Kalibrering
Inom mätteknik och metrologi är kalibrering en jämförelse av mätvärden som levereras av en enhet som testas med de för en kalibreringsstandard med känd noggrannhet. En sådan standard kan vara en annan mätanordning med känd noggrannhet, en anordning som genererar den kvantitet som ska mätas, såsom en spänning , en ljudton eller en fysisk artefakt, såsom en mätarlinjal .
Resultatet av jämförelsen kan resultera i något av följande:
- inget signifikant fel noteras på enheten som testas
- ett betydande fel noterades men ingen justering gjordes
- en justering gjord för att korrigera felet till en acceptabel nivå
Strängt taget betyder termen "kalibrering" bara jämförelsehandlingen och inkluderar inte någon efterföljande justering.
Kalibreringsstandarden är normalt spårbar till en nationell eller internationell standard som innehas av ett metrologiorgan.
BIPM Definition
Den formella definitionen av kalibrering av International Bureau of Weights and Measures (BIPM) är följande: "Operation som, under specificerade förhållanden, i ett första steg, etablerar en relation mellan kvantitetsvärdena med mätosäkerheter som tillhandahålls av mätstandarder och motsvarande indikationer med tillhörande mätosäkerheter (av det kalibrerade instrumentet eller sekundärstandarden) och, i ett andra steg, använder denna information för att upprätta en relation för att erhålla ett mätresultat från en indikation."
Denna definition anger att kalibreringsprocessen enbart är en jämförelse, men introducerar begreppet mätosäkerhet när det gäller att relatera noggrannheten hos den testade enheten och standarden.
Moderna kalibreringsprocesser
Det ökande behovet av känd noggrannhet och osäkerhet och behovet av att ha konsekventa och jämförbara standarder internationellt har lett till inrättandet av nationella laboratorier. I många länder kommer ett National Metrology Institute (NMI) att finnas som kommer att upprätthålla primära mätstandarder (de viktigaste SI-enheterna plus ett antal härledda enheter) som kommer att användas för att ge spårbarhet till kundens instrument genom kalibrering.
NMI stöder den metrologiska infrastrukturen i det landet (och ofta andra) genom att etablera en obruten kedja, från den högsta nivån av standarder till ett instrument som används för mätning. Exempel på National Metrology Institutes är NPL i Storbritannien , NIST i USA , PTB i Tyskland och många andra. Sedan avtalet om ömsesidigt erkännande undertecknades är det nu enkelt att ta spårbarhet från alla deltagande NMI och det är inte längre nödvändigt för ett företag att erhålla spårbarhet för mätningar från NMI i det land där det är beläget, såsom National Physical Laboratory i UK.
Kvalitet
För att förbättra kvaliteten på kalibreringen och få resultaten accepterade av externa organisationer är det önskvärt att kalibreringen och efterföljande mätningar är "spårbara" till de internationellt definierade mätenheterna. Att etablera spårbarhet åstadkoms genom en formell jämförelse med en standard som är direkt eller indirekt relaterad till nationella standarder (som NIST i USA), internationella standarder eller certifierade referensmaterial . Detta kan göras av nationella standardlaboratorier som drivs av regeringen eller av privata företag som erbjuder metrologitjänster.
Kvalitetsledningssystem kräver ett effektivt mätsystem som inkluderar formell, periodisk och dokumenterad kalibrering av alla mätinstrument. Standarderna ISO 9000 och ISO 17025 kräver att dessa spårbara åtgärder är på en hög nivå och anger hur de kan kvantifieras.
För att kommunicera kvaliteten på en kalibrering åtföljs kalibreringsvärdet ofta av en spårbar osäkerhetsangivelse till en angiven konfidensnivå. Detta utvärderas genom noggrann osäkerhetsanalys. Vissa gånger krävs en DFS (Departure From Spec) för att driva maskiner i ett degraderat tillstånd. Närhelst detta inträffar måste det vara skriftligt och godkänt av en chef med teknisk assistans av en kalibreringstekniker.
