В измерительной технике и метрологии калибровка — это сравнение значений измерений, полученных от тестируемого устройства, с калибровочным эталоном известной точности. Таким эталоном может быть другой измерительный прибор известной точности, прибор, генерирующий измеряемую величину, например, напряжение , звуковой тон или физический артефакт, например, измерительная линейка.
Результатом сравнения может быть одно из следующих значений:
Строго говоря, термин «калибровка» означает только процесс сравнения и не включает в себя какую-либо последующую корректировку.
Стандарт калибровки обычно прослеживается до национального или международного стандарта, поддерживаемого метрологическим органом.
Формальное определение калибровки, данное Международным бюро мер и весов (МБМВ), следующее: «Операция, которая при заданных условиях на первом этапе устанавливает связь между значениями величин с неопределенностями измерений, предоставляемыми эталонами измерений, и соответствующими показаниями с соответствующими неопределенностями измерений (калиброванного прибора или вторичного эталона), а на втором этапе использует эту информацию для установления связи для получения результата измерения из показания». [1]
В этом определении говорится, что процесс калибровки представляет собой исключительно сравнение, но вводится понятие неопределенности измерений при сопоставлении точности тестируемого устройства и эталона.
Растущая потребность в известной точности и неопределенности, а также потребность в последовательных и сопоставимых стандартах на международном уровне привели к созданию национальных лабораторий. Во многих странах будет существовать Национальный метрологический институт (НМИ), который будет поддерживать первичные эталоны измерений (основные единицы СИ плюс ряд производных единиц), которые будут использоваться для обеспечения прослеживаемости к приборам заказчика путем калибровки.
NMI поддерживает метрологическую инфраструктуру в этой стране (а часто и в других), создавая непрерывную цепочку от высшего уровня стандартов до инструмента, используемого для измерения. Примерами национальных метрологических институтов являются NPL в Великобритании , NIST в США , PTB в Германии и многие другие. После подписания Соглашения о взаимном признании теперь стало просто получить прослеживаемость от любого участвующего NMI, и компании больше не нужно получать прослеживаемость для измерений от NMI страны, в которой она находится, например, от Национальной физической лаборатории в Великобритании.
Для повышения качества калибровки и принятия результатов внешними организациями желательно, чтобы калибровка и последующие измерения были «прослеживаемыми» к единицам измерения, определенным на международном уровне. Установление прослеживаемости осуществляется путем формального сравнения со стандартом , который напрямую или косвенно связан с национальными стандартами (например, NIST в США), международными стандартами или сертифицированными эталонными материалами . Это может быть сделано национальными лабораториями стандартов, управляемыми правительством, или частными фирмами, предлагающими метрологические услуги.
Системы управления качеством требуют эффективной метрологической системы, которая включает формальную, периодическую и документированную калибровку всех измерительных приборов. Стандарты ISO 9000 [2] и ISO 17025 [3] требуют, чтобы эти прослеживаемые действия были на высоком уровне, и устанавливают, как их можно количественно оценить.
Для сообщения о качестве калибровки калибровочное значение часто сопровождается прослеживаемым заявлением о неопределенности до указанного уровня достоверности. Это оценивается посредством тщательного анализа неопределенности. Иногда требуется DFS (отклонение от спецификации) для эксплуатации оборудования в ухудшенном состоянии. Всякий раз, когда это происходит, это должно быть в письменной форме и одобрено менеджером с технической помощью специалиста по калибровке.
Измерительные приборы и инструменты классифицируются в соответствии с физическими величинами, для измерения которых они предназначены. Они различаются на международном уровне, 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 ( радиочастотные зонды ), звук ( шумомер или дозиметр шума ), время и частоту ( интервалометр ), ионизирующее излучение ( счетчик Гейгера ), свет ( люксметр ), механические величины ( концевой выключатель , манометр , реле давления ) и термодинамические или тепловые свойства ( термометр , регулятор температуры ). Стандартный прибор для каждого испытательного устройства различается соответственно, например, грузопоршневой тестер для калибровки манометра и сухоблочный температурный тестер для калибровки термометра.
Калибровка может потребоваться по следующим причинам:
В общем случае калибровка часто рассматривается как процесс настройки выходных данных или показаний измерительного прибора для согласования со значением применяемого стандарта в пределах заданной точности. Например, термометр может быть откалиброван так, чтобы была определена погрешность показаний или коррекция, и настроен (например, с помощью калибровочных констант) так, чтобы он показывал истинную температуру по Цельсию в определенных точках шкалы. Это восприятие конечного пользователя прибора. Однако очень немногие приборы можно настроить так, чтобы они точно соответствовали стандартам, с которыми они сравниваются. Для подавляющего большинства калибровок процесс калибровки на самом деле представляет собой сравнение неизвестного с известным и запись результатов.
Процесс калибровки начинается с проектирования измерительного прибора, который необходимо откалибровать. Конструкция должна быть способна «держать калибровку» в течение своего интервала калибровки. Другими словами, конструкция должна быть способна выполнять измерения, которые находятся «в пределах инженерного допуска » при использовании в указанных условиях окружающей среды в течение некоторого разумного периода времени. [6] Наличие конструкции с этими характеристиками увеличивает вероятность того, что фактические измерительные приборы будут работать так, как ожидалось. По сути, цель калибровки заключается в поддержании качества измерений, а также в обеспечении надлежащей работы конкретного прибора.
