Это понятие включает в себя комплекс научно-технических и организационных мероприятий, методов и средств, направленных на достижение требуемых точности, воспроизводимости и (или) достоверности результатов испытаний.

Обеспечение единства испытаний является необходимым условием использования испытаний как звена обратной связи в системах управления качеством продукции. Только выполняя требования обеспечения единства испытаний, можно добиться устранения недопустимых расхождений в результатах повторных испытаний у поставщика и потребителя, создать условия дм сокращения объема повторных испытаний, взаимного признания результатов испытаний в кооперированном производстве, внутреннем. и международном товарообмене, национальной и международной сертификации продукции.

Учитывая организационную, нормативно-методическую, техническую основы испытаний, составляющие которых представлены в табл. 6.1., можно сформулировать общие требования к обеспечению единства испытаний.

Требования к продукции: пределы допусков на показатели качества испытываемой продукции в НД должны устанавливаться с учетом возможности обеспечения необходимых точности и (или) достоверности результатов испытаний, нестабильности этих показателей и неоднородности качества продукции.

Требования к НД: испытания должны проводится по программам и аттестованным методикам.

Требования к испытательным организациям: испытательные организации должны быть аттестованы. Аттестация должна удостоверить, что компетентность персонала, его техническая база и структура обеспечивают проведение испытаний в полном соответствии с требованиями НД.

Требования к средствам испытаний: средства метрологического обеспечения испытаний, необходимые для правильных измерений параметров продукции, воздействующих факторов, характеристик испытательного оборудования и режимов испытаний, должны обеспечивать получение результатов испытаний с требуемой точностью и (или) достоверностью. Средства создания условий испытаний должны гарантировать их воспроизведение с нормированной точностью.

Средство испытаний - техническое устройство для проведения испытаний, которое включает а себя средства измерений, испытательное оборудование и вспомогательные технические устройства (рис. 6.2.).

Учитывая общие требования к испытаниям, следует, что:

испытательное оборудование должно быть аттестовано;

средства измерений должны быть поверены;

вспомогательные технические устройства должны быть аттестованы.

Лекция 7

7.1 Общие требования обеспечения единства испытаний

Понятие «обеспечение единства испытаний» введено в литературу впервые И.Г. Кальманом (1977 г.). Используется оно также за рубежом.

За эти годы круг вопросов, относящихся к обеспечению единства испытаний, прорабатывался в метрологических институтах и в промышленности. По ним развернулись многочисленные дискуссии специалистов, которые далеко не ззакончены. Ведутся серьезные научно-исследовательские работы по дальнейшему изучению этих вопросов. Предстоит по-новому осмыслить ряд задач установления точностных характеристик испытаний, их метрологического обеспечения, преодолеть многочисленные расхождения даже в определениях основных понятий, которые имеют место в отечественной и зарубежной терминологии.

Однако основные представления в области обеспечения единства испытаний в настоящее время уже можно сформулировать с достаточной определенностью и они отражены в утвержденных Узгосстандартом, а также МГС методических указаниях РД 50-286 - 81.

Как показано в предыдущих занятиях, испытания являются более общим понятием, чем измерения, включая в себя оценивание (частным случаем которого являются измерения) или контроль характеристик объекта. Также и единство испытаний - понятие более сложное, чем единство измерений, определяемое по ГОСТ 16263 - 70.

Единство испытаний - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью.

Помимо точности результатов испытаний - понятии самом по себе более сложном, чем точность измерений - для обеспечеия единства испытаний не меньшее значение имеет воспроизводимость результатов - иногда единственная характеристика, которая может интересовать поставщика и потребителя при проведении повторных испытаний. содержание понятия «воспроизводимость результатов испытаний» также значительно сложнее, чем воспроизводимость измерений. Более того, воспроизводимость результатов испытаний может зависеть не только от точности результатов испытаний, но и от свойств самого объекта испытаний.

Не меньшее значение имеет достоверность контроля при испытаниях, которая также является важной составляющей единства испытаний.

Поэтому в понятие «обеспечение единства испытаний» определено как комплекс научно-технических и организационных мероприятий, методов и средств, направленных на достижение требуемых точности, воспроизводимости и (или) достоверности результатов испытаний.

