Metrologie v praxi Eliška Cézová
1.
Úvod Metrologie se zabývá jednotností a správností měření. Pro podnikovou metrologii bychom měli definovat měřidla, která v daném oboru používáme, řádně je rozčlenit a označit. Zároveň je v podnikové praxi třeba stanovit postup od nákupu měřidla až po jeho vyřazení z evidence. Metrologie je souhrn všech znalostí a činností souvisejících s měřením a zahrnuje teoretické i praktické aspekty vztahující se k měření bez ohledu na úroveň jejich přesnosti a bez ohledu na oblast vědy a techniky, kde se příslušné problémy řeší. Základním úkolem metrologie je zabezpečit jednotnost a přesnost měření Základní rozdělení měřidel: − − − − −
2.
etalony kontrolní měřidla pracovní měřidla stanovená pracovní měřidla nestanovená orientační (informativní) měřidla
Charakteristika jednotlivých měřidel Etalon měřicí jednotky anebo stupnice určité veličiny je měřidlo sloužící k realizaci a uchovávání této jednotky nebo stupnice a k jejímu přenosu na měřidla nižší přesnosti. Etalony se nesmí používat k pracovním (provozním) měřením, slouží výhradně k zabezpečování jednotnosti měřidel a měření. Etalony primární jsou mezinárodní a národní (státní). Od těchto etalonů se odvozují etalony nižších řádů až po hlavní etalony organizací. Navázání etalonů se provádí pomocí kalibrace (u ČMI). Kalibrací se zajišťuje jejich jednotnost a přesnost (správnost a shodnost).
Kontrolní měřidla nenahrazují etalony a nepoužívají se k provoznímu měření, slouží pouze ke kontrolním účelům a (jsou definována v řádech podnikové metrologie). Měly by mít řádově vyšší přesnost než měřidla, která jsou pro příslušná měření použita v provozu. Návaznost je zajišťována kalibrací na etalon vyššího řádu. (Nejsou v zákoně uvedena). Pracovní měřidla nestanovená („pracovní měřidla“) slouží k měření na výkonných pracovištích, mají vliv na množství a jakost výroby, na ochranu zdraví a bezpečnosti i životního prostředí. Musí být periodicky kalibrována (uživatelem, který kalibruje ve vlastním metrologickém pracovišti nebo využije služeb metrologických pracovišť jiných subjektů, jež mají své etalony řádně navázané. Lhůty kalibrace si určuje sám uživatel. Pracovní měřidla stanovená („stanovená měřidla“) stanoví MPO (ministerstvo průmyslu a obchodu) vyhláškou (č. 345/2002 Sb.) k povinnému ověřování s ohledem na jejich význam: o v závazkových vztazích (např. při prodeji, nájmu, při poskytování služeb atd.) o pro stanovení sankcí, poplatků, tarifů a daní o pro ochranu zdraví o pro ochranu životního prostředí o pro bezpečnost při práci o při ochraně jiných veřejných zájmů chráněných zvláštními právními předpisy Orientační (informativní) měřidla jsou definována v řádech podnikové metrologie jako měřidla jejichž použití neovlivňuje jakost, množství popřípadě bezpečnost a ochranu zdraví pracovníků při práci. Tyto měřidla orientačně informují o stavu nebo velikosti jevu nebo látkového množství (mohou podléhat vstupní kalibraci). (Nejsou v zákoně uvedena). Návazností měřidel se rozumí zařazení daných měřidel do nepřerušené posloupnosti přenosu hodnoty veličiny počínající etalonem nejvyšší metrologické kvality pro daný účel. Způsob návaznosti pracovních měřidel stanoví uživatel měřidla. Schéma návaznosti měřidel (SNM) je dokument uvádějící hierarchii měřidel (od primárních (státních) etalonů až na pracovní měřidla), sestavený pro měření dané veličiny, popisující postup operací
určených k přenosu hodnoty jednotky této veličiny a stanovující přesnosti požadované pro každou z těchto operací. Ověřování je soubor operací skládající se ze zkoušky a opatřením úřední značkou na měřidle (nevystavuje se ověřovací list) nebo z vystavením certifikátu (ověřovacího listu), kterým se konstatuje a potvrzuje, že měřidlo odpovídá předepsaným požadavkům. Nejsou uváděny výsledky měření, ale konstatuje se shoda parametrů s příslušnou specifikací. Ověřením měřidla se potvrzuje, že měřidlo má požadované metrologické vlastnosti, a že odpovídá ustanovením právních předpisů, technických norem i dalších technických předpisů, popřípadě schválenému typu. Kalibrace měřidel je soubor operací, kterými se metrologické vlastnosti měřidla porovnávají s měřidlem metrologickým navázaným, zpravidla s etalonem organizace, jiné kalibrační laboratoře nebo etalonem ČMI. Výsledky kalibrace se zaznamenávají do kalibračního listu. (Kalibrace na rozdíl od ověřování nekončí opatřením plomby nebo značky). Kalibrační postup je předpis, který obsahuje souhrn činností při kalibraci měřidel a slouží jako návod pro práci zaměstnanců v kalibrační laboratoři. Každý kalibrační postup by měl být: • úplný – musí obsahovat potřebné údaje • správný – bez chyb a nesprávných údajů • srozumitelný – obsah musí být jednoznačný, aby nevznikaly pochybnosti o významu jednotlivých údajů a pojmů, zvláště při používání zkratek • účelný – musí určovat optimální podmínky pro co nejefektivnější průběh kalibrace s minimálními náklady a pracností • validovaný – musí být potvrzena a uznána platnost postupu v případě, že se nejedná o postup normalizovaný • stručný – v textové části uvádět pouze nezbytné a důležité údaje potřebné ke kalibraci měřidel s použitím správných technických termínů • přehledný – čitelný a vhodně upravený
Ukázka kalibračního listu:
Zákony týkající se metrologie najdete v referencích [2], [3] a [4]. Norma týkající se metrologie najdete v referencích [1].