Точный механизм назначения значений допуска различается в зависимости от страны и типа отрасли. Измерительное оборудование — это производитель, который обычно назначает допуск измерения, предлагает интервал калибровки (CI) и указывает диапазон окружающей среды 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 рекомендаций по рекомендуемым значениям CI: [7]
Следующий шаг — определение процесса калибровки. Выбор стандарта или стандартов — наиболее заметная часть процесса калибровки. В идеале стандарт должен иметь менее 1/4 неопределенности измерения калибруемого устройства. Когда эта цель достигнута, накопленная неопределенность измерения всех задействованных стандартов считается незначительной, когда окончательное измерение также выполняется с соотношением 4:1. [10] Это соотношение, вероятно, впервые было формализовано в Справочнике 52, который сопровождал MIL-STD-45662A, раннюю спецификацию метрологической программы Министерства обороны США. Оно составляло 10:1 с момента его создания в 1950-х годах до 1970-х годов, когда развитие технологий сделало 10:1 невозможным для большинства электронных измерений. [11]
Поддержание коэффициента точности 4:1 с современным оборудованием является сложной задачей. Калибруемое испытательное оборудование может быть столь же точным, как и рабочий стандарт. [10] Если коэффициент точности меньше 4:1, то допуск калибровки может быть уменьшен для компенсации. Когда достигается 1:1, только точное совпадение между стандартом и калибруемым устройством является полностью правильной калибровкой. Другим распространенным методом решения этой проблемы несоответствия возможностей является снижение точности калибруемого устройства.
Например, датчик с заявленной производителем точностью 3% можно изменить на 4%, чтобы стандарт точности 1% можно было использовать при соотношении 4:1. Если датчик используется в приложении, требующем точности 16%, то снижение точности датчика до 4% не повлияет на точность конечных измерений. Это называется ограниченной калибровкой. Но если для конечного измерения требуется точность 10%, то датчик с точностью 3% никогда не сможет быть лучше, чем 3,3:1. Тогда, возможно, лучшим решением будет корректировка допуска калибровки для датчика. Если калибровка выполняется при 100 единицах, стандарт с точностью 1% фактически будет находиться где-то между 99 и 101 единицей. Допустимые значения калибровок, где испытательное оборудование находится в соотношении 4:1, будут составлять от 96 до 104 единиц включительно. Изменение допустимого диапазона до 97–103 единиц устранит потенциальный вклад всех стандартов и сохранит соотношение 3,3:1. Продолжая, дальнейшее изменение приемлемого диапазона до 98–102 восстанавливает конечное соотношение более 4:1.
Это упрощенный пример. Математику примера можно оспорить. Важно, чтобы любое мышление, направлявшее этот процесс в реальной калибровке, было записано и доступно. Неформальность способствует стекам допусков и другим трудно диагностируемым проблемам после калибровки.
Также в приведенном выше примере, в идеале значение калибровки в 100 единиц будет наилучшей точкой в диапазоне датчика для выполнения одноточечной калибровки. Это может быть рекомендация производителя или это может быть способом, которым уже калибруются подобные устройства. 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, которые будут использоваться во время калибровки, должны быть записаны.
Могут быть особые методы соединения между стандартом и калибруемым устройством, которые могут влиять на калибровку. Например, в электронных калибровках, включающих аналоговые явления, импеданс кабельных соединений может напрямую влиять на результат.
Методы калибровки современных устройств могут быть ручными или автоматическими.
Например, ручной процесс может быть использован для калибровки манометра. Процедура требует нескольких шагов [12] , чтобы подключить испытываемый манометр к эталонному эталонному манометру и регулируемому источнику давления, чтобы подать давление жидкости как на эталонный, так и на испытательный манометры в определенных точках по всему диапазону манометра и сравнить показания двух. Испытуемый манометр может быть отрегулирован, чтобы гарантировать, что его нулевая точка и реакция на давление соответствуют как можно более близко к предполагаемой точности. Каждый шаг процесса требует ручного ведения записей.
Автоматический калибратор давления [13] представляет собой устройство, которое объединяет электронный блок управления, усилитель давления, используемый для сжатия газа, такого как азот , датчик давления, используемый для определения желаемых уровней в гидравлическом аккумуляторе , и такие принадлежности, как ловушки для жидкости и измерительные фитинги . Автоматическая система может также включать средства сбора данных для автоматизации сбора данных для ведения учета.
Вся информация, указанная выше, собирается в процедуре калибровки, которая является определенным методом испытаний . Эти процедуры охватывают все шаги, необходимые для выполнения успешной калибровки. Производитель может предоставить один, или организация может подготовить один, который также охватывает все другие требования организации. Существуют клиринговые центры для процедур калибровки, такие как Программа обмена данными между правительством и промышленностью (GIDEP) в Соединенных Штатах.
