MAŠINSKI FAKULTET U ZENICIPredmet : Ispitivanje proizvoda

Kalibracija mjernih sistema

(MJERNI UREĐAJI)

Student : Profesor:

5889/09 doc.dr. Samir Lemeš

Rezime:

Najvažnije karakteristike mjernih instrumenata i mjerne opreme se mijenjaju tokom vremena.Te promjene su uslovljene uticajima okoline, pogrešnim rukovanjem, trošenjem mjernih površina.

Kalibracija je skup operacija koje imaju za cilj uspostavljanje, pod određenim uslovima, veza između veličina koje se očitavaju na indikatoru instrumenta i odgovarajuće vrijednosti etalona. Rezultat kalibracije može se dati u vidu dokumenta npr. certifikata kalibracije. Rezultat se može izraziti kao korekcija izvršena u odnosu na pokazivanje instrumenta.

Kalibracija definiše promjene nastale na mjernom instrumentu tokom upotrebe.

Etalon je mjera, mjerilo ili mjerni sistem namijenjen određivanju, pohranjivanju i reprodukciji neke mjerne jedinice radi prenošenja njene vrijednosti na druga mjerila da bi mogla poslužiti kao referentna vrijednost.[1]

Calibracija mjernih sistema

U nekom trenutku, svi mjerni sistemii trebaju proći kalibraciju, proces u kojem se mjerenja

vrše u odnosu na vrijednosti koja se mogu utvrditi samostalno. Rezultati se mogu usporediti s

poznatim "pravim" vrijednostima i pogreške odrediti. Broj različitih vrijednosti mjerenja

potreban za kalibraciju zavisi od vrste mjernog sistema i primjene. U nekim procesima

kalibracije, vrijednost etalona je poznata jer je to standard. U ostalim procesima kalibracije,

drugi mjerni sistem poznate tačnosti može se koristiti za odrediti vrijednost etalona. Primjena

standarda je pouzdaniji pristup, ali drugi pristup je često praktičniji.

Standardi za kalibraciju mjerenja su važni za privredu jako dugo vremena jer je važno za

kupca da zna da je težina ili dužina proizvoda tačna. Relativno nedavni napredak u nauci je

dramatično povećao potrebu za standardima. Međunarodne konferencije su uspostavile

primarne standarde definirajući jedinice za sedam fizičkih veličina. Te jedinice su poznate i

kao Međunarodni sistem (SI) osnovnih jedinica

2

Slika 1.Osnovne SI jedinice

Ključne riječi: klibracija, etalon, podešavanje, greška, odstupanje, sljedivost mjerenja, procjena mjerne nesigurnosti, međuprovjere kalibracije.

Uvod

Kalibracija je skup operacija koje pod određenim uslovima utvrđuju odnos između vrijednosti koje prikazuje mjerni instrument ili mjerni sistem i odgovarajuće poznate vrijednosti referentnog standarda.

Podešavanje je smanjenje odstupanja na najmanju moguću vrijednost s ciljem optimiziranja tačnosti.

 

3

Slika 2. Elementi kalibracije

Najvažnije karakteristike mjernih instrumenata i mjerne opreme se mijenjaju tokom vremena. Te promjene su uslovljene uticajima okoline, pogrešnim rukovanjem, trošenjem mjernih površina.Mjerni instrument služi za neposredno mjerenje fizičkih mjernih veličina. Neki od uređaja za mjerenje prikazani su na slici 3.

4

Slika 3. Mjerni instrumenti

Sistemska greška

Pri ponavljanju mjerenja u približno jednakim uslovima, neki ometajući efekti djeluju uvijek u istom pravcu, prouzrokujući greške koje u toku mjerenja imaju uvijek isti znak i približno istu veličinu. To su sistematske greške mjerenja. Za sistematske greške mjerenja je karakteristično da se njihovi uzroci mogu otkriti i u velikoj mjeri smanjiti.

Uzroci sistematskih grešaka mogu poticati od: samog mjernog uređaja (loša kalibracija, starenja komponenti, i sl.), okolnih uticaja (promjena temperature, vlažnost, blizina metalnih

predmeta, jaka električna i magnetna polja, i sl.), osobe koja mjeri (nepravilan ugao pri posmatranju kazaljke, rad na

pogrešnom opsegu, itd.)