Mätanordningar och instrument är kategoriserade efter de fysiska storheter de är designade för att mäta. Dessa varierar internationellt, t.ex. NIST 150-2G i USA och NABL -141 i Indien. Tillsammans omfattar dessa standarder instrument som mäter olika fysiska storheter såsom elektromagnetisk strålning ( RF-sonder ), ljud ( ljudnivåmätare eller brusdosimeter ), tid och frekvens ( intervallometer ), joniserande strålning ( geigerräknare ), ljus ( ljusmätare ), mekaniska storheter ( gränslägesbrytare , tryckmätare , tryckvakt ), och termodynamiska eller termiska egenskaper ( termometer , temperaturregulator ). Standardinstrumentet för varje testenhet varierar i enlighet därmed, t.ex. en dödviktstestare för tryckmätarekalibrering och en torrblocktemperaturtestare för temperaturmätarekalibrering.
Uppmaningar om instrumentkalibrering
Kalibrering kan krävas av följande skäl:
- ett nytt instrument
- efter att ett instrument har reparerats eller modifierats
- flytta från en plats till en annan plats
- när en viss tidsperiod har förflutit
- när en angiven användning (drifttimmar) har förflutit
- före och/eller efter en kritisk mätning
- efter en händelse, till exempel
- efter att ett instrument har utsatts för stötar, vibrationer eller fysisk skada, vilket potentiellt kan ha äventyrat integriteten för dess kalibrering
- plötsliga väderförändringar
- närhelst observationer framstår som tvivelaktiga eller instrumentindikationer inte överensstämmer med resultatet från surrogatinstrument
- som specificeras av ett krav, t.ex. kundspecifikation, rekommendation av instrumenttillverkare.
I allmänt bruk anses kalibrering ofta innefatta processen att justera utsignalen eller indikeringen på ett mätinstrument för att överensstämma med värdet av den tillämpade standarden, inom en specificerad noggrannhet. Till exempel kan en termometer kalibreras så att indikeringsfelet eller korrigeringen bestäms, och justeras (t.ex. via kalibreringskonstanter ) så att den visar den verkliga temperaturen i Celsius vid specifika punkter på skalan. Detta är uppfattningen av instrumentets slutanvändare. Men väldigt få instrument kan justeras för att exakt matcha de standarder de jämförs med. För de allra flesta kalibreringar är kalibreringsprocessen faktiskt jämförelsen av en okänd med en känd och registrering av resultaten.
Grundläggande kalibreringsprocess
Syfte och omfattning
Kalibreringsprocessen börjar med designen av det mätinstrument som behöver kalibreras. Designen måste kunna "hålla en kalibrering" genom sitt kalibreringsintervall. Med andra ord måste konstruktionen klara av mätningar som ligger "inom teknisk tolerans " när den används inom de angivna miljöförhållandena under en rimlig tidsperiod. Att ha en design med dessa egenskaper ökar sannolikheten för att de faktiska mätinstrumenten fungerar som förväntat. I grund och botten är syftet med kalibreringen att upprätthålla kvaliteten på mätningen samt att säkerställa att ett visst instrument fungerar korrekt.
Frekvens
Den exakta mekanismen för att tilldela toleransvärden varierar beroende på land och beroende på branschtyp. Mätningen av utrustningen är att tillverkaren i allmänhet tilldelar mättoleransen, föreslår ett kalibreringsintervall (CI) och specificerar miljöområdet för användning och lagring. Den använda organisationen tilldelar i allmänhet det faktiska kalibreringsintervallet, vilket är beroende av denna specifika mätutrustnings sannolika användningsnivå. Tilldelningen av kalibreringsintervall kan vara en formell process baserad på resultaten av tidigare kalibreringar. Standarderna i sig är inte tydliga för rekommenderade CI-värden:
-
ISO 17025
- "Ett kalibreringscertifikat (eller kalibreringsetikett) ska inte innehålla någon rekommendation om kalibreringsintervallet förutom när detta har överenskommits med kunden. Detta krav kan ersättas av lagliga bestämmelser."
-
ANSI/NCSL Z540
- "...ska kalibreras eller verifieras med periodiska intervall upprättade och underhållna för att säkerställa acceptabel tillförlitlighet..."
-
ISO-9001 "
- Där det är nödvändigt för att säkerställa giltiga resultat, ska mätutrustning...kalibreras eller verifieras enligt specificerade intervaller, eller före användning..."
