VZÁJEMNÉ VZTAHY METROLOGIE, TECHNICKÉ NORMALIZACE A ZKUŠEBNICTVÍ Technická normalizace Technická normalizace je účinným nástrojem řízení hospodářství, zasahuje do něj účinnými nástroji, technickými normami. V technicky vyspělých zemích má norma charakter technických zákonů. Takové postavení si musí norma vytvořit svou úrovní, progresivitou a pohotovostí. Technická normalizace je technická disciplína, nemá samostatný vědecký charakter. Zajišťování jednotnosti a správnosti měřidel a měření není možné bez účinné pomoci technické normalizace. Máme tři druhy technických norem: 1. Všeobecné (průřezové) normy se týkají obecných otázek některé technické oblasti nebo jsou společné více technickým disciplínám. Např.: Veličiny a jednotky ve vědě a technické praxi. 2. Předmětové normy obsahují náležitosti požadované od určitých objektů (vlastnosti surovin, materiálů, výrobků, zařízení). Z metrologického hlediska se týkají měřidel. Těchto norem je největší počet. 3. Předpisové normy, předpisují metodiku různých činností, např. i metrologických a také technologických operací. Jejich počet je u nás malý. Od vstupu země do EU se jejich počet zvětšuje. Protože technická normalizace je mladší než metrologie, zabezpečovala si dříve metrologie jednotnost a správnost měřidel a měření vlastními předpisy. Tato situace dosud přetrvává. V metrologii jsou normativy technické normy státní i podnikové, také však metrologické přepisy.
Označování norem: ČSN + číslo Česká státní technická norma, dříve také Československá státní technická norma, závazné do konce roku 1994, ČSN ISO Česká technická norma podle mezinárodní normy, ČSN IEC Česká technická norma podle mezinárodní normy, z oboru elektrotechniky, ČSN EN Česká technická norma podle normy evropské, PNÚ Norma Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, DIN Německá norma, VDE/VDI Německá doporučená norma, BS Britská norma, ASA Norma USA, IEEE Doporučená norma USA pro obor elektro, NF Francouzská norma, ISO Mezinárodní norma, ISO R Mezinárodní doporučení, IEC Norma Mezinárodní elektrotechnické komise, EN Norma Evropského společenství.
Platnost a závaznost norem Dřívější právní úprava, rozlišovala normy (závazné) a doporučené normy. Platnost byla určena příslušným datovým údajem na normě a skončila datem nahrazením této normy normou novou. Nyní podle zvyklostí Evropské unie se stejně určuje jen platnost normy, 1
závaznost normy není určena z normy samé, ale je stanovena jiným předpisem. Hospodářská smlouva může určit používání jiných norem a předpisů. Metrologické předpisy se týkají zejména požadovaných vlastností vyráběných nebo dovážených měřidel a jejich používání a způsobů ověřování. Patří sem Technický předpis metrologický (TPM) a Metodické pokyny pro metrologii (MPM). Vztah metrologie a zkušebnictví se nejvíce projevuje při zkoušení výrobků. Účelem zkušebnictví je řízení jakosti výrobků. Zkoušení výrobků není možné bez měření.
