Поверка и калибровка средств измерений: проблемы выбора

Зачем нужна калибровка?

Гарантированные спецификации электронных контрольно-измерительных приборов зависят от возможности точной регулировки их аппаратной части под управлением микропроцессора. В процессе изготовления прибора настраиваются коэффициенты усиления усилителей, частоты среза фильтров, постоянные смещения и другие параметры. Со временем в зависимости от среды измерения и старения компонентов параметры могут дрейфовать. Иногда этот дрейф линейно зависит от времени, как показано на рис. 1. В других случаях могут происходить резкие скачки. Подобным образом меняются настройки динамометрического ключа или показания прецизионного термометра в зависимости от того, как их используют.

Рис. 1. Дрейф показаний измерительных приборов и необходимость регулировки

Отправляя прибор на поверку или калибровку, метрологи ждут ответа на вопрос о том, можно ли продолжать пользоваться прибором и по-прежнему рассчитывать на гарантированные характеристики.

От измерений зависит многое. По их результатам принимаются решения о годности или негодности разрабатываемого или производимого продукта. Правильная периодическая поверка и калибровка выявляет выход параметров контрольно-измерительного оборудования за допустимые пределы и своевременно корректирует все отклонения, гарантируя, что погрешность контрольно-измерительного оборудования, которое используется в процессе принятия решений о разбраковке или во время диагностики, не превысит допускаемых спецификацией значений.

Официальное определение

Калибровкой называется «операция, с помощью которой при заданных условиях на первом этапе устанавливается соотношение между значениями величины с неопределенностями измерений, которые обеспечивают эталоны, и соответствующими показаниями вместе со связанными с ними неопределенностями измерений, а на втором этапе эта информация используется, чтобы установить соотношение, чтобы получить результат измерения исходя из показаний».

Что такое калибровка и что калибровать?

Калибровкой называется периодическая проверка характеристик контрольно-измерительного прибора путем сопоставления его реальных показаний с лабораторными эталонами, параметры которых прослеживаются до Международной системы единиц (СИ) через эталоны, хранящиеся в национальных институтах метрологии (NIST, NPL, PTB, NMIJ и т. д.).

В зависимости от возможностей поставщика услуг и типа измерительного прибора калибровка может включать регулировку. Поскольку для калибровки электронных приборов, как правило, необходимо знать их внутреннюю архитектуру, настраивать их может только соответствующий производитель. Эталоны линейных величин, к которым относятся брусковые штриховые меры, настраивать нельзя, и при чрезмерном износе их можно только заменить. Механические динамометрические ключи обычно допускают регулировку.

Любой используемый измерительный прибор, на гарантированные характеристики которого полагается пользователь, должен подвергаться периодической калибровке.

Что если параметры прибора выйдут за пределы спецификаций?

Многие, если не все, полагают, что когда они отдают прибор на калибровку, его настраивают «на середину интервала допуска». Это не так! Взгляните на процесс калибровки и ремонта, показанный на рис. 2.

Рис. 2. Процесс калибровки и ремонта

Сначала калибровочные лаборатории измеряют характеристики прибора. Если они не выходят за пределы спецификаций, пользователь получает единственный отчет, сообщающий, что прибор «Годен» по состоянию «На момент поступления». Если же параметры прибора выходят за пределы спецификаций (или пределы допусков), то калибровочная лаборатория может выполнить регулировку. Заметим, что регулировка современных электронных приборов требует выполнения сложных итерационных измерений и расчетов для определения параметров прибора во время изменения настроек внутренних ЦАП.

Если поставщик услуг калибровки выполняет регулировку, то пользователь, скорее всего, получит результаты измерений исходных характеристик на момент сдачи прибора в калибровку и результирующие характеристики после регулировки. Это позволяет оценить достоверность принятых пользователем решений о разбраковке. Второй отчет о «Состоянии на момент поставки» подтверждает пригодность прибора для дальнейшего использования.

Что такое погрешность измерения?

Идеальных измерений не бывает. Все измерения имеют ошибки. Перед установкой измерительных приборов в контрольно-измерительную систему инженеры тщательно исследуют параметры точности приборов. Точность системы обычно складывается из всех потенциальных ошибок измерения. Международные стандарты, относящиеся к калибровке, называют ошибки измерений прибора погрешностями измерения. Можно сказать, что погрешности измерений — это среднее значение суммарной ошибки во время калибровки. Проще говоря, погрешность измерения — это то же самое, что и точность.

