ASTM E898-20
Стандартная практика калибровки неавтоматических весов

Стандартный №

ASTM E898-20

Дата публикации

2020

Разместил

American Society for Testing and Materials (ASTM)

Последняя версия

ASTM E898-20

сфера применения

Обзор стандарта ASTM E898-20 и техническая база

ASTM E898-20, «Стандартная практика калибровки неавтоматических весоизмерительных приборов», — это профессиональный технический стандарт, разработанный Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM), специально посвященный требованиям к калибровке электронных неавтоматических весоизмерительных приборов. Стандарт был впервые опубликован в 1982 году, а последняя редакция — в 2020 году. Неавтоматические весоизмерительные приборы — это измерительные приборы, требующие вмешательства оператора во время процесса взвешивания и определяющие массу путем измерения силы тяжести, действующей на объект.

Настоящий стандарт распространяется на весоизмерительные приборы с диапазоном допустимых отклонений от нескольких граммов до нескольких тысяч килограммов, с ценой деления, как правило, от 0,1 микрограмма до 1 килограмма. В стандарте для простоты неавтоматические весоизмерительные приборы совместно именуются весами, но область применения также включает различные весы. Настоящий стандарт распространяется только на электронные, неавтоматические весы, показания которых выводятся на цифровые дисплеи. Принцип измерения обычно основан на компенсации силы, либо посредством упругой деформации (тензодатчики преобразуют деформацию в электрическое сопротивление), либо посредством компенсации электромагнитной силы (использование сил электромагнитной реакции для поддержания равновесия тензодатчика).

---

Анализ основных терминов и определений стандарта

В ASTM E898-20 определены несколько ключевых терминов, которые необходимы для правильного понимания и внедрения методов калибровки:

Термин	Определение	Метрологическое значение
Калибровка	Операция по установлению связи между показанием весов и эталонной гирей, включая связанную с этим неопределенность измерений	Обеспечение прослеживаемости и надежности результатов измерений
Нормальное значение массы	Эталонная масса, необходимая для уравновешивания объекта в обычных условиях (20 °C, стандартная плотность 8000 кг/м³, плотность воздуха 1,2 кг/м³)	Практическое значение массы с учетом влияния выталкивающей силы воздуха
Максимально допустимая погрешность	Максимально допустимый предел отклонения между указанным значением измеряемой величины и номинальным примененным значением	Ключевой показатель для оценки квалификации весового прибора
Повторяемость	Способность обеспечивать схожие показания при многократном взвешивании одного и того же объекта в относительно постоянных условиях испытаний	Отражает постоянство и стабильность результатов измерений весового прибора
Погрешность эксцентричной нагрузки	Погрешность, возникающая, когда груз не размещен по центру взвешивания платформа	Важный параметр для оценки механической структуры и производительности датчика весового прибора

Определения этих терминов основаны на Международных фундаментальных концепциях метрологии (VIM) и соответствующих документах Международной организации законодательной метрологии (OIML), что гарантирует точное и единообразное использование терминологии.

---

Условия калибровки и требования к эталонным весам

Выбор эталонных весов является ключевым фактором в обеспечении качества калибровки. ASTM E898-20 устанавливает четкие требования к эталонным весам:

Требования к прослеживаемости: Испытательные нагрузки должны состоять из эталонных весов, прослеживаемых к единицам массы СИ. Прослеживаемость веса должна быть продемонстрирована посредством калибровки, включая определение условного значения массы mc или поправки δmc к его номинальному значению mN, а также расширенной неопределенности калибровки U.

Требования к физическим свойствам: Эталонные гири должны отвечать соответствующим требованиям точности, включая плотность ρs, достаточно близкую к ρc = 8000 кг/м³; отделку поверхности, подходящую для предотвращения изменений массы из-за загрязнений или покрытий; и магнитные свойства, которые минимизируют взаимодействие с калибруемым прибором. 1 000 000 - 5 000 000 OIML F1 или ASTM Класс 2 или лучше OIML F2 или ASTM Класс 4 или лучше 15 000 - 150 000 OIML F2 или ASTM Класс 4 или лучше OIML M1 или ASTM Класс 5 или лучше ≤ 15 000 OIML M1 или ASTM Класс 5 или лучше OIML M2 или ASTM Класс 6 или лучше

Для многоинтервальных и многодиапазонных весов Max и d относятся к интервал/диапазон с наименьшим значением градуировки, сокращенно обозначаемым как Max1 и d1 соответственно.

---

Процедуры и методы калибровки измерений

ASTM E898-20 определяет три основных параметра измерений: повторяемость, эксцентриситет и погрешность индикации. Эти измерения можно выполнять в любом порядке, что позволяет эффективно использовать гири и обнаруживать потенциальные дефекты весов на ранней стадии.

Измерение повторяемости

В условиях повторяемости один и тот же груз помещается на чашку весов несколько раз в течение короткого периода времени практически идентичным образом. Это дает представление о способности весов выдавать стабильные результаты, выраженные в виде стандартного отклонения.

