Využitie váh a vážiacich systémov v priemyselnej praxi (5)

V tomto čísle sa podrobnejšie zameriame na problematiku samotnej kalibrácie váh s neautomatickou činnosťou, na faktory, ktoré ovplyvňujú neistotu merania, a tiež na to, ako kalibráciu vykonávať a plánovať. Tento článok je zameraný skôr na používateľov váh ako na kalibračné laboratórium. Nasledujúce informácie budú zjednodušené s cieľom lepšieho porozumenia problematike. Zámerom nie je, aby čitateľ sám vedel vypočítať neistotu, ale aby sa zorientoval v danej problematike a vedel si vybrať solídne kalibračné laboratórium.
Využitie váh a vážiacich systémov v priemyselnej praxi (5)

Záujemcov o podrobný výpočet neistôt meraní môžeme odkázať na kalibračný postup publikovaný v práci Postupy kalibrácie váh s neautomatickou činnosťou (EURAMET Calibration guide No. 18). Dokument je voľne k dispozícii na stránkach organizácie EURAMET www.euramet.org. Ďalším vhodným doplňujúcim dokumentom je GUM Guide to the expression of uncertainty in measurement (Postup pre vyjadrenie neistoty meraní). Tento dokument vytvorila pracovná skupina 1 medzinárodného výboru pre miery a váhy Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM/WG 1) BIMP www.bimp.org.

Ako sme už v predošlých častiach uviedli, neistotu merania pri vážení zistíme pomocou kalibrácie váhy. Zopakujme si ešte raz príslušné definície.

Kalibrácia váhy je činnosť, ktorá za špecifikovaných podmienok v prvom kroku stanoví vzťah medzi hodnotami veličiny s neistotami meraní poskytnutými etalónmi a zodpovedajúcimi indikáciami s pridruženými neistotami meraní a v druhom kroku použije tieto informácie na stanovenie vzťahu s cieľom získať výsledky meraní z indikácie (VIM ods. 2.39, 3. vydanie, verzia 2008, © JCGM 2012).

Čo to v praxi znamená? Použijeme etalóny a skúšobné závažia a následne fyzicky vykonáme skúšky na váhe a zaznamenáme indikácie (čo ukazuje displej). Potom určíme vzťah medzi hodnotami etalónov a zobrazenými údajmi a chyby indikácie s priradenými neistotami (zohľadníme pri tom aj ostatné neistoty: neistotu etalónu, neistotu indikácie apod.). Nakoniec stanovíme neistoty merania, ktoré sa uvádzajú ako súčasť výsledku merania, napr.: m = 10,3 ± 0,13 kg, kde údaj ±0,13 udáva rozšírenú neistotu merania pri používaní váhy na navážku 10,3 kg.

Neistota merania je nezáporný parameter charakterizujúci rozptýlenie hodnôt veličiny priradených meranej veličine na základe použitej informácie (obr. 18, VIM ods. 2.26, 3. vydanie, verzia 2008, © JCGM 2012).

Justovanie váhy je súbor činností vykonaných na meracom systéme tak, aby poskytoval predpísané indikácie zodpovedajúce daným hodnotám veličiny, ktorá má byť meraná (VIM ods. 3.11, 3. vydanie, verzia 2008, © JCGM 2012).

V praxi sa často stáva, že si ľudia pletú kalibráciu váhy s jej justážou. Ide o to, že pri kalibrácii váhy sa vykonávajú iba samotné skúšky. Nedochádza k žiadnym nastaveniam ani úprave parametrov. Justovanie váhy je naopak zásah do meradla, keď nastavujeme indikáciu meradla v nadväznosti na použité etalóny. Cieľom kalibrácie je určiť neistotu merania v takom stave, v akom sa váha v praxi používa. Dôvodom je, že takúto neistotu môžeme aplikovať na výsledky merania pri používaní a správne stanoviť príslušné tolerancie. Ak by sme pri kalibrácii vytvorili špeciálne podmienky alebo by sme váhu dokonca nastavovali, výsledná neistota by nezodpovedala bežnému používaniu a my by sme pracovali s teoretickou hodnotou, ktorá by neodrážala skutočné podmienky použitia váhy.

Pozrime sa teda aspoň približne na problematiku kalibrácie a neistoty pre váhu s neautomatickou činnosťou. Budeme vychádzať zo základných predpokladov, že cieľom je stanovenie neistoty merania za bežných podmienok používania váhy pri vzostupnom alebo zostupnom navažovaní a pri využití tarovacej funkcie. Kalibrácia pozostáva z týchto úkonov:

  • vykonanie testov váhy etalónmi (skúšobným závažím) za špecifických podmienok,
  • určenie chyby alebo odchýlky indikácie,
  • vyhodnotenie neistoty merania priradenej výsledkom merania.

Rozsah kalibrácie záleží na dohode medzi kalibračným laboratóriom a používateľom. Zvyčajne ide o celý vážiaci rozsah 0 – Max. Pri veľkých váhach sa z praktických dôvodov obmedzuje rozsah kalibrácie na rozsah používania váhy. Podmienky, pri ktorých sa kalibrácia vykonáva, by mali byť vždy rovnaké ako pri bežnom používaní váhy.

Aké faktory vplývajú na váženie, a teda aj na kalibráciu?

Ak zanedbáme podmienky okolia, ktoré sú štandardnou súčasťou všetkých úkonov s váhou, tak je prvým vplyvom tzv. vztlak vzduchu, ktorý pôsobí na váženú záťaž a tiež na kalibračné závažia. Vplyv vztlaku vzduchu je dôležitý, pokiaľ sa hustota navážky výrazne líši od hustoty etalónového závažia alebo ak vážime napríklad veľmi objemné materiály. Ďalším parametrom, ktorý ovplyvňuje výsledky, je konvekcia (prenos) tepla medzi závažím a okolitým vzduchom. Pokiaľ má závažie výrazne inú teplotu ako vzduch v okolí váhy, dochádza okolo povrchu váhy k prúdeniu vzduchu, ktorý nadľahčuje alebo priťažuje vážiacu misku. Tento faktor možno eliminovať aklimatizáciou závaží na teplotu v okolí váhy.

