Возникает необходимость создания иерархических систем, в которых технические средства, расположенные в определенном порядке в соответствии с их точностью, участвуют в последовательной передаче размера единицы от эталона всем средствам измерений этой величины (схема передачи размеров единиц от первичного эталона рабочим средствам измерений представлена на рисунке 1. Порядок передачи устанавливается документами специального вида, называемыми поверочными схемами.
Рисунок 1. Принципиальная схема передачи размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений
Поверочная схема — это утвержденный в установленном порядке документ, регламентирующий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или исходного рабочего эталона к рабочим средствам измерений. Роль поверочных схем в метрологическом обеспечении выходит за рамки их законодательного аспекта, поэтому поверочную схему необходимо рассматривать как:
отражение научного и технического потенциала метрологии и измерительной техники;
один из главных объектов метрологии, так как разработка и реализация поверочных схем — одна из основных функций метрологической службы;
руководящий принцип организации и управления деятельностью метрологической службы.
Требования к содержанию и построению поверочных схем установлены в МИ 2230—92 «ГСИ. Методика количественного обоснования поверочных схем при их разработке». Примеры компоновки элементов государственной и локальной поверочных схем представлены на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2. Пример компоновки элементов государственной поверочной схемы.
1 – государственный эталон;
2 – метод передачи размера единиц;
3 – эталон-копия;
4 – эталон-сравнения;
5 – рабочий эталон;
6-8 – эталоны соответствующих разрядов;
9 – эталоны, заимствованные из других поверочных схем;
10 -рабочие средства измерений.
Передача размеров единиц величин от эталонов рабочим средствам измерений позволяет осуществить их поверку.
Различают государственные и локальные поверочные схемы юридических лиц и индивидуальных предпринимателей.
Рисунок 3. Пример компоновки локальной поверочной схемы
Разработка государственных поверочных схем для средств измерений физической величины осуществляет государственный научный метрологический институт, являющийся хранителем государственного эталона единицы этой величины. При отсутствии государственного эталона разработку осуществляет центр, головной в данной области измерений.
В ходе разработки государственной поверочной схемы необходимо обосновать оптимальность ее структуры (виды вторичных эталонов, число разрядов рабочих эталонов и т. д.) с учетом: оптимальных соотношений погрешностей поверяемого и рабочего эталона, вероятности признания годным неисправного средства измерений; допускаемого отношения числа исправных, но забракованных средств к общему числу исправных средств и т. д.
Государственную поверочную схему разрабатывают в качестве Приказа Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарта). Она не должна противоречить международным поверочным схемам.
Поверочные схемы оформляют в виде чертежа, дополняя эталоны пределом допускаемой погрешности средств измерений при соответствующей доверительной вероятности 0,90; 0,95 или 0,99 метрологические характеристики и, в частности, погрешности рабочих средств измерений — пределом допускаемой погрешности средств измерений в соответствии с ГОСТ 8.009—84. Форма выражения погрешности рабочих эталонов и рабочих средств измерений в одной поверочной схеме должна быть одинаковой.
Наименования и обозначения физических величин и их единиц указывают в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
На поверочной схеме также указывают один из методов поверки средств измерений: непосредственного сличения или сличения при помощи компаратора или других средств сравнения; прямых или косвенных измерений. В случае проведения градуировки средств измерений во время поверки делают ссылку в тексте.
На чертеже поверочной схемы наименование государственного эталона заключают в прямоугольник, образованным двойной линией, а вторичные эталоны, рабочие эталоны и рабочие средства измерений — в прямоугольники, образованные одинарной линией. Наименование методов поверки помещают в горизонтальные овалы между наименованиями поверяемого средства измерений и эталоном. Форма чертежей поверочной схемы должна соответствовать требованиям ГОСТ 2.301-68.
Передача размеров единиц сверху вниз, компоновка и оформление элементов государственной и локальных поверочных схем приведена на рисунках 2 и 3. Передача размеров единиц сверху вниз, компоновка и оформление элементов локальной поверочной схемы приведена на рисунке 4. Пояснительный текст к ней должен состоять из вводной части и объяснений к ее элементам, несущим дополнительную информацию.
