1 1. Verifikation og kalibrering - Indledning Der anvendes to forskellige måder til at karakterisere egenskaberne i et måleudstyr: S Leverandørspecifikationen for udstyrets egenskaber (Supplier performance specification) S Et sæt måletekniske egenskaber (Metrological characteristics) De to måder tjener to forskellige formål, og de indeholder ikke altid - og kun sjældent - den samme information. Specielt gælder det for større måleudstyr til geometriske målinger, at der normalt er stor forskel på informationen i de to tilfælde, og at der er stor forskel på informationens anvendelsesmuligheder i det daglige arbejde med at estimere og sikre måleresultaternes kvalitet - måleusikkerheden. Leverandørspecifikationen anvendes - som ordet siger - af leverandøren til at karakterisere det udstyr, som han tilbyder. Leverandørspecifikationen anvendes i brochurer og i leveringsaftaler (kontrakter) til at angive talmæssige - oftest øvere - grænseværdier for fejl i måleudstyrets egenskaber. Leverandørspecifikationen verificeres ved: Godkendelsesprøvning (verifikationstest) - Engelsk: Acceptance test, Tysk: Abnahme Prüfung. Måletekniske egenskaber anvendes til at karakterisere (give talværdier for) måleudstyrets indflydelse på måleusikkerheden, når måleudstyret anvendes til at udføre målinger af emner. Måletekniske egenskaber er måleudstyrets usikkerhedskontributorer, der direkte kan indgå i usikkerhedsbudgetter. Måletekniske egenskaber bestemmes ved: Kalibrering af egenskaben - Engelsk: Calibration, Tysk: Kalibrierung. I praksis fastsætter man ofte (i den enkelte virksomhed) grænser for de forskellige måletekniske egenskabers afvigelser fra det ideelle - såkaldte MPE-værdier (største tilladte fejl - Maximum Permissible Errors). MPE-værdier anvendes som grundlag for at acceptere/afvise individuelle måleudstyr, der er ét enkelt ud af en større mængde helt ensartede måleudstyr, der kan anvendes til de samme opgavetyper (måleudstyr, som f.eks. måleure, mikrometerskruer, osv.). Talværdien for afvigelsen fra den ideelle egenskab, som fremkommer ved kalibrering, kan for enkeltudstyr også anvendes direkte - uden MPE-værdi - i usikkerhedsbudgettet. Leverandørspecifikationer og tilhørende godkendelsesprøvning (verifikation - verifikationstest) hører altså fortrinsvis hjemme i forbindelse med køb og salg af måleudstyr. For større måleudstyr er det almindeligt i forbindelse med en service-/vedligeholdsaftale, at der på et senere tidspunkt foretages en reverifikation i forhold til den oprindelige leverandørspecifikation, f.eks. efter at servicearbejdet er udført, og for at demonstrere/dokumentere, at udstyret igen er bragt op på et niveau, som oprindeligt leveret. Måletekniske egenskaber og kalibrering af disse hører hjemme i forbindelse med etablering af sporbarhed for de måleresultater, der anvendes til at dokumentere produkters (emners) egenskaber. Sporbarhed betyder, at måleresultatets usikkerhed relativt til f.eks. en national normal er kendt og kan dokumenteres. I en virksomheds interne kalibreringssystem er et måleudstyr at betragte som et produkt/emne, hvis måletekniske egenskaber bestemmes ved måling (kalibrering) med
en eller flere normaler. Så også for normaler er begreberne måletekniske egenskaber og kalibrering også relevante parallelt med leverandørens specifikationer for normalerne. 