Vztah metrologie a příbuzných činností Odhad v metrologii Při praktickém měření je odhad běžným úkonem, stejně jako čítání. Pojem odhadu lze vymezit několikerým způsobem. Hrubý odhad. Snažíme se nějakou veličinu vymezit tak, jak ji vnímáme a jak ji hodnotíme na základě tohoto vjemu ve své představě a kterou považujeme za referenční. Může být velmi nespolehlivý, ale má určitý kvantitativní význam u zkušených pozorovatelů s dlouhodobou praxí v určitém speciálním oboru (těžba dřeva, otáčky motoru). Má velký význam při eliminaci hrubých chyb při měření. Odhad přímým pozorováním. Pozorovatel svými smysly (zrakem, sluchem i hmatem) porovnává bez jakéhokoliv měřítka nebo pomůcek dvě vlastnosti (veličiny) téhož druhu, přičemž obě vnímá na témže místě ve stejném okamžiku a za stejných podmínek. Výsledkem tohoto způsobu odhadu jsou konstatování: např. větší nebo menší, světlejší nebo tmavší, teplejší nebo chladnější a pod. Někdy bychom tomuto způsobu porovnávání nemuseli říkat odhad, protože se domníváme, že kvantitativní převahu jednoho objektu vzhledem k druhému je možno určit bez chyby. Přesto je nutno tento úkon považovat za porovnání subjektivní, které může být zatíženo chybami, které si ani neuvědomujeme. Před měřením veličiny se často uvažuje o nejvhodnější metodě nebo měřidle, jejichž volba závisí na hodnotě měřené veličiny. K přibližnému určení intervalu obsahujícího hodnotu měřené veličiny je předběžný odhad užitečný, je-li proveden odpovědně a nemámeli jinou možnost hodnotu veličiny určit přesněji (např. hmotnost na předvážkách, pH pomocí papírků s celým rozsahem, hustotu hrubým hustoměrem a teplotu hrubým teploměrem). Odhad má v metrologii své místo, neboť je běžným doplňkem čtení indikovaných hodnot na stupnicích analogových měřicích přístrojů. Dílek stupnice má vždy nějakou okem rozlišitelnou délku a ukazovatel není vždy v koincidenci s nějakou ryskou stupnice. Poslední číslici hodnoty měřené veličiny určujeme odhadem z polohy ukazovatele vzhledem k nejbližším ryskám stupnice. V literatuře se uvádí, že lze odhadnout 1/5 až 1/10 dílku podle okolností. Odhad je nejlepší, je-li ukazovatel v polovině dílku. Při odhadu polohy u rysky se dopouštíme chyby způsobené tloušťkou rysek stupnice.
Tento způsob čtení výsledků je vlastně jakousi myšlenkovou lineární interpolací (někdy i extrapolací) prováděnou pozorovatelem.
Kontrola je činnost směřující ke zjištění, zda v určité místně vymezené oblasti byly v dané době dodrženy předepsané náležitosti. Dříve se tento výraz používal mnohem častěji i pro kalibraci a ověřování.
2
Kontrola metrologického pořádku je zjištění, zda používaná měřidla byla ověřována v předepsaných lhůtách. Kontroluje se používání zákonných měřicích jednotek, etalonů, měřicí a etalonážní techniky. Kontrola v technické praxi je soubor úkonů, zda určitý objekt odpovídá předem stanoveným náležitostem. Tato kontrola spadá do metrologie. Velmi často se prolíná se zkoušením. Často se při kontrole nějaká vlastnost měří. Pak jde o měření nikoliv provozní, ale o kontrolní měření. Kontrola nikdy nenahrazuje provozní měření. Kontrolní měření některé vlastnosti etalonového měřidla má i některé nemá.
Třídění je dělení většího počtu jedinců do několika tříd (skupin) podle nějaké vlastnosti (nebo více vlastností). Každé třídě přísluší konečný interval dané vlastnosti (nebo parametru). Má-li tříděná vlastnost fyzikální, technický nebo číselný charakter, jde o třídění metrologického charakteru. Příklady: • výrobky a zmetky, • třídění rezistorů podle tolerancí, • třídění termistorů, • třídění polovodičů, • třídění integrovaných obvodů: MH74XX (0 °C až 70 °C), MH84XX (-25 °C až 85 °C), MH84XX (-55 °C až 125 °C).