Рисунок 4. Фрагмент локальной поверочной схемы для средств измерений электрического сопротивления
Поверочную схему оформляют в виде чертежа, дополняя его текстовой частью, на котором указывают наименование средств измерений и методов поверки, номинальные значения или диапазоны значений физических величин, средств измерений и методов поверки.
Чертеж должен состоять из полей, расположенных друг над другом и разделенных штриховыми линиями, число которых зависит от структуры поверочной схемы. Поля должны иметь наименования, указываемые в левой части чертежа, отделенной вертикальной сплошной линией.
В верхнем поле чертежа государственной поверочной схемы, возглавляемой государственным эталоном, указывают наименования государственных эталонов в порядке их соподчиненности. В верхнем поле чертежа локальной поверочной схемы указывают наименование государственного эталона или локальной поверочной схемы.
Для средств измерений производных величин, единицы которых воспроизводят методом косвенных измерений, в верхнем поле чертежа указывают наименования рабочих эталонов, применяемых для воспроизведения данной единицы и заимствованных из других государственных поверочных схем. Наименования этих рабочих эталонов измерений должны быть даны со ссылками на соответствующие поверочные схемы. Номинальные значения или диапазоны значений физических величин и значения их погрешностей указывают над наименованиями государственных эталонов и рабочих эталонов.
Под полем государственных эталонов располагают поле рабочих эталонов 1-го разряда и далее поля подчиненных рабочих эталонов. В тех поверочных схемах, где должна быть показана передача размера единицы от рабочих эталонов, заимствованных из других поверочных схем, их наименования помещают в специально отведенном поле. В рабочих эталонах. локальных поверочных схем указывают разряды рабочих эталонов, соответствующие присвоенным этим средствам измерений в государственных поверочных схемах. Под наименованиями рабочих эталонов показывают диапазоны измерений и значения погрешностей средств измерений. Поле рабочих средств измерений помещают под полем подчиненного рабочего эталона. Слева направо в порядке возрастания в нем располагают погрешности группы рабочих средств измерений, поверяемых по рабочим эталонам одного наименования. Для каждой группы указывают вид, диапазон измерений и значения погрешностей средств измерений.
При разработке поверочной схемы одним из основных направлений их обоснования является выбор числа разрядов рабочих эталонов. Это требует анализа действующего и ожидаемого на 5 – 10 лет парка рабочих средств измерений и эталонов, их дислокации, а также особенностей методов передачи размеров единиц. В действующих нормативных документах имеются рекомендации по установлению числа разрядов рабочих эталонов. Однако они не учитывают вариантность числа разрядов, организационные принципы и особенности передачи размеров единиц и самих средств измерений, характеристики метрологической надежности средств измерений, а также экономические потери вследствие несоблюдения единства измерений.
Например, при выборе числа разрядов рабочих эталонов в поверочных схемах для электрорадиоэлектронных средств измерений оптимальным является установление 2 или реже З разрядов рабочих эталонов.
Одним из важных элементов технического обоснования поверочной схемы является также выбор рациональных и высокопроизводительных методов передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений с учетом их особенностей. Передача размеров единиц при градуировке, поверке, калибровке и метрологической аттестации осуществляется методами прямых измерений, сличения показаний, компарирования или косвенных измерений.
При выполнении этих процедур для измерительных приборов, мер и измерительных преобразователей наиболее удобным и производительным является метод прямых измерений величины, воспроизводимой мерой.
С применением программно-управляемых измерительных приборов способ позволяет автоматизировать поверку средств измерений аналогично предыдущему методу, но в общем случае он более трудоемок и менее производителен. Оптимизацию этого метода осуществляют путем применения карт поверки средств измерений.
В ряде случаев в практике поверки мер применяют метод компарирования воспроизводимых ими электрических величин.
Следует заметить, что метод компарирования трудоемок и используется при поверке средств измерений редко. Однако он обеспечивает достаточно высокую точность. Его разновидность применяется при компарировании мер переменного и постоянного тока и напряжения. В то же время метод косвенных измерений при воспроизведении размеров единиц применяется редко. Его необходимость возникает в основном при отсутствии средств измерений для прямых измерений с необходимыми метрологичскими характеристиками (значениями величин, диапазонами частот, характеристиками соединителей и т.д.). Он встречается при измерениях мощности, напряжения, тока, коэффициентов гармоник, параметров цепей и др.
