Воспроизведение и передача единиц физических величин. Поверка, калибровка, метрологическая аттестация

Воспроизведением единицы физической величины РМГ 29 называет совокупность операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного первичного эталона. Воспроизведение основной единицы осуществляют путем создания фиксированной по размеру физической величины в соответствии с определением единицы.

Призведем определения трех основных единиц SI (для всех семи единиц определения и даты их принятия представлены в разделе 2).

Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.

Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Материализация единицы длины (метра) в соответствии с его определением, принятым на XVII ГКМВ в 1983 г, заключается в воспроизведении при помощи первичного эталона длины пути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 с. Скорость света в вакууме принята за константу (299 792 458 м/с).

Единица массы (1 кг «точно») воспроизведена в виде международного эталона килограмма – гири, хранимой в Международном бюро мер и весов (МБMB). Розданные другим странам эталоны имеют то же номинальное значение 1 кг, их действительные значения оценивались по отношению к международному эталону. На основании последних для СССР международных сличений (1979 г.) платино-иридиевая гиря, входящая в состав Государственного эталона единицы массы имела значение 1,000000087 кг.

Государственный первичный эталон Советского Союза (сейчас – России) для единиц времени и частоты и шкалы времени воспроизводит секунду в соответствии с ее определением. Для этого используется специальная эталонная установка, в которой нагретый источник испускает атомы цезия-133. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля создаваемого специальным магнитом, которое позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор, где они взаимодействуют с переменным электромагнитным полем сверхвысокой частоты. Частота электромагнитных колебаний в резонаторе может регулироваться. При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля, и атомы цезия-133 переходят в основное состояние, что фиксируется с помощью детектора. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Этой частоте приписывается значение 9192631770 Гц, а промежуток времени, равный 9192631770 периодам сверхвысокочастотных колебаний, принимается равным 1 с.

Под воспроизведением производной единицы часто понимают определение значения физической величины в выбранных единицах на основании измерений других величин, функционально связанных с измеряемой величиной. Например, воспроизведение единицы силы (ньютона) осуществляют с использованием известного уравнения механики F = mg, где m – масса, g – ускорение свободного падения. Однако достаточно часто для воспроизведения производной единицы используют эталоны, непосредственно воспроизводящие соответствующую величину.

Эталон единицы физической величины утверждают в установленном порядке, и после реализации эталона в виде технического устройства размер единицы от эталона передают средствам измерений, имеющим более низкую точность. Единицу физической величины, воспроизведенную исходным эталоном, необходимо передать всем рабочим средствам измерений данной физической величины, входящим в сферу Государственного метрологического надзора.

Передачу единицы другим средствам измерений осуществляют в ходе поверки или калибровки.

Передача размера единицы – приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке (калибровке).

Поверка средств измерений (поверка) – установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Поверке подвергают средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору. Поверку проводят специально обученные специалисты, аттестованные в качестве поверителей органами Государственной метрологической службы.

Для обеспечения правильной передачи размеров единиц составляют и утверждают поверочные схемы, которые устанавливают соподчинение эталонов и рабочих средств измерений, а также порядок и точность передачи единиц физических величин от первичных эталонов остальным, а от них – рабочим средствам измерений. В поверочных схемах указывают применяемые средства измерений (меры и приборы, включая компарирующие или сравнивающие устройства) и метод поверки.

Поверочная схема для средств измерений (поверочная схема) – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим средствам измерений (с указанием методов и погрешности при передаче).

Поверочная схема может включать графическую и текстовую части. Если нет необходимости в больших по объему пояснениях, эти две части могут быть объединены (текст представляют на графической части). Структура графической части поверочной схемы представлена на рисунке 14.1.

Выполненная как схема алгоритмической инструкции она содержит средства измерений (в прямоугольных рамках) и методы передачи единицы сверху вниз (в овализованных или в круглых рамках). Единицу передают «сверху вниз» от исходного эталона эталонным или рабочим средствам измерений, расположенным в поверочной схеме на ступень ниже. Число ступеней поверочной схемы определяют в соответствии с уровнями точности применяемых рабочих средств измерений – чем шире требования к их точности, тем больше необходимо разрядов эталонных средств измерений.

Так как рабочие средства измерений (СИ) выпускают различных уровней точности, то для их поверки применяются вторичные эталоны, а также рабочие эталоны первого и более низких разрядов (эталонные средства измерений). В результате прецизионные рабочие средства измерений по точности могут превосходить эталонные средства измерений высоких разрядов, предназначенные для поверки менее точных средств измерений.