3.
Schéma postupu od koupě měřidla až po jeho vyřazení Požadavky na měřidlo (obor, rozsah, tolerance, přesnost)
Výběrové řízení na dodavatele
Neshoda
Schválení nákupu a nákup měřidla Ne Kontrola shody s požadavky Ano Evidence měřidla a určení uživatele Zabezpečení konfirmace dle měřidla SM, PM Označení, doba platnosti Předání uživateli, seznámení s měřidlem Uživatel pracuje Ne Zajistit opravu měřidla (externě, interně)
Došlo k poškození či prošlé konfirmaci Ano Vedoucí rozhodne co s měřidlem
Ano Je měřidlo opravitelné? Ne Vyjmutí měřidla z evidence (metrolog)
Metrologická konfirmace dle norem je soubor činností požadovaných pro zajištění toho, aby měřící vybavení bylo ve shodě s požadavky na jeho zamýšlené použití. Metrologická konfirmace obecně zahrnuje kalibraci a ověřování, jakékoli nezbytné seřízení nebo opravu a následnou rekalibraci, porovnání s metrologickými požadavky na zamýšlené použití vybavení, stejně jako jakékoli požadované zapečetění a označení štítkem.
4.
Metrologický řád Každý podnik, který pracuje s měřidly, má stanovena pravidla v metrologickému řádu pro daná měřidla, podle nichž se řídí. Za jeho dodržování a aktualizování odpovídá metrolog, který je řádně proškolen a je seznámen se všemi měřidly, které jsou v daném podniku a k jakému účelu jsou využívány. Podnikový metrologický řád by měl zahrnovat: − Obsah − Cíl − Pojmy, definice, zkratky − Odpovědnost a pravomoc − Rozdělení měřidel − Volba měřidel − Evidence a značení měřidel − Výdej měřidel − Kalibrace měřidel − Ověřování měřidel − Vyřazování měřidel − Související dokumenty − Přílohy
Přílohy k metrologickému řádu se mohou skládat z těchto dokumentů: − evidenční karta měřidla − seznam pracovních měřidel stanovených − seznam pracovních měřidel nestanovených − seznam referenčních materiálů − kalibrační postup pro nestanovená pracovní měřidla − matice odpovědnosti − matice dokumentace − doklad o převzetí měřidel − objednávka externí kalibrace − oznámení o vadném měřidle
5.
Povinnosti uživatele − − − − − −
Používat jen evidovaná měřidla Ohlásit podezření na neshodu měřidla Kontrola funkčnosti Správné užívání Správné uchovávání Sledování kalibračních známek a evidenčních čísel
Evidenci měřidel lze vést v papírové podobě nebo v elektronické formě. Neměli bychom opomíjet dobré rozlišení měřidel, ať už číselnou řadou či barevně. Díky současným vyspělým technologiím, jako jsou databáze, lze měřidla evidovat nejen podle data platnosti kalibračních listů, ale i podle jednotlivých podnikových středisek nebo podle jmenného seznamu uživatelů či měřidel. Evidenční karta měřidla by měla obsahovat tyto základní údaje: − Název měřidla − Jméno výrobce, model a typové označení − Výrobní číslo − Evidenční číslo metrologické evidence − Datum výroby a datum uvedení do provozu − Stav při převzetí − Umístění měřidla − Podrobné údaje z kontrol včetně údajů o ověření nebo kalibrace měřidel − Podrobnosti o prováděné údržbě − Evidence závad, poškození, úprav a oprav U každého měřidla je třeba evidovat základní chybu měřidla (udává ji výrobce). Je to chyba měřidla určená za referenčních podmínek. Tyto podmínky je třeba zachovávat pro správnost měření a jeho platnost. Dalším evidovaným údajem je třída přesnosti měřidla, která se zpravidla vyjadřuje číslem nebo symbolem přijatým dohodou a nazývaným index třídy.
6.
