Калибровка - Calibration

В измерительной техники и метрологии , калибровки является сравнение измерений значений доставлены с помощью тестируемого устройства с теми из калибровочного стандарта с известной точностью. Таким эталоном может быть другое измерительное устройство с известной точностью, устройство, генерирующее измеряемую величину, такую ​​как напряжение , звуковой тон или физический артефакт, например, линейку измерителя .

Результатом сравнения может быть одно из следующих:

  • на тестируемом устройстве не было обнаружено существенных ошибок
  • отмечена значительная ошибка, но корректировка не произведена
  • корректировка, сделанная для исправления ошибки до приемлемого уровня

Строго говоря, термин «калибровка» означает просто процесс сравнения и не включает в себя никаких последующих корректировок.

Калибровочный стандарт обычно соответствует национальному или международному стандарту метрологической организации.

BIPM Определение

Официальное определение калибровки Международным бюро мер и весов (BIPM) следующее: «Операция, которая при определенных условиях на первом этапе устанавливает связь между величинами величин с погрешностями измерения, предусмотренными эталонами, и соответствующими показаниями. с соответствующими неопределенностями измерения (откалиброванного прибора или вторичного эталона) и на втором этапе использует эту информацию для установления отношения для получения результата измерения от показания ".

Это определение гласит, что процесс калибровки является чисто сравнением, но вводит понятие неопределенности измерения в отношении точности испытуемого устройства и эталона.

Современные процессы калибровки

Возрастающая потребность в известной точности и неопределенности, а также потребность в согласованных и сопоставимых международных стандартах привели к созданию национальных лабораторий. Во многих странах будет существовать Национальный метрологический институт (NMI), который будет поддерживать первичные эталоны измерений (основные единицы системы СИ плюс ряд производных единиц), которые будут использоваться для обеспечения прослеживаемости приборов заказчика путем калибровки.

НМИ поддерживает метрологическую инфраструктуру в этой стране (а часто и в других), создавая непрерывную цепочку от стандартов высшего уровня до приборов, используемых для измерения. Примерами национальных метрологических институтов являются NPL в Великобритании , NIST в США , PTB в Германии и многие другие. С момента подписания Соглашения о взаимном признании теперь просто получить прослеживаемость от любого участвующего НМИ, и компании больше не нужно получать прослеживаемость для измерений в НМИ страны, в которой она расположена, например, в Национальной физической лаборатории. в Великобритании.

Качество

Для повышения качества калибровки и принятия результатов сторонними организациями желательно, чтобы калибровка и последующие измерения были «прослеживаемыми» до международных единиц 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 быть сделано национальными лабораториями стандартов, управляемыми государством, или частными фирмами, предлагающими метрологические услуги.

Системы менеджмента качества требуют наличия эффективной метрологической системы, которая включает формальную, периодическую и документированную калибровку всех средств измерений. Стандарты ISO 9000 и ISO 17025 требуют, чтобы эти отслеживаемые действия проводились на высоком уровне и определяли, как их можно количественно оценить.

Чтобы сообщить о качестве калибровки, значение калибровки часто сопровождается прослеживаемым заявлением о погрешности до установленного уровня достоверности. Это оценивается путем тщательного анализа неопределенности. Иногда требуется DFS (Departure From Spec) для работы оборудования в деградированном состоянии. Когда это происходит, это должно быть оформлено в письменной форме и разрешено менеджером при технической поддержке специалиста по калибровке.

Измерительные устройства и инструменты классифицируются в соответствии с физическими величинами, для измерения которых они предназначены. Они различаются по всему миру, например, NIST 150-2G в США и NABL-141 в Индии. Вместе эти стандарты охватывают приборы, которые измеряют различные физические величины, такие как электромагнитное излучение ( радиочастотные зонды ), звук ( измеритель уровня звука или дозиметр шума ), время и частота ( интервалометр ), ионизирующее излучение ( счетчик Гейгера ), свет ( люксметр ), механические величины ( концевой выключатель , манометр , реле давления ) и термодинамические или термические свойства ( термометр , регулятор температуры ). Стандартный прибор для каждого испытательного устройства варьируется соответственно, например, грузомер для калибровки манометра и измеритель температуры сухого блока для калибровки датчика температуры.

Подсказки по калибровке прибора

Калибровка может потребоваться по следующим причинам:

  • новый инструмент
  • после ремонта или модификации инструмента
  • перемещение из одного места в другое
  • по истечении указанного периода времени
  • по истечении указанного времени использования (рабочих часов)
  • до и / или после критического измерения
  • после события, например
    • после того, как инструмент подвергся удару, вибрации или физическому повреждению, которые потенциально могли нарушить целостность его калибровки
    • внезапные перемены погоды
  • когда наблюдения кажутся сомнительными или показания приборов не совпадают с результатами суррогатных приборов
  • в соответствии с требованиями, например спецификацией заказчика, рекомендацией производителя прибора.

