Одной из основных форм поддержания СИ в метрологически исправном состоянии является его периодическая поверка. Она проводится метрологическими службами согласно правилам, изложенным в специальной нормативно-технической документации. Периодичность поверки должна быть согласована с требованиями к надежности СИ. Поверку необходимо проводить через оптимально выбранные интервалы времени, называемые межповерочными интервалами (далее — МПИ).
Момент наступления метрологического отказа может выявить только поверка СИ, результаты которой позволят утверждать, что отказ произошел в период времени между двумя последними поверками. Величина МПИ должна быть оптимальной, поскольку частые поверки приводят к материальным и трудовым затратам на их организацию и проведение, а редкие могут привести к повышению погрешности измерений из-за метрологических отказов.
Межповерочные интервалы устанавливаются в календарном времени для СИ, изменение метрологических характеристик которых обусловлено старением и не зависит от интенсивности эксплуатации. Значения МПИ рекомендуется выбирать из следующего ряда: 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 9; 12; К месяцев, где К — целое положительное число. Для СИ, у которых изменение MX является следствием износа его элементов, зависящего от интенсивности эксплуатации, МПИ назначаются в значениях наработки.
При нахождении МПИ выбирается MX, определяющая состояние метрологической исправности средства измерений. В качестве таких характеристик, как правило, используются основная погрешность, СКО случайной составляющей погрешности и некоторые другие. Если состояние метрологической исправности определяют несколько MX, то из них выбирается та, по которой обеспечивается наибольший процент брака при поверках.
Вопросу обоснованного выбора продолжительности МПИ посвящено большое число работ. В настоящее время существуют три основных пути их определения:
- на основе статистики отказов;
- на основе экономического критерия;
- произвольное назначение первоначального МПИ с последующей корректировкой в течение всего срока службы СИ.
Выбор конкретного метода определения продолжительности МПИ зависит от наличия исходной информации о надежности и стабильности СИ. Первый способ является эффективным при условии, что известны показатели метрологической надежности. При известных параметрах моделей МПИ определяется моментом выхода погрешности за нормируемый для данного СИ допуск. Однако большой разброс параметров и характеристик процессов старения СИ приводит к большой погрешности расчета МПИ с помощью таких моделей.
Применение методов расчета МПИ, основанных на статистике скрытых и явных отказов, требует наличия большого количества экспериментальных данных по процессам изменения во времени MX средств измерений различных типов. Такого рода исследования весьма трудоемки и занимают значительное время. Этим объясняется тот факт, что опубликованных статистических данных о процессах старения приборов различных типов крайне мало. В технических описаниях СИ, как правило, приводится средняя наработка до отказа, средний или гамма-процентный ресурс и срок службы. Этого явно недостаточно для расчета МПИ.
Определение межповерочного интервала по экономическому критерию состоит в решении задачи по выбору такого интервала, при котором можно минимизировать расходы на эксплуатацию СИ и устранять последствия от возможных ошибок, вызванных погрешностями измерения. Исходной информацией для определения МПИ служат данные о стоимости поверки и ремонта СИ, а также об ущербе от изъятия его из эксплуатации и от использования метрологически неисправного прибора. Основная сложность применения этого метода состоит в следующем. Затраты на ремонт и поверку СИ достаточно легко определяются по нормативным документам. В отличие от них потери из-за использования приборов со скрытым метрологическим отказом на практике, как правило, неизвестны. Приходится прибегать к приближенным моделям, описывающим затраты на эксплуатацию СИ со скрытыми метрологическими отказами в виде функции потерь того или иного вида.
Для определения МПИ по экономическому критерию можно использовать рекомендации МИ 2187—92.
Наиболее простым является метод, состоящий в произвольном назначении МПИ с последующей корректировкой его величины. В этом случае при минимальной исходной информации назначается первоначальный интервал, а результаты последующих поверок являются исходными данными для его корректировки.
Первый МПИ выбирается в соответствии с рекомендациями нормативных документов государственных и ведомственных метрологических служб.
Последующие значения МПИ определяются путем корректировки первого интервала с учетом результатов проведенных поверок большого числа однотипных СИ.
