 |
Какую категорию эталона необходимо использовать для проведения калибровки?
|
|
|
|
Характеристики измерительного эталона должны быть совместимы как с калибруемым инструментом, так и с действующими дополнительно системами. Нет необходимости использовать эталон, который в некотором отношении боле фундаментален, чем ‘контрольный’ прибор, но он должен работать и сам быть прокалиброван по крайней мере в исследуемом диапазоне давления и иметь в достаточной мере небольшую неопределенность. ‘Достаточно небольшую’ в смысле конкретного применения.
Ранее придерживались мнения, что точность измерительного эталона,по которому проводится калибровка, должна быть приблизительно в десять раз лучше ожидаемой точности калибруемого прибора. Как практический метод или в качестве приближенного подсчета это было очень полезно для гарантии того, что неопределенность измерений последовательно произведенных прибором, вследствие недостатков эталона значительно не ухудшается. Это было метрологически избыточным принципом, хотя экономические доводы уменьшили этот коэффициент до четырех - тем не менее и он является достаточным.
Сегодня считают, что вне зависимости от того, что является главным в общем бюджете неопределенности после учета всех величин, влияющих на измерение, и при условии, что возможно относительно плохое значение, нет оснований считать, что эталон не должен иметь неопределенность большую, чем потенциально более низкая неопределенность калибруемого прибора. Тем не менее такая ситуация может быть приемлемой, например,если измерительный прибор ненужно высокого метрологического калибра используется для того, чтобы произвести измерения более низкого калибра.
Существует много терминов, используемых для описания иерархической связи между измерительными эталонами. Определения национального, первичного, вторичного, образцового, передаточного и рабочих эталонов можно найти в глоссарии терминов в разделе 3.4. Хотя на практике определения делятся на две четко определенные группы, с первичным и национальным эталонами в одной группе и остальными, включая местно употребляемые термины, такие как ‘основной’ эталон, в другой группе.
|
|
|
Первичный эталон- это эталон, “общепризнанный и определенный, как имеющий наивысшие метрологические качества, значение которого принимается без ссылки на другие стандарты этой же величины”. Национальный эталон – это эталон, “ государственным решением признанный служить в качестве основы для определения значений других эталонов….”. Поэтому первичные эталоны обычно находятся в государственных лабораториях измерений, но обратное не всегда справедливо - некоторые государственные лаборатории не имеют своих собственных первичных эталонов, а скорее приборы, которые являются трассируемыми по отношению к эталонам других стран.
Некоторые приборы, такие, как приборы баланса давления и жидкостные манометры или барометры, часто неверно считаются ‘первичными’ только потому, что их принцип работы является фундаментальным. Принципы могут быть непосредственно связаны с площадью и силой; или плотностью, гравитацией и длиной столбика, и действительно, простые приборы могут использоваться в государственных лабораториях измерений. Но если эти приборы не “ обозначены как имеющие наивысшие метрологические качества…”, они не являются первичными эталонами.
Другие обозначения, такие, как вторичный, образцовый или рабочий эталоны, используются в калибровочных иерархиях; передаточные эталоны используются кака средства сравнения разных эталонов. Существует много локально используемых вариантов, таких как, основной эталон, и как показано на рисунке 7-1, некоторые иерархии имеют много уровней, а некоторые имеют только два. Структура иерархии эталонов будет зависеть от множества факторов, включая диапазон, тип и частоту измерений, которые необходимо произвести на самом низком иерархическом уровне. Заметьте, что в некоторых случаях приборы на нижнем уровне иерархии можно калибровать непосредственно по первичному эталону, не принимая во внимание все промежуточные эталоны. Однако, это имеет смысл только там, где метрологический калибр прибора достаточно высок, чтобы извлечь пользу из такого прямого пути. Заметьте также, что в некоторых калибровочных иерархиях на различных уровнях применяется оборудование, имеющее похожую конструкцию.
|
|
|
7.6. Сколько существует способов получения трассируемых калибровок?
Фактически существует четыре способа: посредством лаборатории, аккредитованной UKAS (или по эквивалентной схеме аккредитации за рубежом), посредством неаккредитованной лаборатории, внутриведомственной калибровкой, или непосредственно из государственной лаборатории. Формально наглядно продемонстрировать трассируемость все-таки непросто, перечень оборудования, условий окружающей среды, методик, обучающего персонала и т.д. длинный, а потому самый легкий путь- использовать калибровочные услуги UKAS – аккредитованной лаборатории. Однако, независимо от того, какой путь выбран, калибровки будут обеспечивать трассируемость только в том случае, если результаты связаны с установленными образцами, обычно с государственным или международным эталонами, посредством непрерывной цепи сравнений, каждое из которых имеет установленную неопределенность.
