Forslag til Standard for Kalibrering av Momentmåleutstyr Med utgangspunkt i BS 7882 1997 og DIN 51309 1998 Aksel Bråthen (siv.ing & siv.øk) Kvalitetsansvarlig og Seksjonsleder for Elekromekanisk Kalibreringslaboratorium Verktøy A/S Industri Ravnåsveien 3 1254 Oslo Norge Abstrakt Dette forslaget beskriver og sammenligner BS 7882 1997 og DIN 51309 1998, som omhandler kalibrering og klassifisering av måleutstyr for testing av moment. Motivasjonen er basert på et behov for å få en definert standard for instrumenter med tilhørende innretninger som måler vrimoment målt i newton meter (Nm) eller tilsvarende imperisk enhet. Introduksjon Det finnes i dag ingen publisert internasjonal standard for kalibreringsutstyr. Per dags dato er store deler av norsk industri avhengig av korrekt og kalibrert utstyr for momentmåling og jeg finner det riktig at vi i Norge burde ha en egendefinert standard. Dette har to klare fordeler: Norsk kvalitetssikring vil bli bedre som følge av at laboratoriene har klare standarder å jobbe etter, samt at et tilhørende klassifiseringssystem vil gjøre det lettere for norsk industri å vurdere nøyaktigheten på utstyr de vurderer å leie eller anskaffe. BS 7882 1997 og DIN 51309 1998 er de publiserte standardene som i dag ligger nærmest det Norske behovet. Begge er respektivt nasjonal standard for Storbritannia og Tyskland. Ingen andre europeiske land har publisert standarder og så vidt jeg vet, finnes det ingen nasjonal standard i USA. Standard og funksjon Forskjellene i standardene er i utgangspunktet et resultat av hvilken industri som har dominert og influert standardutviklingen. Den britiske utviklingen er influert av maritim, hydrokarbonekstraksjon, verktøy og kjemisk prosess industri. Den tyske er dominert av motorproduksjon og automotiv industri. BS 7882 er i utgangspunktet en mer omgjengelig standard en den Tyske DIN 51309. Begge systemene definerer testprosedyrer samt klassifiseringssystem for momenttesteutstyr. DIN 51309 har syv klasser mens BS 7882 har seks klasser. 1
BS 7882 har følgende oppbygging: Standarden bruker et klassifiseringssystem basert på 6 klasser. Klassifiseringen av den enkelte enhet avgjøres av kalibreringsresultatene. Standarden tar høyde for og tillater deklassifisering av utstyr/enheter gjennom deres operasjonelle liv. Momentmåleenheten defineres som alle deler av et system, det være seg elektrisk, mekanisk, hydraulisk eller optiske givere med instrumenter og kabler. Det belastede referanse momentet kan bli generert ved bruk kalibrerte akselfestede armer, eller frie armer med kalibrerte lodd. Standarden tillater kalibrering foretatt på analoge og digitale målere med enhet i moment (Nm, lbf ft, lbf ins) og volt (V, mv/v) skala. Kalibreringen kan foretas stigende i skalakapasitet, synkende eller kombinert (såkalt pyramidekalibrering). Det tillates bruk av eksternt avleserinstrument/indikator (eksempelvis kan testlaboratoriet bruke eget analyseinstrument for å avlese giverens signaler) så lenge enkelte prosedyrer og krav er overholdt. BS 7882 generelle krav: Momentgivere som klassifiseres skal minimum ha et operasjonelt virkeområde fra 20-100% av skala for maksimalt målbart moment. Sekundær klassifisering kan gis til momentgivere for henholdsvis 10%, 5% og 2% av maksimalt lesbart moment. Minimumsgrensen for operasjonell klassifisering, såkalt nedre grense for kalibrering (denotert C1), blir avgjort på bakgrunn av måleutstyrets resolusjon (dvs. eksempelvis hvor mange desimaler displayet på instrumentet har) og en bestemt koeffisient. Verdien blir kalkulert på følgende måte: C1 = a r a har følgende verdier: o 2000 for klasse 0.1 momentmåler o 1000 for klasse 0.2 momentmåler o 400 for klasse 0.5 momentmåler o 200 for klasse 1.0 momentmåler o 100 for klasse 2.0 momentmåler o 40 for klasse 5.0 momentmåler For digitale instrumenter/måleapparater betyr dette at resolusjonen (r) blir bestemt på bakgrunn av det siste aktive desimal eller hele tall i displayet. For analoge instrumenter/måleapparater betyr dette at r blir avgjort fra ratio for indikert verdi som deler skalaverdiene inn (vanligvis1/2, 1/5, 1/10 av hele skalatall). 2
Vi kan ta et enkelt eksempel: Vi har en momentgiver på 100,00 Nm med et avleserinstrument som har 5 aktive desimaler eller hele tall. Det vil si at første/siste aktive desimal (r) på vår momentgiver på 100 Nm er 0,01. Vi vil naturlig at vår momentgiver skal oppnå beste klassifisering og bruker 2000 for klasse 0.1. I vårt tilfelle er: C1 = 0,01 2000 = 20 Nm. Resultatet forteller oss at vår momentgiver kan oppnå en klassifisering som en 0.1 momentgiver i arbeidsområdet fra 20 til 100 Nm. Hvis vi videre forøker å klassifisere vår momentgiver for et større dynamisk virkeområde, eksempelvis fra 2-100% av full skala oppnår vi følgende klassifisering. C1 = 0,01 200 = 2 Nm Resultatet forteller oss at vår sekundære operasjonelle klassifisering viser at momentgiveren i beste tilfelle kan oppnå en 1.0 klassifisering. Vi merker oss at hvis resolusjonen på instrumentet går fra fire til fem aktive desimaler, deklassifiseres momentmåleren som system fra 0.1, til 1.0 best oppnåelig klassifisering i dynamisk virkeområde 20-100% av full skala. I tillegg må vi ta høyde for unøyaktigheten ved kalibrering, og BS 7882 spesifiserer toleranser for unøyaktighet ved kalibrering etter følgende tabell: Tabell 1. Usikkerhet/toleranser for kalibrert moment Klasse av momentverktøy 0.1 ± 0,02 0.2 ± 0,04 0.5 ± 0,10 1.0 ± 0,20 2.0 ± 0,40 5.0 ± 1,00 Vi bruker dekkverdien k=2 som gir konfidens nivå på 95% Maksimalt tillatt toleranse/usikkerhet av kalibrert moment tilført i % 3