В общем случае калибровка часто рассматривается как включающая процесс настройки выходного сигнала или показания измерительного прибора для согласования со значением применяемого стандарта с определенной точностью. Например, термометр можно откалибровать, чтобы определить погрешность показания или поправку и отрегулировать (например, с помощью калибровочных констант), чтобы он показывал истинную температуру в градусах Цельсия в определенных точках шкалы. Это мнение конечного пользователя прибора. Однако очень немногие инструменты могут быть настроены в точном соответствии со стандартами, с которыми они сравниваются. Для подавляющего большинства калибровок процесс калибровки фактически представляет собой сравнение неизвестного с известным и запись результатов.

Базовый процесс калибровки

Цель и сфера применения

Процесс калибровки начинается с разработки измерительного прибора, который необходимо откалибровать. Конструкция должна иметь возможность «проводить калибровку» в течение своего интервала калибровки. Другими словами, конструкция должна обеспечивать измерения, которые находятся «в пределах технических допусков » при использовании в указанных условиях окружающей среды в течение некоторого разумного периода времени. Наличие конструкции с этими характеристиками увеличивает вероятность того, что реальные измерительные приборы будут работать так, как ожидалось. В основном цель калибровки - поддержание качества измерения, а также обеспечение правильной работы конкретного прибора.

Частота

Точный механизм присвоения значений допуска зависит от страны и отрасли. При измерении оборудования производитель обычно назначает допуск измерения, предлагает интервал калибровки (CI) и указывает диапазон окружающей среды для использования и хранения. Использующая организация обычно назначает фактический интервал калибровки, который зависит от вероятного уровня использования этого конкретного измерительного оборудования. Назначение интервалов калибровки может быть формальным процессом, основанным на результатах предыдущих калибровок. Сами стандарты не содержат четких указаний по рекомендуемым значениям CI:

ISO 17025
«Сертификат калибровки (или этикетка калибровки) не должен содержать никаких рекомендаций относительно интервала калибровки, за исключением случаев, когда это было согласовано с заказчиком. Это требование может быть отменено правовыми нормами».
ANSI / NCSL Z540
«... должны быть откалиброваны или проверены через определенные промежутки времени, установленные и обслуживаемые для обеспечения приемлемой надежности ...»
ISO-9001
«Если необходимо для обеспечения достоверных результатов, измерительное оборудование должно ... калиброваться или проверяться через определенные промежутки времени или перед использованием ...»
MIL-STD-45662A
«... должны калиброваться через определенные промежутки времени, установленные и поддерживаемые для обеспечения приемлемой точности и надежности ... Интервалы должны быть сокращены или могут быть увеличены подрядчиком, если результаты предыдущих калибровок показывают, что такие действия целесообразны для поддержания приемлемого уровня. надежность ".

Требуемые стандарты и точность

Следующим шагом является определение процесса калибровки. Выбор стандарта или стандартов - наиболее заметная часть процесса калибровки. В идеале эталон имеет менее 1/4 неопределенности измерения калибруемого устройства. Когда эта цель достигнута, совокупная неопределенность измерений всех задействованных стандартов считается незначительной, если окончательное измерение также выполняется с соотношением 4: 1. Это соотношение, вероятно, было впервые формализовано в Руководстве 52, которое сопровождало MIL-STD-45662A, раннюю спецификацию метрологической программы Министерства обороны США. Он составлял 10: 1 с момента его создания в 1950-х до 1970-х годов, когда развитие технологий сделало 10: 1 невозможным для большинства электронных измерений.

Трудно обеспечить соотношение точности 4: 1 на современном оборудовании. Калибруемое испытательное оборудование может быть таким же точным, как и рабочий эталон. Если коэффициент точности меньше 4: 1, то допуск калибровки может быть уменьшен для компенсации. Когда достигается соотношение 1: 1, только точное соответствие между стандартом и калибруемым устройством является полностью правильной калибровкой. Другой распространенный метод устранения этого несоответствия возможностей - снижение точности калибруемого устройства.

Например, датчик с точностью 3%, заявленной производителем, можно изменить на 4%, чтобы можно было использовать стандарт точности 1% при 4: 1. Если датчик используется в приложении, требующем точности 16%, уменьшение точности датчика до 4% не повлияет на точность окончательных измерений. Это называется ограниченной калибровкой. Но если окончательное измерение требует точности 10%, то значение 3% никогда не будет лучше, чем 3,3: 1. Тогда, возможно, лучшим решением будет регулировка допуска калибровки для манометра. Если калибровка выполняется на 100 единицах, стандарт 1% фактически будет где-то между 99 и 101 единицей. Приемлемые значения калибровок при соотношении испытательного оборудования 4: 1 должны составлять от 96 до 104 единиц включительно. Изменение допустимого диапазона с 97 до 103 единиц устранит потенциальный вклад всех стандартов и сохранит соотношение 3,3: 1. Продолжая, дальнейшее изменение допустимого диапазона от 98 до 102 восстанавливает окончательное соотношение более 4: 1.