-
MIL-STD-45662A
- "... ska kalibreras med periodiska intervall som fastställs och underhålls för att säkerställa acceptabel noggrannhet och tillförlitlighet...Intervallerna ska förkortas eller kan förlängas av entreprenören, när resultaten av tidigare kalibreringar indikerar att en sådan åtgärd är lämplig för att upprätthålla acceptabel tillförlitlighet."
Standarder som krävs och noggrannhet
Nästa steg är att definiera kalibreringsprocessen. Valet av en standard eller standarder är den mest synliga delen av kalibreringsprocessen. Idealt sett har standarden mindre än 1/4 av mätosäkerheten för enheten som kalibreras. När detta mål är uppfyllt anses den ackumulerade mätosäkerheten för alla inblandade standarder vara obetydlig när den slutliga mätningen också görs med förhållandet 4:1. Detta förhållande formaliserades förmodligen först i handbok 52 som åtföljde MIL-STD-45662A, en tidig specifikation för det amerikanska försvarsdepartementets metrologiprogram. Det var 10:1 från starten på 1950-talet fram till 1970-talet, då avancerad teknik gjorde 10:1 omöjligt för de flesta elektroniska mätningar.
Att upprätthålla ett noggrannhetsförhållande på 4:1 med modern utrustning är svårt. Testutrustningen som kalibreras kan vara lika exakt som arbetsstandarden. Om noggrannhetsförhållandet är mindre än 4:1 kan kalibreringstoleransen minskas för att kompensera. När 1:1 uppnås är endast en exakt matchning mellan standarden och enheten som kalibreras en helt korrekt kalibrering. En annan vanlig metod för att hantera denna kapacitetsfelmatchning är att minska noggrannheten hos enheten som kalibreras.
Till exempel kan en mätare med 3 % tillverkarens noggrannhet ändras till 4 % så att en 1 % noggrannhetsstandard kan användas vid 4:1. Om mätaren används i en applikation som kräver 16 % noggrannhet, kommer det inte att påverka noggrannheten för de slutliga mätningarna om mätarens noggrannhet reduceras till 4 %. Detta kallas en begränsad kalibrering. Men om den slutliga mätningen kräver 10 % noggrannhet, kan 3 % mätaren aldrig vara bättre än 3,3:1. Då kanske justering av kalibreringstoleransen för mätaren skulle vara en bättre lösning. Om kalibreringen utförs vid 100 enheter, skulle 1%-standarden faktiskt vara någonstans mellan 99 och 101 enheter. De acceptabla värdena för kalibreringar där testutrustningen är i förhållandet 4:1 skulle vara 96 till 104 enheter, inklusive. Att ändra det acceptabla intervallet till 97 till 103 enheter skulle ta bort det potentiella bidraget från alla standarder och bevara förhållandet 3,3:1. Fortsatt, en ytterligare förändring av det acceptabla området till 98 till 102 återställer mer än ett slutförhållande på 4:1.
Detta är ett förenklat exempel. Matematiken i exemplet kan utmanas. Det är viktigt att vilken tanke som helst som styrde denna process i en faktisk kalibrering registreras och är tillgänglig. Informalitet bidrar till toleransstaplar och andra svårdiagnostiserade problem efter kalibrering.
Även i exemplet ovan skulle idealiskt kalibreringsvärdet på 100 enheter vara den bästa punkten i mätarens intervall för att utföra en enpunktskalibrering. Det kan vara tillverkarens rekommendation eller så kan det vara hur liknande enheter redan kalibreras. Flerpunktskalibreringar används också. Beroende på enheten kan ett nollenhetstillstånd, frånvaron av fenomenet som mäts, också vara en kalibreringspunkt. Eller noll kan återställas av användaren - det finns flera möjliga varianter. Återigen bör de punkter som ska användas under kalibreringen registreras.
Det kan finnas specifika anslutningstekniker mellan standarden och enheten som kalibreras som kan påverka kalibreringen. Till exempel, vid elektroniska kalibreringar som involverar analoga fenomen, kan impedansen hos kabelanslutningarna direkt påverka resultatet.
Manuella och automatiska kalibreringar
Kalibreringsmetoder för moderna enheter kan vara manuella eller automatiska.
