Kalibrace a přesnost měření

Metrologická návaznost je vlastnost výsledku měření, pomocí níž může být výsledek vztažen ke stanovené referenci přes dokumentovaný nepřerušený řetězec kalibrací, z nichž každá se podílí svým příspěvkem na stanovené nejistotě měření [1].

Na místě je položit si otázky k obsahu a formě pojmu kalibrace. Proč měřidla kalibrujeme? Proč se tak značně změnila definice přidruženého termínu k pojmu kalibrace? Odpověď na prvou otázku je poměrně jednoduchá a postavená na požadavcích sériovosti výroby, zaměnitelnosti součástí, kooperace a kvality finálního výrobku. Obsah pojmu kalibrace jako činnosti k dosažení vyšší přesnosti pracovního měřidla se dlouhodobě nemění. Přesto byla formulována v posledním vydání Mezinárodního metrologického slovníku (dále VIM) nová definice, zcela odlišná od dřívějších. Důvodů mohlo být několik a jedním z nich mohla být i skutečnost, že v procesu managementu pracovních měřidel v systémech managementu kvality postupně začalo docházet k deformaci výkladu obsahu pojmu pod tlakem, že je třeba mít činnost kalibrace doku-mentovanou písemným vyjádřením, za něž se u nás všeobecně a téměř výhradně považuje záznam s názvem „Kalibrační list“.

Nesporným důvodem změny formulace pojmu kalibrace je také bouřlivý vývoj měřidel v posledních asi dvaceti letech. Měřidla jsou konstruována a řízena v kompletech s výpočetní technikou a k získání výsledku měření dochází rovněž za aktivní účasti výpočetního softwaru, kde úloha metrologa postupně přechází do polohy operátora měřicího systému, aniž by ten mohl ovlivňovat indikaci, ze které je výsledek měření získáván automaticky.
Záměrem autorů této publikace je podat námět k diskusi o odpovědi na druhou otázku a upo-zornit na některé skutečnosti v systémech managementu měřidel certifikovaných subjektů při účasti nezávislých metrologických subjektů za účelem úprav vztahů mezi dodavatelem měřidel, uživatelem měřidel, který je producentem výrobků ke spotřebnímu užití konečným zá-kazníkem, a auditem kvality.

Tyto pojmy jsou definovány ve VIM a mezi metrology též často diskutovány. Po vyrobení nebo před periodickým servisem je měřidlo nepřesné a málo precizní. Nejprve je třeba měřidlo seřídit, aby bylo precizní, a následně provést kalibraci. Jednotlivé fáze od vyrobení až po kalibraci včetně jsou schematicky uvedeny na příkladu zásahů do terče (obr. 1), kdy v konečné fázi je měřidlo správné a produkuje přesné a precizní výsledky měření.

V následujícím textu je citována úplná definice pojmu „kalibrace“ tak, jak je uvedena v TNI 01 0115:2009 Mezinárodní metrologický slovník [1]:
„Kalibrace je činnost, která za specifikovaných podmínek v prvním kroku stanoví vztah mezi hodnotami veličiny s nejistotami měření poskytnutými etalony a odpovídajícími indikacemi s přidruženými nejistotami měření a ve druhém kroku použije tyto informace ke stanovení vztahu pro získání výsledku měření z indikace.
Poznámka 1. Kalibrace smí být vyjádřena údajem, kalibrační funkcí, kalibračním diagramem, kalibrační křivkou nebo kalibrační tabulkou. V některých případech se smí skládat ze součto-vých nebo násobných korekcí indikace s přidruženou nejistotou měření.
Poznámka 2. Kalibrace nemá být zaměňována s justováním měřicího systému, často mylně nazývaným „samokalibrace“, ani s ověřením kalibrace.
Poznámka 3. Samotný první krok ve výše uvedené definici je často chápán jako kalibrace“ [1].