Это упрощенный пример. Математика примера может быть оспорена. Важно, чтобы все мысли, которыми руководствовался этот процесс при реальной калибровке, были записаны и доступны. Неформальность способствует накоплению допусков и другим сложным для диагностики проблемам после калибровки.

Также в приведенном выше примере в идеале значение калибровки в 100 единиц было бы лучшей точкой в ​​диапазоне датчика для выполнения одноточечной калибровки. Это может быть рекомендация производителя или способ калибровки подобных устройств. Также используются многоточечные калибровки. В зависимости от устройства, состояние нулевой единицы, отсутствие измеряемого явления также может быть точкой калибровки. Или ноль может быть сброшен пользователем - возможны несколько вариантов. Опять же, точки, используемые во время калибровки, должны быть записаны.

Между эталоном и калибруемым устройством могут быть особые методы соединения, которые могут повлиять на калибровку. Например, при электронной калибровке, связанной с аналоговыми явлениями, сопротивление кабельных соединений может напрямую влиять на результат.

Ручная и автоматическая калибровка

Методы калибровки современных устройств могут быть ручными или автоматическими.

Ручная калибровка - американский военнослужащий калибрует манометр. Тестируемое устройство находится слева от него, а эталон тестирования - справа.

Например, для калибровки манометра можно использовать ручной процесс. Процедура требует нескольких шагов, чтобы подключить испытуемый манометр к эталонному эталонному манометру и регулируемому источнику давления, подать давление жидкости как на эталонный, так и на испытательный манометры в определенных точках на всем диапазоне манометра и сравнить показания манометра. два. Тестируемый манометр может быть отрегулирован так, чтобы его нулевая точка и реакция на давление максимально соответствовали заданной точности. Каждый этап процесса требует ручного ведения записей.

Автоматическая калибровка - американский военнослужащий использует автоматический калибратор давления 3666C

Автоматический калибратор давления - это устройство, которое сочетает в себе электронный блок управления, усилитель давления, используемый для сжатия газа, такого как азот , датчик давления, используемый для определения желаемых уровней в гидроаккумуляторе , и аксессуары, такие как ловушки для жидкости и манометрические фитинги . Автоматическая система может также включать средства сбора данных для автоматизации сбора данных для ведения учета.

Описание процесса и документация

Вся указанная выше информация собирается в рамках процедуры калибровки, которая представляет собой особый метод испытаний . Эти процедуры охватывают все шаги, необходимые для успешной калибровки. Производитель может предоставить один, или организация может подготовить такой, который также охватывает все другие требования организации. Для процедур калибровки существуют информационные центры, такие как Программа обмена данными между правительством и промышленностью (GIDEP) в США.

Этот точный процесс повторяется для каждого из используемых стандартов до тех пор, пока не будут достигнуты стандарты переноса, сертифицированные стандартные образцы и / или естественные физические константы, стандарты измерения с наименьшей погрешностью в лаборатории. Это обеспечивает прослеживаемость калибровки.

См. В разделе « Метрология» другие факторы, которые учитываются при разработке процесса калибровки.

После всего этого можно, наконец, откалибровать отдельные инструменты указанного выше типа. Обычно процесс начинается с базовой проверки повреждений. Некоторые организации, такие как атомные электростанции, собирают данные калибровки «как обнаружено» перед выполнением любого текущего обслуживания . После того, как текущее обслуживание и недостатки, обнаруженные во время калибровки, устранены, выполняется калибровка «как осталось».

Чаще всего весь процесс поручается специалисту по калибровке, который подписывает сертификат калибровки, который документирует завершение успешной калибровки. Описанный выше базовый процесс - сложная и дорогостоящая задача. Стоимость поддержки обычного оборудования обычно составляет около 10% от первоначальной закупочной цены в год, что является общепринятым практическим правилом . Экзотические устройства, такие как сканирующие электронные микроскопы , системы газового хроматографа и устройства с лазерным интерферометром, могут быть еще более дорогостоящими в обслуживании.

Устройство «единственного измерения», используемое в описании базового процесса калибровки выше, действительно существует. Но, в зависимости от организации, большинство устройств, нуждающихся в калибровке, могут иметь несколько диапазонов и множество функций в одном приборе. Хороший пример - обычный современный осциллограф . Легко может быть 200 000 комбинаций настроек для полной калибровки и ограничения на то, какая часть комплексной калибровки может быть автоматизирована.