Данный метод рассмотрен в рекомендации МИ 1872—88 и в международном стандарте ИСО 10012—1, содержащем требования, гарантирующие качество измерительного оборудования.
Выбор средств измерения
При выборе СИ учитывают совокупность метрологических
- цена деления,
- погрешность,
- пределы измерений,
- измерительное усилие;
эксплуатационных и экономических показателей, к которым относятся:
- массовость (повторяемость измеряемых размеров),
- доступность их для контроля,
- стоимость и надежность СИ,
- метод измерения,
- время, затрачиваемое на настройку,
- процесс измерения,
- масса,
- габаритные размеры,
- рабочая нагрузка,
- жесткость объекта контроля,
- шероховатость его поверхности,
- режим работы и т. д.
Основная трудность технико-экономического подхода при выборе СИ заключается в том, что сам процесс измерения не сопровождается непосредственным созданием материальных ценностей. Учитывая также различные цели контрольно-измерительных операций и их различную принадлежность к этапам жизненного цикла (производство, эксплуатация, ремонт) технических срдств (далее ТС), очевидно, невозможно предложить единую методику выбора СИ. Однако некоторые общие принципы выбора на основании накопленного опыта сводятся к следующим положениям:
- Для гарантирования заданной или расчетной относительной погрешности измерения относительная погрешность СИ должна быть на 25—30 % ниже, чем заданная относительная погрешность.
- Выбор СИ зависит от масштаба производства или количества находящихся в эксплуатации однотипных (одноименных) ТС.
- Например, в массовом производстве с отработанным технологическим процессом, включая контрольные операции, используют высокопроизводительные механизированные и автоматизированные средства измерения и контроля. Универсальные СИ применяются преимущественно для наладки оборудования.
- В серийном производстве основными средствами контроля должны быть жесткие предельные калибры, шаблоны, специальные контрольные приспособления. Возможно применение универсальных СИ.
- В мелкосерийном и индивидуальном производстве основными являются универсальные СИ, поскольку применение других организационно и экономически невыгодно: неэффективно будут использоваться специальные контрольные приспособления или потребуется большое количество калибров различных типоразмеров.
- Метод измерения, определяемый целью контроля, выдвигает требования к СИ по базировке: если контролируется точность технологического процесса, то выбирают СИ для технологических баз; если ТС контролируется с точки зрения эксплуатации, то СИ выбирается под эксплуатационные базы.
- При выборе СИ по метрологическим характеристикам необходимо учитывать следующее:
- Если технологический процесс неустойчив, т. е. возможны существенные отклонения измеряемого параметра за пределы поля допуска, то нужно, чтобы пределы шкалы СИ превышали диапазон рассеяния значений параметра.
- Цена деления шкалы должна выбираться с учетом заданной точности измерения. Например, если размер необходимо контролировать с точностью до 0,01 мм, то и СИ следует выбирать с ценой деления 0,01 мм, так как СИ с более грубой шкалой внесет дополнительные субъективные погрешности, а с более точной — выбирать не имеет смысла из-за удорожания СИ. При контроле технологических процессов должны использоваться СИ с ценой деления не более 1/6 допуска на изготовление.
- Поскольку качество измерения определяется величиной относительной погрешности, т. е. с уменьшением измеряемой величины относительная погрешность увеличивается (качество измерения ухудшается). Следовательно, качество измерений на разных участках шкалы неодинаково.
Поэтому при измерениях рабочий участок шкалы СИ должен выбираться по правилу: относительная погрешность в пределах рабочего участка шкалы СИ не должна превышать приведенную погрешность более чем в 3 раза. Из этого правила следует: - при односторонней равномерной шкале с нулевой отметкой в ее начале рабочий участок занимает последние две трети длины шкалы;
- при двусторонней шкале с нулевой отметкой посредине — последнюю треть каждого сектора;
- при шкале без нуля рабочий участок может распространяться на всю длину шкалы.
В пределах рабочего участка шкалы наибольшая возможная абсолютная погрешность равновероятна на всех отметках. Таким образом, при выборе СИ важно определить рабочий участок шкалы и ее цену деления. Последняя зависит от класса точности СИ и числа делений шкалы.