При измерениях мощности Р, напряжения U, силы тока I и полного сопротивления Z метод реализуется с помощью основных уравнений вида:
P=UI=U2/Z=I2Z, U=IZ и I=U/Z
и их конкретных сочетаний.
Схемы соединения средств измерений отличаются большим разнообразием в зависимости от целей измерений и применяемых при этом измерительных устройств. Основные трудности в получении высокой точности при реализации метода в соответствии с указанными выражениями заключаются в необходимости оценки полного сопротивления (его модуля и сдвига фазы) измерительных устройств.
Это обстоятельство приводит (особенно при высоких частотах) к большим погрешностям измерений.
В конкретных поверочных схемах для средств измерений электрических величин применяются все указанные выше методы передачи размеров единиц. Это требует от разработчиков поверочных схем и методик поверки средств измерений проведения соответствующего системного анализа методов и средств поверки и их регламентации в нормативных документах с целью обеспечения единства измерений всего наличного парка средств измерений определенной величины с учетом перспектив дальнейшего развития, что является важной и сложной научной проблемой метрологии.
Надо также отметить, что в поверочных схемах в соответствии с требованиями ГОСТ 8,061—80 необходимо указание допускаемых значений погрешности методов поверки. Однако в стандарте отсутствует пояснение того, что имеется в виду под погрешностью метода поверки — полная (суммарная) погрешность передачи размера единицы от эталона к нижестоящему по поверочной схеме поверяемому средству измерений, включая погрешность самого эталона, или только дополнительная методическая погрешность передачи размера единицы, которая часто возникает при выполнении методик изменений. К числу дополнительных методических погрешностей при поверке средств измерений интенсивности электромагнитных колебаний (напряжения, силы тока, мощности) относятся такие их составляющие, как влияние формы кривой и частоты измеряемых сигналов, потери в переходах и их воспроизводимость в соединителях, влияние входных и выходных импедансов средств измерений и др.
В поверочных схемах устанавливаются основные метрологические характеристики (пределы измерений, диапазоны частот и погрешности) рабочих эталонов и рабочих средств измерений. При разработке схем исходными являются характеристики рабочих средств измерений. Они устанавливаются на основе анализа всего парка имеющихся в эксплуатации и планируемых к производству средств измерений определенной физической величины. Эго требование не всегда отражается в действующих поверочных схемах, что является их существенным недостатком.
Для рабочих средств измерений электрических величин погрешность чаще всего характеризуется пределом допускаемых значений в относительной форме. Погрешность рабочих эталонов характеризуется также в относительной форме пределом допускаемых значений или доверительной погрешностью с вероятностью 0,95 или 0,99. В поверочной схеме должны быть указаны соотношения погрешностей, эталонных и поверяемых средств измерений, ибо они и определяют долю (процент) брака поверки, а следовательно, и обеспечение единства измерений, и экономические потери вследствие брака. Для средства измерений электрических величин в соответствии с ГОСТ 22261—94 они устанавливаются не более от 1/5 до 1/3 или реже путем указания наибольшей вероятности брака поверки, т. е. признания любого негодного экземпляра средства измерений в качестве годного.
Следует отметить, что некоторые поверочные схемы, особенно для средств измерений электрических величин, являются недостаточно информативными и не содержат ряд важных методических положений, учитывающих особенности воспроизведения и передачи размеров единиц физических величин. Это частично объясняется недооценкой поверочных схем. В ГОСТ 8.061—80 сформулированы общие требования к схемам, но не учтены все особенности методов и средств передачи размеров многочисленных физических величин. В связи с этим необходимо отражение в текстовой части поверочных схем дополнительной информации и пояснений к элементам поверочной схемы с учетом специфики передачи размеров единиц, что отражено в ГОСТ 8.061—80.
Необходимость и полезность поверочных схем тем выше, чем однозначнее и полнее их чертеж и текстовая часть, определяющие степень их информативности. С целью повышения информативности поверочных схем правомерна разработка схем на отдельные пределы измеряемых величин, на определенные диапазоны частот, на конкретные виды рабочих средств измерений одной и той же физической величины, встречающиеся в области измерений электрических и магнитных величин, теплофизических и температурных измерений, измерений геометрических величин и др.
Дополнительно обращаем Ваше внимание, что вопросы касательно Поверочных схем и эталонов, рассмотрены в разделах: