенных условиях, на первом этапе, устанавливает взаимосвязь между значениями величин с указанными погрешностями измерения, предоставляемыми эталонами, и соответствующими показаниями с сопутствующими погрешностями измерения (калибруемого прибора или вторичного эталона), а на втором этапе использует эту информацию для установления взаимосвязи, позволяющей получить результат измерения по показаниям». Это определение указывает на то, что процесс калибровки представляет собой исключительно сравнение, но вводит понятие погрешности измерения при сопоставлении точности испытываемого устройства и эталона.

Современные процессы калибровки

Растущая потребность в достоверной точности и определенности, а также необходимость в согласованных и сопоставимых стандартах на международном уровне привела к созданию национальных метрологических институтов. Во многих странах существует Национальный институт метрологии (NMI), который поддерживает первичные эталоны измерений (основные единицы СИ и ряд выведенных единиц), используемые для обеспечения прослеживаемости измерительных приборов заказчика посредством калибровки. NMI поддерживает метрологическую инфраструктуру в данной стране (и часто в других), обеспечивая непрерывную цепочку прослеживаемости от высшего уровня эталонов до измерительного прибора. Примерами Национальных метрологических институтов являются NPL в Великобритании, NIST в Соединенных Штатах, PTB в Германии и многие другие. С момента подписания Соглашения о взаимном признании стало возможным легко получать прослеживаемость от любого участвующего NMI, и компании больше не требуется получать прослеживаемость для измерений от NMI страны своего местонахождения, например, от Национальной физической лаборатории в Великобритании.

Качество калибровки

Для улучшения качества калибровки и признания результатов внешними организациями желательно, чтобы калибровка и последующие измерения были "прослеживаемыми" к международно определенным единицам измерения. Установление прослеживаемости достигается путем формального сравнения со стандартом, который прямо или косвенно связан с национальными стандартами (такими как NIST в США), международными стандартами или сертифицированными эталонными материалами. Это может выполняться национальными метрологическими лабораториями, управляемыми правительством, или частными компаниями, предоставляющими метрологические услуги. Системы менеджмента качества требуют эффективной метрологической системы, включающей в себя формальную, периодическую и документированную калибровку всех измерительных приборов. Стандарты ISO 9000 и ISO 17025 требуют, чтобы эти прослеживаемые действия соответствовали высокому уровню и определяли способы их количественной оценки. Для подтверждения качества калибровки значение калибровки часто сопровождается заявлением о неопределенности с указанием уровня достоверности, которое оценивается посредством тщательного анализа неопределенности. В некоторых случаях требуется разрешение на отклонение от спецификации (DFS) для эксплуатации оборудования в ухудшенном состоянии. В этом случае необходимо письменное разрешение руководителя при технической поддержке специалиста по калибровке. Измерительные приборы и инструменты классифицируются в соответствии с физическими величинами, которые они предназначены измерять. Эти классификации различаются в разных странах, например, NIST 150 2G в США и NABL 141 в Индии. Вместе эти стандарты охватывают приборы для измерения различных физических величин, таких как электромагнитное излучение (RF-зонды), звук (шумомеры или дозиметры шума), время и частота (интерваломеры), ионизирующее излучение (счетчики Гейгера), свет (светомеры), механические величины (концевые выключатели, датчики давления, переключатели давления) и термодинамические или тепловые свойства (термометры, регуляторы температуры). Стандартный прибор для каждого испытательного устройства определяется в соответствии с измеряемой величиной, например, поверочный прибор с эталонными гирями для калибровки датчиков давления и термостат сухого блока для калибровки датчиков температуры.

To improve the quality of the calibration and have the results accepted by outside organizations it is desirable for the calibration and subsequent measurements to be "traceable" to the internationally defined measurement units. Establishing traceability is accomplished by a formal comparison to a standard which is directly or indirectly related to national standards (such as NIST in the USA), international standards, or certified reference materials. This may be done by national standards laboratories operated by the government or by private firms offering metrology services. Quality management systems call for an effective metrology system which includes formal, periodic, and documented calibration of all measuring instruments. ISO 9000 and ISO 17025 standards require that these traceable actions are to a high level and set out how they can be quantified. To communicate the quality of a calibration the calibration value is often accompanied by a traceable uncertainty statement to a stated confidence level. This is evaluated through careful uncertainty analysis. Some times a DFS (Departure From Spec) is required to operate machinery in a degraded state. Whenever this does happen, it must be in writing and authorized by a manager with the technical assistance of a calibration technician. Measuring devices and instruments are categorized according to the physical quantities they are designed to measure. These vary internationally, e. g., NIST 150 2G in the U. S. and NABL 141 in India. Together, these standards cover instruments that measure various physical quantities such as electromagnetic radiation (RF probes), sound (sound level meter or noise dosimeter), time and frequency (intervalometer), ionizing radiation (Geiger counter), light (light meter), mechanical quantities (limit switch, pressure gauge, pressure switch), and, thermodynamic or thermal properties (thermometer, temperature controller). The standard instrument for each test device varies accordingly, e. g., a dead weight tester for pressure gauge calibration and a dry block temperature tester for temperature gauge calibration.