2 2. Leverandørspecifikation - Måletekniske egenskaber Leverandøren bestemmer i princippet selv, hvor detaljeret og hvordan han vil præsentere egenskaberne i det udstyr, som han tilbyder. Set fra kundens side er det ikke nogen særlig gunstig situation, da sammenligning af produkter på den måde bliver vanskelig eller umulig. Standardiseringen har her haft en rolle ved at opstille rammer for hvordan et udstyrs egenskaber bør præsenteres af leverandøren, så sammenligning mellem samme udstyr fra forskellige leverandører er mulig. Brugeren betemmer/fastlægger/definerer i princippet selv - ud fra anvendelsen af måleudstyret - hvilke af de måletekniske egenskaber, der findes i udstyret han vil/skal kalibrere og med hvilke krav - MPE-værdier. Det er sjældent forekommende, at alle måletekniske egenskaber behøver kalibrering, og det er ikke nogen regel at virksomhedens måletekniske egenskaber er de samme, som de, der er opgivet som specifikationer. Selvom der er sammenfald mellem spedificerede egenskaber og måletekniske egenskaber, er det ikke en regel, at det skal være de samme talværdier for hhv. specfikation og MPE-værdi - tværtimod! I de fleste af de standarder for geometrisk måleudstyr, som vi kender i dag, har man mixet de to formål (leverandørspecifikation og måletekniske egenskaber) uden at gøre sig klart - og uden at gøre læseren opmærksom på - hvad der var det ene, og hvad der var det andet. I nogle tilfælde har man været heldig at fremstille en ren standard, der er enten det ene eller det andet. De fleste standarder er dog en tilfældig blanding. For en bedre forståelse af problemet og udfordringen til de involverede måletekniske personer i virksomheden, gives et par meget simple eksempler, baseret på helt primitivt udstyr. 2.1 Målebånd - et første eksempel Stålmålebånd og tommestokke på markedet er ofte specificeret af leveramndøren efter en Legalmetrologisk Recommandation (OIML International Recommendation No. 35), der også findes f.eks. som et helt tilsvarende nationalt krav (måleteknisk direktiv) i de fleste lande i verden (også i Danmark) og som et EU-krav med tre klasser: I, II og III. Leverandøren specificerer klassen i sit katalog og i mange tilfælde også direkte på målebåndet eller tommestokken ved angivelse af romertallet i en oval, hhv.: I I I I I I Her er leverandørspecifikationen af samme form, som det, der vil være funktionelt brugsmæssigt korrekt og fornuftigt at stille som firmainternt krav til den måletekniske egenskab. Leverandørspecifikation og virksomhedens krav til den måletekniske egenskab kan her være det samme: Største fejl mellem to tilfældige delestreger: MPE = a + b x L, hvor L er afstanden mellem de to streger, forhøjet til nærmeste hele antal meter. Som et eksempel: For en klasse II stregmålestok er a = 0,3 og b = 0,2 mm. For afstande mellem streger, der er mindre end 10 mm, er der specielle regler.
2.2 Måleur - et andet eksempel 3 Måleure med 10 mm vandring og skalainteval 0,01 mm specificeres ofte af leverandører med henvisning til DIN 878 (DS 2352) eller tilsvarende. Den vigtigste del af specifikationen er her at den maksimale målefejl, indenfor det totale måleområde på 10 mm, loves mindre end ±15-17 µm, hhv. exclusive og inclusive vendespring. For at kunne verificere denne specifikation angiver standarden en metode, som kræver et stort antal målepunkter og et stort tidsforbrug. Denne specifikation fra standarden er helt misvisende for den store mængde af måleure, som anvendes som 0-indikatorer. Disse måleure har ofte under praktisk anvendelse vandringer der er mindre end 0,1 mm mellem indstillingsnormalen og emnet, der skal måles. Her viser erfaringen, at alle måleure, bare de kan bevæges, har en normalfordelt fejl med en standardafvigelse på ca. 1,5 µm, altså en fejl, der er mellem en halv og hel størrelsesorden (faktor 10) mindre end standardens specifikation. Standarden fastsætter i dette tilfælde en leverandørspecifikation, som i alt for mange tilfælde ikke stemmer med brugerens anvendelse af måleuret. Standardens specifikation af måleuret giver her - i dette tilfælde - en urealistisk høj værdi for største fejl. I andre tilfælde - med andre måleudstyr - går det modsat, specifikationen angiver en urealistisk lav værdi i forhold til de fejl i de praktiske målinger, som kan tilskrives måleudstyret. Det er f.eks. tilfældet for bl.a. for koordinatmålemaskiner med specifikationer angivet efter DS/ISO EN 10360-2. 