5.4 Поверка и калибровка средств измерений
Поверка и калибровка – это совокупность операций, включая проведение экспериментальных работ, выполняемых с целью определения и (или) подтверждения соответствия действительных значений метрологических характеристик средств измерений установленным обязательным требованиям и (или) установления пригодности средств измерений к применению.
Различие поверки и калибровки состоит в том, что поверка выполняется в рамках государственного регулирования органами государственной метрологической службы (или уполномоченными, аккредитованными на то другими, негосударственными органами и организациями), а калибровка – метрологическими службами организаций с использованием эталонов, соподчинённых государственным эталонам единиц величин. Кроме того, по результатам калибровки могут вноситься поправки в результаты измерений, полученные прокалиброванным средством измерений.
Поверке и калибровке подвергаются все средства измерений при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, при длительном хранении в индивидуальном порядке. За редким исключением (это касается стеклянных низкоточных средств измерений температуры, плотности, вязкости) средства измерений при выпуске из производства поверяются (калибруются) выборочно, а при эксплуатации вообще не поверяются и не калибруются.
Поверку осуществляют аккредитованные в установленном порядке юридические лица и индивидуальные предприниматели; работники, проводящие непосредственно поверку, должны быть обучены и аттестованы в качестве поверителей в установленном порядке органом Государственной метрологической службы. Перечень средств измерений (их типы), подлежащие поверке только в государственных региональных центрах метрологии, устанавливается Правительством РФ и доводится до всеобщего сведения.
Юридические и физические лица, выпускающие средства измерений из производства и ремонта, ввозящие их по импорту и (или) использующие их для измерений в сфере государственного регулирования, обязаны своевременно и в полном объёме представлять эти средства измерений на поверку. Порядок представления устанавливается Ростехрегулированием и оформляется в виде графиков на предстоящий период (обычно год) соответствующим метрологическим центром по заявкам собственников средств измерений. В обоснованных случаях (приборостроительные и прибороремонтные организации) поверку средств измерений могут проводить метрологические службы юридических лиц при наличии соответствующей государственной аккредитации.
Средства измерений, не предназначенные для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, могут подвергаться поверке в добровольном порядке.
Для упорядочения деятельности и оказания помощи юридическим лицам, проводящим калибровку средств измерений, создана и действует Российская система калибровки – организационное объединение субъектов деятельности по калибровке, комплекс правил и норм по проведению калибровки, организация и проведение калибровочных работ. Важнейший вид деятельности в рамках Российской системы калибровки – аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ.
Основным звеном системы являются калибровочные лаборатории, представляющие собой самостоятельные организации или чаще всего подразделения метрологических служб юридических лиц, которые проводят калибровку как собственных средств измерений, так и сторонних организаций; в последнем случае государственная аккредитация лаборатории обязательна.
Положительные результаты поверки средств измерений удостоверяются оттиском знака поверки (ранее – поверительное клеймо) и (или) свидетельством о поверке, которое выдаётся обычно в случае поверки средств измерений высокоточных или предназначенных для метрологических целей. Конструкция средства измерений при этом должна позволять нанесение знака поверки в месте, доступном для просмотра; в противном случае знак наносится на свидетельстве о поверке. В случае калибровки аналогичный знак называется знаком калибровки, а свидетельство свидетельством о калибровке. Требования к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке устанавливаются Ростехрегулированием.
Сведения о результатах поверки средств измерений, предназначенных для применения в сфере государственного регулирования, передаются в Федеральный информационный фонд.
Поверка средств измерений – это процедура, заключающаяся в установлении пригодности конкретного экземпляра средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и выявления их соответствия предъявленным требованиям к средствам измерений данного типа. Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке средства измерений, являются его фактические характеристики основной погрешности. Они находятся в общем случае путём сравнения поверяемого средства измерений с более точным – рабочим эталоном в соответствии с установленным методом поверки. В свою очередь рабочий эталон поверяется сравнением с другим, более точным эталоном, и так вплоть до самого точного – первичного эталона соответствующей физической величины. С другой стороны, поверка – это операция передачи размеров единиц физических величин от первичных к рабочим эталонам и, в конечном итоге, к рабочим средствам измерений с установленной точностью.
Поверка средств измерений проводится с использованием эталонов и вспомогательных поверочных средств согласно установленному методу передачи единицы (методу поверки) в соответствии с поверочной схемой.