Большая погрешность измерения увеличивает риск того, что прибор работает за пределами спецификаций, что может порождать ошибки, влияющие на качество или характеристики тестируемого изделия. Меньшая погрешность контрольно-измерительного оборудования и знание ее величины может сэкономить деньги и время, повысить надежность разрабатываемого устройства. Красная область под кривой на рис. 3 показывает, что меньшая погрешность измерения снижает риск выхода за пределы спецификаций. Сравним, казалось бы, эквивалентные результаты измерений от двух разных поставщиков услуг калибровки — лабораторий А и Б. Лаборатория А обеспечивает сравнительно малую погрешность измерения, представленную вертикальной полосой. Лаборатория Б допускает большую погрешность измерения, о чем говорит красная область. Лаборатория А обеспечивает пренебрежимо малый риск того, что прибор работает за пределами спецификаций. В случае с лабораторией Б этот риск больше.

Рис. 3. Малая погрешность измерения очень важна

На рис. 4 в качестве сравнительного примера представлены измеренные характеристики векторного генератора ВЧ-сигналов Keysight N5182A MXG в ЦСМ Keysight и анонимного поставщика услуг по калибровке.

Рис. 4. Измеренные характеристики векторного генератора ВЧ-сигналов Keysight N5182A MXG в ЦСМ Keysight

Чем меньше погрешность измерения во время калибровки, тем больше уверенность в том, что тестируемое изделие отвечает или не отвечает требованиям технических характеристик, меньше риск отбраковать «хорошие» продукты или пропустить «плохие». Это влияет на процент выхода годной продукции и время разработки изделия. Реальная погрешность измерений, которая влияет на результаты работы, не может быть меньше суммарной погрешности измерений во время последней калибровки.

Официальное определение

Погрешностью измерения называется «параметр, связанный с результатом измерения и характеризующий разброс значений, который можно обоснованно сопоставить с измеряемой величиной» (также упоминается как «неопределенность измерения»).

Имея достаточно информации о том, как эти составляющие влияют на характеристики, и зная описывающие их уравнения, можно рассчитать вероятность попадания в цель.

Что такое прослеживаемость?

Прослеживаемые измерения гарантируют единообразие выпускаемых изделий и технологических процессов. Общие калибровочные эталоны чрезвычайно важны для международной торговли и сертификации продуктов, услуг и технологий.

Прослеживаемость является одной из проблем, которая возникает в процессе разработки и производства. Если несколько групп работают над одной проблемой, но в разных географических точках, то очень важно, чтобы все используемые ими измерительные приборы были откалиброваны по единым эталонам.

Официальное определение

Метрологической прослеживаемостью называется «свойство результата измерения, посредством которого этот результат можно сопоставить с эталоном через непрерывную документированную цепь калибровок, каждая из которых вносит свой вклад в погрешность измерения».

Прослеживаемое измерение связано с признанными эталонами, имеющими лучшую точность при непрерывной цепочке сравнений.

Если лаборатория, калибрующая измерительные приборы, может доказать прослеживаемость, то измерения параметров одного из прототипов, выполненные в одной стране, будут соответствовать результатам, полученным на измерительных системах в других странах.

Важны ли стандарты для калибровки?

Да! Если говорить о калибровке, то самые важные стандарты указаны в табл. 1.

Примечание. Международная ассоциация по аккредитации лабораторий (ILAC) – сеть взаимного признания среди органов аккредитации.

Почти все знакомы с системой управления качеством ISO 9001. Почти все компании ей соответствуют. Однако в отношении калибровки она содержит несколько специфических аспектов, которые гарантируют компетенцию калибровочных лабораторий, способы оценки точности (которая, как уже упоминалось, соответствует погрешности измерения), состав отчетов о калибровке и т. д.

ISO/IEC 17025: 2005 является единственным и самым важным международным стандартом калибровки. Этот международный стандарт компетенции калибровочных лабораторий охватывает все аспекты применения калибровочных эталонов, разработки процедур калибровки и учета соответствующих погрешностей, составления отчетов о результатах и персонального обучения.

Какую роль играет аккредитация?

Аккредитация представляет собой официальную проверку сертификационной организацией, в ходе которой оценивается соответствие калибровочной лаборатории требованиям стандарта ISO/IEC 17025.

Лаборатория, желающая получить аккредитацию, сначала предоставляет перечень процедур, на которые она хочет быть аккредитованной. Затем сертификационная организация выбирает одного или нескольких экспертов, которые являются специалистами-метрологами в тех областях, которые перечислены в заявке на аккредитацию. Для каждой заявленной процедуры эксперт оценивает документацию, оснащенность лаборатории, квалификацию персонала и максимальные погрешности калибровки. Руководствуясь результатами проверки, сертификационная организация выпускает документ об объеме аккредитации. С ним может ознакомиться любой клиент, зайдя на сайт калибровочной лаборатории или изучив перечень лабораторий на сайте сертификационной организации. Заметим, что наличие аккредитации не означает, что данная лаборатория может выполнить любую калибровку. На самом деле, возможности калибровки каждой лаборатории могут сильно отличаться, как видно из табл. 2. Например, лаборатория 2 не аккредитована по ВЧ/СВЧ-параметрам.