Na základě definice pojmu a praktických poznatků lze konstatovat, že se jedná o posloupnost dílčích činností ve dvou významných skupinách kroků, kde první začíná hodnotami veličiny poskytnutými etalony a druhá končí výsledkem měření, který je získán z indikace. Při kalibraci v případě pracovního měřidla je tak činnost ve druhém kroku ukončena až po získání výsledku každého dílčího měření, které je měřidlem prováděno, indikace je korigována na základě znalosti jejího rozdílu (její chyby) s referencí. Kalibraci lze v tomto smyslu chápat jako dynamický proces, který se opakuje při každém použití pracovního měřidla při měření.
První poznámka uvádí možnosti vyjádření kalibrace a poskytuje široký výběr veličin. Nelze si však nevšimnout, že proti dřívějším definicím chybí návrh formy záznamu s označením kalibrač-ní certifikát nebo list či protokol o kalibraci.
Druhá poznámka uvádí pojmy, se kterými nemá být kalibrace zaměňována, a je tedy upozorně-ním na to, aby jiné metrologické činnosti nebyly za kalibraci vydávány. Pojem „justování měřicí-ho systému“ je definován v článku 3.11 [1] a podle třetí poznámky v této definici kalibraci před-chází. Pojem „ověření kalibrace“ není explicitně ve VIM definován a je provázán s pojmem 2.44 ověřování [1]. Z kontextu je zřejmé, že „ověření kalibrace“ je činnost, která naopak po kalibraci následuje. Nejsou-li splněny specifikované požadavky měřidla, je to signál k opakování procesu kalibrace a ověření kalibrace. Do kategorie pojmu ověření kalibrace lze zařadit zkoušku funkčních a metrologických parametrů měřidla, které má mít po provedené kalibraci.

Příklad: U souřadnicového měřicího stroje jsou kalibrovány jednotlivé měřicí komponenty, aby-chom v konečné fázi z informací od všech dílčích indikací dostali jeden výsledek měření, kterým jsou v nejjednodušším případě souřadnice bodu v měřicím prostoru nebo rozměr měřeného prv-ku, včetně rozšířené nejistoty.
Pozn.: Mezinárodně zavedené slovní spojení „ověření kalibrace“ (verification of calibration) koli-duje v národním prostředí se slovním spojením „ověření stanoveného měřidla“ a bylo by vhodné je nahrazovat jiným, např. „potvrzení kalibrace“.

Třetí poznámka je u nás rozporuplně vykládána v protichůdných smyslech. Jeden výklad je ten, že ke kalibraci stačí měřidlo pouze proměřit v prvním kroku a druhý krok činnosti není nezbytný. V tomto případě ale chybí doplňující informace, „kdy a/nebo podle jakých pravidel smí být metro-logická činnost pouze v prvním kroku prohlášena za plnohodnotnou kalibraci“.
Tento výklad je dle našeho názoru nesprávný, protože cílem kalibrace je přesné měření předem seřízeného a precizního měřidla. Hlavním důvodem je dále skutečnost, že jde o poznámku k definici samotné a nikoliv o výjimku, která by takový výklad umožňovala, a poznámkou nelze rušit obsah definice. V kontextu originálu VIM je upozorněno na to, že za kalibraci bývá vydává-na jen činnost v prvém kroku, aniž by aktivně mohla být ovlivněna indikace, a vyjadřuje, že ke kalibraci jsou nutné činnosti v obou krocích.
Touto třetí poznámkou je zohledněn vývoj a současný stav, že jsou kladeny stále vyšší nároky na požadovanou přesnost měření a přibývá měřicích přístrojů a měřicích systémů, které již ne-lze k žádané přesnosti měření mechanicky vyrobit, nebo jen za cenu nepřiměřených nákladů. Nastupuje tak aktivní účast hardwaru a softwaru výpočetní techniky (zápis údajů na hardware k softwarovému použití), s pomocí které lze požadovaných metrologických parametrů dosáhnout. Výrobci takových měřidel si však nejnovější poznatky výzkumu, vývoje a výroby úzkostlivě chrání před konkurencí a kromě nich a jejich autorizovaných zastoupení nemá jiný subjekt možnost kalibraci provést.

