Company Logo
ООО "Измерительные Системы" представляет высококачественное измерительное оборудование из Германии - датчики крутящего момента, датчики силы, измерительную электронику, испытательные стенды.


Форма входа

Случайно

Системы менеджемента и калибровка

Системы менеджмента и калибровка датчиков крутящего момента

Автор: к.т.н. Вильфрид Криммель. Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010.
Вильфрид Криммель руководит калибровочной лабораторией на фирме Lorenz Messtechnik GmbH и работает в области измерительной техники крутящего момента с 1981 года.

Оригинал статьи (PDF ~ 2,3 МБ,  нем., англ.)

1. Вступление

Как показывает количество сертификаций систем менеджмента, для многих предприятий на первом месте стоит контроль качества их продукции. Для того, чтобы при измерениях всегда применять правильную меру, менеджмент средств измерений является одной из важнейших составляющих всех систем менеджмента качества. Если он применяется правильно, то все средства измерений и испытаний должны калиброваться с установленной периодичностью. В соответствующих нормах все требования довольно хорошо описаны, однако как только кто-то собирается откалибровать прибор, возникает вопрос: какой способ калибровки правильный? Из-за большого числа типов калибровки на рынке, которые предлагаются в форме заводской калибровки, согласно инструкции производителя, основанной на нормативе XYZ или, даже, в виде калибровки согласно DIN EN ISO 9001, пользователь измерительного прибора может довольно быстро растеряться. Кроме того есть ещё «дорогие» DKD-калибровки, предлагаемые аккредитованными калибровочными лабораториями, смысл которых многие пользователи понимают только тогда, когда встаёт вопрос гарантии производителя на изготовленное изделие. Эта статья знакомит ближе с самыми распространенными системами контроля качества и имеющимися калибровочными стандартами на примере датчиков крутящего момента. Когда мы поймём, что же требуется для правильного менеджмента средств измерений согласно ктуальноу уровню научного и технического развития, только тогда мы сможем решить, как правильно ввести датчики крутящего момента в систему контроля средств измерений и услуги какой калибровочной лаборатории нам подходят.

2. Система контроля качества и калибровка

Во многих источниках мы можем прочитать, что серия нормативов DIN EN ISO 9000 утвердилась и получила самое широкое распространение на интернациональном уровне и поэтому чаще всего системы менеджмента действуют согласно этому нормативу. Следом идёт для всех поставщиков автомобильной промышленности жизненно необходимая норма ISO TS 16949, которая считается дополнением к серии нормативов DIN EN ISO 9000. Прежде всего, мы хотим взглянуть на обе системы контроля качества с точки зрения менеджмента средств измерений. Далее мы рассмотрим, на что нужно обратить внимание при калибровке. После этого мы обратимся к нормам и инструкциям для корректной калибровки приборов измерения крутящего момента согласно уровню научно-технического прогресса.

2.1 Менеджмент средств измерений согласно DIN EN ISO 9001

Средства измерений и испытаний находятся в разделе 7 «Процессы жизненного цикла продукции» и занимают не особо много места в данном нормативе. В подразделе 7.6 мы найдём, положения о том, как должен выполняться менеджмент средств измерений. Согласно этим положениям мы должны регулярно калибровать наше измерительное оборудование. В случае, если средство измерения находится вне пределов толерантности, оно должно быть отъюстировано (отрегулировано). Статус калибровки должен обозначаться на измерительной аппаратуре. Точные сведения о том, что, например, означает калибровка, в этом нормативном документе не содержатся. Только в конце подраздела внимательный читатель найдёт ссылку на DIN EN ISO 10012 с названием «Системы менеджмента измерений — Требования к измерительным процессам и измерительному оборудованию». Так же в DIN EN ISO 9004 «СМК — Рекомендации по улучшению деятельности» мы не находим существенных указаний на этот счёт.

2.2 Менеджмент средств измерений согласно ISO TS 16949

Как уже написано выше, DIN EN ISO 9001 является основой для этого нормативного документа, таким образом замечание о DIN EN ISO 10012 сохраняет здесь своё действие. Дополнительно появляются требования к менеджменту измерительных средств, как например, следующие записи:

  • Прослеживаемость к национальной норме
  • Выполнение измерительно-технических требований после калибровки

Калибровка во внешних лабораториях должна, кроме того, отвечать следующим требованиям:

  • Лаборатория должна иметь определённую сферу деятельности (в данном случае -  крутящий момент)
  • Лаборатория должна иметь аккредитацию согласно DIN EN ISO/IEC 17025