Som ett exempel kan en manuell process användas för kalibrering av en tryckmätare. Proceduren kräver flera steg, för att ansluta mätaren som testas till en referensmätare och en justerbar tryckkälla, för att applicera vätsketryck på både referens- och testmätare vid bestämda punkter över mätarens spännvidd, och för att jämföra avläsningarna av mätaren. två. Mätaren som testas kan justeras för att säkerställa att dess nollpunkt och reaktion på tryck överensstämmer så nära den avsedda noggrannheten som möjligt. Varje steg i processen kräver manuell journalföring.
En automatisk tryckkalibrator är en enhet som kombinerar en elektronisk styrenhet, en tryckförstärkare som används för att komprimera en gas som kväve , en tryckgivare som används för att detektera önskade nivåer i en hydraulisk ackumulator och tillbehör som vätskefällor och mätarkopplingar . Ett automatiskt system kan också innefatta datainsamlingsmöjligheter för att automatisera insamlingen av data för journalföring.
Processbeskrivning och dokumentation
All information ovan samlas in i ett kalibreringsförfarande, vilket är en specifik testmetod . Dessa procedurer fångar alla steg som behövs för att utföra en framgångsrik kalibrering. Tillverkaren kan tillhandahålla en eller organisationen kan förbereda en som också fångar upp alla organisationens övriga krav. Det finns clearinghus för kalibreringsprocedurer såsom Government-Industry Data Exchange Program (GIDEP) i USA.
Denna exakta process upprepas för var och en av de använda standarderna tills överföringsstandarder, certifierade referensmaterial och/eller naturliga fysikaliska konstanter, de mätstandarder med minst osäkerhet i laboratoriet, uppnås. Detta fastställer spårbarheten för kalibreringen.
Se Metrology för andra faktorer som beaktas under utvecklingen av kalibreringsprocessen.
Efter allt detta kan enskilda instrument av den specifika typen som diskuterats ovan äntligen kalibreras. Processen börjar vanligtvis med en grundläggande skadekontroll. Vissa organisationer som kärnkraftverk samlar in kalibreringsdata "som de har hittats" innan något rutinunderhåll utförs. Efter att rutinunderhåll och brister som upptäckts under kalibreringen har åtgärdats, utförs en "som-vänster"-kalibrering.
Vanligare är att en kalibreringstekniker anförtros hela processen och undertecknar kalibreringscertifikatet, som dokumenterar slutförandet av en framgångsrik kalibrering. Den grundläggande processen som beskrivs ovan är en svår och dyr utmaning. Kostnaden för vanlig utrustningssupport är i allmänhet cirka 10 % av det ursprungliga inköpspriset på årsbasis, som en allmänt accepterad tumregel . Exotiska enheter som svepelektronmikroskop , gaskromatografsystem och laserinterferometerenheter kan vara ännu dyrare att underhålla .
Enheten för "enkel mätning" som används i den grundläggande kalibreringsprocessbeskrivningen ovan finns. Men, beroende på organisation, kan majoriteten av enheterna som behöver kalibreras ha flera intervall och många funktioner i ett enda instrument. Ett bra exempel är ett vanligt modernt oscilloskop . Det kan lätt finnas 200 000 kombinationer av inställningar för att fullständigt kalibrera och begränsningar för hur mycket av en allomfattande kalibrering som kan automatiseras.
För att förhindra obehörig åtkomst till ett instrument appliceras vanligtvis manipuleringssäkra tätningar efter kalibrering. Bilden på oscilloskopstativet visar dessa och bevisar att instrumentet inte har tagits bort sedan det senast kalibrerades eftersom de kommer att vara obehöriga för instrumentets justeringselement. Det finns också etiketter som visar datumet för den senaste kalibreringen och när kalibreringsintervallet anger när nästa behövs. Vissa organisationer tilldelar också unik identifiering till varje instrument för att standardisera journalföringen och hålla reda på tillbehör som är integrerade i ett specifikt kalibreringsförhållande.
När instrumenten som kalibreras är integrerade med datorer är även de integrerade datorprogrammen och eventuella kalibreringskorrigeringar under kontroll.
Historisk utveckling
Ursprung
Orden "kalibrera" och "kalibrering" kom in i det engelska språket så sent som i amerikanska inbördeskriget , i beskrivningar av artilleri , tänkt att härledas från en mätning av kalibern på en pistol.