Эталоны различаются не только по воспроизводимым ими единицам физических величин (длины, массы, времени, силы, напряжения и др.), но и роли и месту в процессе поверки, определяемых поверочной схемой. Различают следующие виды эталонов:
- первичный – обеспечивает воспроизведение и хранение единицы данной физической величины с наивысшей в стране точностью. Первичные эталоны – это уникальные средства измерений, часто представляющие собой сложнейшие измерительные установки или комплексы, выполненные с использованием новейших достижений науки и техники. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений в стране и являются первыми в схеме поверки; в настоящее время Россия располагает примерно 120 первичными эталонами;
- государственный (или национальный) – это первичный эталон, официально утверждённый в качестве исходного для страны, требования к которому установлены в государственном стандарте (пример: ГОСТ 8.021 – 84 «Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения массы»). Государственные эталоны подлежат периодическим сличениям с государственными (национальными) эталонами других стран, чем обеспечивается единство измерений в мировом масштабе;
- вторичный – хранит размер единицы, получаемой путём сличения непосредственно с первичным эталоном данной единицы, и служит для передачи размера единицы рабочим эталонам; вторичные и все прочие эталоны – это уже подчинённые эталоны по отношению к первичному;
- рабочий – предназначен для передачи размера единицы рабочим средствам измерений; рабочие эталоны в большинстве случаев подразделяются на разряды, по которым устанавливается порядок их соподчинения при передаче размеров единиц; точность рабочих эталонов убывает по мере возрастания номера разряда: 1-й, 2-й, 3-й и т.д.
Наряду с названными эталонами различают и некоторые другие: сравнения, международный, групповой, транспортируемый.
Важнейшим свойством всех эталонов является их точность, выражаемая в виде различных характеристик погрешности. Точность первичных эталонов устанавливается или теоретическими расчётами, или путём сличения национальных эталонов разных стран между собой и выражается не исключённой систематической составляющей и СКО случайной составляющей абсолютной погрешности.
Точность вторичных и рабочих эталонов характеризуется отклонением размеров хранимых (воспроизводимых) ими единиц от размера единиц, хранимых (воспроизводимых) первичными эталонами, зависящим от погрешности метода передачи (поверки) и нестабильности самих эталонов, и выражается как относительная случайная погрешность или в виде СКО, или доверительного интервала с доверительной вероятностью 0,99.
Метод передачи единицы (метод поверки) – это приёмы и способы определения погрешностей вторичных и рабочих эталонов и, в конечном итоге, рабочих средств измерений. На практике используется несколько методов, определяемых принципом действия и видом эталонов и поверяемых средств измерений, основные из них следующие:
- метод сличения мер, когда сличаются, сравниваются между собой значения физической величины, воспроизводимые поверяемой мерой и мерой-эталоном; сличение производится с помощью специального сравнивающего устройства, применительно к электрическим и оптическим средствам измерений называемого, как правило, компаратором; эталон при данном методе обычно представляет собой многозначную меру или набор мер; схематично этот метод изображён на рис. 5.1а; примеры: сравнение мер массы с помощью равноплечих весов, сравнение мер электрического сопротивления с помощью электрического моста;
- метод непосредственного измерения, когда поверяемый измерительный прибор или поверяемый измерительный преобразователь измеряет значение физической величины, воспроизводимое эталоном-мерой, или наоборот, когда значение физической величины, воспроизводимое поверяемой мерой, измеряется эталоном – измерительным прибором; схема метода дана на рис. 5.1б; примеры: взвешивание на поверяемых весах эталона массы (эталонной гири или набора эталонных гирь), взвешивание на эталонных весах поверяемой меры массы (гири), измерение с помощью поверяемого омметра сопротивления эталонной меры сопротивления (эталонного резистора);
- метод непосредственного сличения показаний или выходных сигналов, когда и поверяемое средство и эталон представляют собой соответственно измерительные приборы или измерительные преобразователи, которые одновременно или последовательно друг за другом измеряют один и тот же размер физической величины, воспроизводимый вспомогательной мерой или вспомогательным источником (генератором); схема метода представлена на рис. 5.1в; примеры: последовательное взвешивание одного и того же груза на поверяемых и эталонных весах, одновременное измерение напряжения одного источника поверяемым и эталонным вольтметром.
Рисунок 5.1 – Схемы методов передач единиц (методов поверки)
Поверочная схема – нормативный документ, который устанавливает соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталонов к рабочим средствам измерений с указанием методов и погрешностей при передаче, и который утверждён в установленном порядке. Основные требования к построению и содержанию поверочных схем приведены в ГОСТ 8.061 – 80 «ГСИ. Поверочные схемы, Содержание и построение».
Поверочная схема разрабатывается в виде документа, состоящего из графической и текстовой частей. Графическая часть состоит в свою очередь из условных обозначений в виде прямоугольников эталонов и рабочих средств измерений, в виде овалов методов передачи (поверки) и линий связи между ними. Поверочная схема устанавливает последовательность передачи размера единиц одной или нескольких взаимосвязанных физических величин и должна включать не менее двух ступеней передачи. Графическая часть содержит следующие сведения:
- наименование и, зачастую, тип эталонов, виды поверяемых рабочих средств измерений и методы передачи (поверки);
- номинальные значения или диапазоны значений воспроизводимых (измеряемых) физических величин;
- характеристики погрешностей эталонов и видов рабочих средств измерений;
- характеристики погрешностей методов передачи (поверки).