Этот точный процесс повторяется для каждого из используемых стандартов до тех пор, пока не будут достигнуты стандарты переноса, сертифицированные референтные материалы и/или естественные физические константы, стандарты измерений с наименьшей неопределенностью в лаборатории. Это устанавливает прослеживаемость калибровки .
Информацию о других факторах, которые учитываются при разработке процесса калибровки, см . в разделе «Метрология» .
После всего этого отдельные приборы определенного типа, обсуждаемые выше, наконец могут быть откалиброваны. Процесс обычно начинается с базовой проверки повреждений. Некоторые организации, такие как атомные электростанции, собирают данные калибровки "как найдено" до проведения любого планового обслуживания . После того, как плановое обслуживание и недостатки, обнаруженные во время калибровки, устранены, выполняется калибровка "как осталось".
Чаще всего весь процесс доверяется специалисту по калибровке, который подписывает сертификат калибровки, документирующий успешное завершение калибровки. Базовый процесс, описанный выше, является сложной и дорогостоящей задачей. Стоимость поддержки обычного оборудования обычно составляет около 10% от первоначальной цены покупки в год, как общепринятое эмпирическое правило . Экзотические устройства, такие как сканирующие электронные микроскопы , системы газового хроматографа и лазерные интерферометры , могут быть еще более дорогими в обслуживании.
Устройство «единого измерения», используемое в базовом описании процесса калибровки выше, существует. Но, в зависимости от организации, большинство устройств, которым требуется калибровка, 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, насколько всеобъемлющая калибровка может быть автоматизирована.
Для предотвращения несанкционированного доступа к прибору после калибровки обычно накладываются пломбы, защищающие от несанкционированного доступа. На рисунке стойки осциллографа они показаны и доказывают, что прибор не снимался с момента последней калибровки, поскольку они могут несанкционированно проникнуть в регулировочные элементы прибора. Также имеются этикетки с указанием даты последней калибровки и интервала калибровки, определяющего необходимость следующей. Некоторые организации также присваивают каждому прибору уникальную идентификацию для стандартизации ведения записей и отслеживания принадлежностей, которые являются неотъемлемой частью определенного условия калибровки.
Когда калибруемые приборы интегрированы с компьютерами, интегрированные компьютерные программы и любые корректировки калибровки также находятся под контролем.
Слова «калибровать» и «калибровка» вошли в английский язык совсем недавно, во время Гражданской войны в США [14] , в описаниях артиллерии , и, как полагают, произошли от измерения калибра орудия.
Некоторые из самых ранних известных систем измерения и калибровки, по-видимому, были созданы между древними цивилизациями Египта , Месопотамии и долины Инда , при этом раскопки выявили использование угловых градаций для строительства. [15] Термин «калибровка», вероятно, был впервые связан с точным делением линейных расстояний и углов с использованием делительной машины и измерением гравитационной массы с использованием весов . Эти две формы измерения в отдельности и их прямые производные поддерживали почти всю торговлю и развитие технологий от самых ранних цивилизаций до примерно 1800 года нашей эры. [16]
Ранние измерительные приборы были прямыми , то есть имели те же единицы, что и измеряемая величина. Примерами служат длина с использованием линейки и масса с использованием весов. В начале двенадцатого века, во время правления Генриха I (1100-1135), было установлено, что ярд — это «расстояние от кончика носа короля до конца его вытянутого большого пальца». [17] Однако только во время правления Ричарда I (1197) мы находим документальные свидетельства. [18]
Затем последовали другие попытки стандартизации, такие как Великая хартия вольностей (1225 г.) для мер жидкостей, вплоть до создания Mètre des Archives во Франции и создания метрической системы .
Одним из первых приборов для измерения давления был ртутный барометр, изобретение которого приписывают Торричелли (1643), [19], который измерял атмосферное давление с помощью ртути . Вскоре после этого были разработаны манометры, заполненные водой . Все они имели линейную калибровку с использованием гравиметрических принципов, где разница в уровнях была пропорциональна давлению. Обычными единицами измерения были удобные дюймы ртутного столба или воды.
В конструкции гидростатического манометра прямого считывания 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. Полученная разница высот «H» является прямым измерением давления или вакуума по отношению к атмосферному давлению . При отсутствии перепада давления оба уровня были бы равны, и это использовалось бы в качестве нулевой точки.
Промышленная революция привела к принятию «косвенных» приборов для измерения давления, которые были более практичны, чем манометры. [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 приборов для косвенного считывания показаний, ярким примером которых является трубка Бурдона , изобретенная Эженом Бурдоном .
На переднем и заднем видах манометра Бурдона справа приложенное давление на нижнем фитинге уменьшает завиток на сплющенной трубке пропорционально давлению. Это перемещает свободный конец трубки, который связан с указателем. Прибор будет откалиброван по манометру, который будет калибровочным стандартом. Для измерения косвенных величин давления на единицу площади неопределенность калибровки будет зависеть от плотности жидкости манометра и средств измерения разницы высот. Из этого можно вывести и отметить на шкале другие единицы, такие как фунты на квадратный дюйм.