Dávkování je úkon, kterým rozumíme oddělení určitého požadovaného množství (s povolenou tolerancí) z většího celku. Množstvím může být hmota, objem, záření. Dávkovací zařízení (dávkovač) vyžaduje vždy přístrojovou techniku (jednoúčelovou). Často to bývá odměřovací či odvažovací zařízení. Tato část patří do metrologie a je předmětem ověřování i když vlastní podstata zařízení je technologická, vybavená měřicí a řídicí technikou. Zkoušení je soubor operací, zda nějaký objekt (zvaný zkušební vzorek) vyhovuje určité podmínce nebo několika určitým podmínkám. Zkoušení lze provádět objektivně nebo i subjektivně. Subjektivní zkoušení provádíme svými smysly bez použití jakéhokoliv zařízení, přičemž výsledek zkoušky má často je kvalitativní (konstatující) charakter. Konstatujeme, že obalové sklo je nedostatečně naplněno, na tkanině je chyba, potrubí je netěsné, povrch je příliš hrubý, porušená plomba, ohnutá ručička apod. Takové zkoušení bývá součástí rozsáhlejšího souboru operací, např. i ověřování. Nelze je přiřadit k měření, ale v metrologii se uplatňuje. Zkoušením se také rozumí vyšetření neměřitelných vlastností, které nazýváme kvalimetrickými. I při tomto způsobu zkoušení postupujeme subjektivně, ale zpravidla se snažíme získat výsledek pseudokvantitativní povahy. Takto pojaté zkoušení je záležitostí kvalitologickou a do metrologie nepatří (degustace potravin, hodnocení výkonu krasobruslařů, hodnocení uměleckých děl). Pro vyloučení subjektivnosti provádí hodnocení více lidí a pro potlačení subjektivity se počítá průměr. Objektivní způsoby zkoušení vyžadují použití potřebných zařízení, tj. technické prostředky pro simulaci určitých podmínek (např. termostaty) a prostředky kvantifikující, tj. měřidla a počítadla. Tato činnost patří do metrologie. Počítadla nebo prosté čítání postačí tehdy, vyšetřujeme-li při zkoušení počet určitých jevů. Zkoušením zjišťujeme, kolikrát lze dané zařízení zapnout a vypnout (např. relé nebo 3
motory), kolik nárazů nebo ohybů určitý objekt vydrží, než se zhorší jeho vlastnosti. Výsledkem zkoušky je číslo doplněné údajem, čeho se to týká. Pro tuto „pojmenovanost“ výsledku lze zkoušení považovat za měření v širším slova smyslu. Měřicí prostředky používáme ke zkoušení také tehdy, máme-li zjistit, že určitá fyzikální nebo technická veličina má hodnotu v předepsaných mezích, přičemž konkrétní hodnoty této veličiny se ani nemusí zjišťovat. Takovými prostředky jsou mezní měřidla (kalibry) nebo různá zkušební zařízení. Např. kladným výsledkem zkoušení je zjištění, že odpor nějakého objektu leží v mezích (35,00 ± 0,25) Ω. Pro takovéto zjištění je termín zkoušení výstižnější, ačkoliv termín měření se také užívá. Oba poslední případy zkoušení (čítání nebo určení tolerance veličiny) patří do metrologie. To se netýká jen měření délek kalibry, ale mnoha veličin, jejichž hodnoty posuzujeme podle referenčních podmínek při jejich zkoušení. Zkoušení je experimentální náplní zkušebnictví, tuto disciplínu lze z experimentálního hlediska zahrnout do metrologie i když jen s omezením na veličiny kvantifikovatelné, tj. měřitelné a počitatelné. Zkoušení zvyšuje výrobní náklady a musí být proto ekonomicky zdůvodnitelné. Vyspělé průmyslové státy (Švýcarsko, Švédsku, Japonsko) dosahují v tradiční strojírenské výrobě mimořádných obchodních úspěchů tím, že věnují zkoušení při výrobě velkou pozornost.