Výsledok kalibrácie ovplyvnia aj použité etalóny (závažia). Aj ony majú, samozrejme, určitú odchýlku od menovitej hodnoty. Hodnota etalónu je tiež zaťažená určitou neistotou. Etalóny sa delia do tried presnosti E0, E1, E2, F1, F2, M1, M2… (od najpresnejších po najmenej presné). Pokiaľ používame etalóny s výrazne menšou chybou, ako je samotná chyba indikácie váhy, môžeme túto chybu závažia zanedbať. Pri kalibrácii váhy sa pracuje s etalónmi zodpovedajúcimi odporúčaniu OIML R 111 (Medzinárodná organizácia pre legálnu metrológiu OIML, www.oiml.org). Takéto etalóny majú špecifické vlastnosti. Hustota materiálu, z ktorého sú vyrobené, je blízka 8 000 kg/m3. Drsnosť povrchu zamedzuje lepeniu nečistôt. Ich magnetické vlastnosti zabezpečujú, aby nedochádzalo k vplyvom na výsledky váženia.

Pri kalibrácii váhy sa vykonáva celý rad testov. Spôsob ich uskutočnenia, počet opakovaní a testovacie body volí kalibračné laboratórium podľa svojho kalibračného postupu. Podrobné odporúčania sú uvedené v už spomenutom dokumente EURAMET Calibration guide No. 18. Postupy však nemožno úplne zovšeobecniť. Vždy záleží na konkrétnej konštrukcii váhy, na jej použití a tiež na požiadavkách zákazníka, v ktorých bodoch potrebuje neistotu poznať. Ak potrebujeme dosiahnuť čo najpresnejšie výsledky, treba vykonať aj ďalšie doplňujúce skúšky a merania s cieľom overenia efektu vztlaku vzduchu, konvekcie tepla a vplyvu magnetizmu. V bežnej priemyselnej a laboratórnej praxi sa fyzicky vykonávajú tieto tri základné skúšky:

  • skúška opakovateľnosti,
  • skúška chyby indikácie (niekedy sa tiež nazýva skúška linearity),
  • skúška vplyvu excentrického zaťaženia (niekedy sa tiež nazýva skúška excentricity).

Skúška opakovateľnosti

Skúška sa vykonáva opakovanou aplikáciou rovnakého skúšobného zaťaženia na mostík váhy. Následne sa hodnoty indikácie zaznamenajú. Je dôležité, aby sa skúška robila za rovnakých podmienok v pravidelnom rytme a rovnakým závažím. V závislosti od dieliku váhy a váživosti sa meranie opakuje desaťkrát, päťkrát alebo pri veľkých váhach trikrát. Tri opakovania sú však naozaj minimum.

Skúška chyby indikácie

Táto skúška sa robí postupným zaťažovaním a odľahčovaním váhy v rozsahu od 0 do Max. Minimálny počet skúšobných bodov je päť a mali by byť rovnomerne rozložené v celom rozsahu. Body sa volia s ohľadom na obvykle používanú veľkosť navážok. Tu sa zvyknú pridávať ešte ďalšie body podľa potrieb praxe. Ak sa pri reálnom použití váhy využíva často funkcia tary, možno skúšku rozšíriť aj o prácu s ňou.

Skúška excentricity

Pri tomto testovaní sa na rôzne miesta mostíka váhy kladie rovnaká záťaž (zvyčajne cca 1/3 Max). Hodnoty namerané mimo stredu mostíka a v jeho centre sa porovnajú. Záťaž sa nekladie extrémne excentricky, ale vždy na miesta, kde sa bežne kladú navážky pri reálnom vážení. Niektoré váhy nemá zmysel takto skúšať, hlavne ak je miska váh veľmi malá alebo jej konštrukcia vylučuje zaťaženie mimo stredu (napr. závesná váha). V takýchto prípadoch sa môže táto skúška vynechať.

Zmyslom týchto riadkov nie je naučiť používateľov váh, ako stanoviť neistotu merania. Pri váhach ide o pomerne zložitý výpočet, pričom treba zohľadniť veľa rôznych vplyvov. Podrobné vysvetlenie určenia neistoty merania je uvedené v už spomenutom postupe. Cieľom je pochopiť, že ide o dôležitý proces s ohľadom na presnosť váženia a následne na kvalitu a bezpečnosť výrobku. Preto by mala byť kalibrácia zverená do rúk kvalitným kalibračným laboratóriám, ktoré pracujú s medzinárodne uznateľnými postupmi a porovnávajú svoje výsledky v medzilaboratórnych porovnaniach s renomovanými subjektmi. Chceme tu varovať používateľov váh pred ľahkovážnym prístupom ku kalibrácii. Bohužiaľ sa stretávame aj s tým, že je používateľovi jedno, ako bola kalibrácia urobená a ako bola určená neistota. Vystačí si s akýmkoľvek papierom nazvaným kalibračný list, na ktorom sú nejaké čísla a ktorý si založí do evidencie meradla.

Celý článok si môžete prečítať v elektronickej verzii ATP Journal 3/2018 (dokument na stiahnutie).

Ing. Daniel Šťastný
Daniel.Stastny@mt.com

Katarína Surmíková Tatranská, MBA
ktatranska@libra-vahy.sk

Únia váharov SR
www.uniavaharov.sk