В измерительной технике и метрологии калибровка — это сравнение значений измерений , полученных испытуемым устройством, с калибровочными значениями известной точности. Таким эталоном может быть другое измерительное устройство известной точности, устройство, генерирующее измеряемую величину, такую как напряжение , звуковой тон или физический артефакт, такой как линейка метра .
Результатом сравнения может быть одно из следующих:
Строго говоря, термин «калибровка» означает лишь акт сравнения и не включает в себя какую-либо последующую настройку.
Калибровочный эталон обычно соответствует национальному или международному стандарту, утвержденному метрологическим органом.
Формальное определение калибровки, данное Международным бюро мер и весов (BIPM), следующее: «Операция, которая при определенных условиях на первом этапе устанавливает связь между значениями величин с неопределенностями измерения, обеспечиваемыми эталонами измерений, и соответствующими показаниями. с соответствующими неопределенностями измерения (калиброванного прибора или вторичного эталона) и на втором этапе использует эту информацию для установления зависимости для получения результата измерения на основе показаний». [1]
В этом определении говорится, что процесс калибровки представляет собой чисто сравнение, но вводится концепция неопределенности измерения при сопоставлении точности испытуемого устройства и эталона.
Растущая потребность в известной точности и неопределенности, а также необходимость иметь последовательные и сопоставимые стандарты на международном уровне привели к созданию национальных лабораторий. Во многих странах будет существовать Национальный институт метрологии (НМИ), который будет поддерживать первичные эталоны измерений (основные единицы 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 измерений. Примерами национальных метрологических институтов являются NPL в Великобритании , NIST в США , PTB в Германии и многие другие. Поскольку Соглашение о взаимном признании было подписано, теперь легко получить прослеживаемость от любого участвующего НМИ, и компании больше не требуется получать прослеживаемость измерений от НМИ страны, в которой она находится, например, от Национальной физической лаборатории. в Великобритании.
Чтобы улучшить качество калибровки и добиться признания результатов сторонними организациями, желательно, чтобы калибровка и последующие измерения были «прослеживаемы» до единиц измерения, определенных на международном уровне. Установление прослеживаемости достигается путем формального сравнения со стандартом , который прямо или косвенно связан с национальными стандартами (например, NIST в США), международными стандартами или сертифицированными эталонными материалами . Это могут делать национальные лаборатории по стандартизации, находящиеся в ведении правительства, или частные фирмы, предлагающие метрологические услуги.
Системы управления качеством требуют эффективной системы метрологии , которая включает формальную, периодическую и документированную калибровку всех средств измерений. Стандарты ISO 9000 [2] и ISO 17025 [3] требуют, чтобы эти отслеживаемые действия находились на высоком уровне, и определяют способы их количественной оценки.
Чтобы сообщить о качестве калибровки, калибровочное значение часто сопровождается заявлением о отслеживаемой неопределенности до установленного уровня достоверности. Это оценивается посредством тщательного анализа неопределенности. Иногда для эксплуатации оборудования в неисправном состоянии требуется DFS (отклонение от спецификации). Всякий раз, когда это происходит, это должно быть оформлено в письменной форме и санкционировано руководителем при технической помощи специалиста по калибровке.
Измерительные устройства и инструменты классифицируются в зависимости от физических величин, для измерения которых они предназначены. В разных странах они различаются, например, NIST 150-2G в США [4] и NABL -141 в Индии. [5] Вместе эти стандарты охватывают приборы, измеряющие различные физические величины, такие как электромагнитное излучение ( РЧ-зонды ), звук ( шумомер или дозиметр шума ), время и частота ( интервалометр ), ионизирующее излучение ( счетчик Гейгера ), свет ( световой прибор) . метр ), механические величины ( концевой выключатель , манометр , реле давления ) и термодинамические или термические свойства ( термометр , регулятор температуры ). Стандартный прибор для каждого испытательного устройства соответственно различается, например, грузопоршневой манометр для калибровки манометра и сухой блок для калибровки манометра.