Обеспечение единства испытания является необходимым условием использования испытаний как звена обратной связи в системах управления качеством продукции. Только выполняя требования обеспечения единства испытаний, можно добиться устранения недопустимых расхождений в результатах повторных испытаний у поставщика и потребителя, создать условия для сокращения объема повторных испытаний, взаимного признания результатов испытаний в кооперированном производстве, внутреннем и международном товарообмене, национальной и международной сертификации продукции.

В методических указаниях РД 50-286 - 81 сформулированы общие требования обеспечения единства испытаний:

Пределы допусков на показатели качества испытываемой продукции в нормативно-технической и технической документации должны устанавливаться с учетом возможности обеспечения необходимых точности и (или) достоверности результатов испытаний, нестабильности этих показателей и неоднородности качества продукции;

Стабильность параметров и однородность сырья, материалов и полуфабрикатов, технология производства должны обеспечивать с учетом устанавливаемых допусков требуемую воспроизводимость результатов испытаний;

Устанавливаемые в методиках испытаний показатели и нормы точности средств испытаний, воспроизведения условий испытаний, способы обработки данных испытаний, формы представления результатов испытаний, планы контроля при испытаниях, контрольные нормативы и решающие правила должны быть унифицированы и соответствовать установленным требованиям;

Испытания должны проводиться по программам и аттестованным методикам, на аттестованном испытательном оборрудовании, с применением поверенных средств измерений, в аттестованных испытательных подразделениях;

Аттестованная методика испытаний должна гарантировать получение результатов испытаний с требуемыми точностными характеристиками;

Методы и средства метрологического обеспечения испытаний, необходимые дли правильных измерений параметров продукции, воздействующих факторов, характеристик испытательного оборудования и режимов испытаний, должны обеспечивать получение результатов испытаний с требуемой точностью и (или) достоверностью;

Аттестованное испытательное оборудование должно гарантировать воспроизведение заданных условий испытаний с нормированной точностью;

Аттестация испытательного подразделения должна удостоверить, что компетентность персонала подразделения, его техническая база и структура обеспечивают проведение испытаний в полном соответствии с требованиями НД.

Как видно из этого перечня, требования обеспечения единства испытаний включают не только требования, относящиеся к качеству проведения испытаний, но и требования к стабильности параметров и однородности самой продукции, а также некоторые дополнительные требования, которые должны содержаться в НД на продукцию и методы ее испытаний.

Хотя регламентация требований к продукции в НД определяется в первую очередь интересами потребителя и возможностями производства, однако сочетание этих требований с требованиями к качеству испытаний с точки зрения обеспечения единства испытаний вполне закономерно, поскольку последнее зависит от выполнения всех этих требований.

В системе нормативных документов, регламентирующих систему испытаний, важнейшее место занимают документы, устанавливающие требования к качеству испытаний, которые полностью входят в состав требований обеспечения их единства. Сюда относятся требования:

К точностным характеристикам испытаний;

К разработке и аттестации методик испытаний;

К аттестации испытательного оборудования;

К обработке данных испытаний, формам представления и оценке точности результатов;

К построению и содержанию НД на продукцию и методы ее испытаний, необходимые для обеспечения единства испытаний;

К аттестации испытательных организаций и подразделений.

7.2 Точность, воспроизводимость и достоверность результатов испытаний

Точность результатов испытаний в соответствии с ГОСТ 16504 - 81 - свойство испытаний, характеризуемое близостью оценки характеристики объекта к ее действительному значению. Здесь нет принципиального различия с привычным для метрологов определением понятия «точность измерений» (по ГОСТ 16263 - 70) с двумя однако оговорками.

Определяемой характеристикой объекта испытания может являться как характеристика одиночного объекта (образца из партии, пробы и т.п.), - так та или другая статистическая характеристика, если объектом испытаний является, например, партия изделий или некий объем продукции. В этом случае за результат испытания могут быть приняты такие характеристики, как математическое ожидание, дисперсия, функция распределения и т.д. для всей партии или всего объема продукции. И точность испытаний в этом случае определяется как степень близости полученных в результате испытаний таких статистических характеристик к их действительным значениям.