Принципиальные различия между эталонными и рабочими средствами измерений заключаются не в точности, а в том, что эталоны официально утверждены в качестве таковых и должны использоваться только для поверки, в то время как рабочие средства измерений предназначены только для измерений, не связанных с передачей единицы другим СИ при поверке.

Содержание поверочных схем и требования к их построению определены в стандарте ГОСТ 8.061 – 80. Согласно этому стандарту поверочные схемы подразделяются на государственные, ведомственные и локальные.

Государственная поверочная схема – поверочная схема, распространяющаяся на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в стране

Локальная поверочная схема – поверочная схема, распространяющаяся на средства измерений данной физической величины, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).

Понятие «ведомственная поверочная схема» подразумевает нормативный документ ведомства и в РМГ 29 отсутствует, но в литературе встречается довольно часто. Термин «локальная поверочная схема», как следует из определения, вполне успешно заменил «ведомственные поверочные схемы».

Государственные поверочные схемы служат основанием для составления локальных поверочных схем и методик поверки эталонных и рабочих средств измерений. Эти поверочные схемы и методики поверки обычно утверждаются в качестве государственных стандартов.

Государственная поверочная схема в общем случае включает государственные эталоны, вторичные эталоны, эталонные средства измерений, рабочие средства измерений, внесенные в реестр, и методы поверки (методы передачи размера единиц).

Локальные поверочные схемы охватывают только рабочие средства измерений субъекта хозяйствования (или объединения группы субъектов хозяйствования), эталонные средства измерений, необходимые для их поверки, и необходимые методы поверки. Как правило, в качестве исходного эталона в такой схеме используют не вторичный эталон, а эталонное средство измерений настолько высокого разряда, чтобы обеспечить поверку входящих в схему наиболее точных рабочих средств измерений. Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для средств измерений данного вида.

Замыкающими элементами цепочек передачи единицы в поверочных схемах всех видов являются рабочие средства измерений. В Государственную поверочную схему, как правило, включают стандартизованные средства измерений. Обычно стандартизованные средства измерений подвергают испытаниям и вносят в Государственный реестр средств измерений. Технические характеристики средства измерений, внесенного в Реестр, соответствуют техническим характеристикам установленного типа средства измерений. Типы средств измерений утверждают на основании результатов, полученных при специальных испытаниях.

В локальные поверочные схемы кроме стандартных средств измерений часто включают нестандартизованные средства измерений, разработанные для решения конкретных задач измерений субъекта хозяйствования. Если стандартизация таких средств измерений нерациональна из-за их ограниченного распространения, то проводят их метрологическую аттестацию и включают их в локальные поверочные схемы, чем обеспечивают согласование их с эталоном.

Нестандартизованное средство измерений – это, как правило, специальное средство измерений, предназначенное для решения конкретной измерительной задачи. Такие средства измерений выпускаются единичными экземплярами или серией в несколько экземпляров, и поэтому нет необходимости в стандартизации требований к ним. Нестандартизованные средства измерений подлежат метрологической аттестации.

На основании метрологической аттестации нестандартизованного средства измерений выдают свидетельство (аттестат), в котором, наряду с признанием средства измерений законным, указывают его назначение и метрологические характеристики. Метрологическое обеспечение разработки, изготовления и эксплуатации нестандартизованных средств измерений регламентировано ГОСТ 8.326-78.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик как стандартизованных, так и нестандартизованных средств измерений должна соответствовать ГОСТ 8.009-84.

Поверка прибора по мерам или поверка мер по приборам не требуют какого-либо дополнительного оборудования. В более сложных случаях для поверочных работ приходится разрабатывать специальные установки. Поверочная установка – измерительная установка, укомплектованная рабочими эталонами и предназначенная для поверки рабочих средств измерений и подчиненных рабочих эталонов.

Методы поверки зависят от вида поверяемого средства измерений. Так меры иногда можно поверять непосредственно по эталонным мерам (метод непосредственного сличения), например, так можно поверять рабочие меры объема по эталонным измерительным сосудам или линейки измерительные по образцовому штриховому метру. В более сложных ситуациях меры поверяют по эталонным мерам с использованием прибора сравнения (компаратора), например, так поверяют концевые меры длины, сравнивая их с помощью интерферометра с эталонными мерами, или сравнивают рабочие меры массы с эталонными, взвешивая их на эталонных весах. При наличии широкодиапазонного эталонного прибора с его помощью рабочие меры можно поверять методом прямых измерений, если их номинальные значения входят в диапазон измерений прибора.

