Метрологічні ланцюги
Передавання розмірів одиниць вимірювань (одиниць фізичних величин) робочим ЗВТ - важлива і відповідальна функція, направлена на забезпечення єдності вимірювань у країні. Засоби, методи і точність передавання розмірів одиниць вимірювань від еталона до зразкових і робочих ЗВТ установлюється повірочною схемою.
Для кожної фізичної величини (для кожного параметра об’єкта вимірювань) може встановлюватися метрологічний ланцюг (рис. 1), який являє собою повірочну схему, доповнену зв’язками між вимірюваною фізичною величиною (параметром об’єкта вимірювань) і відповідним державним еталоном.
У метрологічному ланцюзі виділяють метрологічні зв’язки і метрологічні ланки.
Метрологічний зв’язок - це умовна лінія метрологічного ланцюга, яка зв’язує вимірювану фізичну величину (параметр) з відповідним ЗВТ.
Метрологічна ланка - сукупність вимірюваної величини і засобу (засобів) вимірювальної техніки, за допомогою якого (яких) вимірюється (контролюється) фізична величина (параметр).
Побудова метрологічної ланки супроводжується оцінкою дотримання умов точності передавання розміру одиниці вимірювань фізичної величини. Для цього використовуються коефіцієнти точності, які являють собою відношення допуску на параметр до найбільшого допустимого значення похибки вимірювання.
Рис.1 - Структурна схема метрологічного ланцюга
Повірочна схема регламентує методи, засоби, точність вимірювань і підпорядкування ЗВТ при передаванні розмірів однієї або декількох взаємозв’язаних одиниць вимірювань фізичних величин від еталонів робочим ЗВТ, а саме: від первинних еталонів - робочим, від робочих еталонів - зразковим ЗВТ, а від них - робочим ЗВТ. Передавання розміру одиниць через кожний ступінь повірочної схеми супроводжується якоюсь втратою точності, проте багатосхідчастість дозволяє зберігати еталони і одночасно передавати розмір одиниці вимірювань усім робочим ЗВТ.
Розробка повірочної схеми передбачає науково-технічні обґрунтування оптимальної структури, необхідного числа ступенів передавання, видів вторинних еталонів (якщо вони використовуються), розрядів зразкових ЗВТ і методів передавання розміру одиниці вимірювань фізичної величини та оптимального співвідношення похибок ЗВТ суміжних ступенів повірочної схеми.
Повірочні схеми ЗВТ розділяють на державні, відомчі і локальні.
- Державна повірочна схема поширюється на всі ЗВТ даної фізичної величини, які використовуються в країні.
- Відомчі повірочні схеми діють у рамках міністерства (відомства)
- Локальні повірочні схеми - в даному (конкретному) метрологічному органі (на підприємстві, в організації).
Вершиною повірочних схем є еталони, правила створення, зберігання і застосування яких установлюються державними стандартами.
Еталони можуть об’єднуватися в групи і створювати груповий еталон, що дозволяє зменшити його випадкову складову похибки за рахунок статистичної обробки їх вихідних величин за аналогією з багаторазовими вимірюваннями.
Робочі еталони поступаються точністю еталонам і затверджуються державною або відомчою метрологічною службою для повірки інших робочих еталонів і робочих ЗВТ. Відповідно до повірочних схем робочі еталони залежно від їхньої похибки (класу точності) поділяють на розряди, кількість яких установлюється різною для різних видів вимірювань. Присудження розряду робочим еталонам проводиться за результатами їх метрологічної атестації органом Держспоживстандарту.
Повірочні схеми для електрорадіотехнічних величин мають здебільшого два розряди робочих еталонів. Робочі ЗВТ, які відзначаються високою точністю, можуть атестуватися на певний час як робочі еталоні. Після закінчення цього терміну робочі еталони, які не пройшли чергової атестації, списуються.
Між розрядами робочих еталонів існує метрологічне підпорядкування: найбільш точні належать до 1-го розряду і перевіряються по еталонах, як правило, вторинних. Похибки робочих еталонів 2-го і подальших розрядів зростають, а повіряються вони по робочим еталонам попередніх розрядів (робочі еталони 2-го розряду - по робочими еталонами 1-го розряду і т.д.).