Några av de tidigaste kända systemen för mätning och kalibrering verkar ha skapats mellan de forntida civilisationerna i Egypten , Mesopotamien och Indusdalen , med utgrävningar som avslöjar användningen av vinkelgraderingar för konstruktion. Termen "kalibrering" associerades troligen först med den exakta uppdelningen av linjärt avstånd och vinklar med hjälp av en delande motor och mätning av gravitationsmassa med hjälp av en vågskala . Enbart dessa två former av mätning och deras direkta derivat stödde nästan all handel och teknikutveckling från de tidigaste civilisationerna fram till omkring 1800 e.Kr.
Kalibrering av vikter och avstånd ( ca 1100 CE )
Tidiga mätanordningar var direkta , dvs de hade samma enheter som den mängd som mättes. Exempel är längd med hjälp av en måttstock och massa med hjälp av en våg. I början av 1100-talet, under Henrik I:s regeringstid (1100-1135), förordnades att en gård var "avståndet från spetsen av kungens näsa till slutet av hans utsträckta tumme". Det var dock inte förrän under Richard I:s regeringstid (1197) som vi hittade dokumenterade bevis.
- Bedömning av mått
- "I hela riket ska det finnas samma gård av samma storlek och den ska vara av järn."
Andra standardiseringsförsök följde, såsom Magna Carta (1225) för vätskemått, fram till Mètre des Archives från Frankrike och upprättandet av det metriska systemet .
Den tidiga kalibreringen av tryckinstrument
En av de tidigaste tryckmätningsanordningarna var Mercury-barometern, krediterad till Torricelli (1643), som läste atmosfärstrycket med hjälp av Mercury . Strax därefter designades vattenfyllda manometrar . Alla dessa skulle ha linjära kalibreringar med gravimetriska principer, där skillnaden i nivåer var proportionell mot trycket. De normala måttenheterna skulle vara lämpliga tum kvicksilver eller vatten.
I den direktavläsande hydrostatiska manometerdesignen till höger trycker applicerat tryck Pa vätskan ner på höger sida av manometerns U-rör, medan en längdskala bredvid röret mäter nivåskillnaden. Den resulterande höjdskillnaden "H" är ett direkt mått på trycket eller vakuumet med avseende på atmosfärstrycket . I frånvaro av differentialtryck skulle båda nivåerna vara lika, och detta skulle användas som nollpunkt.
Den industriella revolutionen såg antagandet av "indirekta" tryckmätningsanordningar, som var mer praktiska än manometern. Ett exempel är i högtrycksångmaskiner (upp till 50 psi), där kvicksilver användes för att minska skallängden till cirka 60 tum, men en sådan manometer var dyr och utsatt för skador. Detta stimulerade utvecklingen av indirekta läsinstrument, varav Bourdon-röret som uppfanns av Eugène Bourdon är ett anmärkningsvärt exempel.
I vyerna fram och bak på en Bourdon-mätare till höger, minskar applicerat tryck vid bottenkopplingen krullen på det tillplattade röret proportionellt mot trycket. Detta flyttar den fria änden av röret som är länkat till pekaren. Instrumentet skulle kalibreras mot en manometer, vilket skulle vara kalibreringsstandarden. För mätning av indirekta tryckmängder per ytenhet skulle kalibreringsosäkerheten vara beroende av manometervätskans densitet och sättet att mäta höjdskillnaden. Av detta kunde andra enheter såsom pund per kvadrattum utläsas och markeras på skalan.
Se även
- Kalibreringskurva
- Kalibrerad geometri
- Kalibrering (statistik)
- Färgkalibrering – används för att kalibrera en datorskärm eller bildskärm.
- Dödviktstestare
- EURAMET Association of European NMIs
- Mätmikrofonkalibrering
- Mätningsosäkerhet
- Musikalisk stämning – stämning, i musik, innebär att kalibrera musikinstrument till att spela rätt tonhöjd.
- Laboratorium för precisionsmätutrustning
- Vågtestvagn – en anordning som används för att kalibrera vågar som väger järnvägsvagnar .
- System för mätning
Källor
- Crouch, Stanley & Skoog, Douglas A. (2007). Principer för instrumentell analys . Pacific Grove: Brooks Cole. ISBN 0-495-01201-7 .