Поверочные схемы

Для обеспечения единства измерений необходимо не только применение узаконенных единиц величин, но и важно, чтобы размер единиц был одинаковым. Для этого следует воспроизводить единицы с максимально возможной точностью с помощью технических средств, хранить единицу в состоянии, обеспечивающем неизменность размера во времени, и регулярно передавать размер единицы всем другим средствам измерений, проградуированным в этой единице.

Возникает необходимость создания иерархических систем, в которых технические средства, расположенные в определенном порядке в соответствии с их точностью, участвуют в последовательной передаче размера единицы от эталона всем средствам измерений этой величины (схема передачи размеров единиц от первичного эталона рабочим средствам измерений представлена на рисунке 4).

Рисунок 4 - Принципиальная схема передачи размеров единиц от эталонов

рабочим средствам измерений

Порядок передачи устанавливается документами специального вида, называемыми поверочными схемами.

Поверочная схема - это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы вели­чины от государственного эталона или исходного рабочего эталона (РЭ) к рабочим средствам измерений. Роль поверочных схем в метрологическом обеспечении выходит за рамки их законодательного аспекта, поэтому поверочную схему необходимо рассматривать как:

- отражение научного и технического потенциала метрологии и измеритель­ной техники;

- один из главных объектов метрологии, так как разработка и реализация поверочных схем - одна из основных функций МС;

- руководящий принцип организации и управления деятельностью МС.

Требования к содержанию и построению поверочных схем установлены в (ГОСТ 8.061-80 ГСИ Поверочные схемы. Содержание и построение) МИ 2230—92 «ГСИ. Методика количественного обоснования поверочных схем при их разработке». Примеры компоновки элементов государственной и локальной поверочных схем представлены на рисунке 5 и 6.

Рисунок 5 - Пример компоновки элементов государственной поверочной схемы:

1 - государственный эталон; 2 - метод передачи размера единиц; 3 - эталон-копия;

4 - эталон - сравнения; 5 - рабочий эталон; 6-8 - эталоны соответствующих разрядов;

9 - эталоны, заимствованные из других поверочных схем; 10 - рабочие средства измерений.

Передача размеров единиц величин от эталонов рабочим средствам измерений позволяет осуществить их поверку.

Различают государственные и локальные поверочные схемы (ПС) органов МС юридических лиц.

Разработка государственных поверочных схем для средств измерений физической величины осуществляет главный центр государственных эталонов, являющийся хранителем государственного эталона единицы этой величины. При отсутствии государственного эталона разработку осуществляет центр, головной в данной области измерений. К разработке схемы в качестве соисполнителей могут привлекаться головные (базовые) организации МС министерств.

В ходе разработки государственной поверочной схемы необходимо обосновать оптимальность ее структуры (виды вторичных эталонов, число разрядов рабочих эталонов (РЭ) и т. д.) с учетом: оптимальных соотношений погрешностей пове­ряемого и рабочего эталона (РЭ), вероятности признания годным неисправного средства измерений; допускаемого отношения числа исправных, но забракован­ных средств к общему числу исправных средств и т. д.

Государственную поверочную схему разрабатывают в качестве национального стандарта. Она не должна противоречить международным поверочным схемам (ПС

Поверочные схемы оформляют в виде чертежа, дополняя эталоны пределом допускаемой погрешности средств измерений при соответствующей доверительной вероятности 0,90; 0,95 или 0,99, метрологические характеристики и, в частности, погрешности рабочих средств измерений - пределом допускаемой погрешности средств измерений в соответствии с ГОСТ 8.009-84. Форма выражения погрешности рабочих эталонов и рабочих средств измерений в одной поверочной схеме должна быть одинаковой.

В поверочных схемах наименования средств измерений, их номинальные значения или диапазоны значений величин и погрешности соответствуют: для государственных эталонов - требованиям ГОСТ 8.372—80; для рабочих эталонов - национальным стандартам на технические требования или свидетельству об их метрологической аттестации; для рабочих средств измерений - национальным стандартам на технические требования к этим средствам. Наименования и обозначения величин и их единиц указывают в соответствии с ГОСТ 8.417—2002.

