МОЗМ

МЕЖДУНАРОДЕН ДОКУМЕНТ № 5

ПРИНЦИПИ ЗА СЪЗДАВАНЕ НА ЙЕРАРХИЧНИ СХЕМИ ЗА СРЕДСТВА ЗА ИЗМЕРВАНЕ

1. Увод

1.1. Калибрирането на даден измервателен уред е група от операции, имащи за цел да придадат стойностите на грешките на този измервателен уред, и възможно да определят други негови метрологични характеристики.

Калибрирането трябва да се извършва периодично. Това дава възможност да се проследи еволюцията на измервателния уред и да се избегнат разногласията, било в едно и също предприятие, било между купувачи и продавачи. Калибрирането също така дава възможност по-добре да се опознаят качествата на даден измервателен уред, и да се информират по този въпрос възможните купувачи.

Калибрирането може да се извърши или посредством един абсолютен метод на измерване, или посредством сравнение с даден еталон, за който са дадени референции.

Самият еталон може също да бъде един измервателен уред, или една инсталация, специално изследвана, за да се материализира дадена единица, или производна и кратна на тази единица, или даден стандартен образец.

С еталона обикновено са свързани образцов метод и устройство за трансфер, позволяващо да се осъществи сравнение между еталоните.

Пример: интерферометърът за сравнение на дължините на светлинните вълни е радиационен еталон с криптон – 86.ú

За да се материализират единиците за измерване, са използвани колкото е възможно повече физически явления, които се възпроизвеждат по един постоянен начин, с много голяма точност (метър, секунда, ...). За целта е необходимо да се разполага с апаратура, за да се реализират или съхраняват тези единици (лампа с криптон – 86, еталон за време и честота, цезиева струя, ...).

1.2. Еталоните за една и съща физична величина трябва да се степенуват йерархически, което ще рече, че грешките, които им се приписват, тряба да са определени по такъв начин, че всеки един от еталоните да бъде одобрен за специална употреба.

Тази йерархия представлява последователността на етапите, които дават възможност да се свържат метрологичните характеристики на даден измервателен уред към първичния еталон на съответната величина. Йерархията на измервателните уреди на тази величина се конкретизира посредством верига за калибриране, чиято цел е да гарантира точността на работните измервателни уреди. Калибровъчните вериги могат да имат различни аспекти в различните страни.

1.3. Настоящият документ съдържа, освен Глава 1 – Увод, следните три части:

- Глава 2, която се отнася до теоретичната структура на една йерархична схема; в нея се описват различните нива, съответните еталони, и преминаването от едно ниво в друго; в нея се съдържат още и няколко схващания и положения върху една международна йерархична схема,

- Глава 3, допълнена с Приложение I, където са дадени сведенията, които е желателно да се намират в дадена йерархична схема, и в описанието на дадена верига за калибриране, и които дават възможност на държавите да създадат (според техните възможности и нужди) национални вериги за калибриране.

- Приложение II, което дава един пример за верига на калибриране (сравнение) на измервателните уреди на дадена физична величина;

1.4. Настоящият документ има за цел:

- да предложи общи правила за създаване на йерархични схеми за измервателните уреди на различните величини. Тези схеми водят до практическо реализиране, наричано в текста верига за калибриране.

- да определят и да уточнят концепциите, използвани в тези схеми.

Като се има предвид, че този документ дава общите положения, едва ли той може да се приложи във всички случаи. Обаче неговите принципи биха могли понякога да се имат предвид (вж. точка 1.5.). Все пак, Секретариат-Докладчиците на МОЗМ трябва да направят усилие и да следват начертаните линии в едър план, по такъв начин, че представените йерархични схеми да бъдат изградени с известна еднаквост.

Евентуалните различия с общата схема биха могли да се подчертаят, за да привлекат вниманието на държавите. Желателно е доказване на тези различия.

Секретариат-Докладчиците не трябва да придават на изгражданите йерархични схеми много строг характер. Освен това не трябва да им предават императивно и някои стойности за характеристиките на еталоните.

Йерархичната схема е модел, който съдържа в себе си най-препоръчителните данни, но в същото време оставя възможност за определен избор както при реализирането на еталоните на различните нива, така и при определянето на самите нива (брой на нивата, връзка между отделните нива, поднива, успоредни клонове и т.н.).

