Metrologie elektrických veličin v současnosti
doc. Ing. Jiří Horský, CSc.,
Dr. Ing. Pavel Horský
Během minulých dvaceti let byl v České republice vytvořen národní metrologický systém shodný se systémy jiných zemí západní Evropy, a to jak na úrovni národních metrologických institutů, tak na úrovní akreditovaných kalibračních laboratoří. Česká republika se stala plnohodnotným členem všech s tím souvisejících regionálních i globálních organizací. Metrologie elektrických veličin je součástí tohoto systému.
Historie
Státní metrologie v oblasti elektrických veličin měla v Československu dříve omezený rozsah. Před vznikem Československého metrologického ústavu Bratislava (ČSMÚ) se státní metrologie zaměřovala především na stejnosměrný odpor a stejnosměrné napětí. Na rozdíl od sovětského modelu, který měl pro všechny veličiny etalony a metodiky i návaznosti, byl v Československu rozsah kalibrací zajišťovaný státem podstatně užší. Československý metrologický ústav Bratislava, založený v roce 1968, postupně zajišťoval základní stejnosměrné a nízkofrekvenční etalony, vysokofrekvenční veličiny jen nejzákladnějšího typu. Výhodou, ale i nevýhodou byla dostupnost kalibrací, protože se za ně platil pouze nepatrný správní poplatek. Mnoho organizací si nechalo etalony kalibrovat pouze proto, aby splnily zákon, ale bez technické potřeby, a výsledky nebyly využívány. Velkým nedostatkem byla nemožnost získat kalibrace v jiné organizaci.
Elektronická měření v širokém rozsahu, včetně vývoje, byla vykonávána v Tesle Brno. Stejnosměrné a nízkofrekvenční veličiny kvalitně měřila Metra Blansko. Speciální veličiny, včetně modulací, byly měřeny v Mesitu Uherské Hradiště a Testcomu Praha. V oblasti měření elektrických veličin a výroby měřicích přístrojů pracovalo v té době více než 15 000 pracovníků koncernu Tesla měřicí a laboratorní přístroje.
V podnicích byly zavedeny a byly obvyklé řády metrologie zpracované na různé úrovni. Sovětský metrologický systém ovlivnil armádu, ale na civilní sektor měl minimální vliv. Na jaře 1968 byly do češtiny přeloženy tři základní materiály Britského kalibračního sdružení a nejméně Tesla Brno a Mesit Uherské hradiště uvažovaly o akreditaci. Tyto úvahy rychle ukončil srpen 1968.
Po roce 1989 byl u nás zájem o práci WECC (Western European Calibration Cooperation), ale ze strany WECC byl přístup odmítavý. Zlom nastal až v roce 1993 přidružením k Evropské akreditaci (EAL). Spolupráce začala účastí na práci pracovních skupin, a především na mezinárodních porovnáních, kde aktivita EAL v té době vrcholila. Tehdy vznikaly nejdůležitější akreditované laboratoře, které využívaly zázemí nebo alespoň zkušenosti z dřívějších metrologických útvarů podniků.
Direktivní metrologické systémy
Snahou direktivních metrologických systémů bylo normalizovat i oblast metrologie.
V dřívějším SSSR to byl obsáhlý systém norem GOST, u nás vznikla snaha zavést novou skupinu norem zabývající se oblastí metrologie. Byla zavedena třída norem 99 (poslední v číslování ČSN). V této skupině dosud zůstalo asi sedmnáct norem, ale žádná z nich není z oblasti elektrických veličin. Elektrické veličiny účinně odolávaly snahám o metrologickou normalizaci, protože rychlý vývoj přesnosti měření a etalonů obvykle znemožňoval konzervaci stavu zatříděním do požadavků stanovených v rámci normalizace.
Vojenská norma USA MIL STD 45662A a její význam
Ve světě západně od nás měla velký význam vojenská norma MIL STD 45662A. Technickým základem této normy byl požadavek na návaznost a na poměr mezi přesností kalibrovaného zařízení a etalonu 4 : 1. Norma MIL-STD-45662A Kalibrace, systémové požadavky byla zrušena v roce 1995, ale v mnoha zemích byla velmi vžitá a dosud její zásady přetrvávají. Měly ji nahradit normy ISO 10012-1 a ANSI/NCSLZ540-1, nyní spíše ISO/IEC 17025:2005.