Выбор тестовой нагрузки: Для весов только с одним разрешением шкалы тестовая нагрузка обычно выбирается приблизительно в диапазоне от 50% до 100% от максимальной грузоподъемности. Для многоинтервальных/многодиапазонных весов испытательная нагрузка обычно выбирается приблизительно в пределах от 50% до 100% от верхнего предела каждого интервала/диапазона.

Необходимое количество измерений: Для всех весов с дискретностью шкалы 0,1 мг и ниже выполняется минимум 10 измерений; для всех весов с дискретностью шкалы более 0,1 мг выполняется минимум 5 измерений.

Измерение со смещением нагрузки

Измерение со смещением нагрузки оценивает погрешность индикации, когда одна и та же нагрузка прикладывается к разным позициям на чашке весов. Она выражается как максимальная разница между значением показания в разных позициях и значением показания в центральном положении.

Выбор испытательной нагрузки: Для многодиапазонных/многодиапазонных, а также однодиапазонных весов испытательная нагрузка предпочтительно составляет приблизительно одну треть от максимальной грузоподъемности. Измерение состоит из размещения испытательной нагрузки в различных положениях на платформе весов и обеспечения того, чтобы центр тяжести приложенной нагрузки находился в указанном положении.

Метод измерения: Стандарт предусматривает четыре метода измерения смещенной нагрузки. Соответствующий метод следует выбирать в зависимости от типа весов и любого дрейфа, который может присутствовать. Если активирована функция автоматического обнуления системы взвешивания, это может повлиять на результаты испытания со смещенной нагрузкой, что приведет к ошибочным небольшим ошибкам.

Измерение погрешности индикации

Точки измерения погрешности индикации следует выбирать как можно равномернее в пределах диапазона взвешивания, подлежащего калибровке. Требуется не менее пяти различных испытательных нагрузок, включая нулевую точку и максимальную грузоподъемность или близкую к максимальной грузоподъемность (например, 0%, 25%, 50%, 75% и 100% от максимальной грузоподъемности).

Метод измерения: Стандарт предусматривает три метода измерения погрешности показания: увеличение от нулевой нагрузки до максимальной нагрузки (разгрузка веса на каждом этапе измерения); увеличение от нулевой нагрузки до максимальной нагрузки (нет необходимости разгружать вес в процессе измерения); и уменьшение от максимальной нагрузки до нулевой нагрузки (по запросу заказчика).

---

Метод оценки неопределенности измерения

ASTM E898-20 содержит подробный метод оценки неопределенности измерения, который является одним из основных технических содержаний стандарта.

Стандартная неопределенность погрешности показания

Модель измерения погрешности показания: E = I - mref. Формула расчета объединенной стандартной неопределенности: uc²(E) = u²(I) + u²(mref).

Вклад неопределенности в указанное значение включает: погрешность округления ненагруженного указанного значения, погрешность округления нагруженного указанного значения, погрешность повторяемости, погрешность эксцентричной нагрузки и т. д.

Вклад неопределенности в опорную массу включает: неопределенность стандартного веса, неопределенность из-за выталкивающей силы воздуха, неопределенность из-за дрейфа веса, неопределенность из-за конвекции и т. д.

Расчет расширенной неопределенности

Расширенная неопределенность погрешности индикации составляет: U(E) = k·uc(E). Коэффициент охвата k выбирается на основе степеней свободы, связанных с измерениями повторяемости при калибровке, или рассчитывается с использованием формулы Уэлча-Саттертуэйта для эффективных степеней свободы.

Стандарт предоставляет таблицу, соответствующую коэффициенту охвата k и эффективным степеням свободы veff. Если veff равно 4, k = 2,87; когда veff равно 10, k = 2,28; когда veff равно 50, k = 2,05; и когда veff бесконечно, k = 2,00.

---

Неопределенность измерения при использовании и минимальный вес

В ASTM E898-20, Приложение X1, подробно обсуждаются концепции неопределенности измерения при использовании и минимального веса, которые важны в практических применениях.

Неопределенность измерения при использовании

Неопределенность измерения при использовании учитывает нормальное использование прибора и может оценить неопределенность измерения любого объекта, помещенного на весы. Неопределенность при использовании включает в себя погрешность индикации в расчете неопределенности измерения, поэтому нет необходимости корректировать результат взвешивания.

Расширенная неопределенность и абсолютная погрешность индикации обычно складываются арифметически, отражая возможную корреляцию между двумя терминами. Неопределенность измерения при использовании обычно аппроксимируется линейным уравнением: U(R) = α + β · R, где α — неопределенность при использовании без нагрузки, а β — параметр, описывающий увеличение неопределенности при использовании с большей нагрузкой, приложенной к прибору.

Минимальный вес

Минимальный вес определяется как: «Минимальный вес — это наименьший размер образца, который можно взвесить с заданной относительной точностью взвешивания». Благодаря своей практической важности понятие минимального веса широко используется в промышленности.