Цель и сфера применения

Процесс калибровки начинается с проектирования измерительного прибора, который требуется калибровать. Конструкция должна обеспечивать стабильность калибровки на протяжении всего интервала калибровки. Иными словами, конструкция должна обеспечивать измерения, находящиеся "в пределах инженерных допусков" при использовании в заявленных условиях окружающей среды в течение разумного периода времени. Проектирование с учетом этих характеристик повышает вероятность того, что фактические измерительные приборы будут работать предсказуемо. По сути, цель калибровки – поддержание качества измерений и обеспечение надлежащей работы конкретного прибора.

Требуемые стандарты и точность

Следующий шаг – определение процесса калибровки. Выбор стандарта или стандартов является наиболее заметной частью процесса калибровки. В идеале, неопределенность измерения стандарта должна быть менее 1/4 неопределенности измерения калибруемого прибора. При достижении этой цели, суммарная неопределенность измерения всех используемых стандартов считается незначительной, если конечное измерение также выполняется с соотношением 4:1. Это соотношение, вероятно, было впервые формализовано в Руководстве 52, сопровождавшем MIL STD 45662A – раннюю спецификацию метрологической программы Министерства обороны США. Изначально, с 1950-х по 1970-е годы, оно составляло 10:1, но развитие технологий сделало 10:1 невозможным для большинства электронных измерений. Поддержание соотношения точности 4:1 с современным оборудованием затруднительно. Точность калибруемого испытательного оборудования может быть сопоставима с точностью рабочего стандарта. Для проведения калибровки необходимо подключить испытываемый манометр к эталонному мастер-манометру и регулируемому источнику давления, приложить давление жидкости к эталонному и испытательному манометрам в определенных точках по всему диапазону манометра и сравнить показания обоих приборов. Испытываемый манометр может быть отрегулирован для обеспечения максимального соответствия его нулевой точки и реакции на давление заявленной точности. Каждый этап процесса требует ручного ведения записей. Автоматический калибратор давления – это устройство, объединяющее электронный блок управления, усилитель давления для сжатия газа, например азота, датчик давления для определения требуемого уровня в гидравлическом аккумуляторе, а также вспомогательные элементы, такие как жидкостные ловушки и фитинги для манометров. Автоматическая система может также включать в себя средства сбора данных для автоматизации процесса регистрации результатов измерений.

Описание процесса и документация

Вся вышеуказанная информация собирается в процедуре калибровки, которая является специфическим методом испытаний. Эти процедуры охватывают все этапы, необходимые для успешной калибровки. Производитель может предоставить такую процедуру, либо организация может разработать собственную, включающую все дополнительные требования организации. Существуют центры обмена процедурами калибровки, такие как Программа обмена данными между государственными структурами и промышленностью (GIDEP) в Соединенных Штатах. Этот процесс повторяется для каждого используемого стандарта до достижения эталонных передаточных стандартов, сертифицированных образцов и/или фундаментальных физических констант – эталонов измерений с наименьшей неопределенностью в лаборатории. Это обеспечивает прослеживаемость калибровки. Подробности о других факторах, учитываемых при разработке процесса калибровки, см. в разделе «Метрология». После этого отдельные приборы указанного выше типа могут быть, наконец, откалиброваны. Процесс обычно начинается с базовой проверки на повреждения. Некоторые организации, например, атомные электростанции, собирают данные калибровки «как есть» перед проведением любого планового обслуживания. После планового обслуживания и устранения выявленных в ходе калибровки недостатков выполняется калибровка «после обслуживания». Чаще всего процесс калибровки полностью поручается технику, который подписывает сертификат калибровки, подтверждающий успешное завершение. Базовый процесс, описанный выше, является сложной и дорогостоящей задачей. Стоимость поддержки обычного оборудования обычно составляет около 10% от первоначальной цены покупки в год, что является общепринятым эмпирическим правилом. Поддержание в рабочем состоянии экзотических устройств, таких как сканирующие электронные микроскопы, газовые хроматографы и лазерные интерферометры, может быть еще более затратным. Устройство «одиночного измерения», используемое в описании базового процесса калибровки, действительно существует. Однако, в зависимости от организации, большинство приборов, требующих калибровки, могут иметь несколько диапазонов и множество функций в одном устройстве. Типичным примером является современный осциллограф. Количество возможных комбинаций настроек для полной калибровки может легко достигать 200 000, и существуют ограничения на степень автоматизации всесторонней калибровки. Для предотвращения несанкционированного доступа к прибору после калибровки обычно устанавливаются пломбы. На фотографии с блоком осциллографов показаны эти пломбы, которые подтверждают, что прибор не был перемещен с момента последней калибровки и что несанкционированный доступ к регулировочным элементам невозможен. Также имеются этикетки с датой последней калибровки и указанием следующей, определяемой интервалом калибровки. Некоторые организации также присваивают каждому прибору уникальный идентификационный номер для стандартизации учета и отслеживания аксессуаров, являющихся неотъемлемой частью конкретных условий калибровки. Если калибруемые приборы интегрированы с компьютерами, то и встроенные компьютерные программы, и любые поправки калибровки также находятся под контролем.

