Омметри і фарадометри: особливості калібрування засобів вимірювальної техніки

Невизначеність, яка оцінюється під час калібрування, стосується саме наведених вимірюваних величин (зміщення, номінального значення) і обумовлена невизначеністю еталона, методикою калібрування, умовами довкілля та залежить від компетентності оператора

Калібрування: вимоги законодавства та нормативно-технічної документації

Під калібруванням засобів вимірювання (далі – ЗВ) мається на увазі сукупність операцій, що виконуються з метою визначення та підтвердження дійсних значень метрологічних характеристик та/або придатності до застосування ЗВ, яка не підлягає державному метрологічному контролю та нагляду. При цьому еталони, установки та інші ЗВ, що застосовуються під час калібрування відповідно до встановлених правил, називаються засобами калібрування.

Згідно з Законом України «Про метрологію та метрологічну діяльність» діяльність, пов’язана із забезпеченням єдності вимірювань, належить до метрологічної діяльності. Отже, метрологічними вважаються і калібрувальні лабораторії. Підприємства і їхні відокремлені підрозділи, що здійснюють калібрування засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), можуть мати менш конкретні назви, головне, яку метрологічну діяльність вони здійснюють.

Калібрування є одним з основних заходів, спрямованих на забезпечення єдності й достовірності вимірювань, і повинне проводитись згідно з нормативною документацією:

• державних стандартів на методи й засоби калібрування;
• інструкцій Держспоживстандарту;
• методичних вказівок і методик метрологічних інститутів.

Для забезпечення калібрування вузькогалузевих або нестандартних засобів вимірювання застосовують методичні вказівки (інструкції).

Окрема увага приділяється методикам проведення калібрування й опрацювання результатів вимірювання. При цьому, як правило, вказуються межі допустимих відхилень метрологічних параметрів або робиться посилання на технічні вимоги/умови.

У Законі України «Про метрологію та метрологічну діяльність» відсутні вимоги щодо атестації калібрувальних лабораторій, натомість Закон встановлює вимоги стосовно проведення калібрування ЗВТ як добровільної метрологічної роботи.

Калібрування ЗВТ на підприємстві можуть проводити акредитовані та неакредитовані лабораторії.

Під час акредитації встановлюється компетентність калібрувальної лабораторії проводити калібрування в певній сфері діяльності, зокрема на замовлення акредитованих випробувальних лабораторій.

Для акредитації калібрувальна лабораторія має впровадити ДСТУ EN ISO/IEC 17025:2019 «Загальні вимоги до компетентності випробувальних та калібрувальних лабораторій». Для здійснення цієї процедури слід звернутися до Національного агентства з акредитації України.

У ДСТУ EN ISO/IEC 17025 визначено загальні вимоги щодо компетентності, неупередженості та стійкого функціювання лабораторій, які застосовуються до будь-яких організацій, незалежно від чисельності персоналу.

Цей стандарт містить вимоги до лабораторій, які дають їм можливість продемонструвати свою компетентність та здатність отримувати достовірні результати.

Омметри: особливості підключення, будова шкали

Для калібрування приладів важливо розуміти особливості їх підключення і будову шкали.

Омметри належать до ЗВТ із магнітоелектричною системою, можуть мати послідовну або паралельну схему включення.

Якщо прилад призначений для вимірювання опорів порядку кількох тисяч Ом, то він має послідовну схему включення і зворотну шкалу (рисунок 1).

Такі омметри працюють наступним чином.

Перед вимірюванням натискають кнопку SA, яка шунтує вимірюваний опір, і за допомогою магнітного шунта встановлюють стрілку на контрольну позначку.

Відпускаючи кнопку, включають в коло вимірюваний опір R_x.

Стрілка приладу покаже значення вимірюваного опору.

Особливість омметра з послідовною рамкою (з послідовним включенням) – у зворотній шкалі: нульова позначка розташована праворуч від шкали, а позначка максимального значення опору – ліворуч. Це пояснюється тим, що під час вимірювання великих опорів через рамку приладу протікає незначний струм.

