Kalibrace - Calibration

V měřicí technice a metrologii je kalibrací srovnání měřených hodnot dodávaných testovaným zařízením s hodnotami kalibračního standardu známé přesnosti. Takovým standardem může být další měřicí zařízení se známou přesností, zařízení generující měřenou veličinu, jako je napětí , zvukový tón nebo fyzický artefakt, například měřicí pravítko.

Výsledek srovnání může vést k jednomu z následujících:

• na testovaném zařízení nebyla zaznamenána žádná významná chyba
• byla zaznamenána významná chyba, ale nebyla provedena žádná úprava
• úprava provedená k opravě chyby na přijatelnou úroveň

Přísně vzato, termín „kalibrace“ znamená pouze akt srovnání a nezahrnuje žádné následné úpravy.

Kalibrační standard je normálně navázán na národní nebo mezinárodní standard, který má metrologický orgán.

Definice BIPM

Formální definice kalibrace provedená Mezinárodním úřadem pro váhy a míry (BIPM) je následující: „Operace, která za určitých podmínek v prvním kroku stanoví vztah mezi hodnotami veličin s nejistotami měření poskytnutými normami měření a odpovídajícími údaji s přidruženými nejistotami měření (kalibrovaného přístroje nebo sekundárního standardu) a ve druhém kroku použije tyto informace k vytvoření vztahu pro získání výsledku měření z indikace. “

Tato definice uvádí, že kalibrační proces je čistě srovnávací, ale zavádí koncept nejistoty měření ve vztahu k přesnosti testovaného zařízení a standardu.

Moderní kalibrační procesy

Rostoucí potřeba známé přesnosti a nejistoty a potřeba mít jednotné a srovnatelné standardy na mezinárodní úrovni vedly k založení národních laboratoří. V mnoha zemích bude existovat Národní metrologický institut (NMI), který bude udržovat primární standardy měření (hlavní jednotky SI plus řada odvozených jednotek), které budou použity k zajištění sledovatelnosti přístrojů zákazníka pomocí kalibrace.

NMI podporuje metrologickou infrastrukturu v dané zemi (a často i v jiných) vytvořením nepřerušeného řetězce, od nejvyšší úrovně standardů až po přístroj používaný k měření. Příklady národních metrologických institutů jsou NPL ve Velké Británii , NIST ve Spojených státech , PTB v Německu a mnoho dalších. Vzhledem k tomu, že byla podepsána dohoda o vzájemném uznávání, je nyní snadné vysledovat sledovatelnost od kterékoli zúčastněné NMI a již není nutné, aby společnost získala sledovatelnost pro měření od NMI země, ve které se nachází, jako je například Národní fyzikální laboratoř ve Velké Británii.

Kvalitní

Aby se zlepšila kvalita kalibrace a aby byly výsledky přijaty externími organizacemi, je žádoucí, aby kalibrace a následná měření byla „sledovatelná“ k mezinárodně definovaným měrným jednotkám. Navázání sledovatelnosti je dosaženo formálním porovnáním se standardem, který přímo nebo nepřímo souvisí s národními normami (jako je NIST v USA), mezinárodními normami nebo certifikovanými referenčními materiály . Toho mohou dosáhnout národní normalizační laboratoře provozované vládou nebo soukromé firmy nabízející metrologické služby.

Systémy managementu kvality vyžadují efektivní metrologický systém, který zahrnuje formální, periodickou a dokumentovanou kalibraci všech měřicích přístrojů. Normy ISO 9000 a ISO 17025 vyžadují, aby tyto sledovatelné akce byly na vysoké úrovni a stanovily, jak je lze kvantifikovat.

Pro sdělení kvality kalibrace je kalibrační hodnota často doprovázena vysledovatelným prohlášením o nejistotě na stanovenou úroveň spolehlivosti. To se hodnotí pomocí pečlivé analýzy nejistoty. Někdy je k provozu strojů v degradovaném stavu vyžadován DFS (Departure From Spec). Kdykoli k tomu dojde, musí to být písemné a schválené vedoucím s technickou pomocí kalibračního technika.