Realizace zkoušení Zkoušení druhu výrobku (typové zkoušky nového výrobku) s cílem vyšetřit vlastnosti výrobku a možnosti jeho použití. nové výrobky dostávají značku kvality což se projevuje i v ceně výrobku. Vlastnosti se vyšetřují pomocí měřicích prostředků, samotný výrobek však může být i měřicí přístroj. Patří tedy tento druh zkoušení do metrologie. Tyto zkoušky provádějí autorizované státní zkušebny a jsou pro některé výrobky závazné. Výrobky se posuzují podle mnoha hledisek a náročných zkoušek. Např. měřicí přístroje pro prostředí s nebezpečím výbuchu posuzuje státní zkušebna v Radvanicích, elektrickou bezpečnost posuzuje Elektrotechnický zkušební ústav v Troji, vždy se zkoumá, jak jsou dodrženy příslušné normy a předpisy. Zkoušení výrobků při běžící produkci s cílem zjištění a zajištění kvality výrobků. Zjišťují se výrobky s vlastnostmi ve vhodných tolerancích s cílem oddělit vynikající a dobré výrobky od zmetků opravitelných a neopravitelných. Způsob zkoušení se nazývá technologie zkoušení a u některých současných výrobků zabírá zkoušení 40 % až 60 % výrobního času spotřebovaného zkoušením mezi operacemi. Platí staré heslo, kvalita znamená výběr. Pro provádění zkoušení jsou podnikové předpisy, které musí výrobek splňovat. Zkoušení je často přímo zabudováno do výrobní technologie. Zkoušení je určeno požadavkem, že výrobek musí být tak dobrý, jak je nezbytně nutné. Vyšší neodůvodněná kvalita znamená vyšší náklady a tedy i menší míru zisku. Kvalita všech součástí na výrobku by měla být vyvážená (optimální případ). Celý výrobek by se měl opotřebovat současně. Podle reklamací nebo oprav se zjišťuje „úzký profil“ výrobku a zlepšením kvality tohoto „úzkého profilu“ současně zlepšujeme kvalitu celého výrobku. Při výrobě se mnohdy zkouší všechny výrobky, pokud je to zdůvodnitelné. V mnohých případech však nelze kontrolovat všechny výrobky, pak se provádí statistická kontrola kvality, kdy se zkouší jen určitý výběr z celé produkce a podle něj se usuzuje na celou produkci, sérii, šarži apod. To se provádí tehdy, když nežádoucí vlastnosti nejsou typické pro individuální výrobek, ale mají původ např. v surovině nebo v hromadném způsobu zpracování.
4
Které parametry jsou předmětem zkoušení? • • • • • • • • • •
Funkční vlastnosti, tj. vlastnosti, které vykazuje řádně fungující přístroj. Mechanické a geometrické vlastnosti, konstrukční stavba, mechanická stabilita, hmotnost, rozměry. Chemické (a materiálové) vlastnosti, korozivzdornost, odolnost proti rozpouštědlům. Elektrické vlastnosti (pokud to nejsou funkční vlastnosti), např. isolační pevnost. Provozní potřeby, napájení energií (příkon), tlakový vzduch či plyny, pracovní nebo pomocné látky. Klimatické vlastnosti, tj. odolnost proti teplotě a vlhkosti. Spolehlivostní vlastnosti, doba života, možnost poruchy, přetížitelnost. Bezpečnostní vlastnosti, ochrana proti explozi, těsnost, ochrana proti dotyku. Estetické vlastnosti, tvar, barva, povrchové vlastnosti. Speciální vlastnosti použití, označení svorek a ovládacích prvků, popis, úplnost příslušenství, návod.
Vyhodnocení výsledku zkoušení Rozhodnutí, zda výrobek odpovídá či neodpovídá dané jakostní třídě a rozdělení produkce do tříd různé kvality. Zpracování opravitelných zmetků na výrobky ve speciální dílně, vyhodnocení výskytu nedostatků a zpětný zásah do technologie. Existují dva způsoby vyhodnocení výsledku zkoušení: • se zpožděným vyhodnocením výsledků (statistické vyhodnocení), • v novějších technologiích se provádí vyhodnocení stále, automaticky s minimálním dopravním zpožděním (minimum zmetků), pomocí zkoušecí a výpočetní techniky. Oba druhy zkoušením jsou schematicky znázorněny na následujících obrázcích.
