Альтернативный подход к построению государственной поверочной схемы для контактных СИ температуры

Введение. Уважаемые коллеги, существующая поверочная схема ГОСТ 8.558-2009 уже несколько раз обсуждалась и критиковалась на нашем сайте (статьи: «Поверочная схема. Поможет или запутает?», Поверочная схема и наши рабочие СИ, «Власть Поверочной Схемы», «Как сделать эталон из рабочего прибора?» ) Но критиковать не достаточно, что можно предложить для улучшения ситуации? На конференции «ТЕМПЕРАТУРА 2015» я выступила с докладом о новом подходе к построению государственной поверочной схемы. Соответствующая статья была сразу после конференции опубликована в разделе «Публикации». Однако этот раздел не дает возможности обсуждения проблем непосредственно на сайте. Поэтому я решила опубликовать статью в разделе «Полемические заметки», чтобы все специалисты могли комментировать ее содержание, критиковать выводы и вести дискуссию по поднятым вопросам. Приглашаю к дискуссии. С уважением, автор статьи Моисеева Н.П.

Текст статьи.

Передача размера единицы температуры, как и других единиц физических величин, у нас в стране и во всем мире регулируется законом. Основополагающим стандартом является ГОСТ ИСО/МЭК 17025, который устанавливает требования к компетентности поверочных лабораторий и по которому проводится аккредитация лабораторий на право поверки и калибровки. Одним из важных требований стандарта является метрологическая прослеживаемость результата к государственному эталону единицы величины. В п. 5.6.2 ГОСТ ИСО/МЭК 17025 сказано, что «для калибровочных лабораторий должна быть создана функционирующая программа калибровки оборудования для того, чтобы обеспечивать прослеживаемость калибровки и измерений, проведенных лабораторией, к Международной системе единиц (СИ). Калибровочная лаборатория устанавливает связь своих исходных эталонов и средств измерений посредством неразрывной цепи калибровки или сличений, с первичными эталонами единиц СИ.» 

Отметим, что в стандарте нет требования соответствия какой-то единой государственной поверочной схеме. Государственная поверочная схема (ГПС) – это наше национальное изобретение. Требования к ее построению устанавливаются ГОСТ 8.061-80 «Поверочные схемы. Содержание и построение», который был актуализирован в 2013 г. Стандарт написан очень четко и понятно. Но следует отметить, что он изначально был предназначен для организации цепи государственной поверки основных СИ, на которые существуют государственные стандарты и которые применяют в сфере государственного надзора. Поэтому в п. 2.10 указано, что наименования рабочих средств измерений, приведенные в поверочной схеме, должны соответствовать установленным в государственных стандартах на технические требования на эти средства. Этому принципу более или менее соответствовала схема ГОСТ 8.558-80, в которой в качестве образцовых термометров были указаны приборы, на которые существовали ГОСТы - платиновые термометры сопротивления, ртутно-стеклянные термометры и термопары ППО и ПРО.  Рабочие СИ в этой схеме тоже имели конкретные названия: ртутно-стеклянные термометры, термометры сопротивления, манометрические термометры, термоэлектрические термометры. 

В практику измерения температуры в конце 20 и начале 21 века вошли новые приборы. Это, прежде всего, цифровые термометры с дисплеем и без него, калибраторы температуры, портативные реперные точки, термометры с индивидуальной градуировкой, работающие на разных принципах (диодные, волоконно-оптические, кварцевые и т.д.). Диапазон погрешностей этих СИ разнообразен. Многие новые приборы могут использоваться как эталонные СИ при поверке рабочих термометров.  Как учесть все температурные датчики в единой государственной поверочной схеме? Очевидно, что разработчики поверочной схемы 2009 г. столкнулись с реальными трудностями. В результате в новой схеме наименования рабочих СИ стали произвольными, большую часть посчитали возможным объединить в «термометры погружения» с различными диапазонами точности от 0,005 до 20 °С. Конкретно о типах термометров ничего не сказано, то ли это ртутно-стеклянные термометры, то ли манометрические, то ли цифровые. Согласно схеме, они получают размер единицы от эталонов 1, 2, 3 разрядов. Эталоны 3-го разряда также четко не определяются. На рисунке видим названия: «термометры» или «меры температуры». В текстовой части вообще написано «другие СИ температуры», т.е. все что угодно с погрешностью от 0,05 °С при 0 °С до 6 °С при 1800 °С. Очевидно, что трудности были и при назначении приборам интервалов погрешностей и диапазонов. Диапазоны температур в схеме очень большие, и было ошибкой рекомендовать использовать линейную зависимость погрешности от температуры. 