Elektrické veličiny v ČR
Národní metrologický systém v oblasti elektrických veličin tvoří asi dvacet pět akreditovaných laboratoří a Český metrologický institut (ČMI). Ten po rozdělení republiky budoval celou referenční metrologii elektrických veličin nově, protože historické československé etalony zůstaly na Slovensku. Akreditované kalibrační laboratoře jsou u nás novým jevem posledních dvaceti let. Zajišťují metrologické služby (kalibrace) jako placenou službu. V každé zemi EU je jen jeden národní akreditační orgán a jednotné hledisko posuzování na základě stejné normy (ISO IEC 17025). Služby akreditovaných laboratoří v různých zemích jsou ekvivalentní (multilaterální dohoda Evropské akreditace – EA). Průměrná akreditovaná laboratoř elektro v ČR má čtyři pracovníky. Převážná část kalibrací je provedena v rozsahu přesností, které mají referenční etalony laboratoře. Referenční etalony v oblasti elektrických veličin jsou v současné době na celém světě srovnatelných typů a přesnosti.
Akreditace je potvrzení nezávislosti, objektivity a odborné způsobilosti laboratoře pro vykonávání kalibrací třetí stranou. To je akreditačním orgánem, který je třetí stranou mezi laboratoří a zákazníkem. Zvítězila nad direktivními metrologickými systémy v neregulované sféře měření v celosvětovém měřítku. Akreditace nezaručuje správnou funkci laboratoře, pouze potvrzuje schopnost laboratoře plnit stanovená kritéria. Dozor třetí stranou (akreditace) je při ekonomických podmínkách tržního hospodářství vytvářejícího tlaky na zvyšování produktivity nezbytným prostředkem zajišťování jakosti kalibrací. Jde ale o to, aby dozor směroval ke kontrole a ke zlepšování vlastní technické vyspělosti laboratoře a nepreferoval formální požadavky, které kvalitu měření neovlivní. Proto je úloha dozoru nezastupitelná, není však všelékem. Problémem dozoru může být jeho formálnost z hlediska technické problematiky měření. Základní slabinou akreditace je zajištění úrovně posuzování technických požadavků. Ty jsou obvykle založeny na práci, znalostech a zkušenostech externího technického posuzovatele. Úloha technického posuzovatele při akreditaci (kterého si s sebou bere akreditační orgán pro posouzení speciálních technických problémů) má určující vliv na úroveň posuzovaných laboratoří. Externí posuzovatel by měl zajišťovat v první řadě odbornost, ale současně i nezávislost a nemít žádné zájmy na výsledku posouzení. Kvalita akreditace proto závisí především na kvalitě odborných posuzovatelů. Jejich výběr je tím těžší, čím je země menší, čím menší má technickou základnu hospodářství a čím je obor měření speciálnější. Omezujícími jsou i hlediska konkurence a možnosti přenosu informace mezi laboratořemi. Posuzovatel posuzuje vždy s určitou subjektivitou.
Historie akreditace
Akreditované laboratoře byly zakládány z potřeby udržet kvalitu měření, a to zejména v době druhé světové války v Austrálii (Approved Wartime Test House Scheme) [3]. Autorům systému se po válce podařilo zkušenosti převést i do civilního sektoru. Po Austrálii (akreditační orgán NATA – The National Association of Testing Authorities – Australia, akredituje od roku 1947) následoval Nový Zéland (akreditační orgán TELARC akredituje od roku 1973), Dánsko, Velká Británie a po roce 1970 nastalo masové rozšíření tohoto systému v mnoha zemích světa.
Současný stav a problémy
Akreditované kalibrační laboratoře:
- zajišťují metrologické služby (kalibrace) jako placenou službu,
- v každé členské zemi Evropské akreditace je pouze jeden národní akreditační orgán,
- mají jednotné hledisko posuzování na základě stejné normy (ISO/IEC 17025).
Služby akreditovaných laboratoří v různých zemích jsou ekvivalentní (multilaterální dohoda EA a dohody mezi EA a jinými akreditačními subjekty).
Současné pojetí akreditace podle normy ČSN EN ISO/IEC 17025 [2] má dvě zřetelně oddělené části, technickou a netechnickou. Technická část se týká vědeckých, technických a matematických otázek souvisejících s vlastním produktem činnosti laboratoře, kterým je kalibrace nebo zkoušení ve vymezené oblasti. Netechnická část souvisí se strukturou managementu laboratoře, strukturou dokumentace její činnosti.
Systém kvality laboratoře podle normy ČSN EN ISO/IEC 17025:2005
Akreditace je založena na dvou základních myšlenkách:
- řekni a zapiš, co děláš,
- dělej to, co jsi řekl.