Калибровка может потребоваться по следующим причинам:
В общем случае калибровка часто рассматривается как включающая процесс регулировки выходного сигнала или показаний измерительного прибора для обеспечения соответствия значению применяемого эталона с заданной точностью. Например, термометр можно откалибровать, чтобы определить погрешность показаний или поправку, и отрегулировать (например, с помощью калибровочных констант) так, чтобы он показывал истинную температуру в градусах Цельсия в определенных точках шкалы. Это восприятие конечного пользователя инструмента. Однако очень немногие инструменты можно настроить так, чтобы они точно соответствовали стандартам, с которыми они сравниваются. Для подавляющего большинства калибровок процесс калибровки фактически представляет собой сравнение неизвестного с известным и запись результатов.
Процесс калибровки начинается с проектирования средства измерения, которое необходимо калибровать. Конструкция должна иметь возможность «выдерживать калибровку» на протяжении всего интервала калибровки. Другими словами, конструкция должна обеспечивать измерения, находящиеся «в пределах инженерных допусков » при использовании в установленных условиях окружающей среды в течение некоторого разумного периода времени. [6] Наличие конструкции с такими характеристиками увеличивает вероятность того, что фактические измерительные приборы будут работать так, как ожидалось. По сути, целью калибровки является поддержание качества измерений, а также обеспечение правильной работы конкретного прибора.
Точный механизм назначения значений допуска зависит от страны и типа отрасли. При измерении оборудования производитель обычно устанавливает допуск измерения, предлагает интервал калибровки (CI) и определяет диапазон условий эксплуатации и хранения. Организация-пользователь обычно назначает фактический интервал калибровки, который зависит от вероятного уровня использования конкретного измерительного оборудования. Назначение интервалов калибровки может быть формальным процессом, основанным на результатах предыдущих калибровок. В самих стандартах не указаны рекомендуемые значения CI: [7]
Следующим шагом является определение процесса калибровки. Выбор стандарта или стандартов является наиболее заметной частью процесса калибровки. В идеале эталон имеет менее 1/4 погрешности измерения калибруемого устройства. Когда эта цель достигнута, совокупная неопределенность измерения всех задействованных эталонов считается незначительной, если окончательное измерение также выполнено с соотношением 4:1. [10] Вероятно, это соотношение было впервые формализовано в Справочнике 52, который сопровождал MIL-STD-45662A, одну из первых спецификаций метрологической программы Министерства обороны США. С момента своего создания в 1950-х годах до 1970-х годов соотношение было 10:1, когда развитие технологий сделало соотношение 10:1 невозможным для большинства электронных измерений. [11]
Поддерживать соотношение точности 4:1 с помощью современного оборудования сложно. Калибруемое испытательное оборудование может быть столь же точным, как и рабочий эталон. [10] Если коэффициент точности меньше 4:1, то для компенсации можно уменьшить допуск калибровки. При достижении 1:1 только точное совпадение эталона и калибруемого устройства является полностью правильной калибровкой. Другой распространенный метод устранения этого несоответствия возможностей — снижение точности калибруемого устройства.
Например, манометр с заявленной производителем точностью 3 % можно заменить на 4 %, чтобы можно было использовать стандарт точности 1 % при соотношении 4:1. Если манометр используется в приложении, требующем точности 16 %, снижение точности манометра до 4 % не повлияет на точность окончательных измерений. Это называется ограниченной калибровкой. Но если для окончательного измерения требуется точность 10 %, то манометр с точностью 3 % никогда не сможет быть лучше, чем 3,3:1. Тогда, возможно, лучшим решением будет корректировка допуска калибровки манометра. Если калибровка выполняется при 100 единицах, стандарт 1% фактически будет где-то между 99 и 101 единицами. Приемлемые значения калибровок при соотношении испытательного оборудования 4:1 составляют 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. Далее, дальнейшее изменение допустимого диапазона от 98 до 102 восстанавливает окончательное соотношение более чем 4:1.
