Организация и проведение поверки средств измерений. Образцовые стенды для поверки и метрологической аттестации технических средств измерений

Организация и проведение поверки средств измерений.

Для установления правильности показаний приборов необходимо проводить периодическую поверку всей аппаратуры, используемой в контроле и диагностике, управлении тренировочным процессом и научных исследованиях в спорте.

Поверку проводят при помощи образцовых средств измерений, для которых разработаны соответствующие поверочные схемы, устанавливающие соподчинение эталонов, образцовых и рабочих мер и приборов, а также значение погрешностей при передаче единиц измерения от эталонов к образцовым средствам измерения и рабочим приборам.

Поверочные схемы подразделяются на общероссийские и локальные (разработанные отдельными органами Государственной метрологической службы или ведомственных метрологических служб).

Общероссийские поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов и служат основанием для составления локальных поверочных схем и разработки государственных стандартов на методы и средства поверки образцовых и рабочих средств измерений.

Практическое осуществление поверочной схемы сложный динамический процесс, в котором решается большое число организационно-технических, экономических и научных проблем (рис.3).

Метод передачи

Метод передачи

		Эталон сравнения

Метод передачи Метод передачи

Метод передачи

Рис. 3. Общий вид государственной поверочной схемы.

Во главе поверочной схемы поставлен эталон, обеспечивающий наиболее точное воспроизведение и длительное хранение единицы измерения. Эталон, как правило, включает в себя эталонный метод и эталонную установку или систему установок, с помощью которых воспроизводят единицу измерения. При этом предусмотрена возможность передачи размера единицы измерения средствами измерения, стоящими ниже по поверочной схеме. В зависимости о количества проводимых измерений, с тем чтобы эталон не изнашивался, создают рабочий эталон, который непосредственно используют для передачи размера единицы образцовым мерам. Рабочий эталон аттестуют по первичному эталону.

Образцовые средства измерений первого разряда аттестуются по рабочему эталону. Эти средства используют в метрологических институтах Госстандарта и ведомственных базовых лабораториях метрологии.

Образцовые средства первого разряда применяют, как правило, для аттестации образцовых средств второго разряда, которые используют для аттестации образцовых средств третьего разряда (если это необходимо) или для поверки рабочих приборов.

Существуют следующие общие методы поверки:

- сличение средств измерений одного и того же вида при помощи компаратора;

- непосредственное сличение средств измерений с вышестоящим средством измерения того же вида;

- поверки измерительного прибора по образцовой мере путем измерения величины воспроизведенной мерой;

- прямое измерение образцовым измерительным прибором величины, воспроизводимой подвергаемой поверке мерой;

- косвенное измерение величины, воспроизводимой мерой или измеряемым прибором, подвергаемым поверке;

- поверка средств измерений относительных величин, не требующая наличия образцовых средств измерений, проградуированных в единицах размерных величин.

Для сохранения единообразия проводимых измерений используют одни и те же методы поверки во всех поверочных лабораториях страны. Поверку проводят с помощью образцовых средств, аттестованных соответствующими метрологическими органами.

Приборы, измеряющие спортивные параметры, применяют в различных областях науки, техники, медицины, сельского хозяйства. Поэтому для их поверки используют самые разнообразные методы. Это не позволяет дать конкретное описание всех методов поверки приборов. Однако все методы имеют один и тот же принцип, который состоит в том, что находят разность между показанием прибора и истинным значением величины измерения.

Истинное значение измеряемой величины определяют с помощью образцовых средств измерения. По способу, который используется для определения истинного значения измеряемой величины, все методы можно условно подразделить на две группы. К первой группе относят методы, в которых истинное значение определяется прямым методом с помощью образцовых средств измерения. Ко второй группе относят косвенные методы поверки, когда используется однозначная зависимость между измеряемой величиной и величиной, входящей в формулу математического соотношения.

К поверке допускаются приборы, полностью укомплектованные, снабженные техническим описанием или инструкцией по эксплуатации, паспортом завода-изготовителя (техническим формуляром) или свидетельством о поверке. Неисправный или не удовлетворяющий этим требованиям прибор в поверку не принимают. При поступлении на поверку прибор подвергают внешнему осмотру, устанавливают комплектность в соответствии с паспортом, проверяют общую работоспособность (согласно техническому описанию или инструкции по эксплуатации).