На поверочной схеме также указывают один из методов поверки средств измерений: непосредственного сличения или сличения при помощи компаратора или других средств сравнения; прямых или косвенных измерений. В случае прове­дения градуировки средств измерений во время поверки делают ссылку в тексте

На чертеже поверочной схемы наименование государственного эталона заключают в прямоугольник, образованный двойной линией, а вторичные эталоны, рабочие эталоны и рабочие средства измерений - в прямоугольники, образован­ные одинарной линией. Наименование методов поверки помещают в горизонтальные овалы между наименованиями поверяемого средства измерений и этало­ном. Форма чертежей поверочной схемы должна соответствовать требованиям ГОСТ 2.301-68.

Рисунок 6 - Пример компоновки локальной поверочной схемы

Передача размеров единиц сверху вниз, компоновка и оформление элементов государственной и локальных поверочных схем приведены на рисунках 5 и 6. Передача размеров единиц сверху вниз, компоновка и оформление элементов локальной поверочной схемы приведены на рисунке 7. Пояснительный текст к ней должен состоять из вводной части и объяснений к ее элементам, несущим дополнительную информацию.

Поверочные схемы (ПС) в нормативной документации (НД) на нее оформляют в виде чертежа, дополняя его текстовой частью, на котором указывают наименование средств измерений и методов поверки, номинальные значения или диапазоны значений величин, средств измерений и методов поверки.

Чертеж должен состоять из полей, расположенных друг над другом и разделенных штриховыми линиями, число которых зависит от структуры поверочной схемы. Поля должны иметь наименования, указываемые в левой части чертежа, отделенной вертикальной сплошной линией.

В верхнем поле чертежа государственной поверочной схемы, возглавляемой государственным эталоном, указывают наименования государственных эталонов в порядке их соподчиненности. В верхнем поле чертежа локальной поверочной схемы указывают наименование государственного эталона или локальной поверочной схемы.

Для средств измерений производных величин, единицы которых воспроизводят методом косвенных измерений, в верхнем поле чертежа указывают наименования рабочих эталонов, применяемых для воспроизведения данной единицы и заимствованных из других государственных поверочных схем. Наименования этих рабочих эталонов измерений должны быть даны со ссылками на соответствующие поверочные схемы. Номинальные значения или диапазоны значений величин и значения их погрешностей указывают над наименованиями государственных эталонов и рабочих эталонов.

Рисунок 7 - Фрагмент локальной поверочной схемы для СИ электрического

сопротивления

Под полем государственных эталонов располагают поле рабочих эталонов 1-го разряда и далее поля подчиненных рабочих эталонов. В тех поверочных схемах, где должна быть показана передача размера единицы от рабочих эталонов, заимствованных из других поверочных схем, их наименования помещают в специально отведенном поле. В рабочих эталонах локальных поверочных схем указывают разряды рабочих эталонов, соответствующие присвоенным этим средствам измерений в государственных поверочных схемах. Под наименованиями рабочих эталонов показывают диапазоны измерений и значения погрешностей средств измерений. Поле рабочих средств измерений помещают под полем подчиненного рабочего эталона. Слева направо в порядке возрастания в нем располагают погрешности группы рабочих средств измерений, поверяемых по рабочим эталонам одного наименования. Для каждой группы указывают вид, диапазон измерений и значения погрешностей средств измерений.