Поверку прибора можно осуществлять по эталонным мерам, по эталонному прибору (если он имеет достаточно широкий диапазон измерений) или по эталонному прибору и эталонным мерам (если эталонный прибор имеет недостаточно широкий диапазон измерений).

Для поверки прибора по мерам необходимо иметь однозначные меры (набор мер), либо многозначную меру, позволяющие воспроизводить соответствующие значения физической величины. Схемы поверки (конструктивная и принципиальная) представлены на рисунке 14.2.

Входной (образцовый или эталонный) сигнал Q_м подается на прибор с помощью меры или ансамбля мер, а выходной сигнал X_п считывают с поверяемого прибора.

Схемы поверки прибора по эталонному прибору представлены на рисунке 14.3.

Использованные на рисунке обозначения:

Y_вх – входной сигнал (общий для эталонного и поверяемого приборов),

X_об – выходной сигнал эталонного прибора,

X_п – выходной сигнал поверяемого прибора,

Схемы поверки прибора по эталонному прибору и эталонным мерам показаны на рисунке 14.4. Обозначения, использованные на рисунке:

Q_вх – входной сигнал (общий для эталонного и поверяемого приборов),

X _п – выходной сигнал поверяемого прибора,

Q_м – составляющая входного сигнала, подаваемая на эталонный прибор с помощью меры или ансамбля мер,

X_об – выходной сигнал эталонного прибора.

Такие же схемы используют при калибровке и метрологической аттестации приборов. Если в ходе калибровки или метрологической аттестации будут установлены стабильно воспроизводимые различия в показаниях исследуемого прибора, то при его дальнейшем использовании в результаты измерений можно вводить соответствующие поправки, что повышает точность использования этого прибора.

Отдельную задачу представляет поверка измерительных преобразователей, поскольку эти средства измерений не дают возможности оператору непосредственно воспринимать сигнал измерительной информации. Для поверки измерительного преобразователя необходимо не только подать на его вход нормированный сигнал измерительной информации, но и отследить преобразованный сигнал, а это возможно только при «достраивании» измерительного преобразователя до прибора путем добавления к нему устройства отображения измерительной информации. Главное требование к добавленной части – пренебрежимо малая собственная погрешность (по отношению к погрешности поверяемого преобразователя). В результате поверка измерительного преобразователя фактически сводится к поверке измерительного прибора, составной частью которого является поверяемый преобразователь.

Поверку обычно осуществляют в специально оборудованных помещениях, где и содержатся рабочие эталоны и поверочные установки. Однако, возможны и противоположные ситуации, когда для поверки рабочих и/или эталонных средств измерений или для сличения эталонов к их местонахождению доставляют транспортируемый эталон – эталон (иногда специальной конструкции), предназначенный для его транспортирования к местам поверки (калибровки) средств измерений или сличений эталонов данной единицы.

Поверка может быть государственной (выполняется представителями государственной метрологической службы) или ведомственной (выполняется метрологической службой субъекта хозяйствования).

Поверки разных видов имеют конкретное назначение, которое поясняется. Основания для классификации разные, они проявляются при сопоставлении группы определений. Первичная поверка ипериодическая поверка проводятся при выпуске и нормальной работе средств измерений, а внеочередная поверка – до наступления срока очередной (периодической) поверки. Эта классификация поверок по времени проведения. Другие классификационные признаки не менее очевидны.

Определения разных видов поверок даны в РМГ 29-99.

Первичная поверка средств измерений ( первичная поверка, поверка) – поверка, выполняемая при выпуске средства измерений из производства или после ремонта, а также при ввозе средства измерений из-за границы партиями, при продаже.

Периодическая поверка средств измерений (периодическая поверка) – поверка, находящихся в эксплуатации или на хранении, выполняемая через установленные межповерочные интервалы времени.

Примечание — Межповерочные интервалы для периодической поверки устанавливаются нормативными документами по поверке в зависимости от стабильности того или иного средства измерений и могут устанавливаться от нескольких месяцев до нескольких лет.

Внеочередная поверка средств измерений (внеочередная поверка) – поверка средства измерений, проводимая до наступления срока его очередной периодической поверки.

Примечание — Необходимость внеочередной поверки может возникнуть вследствие разных причин: ухудшение метрологических свойств средства измерений или подозрение в этом, нарушение условий эксплуатации, нарушение поверительного клейма и др.