Поскольку результат испытаний относятся к объекту, а результат измерений - образцу, пробе, взятых от этого объекта, то и точность результатов испытаний может не совпадать с точностью измерений характеристики образца. Так, точность измерений химического состава относится к определению состава пробы, взятого из партии какого-либо вещества или материала, в то время как точность определения состава партии этого вещества или материала (точность результата испытания) в немалой, а иногда и решающей степени зависит от способа отбора пробы, ее подготовки к анализу, длительности этой подготовки и т.п. Аналогично точность измерения прочности образца листовой стали может не совпадать с точностью определения прочности для всего листа или партии металла - точностью результата испытания - если учесть способ получения образца, например, вдоль или поперек направления проката, неоднородность листов в партии и т.п. В этом случае результат испытания будет зависеть от принятого способа отбора проб, способа обработки данных и т.д.

Таким образом, хотя формально смысл понятий «точность результата испытаний» идентичен, однако по существу эти понятия относятся к разным объектам. В случае измерений это «образец для испытаний» (по ГОСТ 16504 - 81), в случае испытаний - это сам «объект испытаний», от которого берется образец (партия продукции и т.п.). Результаты измерений характеристик образца для испытаний являются данными (по ГОСТ16504 - 81), на основании которых получают результат испытаний объекта.

Количественной характеристикой точности результата испытаний является показатель точности, который также, как и для измерений является вероятностной характеристикой погрешности результата испытаний, определяемой как разность полученного при испытаниях и истинного значения величины, выражающей определенное свойство объекта в заданный отрезок времени, в заданном состоянии, условиях и режиме функционирования объекта.

Воспроизводимость результата испытаний по ГОСТ 16504 - 81 - это характеристика результатов испытаний, определяемая близостью результатов повторных испытаний объекта. По этому понятию имеется наибольшее количество разночтений как в отечественной, так и в зарубежной технической литературе. В общем случае понятие «воспроизводимость» приобретает смысл только при фиксации методики и условий испытаний или измерений.

Применительно к измерениям ГОСТ 16263 - 70 устанавливает два термина, определяющие воспроизводимость: сходимость, характеризуемая близостью результатов повторных измерений, выполняемых в одинаковых условиях; собственно воспроизводимость - близость результатов повторных измерений, выполняемых в различных условиях (в разное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Количественной характеристикой воспроизводимости результатов испытаний является показатель воспроизводимости этих результатов при повторных испытаниях, зависящий как от методики испытаний, так и от свойств объекта испытаний. показатель воспроизводимости международным стандартом ИСО 5725 определяется как наибольшее значение, ниже которого лежат с доверительной вероятностью 95% абсолютные значения разностей любых двух результатов испытаний идентичных объектов, проведенных одним и тем же методом в разных условиях (разные наблюдатели, разные средства испытаний, в разных лабораториях и в разное время).

Третьей важнейшей характеристикой качества испытаний является достоверность их результатов, выражающая степень совпадения заключения о состоянии объекта испытаний действительному его состоянию.

Количественной характеристикой достоверности является показатель достоверности контроля при испытаниях, в качестве которого могут быть использованы вероятности ошибок контроля, определяющие риск поставщика или потребителя.

Лекция 8

8.1 Метрологическое обеспечение испытаний продукции

Понятие «метрологическое обеспечение» в соответствии с ГОСТ 1.25 - 76 определяется как установление и применение научных, технических и организационных основ, правил и норм, направленных на достижение единства и требуемой точности измерений. Говоря о метрологическом обеспечении испытаний, мы имеем в виду метрологическое обеспечение измерений, проводимых при испытаниях.

Камеры для испытаний на теплоустойчивость. Для испытаний на теплоустойчивость применяют специальные камеры тепла или комбинированные камеры-термобарокамеры и термовлагокамеры.