UKAS - государственная организация Великобритании, работающая по лицензии правительства и проводящая оценку лабораторий по международно признанным критериям. Наличие логотипа NAMAS, санкционированного UKAS, на сертификате калибровки является гарантией того, что работа выполнена в соответствии с конкретной частной задачей, что лаборатория была строго оценена независимыми экспертами, что затем были проведены установленные процедуры, и что выполненные измерения являются трассируемыми по национальным эталонам. Лаборатории, аккредитованные UKAS, составляют неотъемлемую часть национальной системы измерений Великобритании.
|
|
|
Существует много неаккредитованных лабораторий, выполняющих калибровку, и некоторые из них предоставляют услуги с хорошей репутацией. Однако, если необходимо формально доказать трассируемость калибровки (смотрите раздел 7.12.1), придется произвести детальную проверку оборудования, окружающей среды, методик, подготовки персонала и т.д. - процесс, требующий много времени и материальных затрат.
Третий способ - проведение внутриведомственной калибровки, но опять, если целью является формальная трассируемость, то этот процесс может быть непростым.
Четвертая возможность - калибровка прибора непосредственно с помощью национальной лаборатории - в определенных условиях может быть подходящей.
7.7. Что необходимо для проведения калибровки?
Это в большой степени зависит от спектра давления и типа ‘теста’, но, как правило, в этот список входит следующее:
- Подходящая окружающая среда
- Подходящий эталон измерения
- Средства соединения эталона к проверяемому прибору
- Метод генерации и регулирования давления
- Система записи измерений (в том числе и вспомогательных параметров, таких, как температура)
- Методика расчета результатов измерений
- Заранее выработанная методика проведения калибровки
- Соответствующим образом подготовленный персонал
Окружающая среда Окружающая среда обычно должна быть устойчивой, с минимальной вибрацией, наклоном и постоянной температурой. Это облегчает процесс количественного определения характеристик прибора, хотя результаты не должны обязательно быть характерными для тех, которые могли быть получены в менее стабильной окружающей среде. После калибровки прибора в хороших ‘лабораторных’ условиях необходимо допустить возможность возникновения любых худших условий эксплуатации. Другой возможностью является калибровка прибора в более реальных условиях - возможно, большая амплитуда флуктуаций температуры, но если методика проведения не является точной и скрупулезной в этом плане, то смоделировать должным образом все воздействия плохой окружающей среды в надлежащем сочетании практически невозможно. Также маловероятно, что эталон, используемый для калибровки, сам оценивался в таких же условиях, а потому расчитанные неопределенности измерений не будут с легкостью применимы. Таким образом, более распространенной является калибровка в ‘хороших ’ условиях и применение отдельно определенных поправок, учитывающих ухудшение внешних условий эксплуатации.
|
|
|
Эталон измерения Почти любой прибор измерения давления может использоваться в качестве эталона при условии, что его характеристики соответствуют типу требуемых измерений и связанные с ним неопределенности измерений достаточно малы для данной конкретной цели. (смотрите раздел 7.5)
Подсоединение Калибровка большинства приборов проводится путем соединения их портов давления с эталоном давления посредством подходящих трубы или, возможно, коллектора, но это не всегда так.
Некоторые приборы являются приборами полного погружения, и их приходится калибровать внутри камеры давления, где давление измеряется с помощью эталона, который либо тоже находится внутри камеры, либо соединен с ней посредством трубы. Примерами таких приборов являются стационарные барометры Фортина и Кюи, при их калибровке необходимы механические соединения через стенки камеры, для того чтобы иметь возможность установить барометры, а кроме того необходимы иллюминаторы для визуального снятия показаний. Число электронных трансдьюсеров давления равно числу приборов полного погружения.
Вакуумные приборы, как правило, нельзя калибровать, подсоединив их к эталону при помощи трубы, но вместо этого в силу некоторых причин их нужно подсоединять посредством сравнительно большой камеры. Большинство вакуумных приборов не измеряют непосредественно само давление, а реагируют на плотность газа, которую можно определить, например, по тепловым свойствам или ионизации молекул газа. В этих случаях показания прибора будут зависеть не только от давления, но и от состава газа. Некоторые приборы значительно нарушают давление, температуру и однородность смеси газов, и очень важно минимизировать эти эффекты. К тому же тестируемый газ должен быть преобладающим компонентом в смеси. Для этого требуется, чтобы отношение объем/площадь поверхности было большим-отсюда и необходимость в калибровочной камере. При давлениях ниже 100 Па даже в состоянии равновесия в системе труб могут существовать значительные градиенты давления. Идеальный размер калибровочной камеры зависит от многих факторов, включая количество и типы устанавливаемых приборов, а также необходимый дипазон давлений. Камера, объем которой находится в пределах от 50 литров до 100 литров, годится для калибровок давлений около 10-4 Па, а камера с объемом около 30 литров для давлений выше 10-1 Па, но оба варианта являются грубым подходом. Размеры некоторых имеющихся в продаже систем меньше, а значит их оценки неопределенности больше.