Инспекционная поверка средств измерений (инспекционная поверка) – поверка, проводимая органом государственной метрологической службы при проведении государственного надзора за состоянием и применением средств измерений.

Комплектная поверка средств измерений (комплектная поверка) – поверка, при которой определяют метрологические характеристики средства измерений, присущие ему как единому целому.

Поэлементная поверка средств измерений (поэлементная поверка) – поверка, при которой значения метрологических характеристик средств измерений устанавливаются по метрологическим характеристикам его элементов или частей.

Примечание — Поэлементную поверку обычно проводят для измерительных систем или измерительных установок, когда неосуществима комплектная поверка.

Выборочная поверка средств измерений (выборочная поверка) – поверка группы средств измерений, отобранных из партии случайным образом, по результатам которой судят о пригодности всей партии.

Выборочную поверку обычно проводят на производстве или в местах оптового хранения средств измерений.

Одним из наиболее важных и сложных метрологических мероприятий является аттестация средств измерений.

Метрологическая аттестация средств измерений (метрологическая аттестация; МА) – признание метрологической службой узаконенным для применения средства измерений единичного производства (или ввозимого единичными экземплярами из-за границы) на основании тщательных исследований его свойств.

Примечание — Метрологической аттестации могут подлежать средства измерений, не подпадающие под сферы распространения государственного метрологического контроля или надзора.

Фактически понятие «метрологическая аттестация» существенно шире, чем его трактовка в стандартном определении. Метрологической аттестации подлежат все вновь разработанные и изготовленные средства измерений, вне зависимости от того, будут они изготавливаться единичными экземплярами или поступят в серийное производство. Серийно изготавливаемые средства измерений должны пройти также испытания для утверждения типа и, как правило, стандартизацию. В отличие от них для средств измерений единичного производства или ввозимых единичными экземплярами из-за границы метрологическая аттестация может быть единственным мероприятием, обеспечивающим узаконивание средства измерений. Кроме того, метрологическая аттестация является основой для разработки методики поверки средства измерений, и для назначения межповерочных интервалов. Методику поверки обычно получают в результате максимального упрощения (редуцирования) методики метрологической аттестации

«Тщательные исследования» свойств вновь изготовленных средств измерений – понятие, требующее расшифровки. Поскольку главные свойства для средства измерений определяют его метрологические характеристики и метрологическая надежность, логично предположить, что основное направление исследований – оценка точности средства измерений и ее сохранения во времени.

Поскольку разработчики средств измерений при проектировании обычно закладывают некоторый запас точности, исследование должно ответить на вопрос о достаточности этого запаса, а при его большом значении – о возможности перевода средства измерений в более высокий класс точности. Кроме того, если в ходе исследований будут выявлены значимые систематические составляющие погрешности средств измерений, их обязательно включают в результаты метрологической аттестации. Систематические составляющие погрешности, включенные в аттестат, позволяют вносить поправки в результаты, полученные при использовании данного экземпляра средств измерений, что позволит повысить точность измерений.

Из сказанного ясно, что для серийно выпускаемых средств измерений, имеющих значимые систематические составляющие погрешности, метрологическая аттестация будет весьма полезна, поскольку позволит повысить точность его использования.

Метрологическая аттестация в обязательном порядке проводится для признания средств измерений эталонными, что необходимо для их использования при поверке.

Одним из важнейших элементов метрологической аттестации является получение градуировочной характеристики (градуировка) аттестуемого средства измерений.

Градуировка средств измерений (градуировка) – определение градуировочной характеристики средства измерений.

Поскольку градуировка проводится при метрологической аттестации и при поверке средств измерений, и как самостоятельное метрологическое мероприятие, рассмотрим особенности градуировки при метрологической аттестации.

Поскольку метрологическая аттестация по определению является исследованием, выбор допустимой погрешности измерений осуществляют в ходе экспериментов, как это описано в разделе «Разработка и оформление методик выполнения измерений».

Пример градуировочной характеристики f(Q) аттестуемого средства измерений, построенной как аппроксимация пучка градуировочных кривых, полученных при повторных градуировках, представлен на рисунке 14.5. Обозначения на рисунке: f₀(Q) – номинальная функция преобразования аттестуемого прибора, Q –сигнал на входе (значение измеряемой ФВ); X –сигнал на выходе (показания прибора); D_i – диапазон измерений аттестуемого прибора, ω – поле практического рассеяния градуировочных кривых.