Цей струм може бути визначений за формулою:

де:

Е – електрорушійна сила джерела живлення, В;

R_х – вимірюваний опір, Ом;

R_д – додатковий опір, що обмежує силу струму, Ом;

R_п – внутрішній опір приладу, Ом.

Оскільки R_д і R_п постійні, то значення струму в колі залежатиме від вимірюваного опору R_x, отже, шкалу приладу можна відградуювати в одиницях вимірюваного опору.

Рівняння шкали за послідовного включення:

де C_I – ціна розподілу приладу за струмом.

Омметри, призначені для вимірювань опорів до 100 Ом, зазвичай мають паралельну схему включення і пряму шкалу (рисунок 2).

Струм, що протікає через прилад з паралельною схемою включення:

Рівняння шкали за паралельного включення:

Здебільшого омметри виготовляються у виді переносних приладів порівняно невеликої точності (класи 1,5 або 2,5) і в якості джерела живлення мають суху батарею.

Як приклад, на рисунку 3 зображено омметр М419, призначений для вимірювань опорів від 0 до 5 мОм на частотах від 45 до 500 Гц.

Характеристики омметра:

• споживана потужність – не більше ніж 1 Вт;
• вхідний опір – 250 кОм;
• клас точності – 2,5.

Сучасна промисловість випускає низку цифрових омметрів підвищеної точності з широким діапазоном вимірювань.

На рисунку 4 зображено цифровий міліомметр Lutron MO-2001 для професійних вимірювань.

Застосовуючи дві вимірювальні клеми, прилад використовує джерело постійного струму для протікання стабільного струму через тестовий об’єкт. Ще дві клеми вимірюють падіння напруги.

Вимірювальні можливості міліомметра:

• діапазон вимірюваних опорів – від 1 мОм до 2 МОм;
• похибка вимірювань – не вище ніж ±0,75%.

Фарадометри: схема підключення

Фарадометр – це логометр (магнітоелектричний електровимірювальний прилад для вимірювання відношення сил двох електричних струмів) електродинамічної системи.

Схема підключення фарадометра зображена на рисунку 5.

Нерухому котушку логометра з’єднують послідовно з конденсатором постійної ємності С і підключають до напруги живлення U мережі змінного струму.

Послідовно з однією з рухомих котушок включається зразкова ємність С₀, а послідовно з іншою – вимірювана ємність С_х.

Опори котушок роблять настільки малими у порівнянні з опорами конденсаторів, щоб струми в котушках залежали лише від ємності.

У такому випадку:

де ꞷ – кутова частота, рад/с.

Оскільки струми збігаються за фазами, то рівняння шкали має такий вигляд:

Промисловість випускає різні варіанти фарадометрів для вимірювань ємності, наприклад, прилад DМM6013 з електронним дисплеєм (рисунок 6).

Межа вимірювань приладу – від 200 пФ до 20000 мкФ.

Похибка вимірювання варіюється залежно від діапазону вимірюваної ємності – від ±0,5% до ±3%.

Джерело живлення – батарея 9 В.

Чим керуватися під час калібрування?

Під час калібрування ЗВ доцільно керуватися ДСТУ OIML D 5:2007 «Метрологія. Повірочні схеми для засобів вимірювальної техніки. Правила розроблення» (OIML D 5:1982, IDТ). У стандарті визначено загальні правила встановлювання повірочних схем для ЗВТ різних величин, а для практичної реалізації цих схем пропонуються схеми ланцюгів калібрування.

У ДСТУ OIML D 5:2007 зазначено, що він «може бути прийнятим для використання організаціями, які бажають розробити ланцюги калібрування для власних ЗВ на національному рівні, відповідно до потреб кожної країни та згідно з Міжнародними рекомендаціями».

