Отвечая на новые вызовы

Поверка и калибровка приборов в XXI веке: интересы промышленности

Анатолий Кривов,
заместитель директора АО «НПФ «Диполь»,
председатель Межотраслевого совета по прикладной метрологии и приборостроению,
председатель ТК по стандартизации ТК 072 «Электростатика»
ask@dipaul.ru

В практике прикладной метрологии всегда преобладала контрольная функция, обеспечивающая сведения о пригодности применяемых приборов. Поэтому приоритет поверки приборов в перечне метрологических задач не подвергался сомнению. С конца прошлого столетия развитие информационных технологий привело к скачкообразному и непредсказуемому в будущем росту количества и точности измерений во всех объектах техногенной и природной среды. Возникла объективная потребность в знании, насколько средство измерений гарантирует их точность в конкретный момент и конкретном месте. В результате активно развивается деятельность по калибровке средств измерений с оценкой точности ее результатов. В отличие от поверки средства измерения, под которой традиционно понимается подтверждение того, что прибор полностью удовлетворяет установленным требованиям по величине погрешности, калибровка предполагает выполнение нескольких более сложных процедур. В соответствии с международным словарем [1], калибровка средства измерения — двухэтапная процедура, в ходе которой на первом этапе устанавливают соотношение между значениями величин с неопределенностями измерений, которые обеспечивают эталоны, и соответствующими показаниями с присущими им неопределенностями, а на втором этапе — устанавливают соотношение, позволяющее применять результат измерения, исходя из показания. В этом определении присутствует новое понятие «неопределенности измерений», которое, в свою очередь, является порождением современного этапа прикладной метрологии. Оно введено, чтобы учитывать все меняющиеся в пространстве и во времени факторы, которые могут повлиять на результат измерения величины.

История калибровочной деятельности в нашей стране насчитывает чуть более двух десятилетий. В настоящее время мы имеем несколько определений калибровки, отличных от применяемых за рубежом. Наиболее часто применяется определение из Федерального закона «Об обеспечении единства измерений» [3]: «Совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений». Позже в словаре для метрологов стран СНГ появилось определение калибровки как совокупности операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью калибруемого прибора, и значением величины, определенным с помощью эталона, с целью определения метрологических характеристик этого средства измерений [4]. Отечественное метрологическое законодательство, нормативное и методическое обеспечение, практика калибровочных работ не в полной мере соответствуют содержанию международных документов, а внедрение новых требований к калибровке в отечественную практику носит несистемный характер. Среди актуальных направлений прикладной метрологии, развитие которых тормозится отсутствием единого и гармонизированного с международной практикой подхода к калибровке, особого внимания заслуживают:

• внедрение современных методов управления (менеджмента) измерений на предприятиях промышленности по показателям точности [5];
• обеспечение компетентности испытательных и калибровочных лабораторий по ИСО 17025 [6];
• проверка квалификации лабораторий путем межлабораторных сличительных испытаний [7];
• признание результатов измерений в рамках совместных научных и технологических проектов, кооперации технологических процессов.

Актуальность развития калибровки в соответствии с принятым в мировой практике подходом не подвергается сомнениям в экспертном сообществе и представителями федеральных органов исполнительной власти. Однако реальный рост калибровочных работ не наблюдается, а количество аккредитованных калибровочных лабораторий снижается. Серьезным препятствием является отсутствие единого понимания содержания, места и роли калибровки во всей совокупности задач по обеспечению единства измерений, которое должно быть реализовано в виде стандартов требований к процедуре калибровки средств измерений и эталонов, оценки компетентности и организации работы калибровочных лабораторий. В большинстве случаев применения средств измерений необходимо не только решать задачу прослеживаемости измерений (через полученные калибровочные характеристики), но и оценивать соответствие погрешности приборов установленным нормативным требованиям и требованиям документации (обеспечивается поверкой). Разделение этих задач и отдельная организация калибровочных и поверочных работ связано с существенными финансовыми и трудовыми затратами. При этом зарубежный опыт показывает, что эти две задачи можно совместить.