Робочі еталони у даному метрологічному органі за призначенням поділяють на вихідні і підпорядковані. До вихідних робочих еталонів належать ті з них, які забезпечують передавання розміру одиниці вимірювань з найвищою точністю в цьому підрозділі. Підпорядковані робочі еталони служать для передавання розміру одиниці вимірювань від вихідних робочих еталонів до робочих ЗВТ або безпосередньо, або через інші робочі еталони.
Робочі еталони застосовують в органах державної і відомчої метрологічних служб, яким в установленому порядку надано право повірки певної номенклатури ЗВТ.
Через велику роль робочих еталонів, яка надається їм у системі забезпечення єдності вимірювань у країні, забороняється їх використовувати для технічних вимірювань. Вони підлягають ретельному зберіганню в установлених і суворо дотримуваних умовах; періодичність їх повірки вибирають такою, щоб гарантовано забезпечувались точність і вірогідність результатів вимірювань. Застосовувати зразкові ЗВТ як робочі дозволяється тільки в надзвичайних випадках і з дозволу органів метрологічної служби.
Оскільки робочі еталони експлуатуються приблизно в однакових (нормальних) умовах, то для них установлюються єдині міжповірочні інтервали в масштабах усієї країни. Умови експлуатації робочих ЗВТ неоднакові, а тому міжповірочні інтервали для них можуть варіюватися за рішенням органів державної або відомчої метрологічних служб. При цьому дозволяється корегування міжповірочних інтервалів за результатами періодичних повірок.
Повірочні схеми мають багатосхідчастий характер (не менше двох ступенів). Головною вимогою до повірочних схем є співвідношення похибок при переході від одного ступеня до іншого, включаючи похибку передавання розміру одиниці вимірювань між суміжними ступенями. Точність більш високого ступеня повірочної схеми встановлюється звичайно в 3...5 разів вищою за точність наступного ступеня. Таке ж співвідношення має бути між тим ЗВТ, що повіряється, і найближчим до нього робочим еталоном.
Мета, завдання і зміст метрологічного забезпечення технічних об’єктів:
- досягнення високої якості і потрібної ефективності застосування ТО;
- підтримання технічних та експлуатаційних властивостей ТО, забезпечення високої ефективності робіт з технічного обслуговування та ремонту ТО;
- постійне підвищення ефективності науково-дослідних, дослідно-конструкторських робіт, виробництва та випробування ТО.
Метрологічне забезпечення ТО (пристроїв, приладів, агрегатів, систем, комплексів) на етапах їх життєвого циклу (розробка, виробництво, випробування, експлуатація та ремонт) вирішує низку загальних специфічних завдань.
Загальним завданням метрологічного забезпечення ТО є розробка і розвиток його наукових, технічних, нормативних та організаційних основ. Серед найважливіших конкретних завдань метрологічного забезпечення ТО слід виділити:
- цільове програмне планування метрологічного забезпечення ТО, пов’язане з розвитком науки і техніки, національної економіки;
- створення, збереження та вдосконалення еталонів і вихідних ЗВТ, стандартних зразків речовин і матеріалів;
- розробка та впровадження ефективних методів і засобів передавання розмірів одиниць вимірювань фізичних величин робочим ЗВТ, які застосовують під час контролю параметрів ТО;
- розробка, виробництво та забезпечення підприємств, організацій і установ робочими ЗВТ, які необхідні для розробки, виробництва, випробувань, експлуатації та ремонту ТО;
- обґрунтування вимог до метрологічного забезпечення ТО, що розроблюються або модернізуються, та контроль за їх виконанням;
- установлення вимог до ЗВТ, які застосовують під час створення й експлуатації ТО та до нормування їхніх метрологічних і експлуатаційних характеристик;
- розробка методик вибору й обґрунтування ЗВТ, які використовуються під час розробки, виробництва, випробувань, експлуатації та ремонту ТО;
- стандартизація, уніфікація та сертифікація ЗВТ;
- установлення оптимальних рядів ЗВТ і стандартних зразків властивостей та складу речовин і матеріалів;
- проведення державних випробувань, метрологічної атестації, повірки і калібрування ЗВТ, а також метрологічної атестації методик виконання вимірювань;
- метрологічне обслуговування ТО;
- здійснення метрологічного контролю і нагляду за станом метрологічного забезпечення ТО;
- проведення метрологічної експертизи і метрологічного супроводження розробки та експлуатації ТО;
- розробка методик аналізу й оцінки рівня стану метрологічного забезпечення ТО та їх проведення;
- розробка і впровадження нормативних документів щодо забезпечення єдності вимірювань, у тому числі й метрологічного забезпечення ТО;
- нагляд за станом ЗВТ, за дотриманням термінів їх повірки і ремонту;
- нагляд за правильним застосуванням ЗВТ при технічному обслуговуванні ТО в процесі їх експлуатації;
- розробка при необхідності методів і методик повірки ЗВТ, умонтованих у технічні об’єкти;
- заміна морально застарілих ЗВТ новими типами ЗВТ, які випускаються промисловістю.