Також в Україні використовують ДСТУ ГОСТ 8.409:2009 «ГСИ. Омметры. Методы и средства поверки».

Калібрування омметрів і фарадометрів має багато спільного, тому доцільно розглянути калібрування омметрів, а потім вказати особливості калібрування фарадометрів.

Калібрування омметрів: застосовуємо метод безпосереднього порівняння

Під час періодичної повірки/калібрування омметрів проводять:

• зовнішній огляд приладу;
• апробування омметра;
• визначення основної похибки й варіації показів.

Додатково (після виготовлення або ремонту) перевіряються інші показники, серед яких слід окремо розглянути:

• визначення напруги на розімкнутих затискачах приладу;
• визначення основної похибки й варіації показів.

1. Визначення напруги на розімкнутих затискачах приладу

Номінальна напруга на клемах деяких омметрів перевищує 100 В, що може спричинити зростання похибки вимірювання та навіть призвести до пошкодження ізоляції виробу, опір якого вимірюватиме омметр.

Під час перевірки омметрів із вбудованими генераторами або випрямлячами слід визначати напругу на клемах, призначених для підключення вимірюваного опору. Для цього використовують вольтметри з інструментальною похибкою не більше ніж 3%.

Під час перевірки омметрів з електромеханічним генератором слід пам’ятати, що напруга на клемах залежить від швидкості обертання генератора. Тому необхідно підтримувати цю швидкість на рівні номінальної (зазвичай 120 обертів за хвилину). Відхилення напруги від номіналу не повинно перевищувати 10%.

2. Визначення основної похибки й варіації показів

Цю операцію проводять методом порівняння показів приладу, який повіряється/калібрується, з показами зразкової міри опору.

Зразкову багатозначну міру опору підключають до затискачів омметра, що повіряється/калібрується.

Змінюючи опір міри, встановлюють покажчик на позначку шкали, що повіряється/калібрується, підводячи покажчик до цієї позначки спочатку з одного боку, а потім з іншого.

За плавного підведення покажчика з одного боку стрілка не повинна переходити через позначку, що повіряється/калібрується.

Дійсне значення опору R_з відраховують за магазином опорів. При цьому визначають два значення абсолютної похибки Δ⁺ і Δ^–:

Δ⁺ = R – R_з+,

Δ^– = R – R_з–,

де:

• R – номінальне значення опору, що відповідає позначці шкали, яка перевіряється Ом;
• R_з+ та R_з– – значення опорів зразкової міри за плавного підведення покажчика з одного та з іншого боку.

За абсолютну основну похибку Δ приймають найбільшу (за абсолютним значенням) різницю (Δ⁺ або Δ^–).

Під час обрання магазину опорів керуються міркуваннями точності й поступовості регулювання.

Оскільки межа допустимої відносної похибки омметрів може бути доволі великою (4% і більше для омметрів старіших зразків), то під час обрання зразкового магазину опорів за точністю труднощів не виникає.

Вимогу плавності регулювання задовольнити складніше: необхідно, щоб магазин давав можливість змінювати опір сходинками (кроками), які не перевищують 10% значення межі основної допустимої похибки омметра, який повіряється/калібрується, на позначці шкали, яка повіряється/калібрується. Наприклад, якщо омметр повіряється/калібрується на позначці 10 Ом і має межу допустимої похибки ±2%, тобто 0,2 Ом, то зразковий магазин повинен забезпечити зміну опору кроками не більше ніж 0,02 Ом.

Якщо один магазин опорів не забезпечує одночасно достатньої плавності регулювання і перекриття усього діапазону, то можна застосувати два магазини окремо або з’єднати їх послідовно, тобто створити комбіновану міру.

Під час опрацювання результату необхідно враховувати особливості нормування меж допустимої похибки омметрів різних типів.

В омметрів з рівномірною шкалою межу допустимої похибки нормують у відсотках від верхньої межі діапазону вимірювання R_в. У цьому випадку межу допустимої похибки Δ_дп в Омах можна обчислити за формулою:

де К – клас точності омметра, що повіряється/калібрується.