Погрешности государственных эталонов характеризуют в соответствии с требованиями ГОСТ 8.057-80. Как уже указывалось ранее, ПС возглавляются, как правило, государственными (первичными или специальными) эталонами с аббревиатурой ГЭТ. В качестве подчиненных им эталонов создаются вторичные эталоны. В соответствии с ГОСТ 8.057-80 и МИ 97-76 первоначально к ним относились рабочие эталоны, предназначенные непосредственно для передачи размеров единиц величин нижестоящим по ПС эталонным СИ, а также эталоны-копии, эталоны-свидетели и эталоны сравнения. В ряде современных ПС (например по ГОСТ Р 8.562-2007 и ГОСТ 8.129-99) РЭ теперь называют вторичными эталонами или рабочими эталонами нулевого разряда. Это связано с переименованием образцовых СИ в разрядные РЭ.

При разработке ПС одним из основных направлений их обоснования является выбор числа разрядов РЭ. Это требует анализа действующего и ожидаемого на ближайшие 5-10 лет парка рабочих и эталонных СИ, их дислокации, а также особенностей методов передачи размеров единиц. В действующих НД имеются рекомендации по установлению числа разрядов РЭ. Однако они не учитывают вариантность числа разрядов, организационные принципы и особенности передачи размеров единиц и самих СИ, характеристики метрологической надежности СИ, а также экономические потери вследствие несоблюдения единства изме­рений.

Например при выборе числа разрядов РЭ в ПС для электрорадиоэлектронных СИ оптимальным является установление 2 или реже 3 разрядов РЭ.

Одним из важных элементов технического обоснования ПС является также выбор рациональных и высокопроизводительных методов передачи размеров единиц от эталонов рабочим СИ с учетом их особенностей. Передача размеров единиц при градуировке, поверке, калибровке и метрологической аттестации осуществляется методами прямых измерений, сличения показаний, компарирования или косвенных измерений.

При выполнении этих процедур для измерительных приборов, мер и измерительных преобразователей наиболее удобным и производительным является метод прямых измерений величины, воспроизводимой мерой.

С применением программно-управляемых ИП этот метод позволяет автоматизировать поверку СИ аналогично предыдущему методу, но в общем случае он более трудоемок и менее производителен. Оптимизацию этого метода осуществляют путем применения карт поверки СИ.

В ряде случаев в практике поверки мер применяют метод компарирования воспроизводимых ими электрических величин.

Следует заметить, что метод компарирования трудоемок и используется при поверке СИ редко. Однако он обеспечивает достаточно высокую точность. Его разновидность применяется при компарировании мер переменного и постоянного тока и напряжения. В то же время метод косвенных измерений при воспроизведении размеров единиц применяется редко. Необходимость в нем возникает в основном при отсутствии СИ для прямых измерений с необходимыми метрологическими характеристиками (значениями величин, диапазонами частот, характеристиками соединителей и т.д.). Он встречается при измерениях мощности, напряжения, тока, коэффициентов гармоник, параметров цепей и др.

При измерениях мощности Р, напряжения U, силы тока I и полного сопротивления Z метод реализуется с помощью основных уравнений вида

P=UI+U²/Z=I² Z, U=IZ и I=U/Z

и их конкретных сочетаний.

Схемы соединения СИ отличаются большим разнообразием в зависимости от целей измерений и применяемых при этом измерительных устройств. Основные трудности в получении высокой точности при реализации метода в соответствии с указанными выражениями заключаются в необходимости оценки полного сопротивления (его модуля и сдвига фазы) измерительных устройств.

Это обстоятельство приводит (особенно при высоких частотах) к большим погрешностям измерений.

В конкретных ПС для средств измерений электрических величин применяются все указанные ранее методы передачи размеров единиц. Это требует от разработчиков ПС и методик поверки СИ проведения соответствующего системного анализа методов и средств поверки и их регламентации в НД с целью обеспечения единства измерений всего наличного парка СИ определенной величины с учетом перспектив дальнейшего развития, что является важной и сложной научной проблемой метрологии.