Vyhodnocení výsledku zkoušení se zpožděným vyhodnocením (statistické vyhodnocení)
5
Vyhodnocení výsledku zkoušení s automatickým vyhodnocením
Prostředky zkoušení Samozřejmým požadavkem je nedestruktivní zkoušení. Elektromagnetické vlny:
gama záření – 60Co rentgenové záření světlo ( UV, vid., IR) tepelné záření radiové vlny
radiografie, gama defektoskopie, rentgenová defektoskopie, prohlížení, termovize, pyrometrie, vysokofrekvenční měření.
Elektrický proud:
stejnosměrný, střídavý
vodivost, statické a dynamické zkoušky.
Mechanické kmity:
náraz nízká frekvence zvuk ultrazvuk
zkoušení nárazem, zkoušení s rozmítanou frekvencí (rezonance), poklepem, ultrazvuková defektoskopie.
vedení tepla konvekce
dotykové měření teploty, rozložení teplot.
Sdílení tepla:
Při výrobě elektronických měřicích přístrojů, počítačů a elektronických obvodů je zkoušení každého výrobku zvlášť žádoucí. Vizuální prohlížení lupou nebo stereomikroskopem, výroba čipů pro integrované obvody.
6
Elektrické postupy: průchodnost či neprůchodnost určitých cest na tištěných spojích, kontrola napětí v určitých bodech. Při velkém rozsahu zkoušek je zkoušení řízeno počítačem. Tepelné postupy vytvářejí obraz teplotního pole při zatížení, např. vrstvový rezistor s vadně připojeným kontaktem.
Metoda je poměrně nová, lze ji použít i pro integrované obvody pod mikroskopem spolu s analýzou obrazové informace. Elektrické zkoušení funkce: Pro komplikované přístroje se to provádí na specializovaných pracovištích na zařízeních zvaných testery. Pracoviště mají zajištěny podmínky (teplota, vlhkost, prašnost, osvětlení, hluk, rychlost vzduchu). Problém je kontaktování, většinou pomocí adaptéru s jehlami a pro dané zatížení a dané vstupní signály musí zařízení vytvářet výstupní signály v určitých tolerancích.
Způsoby zkoušení Kvalifikace: Laboratorní zkoušení
< 103 ks/rok
velká
Manuální zkušební zařízení v provoze
asi 103 ks/rok
střední
Poloautomatické zkušební zařízení v provoze
> 103 ks/rok
střední
Plně automatické zkušební zařízení v provoze
> 104 ks/rok
malá
Počítačem řízený tester
> 105 ks/rok
malá
7
Funkční schéma testeru
Počítačem řízený tester umožňuje přímé ovlivňování výrobního procesu.
Pro zkoušení se vypracovávají vhodné vývojové diagramy, které někdy prověřují více funkcí najednou a při nesprávném výsledku se postupuje v podprogramech, které určí chybnou funkci, obvod či součástku. Pro vytvoření předpisu zkoušky poslouží deset otázek: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Co je třeba zkoušet? (objekt) Které vlastnosti je třeba zkoušet? V kterém stadiu výroby je třeba provést zkoušku? Kde má být zkouška provedena? Na jakém souboru má být zkouška provedena? (celá výroba, výběr) S čím má být zkouška provedena? Kdo má zkoušku provést (kvalifikace)? Jak má být zkouška provedena? Napojení, jednotlivé kroky, dovolené tolerance, kriteria pro rozhodování, alternativy při překročení tolerancí, zápis výsledků. 9. Pro koho je zkoušeno? Koho zajímají výsledky zkoušek? 10. Co provést s přezkoušenými vzorky? (sklad, zmetky, přepracování).
8