Текстовая часть содержит необходимые пояснения и уточнения к графической части.
Различают поверочные схемы государственные и локальные:
- государственная схема распространяется на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся и используемые в стране, и разрабатывается в виде национального (государственного) стандарта. Согласно государственным схемам проводится не только поверка, но и калибровка средств измерений;
- локальная схема распространяется на средства измерений данной физической величины, подлежащие поверке в отдельном органе государственной метрологической службы, и, как правило, только детализирует или конкретизирует соответствующую государственную схему, вернее, её нижние ступени. Применительно к калибровке это будет уже локальная калибровочная схема. Локальные схемы разрабатываются также на средства измерений, используемые в регионе, ведомстве или отдельной организации, в виде ведомственных нормативных документов или документов организаций (стандартов организаций).
Важным моментом при разработке схемы поверки, определяющим с одной стороны достоверность и надёжность поверки, а с другой – её экономичность, является выбор оптимального соотношения между допускаемыми погрешностями эталона и поверяемого средства измерений, между эталоном более высокого и более низкого разрядов. Это соотношение устанавливается с учётом принятого метода передачи единицы и допускаемого уровня брака поверки, т.е. возможного признания метрологически негодного поверяемого средства годным или наоборот, и обычно принимается не более 1 : 3 (при вводе поправок на значения величин, воспроизводимых или измеряемых эталоном) или не более 1 : 5.
Пример государственной поверочной схемы (условной и упрощённой) приведён на рис. 5.2.
Рисунок 5.2 – Поверочная схема:
1 – первичный эталон; 2 – метод поверки; 3 – вторичный эталон; 4, 5, 6 – рабочие эталоны; 7 – рабочие СИ высшей точности; 8 – рабочие СИ высокой точности; 9, 10 – рабочие СИ средней точности; 11 – рабочие СИ низкой точности
В зависимости от конкретных целей поверки или стадии жизненного цикла средств измерений различают следующие виды поверок:
- первичная, выполняемая при выпуске средства измерений из производства или после ремонта, а также при ввозе его партиями по импорту, и периодическая, выполняемая при эксплуатации или хранении средства измерений через установленные межповерочные интервалы времени;
- плановая, выполняемая в установленные сроки и для конкретных экземпляров средств измерений, внеочередная, проводимая для отдельных экземпляров средств измерений при возникновении особых обстоятельств (нарушение правил и условий эксплуатации, нарушение знака поверки, появление сомнений в метрологической исправности), инспекционная, проводимая органом государственной метрологической службы в порядке государственного надзора за состоянием и применением средств измерений;
- комплектная, когда поверяется средство измерений в целом (основной вид), и поэлементная, когда средства измерений (обычно это измерительные установки и машины, измерительно-вычислительные комплексы, измерительные системы) поверяются по отдельным функционально и метрологически обособленным составным частям (элементам) с последующим расчётом погрешности конкретного средства измерений в целом.
Аналогичную градацию видов может иметь и калибровка средств измерений.
При поверке и, особенно, при калибровке рабочих средств измерений или аттестации методик измерений находят широкое применение стандартные образцы (СО), в первую очередь и главным образом в области физико-химических измерений (это средства измерений и методики измерений свойств веществ и материалов и состава различных смесей – растворов, суспензий, эмульсий, композиций и т.п.). Основные правила разработки, изготовления и применения СО устанавливает ГОСТ 8.315 – 97 «ГСИ. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения».
Стандартный образец – это средство измерений, а конкретнее, мера в виде вещества (материала), состав (содержание компонентов в нём) или свойства которого установлены путём метрологической аттестации. СО как меры имеют ряд особенностей: они являются не столько изделиями, сколько продуктами, реализуемыми в виде образца или пробы (порции) однородного вещества или материала; некоторые виды из них являются расходуемыми при применении по назначению (это когда вещество СО при измерении разрушается, вступает в химическую реакцию); для них характерен срок годности, а не срок службы; их нельзя обновить, исправить, отремонтировать и т.п.
В зависимости от вида аттестуемой характеристики СО разделяются на СО состава, воспроизводящие значение величин, характеризующих содержание определённых компонентов в смеси (концентрация, доля, отношение), и на СО свойств, воспроизводящие значения величин, характеризующих физические, химические, технические или другие свойства (в узком смысле) веществ и материалов (плотность, твёрдость, диэлектрическая или магнитная проницаемость, удельное электрическое сопротивление, оптическая плотность, коэффициент преломления света и т.п.). Для СО конкретного типа нормируются и указываются в сопроводительном документе следующие метрологические характеристики: значение аттестуемой физической величины; пределы погрешности аттестованного значения; характеристики однородности смеси и анизотропии свойства; характеристика стабильности (срок годности); функции влияния параметров окружающей среды.