Настоящият документ трябва да може да се използва в национален план, в зависимост от нуждите на всяка страна, от социалните организации за създаване на вериги за калибриране на техните измервателни уреди, в съответствие с международните рекомендации.

1.5. Най-важната цел, която е залегнала във всички йерархични схеми на измервателните уреди, е да се намали възможно най-много грешката на измерването и да се даде максимум доверие във всички измервания, без да се забравят най-обикновените.

Търсенето на най-доброто качество на текущите обикновени измервания представлява истинското доказателство в защита на йерархичните схеми. Това може да бъде постигнато по различни начини, като най-често се използва класическата схема, която се базира на веригата за калибриране.

Това обаче не е единствената система, която може да се реализира, и в зависимоет от обстоятелствата, могат да се предпочетат други начини за постигането на целта. Те не се разглеждат в настоящия Документ, но могат да бъдат описани в други Международни Документи.

2. Теоретична структура на една йерархична схема

2.1. Нивата на една национална йерархична схема

2.1.1. Ниво 1

На това ниво се намират първичният национален еталон и еталоните, които са предназначени или да контролират постоянството на първичния еталон, или да го заместват, ако той е загубил своите метрологични характеристики, или ако е изчезнал.

Първичният еталон е еталон, отнасящ се до дадена величина и притежаващ най-високите метрологични качества в една определена област.

Тази област може да бъде или дадена област на приложение, или дадена област на стойности на величината; на всяка област отговаря един първичен еталон, който може най-добре да представи единицата, или една производна, или кратна на единицата на тази величина.

Забележка: Не е задължително първичният еталон да представя единицата на съответната величина. Може всъщност да е по-лесно да представя една производна, или една кратна на дадена единица, отколкото самата единица. ú

2.1.2. Ниво 2

На това ниво се намират вторичните еталони, получени чрез сравнение с първичния еталон, посредством методи, и посредством начини, които са различни в зависимост от съответните физични величини.

Един вторичен еталон може да служи за калибриране на еталони от по-нисък клас на точност; тогава той се нарича образцов (сравнителен) еталон.

2.1.3. Ниво 3

На това ниво се намират работните еталони, получени посредством сравнение с образцовите (сравнителните) еталони. Те могат да бъдат различн по естество и концепция от образцовите еталони, било за да бъде манипулирането с тях по-удобно и лесно, било да се улесни преместването им или да се намали цената им.

Методите и средствата за сравнение между вторичните еталони и работните еталони са толкова по-важни, колкото по-малко са идентични тези еталони и колкото тяхното сравнение в тази връзка е по-деликатно.

Един работен еталон служи за:

· проверка на обикновените измервателни уреди с по-малка точност;

· за калибриране на измервателните уреди, които се възприемат като работни еталони с по-ниска точност. Тогава работният еталон се разглежда като образцов еталон и се съхранява при добри условия и по такъв начин, че неговото сравнение с вторичния еталон да се извършва по-рядко.

Изборът между тези два начина на използване на работните еталони зависи от географското разположение и от икономическата или политическата организация на страните.

2.1.4. Ниво 4.

На това ниво се намират работните еталони, получени посредством сравнение с образцовите еталони, представляващи работни еталони от трети ред.

Точността на тези еталони често е достатъчна в различните части на промишлеността. Но някои производства изискват употребата на измервателни уреди с по-високи метрологични качества: в такъв случай се използват работните еталони от трети ред.

Забележка: Един пример на национална йерархична схема без ниво 4 е даден в Приложение I. ú

2.2. Международна йерархична схема.

2.2.1. Една международна йерархична схема трябва да показа връзката, която съществува между международния еталон и националния еталон.

2.2.2. Изграждането на една международна йерархична схема предполага съществуването на международен еталон.

Когато няма международен еталон, една или няколко страни могат да решат да създадат един еталон за дадена единица на една величина, чиято нужда е особено осезателна. Ако този еталон е признат от другите страни, той играе ролята на международен еталон. В такъв случай трябва добре да се уточни географската област, за която е валидно това международно признание.

3. Съдържание на една йерархична схема.