В омметрів з суттєво нерівномірною шкалою (наприклад, гіперболічною або логарифмічною) межа допустимої похибки нормується у відсотках від довжини шкали L. У цьому випадку вона виражається в одиницях довжини (як правило, в мм).

У такому випадку можуть виникати труднощі під час повірки/калібрування омметрів і роботи з ними, оскільки для обчислення межі допустимої абсолютної похибки в одиницях опору не достатньо тих відомостей, які нанесені на циферблаті приладу або наведені в технічній документації (паспорті).

Припустімо, що повіряється/калібрується омметр з класом точності 1,5 за довжини шкали L = 90 мм. Це означає, що межа допустимої похибки такого омметра становить 1,5% довжини L шкали (як правило, L вказано у паспорті ЗВ). Знаючи L, не важко розрахувати межу допустимої похибки в одиницях довжини:

Але під час повірки покази ЗВ, що повіряється/калібрується, і зразкового ЗВ одержують в одиницях опору, і в тих самих одиницях обчислюють значення абсолютної похибки. Наприклад, під час повірки прилад, що повіряється/калібрується, показав 100 Ом, а одержаний відлік за зразковим магазином становить 98 Ом. Тобто абсолютна похибка: Δ = 2 Ом.

Чутливість S є відношенням переміщення Δl покажчика за шкалою до величини зміни опору ΔR, яке було викликане цим переміщенням:

Тобто межа допустимої похибки, виражена в одиницях опору:

Чутливість S можна визначити експериментально або за теоретичними залежностями.

Найбільш розповсюдженим є експериментальний спосіб визначення S, під час якого визначають відстань Δl в мм між двома позначками шкали:

• позначкою, яка відповідає точці діапазону, що повіряється/калібрується;
• найближчою від неї позначкою.

Одержане значення треба розділити на різницю номінальних показів опорів ΔR, відповідних цим позначкам.

Для більш точного визначення чутливості треба провести вимірювання двічі:

1) з боку позначки, розміщеної ліворуч від тієї, що повіряється/калібрується;

2) з боку позначки, розміщеної праворуч.

Тобто в наведеному прикладі:

• між позначками 1 МОм і 0,5 МОм
• між позначками 0,5 МОм і 0,4 МОм.

Значення S у цьому випадку визначається як середнє арифметичне з результатів двох спостережень.

Недоліком цього способу є труднощі вимірювання Δl з достатньою точністю через захисне скло.

Вищої точності визначення чутливості можливо досягти для комбінованих омметрів, у яких поруч з нерівномірною шкалою є рівномірна шкала, призначена для вимірювання постійного струму і напруги. Тоді методика відрізнятиметься від описаної тим, що для визначення чутливості використовуватиметься рівномірна шкала.

Пояснення і приклади розрахунків для ЗВ з комбінованою шкалою наведені в ДСТУ ГОСТ 8.409:2009.

Під час повірки та калібрування омметрів з вмонтованим електромеханічним генератором із ручним приводом плавно підвести стрілку омметра до позначки шкали, яка повіряється/калібрується, неможливо, оскільки переміщення стрілки залежить від плавності обертання ручки генератора. У цьому випадку застосовують інший спосіб визначення похибки й варіації, за якого і похибку, і варіацію вимірюють і порівнюють з допустимим значенням у мм.

Під’єднавши до омметра зразкову міру з опором, який відповідає позначці шкали, що повіряється/калібрується, проводять три вимірювання. Щоразу зазначають відхилення стрілки від позначки, що повіряється/калібрується, у мм. За основну похибку приймають найбільше відхилення стрілки.

Варіація показів дорівнює найбільшій різниці показів (похибок) омметра, які одержані під час трьох вимірювань.

