Построение поверочных схем

Для правильной передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих СИ.

Поверочные схемы устанавливают соподчинение рабочих эталонов и рабочих СИ для обеспечения правильной передачи размеров единиц от эталона к рабочему СИ, которые применяются для измерений в конкретных условиях.

Сущность разделения СИ на рабочие эталоны и рабочие СИ заключается не в конструкции и не в точности, а в их назначении. Для рабочего эталона не так важна величина поправки к его показаниям — важна стабильность и воспроизводимость этих показаний. Рабочие эталоны нельзя применять в качестве рабочих СИ. Из рис. 6.11 следует, что, например, точность рабочего СИ высшей точности заведомо выше точности СИ для поверки рабочего СИ низшей точности. Однако какой бы точностью ни обладало рабочее СИ, оно не может применяться для поверки другого. Само же рабочее СИ должно поверяться СИ, имеющим большую точность.

Рис. 6.11. Схема передачи показаний от эталона к рабочему СИ

Поверочная схема — утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от государственного эталона размеров единиц рабочим средствам измерений. Поверочные схемы делят на государственные и локальные.

Государственные поверочные схемы регламентируются национальными стандартами и распространяются на все средства измерений данного вида. Во главе этой схемы находится государственный эталон, государственные поверочные схемы закладываются в основ}' национальных стандартов.

Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических служб государственных органов управления и юридических лиц. Все локальные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой. Локальные поверочные схемы распространяются на средства измерений, подлежащие поверке соответствующей метрологической службой.

Поверочные схемы состоят из чертежа и текстовой части. На чертеже указывают: наименование средств измерений, диапазоны значений физических величин, обозначения и значения погрешностей, наименования методов поверки. Текстовая часть состоит из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы.

Передачу размера единицы величины образно можно представить в виде одной из схем, приведенных на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Элементы графического изображения поверочных схем при передаче размера:

а — от эталона 1 к объекту 5 методом 3; б — от эталона 1 к объектам 5 и 6 методом 3; в — от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 или 4; г — от эталона 1 к объекту поверки 5 методом 3 и объекту 6 методом 4

Методы определения параметров поверочной схемы (число ступеней точности и соотношение погрешностей эталонного и поверяемого СИ) установлены в методике МИ 2230—92.

Однозначного ответа на вопрос, во сколько раз погрешность эталонного СИ должна быть меньше, чем допускаемая погрешность рабочего СИ, не существует.

Дело в том, что при выборе рабочих эталонов следует учитывать не только погрешности, но и достоверность определения погрешностей поверяемых и эталонных СИ. При этом математический аппарат теории вероятностей безоговорочно применять нельзя, так как здесь имеется как систематическая, так и случайная составляющая.

Требования к рабочим эталонам в некоторой степени противоречивы. С одной стороны, чем они точнее, тем больше уверенность в правильности поверки. С другой стороны, эти СИ более дорогие и требуют большей осторожности в обращении, стабильность их показаний ниже, чем рабочих СИ. Опыт показывает, что результаты поверки достаточно точны и достоверны, если эталонное СИ в 10 раз точнее поверяемого (т.е. для поверки рабочего СИ класса 1 требуется эталонное СИ класса 0,1).

Это относится к случаю поверки СИ, когда не требуется оценка поправки. Если же нужно определять поправки, то критерием выбора эталонного СИ является не точность поверяемого СИ, а точность определения поправки. Эта точность ограничена степенью постоянства показаний СИ и возможной точностью отсчета.

Например, у СИ класса 0,5 допускаемой погрешности шкала имеет 100 делений. Если вариация его показаний не превышает 0,1 деление (т.е. ±0,1%), то такому СИ можно дать поправки, при пользовании которыми погрешности не будут превышать ±0,1 деление (±0,1%). Другими словами, для поверки такого прибора следует использовать эталонные СИ с погрешностью ±0,01% (из соотношения 1:10). Если же вариация достигает 0,3 деления (±0,3%), то введение поправок теряет смысл и можно вести поверку СИ с погрешностью ±0,05%.

Поскольку чаще всего класс точности СИ определяется по приведенной погрешности, то важно, чтобы верхний предел измерения рабочего эталона был равен или несколько превосходил верхний предел поверяемого СИ.