3. DIN EN ISO 10012 Системы менеджмента измерений. Требования к измерительным процессам и средствам

Этот нормативный документ появился в переработанной форме в 2003 году. В нём точно описано, что понимается под «калибровкой» и какие элементы для этого необходимы. Из немного сухого текста норматива следует, что калибровка должна давать сведения об ошибке измерений и подтверждение измерительно-технической прослеживаемости к SI-единице. Также должны быть известны составляющие, вносящие свой вклад в ошибку измерений. У крутящего момента это, например, точность повторяемости или сравниваемости соответственно, вариация показаний, отклонение нуля и т.д. Далее описывается, что каждый измерительный процесс должен происходить в порядке обязательного документирования. Это значит, для каждого измерительного процесса должно иметься описание, например, в форме инструкции. Калибровка тоже — измерительный процесс и должна проводится документированным и признанным способом. Это происходит таким образом, что процессы калибровки проводятся согласно инструкциям или нормативным документам признанных органов или по методам, описанным в научной литературе.
Самой тяжелой задачей является то, что для каждого наблюдаемого измерительного процесса необходимо оценить ошибку измерений. Здесь рекомендуется использовать бюджет ошибок измерений согласно всемирно признанным правилам GUM (Guide to the expression of uncertainty in Measurement).

В бюджет входят все релевантные влиятельные величины измерительного устройства, такие как неопределённость измерений калибровки, влияние температуры, дрейф, величины помех и т.д. Такой бюджет неопределённости измерений может быть составлен в обычной программе табличной калькуляции. Национальные эталоны для крутящего момента находятся в Федеральном Физико-Техническом Ведомстве (Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB)) в Брауншвайге. При помощи этих эталонов покрываются полностью, без пробелов диапазоны момента силы от 1 мН·м до 200 000 Н·м.
В инструкции DKD-4 Немецкой Калибровочной Службы (DKD) элементы метрологической прослеживаемости точно описаны и состоят и представленных на Рис. 1 частей.

Элементы метрологической прослеживаемости

Рис. 1: Элементы метрологической прослеживаемости

Компетентность аккредитованной калибровочной лаборатории признаётся вне аккредитованной области службой DKD, если речь идёт об одинаковой измерительной величине, например, крутящий момент (профессиональная компетенция).

Калибровочная лаборатория Lorenz Messtechnik GmbH с регистрационным номером DKD-K-37801 имеет собственные высокоточные эталоны, неопределённость измерений которых была определена путём калибровки в PTB (Рис. 2). Эталоны регулярно перекалибруются в PTB и служат для поверки и прослеживаемости собственного калибровочного стенда, неопределённость измерений которого определена благодаря этим эталонам как 1·10-4. Калибровочные сертификаты обеспечивают метрологическую прослеживаемость калибровочного стенда и эталонов.

Непрерывная цепочка эталонов от PTB до поставляемого датчика

Рис. 2: Непрерывная цепочка эталонов от PTB до поставляемого датчика

4. Юстировка и поверка
 

4.1 Юстировка

Определение: Действия, которые приводят измерительный прибор в готовое к эксплуатации рабочее состояние.
Процесс для датчиков момента представлен на Рис. 3. Сначала при помощи нескольких предварительных нагрузок стирается «память» датчика момента. После этого начинается, собственно, процесс юстировки с установки нуля и после юстировка на номинальный момент. После успешного процесса юстировки может начинаться сам процесс поверки.

Юстировка датчиков крутящего момента

Рис. 3: Юстировка датчиков крутящего момента

4.2 Поверка

Определение от Lorenz Messtechnik GmbH опираясь на DKD: Определение и документация нескольких показателей продукции.
У датчиков крутящего момента определяются согласно Рис. 4 следующие величины, которые фиксируются в протоколе, прикладываемом к каждому новому, поставляемому датчику: Измеренные значения точки нуля, 50% и 100% от Mном снимаются и документируются. По этим величинам вычисляются сигнал нуля, линейность, гистерезис и чувствительность датчика и документируются в протоколе.

Процесс поверки датчиков момента

Рис. 4: Процесс поверки датчиков момента

Порядок действия при юстировке, а также при поверке датчиков момента не описан или объяснён ни в каком нормативном документе. Так что изготовители датчиков могут здесь сильно различаться между собой.

5. Калибровка датчиков крутящего момента

Калибровка датчиков момента происходит согласно признанным инструкциям или нормам, которые действуют как установленные процессы. Мы ограничимся калибровкой правостороннего момента.

5.1 Калибровка согласно DIN 51309

Рассмотрим подробнее калибровку согласно DIN 51309 на примере калибровки правостороннего момента с 8-ю ступенями. Как правило, выбираются ступени нагрузки в 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 80%, 100% от номинального момента Mном.