Это упрощенный пример. Математику примера можно оспорить. Важно, чтобы любые мысли, которыми руководствовался этот процесс при реальной калибровке, были записаны и доступны. Неформальность способствует накоплению допусков и другим трудно диагностируемым проблемам после калибровки.
Также в приведенном выше примере в идеале калибровочное значение в 100 единиц было бы лучшей точкой в диапазоне датчика для выполнения калибровки по одной точке. Это может быть рекомендация производителя или способ калибровки подобных устройств. Также используются калибровки по нескольким точкам. В зависимости от устройства точкой калибровки может быть также состояние нулевой единицы, отсутствие измеряемого явления. Или же пользователь может сбросить ноль — возможно несколько вариантов. Опять же, следует записать точки, которые будут использоваться во время калибровки.
Между эталоном и калибруемым устройством могут использоваться особые методы соединения, которые могут повлиять на калибровку. Например, при электронной калибровке, включающей аналоговые явления, импеданс кабельных соединений может напрямую влиять на результат.
Методы калибровки современных устройств могут быть ручными или автоматическими.
Например, ручной процесс можно использовать для калибровки манометра. Процедура требует нескольких шагов: [12] подключить испытуемый манометр к эталонному эталонному манометру и регулируемому источнику давления, подать давление жидкости как на эталонный, так и на испытательный манометр в определенных точках по диапазону манометра, а также сравнить показания манометра. чтения вдвоём. Испытуемый манометр можно отрегулировать так, чтобы его нулевая точка и реакция на давление максимально соответствовали заданной точности. Каждый этап процесса требует ручного учета.
Автоматический калибратор давления [13] представляет собой 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 гидравлическом аккумуляторе , и аксессуары, такие как уловители жидкости и манометр. фитинги . Автоматическая система может также включать средства сбора данных для автоматизации сбора данных для ведения учета.
Вся вышеуказанная информация собирается в ходе процедуры калибровки, которая представляет собой особый метод испытаний . Эти процедуры охватывают все шаги, необходимые для выполнения успешной калибровки. Производитель может предоставить его, или организация может подготовить такой документ, который также отражает все другие требования организации. В Соединенных Штатах существуют центры обмена информацией по процедурам калибровки, такие как Программа обмена данными между правительством и промышленностью (GIDEP).
Этот точный процесс повторяется для каждого из используемых стандартов до тех пор, пока не будут достигнуты стандарты переноса, сертифицированные эталонные материалы и/или естественные физические константы, стандарты измерений с наименьшей неопределенностью в лаборатории. Это обеспечивает прослеживаемость калибровки.
Другие факторы, которые учитываются при разработке процесса калибровки, см. в разделе «Метрология» .
После всего этого отдельные инструменты определенного типа, описанные выше, наконец, могут быть откалиброваны. Обычно процесс начинается с базовой проверки повреждений. Некоторые организации, такие как атомные электростанции, собирают данные калибровки «как есть» перед выполнением любого планового технического обслуживания . После устранения планового технического обслуживания и устранения недостатков, обнаруженных во время калибровки, выполняется калибровка «как было».
Чаще всего весь процесс поручается специалисту по калибровке, который подписывает сертификат калибровки, который документирует завершение успешной калибровки. Основной процесс, описанный выше, является сложной и дорогостоящей задачей. Согласно общепринятому эмпирическому правилу , стоимость обычной поддержки оборудования обычно составляет около 10 % от первоначальной покупной цены на ежегодной основе . Экзотические устройства, такие как сканирующие электронные микроскопы , газовые хроматографы и лазерные интерферометры , могут оказаться еще более дорогостоящими в обслуживании.