При поверке устанавливают соответствие показаний поверяемого прибора действительным значениям измеряемой величины и погрешность измерения, т.е. устанавливают, находится ли погрешность поверяемого прибора в допустимых пределах. Поверку приборов проводят при температуре окружающей среды 20± 5° С, относительной влажности воздуха 65±15% и атмосферным давлением 100± 4 кПа (760±30 мм.рт.ст.).

Поверку приборов для измерения спортивных параметров должны проводить государственные или ведомственные поверители. Её проводят по рабочим инструкциям, которые составляют для отдельных видов приборов. При отсутствии государственных или отраслевых инструкций рабочие инструкции на местах составляют поверители. При составлении инструкций следует руководствоваться действующими государственными или отраслевыми стандартами или методическими указаниями метрологических учреждений.

Инструкция должна включать разделы:

- назначение поверяемого прибора;

- средства поверки и основные операции при поверке;

- порядок поверки;

- оформление результатов поверки.

В разделе «Назначение поверяемого прибора» указывают: назначение прибора, диапазон измеряемых величин, краткое изложение правил пользования прибором.

В разделе «Средства поверки и основные операции при поверке» указывают основные средства измерений, применяемые при поверке: поверочные установки, образцовые приборы, образцовые источники, а также измерительные средства, используемые в соответствии с требованиями методики поверки. Например, барометр, термометр, секундомер, психрометр, масштабную линейку и т.п.

Указывают основные операции, которые необходимо выполнять в процессе проведения поверки прибора, внешний осмотр, поверку комплектности прибора и общей работоспособности, установления соответствия показаний прибора действительным значениям измеряемой величины, определение погрешности поверяемого прибора.

В разделе «Порядок поверки» устанавливают последовательность операций при поверке на основе действующих стандартов или методических указаний.

В разделе «Оформление результатов» приводится форма протокола поверки и последовательность оформления результатов поверки. В протоколе поверки необходимо указать:

- наименование поверяемого прибора и его заводской номер;

- дату измерений;

- наименование образцового прибора, его заводской номер;

- тип образцовых источников, их номер, дату поверки и значение аттестованной физической величины, указанной в свидетельстве;

- давление, влажность и температуру воздуха во время измерений;

- показания прибора от контрольного источника в момент поверки;

- данные непосредственных измерений;

- данные обработки результатов измерений;

- погрешность измерений.

Протокол поверки должен быть подписан поверителем проводящим поверку с указанием даты. В инструкции необходимо указать сроки поверок, которые устанавливают исходя из технических условий на прибор в соответствии с условиями его применения и фактической необходимостью, но не реже одного раза в год.

Если в пределах погрешности, указанной в технической документации на прибор, показания поверяемого прибора соответствуют истинным значениям измеряемой величины, прибор признают годным, о чем делают запись в техническом формуляре или выписывают свидетельство о поверке.

Свидетельство подписывает государственный или ведомственный поверитель, проводивший поверку, и руководитель метрологического подразделения. Приборы, не удовлетворяющие требованиям технической документации на прибор, считают не прошедшими поверку и в обращение не допускают.

К помещениям, в которых проводится поверка измерительной техники, предъявляются определенные требования. Они излагаются в специальных инструкциях. Важнейшее требование к помещениям – нечувствительность здания к вибрациям. Целесообразно метрологическую службу размещать в отдельном здании.

Помещения должны быть сухими, оборудованы вентиляцией. Через эти помещения не должны проходить парогазопроводы. В помещении должна быть обеспечена постоянная температура +20°С. Отклонения от этой температуры должны соответствовать стандарту на методы и средства поверки.

Общая производственная площадь из расчета 10-12 м на одного работающего. Когда поверитель обслуживает 2-3 установки, то площадь можно исчислять из расчета 4-6 м на одно рабочее место (установку).

К расчетной площади следует прибавить складскую и вспомогательную. Пол желательно покрыть линолеумом. Электропроводка должна быть внутренней. Помещения, предназначенные для поверки электрической и радиотехнической аппаратуры, должны быть удалены от источников сильных магнитных полей.

Численность работников с правом ведомственной поверки средств измерений определяют, исходя из номенклатуры и числа средств измерений, подлежащих поверке и межповерочных интервалов. Нормы времени на поверку могут быть взяты в лабораториях госнадзора Госстандарта РФ.