Важно также знать, существуют ли поправки к показаниям рабочего эталона и вариации его показаний. Например, если к СИ класса 0,5 имеются поправки, а вариация его показаний не выходит за пределы, установленные для СИ класса 0,2, то этим СИ можно пользоваться как эталонным для поверки СИ класса 1. Таким образом, требуемая точность эталонных СИ определяется не соотношением классов, а соотношением действительных точностей поверяемого и эталонного СИ. Поэтому при выборе поверочной схемы подлежат расчету:

• — параметры метода нормирования погрешностей;
• — соотношения между погрешностями смежных СИ;
• — число ступеней поверочной схемы.

Число ступеней передачи размера единицы от эталона к данному образцовому СИ определяется номером разряда (см. рис. 6.11). Чем больше разрядов, тем с большей погрешностью передается единица к рабочему СИ. Вследствие этого число разрядов рабочих эталонов должно быть минимальным. При расчете числа разрядов исходят из соотношения, что если в разряде у имеем N эталонных СИ, то в разряде у + 1 количество их будет равно.

где 7}₊₁ — МПИ для СИ разряда у + 1; ^₊₁ — время поверки одного СИ разрядау + 1; — коэффициент использования СИ разряда у. Величина г|₇

вычисляется как.

где ?_с — чистое рабочее время в течение расчетного, например, времени суток ?_р = 24 ч; ?_пз — подготовительно-заключительное время; а_пр — относительный коэффициент, учитывающий время на профилактику, ремонт и поверку СИ разряда/.

Например, если в течение суток (?_р = 24 ч) СИ используется восемь часов (?_с = 8 ч), время ?_пз= 1 ч, а поверочные и ремонтно-профилактические воздействия занимают 10% (т.е. 0,1) рабочего времени, то а_пр= 1 — 0,1 = 0,9 и по формуле (6.2):

Переходя от эталона (/ = 0, ЛГ₀ = 1) к рабочим СИ, можно последовательно найти число эталонных СИ в каждом разряде и число Ы_т рабочих СИ, обеспеченных поверкой при т ступенях передачи разряда:

Расчет ведется методом последовательных приближений. Для 1-го разряда при7₀= 1 находят Если Л^⁰⁾ меньше подлежащего поверке числа рабочих СИ (Л^⁰⁾ < Ы_т), то увеличивают либо коэффициент использования г|, эталонных СИ (наращивают производительность поверочных операций), либо число разрядов. При новом числе разрядов снова вычисляют и т. д. до тех пор, пока не будет удовлетворяться условие Л/$) > М_гп. Тогда величина г есть искомое число ступеней поверочной схемы.

Если в поверочной схеме несколько ветвей (см. рис. 6.12) от ветви наивысшей до ветви низшей точности, то аналогичные расчеты проводятся для каждой ветви. Тем самым суммированием можно получить число эталонных СИ каждого разряда.

При проведении метрологической экспертизы полезно проанализировать метрологическую цепь: измеряемый параметр — необходимая погрешность его измерения — точность измерения по нормативному документу — возможная точность измерения существующими СИ — точность эталонного СИ. Анализ метрологической цепи, построенной на реальных СИ с учетом требований к точности измерений, позволяет оперативно на стадии разработки измерительного процесса оценить существующие возможности или сформулировать соответствующие требования.

Например, при диагностировании двигателя внутреннего сгорания измеряются с помощью многоканального СИ (мотор-тестера К-461) диагностические параметры: частота вращения коленчатого вала, разность мощности по цилиндрам, угол замкнутого состояния контактов прерывателя (УЗСК), угол опережения зажигания (УОЗ), вторичное (пробивное) напряжение на свече. Метрологическая цель по измерительным блокам приведена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Метрологическая цепь измерительных блоков мотор-тестера К-461.

Анализ рис. 6.13 свидетельствует, что существующие поверочные приборы (уровни V и VI) вполне достаточны для гарантии заданной точности функционирования двигателя по рассматриваемым параметрам (уровни I и II). В то же время наилучший отечественный прибор К-461 по своим МХ фактически не соответствует требованиям РД 50−473—84 (сравните уровни III и IV). Это выдвигает необходимость либо разработать более совершенное по МХ новое СИ взамен К-461, либо закупить соответствующее зарубежное оборудование.

Одной из действенных форм надзора за обеспечением единства измерений являются круговые сличения между поверочными органами близлежащих областных ЦСМ. При этом сравниваются погрешности измерений одной физической величины, полученные разными МС территориальных органов. Допускаемое значение расхождений А_р = К_л, где Д — допускаемая погрешность средств поверки; К — метрологический запас точности (обычно К ~ 1,2) поверочной схемы. Единство измерений считается обеспеченным, если х, < А_р, где х — Вг — М; В — результат, полученный в гй ЦСМ; М — средний результат по любым четырем ЦСМ.