Если класс точности СИ определяет наибольшую допустимую погрешность с заданной вариацией, то цена деления должна учитывать эту вариацию, а именно: должна быть равна удвоенному значению приведенной погрешности СИ.
Исходя из требований удобства считывания показаний, допускается использование более крупных делений шкалы, но обязательно кратных (в пределах
2—10). Кроме того, цена деления должна составлять целое число единиц измеряемой величины (1, 2, 5, 10 и т. д.).
- К регистрирующей аппаратуре предъявляются следующие основные требования.
- Сигнал, проходящий через СИ, должен сохранять необходимую информацию, не подвергаться искажению и отделяться от помех.
- Первичные преобразователи (датчики) должны потреблять минимум энергии от объекта измерения, и их подключение не должно нарушать его нормальной работы. Особые требования предъявляются к точности и чувствительности датчиков, так как эти низкие показатели сведут на нет все усилия по повышению точности измерений.
- Носитель информации должен иметь достаточный объем для регистрации всех необходимых сведений.
- Регистрирующая аппаратура должна обеспечивать получение информации в возможно сжатые сроки.
Если аппаратура не может одновременно удовлетворять всем предъявляемым требованиям, то выбираются наиболее важные из них, позволяющие наилучшим образом справиться с выполнением поставленной задачи.
Оценка погрешности измерений и выбор СИ зависят также от цели измерений. При этом понятие измерения является общим для таких специфических операций, как испытание, контроль, диагностирование и прогнозирование технического состояния объекта (продукции).
Диагностирование — процесс распознавания состояния системы в настоящий момент. Прогнозирование есть определение признаков технического состояния объекта на будущий момент или интервал времени.
Изучение принципов диагностирования и прогнозирования является предметом специальных дисциплин. Поэтому остановимся лишь на соотнесении понятий испытания, контроля и измерения.
Испытанием называется экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него при его функционировании, а также моделировании объекта и (или) воздействий (ГОСТ 16504—81). Экспериментальное определение характеристик свойств объекта при испытаниях может проводиться путем использования измерений, оценивания и контроля.
Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства и функционирования. В зависимости от вида продукции и программы испытаний объектом может быть как единичное изделие, так и их партия. Объектом испытания может также быть макет или модель изделия.
Важнейшим при проведении любых испытаний является задание требуемых реальных или моделируемых условий испытаний.
Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. В нормативно-технических документах на испытания конкретных объектов должны быть определены нормированные условия.
Существует большое число разновидностей испытаний. Они классифицируются по различным признакам.
По назначению испытания делятся на:
- исследовательские,
- контрольные,
- сравнительные,
- определительные.
По уровню проведения различают следующие категории испытаний:
- государственные,
- межведомственные,
- ведомственные.
По виду этапов разработки испытуемой продукции различают:
- предварительные,
- приемочные испытания.
В зависимости от вида испытаний готовой продукции их подразделяют на:
- квалификационные,
- приемосдаточные,
- периодические,
- типовые.
Целью испытаний следует считать оценку истинного значения параметра (характеристики) в заданных номинальных условиях испытания. Условия испытаний практически всегда отличаются от реальных. Следовательно, результат испытания всегда имеет погрешность, возникающую не только из-за погрешности определения искомой характеристики, но и из-за неточности установления номинальных условий испытания.
Результатом испытаний называется оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям, данные анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний. Результат испытаний характеризуется точностью — свойством испытаний, показывающим близость их результатов к действительным значениям характеристик объекта в определенных условиях испытаний.
Между измерением и испытанием существует большое сходство: во-первых, результаты обеих операций выражаются в виде чисел; во-вторых, погрешности и в том и в другом случае могут быть выражены как разности между результатами измерений (испытаний) и истинными значениями измеряемой величины (или определяемой характеристики при номинальных условиях эксплуатации).
Однако с точки зрения метрологии между этими операциями имеется значительная разница: погрешность измерения является только одной из составляющих погрешности испытания. Поэтому можно сказать, что испытание — это более объемная операция, чем измерение. Измерение можно считать частным случаем испытания, при котором условия испытаний не представляют интереса.