Měřicí zařízení a přístroje jsou kategorizovány podle fyzických veličin, které jsou určeny k měření. Ty se mezinárodně liší, např. NIST 150-2G v USA a NABL -141 v Indii. Společně tyto normy pokrývají přístroje, které měří různé fyzikální veličiny, jako je elektromagnetické záření ( RF sondy ), zvuk ( zvukoměr nebo hlukový dozimetr ), čas a frekvence ( intervalometr ), ionizující záření ( Geigerův čítač ), světlo ( měřič světla ), mechanické veličiny ( koncový spínač , tlakoměr , tlakový spínač ) a termodynamické nebo tepelné vlastnosti ( teploměr , regulátor teploty ). Standardní přístroj pro každé testovací zařízení se odpovídajícím způsobem liší, např. Tester vlastní váhy pro kalibraci tlakoměru a tester teploty suchého bloku pro kalibraci teploměru.

Výzvy ke kalibraci přístroje

Kalibrace může být vyžadována z následujících důvodů:

• nový nástroj
• poté, co byl nástroj opraven nebo upraven
• přesun z jednoho místa do druhého
• když uplyne stanovené časové období
• když uplynulo zadané využití (provozní hodiny)
• před a / nebo po kritickém měření
• například po události
  • poté, co byl přístroj vystaven nárazům, vibracím nebo fyzickému poškození, které by mohlo potenciálně narušit integritu jeho kalibrace
  • náhlé změny počasí
• kdykoli se pozorování jeví jako sporná nebo indikace nástroje neodpovídají výstupu náhradních nástrojů
• jak je specifikováno požadavkem, např. specifikace zákazníka, doporučení výrobce nástroje.

Obecně se kalibrace často považuje za proces zahrnující proces úpravy výstupu nebo indikace na měřicím přístroji tak, aby souhlasil s hodnotou použitého standardu, a to se stanovenou přesností. Například teploměr lze kalibrovat, aby se určila chyba indikace nebo korekce, a upravit (např. Pomocí kalibračních konstant) tak, aby ukazovala skutečnou teplotu ve stupních Celsia v konkrétních bodech stupnice. Toto je vnímání koncového uživatele nástroje. Jen velmi málo nástrojů však lze upravit tak, aby přesně odpovídaly standardům, se kterými jsou porovnávány. U velké většiny kalibrací je proces kalibrace vlastně srovnáním neznámého se známým a zaznamenáním výsledků.

Základní kalibrační proces

Účel a rozsah

Proces kalibrace začíná konstrukcí měřicího přístroje, který je třeba kalibrovat. Návrh musí být schopen „udržovat kalibraci“ prostřednictvím svého kalibračního intervalu. Jinými slovy, návrh musí být schopen měření, která jsou „v rámci technické tolerance “, pokud jsou používána za stanovených podmínek prostředí po určitou rozumnou dobu. Návrh s těmito charakteristikami zvyšuje pravděpodobnost, že skutečné měřicí přístroje budou fungovat podle očekávání. Účelem kalibrace je v zásadě udržení kvality měření a zajištění správné funkce konkrétního přístroje.

Frekvence

Přesný mechanismus přiřazování hodnot tolerance se liší podle země a podle typu odvětví. Měření zařízení je výrobcem, které obecně přiřazuje toleranci měření, navrhuje kalibrační interval (CI) a specifikuje rozsah prostředí pro použití a skladování. Organizace používající obecně přiřadí skutečný interval kalibrace, který závisí na pravděpodobné úrovni použití tohoto konkrétního měřicího zařízení. Přiřazení kalibračních intervalů může být formálním procesem založeným na výsledcích předchozích kalibrací. Samotné standardy nejsou jasné ohledně doporučených hodnot CI:

ISO 17025

„Kalibrační list (nebo kalibrační štítek) nesmí obsahovat žádná doporučení ohledně kalibračního intervalu, kromě případů, kdy to bylo dohodnuto se zákazníkem. Tento požadavek může být nahrazen právními předpisy.“

ANSI / NCSL Z540

„... musí být kalibrován nebo ověřován v pravidelných intervalech stanovených a udržovaných k zajištění přijatelné spolehlivosti ...“

ISO-9001

„Je-li to nezbytné k zajištění platných výsledků, musí být měřicí zařízení ... kalibrováno nebo ověřeno ve stanovených intervalech nebo před použitím ...“

MIL-STD-45662A

„... musí být kalibrován v pravidelných intervalech stanovených a udržovaných tak, aby byla zajištěna přijatelná přesnost a spolehlivost ... Intervaly musí dodavatel zkracovat nebo prodlužovat, pokud výsledky předchozích kalibrací naznačují, že taková akce je vhodná k udržení přijatelné spolehlivost."