All of the information above is collected in a calibration procedure, which is a specific test method. These procedures capture all of the steps needed to perform a successful calibration. The manufacturer may provide one or the organization may prepare one that also captures all of the organization's other requirements. There are clearinghouses for calibration procedures such as the Government Industry Data Exchange Program (GIDEP) in the United States. This exact process is repeated for each of the standards used until transfer standards, certified reference materials and/or natural physical constants, the measurement standards with the least uncertainty in the laboratory, are reached. This establishes the traceability of the calibration. See Metrology for other factors that are considered during calibration process development. After all of this, individual instruments of the specific type discussed above can finally be calibrated. The process generally begins with a basic damage check. Some organizations such as nuclear power plants collect "as found" calibration data before any routine maintenance is performed. After routine maintenance and deficiencies detected during calibration are addressed, an "as left" calibration is performed. More commonly, a calibration technician is entrusted with the entire process and signs the calibration certificate, which documents the completion of a successful calibration. The basic process outlined above is a difficult and expensive challenge. The cost for ordinary equipment support is generally about 10% of the original purchase price on a yearly basis, as a commonly accepted rule of thumb. Exotic devices such as scanning electron microscopes, gas chromatograph systems and laser interferometer devices can be even more costly to maintain. The 'single measurement' device used in the basic calibration process description above does exist. But, depending on the organization, the majority of the devices that need calibration can have several ranges and many functionalities in a single instrument. A good example is a common modern oscilloscope. There easily could be 200,000 combinations of settings to completely calibrate and limitations on how much of an all inclusive calibration can be automated. To prevent unauthorized access to an instrument tamper proof seals are usually applied after calibration. The picture of the oscilloscope rack shows these, and prove that the instrument has not been removed since it was last calibrated as they will possible unauthorized to the adjusting elements of the instrument. There also are labels showing the date of the last calibration and when the calibration interval dictates when the next one is needed. Some organizations also assign unique identification to each instrument to standardize the record keeping and keep track of accessories that are integral to a specific calibration condition. When the instruments being calibrated are integrated with computers, the integrated computer programs and any calibration corrections are also under control.

Происхождение

Слова "calibrate" и "calibration" вошли в английский язык относительно недавно – во время Гражданской войны в США, в описаниях артиллерии, предположительно происходя от измерения калибра орудия. Некоторые из самых ранних известных систем измерений и калибровки, по всей видимости, возникли между древними цивилизациями Египта, Месопотамии и долины Инда, о чем свидетельствуют археологические раскопки, обнаружившие использование угловых градаций в строительстве. Термин "calibration", вероятно, изначально ассоциировался с точным делением линейных расстояний и углов с помощью делительной машины и измерением гравитационной массы с использованием весов. Только эти две формы измерения и их прямые производные поддерживали практически всю торговлю и развитие технологий от самых ранних цивилизаций до примерно 1800 года нашей эры.

Ранняя калибровка приборов давления

Одним из самых ранних приборов для измерения давления был ртутный барометр, разработанный Торричелли (1643), который измерял атмосферное давление с помощью ртути. Вскоре после этого были созданы водяные манометры. Все эти приборы имели линейную калибровку, основанную на гравиметрических принципах, где разница уровней была пропорциональна давлению. Обычно использовались удобные единицы измерения, такие как дюймы ртутного или водного столба. В конструкции гидростатического манометра прямого считывания, показанной справа, приложенное давление Pa толкает жидкость вниз по правой стороне U-образной трубки манометра, а шкала длины рядом с трубкой измеряет разницу уровней. Полученная разница высот "H" является прямым измерением давления или вакуума относительно атмосферного давления. При отсутствии разности давлений оба уровня были бы равны, и это служило бы нулевой точкой. Промышленная революция привела к появлению "косвенных" измерительных приборов давления, которые были более практичными, чем манометры. Примером является использование в паровых двигателях высокого давления (до 50 psi), где ртуть использовалась для уменьшения длины шкалы примерно до 60 дюймов, но такой манометр был дорогим и хрупким. Это стимулировало разработку приборов косвенного считывания, ярким примером которых является трубка Бурдона, изобретенная Эженом Бурдоном. На переднем и заднем видах манометра с трубкой Бурдона, показанных справа, приложенное давление к нижнему штуцеру уменьшает изгиб сплющенной трубы пропорционально давлению. Это перемещает свободный конец трубки, который соединен с указателем. Прибор калибровался по манометру, который служил эталоном калибровки. Для измерения косвенных величин давления на единицу площади погрешность калибровки зависела бы от плотности жидкости в манометре и способа измерения разницы высот. На основе этого можно было вывести другие единицы измерения, такие как фунты на квадратный дюйм, и нанести их на шкалу.