Различающиеся углы наклона функций f(Q) и f₀(Q) свидетельствуют о наличии у прибора мультипликативной погрешности. Случайная составляющая характеризуется размахом

R' ≈ ω * Δ,

где Δ – погрешность градуировки.

Для того чтобы получить адекватную оценку ширины поля практического рассеяния градуировочных кривых ω,следует обеспечить соотношение R' ≈ ω, для чего необходимо добиться, чтобы было Δ ≈ 0 или Δ << R'. Для того чтобы достоверную оценку ω дополнить качественной оценкой (выяснить вид распределения – на рисунке условно показана кривая нормального распределения), необходимо чтобы соблюдалось соотношение Δ ≈ R'/10.

Возможны и пучки градуировочных кривых, не имеющие явно выраженных систематических погрешностей, как это показано на рисунке 14.6. В таком случае внесение поправок по результатам аттестации становится невозможным, а основной информацией служат сведения о случайных погрешностях аттестованного прибора.

В рамках сближения метрологических мероприятий с подходами ИСО и ведущих западных стран наряду с поверкой и метрологической аттестацией у нас ввели калибровку средств измерений. В настоящее время в республике действуют два определения калибровки: одно приведено в Законе Республики Беларусь «Об обеспечении единства измерений», второе – в РМГ 29 – 99.

Определение, приведенное в Законе: калибровка – составная часть метрологического контроля, включающая выполнение работ, в ходе которых устанавливаются метрологические характеристики средств измерений путем определения в заданных условиях соотношения между значением величины, полученным с помощью средства измерений, и соответствующим значением величины, воспроизводимым эталоном единицы величины.

В РМГ 29 – 99 дано следующее определение: калибровка средств измерений (калибровка) – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона с целью определения действительных метрологических характеристик этого средства измерений.

Примечания

1 Калибровке могут подвергаться средства измерений, не подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.

2 Результаты калибровки позволяют определить действительные значения измеряемой величины, показываемые средством измерений, или поправки к его показаниям, или оценить погрешность этих средств. При калибровке могут быть определены и другие метрологические характеристики.

3 Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком, наносимым на средства измерений, или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах. Сертификат о калибровке представляет собой документ, удостоверяющий факт и результаты калибровки средства измерений, который выдается организацией, осуществляющей калибровку.

Если за основные положения для интересующего нас понятия взять сопоставление калибруемого средства измерений с эталоном, то калибровка средств измерений по сути сильно сближается с поверкой. Если акцент поставить на определение действительных метрологических характеристик калибруемого средства измерений, то наряду с поверкой (при поверке обязательно определяют действительные метрологические характеристики), здесь просматриваются цели, аналогичные целям метрологической аттестацией (в том числе выявление и оценка систематических погрешностей средства измерений с целью получения поправок, которые можно вносить в результат измерений).

Поскольку решение о дальнейшем использовании прошедшего калибровку средства измерений принимает его владелец, то отбраковывать средство измерений при несоответствии его метрологических характеристик требованиям стандарта или паспорта не обязательно.

Фактически под калибровкой в настоящее время понимают два разных мероприятия:

· «поверка» средства измерений, редуцированная в соответствии с задачей, которую поставил владелец средства измерений;

· метрологическая аттестация средства измерений, проводимая в соответствии с задачей, которую поставил владелец средства измерений, например, выявление и оценка систематических погрешностей средства измерений с целью получения поправок.

Калибровка, выполняемая как «редуцированная поверка» средства измерений может иметь ряд отличий от поверки в строгом смысле этого понятия. В частности, калибровка прибора не обязательно распространяется на весь диапазон измерений, она может осуществляться на любом участке и даже «в одной точке». Число повторных операций при калибровке по конкретному входному сигналу может не совпадать с тем, сколько их выполняют при поверке. И, наконец, в отличие от поверки, которую выполняют только с помощью эталонных средств измерений, для калибровки можно применять рабочие средства измерений, хотя в этом случае необходимо обеспечить прослеживаемость получения единицы физической величины этим средством измерений от эталона.

При калибровке, выполняемой для выявления и оценки систематических погрешностей средства измерений с целью получения поправок, конкретные задачи ставит владелец средства измерений. Это значит, что такая калибровка может полностью или частично решать те же задачи, что и при метрологической аттестации средства измерений.

Одновременное существование поверки средств измерений, их метрологической аттестации и калибровки в ее нынешней форме создает неоднозначную ситуацию, но можно полагать, что в ближайшее время она разрешится.

Дата добавления: 2015-08-10