В зарубежных странах требования к процедурам калибровки ориентированы на общепринятое определение калибровки [1] и требования ИСО 17025 [6], но реализация этих требований существенно различается в разных странах. Наиболее интересными для нас в калибровочной практике за рубежом являются различные варианты включения в процедуры калибровки приборов операций по оценке их соответствия спецификациям приборов или другим обязательным требованиям. Этот интерес связан с тем, что такой подход демонстрирует возможность обеспечить метрологическую прослеживаемость и подтверждение соответствия приборов в рамках единой формы регулирования — калибровки средств измерений. Для метролога промышленного предприятия не существует принципиальной разницы, как называется процедура подтверждения соответствия средства измерений — поверка или калибровка. Важно, чтобы выполнялись необходимые условия для успешного ведения бизнеса. Во-первых, это должна быть процедура, которая признается отечественными и зарубежными партнерами по бизнесу и заказчиками продукции; во-вторых, на выполнение процедуры оценки характеристик и подтверждения соответствия приборов предприятие должно один раз получать подтверждение компетентности (аккредитацию). Немаловажно также, чтобы по результатам оценки были доступны данные, необходимые для оценки неопределенности измерений в испытательных лабораториях по ГОСТ ИСО 17025 как количественного показателя компетентности. Необходимо иметь оценки неопределенности измерений для проведения сличительных испытаний калибровочных и других лабораторий по ГОСТ 17043. Очевидно, что для этих условий предпочтение целесообразно отдать калибровке средств измерений, одной из процедур которой сделать подтверждение соответствия обязательным требованиям.

Рассмотрим вариант решения такой задачи на примере стандарта ANSI/NCSL Z540.3 [8] — основного стандарта требований к калибровке измерительного и испытательного оборудования в США, разработанного на основе ИСО 17025. Как и в стандарте ИСО 17025, в американском стандарте полагается, что применяемое средство измерения должно быть не только калибровано, но и, когда это требуется, проверено на соответствие нормативным требованиям и документации. В первую очередь — на отклонение от показаний эталона, т.е. погрешность прибора не должна превышать установленную в документах величину. Стандарт ANSI/NCSL Z540.3 не только предусматривает возможность процедуры подтверждения соответствия прибора при его калибровке, но и устанавливает требования к ее достоверности. Этот подход иллюстрирует рис. 1, взятый из материалов фирмы Keysight Technologies. На нем совместно представлены величины допускаемой погрешности, расширенной неопределенности измерений при калибровке и различные ситуации соотношения величин. Отношение диапазона допускаемой погрешности калибруемого прибора к удвоенному значению расширенной неопределенности результатов его калибровки в соответствии со стандартом должно быть не менее, чем 4:1. Для распространенного случая независимых нормальных распределений случайных величин это требование соответствует вероятности признания годным несправного прибора (ошибка первого рода) не более 2%. Практически во всех сертификатах калибровки приборов, выпускаемых американскими фирмами в различных странах, указывается величина неопределенности калибровки и соответствие (или несоответствие) требованиям к погрешности, установленным в его документации.

Аналогичный подход к подтверждению соответствия приборов в процессе их калибровки применяется в других зарубежных странах. Так, например, германский документ DAKKS-DKD-5 [9] также предусматривает возможность проверки соответствия приборов требованиям спецификаций. При этом устанавливается требование к достоверности такой проверки в другом виде. Вывод о соответствии метрологическим спецификациям может быть сделан только в случае, если погрешность не превышает установленного предела, уменьшенного на величину расширенной неопределенности измерений при калибровке (рис. 2).