Одной из трудностей при проведении поверочных работ в научно-исследовательских институтах является передача приборов из группы в группу, не согласованное с метрологической службой получение приборов со склада или списание их. Контроль за измерительной техникой внутри подразделений института значительно упрощается в случае назначения в данном подразделении лица, ответственного за средства измерений. Целесообразно специальной инструкцией или приказом по институту определить права и обязанности ответственных лиц.

Работник, ответственный за использование средств измерений, обязан своевременно представлять средства измерений, принадлежащие лаборатории, в поверку, вести учет и техническую документацию, подавать заявки на приобретение новых приборов, оформлять списание вышедших из строя и морально устаревших средств измерений.

Образцовые средства измерений должны быть хорошо предохранены от резких изменений температуры, от толчков, тряски и пр. Поэтому их нужно хранить всегда в специальных помещениях с двойными, хорошо изолированными стенами, иногда достаточно углубленными в землю, т.е. в таких помещениях, внутри которых изменение температуры чрезвычайно медленное, а годовая амплитуда колебаний температуры ничтожна (например, не превышает 1-2°С). По вышеуказанным причинам образцовые средства по возможности не следует перевозить. Для предохранения образцовых средств от случайных повреждений они должны находиться в двойных футлярах.

Используемые в физической культуре и спорте приборы подразделяются на следующие основные группы:

- измерительные преобразователи различных типов (контактные, тензо- фото- и сейсмопреобразователи, акселерометры и др.);

- динамометрические устройства, тензоплатформы и другие тензоустройства;

- различная усилительная аппаратура;

- различные генераторы импульсов;

- радиотелеметрические устройства;

- различные самопишущие регистраторы (перьевые, стрелочные, шлейфные, электронные);

- цифровые устройства измерения и регистрации временных амплитудных и интегральных характеристик (хронометры механические, электромеханические и электронные, вольтметры, интеграторы).

Указанная аппаратура и составляет объект поверки.

В результате проведенных исследований о диапазонах измерения величин частотных и точностных характеристик параметров комплексного контроля в спорте были сделаны следующие заключения:

- наибольшая величина усилий, развиваемых человеком в спортивных движениях, составляет около 10 тыс. Н (1000 КГС), например, при взаимодействии с опорой в опорном прыжке;

- наименьшая величина усилия – порядка 0,001 КГС достигается в движениях точностного характера, например, в пулевой стрельбе;

- частотный диапазон сигналов от 0,1 до 200 гц;

- значения измеряемых линейных перемещений лежат в диапазоне 10^-3- 2,5м;

- угловые перемещения в интервале от 10 угловых минут до 1440 угловых градусов;

- диапазон измеряемых скоростей составляет от 0,1 до 50 м/с;

- значения измеряемых ускорений в диапазоне от 10^-3 до 50 м/с² ;

- измеряемые временные интервалы в диапазоне 10^-3 - 100 с.

Комплексы испытательно-поверочных устройств должны обеспечивать возможность получения статических и динамических характеристик следующих первичных преобразователей (датчиков):

- датчики линейных перемещений, диапазон перемещений 10^-3- 2,5 м с погрешностью ±10^{-4 м;}

- датчики угловых перемещений (гониометров), диапазон перемещений 10-

1440 угловых градусов с погрешностью ± 1 угловая минута;

- датчики скорости в диапазоне 0,1 –50 м/с с погрешностью ±10^-2 м/с;

- датчики ускорений (акселерометры, построенные на различных принципах – потенциометрические, реостатные и др.), в диапазоне 10^-3-50 м/с² с погрешностью ±10^-4 м/с² ;

- датчики временных интервалов (контактные, фотодатчики и др.) в диапазоне 10^-3 -10 с с погрешностью ± ^10-4с;

- устройства для измерения усилий, развиваемых спортсменом (тензоплатформы, тензодорожки, тензокольца и т.д.) в диапазонет 0,01 –1000 кгс со следующими поддиапазонами:

- 0,01-1 кгс (с погрешностью ± 0,001 кгс);

- 1,00-10 кгс (с погрешностью ±0,1-1 кгс);

- 10,0 – 1000 кгс ( с погрешностью ± 1 кгс).

Кроме того, метрологические поверочные стенды должны обеспечить возможность поверки следующей аппаратуры: различные регистраторы, усилительные устройства, цифровые измерители временных интервалов и цифровые вольтметры, омметры (мегоомметры), применяемые для измерения электрокожного сопротивления спортсмена (ЭКС), а также устройства регистрации критической частоты слияния световых (звуковых) сигналов (КЧССМ, КЧСЗМ) и генераторы синусоидальных и импульсных сигналов.