3. Standardiserede krav til geometrisk måleudstyr nu og i fremtiden Leverandørspecifikationen har altid som forudsætning en detaljeret beskrevet måle- /verifikationsmetode, der som regel kun dækker én ud af en række mulige anvendelser af eller målemetoder med det pågældende udstyr. Kun i de tilfælde, hvor udstyret udelukkende kan anvendes på én bestemt måde - og hvor der kun er én måleteknisk egenskab - bliver der altid lighed mellem leverandørens standardiserede specifikation, og det virksomheden har brug for at vide om udstyrets måletekniske egenskab, når der skal laves usikkerhedsvurderinger. Det er en hovedregel, at alle standarder vedr. geometrisk måleudstyr, som er udgivet indtil nu, er skrevet for først og fremmest at ensrette leverandørspecifikationer - og sekundært for at oplyse brugeren om de mulige måletekniske egenskaber og de tilhørende MPEværdier. At kalibrere - i det daglige - alle de specifikationer/måletekniske egenskaber, der er nævnt i de eksisterende standarder og i forhold til de i standarderne nævnte krav/mpe-værdier (global kalibrering), vil på den ene side medføre, at der anvendes alt for store ressourcer på kalibrering, fordi der ikke er brug for alle oplysningerne til usikkerhedsbudgetterne, og fordi oplysningerne/egenskaberne ikke nødvendigvis skal have det niveau (MPE-værdier), som er anført i standarden. På den anden side får man ved en sådan (global) kalibrering efter standardens krav ikke nødvendigvis de oplysninger, som man har brug for (se f.eks. 2.2 måleurseksemplet). Med disse gamle standarder er det brugerens ansvar, at definere de måletekniske egenskaber, som han/hun har brug for og vælge passende MPE-værdier og kalibreringsniveau. Alt skal fastlægges ud fra det behov, som måleusikkerhedsbudgetterne kan vise. Der findes ikke andre generelle metoder til dette end usikkerhedsbudgettering (se f.eks.
ISO/TS 14253-2, som siden december 1999 har været udgivet med engelsk tekst. Den danske version er på vej og vil være til rådighed senest om et halvt år). Det fremgår klart af eksemplerne i 2.1 og 2.2, at selv de mest primitive måleudstyr til længdemåling - stiller krav til det personale, der tager beslutning om hvilke egenskaber, der har betydning og som derfor skal kalibreres, samt hvordan kalibreringen skal foregå, for at der ikke spildes ressourcer. Hvordan ser det så ikke ud, når måleudstyrene bliver mere komplicerede? Her er kravene til personalets viden og erfaring endnu højere beslutningerne væsentlig mere komplicerede. Politikken for udarbejdelse af standarder der omhandler udstyr til geometrisk måling, er allerede lagt om. Der vil fremover blive fremstillet og udgivet to helt forskellige typer af standarder: S Den ene type - leverandørspecifikationsstandarderne - fremstilles til brug ved køb/salg med det formål at beskrive/definere de egenskaber-/leverandørspecifikationer, som leverandøren skal beskrive med sine aktuelle talværdier. Denne type vil også indeholde - som en integreret del af specifikationen - en tilstrækkelig detaljeret beskrivelse af målemetode-/fremgangsmåde for godkendelsesprøvningen, måden de målte data beregningsmæssigt skal behandles på, krav til normaler, osv., så sammenlignelighed og de retslige aspekter mellem køber og sælger er så afklarede som muligt - med dagens teknologi og muligheder. De generelle GPS-regler for demonstration af overensstemmelse og ikke overensstemmelse med en specifikation, givet i DS/ISO EN 14253-1, der tager hensyn til måleusikkerheden skal anvendes. Denne type standarder vil kun blive fremstillet og anvendt for store og komplekse GPSmåleudstyr og udelukkende for at give et mere sikkert teknisk grundlag for begge parter i købs-/salgs-situationen - Koordinatmålemaskinen er det eneste aktuelle eksempel. Denne type specifikationer