Ve stručnosti je uveden standardní postup kalibrace v případě běžných pracovních měřidel, která se v managementu měřidel v systémech managementu kvality vyskytují v dominantní míře.
V prvém kroku kalibrace měřidlo proměříme (porovnáme s referencí, pracovními etalony) a zjis-tíme chyby měření, aby údaje o nich byly k dispozici ve druhém kroku činnosti kalibrace. K provedení druhého kroku zpravidla stačí, aby údaje o chybách byly zapsány v „Kalibračním listu“. Tím je vytvořen předpoklad k provedení druhého kroku kalibrace, který vystavením kalib-račního listu ještě nekončí. Podle formulace pojmu 2.39 kalibrace je třeba stanovit vztah pro získání výsledku měření z indikace. Ten vznikne až tehdy, až metrolog údaje z kalibračního listu použije ke korekci při svých měřeních. Zde zřejmě dochází při auditech k prvnímu pochy-bení nebo omylu. Tyto se v některých případech spokojí jen s předložením Kalibračního listu, aniž by přezkoumaly úplný dynamický proces činnosti kalibrace od reference (hodnoty veličiny poskytnuté etalonem) až po výsledek měření, kterým činnost kalibrace končí.

Obr. 1. Výroba a servis měřidla, kalibrace
a) nepřesné a málo precizní měření
b) přesné a málo precizní měření
c) nepřesné, i když precizní měření
d) přesné a precizní měření

Měřicí přístroje a měřicí systémy současné generace jsou řízeny za pomoci hardwaru a softwaru výpočetní techniky a není u nich obecně komukoliv umožněno provedení zápisu údajů na hardware získaných v prvém kroku činnosti kalibrace a naplnění tak základního vstupního požadavku k činnosti ve druhém kroku.
V prvém kroku metrolog měřicí systém proměří v plném rozsahu podle kalibračních postupů (zpravidla výrobce měřidla); analogicky se standardní běžnou kalibrací pracovního měřidla.
Druhý krok začíná zapsáním příslušných údajů na hardware měřicího systému, aby byl dán předpoklad k realizaci úplné činnosti ve druhém kroku; stanovení vztahu k získání výsledku měření z indikace. Tento vztah vznikne až softwarovým zpracováním každé dílčí indikace v procesu měření, ke které obsluha měřicího systému obecně nemá přístup; nevidí ji.
Duplicitní zápis údajů zjištěných v prvém kroku kalibrace do „lidsky čitelného záznamu“ postrá-dá po obsahové stránce smysl, protože pro PC jsou tyto údaje nepoužitelné. Měřicí systém pro-vádí druhý krok činnosti kalibrace automaticky od sejmutí hodnoty veličiny až po zobrazení vý-sledku měření některou z forem, která je srozumitelná jeho obsluze k dalšímu řízení procesu měření produktu. Takto je zajištěna metrologická návaznost výsledku měření ke stanovené refe-renci, kde měřicí přístroj, měřicí systém i obsluha měřidla (operátor) jsou součástí hierarchie návaznosti.
Na tomto místě u těchto měřidel vzniká požadavek důkazu metrologické návaznosti; vztahu ke stanovené referenci přes dokumentovaný nepřerušený řetězec kalibrací. V nejjednodušším pří-padě je to jakýkoliv věcný dokument a může jím být zápis dodavatele služby, pracovní výkaz (podložený dodacím listem a fakturou), kalibrační značka anebo jiné standardní dostupné formy záznamu mimo „Kalibrační list“ či jiný zavádějící název. Takový záznam zpravidla předkládá výrobce měřidla nebo jeho autorizovaný zástupce. S ohledem na zákon 505/1990 Sb. o metro-logii v platném znění nemusí výrobce splňovat ustanovení zrušeného § 20; mít statut kalibrační laboratoře a mít přidělenou kalibrační značku. Výrobci měřidel a jejich autorizovaní servisní zá-stupci však zpravidla nejsou akreditováni a nesplňují tak podmínku pro dodavatele do automobilového průmyslu podle ČSN P ISO/TS 16949:2009.
Není-li výše uvedená forma dokladování kalibrace pro audit dostatečně důvěryhodná a je po-žadován důkaz od třetího a nezávislého a/nebo akreditovaného subjektu, je třeba hledat schůdnou cestu ke splnění požadavku auditu. Zde se nabízí alternativa, na kterou je upozorněno ve druhé poznámce definice 2.39 kalibrace a v páté poznámce definice 2.44 ověřování [1]. Jedná se o metrologický výkon „ověření kalibrace“.