Одной из серьезных проблем, с которой сейчас сталкиваются поверочные центры при попытке классифицировать свой эталон по разрядам ГПС – отсутствие требований ГПС к реальным действующим рабочим эталонам. Например, поверять термопреобразователи сопротивления классов В и С (допускаемая погрешность при 0 °С составляет 0,3 °С и 0,6 °С соответственно) можно было бы с успехом по цифровым эталонным термометрам, имеющим погрешность в пределах 0,1 °С. Однако, согласно действующей поверочной схеме ГОСТ 8.558-2009 термометры третьего разряда должны иметь доверительные границы погрешности от 0,02 °С при 0 °С до 2 °С при 1085 °С. Эталонных термометров с погрешностью больше 0,02 °С  нет в ГПС. 

Еще хуже дело обстоит с ртутно-стеклянными термометрами. Этого наименования нет среди эталонных и рабочих СИ. Я не выступаю ни в коей мере в защиту ртутников, считаю, что они все должны быть заменены постепенно другими типами термометров погружения. Но сейчас их очень много в промышленности и как-то с ними надо работать и их поверять. Отменять соответствующий квадрат в государственной поверочной схеме пока рано. В схеме нет также биметаллических и манометрических термометров, которые являются иногда хорошей альтернативой ртутникам. Фактически, все СИ, используемые в промышленности и имеющие соответвующие стандарты на технические требования, объединены под лозунгом «термометры погружения», причем с разными вариантами погрешностей и очень широким диапазоном температур. 

Самым большим недостатком ГПС является отсутствие требований к суммарной погрешности поверки. Внедренная не так давно система аттестации эталонов предполагает аттестацию в качестве эталона комплекса средств измерений. Однако если заглянуть в паспорта аттестованных эталонов 2 и 3 разрядов, Вы не увидите там оценки суммарной погрешности или неопределенности всего комплекса. Одна из причин в том, что такая оценка не предусмотрена поверочной схемой. Другая причина в том, что поверители не умеют рассчитывать суммарную неопределенность измерений с помощью комплекса СИ. Следует отметить, что подход к эталону, как к комплексу средств измерения, уже был применен в стандарте ГОСТ 8.461-2009, единственном стандарте в области температурных измерений, в котором оценивается суммарная и расширенная неопределенность поверки рабочих термометров сопротивления, приводится подробная методика оценивания неопределенности с учетом характеристик всех приборов и устанавливаются требования к расширенной неопределенности поверки, исходя из погрешности поверяемых термометров. Надо иметь ввиду, что без расчета неопределенности поверки мы не можем заявить о выполнении требований ГОСТ ИСО/МЭК 17025. 

Из всего вышесказанного понятно, что существующая в настоящий момент поверочная схема в области контактного измерения температуры создает трудности при попытках связать с ней эталоны центров стандартизации и поверочных лабораторий, классифицировать их по разрядам. Фактически такая схема не помогает создать цепь метрологической прослеживаемости, а мешает этому процессу. Возникает резонный вопрос: а нужна ли государственная поверочная схема? Может быть, можно просто определить соотношение расширенных неопределенностей поверки СИ на каждом этапе передачи размера единицы и заняться построением локальных схем для каждой поверочной лаборатории с конкретными приборами? Фактически, так оно и есть. Думаю, что государственная поверочная схема постепенно уйдет в прошлое, как, очень надеюсь, уйдут в прошлое ртутно-стеклянные термометры. Будет, как предусмотрено в ГОСТ ИСО/МЭК 17025, оценка неопределенности калибровки и подтверждение метрологической прослеживаемости через цепь калибровок согласно локальным поверочным схемам.   Но это в будущем. Законодательство настоящего времени требует соответствовать государственной поверочной схеме. Поэтому нам остается эту схему переработать, так, чтобы учесть современное состояние процесса передачи размера единицы температуры. Главная цель государственной схемы в том, что она должна служить основой для построения локальных поверочных схем для конкретных приборов на предприятиях. 

Первый принцип, который предлагается взять за основу при построении новой ГПС – определение вторичного эталона, как комплекса СИ. Выбор комплекса для поверки контактных датчиков температуры не так велик. Состав приборов может быть следующим:

1)     реперная точка + измерительная установка;

2)     эталонный термометр сопротивления + термостат + измерительная установка;

3)     цифровой термометр + термостат;

4)     калибратор температуры + измерительная установка;

5)     термоэлектрический термометр + печь + измерительная установка;

Общий метод определения точности вторичных эталонов установлен в действующем  стандарте ГОСТ 8.381-2009 (ГСИ. Эталоны. Способы выражения точности.), согласно которому можно рассчитывать границы доверительной погрешности либо неопределенность измерений с помощью комплекса средств измерений и оборудования. 