Калібрування фарадометрів: особливості, які слід урахувати

Усе зазначене про повірку/калібрування омметрів однаковою мірою стосується і повірки фарадометрів. Так само, як і для омметра, похибку фарадометра визначають, порівнюючи його покази з показами зразкової міри. При цьому як міру використовують магазин ємностей.

Особливу увагу треба звернути на якість напруги живлення фарадометра, який повіряється/калібрується, зважаючи на те, що покази останнього залежать від частоти й форми синусоїдального струму. Відхилення цих показників якості від номінальних значень не повинні перевищувати допустимих значень, які вказані в технічній документації на прилад.

Ведення протоколу калібрування

У процесі калібрування зазвичай ведуть протокол встановленої форми, куди вносять:

• відомості про прилад, який калібрується;
• найменування використовуваних зразкових ЗВ і їхні заводські номери;
• кліматичні та інші умови проведення калібрування;
• результати кожного окремого вимірювання.

Далі ці результати аналізують і математично опрацьовують, наприклад, обчислюють:

• похибки;
• невизначеність вимірювання;
• середнє значення;
• поправки;
• дійсне значення.

Під час калібрування великої кількості однотипних робочих ЗВ невисокої точності допускається робити записи в журналі обліку.

Основним документом з оцінювання невизначеності вимірювання під час калібрування є документ Європейської асоціації з акредитації ЕА-4/02 М:2013 «Evaluation of the Uncertainty of Measurement In Calibration», де надано роз’яснення щодо мети, завдань та величин, які вимірюються під час калібрування і для яких оцінюється невизначеність.

У більшості випадків вимірюваною величиною (метрологічною характеристикою) під час калібрування є різниця між показами ЗВТ та еталона або номінальне значення для мір, але не невизначеність приладу, який калібрується.

Документ ЕА-4/02 М не передбачає оцінювання невизначеності вимірювання цим ЗВ, оскільки калібрувальна лабораторія, як правило, не в змозі оцінити цю невизначеність через брак інформації про те, хто, в яких умовах, за якими методиками й для яких об’єктів буде застосовуватися цей ЗВ. Таке оцінювання не є метою калібрування.

Результати калібрування ЗВ повинні бути оформлені відповідно до вимог розділу «Оформлення результатів калібрування» нормативного документа на методи й засоби калібрування. Положення цього розділу дещо відрізняються для кожної групи ЗВ. Проте основні з них мають такий зміст:

• результати первинного калібрування оформлюються записом в паспорті (формулярі) ЗВ, який затверджений у порядку, визначеному підприємством-виробником, із нанесенням відбитка тавра підприємства та/або навішуванням пломби, яка виключала б можливість доступу всередину ЗВ;
• позитивні результати періодичного державного калібрування затверджуються відтиском державного повірочного тавра;
• на зразкові ЗВ підвищеної точності, які пройшли періодичну державну повірку, видають свідоцтво за формою, встановленою Держспоживстандартом;
• результати періодичного відомчого калібрування оформлюються в порядку, встановленому відомчою метрологічною службою. На ЗВ, які пройшли відомчу повірку і готові до застосування, може бути виданий документ, близький за своїм змістом до свідоцтва про державну повірку, або зроблена відповідна позначка в паспорті (формулярі) ЗВ. Допускається також нанесення відбитка тавра або нанесення умовних знаків, які вказують на те, що ці ЗВ повірені у встановлений строк;
• ЗВ, які повірені відповідно до вимог нормативно-технічної документації, але не задовольняють цим вимогам, до застосування не допускаються. У такому разі свідоцтво про попередню повірку анулюється, а наявне на ЗВ тавро гасять спеціальним знаком. На вимогу власника ЗВ може бути видане повідомлення з зазначенням причини непридатності.

Протокол калібрування дасть можливість користувачеві засобу вимірювання оцінити його придатність до виконання вимог методики вимірювань або відповідність його метрологічних характеристик, а також внести поправку в результати вимірювання цим ЗВ з урахуванням невизначеності цієї поправки.