Souřadnicový měřicí stroj (CMM) je měřicí přístroj a současně splňuje i klasifikaci měřicího sys-tému, protože jsou v něm zakomponována 3 a více délkoměrná měřítka s vlastními indikacemi, zpravidla i měřidla teploty a další pomocná měřidla podle konstrukce CMM. V naznačení pro-blematiky kalibrace CMM se omezíme jen na veličinu oboru délka, jejíž měření je hlavní činnost CMM a např. měření teplot je podpůrné k dosažení vyšší přesnosti měření.
Kalibrací CMM v prvém kroku se zjistí chyby vedení snímacího systému ve směru tří souřad-ných os v závislosti na poloze uvnitř rozsahu každé souřadnice. Tyto chyby souvisí s tím, že mechanismus má obecně šest stupňů volnosti v jednom směru pohybu. Jde o celkem šest nelineárních funkcí, které jsou získány experimentálně za použití unikátních měřicích přístrojů. Například v ose X to jsou to tři funkce rotačních chyb Rxx, Rxy a Rxz, dvě funkce translačních chyb Txy a Txz a konečně funkce nelinearity měřítka Lxx. Podle rozsahu v příslušné ose se tato měření provedou s krokem 10, 20, 50, 100 nebo 200 mm. Větší krok se zpravidla již nepoužívá. Pro CMM s rozsahem 6 000 mm v nejdelší ose, na kterých se proměřují celé karoserie aut, to standardně obnáší desítky hodnot. Po zjištění chybových funkcí ve směru všech tří sou-řadných os je třeba ještě zjistit chyby pravoúhlosti vedení φxy, φyz a φzx, protože výpočetní software provádí matematické výpočty v pravoúhlém eukleidovském prostoru, které jsou proti výpočtu v obecném nepravoúhlém prostoru značně jednodušší.
Tyto metrologické výkony jsou podle definice kalibrace činností v prvním kroku a slušně vybavená tuzemská metrologická laboratoř je zvládne. Takto je vytvořen předpoklad k zahájení druhého kroku kalibrace, zadání konstant do prostorové matice, která se nazývá „mapa korekcí“.
Po zjištění matice chyb je tuto třeba zapsat na příslušný hardware, aby ji mohl software při vý-počtech používat. Toto zpravidla může provést jen výrobce CMM nebo jeho autorizovaný ser-visní zástupce podle postupů výrobce a nikoliv běžná kalibrační laboratoř, protože k zápisu údajů ke korekci do mapy je třeba mít kalibrační software a také mít povolen přístup k zápisu na hardware CMM.