Ефективна організація метрологічного забезпечення на всіх етапах створення і експлуатації ТО, особливо тих, що відрізняються конструктивною складністю і важливістю вирішуваних завдань, є найзначнішою умовою досягнення високих показників якості (в тому числі надійності) цих об’єктів. Недооцінка метрологічного забезпечення ТО, де б вона не допускалась, призводить до зниження якості об’єктів, зростання експлуатаційних витрат, порушення правил їх експлуатації і навіть до аварійних ситуацій.
З метою підвищення якості метрологічного забезпечення ТО і потрібної точності вимірювань їх параметрів, правильного і раціонального вибору методів вимірювань та контролю ЗВТ проводиться метрологічна експертиза.
Під метрологічною експертизою розуміють поглиблений (експертний) контроль і оцінку правильності прийнятих рішень з метрологічного забезпечення технічних об’єктів при їх проектуванні, виробництві, випробуваннях і експлуатації.
Основним змістом метрологічної експертизи є оцінка єдності та вірогідності вимірювань і контролю параметрів технічних об’єктів.
Метрологічне забезпечення ТО має законодавчі, наукові, нормативні, технічні та організаційні основи.
Приклад :
Вибір та обґрунтування похибок методів та засобів локальної
повірочної схеми
Повірка штангенінструмента здійснюється методом прямих вимірювань, похибка якої складає δ' = 0,3 мкм. Повірку штангенінструмента виконують за допомогою плоскопаралельних кінцевих мір довжини 0,1 – 1000 мм, яки відносяться до робочих еталонів 4-го розряду, похибка яких складає
δ = (0,2 +2 L), мкм,
де довжина L – величина виражена в метрах.
В свою чергу повірку плоскопаралельних кінцевих мір довжини 4-го розряду, здійснюють за допомогою робочих еталонів 3-го розряду і також за допомогою методу прямих вимірювань. Похибка методу δ' = 0,15 мкм, а похибка плоскопаралельних кінцевих мір довжини 0,1 – 1000 мм, яка залежить від довжини міри, складає
δ = (0,1 +1 L), мкм.
Повірку плоскопаралельних кінцевих мір довжини 3 - го розряду здійснюють зрівняннм за допомогою компаратора плоскопаралельними кінцевими мірами довжини 2 - го розряду. Похибка цього методу складає δ' = 0,05 мкм, а похибка кінцевих мір довжиною від 0,1 мм до 1000 мм
δ = (0,05 + 0,5L) мкм.
Повірку плоскопаралельних кінцевих мір довжини 2 - го розряду також здійснюють методом зрівняння за допомогою компаратора плоскопаралельними кінцевими мірами довжини 1 - го розряду. Похибка методу складає δ' = 0,02 мкм, а похибка кінцевих мір довжиною від 0,1 мм до 1000 мм
δ = (0,02 + 0,2L) мкм.
Повірку плоскопаралельних кінцевих мір довжини 1 - го розряду здійснюють методом прямих вимірювань, похибка якого складає δ = 0,01мкм, за допомогою інтерференційної установки для перевірки ПКМД довжиною від 0,1 мм до 100 мм. Похибка інтерференційної установки S∑δ = 1• 10-7 мкм.