Надо также отметить, что в ПС в соответствии с требованиями ГОСТ 8.061-80 необходимо указание допускаемых значений погрешности методов поверки. Однако в стандарте отсутствует пояснение того, что имеется в виду под погрешностью метода поверки - полная (суммарная) погрешность передачи размера единицы от эталона к нижестоящему по ПС поверяемому СИ, включая погрешность самого эталона, или только дополнительная методическая погрешность передачи размера единицы, которая часто возникает при выполнении методик изменений. К числу дополнительных методических погрешностей при поверке средств измерений интенсивности электромагнитных колебаний (напряжения, силы тока, мощности) относятся такие их составляющие, как влияние формы кривой и частоты измеряемых сигналов, потери в переходах и их воспроизводимость в соединителях, влияние входных и выходных импедансов СИ и др.

Однако в ряде действующих ПС также отсутствует указание о том, что подразумевается под погрешностью метода поверки. Анализ ПС показывает, что в них имеется в виду иногда полная погрешность, а иногда только дополнительная методическая составляющая. Это относится к ПС для средств измерений напряжения, мощности и силы тока по ГОСТ Р 8.562-2007; МИ 1935-88 и МИ 1940-88.

Вместе с тем это обстоятельство снижает информативность ПС и может привести к повышению брака поверки СИ и нарушению единства измерений.

В ПС устанавливаются основные метрологические характеристики (пределы измерений, диапазоны частот и погрешности) РЭ и рабочих СИ. При разработке схем исходными являются характеристики рабочих СИ. Они устанавливаются на основе анализа всего парка имеющихся в эксплуатации и планируемых к производству СИ определенной величины. Это требование не всегда отражается в действующих ПС, что является их существенным недостатком.

Для рабочих средств измерений электрических величин погрешность чаще всего характеризуется пределом допускаемых значений в относительной форме. Погрешность РЭ характеризуется также в относительной форме пределом допускаемых значений или доверительной погрешностью с вероятностью 0,95 или 0,99. В ПС должны быть указаны соотношения погрешностей эталонных и поверяемых СИ, ибо они и определяют долю (процент) брака поверки, а следовательно, и обеспечение единства измерений, и экономические потери вследствие брака. Для средства измерений электрических величин в соответствии с ГОСТ 22261-94 они устанавливаются не более от 1/5 до 1/3 или реже путем указания наибольшей вероятности брака поверки, т. е. признания любого негодного экземпляра СИ в качестве годного.

Государственные ПС для средств измерений отдельных величин разрабатываются в виде НД Государственной системы обеспечения единства измерений - ГОСТ или МИ в соответствии с основными положениями ГОСТ 8.061-80. Отдельные ПС выпущены в виде межгосударственных стандартов СНГ.

Следует отметить, что некоторые ПС, особенно для средств измерений электрических величин, являются недостаточно информативными и не содержат ряд важных методических положений, учитывающих особенности воспроизведения и передачи размеров единиц величин. Это частично объясняется недооценкой ПС. В ГОСТ 8.061-80 сформулированы общие требования к схемам, но не учтены все особенности методов и средств передачи размеров многочисленных величин. В связи с этим необходимо отражение в текстовой части ПС дополнительной информации и пояснений к элементам поверочной схемы с учетом специфики передачи размеров единиц, что отражено в ГОСТ 8.061-80.

Необходимость и полезность ПС тем выше, чем однозначнее и полнее их чертеж и текстовая часть, определяющие степень их информативности. С целью повышения информативности ПС правомерна разработка схем на отдельные пределы измеряемых величин, на определенные диапазоны частот, на конкрет­ные виды рабочих СИ одной и той же величины, встречающиеся в области измерений электрических и магнитных величин, теплофизических и температур­ных измерений, измерений геометрических величин и др. Примерами НД на ПС для средств измерений силы электрического переменного тока низкой и высокой частоты являются ГОСТ 8.132-74 и МИ 1940-88, мощности электромагнитных колебаний - ГОСТ Р 8.562-2007, ГОСТ 8.277-78 и ГОСТ 8.535-85 и электрической емкости - ГОСТ 8.371-80 и ГОСТ 8.564-98.