Устройство «однократного измерения», использованное в приведенном выше описании базового процесса калибровки, действительно существует. Но, в зависимости от организации, большинство устройств, нуждающихся в калибровке, могут иметь несколько диапазонов и множество функций в одном приборе. Хорошим примером является обычный современный осциллограф . Легко может быть 200 000 комбинаций настроек для полной калибровки и ограничений на то, какая часть комплексной калибровки может быть автоматизирована.
Для предотвращения несанкционированного доступа к прибору после калибровки обычно накладываются защитные пломбы. На изображении стойки осциллографа они показаны и доказывают, что прибор не снимался с момента его последней калибровки, поскольку возможно несанкционированное воздействие на регулировочные элементы прибора. Также имеются этикетки, показывающие дату последней калибровки и интервал между калибровками, определяющий необходимость следующей калибровки. Некоторые организации также присваивают каждому прибору уникальную идентификацию, чтобы стандартизировать ведение учета и отслеживать принадлежности, необходимые для конкретных условий калибровки.
Когда калибруемые приборы интегрированы с компьютерами, встроенные компьютерные программы и любые корректировки калибровки также находятся под контролем.
Слова «калибровка» и «калибровка» вошли в английский язык совсем недавно, во время Гражданской войны в США , [14] в описаниях артиллерии , которые, как считается, произошли от измерения калибра орудия.
Некоторые из самых ранних известных систем измерения и калибровки, похоже, были созданы между древними цивилизациями Египта , Месопотамии и долины Инда , а раскопки показали использование угловых градаций в строительстве. [15] Термин «калибровка», вероятно, впервые был связан с точным разделением линейных расстояний и углов с помощью делительного двигателя и измерением гравитационной массы с помощью весов . Сами по себе эти две формы измерения и их прямые производные поддерживали почти всю торговлю и развитие технологий от самых ранних цивилизаций примерно до 1800 года нашей эры. [16]
Ранние измерительные приборы были прямыми , то есть 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 времена правления Генриха I (1100-1135), было постановлено, что ярдом будет «расстояние от кончика носа короля до конца его вытянутого большого пальца». [17] Однако только во время правления Ричарда I (1197 г.) мы находим документальные доказательства. [18]
Последовали и другие попытки стандартизации, такие как Великая хартия вольностей (1225 г.) для мер жидкостей, вплоть до Mètre des Archives во Франции и создания метрической системы .
Одним из первых устройств для измерения давления был барометр Меркурия, приписываемый Торричелли (1643 г.), [19] который измерял атмосферное давление с помощью Меркурия . Вскоре после этого были разработаны водонаполненные манометры . Все они будут иметь линейную калибровку с использованием гравиметрических принципов, где разница уровней будет пропорциональна давлению. Обычными единицами измерения будут удобные дюймы ртутного столба или воды.
В конструкции гидростатического манометра с прямым считыванием справа приложенное давление P a толкает жидкость вниз по правой стороне U-образной трубки манометра, в то время как шкала длины рядом с трубкой измеряет разницу уровней. Результирующая разница высот «H» является прямым измерением давления или вакуума по отношению к атмосферному давлению . В отсутствие перепада давления оба уровня будут равны, и это будет использоваться в качестве нулевой точки.
Промышленная революция привела к появлению устройств «косвенного» измерения давления, которые были более практичными, чем манометр. [20] 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 подверженным повреждениям. [21] Это стимулировало развитие инструментов непрямого чтения, ярким примером которых является трубка Бурдона, изобретенная Эженом Бурдоном .
На видах манометра Бурдона спереди и сзади справа давление, приложенное к нижнему фитингу, уменьшает изгиб сплющенной трубы пропорционально давлению. При этом перемещается свободный конец трубки, связанной с указателем. Прибор будет калиброваться по манометру, который будет калибровочным стандартом. При измерении косвенных величин давления на единицу площади неопределенность калибровки будет зависеть от плотности жидкости манометра и способа измерения разницы высот. Из этого можно было вывести и отметить на шкале другие единицы, такие как фунты на квадратный дюйм.