Конструктивно простейшая камера тепла представляет собой шкаф с двойными стенками (рис. 10.1), между которыми размещен подогреватель 2. Подогретый воздух засасывается вентилятором 1 во внутренний объем камеры (рабочий объем). Отдав часть тепла испытуемым изделиям, воздух возвращается к подогревателю через свободное пространство между стенками и, снова подогревшись, поступает опять в камеру. Такая циркуляция воздуха обеспечивает его перемешивание, а следовательно, и одинаковую температуру во всех точках камеры. Обеспечение равномерной температуры в рабочем объеме камеры достигается размещением нагревательных элементов на дне, стенках и двери камеры. Питающее напряжение и контрольно-измерительные приборы к испытуемым изделиям подключаются через специальные изолированные выводы.

В некоторых случаях предпочтительнее применять испытательные установки, в которых используются внешние нагреватели. Установка такого типа (рис. 10.2) содержит хорошо изолированную камеру и систему замкнутой вентиляции. Воздух заданной температуры прогоняется через рабочее пространство с помощью циркуляционного вентилятора 5. Датчик температуры / контролирует температуру в камере. На основании показаний этого датчика регулятор температуры 2 задает программу электротермическому устройству 8, которое подогревает воздух, поступающий в камеру, до нужной температуры. Из камеры воздух поступает на устройство предварительного нагрева и очистки 4, где установлен датчик влажности. Сигналы с этого датчика поступают на регулятор относительной влажности 3. Сюда же поступают и сигналы с другого датчика влажности 7. Сравнивая эти сигналы, регулятор с помощью устройства увлажнения воздуха 6 доводит воздух до нужной относительной влажности.

Камеры для испытаний на холодоустойчивость. Получение низких температур достигается двумя способами: непосредственным охлаждением с помощью охлаждающего агента (жидкого азота, твердого угольного ангидрида-сухого льда, кислорода) и косвенным охлаждением с помощью компрессорной установки.

При, непосредственном охлаждении небольших камер наибольшее применение получила двуокись углерода. Нагрев твердой углекислоты приводит к превращению ее в безвредный и практически не вызывающий коррозию газ. Углекислоту в твердом состоянии целесообразно применять при редких и кратковременных испытаниях. Камера для таких испытаний представлена на рис. 10.3.

Недостатки данного способа: непостоянство температуры в камере из-за плохой теплопередачи путем конвекции, так как холодный воздух обычно опускается вниз камеры; зависимость температуры в камере от количества загруженных в нее изделий; ограниченные размеры камеры. Перемешивание воздуха с помощью вентилятора несколько уменьшает два первых указанных выше недостатка. Достоинства данного способа: быстрая установка температуры, экономичность, простота обслуживания, бесшумность.

Косвенный способ охлаждения основан на свойстве жидкости при испарении поглощать тепло из окружающей среды. Техническое осуществление данного способа основано на использовании компрессионной испарительной системы охлаждения. Принцип действия этой системы заключается в следующем: газообразный хладоагент сжимается компрессором до давления, обеспечивающего конденсацию. Жидкий хладоагент, проходя по радиаторам, испаряется и охлаждает окружающую среду. Конструктивная схема такой камеры холода приведена на рис. 10.4. В установке создается замкнутая цепь, по которой циркулирует газ фреон. Из конденсатора 1 жидкий фреон под большим давлением подается в испаритель 2, где он расширяется и испаряется, поглощая при этом тепло и охлаждая тем самым рабочее пространство камеры. Пары фреона из испарителя отсасывает компрессор низкого давления 3 и нагнетает их в охладитель 4. Здесь газ охлаждается и сжимается. Из охладителя фреон отсасывается компрессором среднего давления 5 и подается в охладитель 6. Компрессор высокого давления 7 нагнетает газ в конденсатор 1. Для перемешивания воздуха в рабочем объеме камеры предусмотрен вентилятор 8.

Для питания испытуемого изделия и подключения к нему измерительной и испытательной аппаратуры в камере предусмотрены изолированные выводы. Автоматическое регулирование температуры в камере холода аналогично автоматическому регулированию температуры в камере тепла.

Для испытаний на холодоустойчивость, помимо термокамер, могут применяться описанные выше термобарокамеры типа МПС, а также различные специальные низкотемпературные камеры типа ТКС. Так, низкотемпературная камера ТКС - 0,15-70 косвенного охлаждения представляет собой единую установку совместно с холодильной двухступенчатой машиной ФДС-0.15М, работающей на фреоне-22, и пульта управления. Температурный режим в камере от -20 до -70°С поддерживается автоматически с точностью ±2°С.