Для ряда областей измерений и, в первую очередь, для физико-химических измерений чрезвычайно перспективным средством повышения эффективности поверочных работ является применение стандартных образцов (СО). Правила работы с СО устанавливает ГОСТ 8.315—97 «ГСП. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения». Согласно этому документу стандартный образец состава и свойств веществ и материалов — это СИ в виде вещества (материала), состав или свойства которого установлены аттестацией. Можно дать и другое определение: стандартный образец — образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала).

Стандартные образцы предназначены для обеспечения единства и требуемой точности измерений посредством:

• • градуировки, метрологической аттестации и поверки СИ;
• • метрологической аттестации методик выполнения измерений;
• • контроля показателей точности измерений;
• • измерения ФВ, характеризующих состав или свойства веществ материалов, методами сравнения.

По своему назначению СО исполняют роль мер, однако в отличие от «классических» мер, они имеют ряд особенностей. Например, образцы состава воспроизводят значения ФВ, характеризующих состав или свойства именно того материала (вещества), из которого они изготовлены. Стандартные образцы, как правило, не являются изделиями, они реализованы обычно в виде части или порции однородного вещества (материала), причем эта часть является полноценным носителем воспроизводимой единицы ФВ, а не ее части. Эта особенность образцов отражена в требованиях к их однородности по составу и свойствам. Однородность материала, из которого сделан образец, имеет принципиальное значение, в то время как для меры такая характеристика часто является второстепенной.

Стандартные образцы состава и свойств в отличие от мер характеризуются значительным влиянием неинформативных параметров (примесей, структуры материала и др.). При использовании СО очень часто необходимо учитывать функции влияния таких параметров.

В зависимости от сферы действия и области применения определяется уровень утверждения стандартных образцов. По этому признаку они делятся на государственные, отраслевые и стандартные образцы предприятий. Тем СО, которые включены в поверочные схемы, присваиваются разряды.

Стандартные образцы объединяются в типы. Тип — это классификационная группировка образцов, определяющими признаками которых являются одно и то же вещество, из которого они изготовлены, и единая документация, по которой они выполнены. Типы СО допускаются к применению при условии их утверждения и регистрации в соответствующем реестре. Для каждого типа СО при их аттестации устанавливается срок действия (не более 10 лет) и определяются метрологические характеристики, которые нормируются в документации на их разработку и выпуск. К ним относятся:

• • аттестованное значение — значение аттестационной характеристики образца, им воспроизводимое, установленное при его аттестации и приводимое в свидетельстве с указанием погрешности;
• • погрешность аттестованного значения — разность между аттестованным и истинным значениями величины, воспроизводимой той частью образца, которая используется при измерении;
• • характеристика однородности — характеристика свойства образца сохранять постоянство значения величины, воспроизводимой его различными частями, используемыми при измерениях;
• • характеристика стабильности — характеристика свойства образца сохранять значения метрологических характеристик в установленных пределах в течение указанного в свидетельстве срока годности при соблюдении заданных условий хранения и применения;
• • функции влияния — зависимость метрологических характеристик образца от изменения внешних влияющих величин в заданных условиях применения.

В целом организация поверочной деятельности в системе Ростехрегулирования осуществляется по схеме рис. 6.14.

При выполнении поверочных работ на территории отдельного региона с выездом на место эксплуатации СИ орган исполнительной власти этого региона обязан оказывать поверителям содействие, в том числе:

• • предоставлять им соответствующие помещения;
• • обеспечивать их вспомогательным персоналом и транспортом;
• • извещать всех владельцев и пользователей СИ о времени поверки.

Вопросы поверки СИ изложены подробно в ПР 50.2.006—94 ГСИ.

«Порядок проведения поверки средств измерений», МИ 1837—93 ГСИ «Типовое положение о контрольно-поверочном пункте территориального органа Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии», МИ 3290—2010 ГСИ «Документация поверочных лабораторий»,.

НР 50.2.007—94 ГСИ «Поверительные клейма», ПР 50.2.012—94 ГСИ «Порядок аттестации поверителей средств измерений», МИ 2273—93 ГСИ «Области использования средств измерений, подлежащих поверке», МИ 2322—99 ГСИ «Типовые нормы времени на поверку средств измерений».

Рис. 6.14. Организация поверочной деятельности:

 — прямые административные связи;  — косвенные административные связи;  — передача размера величины.