Как калибровка влияет на время продвижения на рынок?

Выйти первым на рынок или первым выпустить продукцию жизненно важно для многих отраслей промышленности. В радиосвязи лидирующее положение на рынке занимает та компания, которая первой применяет инновационные технологии. В любом случае, прежде чем разработанный прототип передается в производство, он проходит испытания, в ходе которых измеренные характеристики должны превзойти заданные значения с приемлемым производственным запасом. Если изделие не пройдет испытания на соответствие заданным предельным значениям, инженеры должны вернуть его на доработку и переделать интегральную схему или изменить топологию печатной платы. И хотя стоимость доработки бывает весьма существенной, потерянное время может привести к еще большим убыткам в виде упущенной прибыли.

Какую же роль играет калибровка? Всякий раз, когда принимается ответственное решение, например о передаче изделия в производство, погрешности измерительных приборов, работающих за пределами спецификаций, могут привести либо к ошибочному отклонению «хорошего» изделия, либо к ошибочному принятию «плохого» изделия.

Кроме того, калибровка гарантирует корреляцию данных на всех этапах, начиная с разработки изделия и заканчивая его изготовлением. Это экономит время на поиск причины возникновения проблемы.

Риск ошибочного решения при разбраковке

Всякий раз при измерении параметров изделия или устройства и принятии решения о годности на основе сравнения замеров со спецификациями имеется некоторая вероятность принять неверное решение. Чем выше погрешность измерения, тем выше вероятность забраковать изделие, как видно из табл. 3. Вертикальная ось отражает истинное состояние продукта — «Хороший» или «Плохой». Однако нам известно не истинное состояние, а лишь то, что мы измерили; результаты замеров отложены по оси X. К счастью, в большинстве случаев, когда по результатам замеров принимается решение о том, что изделие «хорошее», оно и на самом деле является хорошим. Если мы считаем, что изделие «плохое» и оно на самом деле является таковым, то, по крайней мере, мы знаем, что не позволили плохому изделию попасть к потребителю. Ситуация ухудшается, если после тестирования хорошего изделия мы приходим к выводу о его негодности. В результате мы либо бракуем хорошее изделие, либо возвращаем его на ненужную доработку. Такой случай «ложной отбраковки» показывает левый верхний квадрант. Правый нижний квадрант демонстрирует сценарий «ложной годности», когда устанавливается, что изделие хорошее, но на самом деле оно плохое. В этом случае мы ошибочно отправляем потребителю изделие, не соответствующее заявленным спецификациям, и хотя, на первый взгляд, это не очевидно, такая ситуация может привести к росту затрат на гарантийное обслуживание и на устранение проблем, связанных с недовольством потребителей.

Погрешность измерения определяет, в какой квадрант диаграммы попадет конкретное изделие.

Как правильно выбрать поставщика услуг калибровки?

Мы покупаем контрольно-измерительное оборудование для выполнения определенных измерений, на основании чего принимается решение о годности или негодности продукции. Чтобы эти решения были правильными, оборудование должно регулярно проходить соответствующую калибровку.

Мы рассмотрели некоторые важные аспекты калибровки. Выбирая поставщика услуг калибровки, следует задать ему следующие вопросы:

• как разрабатывались используемые им процедуры?
• какое оборудование он использует в качестве эталонов?
• какие отчеты он предоставляет для подтверждения выполненной работы?
• какие погрешности измерения он обеспечит для тестируемых приборов?
• аккредитован ли он на измерение параметров, необходимых для проверки приборов?
• обеспечивает ли он метрологическую прослеживаемость калибровки?

Очень часто можно обнаружить, что лаборатории отличаются по этим параметрам.

Достигнув ясности в технических аспектах калибровки, можно изучить другие факторы, которые также важны при оказании услуг калибровки. Выбирая поставщика услуг калибровки, убедитесь что он:

• обеспечивает малые погрешности, которые повысят процент выхода, качество годной продукции и сократят отбраковку;
• имеет опыт, пользуется доверием и хорошо организован, предлагая малые и строго соблюдаемые сроки выполнения услуг, что сокращаем время простоя, ускоряет производство и продвижение на рынок;
• способен обслужить все предоставленное оборудование независимо от его производителя, что снизит сложность логистики;
• обладает средствами управления ресурсами для хранения сертификатов калибровки, отчетов об испытаниях и отвечает требованиям, предъявляемым к управлению услугами, что позволяет без труда проходить аудиторские проверки.