Пользователи обычно определяют конкретные требования к рабочим характеристикам весового прибора (спецификация требований пользователя). Что касается точности взвешивания, требование обычно выражается в виде верхнего порогового значения для относительной неопределенности измерения Urel = U/m, что приемлемо для конкретного применения взвешивания. Это называется точностью процесса взвешивания или допуском на взвешивание.

Для заданного требования к пределу относительной погрешности mpe требование выполняется только в том случае, если нагрузка m удовлетворяет требованию U/m ≤ mpe. Предельное значение mmin = U/mpe, т. е. минимальная нагрузка, которая удовлетворяет требованию, называется минимальным весом.

Из-за изменений окружающей среды (вибрация, потоки воздуха и влияние оператора) или специфических эффектов приложения взвешивания (электростатические образцы, магнитные мешалки), неопределенность измерения при использовании может быть трудно оценить. К допуску взвешивания обычно применяется коэффициент безопасности SF больше 1: то есть допуск взвешивания, деленный на коэффициент безопасности: U/m ≤ mpe/SF.

На основе минимального веса безопасный диапазон взвешивания определяется как диапазон, в пределах которого прибор соответствует требуемому допуску взвешивания (включая коэффициент безопасности). Нижний предел безопасного диапазона взвешивания задается как mmin,SF.

---

Рекомендации по проверке и внедрению эксплуатационных характеристик

ASTM E898-20 Приложение X2 содержит важную информацию о проверке эксплуатационных характеристик неавтоматических весовых приборов, ключевой мере для обеспечения того, чтобы прибор продолжал соответствовать предварительно определенным требованиям.

Оценка рисков

Весовые приборы, используемые в приложениях, связанных с качеством, следует регулярно калибровать и испытывать, чтобы гарантировать постоянное соответствие предварительно определенным требованиям, таким как допуски или спецификации процесса взвешивания. Калибровка часто проводится только один или несколько раз в год, поэтому соответствующие плановые испытания следует применять через более короткие интервалы.

Частота калибровки, а также частота и тип плановых испытаний должны основываться на оценке рисков. В ходе оценки рисков пользователь оценивает влияние измерений, которые не соответствуют требованиям взвешивания, и частоту их возникновения. Частота возникновения может быть связана с допусками применяемого процесса взвешивания: чем жестче допуски, тем выше вероятность того, что прибор не будет соответствовать требованиям.

Параметры планового тестирования

Плановое тестирование обычно выполняется пользователем между калибровками. Как правило, проверяются только те параметры взвешивания, которые оказывают существенное влияние на производительность прибора. Параметры и частота их проверки должны быть определены оценкой риска.

Тестирование повторяемости: На лабораторных весах большинство взвешиваемых образцов, особенно для количественного анализа, соответствуют критериям малой выборки, то есть их чистая масса намного меньше грузоподъемности весов. Неопределенность измерения весов на нижнем конце диапазона измерений в первую очередь определяется повторяемостью.

Тестирование чувствительности: Тестирование чувствительности является еще одним важным пользовательским тестом, который следует проводить регулярно. Отклонение чувствительности обычно линейно зависит от нагрузки и, как правило, ограничивает точность прибора в верхней части его диапазона взвешивания.

Тестирование со смещением нагрузки: Ошибки смещения нагрузки также могут влиять на производительность весовых приборов. Как правило, ошибки смещения нагрузки чаще возникают в весовых приборах на производственных участках из-за различных структурных принципов, более высокой вероятности того, что оборудование будет подвергаться механическим нагрузкам и повреждениям, а также более высокой вероятности размещения объектов на платформе с большим рассеиванием.

Рекомендации по внедрению

Основываясь на требованиях ASTM E898-20, мы предлагаем следующие рекомендации по внедрению:

1. Составьте график калибровки: Разработайте разумные интервалы калибровки на основе частоты использования прибора, риска применения и условий использования. Обычно рекомендуется, чтобы высокоточные весы калибровались каждые 6-12 месяцев, а приборы стандартной точности - каждые 12-24 месяца.

2. Ежедневная проверка производительности: В течение интервала калибровки следует проводить регулярную проверку производительности, включая тестирование повторяемости и чувствительности, чтобы гарантировать, что прибор продолжает соответствовать требованиям использования.

3. Контроль окружающей среды: Обеспечьте стабильную калибровочную и рабочую среду, запишите температуру окружающей среды и относительную влажность и избегайте влияния вибрации, потока воздуха и колебаний температуры на результаты измерений.

4. Обучение персонала: Убедитесь, что операторы прошли соответствующее обучение и понимают принципы калибровки, процедуры измерений и методы оценки неопределенности для снижения человеческого фактора.

5. Управление документацией: Создайте полную систему управления записями калибровки и сертификатами, чтобы гарантировать, что все действия по калибровке прослеживаются и проверяются.

Соблюдая рекомендации ASTM E898-20, пользователи могут гарантировать, что результаты измерений неавтоматических весов будут точными и надежными, отвечающими требованиям управления качеством и нормативным требованиям.