Požadované standardy a přesnost

Dalším krokem je definování procesu kalibrace. Výběr standardu nebo standardů je nejviditelnější částí procesu kalibrace. V ideálním případě má standard méně než 1/4 nejistoty měření kalibrovaného zařízení. Když je tento cíl splněn, je akumulovaná nejistota měření všech příslušných standardů považována za nevýznamnou, pokud je konečné měření provedeno také s poměrem 4: 1. Tento poměr byl pravděpodobně poprvé formován v příručce 52, která doprovázela MIL-STD-45662A, ranou specifikaci metrologického programu amerického ministerstva obrany. Bylo to 10: 1 od svého vzniku v padesátých letech až do sedmdesátých let, kdy pokroková technologie znemožňovala 10: 1 pro většinu elektronických měření.

Zachovat poměr přesnosti 4: 1 s moderním vybavením je obtížné. Kalibrované zkušební zařízení může být stejně přesné jako pracovní standard. Pokud je poměr přesnosti menší než 4: 1, může být kalibrační tolerance snížena pro kompenzaci. Když je dosaženo 1: 1, zcela přesná kalibrace je pouze přesná shoda mezi standardem a kalibrovaným zařízením. Další běžnou metodou řešení tohoto nesouladu schopností je snížit přesnost kalibrovaného zařízení.

Například měřidlo s 3% přesností stanovenou výrobcem lze změnit na 4%, takže lze použít standard přesnosti 1% v poměru 4: 1. Pokud se měřidlo používá v aplikaci vyžadující přesnost 16%, nebude mít přesnost měřidla snížená na 4% vliv na přesnost konečných měření. Tomu se říká omezená kalibrace. Pokud ale konečné měření vyžaduje 10% přesnost, pak 3% měřidlo nikdy nemůže být lepší než 3,3: 1. Pak by snad bylo lepší upravit kalibrační toleranci měřidla. Pokud se kalibrace provádí na 100 jednotek, standard 1% by byl ve skutečnosti kdekoli mezi 99 a 101 jednotkami. Přijatelné hodnoty kalibrací, kde je zkušební zařízení v poměru 4: 1, by byly 96 až 104 jednotek včetně. Změna přijatelného rozsahu na 97 až 103 jednotek by odstranila potenciální příspěvek všech standardů a zachovala by poměr 3,3: 1. Pokračující další změna přijatelného rozsahu na 98 až 102 obnoví konečný poměr více než 4: 1.

Toto je zjednodušený příklad. Matematiku příkladu lze zpochybnit. Je důležité, aby jakékoli myšlení, které vedlo tento proces ve skutečné kalibraci, bylo zaznamenáno a přístupné. Neformálnost přispívá k tolerancím a dalším obtížně diagnostikovatelným problémům po kalibraci.

Také ve výše uvedeném příkladu by v ideálním případě byla kalibrační hodnota 100 jednotek nejlepším bodem v rozsahu měřidla pro provedení jednobodové kalibrace. Může to být doporučení výrobce nebo to může být způsob, jakým jsou již podobná zařízení kalibrována. Používají se také vícebodové kalibrace. V závislosti na zařízení může být kalibračním bodem také stav nulové jednotky, absence měřeného jevu. Nebo může být nula resetovatelná uživatelem - existuje několik variant. Znovu by se měly zaznamenávat body, které se mají použít během kalibrace.

Mezi standardem a kalibrovaným zařízením mohou existovat specifické techniky připojení, které mohou ovlivnit kalibraci. Například v elektronických kalibracích zahrnujících analogové jevy může impedance kabelového připojení přímo ovlivnit výsledek.

Ruční a automatické kalibrace

Metody kalibrace pro moderní zařízení mohou být manuální nebo automatické.

Ruční kalibrace - americký servisní technik kalibrující tlakoměr. Zkoušené zařízení je na levé straně a testovací standard na pravé straně.