Процесс калибровки согласно DIN 51309 в 8 шагов

Рис. 5: Процесс калибровки согласно DIN 51309 в 8 шагов

После 3 предварительных нагрузок (Рис. 5) с номинальным моментом производится измерение 8-ми точек с увеличением нагрузки и, в заключение, 8-ми точек с уменьшением нагрузки. Далее следует ещё один ряд увеличения момента для определения повторяемой прецизионности датчика.
После этого датчик поворачивается на 120° относительно своей измерительной оси. Датчик снова предварительно нагружается номинальным моментом и потом следуют ряды ступенчатого увеличения и уменьшения момента.
Очередной поворот датчика на 240° с заключительным рядом измерений, как показано на графике, завершает съёмку точек измерения для калибровки правостороннего момента.
На рисунке 6 представлен процесс простой калибровки для классов 1 - 5.

Калибровка датчика момента в три ступени измерений

Рис. 6: Калибровка датчика момента в три ступени измерений

Как мы видим на диаграмме, здесь снимается значительно меньше измерительных пунктов. Кроме того можно обойтись без второго повышающегося ряда в положении датчика 0°, так как повторяемая прецизионность приравнивается к всегда более высокой сравниваемой прецизионности. Далее датчик нужно повернуть в установке только один раз. При этой калибровке датчик принудительно классифицируется в классах от 1 до 5, хотя установленная неопределённость измерений может быть низкой. Это является основанием, почему такой способ калибровки у более хороших измерительных устройствах не применяется. Под классами часто понимается «точность» датчика, что однако не обязательно соответствует действительности. Поэтому мы переходим к другой инструкции, которая не требует этого распределения по классам.

5.2 Калибровка датчиков крутящего момента согласно VDI/VDE 2646

При этом типе калибровки не происходит распределение по классам устройств измерения крутящего момента как в случае с DIN 51309. Для каждого измеренного значения подсчитывается и указывается неопределённость измерений.

Калибровка датчиков момента в три ступени измерений согласно VDI/VDE 2646

Рис. 7: Калибровка датчиков момента в три ступени измерений согласно VDI/VDE 2646

Калибровка начинается, как представлено на Рис. 7, с минимум 2-х предварительных нагружений датчика номинальным моментом и рядами шагового повышения и понижения нагрузки. Далее следует ещё один повышающийся ряд для повторяемой прецизионности. После этого датчик поворачивается вокруг своей измерительной оси и после предварительной нагрузки следует ряд повышения момента. Эта калибровка может, конечно, быть выполнена с большим количеством шагов, например, 8 ступеней как в случае с DIN 51309 (см. Рис. 8).

Процесс калибровки датчика момента в 8 измерительных ступеней

Рис. 8: Процесс калибровки датчика момента в 8 измерительных ступеней

Если известна сравнительная прецизионность из предыдущих калибровок или если она может быть определена калибровочной лабораторией из типового испытания посредством документированного статистического процесса, то можно обойтись без второго положения датчика. Калибровки только в одном положении без сравнительной прецизионности не являются утверждёнными калибровками и не соответствуют техническому уровню.

5.3 Деление влияний на неопределённость измерений на целесообразные части (факторы).

Результат калибровки как по DIN 51309 так и по VDI/VDE 2646 предоставляет измеренные значения рядов повышения и понижения момента, отклонения которых могут быть представлены в процентах от конечного значения от функции уравнивания как показано на рисунке 9. Приняты во внимание факторы (части), влияющие на неопределённость измерений. При этом имеется ввиду измерительный усилитель с высоким разрешением и устойчивостью.

Типичные отклонения в зависимости от крутящего момента при калибровке датчиков момента согласно DIN 51309

Рис. 9: Типичные отклонения в зависимости от крутящего момента при калибровке датчиков момента согласно DIN 51309

Из первого встраиваемого положения в 0°-позиции определяется повторяемая прецизионность как разброс измеренных значений. Измеренные значения для повёрнутых положений способствуют посредством собственного разброса определению сравнительной прецизионности. Разброс обратного хода (гистерезис) определяется из повышающихся и понижающихся рядов. Отклонение точки нуля остающееся в конце нагрузочного ряда тоже подсчитывается.
Чтобы иметь возможность указать неопределённость измерений не только для фиксированных измеренных точек, необходимо определить интерполяционное отклонение как представлено на рисунке 10.

Интерполяционное отклонение для линейного и кубического полинома при калибровке

Рис. 10: Интерполяционное отклонение для линейного и кубического полинома при калибровке

Далее необходимо ещё учесть используемый дисплей с его разрешением и неопределённость измерений калибровочной установки. Неопределённость измерения нельзя путать с точностью. Согласно DIN 55350 под точностью понимается качественное определение для величины приближения результата измерения к настоящему значению.