|
|
|
Генерация и регулирование давления Существует много способов генерации требуемого номинального давления. Выбирая один из них, прежде всего, полезно выяснить, значительно ниже ли, выше или приблизительно равно атмосферному давлению значение требуемого давления. Также требуется ли регулировка-например, чтобы удерживать равновесие давления, если,возможно, наблюдаются флуктуации температур или небольшие утечки. Заметьте, что в большинстве применений калибровки важно гарантировать сохранение давления настолько стабильным, насколько это возможно.
· Средний вакуум При давлениях в области среднего вакуума постоянные значения давления можно генерировать путем ‘дросселирования’ насоса высокого вакуума (такого, как диффузионный или турбо-молекулярный насос), препятствуя намеренно вводимой утечке контрольного газа через игольчатый клапан до тех пор, пока при требуемом давлении не будут преобладать условия равновесия. Систему контроля давления можно запускать, например, при помощи электрически управляемого игольчатого клапана, который автоматически управляется сигналом, приходящим от вакуумметра.
· Грубый вакуум для давлений газовых цилиндров Для давлений газа в диапазоне от грубого вакуума до атмосферного давления управление часто обеспечивается при помощи двух игольчатых клапанов, один из них подсоединяется к источнику сжатого газа, а другой – к вакуумному (обычно вращательному) насосу (смотрите рисунок 7-3). Такая же система может использоваться и при давлениях, выше атмосферного, но вакуумный насос не потребуется, так как разгерметизация достигается за счет выпускания давления в атмосферу. Различные автоматические версии таких контроллеров имеются в продаже, они обеспечивают надлежащую регуляцию в течение долгого периода времени. Системы давления, в состав которых входят грузопоршневые манометры (смотрите рисунок 7-4) практически не нуждаются в дополнительной регуляции, так как небольшие флуктуации давления обычно компенсируются поднятием или опусканием поршня.
· Высокие давления газа Операции с этими давлениями потенциально опасно вследствие высоких уровней запасенной энергии (смотрите раздел 9.5.2).
· Гидравлические давления Эти давления в большинстве случаев генерируются насосами с положительным смещением, хотя, вследствие несжимаемости многих гидравлический жидкостей, величина смещения сравнительно мала. Как и в системах, заполненных газом, использование баланса давления обеспечит надежную регуляцию в течение короткого периода времени.(В более сложных системах период может быть увеличен за счет использования насоса с автоматической регулировкой). Другие формы регуляции включают применение насоса, который автоматически управляется сигналом, приходящим от трансдьюсера давления, или применение контроллера газ-давление, который опосредованно через границу раздела газ-масло поддерживает давление в гидравлическом контуре.
Запись измерений.
Для большинства калибровочных работ измерения могут быть адекватно выполнены визуально и записаны вручную. Действительно, некоторые прибоы, такие как большинство грузопоршневых манометров, не позволяют легко осуществить автоматический съем данных. Во многих ситуациях, тем не менее, определенная степень автоматизации является существенным аспектом или для повышения эффективности, или же потому, что ручная запись данных в достаточном объеме невозможна. Во многих приборах измерения давления предусмотрены электрические выводы, которые легко могут быть подсоединены к компьютеру для автоматической или полуавтоматической записи данных. Наиболее важным моментом, тем не менее, является то, что заранее необходимо решить, какие измерения проводить и записывать.
Обработка результатов.
Может показаться само сабой разумеющимся, но, тем не менее, очень важно выполнять правильные вычисления. Очень легко сделать неверные допущения относительно порядка, в котором должны обрабатываться данные, использовать грубые приближения, пренебрегать составляющими, надеясь на то, что они несущественны. Это приводит к дополнительным ошибкам, ни одна из которых не будет учтена в оценках неопределенностей.
Надежные процедуры.
Не представляется реальным составить список для приложений, связанных с измерениями давлений, но данная конкретная процедура вероятно будет надежной, только если она разработана метрологом, имеюшим соответствующий опыт. Одна из ненадежных процедур, иногда неверно принимаемая за хорошую метрологическую методику, известна как ‘удаление плохих точек данных’, - заключается в повторении измерений до тех пор, пока все нежелательные результаты не будут заменены хорошими. Процесс, известный также как ‘полезная статистическая предвзятость’ или ‘подтасовка’, в зависимости от предполагаемого мотива.
|
|
|