Согласно существующему в метрологии положению при метрологической аттестации и поверке технических средств измерения необходимо снимать их статические и динамические характеристики.

Во всех случаях метрологической аттестации и поверки технических средств измерений в статическом режиме основной целью является установление с необходимой точностью функциональной связи между входным и выходным сигналами. При этом статическая характеристика прибора – y=f (x), задаваемая аналитически или графически показывает вид этой функциональной зависимости между входной величиной (x) и величиной выходного сигнала (y).

Реальная статическая характеристика прибора y=f(x) может отличаться от паспортной. Причин этого отклонения (погрешности) весьма много. К ним относятся: дрейф нуля; изменение коэффициента преобразования измерительного прибора во времени и под влиянием внешних факторов(температуры, влажности, давления); действие помех; неоднозначность функции при прямом и обратном ходе (гистерезис); нелинейность истинной кривой y=f(x) при линейной паспортной характеристике и др.

Динамические характеристики устанавливают связь между входной x и выходной y величинами измерительного прибора в любом динамическом режиме. Обычно к динамическим характеристикам относятся:

- передаточная функция;

- частотные характеристики – амплитудная (АЧХ) и фазовая (ФЧХ);

- переходная функция;

- импульсная функция.

Для многих видов измерительных приборов динамические характеристики (АЧХ и ФЧХ) можно получить экспериментальным путем. Причем во многих случаях этоединственный надежный способ их получения.

Метод заключается в том, что входная величина измерительного прибора задается в виде импульсного сигнала с фиксированной амплитудой и регулируемой частотой. У выходного сигнала (y) измеряется амплитуда и сдвиг по фазе относительно входного. По этим данным находится АЧХ и ФЧХ, а также комплексный коэффициент передачи. Кроме входного синусоидального сигнала (возмущения) принято подавать на вход измерительного прибора импульсный сигнал различной формы.

На рис.4 приведена структурная схема оборудования для съема (получения) статических характеристик приборов, систем и устройств, применяемых в спортивных исследованиях. Тарировку можно производить как отдельно каждого функционального узла инструментальной методики (системы) датчика, усилителя, измерительно-регистрирующего узла, так и всего тракта в целом. Если есть возможность, то в целях уменьшения объема работ и погрешностей рекомендуется проводить тарировку всего измерительного тракта в целом.

		Динамометры (0,01-1000кгс)

Рис.4. Структура метрологического (поверочного) стенда для снятия

статических характеристик приборов и устройств

В одну группу объектов поверки (тарировки) входят: различные регистраторы (перьевые самописцы, электронные и светолучевые осциллографы), усилительные устройства, цифровые измерители временных интервалов, цифровые вольтметры, омметры (мегоометры), применяемые для измерения сопротивления кожи спортсменов (ЭКС), а также устройства для определения критической частоты слияния световых мельканий (КЧССМ). В другую группу отнесены динамометры, тензоплатформы и другие тензоустройства, первичные преобразователи перемещений, скорости, ускорений.

На первую группу объектов поверки подаются входные тарировочные сигналы от блока устройств создания электрических входных сигналов. К этим устройствам относятся специальные источники электрических сигналов с линейной характеристикой. Для создания омических сопротивлений применяются прецизионные мосты сопротивлений.

На вторую группу поверки подаются входные механические тарировочные сигналы от специальных нагрузочных устройств, характеристика которых должна быть линейной. С помощью таких нагрузочных устройств на объект поверки подаются плавно (или ступенчато) растягивающие, сжимающие или скручивающие силы (или пары сил) в трех плоскостях.

Для статической поверки датчиков ускорений в состав поверочного стенда входят специальные центрифуги. При калибровке на центрифуге используются возникающие при вращении центробежные ускорения, величина которых может быть определена по угловой скорости и радиусу вращения. Погрешность тарировки на центрифуге определяется ошибками измерений периода оборота (или числа оборотов) и расстояния R – радиуса вращения.

Для контроля тензоплатформ, тензоколец и т.д. обычно используются образцовые динамометры на класс выше поверяемых (П или Ш класса).

В качестве устройств для создания дозированных усилий применяются прессы и разрывные машины, а также гидравлические или пневматические установки. Основным требованием к таким установкам является плавность изменения нагрузки и постоянство установленного значения в процессе считывания показаний.