Целта на йерархичните схеми е да дадат възможност на държавите да осъществяват вериги за калибриране. Пример за това е даден в Приложение II.

Тези схеми трябва да съдържат достатъчна информация, за да се осигури определена еднаквост на веригите за калибриране, създадени и използвани в различните страни, и по този начин да се направи възможна тяхната връзка в международен план.

Йерархичните схеми трябва да предоставят следните сведения относно различните йерархични нива и относно еталоните, които могат да фигурират в тях:

- познати и използвани принципи за реализирането на еталоните, примери за практическо осъществяване;

- грешките, свързани с еталоните, които не трябва да се надвишават във всяко ниво, като се държи сметка за напредъка на науката и техниката в съответната област;

- областите на измерване, за които е валиден еталонът;

- образцови методи и устройства за предаване на единицата, които се препоръчват за различните нива, с изброяване и, ако е възможно, с оценка на измерванията, които те могат да съдържат;

- стабилност на еталоните и възпроизводимост на измерванията във времето, и методите, които са използвани, за да се провери, че еталоните притежават тези качества;

- периодичност на калибрирането;

- препоръчвани разпоредби за съхраняване на еталоните.

3.1. Принципи за изготвяне на еталони, практическа реализация.

Една йерархична схема за определена величина препоръчва, на всяко ниво, принципите за изготвяне на еталоните, познати и използвани от всички, и методите за използването им с желаната точност.

Практическите реализции, преценявани като най-добри, трябва да се оповестяват.

Препоръчва се представянето на библиографична справка, или приложения, съдържащи подробни описания, и, ако е възможно, начините за използване на средствата за измерване, предпазните мерки, които трябва да се вземат, за да се получат по-добри измервания, грешките, които трябва да се избегнат, и т. н.

3.2. Грешката върху истинската стойност на еталоните и върху резултатите от измерванията, осъществени на всяко ниво от йерархичната схема.

Трябва да се определи естеството на грешките, техният възходящ ред и границите, които е желателно да не преминават, като се държи сметка за напредъка на науката и техниката в съответната област.

Тези граници произтичат от съпоставянето на:

- грешките при прилагането на определението на единицата, или от стойността на нейното материално представяне,

- оценяване на грешките (систематични и случайни), които могат да се направят при осъществените измервания на всяко ниво от йерархичната схема.

За обикновените измервателни уреди трябва да се въздържаме да индицираме максимално допустимите грешки, тъй като те са вече фиксирани от Международните рекомендации, или от националните нормативни документи, и тъй като те могат да бъдат модифицирани през известни интервали.

Преминаването от едно ниво на йерархичната схема на друго следващо ниво се придружава от намаляване на точността на еталона. От техническа гледна точка, не изглежда реалистично желанието да се фиксира съотношението между отклоненията в точността на еталоните от въпросните две нива.

Това съотношение може да варира от 2 до 10, в зависимост от съответната величина. За някои величини измерванията представляват такива трудности, че да се усъвършенства точността в съотношение 2 представлява значителен прогрес. Напротив, за други величини техниката позволява да се надхвърли понякога съотношението 10 при преход от едно ниво в друго.

3.3. Еталони за различни обхвати от стойности на дадена величина.

На някои нива от йерархичната схема понякога е необходимо да се дефинират няколко обхвата на величината, при които използваните еталони ще бъдат различни.

Например, за налягане живачният манометър с интерференчни измервания представлява един отличен еталон за наляганията, намираши се по стойност между 10³ и 10⁵ Pa. За по-високи налягания се използват манометри с бутало. За налягания, близки до ваккум, техниките за измерване и уредите ще бъдат напълно различни.

Следователно, необходимо е да се фиксират възможно най-добре обхватите на въпросната величина, а така също и грешките, за които трябва да следим да не бъдат надвишавани във всеки един от тези обхвати.

Съседните обхвати трябва да се съпоставят, и да представят една обща зона, в която могат да бъдат сравнявани резултатите от измерванията, осъществени с еталоните, използвани в тази обща зона.

3.4. Връзка между еталоните

3.4.1. Най-общо, йерархичните схеми препоръчват да се преминава от едно ниво на друго, като се калибрира даден измервателен уред от ниво n с помощта на измервателен уред от ниво n-1.