har ikke som formål at definere generelt anvendelige måletekniske egenskaber, som grundlag for usikkerhedsestimering. Denne types specifikationer og prøvningen af samme vil derfor ikke kunne give generel sporbarhed til resultater af målinger, der er udført med udstyret. Kun resultater fra målinger, der er helt analoge med de forholdsvis simple (ukomplicerede) målinger, der indgår i prøvningen, vil direkte kunne usikkerhedsestimeres på basis af godkendelsesprøvningens resultater. Denne type standarder kan betragtes som en art forbrugerbeskyttelse, men samtidig en beskyttelse af de seriøse leverandører, ved at tvinge alle til at bruge sammenlignelige egenskabsdefinitioner og talværdier. S Den anden type standarder fremstilles med det formål, bredt at identificere de mulige måletekniske egenskaber (som brugeren af udstyret har eller kan få brug for i sine usikkerhedsbudgetter), definere disse måletekniske egenskaber entydigt og uden brug af en foreskrevet kalibreringsmetode, og uden at angive talværdier for de måletekniske egenskaber. Leverandøren skal ifølge denne type standard oplyse de MPE-talværdier, som han kan levere, svarende til de i standarden givne og definerede måletekniske egenskaber. 4
De generelle GPS-regler for demonstration af overensstemmelse og ikke overensstemmelse med en specifikation, givet i DS/ISO EN 14253-1, der tager hensyn til måleusikkerheden skal anvendes. Talværdierne flyttes på den måde ud af standarden og ind i leverandørens katalog og brochuremateriale. Herved øges konkurrencen mellem leverandørerne. Kunden kan få et et bedre overblik over sammenhængen mellem priser og egenskaberne i det produkt, der lige netop kan dække hans behov. Denne type standarder kan principielt anvendes for alle typer måleudstyr små som store. Den er umiddelbart mest egnet til ukomplicerede og mindre omfattende udstyr. For meget komplekse udstyr - f.eks. CMM er - vel begrænsninger i den teknologi, der rådes over (til at udnytte de mange detaljerede informationer fra en kalibrering af generelle måletekniske egenskaber), og kompleksiteten af disse måleudstyr gøre sådanne standarder meget omfattende og komplicerede, samt gøre sådanne standarders anvendelse begrænset. Hvis standarderne gøres generelle vil de blive næsten umulige at anvende for normale brugere. Usikkerhedsestimering med lille usikkerhed på usikkerheden er extremt krævende på komplekse måleudstyr. 5 Status for situationen: Leverandørspecifikationer - brugerens behov for måletekniske egenskaber - Store måleudstyr 4. Koordinatmålemaskiner Koordinatmålemaskiner er det store udstyr, som kan anvendes på den mest komplekse og varierede måde. Målemaskinen er samtidig på grund af sin alsidighed det mest betydningsfulde af de store udstyr. 4.1 Leverandørspecifikationer - Godkendelsesprøvning (verifikationstest) Der er en mere end tyveårig tradition for at anvende standardiserede specifikationer og tilhørende prøvning. VDI/VDE i Tyskland råder over det mest alsidige publiserede system (VDI/VDE 2617). Der findes tilsvarende systemer i UK og i USA m.fl. Alt tyder på, at det system, der er under færdiggørelse i ISO (TC 213/WG 10) vil blive det system, som man kan enes om at anvende internationalt. Systemet består pt. af 6 enkelte standarder alle med nummeret ISO 10360 og fællestitlen: Geometrical Product Specifications (GPS) - Acceptance test and reverification test for coordinate measuring machines (CMM) Hele serien har været offentliggjort af DS i Danmark til kommentering som fremtidig dansk standard. Alle er i den endelige tilblivelsesfase. ISO udgivelse af alle undtagen en ny del 2 er mulig indenfor år 2000. Del 2 Er i 1997 udgivet af DS på dansk med titlen: Måleudstyr - Koordinatmetrologi - Del 2: Vurdering af målemaskiners ydeevne. Indholdet er i øjeblikket under revision for at blive tilpasset til de andre 5 i serien.