Sistemska greška javlja se uvijek u slučaju kada mjerni instrument nije kalibriran ili kada postoji znatan uticaj spoljašnjih faktora u postupku mjerenja. Kalibriranjem mjernog uređaja može se ukloniti mogući uzrok pojave sistematske greške. To se ostvaruje na različite načine, a najprostije je vršiti više uzastopnih mjerenja nekog poznatog etalona instrumentom koji se kalibrira.Kalibracija je skup operacija koje imaju za cilj uspostavljanje, pod određenim uslovima, veza između veličina koje se očitavaju na indikatoru instrumenta i odgovarajuće vrijednosti etalona. Etaloni su materijalizovane mjere, mjerila ili mjerni sistemi koji su namijenjeni da se definira, ostvari, čuva i reproducira jedna ili više vrijednosti jedne veličine da bi služila kao referentna vrijednost (slika3).

5

Slika 4. Prototip metra iz 1889 godine[4]

Kalibracija definiše promjene nastale na mjernom instrumentu tokom upotrebe. Kako bismo znali koliko uređaj odstupa, potrebno ga je redovno kalibrisati i to sa materijalima koji su slijedivi do nacionalnih ili međunarodnih standarda. Naravno, sve vrijednosti moramo i redovno dokumentirati. Rezultat kalibracije može se dati u vidu dokumenta npr. certifikata kalibracije. Rezultat se može izraziti kao korekcija izvršena u odnosu na pokazivanje instrumenta. Kalibracija ne znači da instrument radi u skladu sa njegovom specifikacijom. Osnovni koncept osiguranja kvaliteta je kalibracija mjernih instrumenata. Ispitivanje opreme važno je kako bi se potvrdilo da oprema kojom nešto mjerimo ''tačno'' mjeri. Odnosno, da se pokaže koliko ta oprema griješi. Ta greška se onda može koristiti u daljnjim izračunima i mjerenjima s tom opremom.Ne postoji niti jedan uređaj na svijetu koji mjeri sa tačnošću od 100%. Svi oni griješe, i to je normalno. Samo je pitanje koliko griješe, koliko im je odstupanje, i sa kojom mjernom nesigurnošću je to izračunato.

6

Slika 5. Fieldcheck“ višenamjenski uređaj za kalibraciju na terenu

Kalibrirati mjerni instrument znači odrediti koliko je odstupanje, odnosno greška očitavanja na instrumentu u odnosu na etalon sa kojim se upoređuje. Kalibracija obično ne znači poboljšanje. Ona samo daje informaciju o grešci opreme u odnosu na prihvaćenu referentnu vrijednost koju mjerni instrument (sredstvo) treba da ima. Posljedica kalibracije je odluka koju donosi korisnik mjerne opreme koji odlučuje da li je oprema dovoljno dobra da se sa njom mogu vršiti sigurna mjerenja. Sistem kvaliteta zahtijeva da se vrši kalibracija mjernih sredstava u odnosu na etalone čija je tačnost veća od tačnosti opreme koja se kalibrira. Postupak kalibracije izvodi se po određenoj proceduri i uz korištenje izabranih metoda. U industrijskoj metrologiji ključni zahtjev za mjerne uređaje je njihova kalibracija i međuprovjere kalibracija u intervalu između kalibracija. Uobičajeno, kalibracije provode akreditovane nacionalne i međunarodne kalibracione laboratorije. U metrološkoj praksi potpuno je prihvatljiva i interna kalibracija mjernih uređaja. Pri tome se sam postupak kalibracije mora provesti kao i u slučaju akreditovane laboratorije, što podrazumijeva zadovoljenje zahtjeva u pogledu sljedivosti mjerenja i procjene mjerne nesigurnosti. U dva slučaja iz vlastite prakse, prihvaćena od međunarodnog akreditora, prikazan je postupak interne kalibracije hronometra i mjerača zacrnjenja, procjena mjerne nesigurnosti, sljedivost mjerenja i provođenje međuprovjera kalibracije. Posebno je razmotrena i diskutovana industrijska metrološka praksa u ovoj oblasti.

7

Kalibracijom, ukoliko se vrši u odnosu na odgovarajući etalon ostvaruje se sljedivost mjernog sredstva u odnosu na taj etalon. Kalibracija predstavlja osnovno sredstvo u obezbjeđenju sljedivosti mjerenja. Kalibracijom se određuju metrološke karakteristike mjernog uređaja.