3.4.2. Връзката между два еталона от едно и също ниво може да се осъшестви:

- или като се пренесе единият еталон до другия,

- или като се използва един преносим еталон за сравнение, наречен пътуващ еталон, който се сравнява последователно с двата еталона, които се изследват,

- или като се сравняват едновременно тези два еталона с един и същи физически феномен.

Всяка лаборатория прилага свои собствени методи за калибриране, така, че сравнението да се извършва едновременно върху еталоните и върху лабораторните методи.

Допълненение: Примери за пътуващи еталони:

- еталон за съпротивление;

- система за измерване на газ при високо налягане, който циркулира в тръбопроводи, които последователно са били изпитвани в различни страни;

- преносима аргонова дъга и лампи с деутерий, в радиометрията, в ултравиолетовата област;

- стандартни образци: топчета от стомана, кристал и др.

- верига за измерване на ускорението, като всяка една съдържа преобразувател на ускорение, усилвател на заряда, свързващ кабел, за сравнение на датчиците за ускорение със средни честоти. ñ

3.5. Постоянство на еталоните и възпроизводимост на измерванията.

Постоянството може да се приеме кат първично качество на даден еталон, тъй като то е в основата на възпроизводимостта на измерванията. То трябва да се констатира. Всяко отклонение, ако има такова, трябва да се изчисли и сигнализира по начин, който да предупреди метрологичните служби да внимават и да се предпазят от повече или по-малко бързи вариации в стойността на еталона. Процедурите по проверката на постоянството на еталоните трябва да бъдат уточнени.

3.6. Периодичност на калибровките за всички нива.

Необходимо е в йерархичните схеми да се посочи периодичността, според която еталоните от различни нива трябва да се подлагат на нови калибровки, за да запазят своята точност. Тази периодичност се определя в зависимост от постоянството на еталоните, от тяхната употреба, от тяхното съхраняване и консервиране, и от класа им на точност.

3.7. Разпоредби, които се препоръчват за съхраняване на еталоните.

Общите условия за съхраняване на еталоните трябва да фигурират в йерархичната схема, а така също и специалните условия за съхраняване, манипулиране и използване на еталоните с по-висока точност.

Тези условия са уточнени и развити в документа, разработен от секретариата на МОЗМ SP 23 – Sr 2 “Принципи за официално признаване, за използване и за съхраняване на еталоните”.

ПРИЛОЖЕНИЕ I

НАЦИОНАЛНА ЙЕРАРХИЧНА СХЕМА

(пример без ниво 4)

Възпроизводимост

на материализцията

на единицата

s = ……

Уреди и методи за сравнение

Ниво 1

Граниици на точност:....

Ниво 2

Заб.:в много от случаите тези средства могат да бъдат идентични

Граници на точност: ....

Ниво 3

Обикновени измерватени уреди

Обикновени измервателни уреди

Граници на точност: ....

ПРИЛОЖЕНИЕ I I

ПРИМЕР ЗА ПРАКТИЧЕСКО РЕАЛИЗИРАНЕ НА ЙЕРАРХИЧНА СХЕМА: ВЕРИГИ ЗА КАЛИБРИРАНЕ

Една верига за калибриране (за дадена величина) е съставена от група от еталони и уреди за сравнение на тези еталони помежду им. Това дава възможност за свързване на измерванията, осъществени в промишлеността, с тези от лабораторията, която е пазител на първичния национален еталон, т.е. осъществяване на проследимост на работните измервателни уреди до националния еталон.

Една верига за калибриране се изгражда съгласно теоретичната основна схема, описана в настоящия Документ, като се държи сметка за особеностите на всяка държава, която я използва.

Следователно, тя съдържа нивата на йерархичната схема, но не е възможно да се даде описание на еталоните, без намесата на лабораториите, в които те се съхраняват, и без да се уточни тяхната роля във веригата за калибриране.

Тяхният брой, тяхното географско разпределение в страната, природата и броят на еталоните, които се пазят, няма да са същите, когато се касае за федерация от държави, за страна с централизирана структура, за страна с твърде голяма територия, или страна с малка територия.

Ето защо примерът за реализиране в национален план, даден по-долу, може да има само характер на ръководство.

1. Нива 1 и 2.