Nejistoty Nejistoty měření tvoří parametr připojený k výsledku měření. Je to odhad části měření, který charakterizuje rozmezí hodnot, v němž leží skutečná hodnota měřené veličiny. Nejistota se může dotýkat výsledku měření, ale též hodnot odečítaných na použitých přístrojích, hodnot použitých konstant, korekcí apod. od kterých nejistota výsledku měření závisí. Více o nejistotách se dozvíte v referencích [5], [6] a [7]: a) Nejistota typu A Nejistotu typu A získáme statistickou analýzou série naměřených hodnot z opakovaných měření stejné veličiny. Je ovlivněna náhodnými vlivy. n
u A ≡ s( y) =
∑(y
i
− y) 2
i =1
n * (n − 1)
Počet opakovaných měření by měl být větší než deset, protože jinak není možné učinit kvalifikovaný odhad. Pokud není k dispozici potřebný počet měření, použijeme korigovanou nejistotu uAk
u Ak = k * s ( y ) kde k je koeficient závislý na počtu opakovaných měření. Hodnoty koeficientu k pro různé počty opakovaných měření jsou v následující tabulce: n 9 8 7 6 5 4 3 2 k 1,2 1,2 1,3 1,3 1,4 1,7 2,3 7,0
Příklad výpočtu jsou v tabulce: i yi 1 5,09 2 5,05 3 4,92 4 4,98 5 5,11
nejistoty typu A: Jednotlivé naměřené hodnoty ∆yi 0,077 0,037 -0,093 -0,033 0,097
∆yi 2 0,006 0,001 0,009 0,001 0,009
i yi 6 4,92 7 5,07 8 5,03 9 4,95 n=9 45,12
∆yi -0,093 0,057 0,017 -0,063 0,000
∆yi 2 0,009 0,003 0,000 0,004 0,043
n
u A ≡ s( y) =
∑ ( yi − y ) 2 i =1
n * (n − 1)
9
=
∑ ∆y
2 i
1
9 *8
=
0,043 = 0,024324mm 72
Protože bylo naměřeno pouze devět hodnot, je třeba korigovat nejistotu koeficientem z tabulky, který je roven k=1,2.
u Ak = k * s ( y ) = 1,2 * 0,024324 = 0,029189 mm b) Nejistota typu B Standardní nejistota typu B se odhaduje expertním odhadem na základě dostupných informací a zkušenosti. Nejčastěji použijeme: − údaje výrobce měřicí techniky (technické parametry použitého zařízení) − zkušenosti z předchozích měření − zkušenosti s vlastnostmi chování materiálů a techniky a poznatky o nich − údaje získané při kalibraci a z certifikátů − nejistoty referenčních údajů v příručkách Nejistotu etalonu přepíšeme z kalibračního listu. Chybu měřidla přečteme z návodu. Příklad určení nejistoty typu B: Zdroj Velikost Rozdělení PřepoZmax ± čet χi Nejistota etalonu 0,0015 normální 1 Chyba měřidla 0,02 normální 2 Chyba čtení 0,01 rovnoměrné 3 Deform.ramen
0,016
normální
Přírůstek UBi UBi=Zmax/ χi 0,0015 0,01 0,005773
2 0,008 ΣUBi = 0,025273 mm
c) Nejistota typu C Kombinovaná standardní nejistota typu C se získá sloučením standardní nejistoty typu A (uA) s výslednou standardní nejistotou typu B (uB):
u C ( x) = u A2 ( x) + u B2 ( x) Příklad určení nejistoty typu C:
uC ( x) = u A2 ( x) + u B2 ( x) = 0,029189 2 + 0,0252732 = 0,038759 mm
d) Rozšířená nejistota Rozšířená nejistota je součinem standardní nejistoty měření a koeficientu rozšíření k = 2, což pro normální rozdělení odpovídá pravděpodobnostnímu pokrytí cca 95% (zaručuje interval spolehlivosti přibližně 95 %). Příklad určení rozšířené nejistoty:
U = k ∗ u c = 2 * 0,038759 = 0,077518 mm Výsledek měření má potom tvar: (5,0133±0,077518)mm
7.
Závěr
Přínosy pro firmu v oblasti metrologie jsou především: − snížení zmetkovitosti a reklamací − snížení nákladů − zlepšení image firmy zvýšením jakosti produkce − zvýšení konkurenceschopnosti − garance stability jakosti Reference [1] Norma ČSN EN ISO 10012 (010360) systémy managementu měření – požadavky na procesy měření a měřicí vybavení [2] Zákon č. 505/1990 Sb. se nahrazuje zákonem č. 119/2000 Sb. [3] Vyhláška č.65/2006 Sb. [4] Vyhláška č. 345/2002 Sb. [5] TPM 0051-93 Stanovenie neistot pri meraniach [6] EAL – R2 Metodika vyjadřování nejistot při kalibracích [7] Norma ČSN EN ISO/IEC 17 025:2001 Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří. Adresa autora: Ing. Eliška Cézová, České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav technické matematiky, Karlovo nám. 13, 121 35 Praha 2 e-mail:
[email protected] Tato práce byla vytvořena za podpory projektu MŠMT 1M06047 - CQR