Danas postoje mnogi laboratoriji koji mogu kalibrisati opremu, sa većom ili manjom mjernom sposobnošću. Mjerne sposobnosti svakog kalibracionog laboratorija javno su dostupne, te po njima možete vidjeti odgovara li pojedini kalibracioni laboratorij potrebama.Kalibracioni laboratoriji moraju imati program kalibracije opreme koja obezbjeđuje da su svi rezultati kalibracija i mjerenja koja laboratorij sprovodi sljedivi do SI jedinica i dati standardom BAS EN ISO /IEC 17025:2006. Prilikom odabira kalibracionog laboratorija, moramo obratiti pažnju na sljedeće:

da li je laboratorij akreditiran odgovaraju li nam metode koje koristi odgovara li nam opseg mjerenja i mjerna sposobnost koju nudi

Ispitni laboratoriji moraju imati program kalibracija opreme koja se koristi pri ispitivanju i za koju je ustanovljeno da je doprinos mjerne nesigurnosti te opreme u ukupnoj mjernoj nesigurnosti rezultata ispitivanja značajan,odnosno da se ne može zanemariti. Kako bi podaci mjerenja bili što tačniji, oprema koju koristimo za mjerenje mora se redovno održavati i kalibrisati, u određenim vremenskim intervalima.Često se postavlja pitanje, koliko često je potrebno kalibrisati opremu?

Ne postoji jedan tačan odgovor na ovo pitanje, jer kalibrisanjem dobivamo samo sliku trenutnog stanja, koje zavisi o nizu faktora koji uključuju slijedeće:

Raspon mjerenja i dozvoljenu toleranciju Razinu stresa kojem je oprema svakodnevno izložena Stabilnost podataka iz prijašnjih kalibrisanja Zahtjevanu tačnost mjerenja Zahtjeve osiguranja kvalitete

Sve u svemu, korisnik sam mora uzeti u obzir sve faktore koji mu utječu na opremu, te odrediti period kalibrisanja. Najbolje bi bilo što češće, jer bi tako bili sigurniji u svoje podatke. Tako da se obično preporučuje period od godine dana.

Svaki korak u toku izvođenja kalibracije,počev od prijema predmeta kalibracije pa sve do izdavanja kalibracionog certifikata, je važan i može uticati na kvalitet kalibracije.

8

PRIMJER KALIBRACIJE(pomično mjerilo):

Postupak kalibracije sa analizom parametara koji utiču na mjernu nesigurnost, prikazan je na primjeru univerzalnog pomičnog mjerila sa nonijusom, rezolucije 0,02 mm i nominalne dužine 150 mm(slika 3).

Slika 4. Pomično mjerilo [5]

Pomično mjerilo, prikazano na slici 3, je mjerni instrument koji je široko rasprostranjen u industriji, a namijenjen je za spoljašnje mjerenje, unutrašnje mjerenje i mjerenje dubine.Sadrži dvije skale, glavnu koja se nalazi na mjernom lenijaru, i posebno izgraviranu pomoćnu skalu nonijus.Kalibracija navedenog pomičnog mjerila je sprovedena uz pomoć slijedeće mjerne i pomoćne opreme:

Garniture planparalelnih graničnih mjera (PGM) od 0,5 mm do 100 mm, Mjerne ploče, Kontrolnog mjernog prstena, Jednoosne mjerne mašine, Lupe sa osvjetljenjem, Nožastog ravnala.

Kalibracija obuhvata vizuelnu provjeru i čišćenje, provjeru funkcionalnosti, provjeru pokazivanja mjernih površina za spoljašnje i unutrašnje mjerenje, provjeru pokazivanja mjerne igle za dubinu, provjeru ravnosti i paralelnostimjernih površina. Radna temperatura za izvođenje kalibracije je 20 ºC ±1 ºC a vlažnost od 40 do 60 %.Nakon završene kalibracije, rezultati sprovedenih mjerenja se unose u zapisnik, a konačni rezultati se upisuju u uvjerenje o kalibraciji.Rezultat kalibracije je biti kompletan ukoliko uvjerenje o kalibraciji sadrži mjernu nesigurnost.

9

Da bi proračunali mjernu nesigurnost pomičnog mjerila, neophodno je identifikovati izvore nesigurnosti procesa kalibracije.