Стойка для инструментов с пломбами с индикацией вскрытия

Для предотвращения несанкционированного доступа к прибору после калибровки обычно устанавливаются пломбы с защитой от несанкционированного доступа. На изображении стойки осциллографа они показаны и подтверждают, что прибор не снимался с момента последней калибровки, так как они могут вызвать несанкционированное доступ к регулировочным элементам прибора. Также есть метки, показывающие дату последней калибровки и время, когда интервал калибровки указывает, когда потребуется следующая. Некоторые организации также присваивают каждому прибору уникальную идентификацию для стандартизации ведения документации и отслеживания принадлежностей, которые являются неотъемлемой частью определенного условия калибровки.

Когда калибруемые инструменты интегрированы с компьютерами, встроенные компьютерные программы и любые корректировки калибровки также находятся под контролем.

Историческое развитие

Происхождение

Слова «калибровать» и «калибровать» вошли в английский язык совсем недавно, во время Гражданской войны в США , в описаниях артиллерии , которые считались производными от измерения калибра орудия.

Некоторые из самых ранних известных систем измерения и калибровки, кажется, были созданы между древними цивилизациями Египта , Месопотамии и долины Инда , и раскопки показали использование угловых градаций для строительства. Термин «калибровка», вероятно, впервые был связан с точным разделением линейного расстояния и углов с использованием механизма деления и измерения гравитационной массы с использованием весов . Только эти две формы измерения и их прямые производные поддерживали почти всю торговлю и развитие технологий с самых ранних цивилизаций примерно до 1800 года нашей эры.

Калибровка гирь и расстояний ( ок.  1100 г. н.э. )

Пример весов с ошибкой калибровки ½ унции на нуле. Это "ошибка обнуления", которая указывается изначально и обычно может быть отрегулирована пользователем, но в этом случае она может быть связана с шнурком и резинкой.

Ранние устройства измерения были прямыми , т. Е. Имели те же единицы измерения, что и измеряемая величина. Примеры включают длину с использованием мерки и массу с использованием весов. В начале двенадцатого века, во время правления Генриха I (1100–1135), было постановлено, что ярд - это «расстояние от кончика носа короля до кончика его вытянутого большого пальца». Однако только во время правления Ричарда I (1197 г.) мы находим документальные свидетельства.

Принятие мер
«Во всем царстве должен быть один и тот же двор одинакового размера, и он должен быть железным».

Затем последовали другие попытки стандартизации, такие как Великая хартия вольностей (1225 г.) для жидких мер, вплоть до создания Mètre des Archives из Франции и создания метрической системы .

Ранняя калибровка приборов для измерения давления

Конструкция U-образного манометра с прямым считыванием

Одним из первых устройств для измерения давления был барометр Меркурия, приписываемый Торричелли (1643), который считывал атмосферное давление с использованием Меркурия . Вскоре были разработаны манометры с водой . Все они должны иметь линейную калибровку с использованием гравиметрических принципов, где разница в уровнях пропорциональна давлению. Обычными единицами измерения были бы удобные дюймы ртутного столба или воды.

В конструкции гидростатического манометра с прямым считыванием показаний справа приложенное давление P a толкает жидкость вниз по правой стороне U-образной трубки манометра, а шкала длины рядом с трубкой измеряет разницу уровней. Результирующая разница высот «H» является прямым измерением давления или вакуума по отношению к атмосферному давлению . При отсутствии перепада давления оба уровня будут равны, и это будет использоваться в качестве нулевой точки.

Промышленная революция увидела принятие «косвенных» измерения давления устройств, которые были более практичными , чем манометр. Примером могут служить паровые двигатели высокого давления (до 50 фунтов на квадратный дюйм), где ртуть использовалась для уменьшения длины шкалы примерно до 60 дюймов, но такой манометр был дорогим и подвержен повреждениям. Это стимулировало развитие инструментов непрямого чтения, ярким примером которых является трубка Бурдона, изобретенная Эженом Бурдоном .

Дизайн для косвенного считывания с трубкой Бурдона спереди
Дизайн для косвенного считывания с трубкой Бурдона сзади
Дизайн косвенного считывания, показывающий трубку Бурдона спереди (слева) и сзади (справа).

На виде спереди и сзади манометра Бурдона справа приложенное давление в нижнем фитинге уменьшает скручивание на сплющенной трубе пропорционально давлению. Это перемещает свободный конец трубки, которая связана с указателем. Инструмент будет откалиброван по манометру, который будет эталоном калибровки. Для измерения косвенных величин давления на единицу площади погрешность калибровки будет зависеть от плотности жидкости манометра и способов измерения разницы высот. Исходя из этого, можно вывести и отметить на шкале другие единицы измерения, такие как фунты на квадратный дюйм.

Смотрите также

Рекомендации

Источники

  • Крауч, Стэнли и Скуг, Дуглас А. (2007). Принципы инструментального анализа . Тихоокеанская роща: Брукс Коул. ISBN  0-495-01201-7 .