Контроль — это процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам. Сущность всякого контроля состоит в проведении двух основных этапов. На первом этапе получают информацию о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эта информация называется первичной. На втором этапе первичная информация сопоставляется с заранее установленными требованиями, нормами, критериями. При этом выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация об их расхождении называется вторичной. Она используется для выработки соответствующих решений по поводу объекта контроля. В ряде случаев граница между этапами контроля неразличима. При этом первый этап может быть выражен нечетко или практически не наблюдаться. Характерным примером такого рода является контроль размера детали калибром, сводящийся к операции сопоставления фактического и предельно допустимого значений параметра.
Контроль состоит из ряда элементарных действий:
- измерительного преобразования контролируемой величины;
- воспроизведения установок контроля;
- сравнения;
- получения результата контроля.
Измерения и контроль тесно связаны друг с другом, близки по своей информационной сущности и содержат ряд общих операций (например, сравнение, измерительное преобразование). В то же время процедуры во многом различаются:
- результатом измерения является количественная характеристика, а контроля — качественная;
- измерение осуществляется в широком диапазоне значений измеряемой величины, а контроль — обычно в пределах небольшого числа возможных состояний;
- контрольные приборы, в отличие от измерительных, применяли для проверки состояния изделий, параметры которых заданы и изменяются в узких пределах;
- основной характеристикой качества процедуры измерения является точность, а процедуры контроля — достоверность.
Контроль может быть классифицирован по ряду признаков:
- В зависимости от числа контролируемых параметров он подразделяется на однопараметрический, при котором состояние объекта определяется по размеру одного параметра, и многопараметрический, при котором состояние объекта определяется размерами многих параметров.
- По форме сравниваемых сигналов контроль подразделяется на аналоговый, при котором сравнению подвергаются аналоговые сигналы, и цифровой, при котором сравниваются цифровые сигналы.
- В зависимости от вида воздействия на объект контроль подразделяется на пассивный, при котором воздействие на объект производится, и активный, при котором воздействие на объект осуществляется посредством специального генератора тестовых сигналов.
На практике большое распространение получил так называемый допусковый контроль, суть которого состоит в определении путем измерения или испытания значения контролируемого параметра объекта и сравнение полученного результата с заданными граничными допустимыми значениями. Частным случаем допускового контроля является поверка СИ, в процессе которой исследуется попадание погрешностей средства измерений в допускаемые пределы.
По расположению зоны контролируемого состояния различают допусковый контроль состояний:
- ниже допускаемого значения (x < x н);
- выше допускаемого значения (x > x в);
- между верхним и нижним допускаемыми значениями (x н < x < x в);
Результатом контроля является не число, а одно из взаимоисключающих утверждений:
- контролируемая характеристика (параметр) находится в пределах допускаемых значений, т. е. результат контроля — «годен»;
- контролируемая характеристика (параметр) находится за пределами допускаемых значений, т. е. результат контроля — «негоден» или «брак».
Отсюда следует, что при допусковом контроле возможны четыре исхода:
- принято решение «годен», когда значение контролируемого параметра находится в допускаемых пределах значений;
- принято решение «брак», когда значение контролируемого параметра находится вне пределов допускаемых значений;
- принято решение «брак», когда истинное значение контролируемого параметра лежит в пределах допускаемых значений;
- принято решение «годен», когда истинное значение контролируемого параметра лежит вне пределов допускаемых значений.
Основные принципы выбора средств измерения.
- Выбор СИ по коэффициенту уточнения. Это самый простой способ, предусматривающий сравнение точности измерений и точности изготовления (функционирования) объекта контроля.
- Выбор СИ по принципу безошибочности контроля. Предполагает предварительную оценку вероятностей ошибок первого и второго рода.
- Выбор СИ с учетом безошибочности контроля и его стоимости. Осуществляется как метод оптимизации по критериям точности (классу точности или абсолютной предельной погрешности) СИ, его стоимости и достоверности измерения.
- Выбор СИ по технико-экономическим показателям. Является предпочтительным при эксплуатационном контроле ТС, поскольку позволяет принять во внимание, как метрологические характеристики СИ, так и технико-экономические показатели эксплуатации самой ТС с учетом ее ресурса, межконтрольной наработки, издержки на ремонт и техническое обслуживание.