Второй принцип состоит в том, что классифицировать эталоны по разрядам следует, не исходя из конкретных значений погрешности, а исходя из их назначения. В решении этого вопроса предлагается также ориентироваться на опыт и реальное положение дел. 0-ой разряд это прерогатива крупных ЦСМ. Он предназначен для контроля и хранения их реперных точек шкалы МТШ-90. Фактически, это «эталон регионального масштаба». Термометры и термопары 1 разряда, которые градуируются в реперных точках рабочих эталонов, уже могут приобретаться различными поверочными лабораториями для поверки точных рабочих СИ методом сличения. Однако, что касается платиновых термометров сопротивления первого разряда, то они очень хрупкие, дорогие, и по точности мало востребованы. Поэтому они тоже используются редко и в основном в ЦСМ. Средства измерений 2 и 3 разряда – это основа поверочной практики. Они выпускаются в большом количестве, поверяются в ЦСМ, закупаются всеми поверочными службами и имеют более прочную конструкцию (металлический или керамический корпус). Нужен ли  третий разряд? Напомню, что в поверочной схеме 1980 г. третий разряд был только для ртутно-стеклянных термометров. Если за основу принять назначение эталона, третий разряд можно исключить из схемы, а все СИ, применяемые для поверки рабочих термометров можно классифицировать, как СИ второго разряда. Еще раз хочу подчеркнуть, что эталоны второго разряда – это самая важная часть поверочной схемы. 

Эталоны второго разряда это основа локальной поверочной схемы для предприятий. Они могут быть разнообразными, с погрешностью от нескольких сотых градуса до нескольких десятых для поверки термометров сопротивления, и  до нескольких градусов для поверки высокотемпературных термопар. 

Типов рабочих средств измерений температуры сейчас много. Понятно, что все существующие сейчас наименования СИ втиснуть в одну схему не реально. Но это и не нужно. Схема создается для обеспечения единства измерений в сфере метрологического государственного контроля, прежде всего для стандартизованных СИ, которые выпускаются промышленностью и которые составляют наибольшую долю всех используемых на предприятиях средств измерения температуры. Поэтому, в обязательном порядке необходимо показать на схеме основные рабочие СИ температуры, на которые разработаны Российские и международные стандарты: платиновые термометры сопротивления (ГОСТ 6651 и МЭК 60751), термоэлектрические термометры (ГОСТ 6616-94 ), ртутно-стеклянные термометры (ГОСТ 28498), биметаллические термометры и манометрические термометры (ГОСТ 16920). Все нестандартизованные СИ можно объединить в один квадрат и назвать «другие типы погружаемых СИ температуры» или «термометры с индивидуальной градуировкой». 

Важно в текстовой части схемы указать соотношение расширенных неопределенностей поверки на каждом этапе передачи размера единицы. Это соотношение должно выполняться в методиках поверки всех СИ. Например, как установлено в ГОСТ 8.461-2009: расширенная неопределенность поверки должна быть не более 0,5 от допускаемой погрешности поверяемых термометров. Целесообразно также установить требование к соотношению погрешностей носителей шкалы – основных средств измерений. Например, погрешность (расширенная неопределенность поверки) эталонного термометра 2 разряда, не должна превышать 1/3 от допускаемой погрешности поверяемого рабочего термометра. 

На следующем рисунке представлен предлагаемый проект общей государственной схемы передачи размера единицы температуры для контактных термометров. 

Рис. 1 Проект Государственной поверочной схемы для контактных датчиков температуры в диапазоне от 0 до 1085 °С. 

Опираясь на такую схему, каждое предприятие может разработать собственную локальную поверочную схему, включающую конкретные приборы. Именно это и требуется согласно ГОСТ ИСО/МЭК 17025. Один важный на настоящий момент вопрос, с которым столкнулись все поверочные службы страны – обязательная аттестация эталонов. Процедура аттестации требует времени, сил, денег. Но никаких положительных результатов в плане улучшения точности и метрологической прослеживаемости поверки от аттестации нет и быть не может. Это, по сути, дополнительная бумажная волокита, которая навязывается поверочным службам в дополнение к аккредитации и которая, якобы, призвана все эталоны привязать к единой поверочной схеме. Однако аттестация каждого комплексного эталона на соответствие определенному разряду единой поверочной схемы не только невозможна, она просто противоречит ГОСТ ИСО/МЭК ГОСТ 17025, в котором утверждается, что «калибровочные лаборатории, соответствующие требованиям настоящего стандарта, рассматриваются как компетентные. Сертификат о калибровке с логотипом органа по аккредитации, выданный калибровочной лабораторией, аккредитованной на соответствие настоящему стандарту в отношении проведения данного вида калибровки, является достаточным свидетельством прослеживаемости указанных калибровочных данных».  Для аккредитации необходимы локальные схемы поверки и грамотные методики поверки на все приборы, включающие оценивание неопределенности поверки, характерной для каждой лаборатории. Аттестация эталонов – это избыточная бюрократическая процедура с которой надо бороться.

См. также статьи на сайте об аттестации эталонов:

Бумажные эталоны

Как сделать эталон из рабочего прибора?

Аттестация эталонов: Российское дополнение к международному законодательству.