5.4 Классификация согласно DIN 51309

После того как мы часто читали о классификации датчиков крутящего момента, рассмотрим здесь коротко этот параметр.
Классы необходимы для простого сравнения устройств измерения крутящего момента различных производителей между собой. Параметры для классификации определяются из частей неопределённости измерений калибровки. Классификация происходит по принципу, что для каждого класса и каждого параметра существуют предельные значения. Если такое значение превышается, происходит распределение измерительного прибора в более высокий класс. Чем выше класс, тем больше параметры, вносящие свой вклад в неопределённость измерений. Однако это не действует для принудительной классификации с 3 ступенями калибровки.

5.5 Нормативы (нормы) и предписания (инструкции) для датчиков крутящего момента

Калибровочные нормы и предписания делятся на подтверждённые методы, инструкции производителей и калибровки согласно требованиям клиента. Подтверждённые методы калибровки прописываются признанными органами (группы специалистов) в нормах или инструкциях (например DKD). Для того чтобы предлагать более дешевые способы калибровки, существуют внутренние методы производителей. Но они, как правило, не являются признанными и не устанавливают неопределённость измерений согласно техническому уровню. Как уже было показано, для установления неопределённости измерений необходимо установить такие величины как повторяемая прецизионность, сравнительная прецизионность, разброс обратного хода, отклонение точки нуля и интерполяционное отклонение датчика. Иначе способ калибровки нельзя признать подтверждённым. Нижеследующий график (Рис. 11) представляет важнейшие описанные формы калибровки и предписания для крутящего момента. Методы, обозначенные буквой К, можно, согласно техническому уровню, назвать калибровкой. Способы, которые обозначаются буквой P, проверяют измерительно-технические данные датчиков и документируются в форме испытательных сертификатов.
Обозначенные через К калибровки делятся далее на калибровки DKD и заводские калибровки (WKS).

Калибровочные нормы и предписания для датчиков крутящего момента

Рис. 11: Калибровочные нормы и предписания для датчиков крутящего момента

5.6 DKD-калибровка в сравнении с заводской калибровкой (WKS)

Как было показано, сегодня в серьёзных калибровочных лабораториях, благодаря имеющимся нормам и предписаниям, возможно провести заводские калибровки (WKS) в соответствии с DIN EN ISO 9000 и DIN EN ISO 10012. Так как, для того чтобы вообще иметь возможность калибровать, сегодня больше не нужны калибровки в соответствии с .... Если калибровочная лаборатория еще и дополнительно аккредитована для крутящего момента, то такая лаборатория проводит для систем менеджмента качества (СМК), которые сертифицированы согласно ISO TS 16949, корректные DKD-калибровки и заводские калибровки (WKS) отражающие для каждой калибровочной ступени неопределённость измерений. Калибровочные лаборатории DKD обладают для аккредитованных сфер очень высокой измерительно-технической компетентностью и имеют очень хорошо образованный персонал, который находится на актуальном уровне развития науки и техники. Кроме того стоят эти лаборатории в иерархии непосредственно под PTB.
Различие между калибровками DKD и WKS состоит в том, что для заводских калибровок WKS предписание VDI/VDE 2646 может быть применено в её упрощённой форме. Тем самым калибровка осуществляется проще и дешевле, но корректно и на актуальном техническом уровне. Однако, изготовление калибровочного сертификата WKS находится в ответственности калибровочной лаборатории. При калибровках DKD сам процесс калибровки и калибровочные сертификаты выполняются по требованиям DKD и проверяются этой службой, что ведёт к значительно более высокой трудоёмкости при документировании этого вида калибровки.
Пользователь измерительной техники для крутящего момента должен следить за тем, чтобы в калибровочном удостоверении заводской калибровки была указана неопределённость измерений, а также указаны компоненты, приводящие к неопределённости измерений. Так как согласно VDI/VDE 2646 калибровки без указания неопределённости измерений бесполезны. Кроме того должен быть указан применённый способ калибровки. Если в способе калибровки стоит «опираясь на» или «калибровка согласно предписанию производителя», то необходимо проверить, соответствует ли вообще эта калибровка актуальному техническому уровню. Для большей доказательной силы касательно гарантии производителя на продукцию, что собственно всегда имеет силу при использовании эталонного датчика, необходимо проводить калибровку DKD. Эти калибровочные сертификаты признаются на интернациональном уровне и имеют большую доказательную силу в гарантийном случае.

*

Конвертер величин


Исходная величина:
Значение:

Требуемое значение:

Десятичный знак - "."


Книги!

Copyright ООО "Измерительные Системы" 2009-2013. Mr.Sanders.