1.1. Тези нива обикновено се представят от лабораториите, които съхраняват първичните и вторичните еталони на съответната страна и които ние ще наричаме първични лаборатории.

Националните еталони са еталони, признати с официално национално решение да служат като база при определяне на стойностите на всички други еталони в дадена страна.

1.2. Лабораторията, която съхранява и поддържа националния еталон за определена величина, се нарича първична национална лаборатория. Тя има също така и вторични еталони, които представляват нейните образцови еталони (еталони за сравнение).

Квалификацията “национална” показва, че въпросната лаборатория е получила в своята страна официално признание да съхранява и поддържа националния еталон за съответната величина.

Нейната задача е:

- да съхранява, и ако е възможно, да усъвършенства еталоните от нива 1 и 2,

- да гарантира възможно най-добро представяне на производните и кратните на единиците, било посредством тяхното материализиране, било посредством образцови методи.

- да проектира и да прилага в действие методи за сравнение на еталони, и да им определя грешките.

Забележки:

а) Възможно е други лаборатории освен първичната национална лаборатория да пазят първични и вторични еталони. Всички тези първични еталони трябва да са свързани с първичните национални еталони. Именно такова е положението в държавите-федерации или в държавте с голяма територия.Там има няколко първични лаборатории с първични и вторични еталони. Въпреки това, има само един национален еталон за една и съща величина.

б) Когато има един международен еталон, така както е с прототипа на килограма, който се пази в Международното бюро за мерки и теглилки, еталоните, които се сравняванют с него, могат да се смятат, от международна гледна точка, като вторични еталони. Но в национален план те представляват първични еталони. Единият от тях е националният еталон.

2. Ниво 3.

2.1. Еталоните, намиращи се в други официални лаборатории, които не са първичните лаборатории, служат за калибриране на работните еталони или на обикновените средства за измерване.

Тези лаборатории от висок ранг са често пъти лаборатории с научен характер, които извършват фундаментални или приложни научни изследвания.

По изключение, това са също така и метрологични служби на някои големи производства, които са признати официално и са свързани директно с първичните лаборатории.

Националната метрологична служба по законова метрология обикновено се поставя на ниво 3, тъй като нейните еталони са свързани с вторичните еталони на първичните национални лаборатории.

Притежаването на еталони от ниво 3 обикновено е достатъчно за тези служби, чиято активност е главно върху измервателните уреди, използвани в промишлеността и търговията.

Въпреки това, в някои страни Националната служба по законова метрология пази първични еталони, и понякога национални първични еталони за основни величини като маса, дължина и т.н. По този начин те стават национални първични лаборатории за тези величини.

Тази позиция в йерархията на лабораториите дава на Националната служба по законова метрология официалната компетенция за извършване на калибриране на всички измервателни уреди за дадена величина.

2.2. Случва се преминаване пряко от ниво 3 към обикновените измервателни уреди, което ще рече, че еталоните от ред 3 се използват директно за калибриране или проверка на обикновени измервателни уреди, които са нови, поправени или работещи.

Тази ситуация е лесно изпълнима в страни, които са слабо индустиализирани и разползгат с малък брой метрологични лаборатории.

3. Ниво 4.

За страните, в които има достатъчна индустриална мощност, се препоръчва създаването на четвърто ниво.

Всъщност, един голям брой промишлени предприятия разполагат с голямо количество измервателни уреди за нуждите на своите лаборатории и служби. Трудно е да си представим, че всичките тези измервателни уреди ще се сравняват директно с еталоните от ниво 3.

Това предприятие има нужда да притежава свои собствени еталони, които служат за калибриране, или за проверка на обикновените измервателни уреди. Тези еталони от ред 4 трябва да се включат във веригата за калибриране и да бъдат калибрирани посредством сравнение с еталоните от ниво 3.

Метрологичната служба на предприятието се задължава:

- да пази и съхранява еталоните от ниво 4 и да следи те да бъдат периодически сравнявани с еталоните от ниво 3.

- да извършва калибрирането на еталоните от ниво 5, които се използват като работни еталони.

В тези предприятия се създават вътрешни вериги за калибриране, свързани с националните вериги, и чрез посредничеството на първичните лаборатории, свързани със съществуващите международни вериги.