При поверке (тарировке) механических динамометров применяют образцовые динамометры, класс точности которых, по крайней мере, на один или два класса выше поверяемых.

Выходные сигналы, снимаемые с объектов поверки и испытаний, измеряются эталонными (по сравнению с поверяемыми) приборами (цифровыми измерителями временных интервалов, цифровыми вольтметрами, цифровыми омметрами) и регистрируются на цифропечатающих устройствах.

Для метрологической оценки объекта поверки в состав поверочного стенда должны входить образцовые меры и приборы, которые на один или два класса выше поверяемых. Кроме того, образцовые меры и приборы должны пройти предварительную поверку с помощью еще более точных приборов и мер.

На рис.5 представлена структура комплекса для метрологической аттестации и поверки приборов и устройств в динамическом режиме. В блок объектов поверки и испытаний входят различные регистраторы (перьевые самописцы, электронные и светолучевые осциллографы) и различная усилительная аппаратура. Вторая часть этого блока включает в себя различные первичные преобразователи (датчики) перемещений, скорости, ускорений, сейсмо- и фотодатчики, контактные датчики и различные тензоустройства.

Рис.5. Структура метрологического (поверочного) стенда для снятия

динамических характеристик приборов и устройств

При динамической поверке принято использовать установившиеся синусоидальные изменения входной величины (смещения, скорости, ускорения) во времени. Либо на вход объекта поверки подаются одиночные импульсные возмущения, которые изменяются по некоторому простому (с математической точки зрения) закону, например, единичный скачок, полусинусоида, прямоугольник и т.д.

В состав оборудования для съема динамических характеристик включен блок устройств для создания заданных входных возмущений (сигналов), который содержит устройства для создания электрических синусоидальных и импульсных сигналов – возмущений, а также устройства для создания механических колебаний, баллистические маятники, падающие молоты и мягкие дозированные грузы, создающие импульсные механические возмущения. Выработанные этим блоком возмущения поступают (подаются) на тот или иной объект поверки, а выходной сигнал с объекта поверки, характеризующий реакцию поверяемого прибора или устройства на это возмущение, регистрируется с помощью блока эталонных приборов и устройств. В данный блок должны входить эталонные, по отношению к поверяемому прибору, регистраторы. Принято, что класс точности такого регистратора был бы выше класса точности поверяемого, хотя бы на одну ступень.

В блок образцовых приборов и устройств входят электронные многолучевые осциллографы, многолучевые осциллографы с памятью для многократных воспроизведений зарегистрированных сигналов, светолучевые осциллографы, различные оптические устройства (микроскопы, интерферометры и т.д.), необходимые для измерения амплитуды колебаний вибростола с помещенными на нем поверяемыми преобразователями.

Основные требования, предъявляемые к поверочным установкам для создания входных возмущений, заключаются в обеспечении чисто гармонического закона колебаний вибростола с закрепленным на нем объектом поверки и малого уровня боковых (поверочных) составляющих колебаний.

При поверке импульсным сигналом к объекту поверки следует прикладывать возмущение, закон изменения во времени которого, наиболее близок к реальному, т.е. к такому, который имеет место при конкретном виде изменений.

На рис.6 приведена структурная схема оборудования для климатических испытаний средств измерений. Поверка работоспособности измерительной аппаратуры в широкой области как положительных, так и отрицательных температур, а также при изменении влажности является составной частью комплексных испытаний и служит целям определения надежности конструкции, стабильности работы и выявления возможных дополнительных погрешностей устройства.

Рис.6. Блок-схема стенда для климатических испытаний.

Интервал работ их температур в спортивной практике лежит в пределах от –20 до ±40°С. Поэтому при данном виде испытаний целесообразно вести поверку работоспособности при температуре от -–0 до +50°С, что, однако, не исключает выбора условий испытания для каждого изделия конкретно, руководствуясь техническими условиями на данный прибор.

Изделие, подвергаемое испытанию, помещается в термокамеру, температуру в которой можно плавно менять в широких пределах. Одновременно с этим ведется контроль изменения параметров, определяющих качественные показатели испытуемого изделия.

Следующим этапом является испытание в холодной камере, которое проводится аналогично предыдущему. Затем изделие помещается в камеру влажности и барокамеру с регулируемыми влажностью и давлением. С помощью этих камер определяются погрешности от изменения параметров внешней среды: влажности и давления (в заданных техническими условиями пределах).