Jako příklad lze použít ruční postup pro kalibraci tlakoměru. Postup vyžaduje několik kroků, připojení zkoušeného měřidla k referenčnímu hlavnímu měřidlu a nastavitelnému zdroji tlaku, aplikaci tlaku kapaliny na referenční i zkušební měřidla v určitých bodech po celém rozpětí měřidla a porovnání naměřených hodnot dva. Zkoušené měřidlo může být nastaveno tak, aby jeho nulový bod a reakce na tlak odpovídaly co nejpřesněji zamýšlené přesnosti. Každý krok procesu vyžaduje ruční vedení záznamů.

Automatická kalibrace - opravář v USA používající automatický kalibrátor tlaku 3666C

Automatické kalibrační tlak je zařízení, které kombinuje elektronickou řídící jednotkou, zařízením pro zvyšování tlaku používá ke kompresi plynu, jako je dusík , je snímač tlaku použít k detekci požadované úrovně se v hydraulickém akumulátoru a příslušenství, jako jsou kapalné pasti a měřidla armatur . Automatický systém může také zahrnovat zařízení pro sběr dat k automatizaci shromažďování údajů pro vedení záznamů.

Popis procesu a dokumentace

Všechny výše uvedené informace se shromažďují v kalibračním postupu, což je specifická zkušební metoda . Tyto postupy zachycují všechny kroky potřebné k provedení úspěšné kalibrace. Výrobce může poskytnout jeden nebo může organizace připravit takový, který také vystihuje všechny ostatní požadavky organizace. Ve Spojených státech existují zúčtovací střediska pro kalibrační postupy, jako je například vládní průmyslový program pro výměnu dat (GIDEP).

Tento přesný postup se opakuje pro všechny použité standardy, dokud nejsou dosaženy standardy přenosu, certifikované referenční materiály a / nebo přírodní fyzikální konstanty, standardy měření s nejmenší nejistotou v laboratoři. Tím je zajištěna sledovatelnost kalibrace.

Viz Metrologie pro další faktory, které jsou brány v úvahu při vývoji procesu kalibrace.

Po tom všem lze konečně kalibrovat jednotlivé přístroje konkrétního typu diskutovaného výše. Proces obvykle začíná základní kontrolou poškození. Některé organizace, jako jsou jaderné elektrárny, shromažďují kalibrační údaje „as-found“ před provedením běžné údržby . Po vyřešení běžné údržby a nedostatků zjištěných během kalibrace se provede kalibrace „nalevo“.

Běžněji je celý proces pověřen kalibrační technik a podepíše kalibrační certifikát, který dokumentuje dokončení úspěšné kalibrace. Základní proces popsaný výše je obtížná a nákladná výzva. Náklady na podporu běžného vybavení jsou obecně asi 10% původní kupní ceny ročně, což je obecně přijímané pravidlo . Exotická zařízení, jako jsou skenovací elektronové mikroskopy , systémy plynových chromatografů a zařízení s laserovým interferometrem, mohou být pro údržbu ještě nákladnější.

Zařízení „jediné měření“ použité v popisu základního procesu kalibrace výše existuje. Ale v závislosti na organizaci může mít většina zařízení, která vyžadují kalibraci, několik rozsahů a mnoho funkcí v jednom přístroji. Dobrým příkladem je běžný moderní osciloskop . Snadno by mohlo existovat 200 000 kombinací nastavení pro úplnou kalibraci a omezení, kolik z all-inclusive kalibrace lze automatizovat.

Stojan na nástroje s těsněními indikujícími neoprávněnou manipulaci

Aby se zabránilo neoprávněnému přístupu k přístroji, jsou po kalibraci obvykle použity plomby odolné proti neoprávněné manipulaci. Obrázek stojanu osciloskopu je ukazuje a dokazuje, že přístroj nebyl odstraněn od jeho poslední kalibrace, protože bude možné neoprávněně používat nastavovací prvky přístroje. K dispozici jsou také štítky zobrazující datum poslední kalibrace a kdy interval kalibrace určuje, kdy je potřeba další. Některé organizace také každému přístroji přiřadí jedinečnou identifikaci, aby standardizoval vedení záznamů a sledoval příslušenství, které je nedílnou součástí konkrétních podmínek kalibrace.

Když jsou kalibrované přístroje integrovány do počítačů, jsou pod kontrolou také integrované počítačové programy a veškeré kalibrační opravy.