Комбинированные камеры промышленного изготовления. Современными установками, позволяющими получить низкие и высокие температуры с одновременным понижением давления в рабочем объеме, являются термобарокамеры МПС 500У и МПС 1000У. Число, стоящее вслед за обозначением типа, означает полезный объем камеры в литрах, а индекс У-что в данной камере, кроме тепла и холода, можно получить пониженное давление (т.е. универсальная камера).

Испытательные камеры этого типа имеют форму лежащего цилиндра. На торцевой стороне имеется одностворчатая дверь с запорами, через которую загружают испытуемые изделия. В двери установлено многослойное стеклянное окно для наблюдения рабочего пространства камеры. Между стеклами окна в двери помещают силикагель для исключения запотевания. Влага из самой камеры удаляется также с помощью силикагеля. Для подключения электрических проводов на внешнем кожухе расположены два кабельных прохода. Внутри рабочего пространства расположена буксовая плита для подключения 32 измерительных проводов. В камере имеется освещение.

Повышение температуры в камере достигается с помощью электрокалориферов, расположенных под полом рабочей камеры. Температуру контролируют и регистрируют два датчика температуры. Равномерная температура достигается в установке за счет принудительной циркуляции, обеспечиваемой вентилятором.

Другим видом комбинированных камер являются тепловлагокамеры типа ТВК (рис. 10.5), выполненные в виде прямоугольного шкафа. Для подводки электрических проводов на левой стенке расположено 36 электродов. Получение необходимой температуры в камере / достигается с помощью безынерционного электронагревателя 3, а калорифер 2 служит для снижения температуры окружающей среды на 10-20°С (за счет пропускания охлаждающей воды или сжиженного газа). Максимальная температура нагрева камеры +100°С. Скорость повышения температуры 1-2°С/мин. Неравномерность нагрева не более ±2°С. Равномерное распределение тепла по всему объему камеры достигается циркуляцией и перемешиванием с помощью осевого вентилятора 9. Увлажнение воздуха в камере достигается испарителем влаги 4 с нагревателем 5, расположенным вне камеры. Определенный режим влажности достигается принудительной циркуляцией воздуха вентилятором 6 через испаритель 4.

Относительная влажность может достигать 98% при температуре воздуха от +15 до +60°С. Скорость повышения относительной влажности 0,25%/мин. Возможная неравномерность ±2%. Контроль, регулирование и автоматическое поддержание температуры и влажности обеспечивается «сухим» 7 и «влажным» 8 контактными термометрами.

Предприятием «НЕМА» в Германии выпускаются термокамеры ТУ 1000 и ТУ2000, предназначенные для испытания изделий в диапазоне температур от +120 до -70°С, и термобарокамеры ТВ VI 000 и ТВУ2000, в которых, кроме испытаний на тепло- и холодоустойчивость, можно проводить испытания на воздействие давления в диапазоне от атмосферного до 133 Па. Температура поддерживается с точностью ±1°С, а постоянство давления с точностью от 66,5 до 266 Па (от 0,5 до 2 мм рт. ст.).

Контрольно-измерительная и регулирующая аппаратура. В камерах тепла и холода, используемых для испытаний изделий, должен воспроизводиться температурный режим с точностью не ниже ±3°С для диапазона температур от -85 до +100°С, ±5°С для диапазона температур от +100 до +200°С и ±10°С для температур свыше +200°С. Для регулирования температуры внутри камеры используют различные устройства автоматического регулирования температуры. Эти устройства состоят из трех основных частей: чувствительный элемент с необходимыми преобразователями, регулятор и устройство записи или индикации. Каждая из этих частей выполняет свою функцию, подчиненную общей задаче контроля и регулирования.

Чувствительный элемент воспринимает величину переменного параметра, которую он контролирует.