Matematički model:

Ex=lix-ls+Ls×α0× δ+Ls× Δt× δαf+ δlixl+ δlm

Ulazne veličine su:lix - pokazivanje pomičnog mjerilals - dužina etalona - planparalelne granične mjere (PGM)Ls - nominalna dužina PGMα0 - prosječan koeficijent temperaturnog širenja pomičnog mjerila i PGMδαf- razlika u koeficijentu temperaturnog širenja pomičnog mjerila i PGMδt- razlika u temperaturi između pomičnog mjerila i PGMΔt - odstupanje temperature laboratorije od referentne temperature t0= 20 ºCδlixl - korekcija usled rezolucije pomičnog mjerilaδlm - mehanički uticaji (primijenjena mjerna sila, Abbeova greška, greške ravnosti i paralelnosti mjernih površina)

Prikazani rezultati se odnose na nesigurnost mjerenja za pokazivanje pomičnog mjerila u tački koja mjeri 100 mm. Mjerilo se provjerava u tačkama 0, 30 mm, 70 mm, 100 mm i 150 mm.Nesigurnost mjerenja u ostalim tačkama mjernog opsega se neznatno razlikuje a zavisi i od ponovljivosti mjerenja.Obzirom da u tački 100 mm imamo dobru ponovljivost i standardna devijacija je 0, to je i nesigurnost koju unosi ovaj parametar jednaka 0.Takođe je parametar nesigurnosti koji potiče od rezolucije je nepromjenljiv u oba slučaja. Faza I obuhvata rad na staroj lokaciji sa osnovnim nivoom stečenih znanja, dok Faza II predstavlja slučaj kalibracije u novom prostoru sa poboljšanim uslovima okoline i većim iskustvom metrologa.U Tabeli 1 su prikazane komponente mjerne nesigurnosti u dvije faze rada laboratorije.

Tabela 1. Komponente mjerne nesigurnosti [5]

10

Proširene mjerne nesigurnosti su dobijene iz kvadratnog korjena sume kvadriranih doprinosa pojedinih standardnih nesigurnosti pošto se smatra da ulazne veličine nisu korelisane u značajnoj mjeri:

Proširene mjerne nesigurnosti su dobijene sa faktorom pokrivanja k=2 sa nivoom povjerenja od približno 95%.U Tabeli 2 su data objašnjenja zbog þega se pojavljuju razliþiti doprinosi mjerne nesigurnosti u ove dvije faze rada.

Tabela 2. Pojašnjenje razlika u doprinosu mjernih nesigurnosti [5]

Prednosti kalibracije mjernih uređaja:

- Osigurava ispravno mjerenje mase, obima, dužine, jačine struje, protoka, pritiska,

topline i toplotne energije

- Smanjuje troškove smanivanjem otpada preciznim mjerenjem

- Omogućava nesmetan tok procesa [7]

Zaključak:

Kalibracija je proces korekcije mjernog instrumenta na način da se njime mjere veličine čije

su vrijednosti već poznate. Kalibracija smanjuje sistematsku pogrešku. Svaki mjerni

instrument ima potrebe za održavanjem, servisiranjem i tehničkim pregledima, čak i ako se

nije pokvario. Ove vremenom izazvane promjene umanjuju pouzdanost mjerenja rezultata. To

11

znači da se očekuje da tačnost mjerenja instrumenta bude ograničena na određeni vremenski

period. Zato je za skoro sve proizvođače elektronskih mjernih instrumenata rok važenja

navedenih graničnih vrijednosti (tačnost mjerenja za pojedine parametre) data za period od

jedne godine, a samo izuzetno do dvije godine. Pravilno izvođenje etaloniranja povećava

produktivnost, uporedivost i kompatibilnost proizvoda i usluga, kao i njihovu prihvatljivost u

cijelom svijetu. 

Literatura:

[1] http://met.evlada.ba/mjerne_jedinice/?id=46[2] http://dc359.4shared.com/doc/naSo1mjh/preview.html[3] http://www.svijet-kvalitete.com/index.php/umjeravanje[4] http://www.am.unze.ba/papers/ProizvodnaMjerenjaPoglavlje2.pdf[5] http://www.cqm.rs/2011/FQ2011/pdf/38/54.pdf[6] http://www.quality.unze.ba/zbornici/QUALITY%202011/079-Q11-163.pdf[7] http://www.inspecta.com/en/Our-Services/Testing/Calibration-of-measurement-devices/[8]Introduction to Engineering Experimentation, Third Edition; Anthony J. Wheeler, Ahmad R. Ganji

12