Del 1 Terms and definitions - indeholder, som det kan ses af titlen, de nødvendige termer og deres definitioner, for at kunne læse og forstå resten af serien. Del 2 CMMs used for measuring linear dimensions - Specifikation og test af maskinens egenskaber ved simple længdemålinger mellem to punkter - Målingerne foretages på måleklodser i flere retninger i målemaskinens målevolumen. Del 3 CMMs with the axis of a rotary table as the fourth axis - Specifikation og metode til bestemmelse/test af en evt. rundbordsakses egenskaber Del 4 CMMs used in scanning measuring mode - Specifikation og metode til bestemmelse/test af maskinens scanningegenskaber Del 5 CMMs using multiple stylus probing systems - Specifikation og metode til bestemmelse/test af betydningen af flere tastere og/eller tastsystemer i brug Del 6 Estimation of errors in computing Gaussian associated features - Beskrivelse af testmetode til de beregningsalgoritmer baseret på mindste kvadraters metode, der anvendes til at bestemme de perfekte geometrielementer (ud fra datapunkter), som anvendes af maskinens software 4.2 Definition af måletekniske egenskaber - usikkerhedsbudgettering En ny serie standarder med nummeret ISO 15530, der skal dække de måletekniske egenskaber og et antal måder, at bestemme måleusikkerheden på, er påbegyndt. 6 5. Rundhedsmålere - Formtestere for cylindriske emner DS/ISO 6318 og DS/ISO 4291 indeholder en ufuldstændig beskrivelse af nogle af de måletekniske egenskaber i den gammeldags analoge rundhedsmåler m. 2RC-filter, uden at stille konkrete krav. Begge disse standarder vil blive afløst af nye standarder, som beskriver opdaterede digitale rundheds- og cylindricitetsoperatorer med de nødvendige filtre, datatætheder, osv. (hhv. ISO 12781 og ISO 12780). Begge har været offentliggjort i Danmark for kommentering. Der er lidt over et år til ISO kan trykke og offentliggøre dem. Standarden, som skal beskrive de måletekniske egenskaber i udstyret og normalerne til kalibreringen af disse, er ikke påbegyndt, men er måske heller ikke strengt nødvendig for brugeren, der selv kan træffe sine valg. Der findes allerede et eksempel på usikkerhedsestimering ved rundhedsmåling i den udsendte ISO/TS 14253-2. Udbudet af normaler er i underkanten af, hvad der er nødvendigt. Der forventes ikke udarbejdet leverandørspecifikationsstandarder for denne type måleudstyr. 6. Ruhedsmålere - Formtestere for plane og rette emner
Den gamle generation af overfladestandarder - fra 80'erne - omfattede et antal standarder, der stillede krav - i en meget gammeldags, urealistisk og ikke brugbar form - til den analoge ruhedsmåler opdelt i flere nøjagtighedsklasser. Den nye generation af overfladestandarder - fra midten af 90'erne - indeholder en række standarder, der definerer operatorerne for de forskellige overfladeparametre. Beskrivelsen af de måletekniske egenskaber i måleudstyret findes i DS/ISO 3274 og DS/ISO 11562. Der eksisterer én standard, DS/ISO 5436, der definerer de måletekniske egenskaber ved et større antal normaler til kalibrering af forskellige måletekniske egenskaber i overflademåleudstyret. Denne revideres pt. og udsendes næste gang i to dele. Del 1 om materialiserede normaler (svarende til den nuværende version) og en ny del 2, der beskriver egenskaberne i software, som normaler til check/kalibrering af den digitale overflademålers softwaredel. Den nye del 1 kan udsendes af ISO i løbet af ca. et halvt år. En standard (ISO 12179), der i generelle vendinger beskriver de kalibreringer og rækkefølgen, som en ruhedsmåler bør/skal gennemgå, for at der er nogenlunde styr på egenskaberne og måleresultaterne, er mindre end et halvt år fra udsendelse fra ISO. Denne indeholder også en del forklaringer og overvjelser over usikkerhedsestimeringen ved ruhedsmåling. Der forventes ikke udarbejdet leverandørspecifikationsstandarder for denne type måleudstyr 7