В качестве чувствительных элементов при контроле температуры используют термопары, термисторы, терморезисторы, ртутно-контактные термометры, биметаллические реле. Преобразователи служат для усиления или преобразования сигнала, вырабатываемого чувствительным элементом, в вид, удобный для дальнейшего использования. В функцию регулятора входит поддержание заданных условий испытания на основе анализа сигналов, получаемых от чувствительного элемента. В регуляторах могут использоваться автоматические программирующие устройства, позволяющие создавать сложные режимы испытания. Устройства записи обеспечивают автоматическую регистрацию воздействующих параметров и их изменение во времени. Для визуальной индикации воздействующих параметров и правильности функционирования испытательной установки служат различные устройства индикации.

Чувствительный элемент. Выбор чувствительного элемента зависит в основном от перекрываемого диапазона температур, заданной точности измерения и его инерционности. Перекрываемый термопарами температурный диапазон лежит в пределах от -180 до +2500°С, что является более чем достаточным для большинства испытаний на воздействие окружающей среды. Термисторы имеют ограниченный температурный диапазон (от -70 до 200°С), поэтому они по сравнению с термопарами реже используются для контроля температуры в испытательных камерах.

Системы для измерения температуры с использованием в качестве чувствительных элементов термопар и терморезисторов обеспечивают измерение с точностью 0,25% от измеряемой величины, а применение термометров (ртутных, газонаполненных, наполненных легкокипящей жидкостью) - с точностью не менее 1%. Следовательно, по этому показателю термопары и термисторы имеют явное преимущество.

Другой характеристикой чувствительного элемента, которую необходимо учитывать, является его тепловая инерция. Термометры с наполнением имеют большую тепловую инерцию, чем термопары, состоящие из двух тонких проводов, или термисторы, состоящие из небольшой катушки с прецизионным легким калиброванным проводом.

Регулятор предназначен для приема сигнала от преобразователя или непосредственно от чувствительного элемента и преобразования его в полезный выходной сигнал, который может быть использован для регулирования температуры. Простейшим является автоматический релейный регулятор с попеременным включением и выключением нагревательного элемента. В общем случае это достигается с помощью ртутного выключателя, микропереключателя или реле. Более сложными являются пропорциональные регуляторы, обладающие способностью вырабатывать выходной сигнал, величина которого является функцией интенсивности сигнала, поступающего на вход регулятора. Примером системы такого типа, получившей широкое распространение, является время-импульсный регулятор. Рис. 10.6 иллюстрирует принцип действия такого регулятора.

Диапазон пропорционального регулирования равен 20°С (по 10°С влево и вправо от заданного значения), что соответствует нескольким процентам полной шкалы прибора. В начале диапазона регулирования нагреватель включен в течение всего десятисекундного периода времени, являющегося длительностью импульсного цикла. При приближении к заданному (номинальному) значению температуры продолжительность включенного состояния нагревателя уменьшается, а время выключенного состояния увеличивается. При этом общая продолжительность цикла все время составляет 10 с. При достижении заданного значения температуры время включенного и выключенного состояний нагревателя одинаково и составляет 5 с. При переходе за заданное значение температуры продолжительность включенного состояния становится меньше 5 с и уменьшается до тех пор, пока не станет равным 0 в конце диапазона регулирования.

Регистрация и регулирование температуры. Из многочисленных типов приборов для измерения температуры наиболее часто применяют термопары. Это объясняется их простотой, прочностью и приемлемой точностью.

В качестве примера рассмотрим схему измерительного потенциометра (рис. 10.7), широко используемого в качестве регистрирующего и регулирующего устройств. Температура в камере контролируется термопарой ТП. Э. д. с. Нт, возникающая в термопаре, компенсируется напряжением Ни, снимаемым с потенциометра К. Сигнал рассогласования А (7, равный разности этих напряжений (А[/==(/т-^п), преобразуется вибропреобразователем из постоянного тока в переменный. Фаза сигнала, вырабатываемого вибропреобразователем, определяется знаком Л (7. Полученное переменное напряжение усиливается и подается в обмотку управления ОУ электродвигателя М. Направление вращения электродвигателя определяется фазой этого сигнала и таково, что движок а потенциометра перемещается в сторону уменьшения сигнала рассогласования А^. Когда ДУ станет равным нулю (Д[/==(7т-^п=0), двигатель остановится и указатель б на шкале отметит измеренную температуру.