Vše se dělá v rozsahu požadavků akreditační normy ČSN EN ISO/IEC 17025:2005. Výhodou akreditace pro zákazníka by mělo být mj. i průhledné a předvídatelné chování akreditované laboratoře, dané požadavky kapitoly normy EN ISO/IEC 17025:2005. Pěkně toto zobecnění přístupu ukazuje [5]. Technické problémy, kapitola 5 normy ČSN EN ISO/IEC 17025:2005 Společným požadavkem na kalibrační i na zkušební laboratoře je potřeba, aby měření bylo vykonáno se specifikovanou a správně určenou nejistotou. Nejistota měření laboratoře je omezena jenom zdola, tj. nemůže být menší, než je dáno zařízením, návazností a zkušeností personálu. Toto omezení je v současné době specifikováno jako nejlepší schopnost měření, CMC, uvedená v příloze osvědčení k akreditaci. Naproti tomu není nejistota měření omezena. Laboratoř může udávat velkou nejistotu, záleží pouze na splnění požadavků zákazníka. Z hlediska posuzování tedy laboratoř nesmí v rámci akreditace uvést nejistoty menší, než jsou u její uznané nejlepší měřicí schopnosti (CMC, dříve označované jako BMC). Uvede-li laboratoř nejistotu větší, než je skutečně dosažená, nedopustí se přestupku proti akreditaci, protože správný výsledek je splněn i v rámci větší nejistoty, pouze s větší rezervou. Stanovení nejistoty měření záleží na použitých etalonech, kvalitě jejich návaznosti a rovněž na kvalitě a znalostech personálu.
Technická variabilita akreditace
V oblasti elektrických měření je v podstatě vybavení kalibračních laboratoří v celém světě unifikováno. Například pro měření stejnosměrného napětí 10 V má převážná většina laboratoří jako referenční etalon multimetr Agilent 3458A a pro generování 10 V jako referenční etalon kalibrátor Fluke 5700. V literatuře [4] byl veden pokus porovnání náhodně vybraných akreditovaných laboratoří, který poskytl zajímavé výsledky, podobné, s jakými se lze setkat i u nás a jinde v Evropě.
Uvedené etalony (kalibrátor Fluke 5700 a multimetr Agilent 3458A) jsou velmi málo citlivé na vliv prostředí a nemají speciální požadavky na kvalifikaci personálu. Jestliže bude nejistota navázání zanedbatelná (poměr nejistot při kalibraci ≥ 3/1), nejlepší schopnosti měření všech laboratoří by měly být stejné nebo velmi podobné. Nabízí se i myšlenka, že by takové nejlepší schopnosti mohly být jednotné pro všechny laboratoře, popř. i stanoveny určitým doporučením. Skutečnost je však jiná, a to nejen u nás, ale i jinde ve světě. Pro měření napětí 10 V s multimetrem Agilent 3458A Opt 2 je katalogová jednoroční specifikace bez vlivu navázání pro rozsah do 11 V (4 μV/V + 0,5 μV) a CMC pro 10 V u náhodně vybraných akreditovaných laboratoří se podle [4] pohybovalo mezi 26,5 a 102 μV. Pro generování s přístrojem Fluke 5700 je katalogová jednoroční specifikace bez vlivu navázání (3,5 μV/V + 2,5 μV) a CMC pro 10 V u náhodně vybraných akreditovaných laboratoří se podle [4] pohybovalo mezi 27,5 a 143,5 μV.
Tento příklad ukazuje, že i na poměrně jednoduché veličině a optimální měřené hodnotě kolísají nejlepší schopnosti měření v poměru až 1 : 4 pro stejně vybavené laboratoře. To je rozptyl až zarážející, který nemůže odpovídat ani rozdílům v úrovni navázání, ani rozdílům v úrovni kvalifikace personálu. Prostředí v tomto případě málo ovlivňuje nejistotu a zařízení bylo u všech laboratoří uvažováno shodné.
Mezilaboratorní porovnání a jeho význam
Mezilaboratorní porovnání je důležitou a objektivní metodou kontroly práce laboratoře. Při porovnávacích zkouškách není apriori určen poměr nejistot měření účastníků tak jako při kalibraci. Podmínkou je, aby laboratoře vstoupily do porovnání s udanou vlastní nejistotou měření (např. navázání na národní metrologický institut v souladu se schopnostmi měření tohoto institutu, uvedenými v databázi schopností měření KCDB na http://www.BIPM.org). Mohou být vzájemně porovnávány laboratoře s nejrůznějším poměrem nejistot měření. Pokud jsou tyto nejistoty souměřitelné, používá se výsledek měření po analýze k potvrzení schopnosti měření všech zúčastněných laboratoří.
Porovnání se u kalibračních laboratoří hodnotí pomocí činitele En.
Při porovnávacích zkouškách akreditovaných laboratoří je zpravidla jedna laboratoř vedoucí, tzn. referenční s podstatně nižší nejistotou. Ta určuje referenční hodnotu, ke které je vztažen výsledek ostatních laboratoří. Ty však nejsou hodnoceny podle velikosti nejistoty, ale podle vztahu mezi výsledkem měření a nejistotou stanovenou při akreditaci. Odchylka En je normalizována vzhledem k uváděné nejistotě a je určena vztahem:
kde