Historický vývoj

Počátky

Slova „kalibrovat“ a „kalibrace“ vstoupila do anglického jazyka teprve v době, kdy se americká občanská válka v popisech dělostřelectva považovala za odvozenou z měření kalibru zbraně.

Zdá se, že některé z prvních známých systémů měření a kalibrace byly vytvořeny mezi starověkými civilizacemi Egypta , Mezopotámie a údolí Indu , přičemž vykopávky odhalily použití úhlových gradací pro stavbu. Pojem „kalibrace“ byl pravděpodobně nejprve spojen s přesným dělením lineární vzdálenosti a úhlů pomocí dělícího motoru a měřením gravitační hmotnosti pomocí váhy . Samotné tyto dvě formy měření a jejich přímé deriváty podporovaly téměř veškerý rozvoj obchodu a technologií od nejstarších civilizací až do roku 1800 nl.

Kalibrace vah a vzdáleností ( c.  1100 CE )

Příklad váhy s chybou kalibrace 0,5 unce při nule. Toto je „chyba nulování“, která je inherentně indikována a může ji normálně upravit uživatel, ale v tomto případě může být způsobena provázkem a gumičkou

Prvotní měřicí zařízení byla přímá , tj. Měla stejné jednotky jako měřené množství. Mezi příklady patří délka pomocí měřítka a hmotnost pomocí váhy. Na začátku dvanáctého století, za vlády Jindřicha I. (1100-1135), bylo rozhodnuto, že dvorem bude „vzdálenost od špičky králova nosu po konec jeho nataženého palce“. Doklady však najdeme až za vlády Richarda I. (1197).

Posouzení opatření

„V celé říši bude stejný dvůr stejné velikosti a měl by být ze železa.“

Následovaly další pokusy o standardizaci, například Magna Carta (1225) pro kapalná opatření, až do francouzského archivu Mètre des Archives a zavedení metrického systému .

Včasná kalibrace tlakových nástrojů

Návrh přímého odečtu manometru ve tvaru U

Jedním z prvních zařízení pro měření tlaku byl rtuťový barometr připisovaný Torricelli (1643), který pomocí Merkuru snímal atmosférický tlak . Brzy poté byly navrženy manometry naplněné vodou . To vše by mělo lineární kalibrace pomocí gravimetrických principů, kde byl rozdíl hladin úměrný tlaku. Normální měrné jednotky by byly vhodné palce rtuti nebo vody.

V provedení hydrostatického manometru s přímým odečtem na pravé straně aplikovaný tlak P _a tlačí kapalinu dolů na pravou stranu U-trubice manometru, zatímco délková stupnice vedle trubice měří rozdíl úrovní. Výsledný výškový rozdíl „H“ je přímým měřením tlaku nebo vakua vzhledem k atmosférickému tlaku . Při absenci diferenčního tlaku by byly obě úrovně stejné, a to by bylo použito jako nulový bod.

V průmyslové revoluci byly přijaty „nepřímé“ přístroje na měření tlaku, které byly praktičtější než manometr. Příkladem jsou vysokotlaké parní stroje (do 50 psi), kde se ke zmenšení délky stupnice na 60 palců použila rtuť, ale takový manometr byl drahý a náchylný k poškození. To stimulovalo vývoj nástrojů pro nepřímé čtení, z čehož je pozoruhodný příklad Bourdonova trubice, kterou vynalezl Eugène Bourdon .

Návrh nepřímého čtení zobrazující Bourdonovu trubici zepředu (vlevo) a zezadu (vpravo).

V pohledu zepředu a zezadu na Bourdonův rozchod vpravo, aplikovaný tlak na spodní tvarovku redukuje zvlnění zploštělé trubky úměrně tlaku. Tím se posune volný konec trubice, která je spojena s ukazatelem. Přístroj by byl kalibrován proti manometru, což by byl kalibrační standard. Pro měření nepřímých veličin tlaku na jednotku plochy bude nejistota kalibrace záviset na hustotě kapaliny manometru a na prostředcích měření výškového rozdílu. Z tohoto lze odvodit a označit na stupnici další jednotky, jako jsou libry na čtvereční palec.

Viz také

Reference

Zdroje

• Crouch, Stanley & Skoog, Douglas A. (2007). Principy instrumentální analýzy . Pacific Grove: Brooks Cole. ISBN  0-495-01201-7 .