Приведенные примеры демонстрируют возможность различных вариантов содержания процедуры калибровки средств измерений: от простой проверки пригодности имеющейся калибровки прибора без оформления сертификата до построения новой калибровочной зависимости с оценкой неопределенности измерений и проверкой (подтверждением) соответствия прибора спецификациям изготовителя или обязательным требованиям. Основным признаком, отличающим калибровку от поверки средства измерений, в последнем случае является определение соотношения между показаниями прибора и эталона (т.е. калибровочной характеристики) с учетом их неопределенностей. Благодаря этому обеспечивается выполнение условия метрологической прослеживаемости по [3], которое является, в свою очередь, условием международного признания результатов измерений [4]. Включение операций по подтверждению соответствия приборов позволяет калибровкой заменить широко распространенную в нашей стране процедуру поверки средства измерений. Хотя эта замена сопряжена с существенным усложнением процедуры, предусматривающей оценку неопределенности измерений и ее учет при проверке погрешности прибора.

В значительной степени проблема сложной обработки результатов измерений решается путем применения автоматизированной калибровки средств измерений. Большинство зарубежных и отечественных приборостроительных компаний поставляет программное обеспечение (ПО) калибровки приборов. Уровень автоматизации ограничивается возможностью ввода показаний калибруемых приборов и совместимостью применяемых эталонов с ПО. Для электро- и радиоизмерительных приборов проблемы автоматизации калибровки не существует. В отношении других групп приборов активно ведутся разработки и уже имеются интересные технические решения.

Основными препятствиями на пути развития калибровки являются ограничения нормативно-правового регулирования метрологической деятельности и человеческий фактор. Современное отечественное законодательство устанавливает поверку в качестве единственной формы периодического подтверждения состояния средств измерений в сфере государственного регулирования, которая является беспрецедентно широкой. Большое число групп приборов подвергается обязательной поверке, в то время как за рубежом они калибруются. Кроме того, законодательство допускает использование поверки в любых других сферах экономики. Естественно, это обстоятельство не стимулирует развитие калибровки, оставляя ее на усмотрение отдельных предприятий, заинтересованных в выводе своей продукции на мировые рынки, без поддержки государственных структур. Вывод о возможности замены поверки средств измерений калибровкой не следует трактовать как рекомендацию такой замены во всех областях экономики. Она может оказаться необоснованной для ряда областей деятельности, в том числе в сфере государственного регулирования, вследствие невостребованности построения калибровочных характеристик, а также по организационным или экономическим причинам.

Развитие калибровки средств измерений невозможно без разъяснения преимуществ калибровки практикующим специалистам — приверженцам традиционной поверки. Консервативное отношение метрологов к новациям, связанным с усложнением процедур, усугубляется недостаточным методическим обеспечением калибровки, отсутствием государственной поддержки и единой методологии. Переход к широкому применению неопределенности измерений и калибровки приборов для стран Центральной и Восточной Европы в условиях существенной централизованной поддержки продолжался несколько лет. Следует надеяться, что объективные потребности развития отечественной экономики станут решающим фактором и стимулом развития калибровочной деятельности, несмотря на объективные и субъективные трудности, ограничения действующего нормативного и правового регулирования.

Литература

1. Международный словарь по метрологии: основные и общие понятия и соответствующие термины: пер. с англ. и фр. / Всерос. науч.-исслед. ин-т метрологии им. Д. И. Менделеева, Белорус. гос. ин-т метрологии. Изд. 2-е, испр. СПб.: НПО «Профессионал», 2010.
2. Совместная декларация BIPM, OIML, ILAC и ISO по метрологической прослеживаемости. 9 ноября 2011.
3. Федеральный закон № 102-ФЗ от 26.06.2008 г. «Об обеспечении единства измерений».
4. РМГ 29-2013 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения»
5. ГОСТ Р ИСО 10012 «Системы менеджмента измерений. Требования к процессам измерений и измерительному оборудованию».
6. ГОСТ ИСО 17025 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий».
7. ГОСТ ИСО 17043 «Оценка соответствия. Общие требования к проверкам квалификации».
8. ANSI/NCSL Z540.3-2006(R2013) American National Standard for Calibration — Requirements for the Calibration of Measuring and Test Equipment.
9. DAkkS- DKD-5 Anleitung zum Erstellen eines Kalibrierscheines . Neuauflage 2010.