Tato činnost je druhým krokem kalibrace CMM a subjekt, který tuto činnost z různých důvodů není schopen zrealizovat, nemá deklarovat kalibraci CMM a rovněž nemá vystavit „Kalibrační list“. Zápis chyb nebo korekčních hodnot mapy na papír z metrologického hlediska nemá smysl, i kdyby byl úplný. CMM si tyto údaje z papíru přečíst nedokáže a uživatel – operátor CMM – nemá možnost, jak tyto údaje při svých měřeních s CMM použít.
Na obr. 2 je příklad tabulky pro šest funkcí v závislosti na zvoleném kroku portálového CMM s údaji ke korekci v ose Z včetně tabulky údajů korekce chyb pravoúhlosti všech tří souřadných os. Tabulky pro osy X a Y jsou obdobné.

Při měření s CMM samotným podle místa, kde dojde k sejmutí bodu snímacím systémem na měřené součásti, software zaznamená polohu v mapě korekcí podle jednotlivých indikací, přihlédne k nejbližším osmi diskrétně korigovaným bodům a zobrazí výsledek měření (snímaný bod se nachází uvnitř některého kvádru, na které je měřicí prostor korekční mapou rozdělen). Účast snímacího systému je při měření nepominutelná a s jeho vyloučením nelze provádět mě-ření ani kalibraci.
Na tomto místě je třeba upozornit ještě na jednu skutečnost. Provedená úplná kalibrace CMM ve dvou krocích ještě nedává záruku, že výsledky měření splňují požadavky metrologické ná-vaznosti, CMM je metrologicky způsobilý a je ve shodě se specifikací. Ověření kalibrace má ná-sledovat.
Problematiku metrologické způsobilosti CMM řeší pracovní skupina WG 10 CMM při Technické komisi ISO/TC 213 GPS zpracováváním podkladů pro vydávání mezinárodních norem. Obsa-hem těchto norem je zkoušení CMM, které lze s ohledem na terminologii ve VIM považovat za ověření kalibrace.

Metrologická návaznost jednoznačně požaduje kalibraci a zavedenou hierarchii kalibrace. Kalibrace je podle VIM metrologická činnost ve dvou krocích, kde v prvém kroku zjistíme údaje o chybách, aby tyto ve druhém kroku byly k dispozici ke korekci; k zobrazení metrologicky správného výsledku měření. „Kalibrační list“ není totéž, co metrologická činnost „kalibrace“. Ka-librační list je jen jednou z možností, jak vytvořit předpoklad k úplné realizaci činnosti ve druhém kroku kalibrace. Pasivní vypsání naměřených hodnot bez možnosti dalšího užití, možnosti ko-rekce, však nelze považovat za splnění druhého kroku činnosti kalibrace v souladu s definicí podle VIM. V období mezi periodickými kalibracemi ji management měřidel ověřuje mezikontro-lami a vlastními zkouškami anebo ke zkouškám, v souladu s požadavky vlastního systému ma-nagementu kvality, objednává třetí subjekty (zkušební nebo kalibrační laboratoře, anebo jiné důvěryhodné subjekty). Zkoušky souřadnicových měřicích strojů podle validovaných mezinárodních norem řady ČSN EN ISO 10360-x lze považovat za jeden ze vhodných důkazů ověření kalibrace; nikoliv však za kalibraci samotnou podle článku 2.39, VIM.

Měřidla před kalibrací seřídíme, aby výsledky měření byly precizní. Měřidla nekalibrujeme proto, aby byla kalibrována, ale proto, aby poskytovala přesné výsledky měření. Po kalibraci tak máme požadovat přesné výsledky měření a ne pouze „kalibrované měřidlo“ s formálním doložením „Kalibračním listem“. Činnost kalibrace právě ve druhém kroku je nezbytná.

RNDr. Miroslav Jan Skopal
Doc. Ing Alois Fiala, CSc.

skopal@fme.vutbr.cz

//www.mzds.cz

Literatura
[1] TNI 01 0115:2009 Mezinárodní metrologický slovník – Základní a všeobecné pojmy a přidružené termíny (VIM) – český překlad vydání VIM z roku 2007-8.

Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
RNDr. Miroslav Jan Skopal
skopal@fme.vutbr.cz
//www.mzds.cz