Primær prosedyre og temperturvurderinger Kalibreringen skal foretas i temperaturområde fra 18-28 C, og temperaturen skal ikke variere mer enn ±1 under en enhets kalibrering. Alt momentmåleutstyr og tilhørende komponenter for momentmålingssystem skal stabiliseres til temperaturintervallet spesifisert ovenfor. Elektrisk momentmomentmåleutstyr og tilhørende komponenter skal skrues på og oppvarmes i henhold til produsentens spesifikasjoner. I mangel av spesifikasjoner skal systemet være på minst 15 minutter før kalibreringen foretas. Før kalibrering eller rekalibrering foretas, skal momentgiveren belastes 3 ganger med 110% av nominell, maksimal skalaverdi. Dette sørger for at uventede brist eller brudd i utstyret ikke forekommer under selve kalibreringen. Forandringen i momentet avlest på nullverdi etter første avlesing ignoreres. Etter de to neste overbelastningene observeres det maksimale og minimale indikerte momentet ved null momentbelastning. Etter de to påfølgende overbelastningene uttrykker vi prosentvis unøyaktighet ved å regne ut differansen mellom høyeste og laveste verdi notert ved null momentbelastning og utrykker dette i prosent av full skala moment (dvs. 100% av full skala). Verdien blir så sammenlignet og primær klassifisering blir avgjort med følgende tabell: Tabell 2. Toleranser for prosentvis avvik av moment avlest ved null moment. Klasse av momentverktøy 0.1 ± 0,02 0.2 ± 0,04 0.5 ± 0,10 1.0 ± 0,20 2.0 ± 0,40 5.0 ± 1,00 Prosentvis differanse mellom minimal og maksimal avlest verdi ved null momentbelastning. Kalibreringsprosedyre Momentmåleren blir montert i en brakett slik at den kan bli forstyrret eller rotert 90 med uret mellom test serier. Hvis det ikke er mulig å rotere momentgiveren tillates det å forstyrre giveren med å fjerne kalibreringsarmen, og sette den på igjen. Når man setter opp utstyret for kalibreringen, tillates det ingen ikke ulinjærheter eller høye toleranser mellom komponentene. Drivtapper og spesifiserte toleranser er angitt under ISO 2725 Direkte ustøttede vektarmer (se bilde neste side)har her en klar fordel siden de er selvsentrerende og fleksible å få av å på giveren uten å skape ulinjærheter. Dette sett i forhold til lager støttede vektarmer, hvor de absolutte feilkildene er større. I så måte er ustøttede 4
vektarmer best for kalibreringer fra 0,05-1500 Nm. Over dette nivået blir loddmassen såpass stor at kalibreringer bør foretas med akselstøttede opplagrete armer Momentmåleutstyret blir så kalibrert med serier av fem tester med likt intervall (typisk fra 20%-100% av full skalaverdi). Hvis lavere kalibrering er ønskelig foretas kalibreringen typisk ved 10%, 5%, og 2% av full skalaverdi. Bildet viser en ustøttet vektarm, som brukes ved vårt og LFK Kjeller sitt laboratorium. Momentmåleren blir først belastet i de spesifiserte intervallene (for. eks 2-100%) opp til full skala. Vektene kan så fjernes og ny belastning foretas, ellers kan vektene fjernes i de samme intervall, som ved belastning (også kalt en pyramide kalibrering). Produsenter kan spesifisere dette individuelt. Moment armen skal så tas av og giveren roteres 90. Ny belastning til full skala ved bruk av samme intervaller ved belastning skal så foretas. Avlesing skal foretas, ikke senere en 30 sekunder etter at loddene belaster eller er fjernet fra vektskålene under den intervallvise belastningen. Hvis kalibrering skal /er ønsket og foretas med og mot ur skal prosedyren ovenfor utføres for begge retninger. Kalkulering av resultater Kalibreringsdata skal så analyseres for å fastslå følgende parametere, som vi knytter til resultatet av kalibreringen: Repeterbarhet Reproduktivitet Indikasjonsfeil Interpolarisjonsfeil Feil ved null moment Reversibilitetsfeil Parameterne blir sammenlignet med en tabell for å fastslå klassifiseringen av utstyret. Klasse 0.1 er høyeste oppnåelige definerte klasse mens klasse 5 er dårligst definerbare klasse. 5
Den klassen utstyret får tildelt, er basert på dårligste resultat sett i sammenheng med de sammenlignete parametere. Hvis for eksempel reversibilitetsfeil samsvarer med klasse 1.0 og alle andre parametere samsvarer med 0.1, vil utstyret få tildelt klasse 1.0. Parameterne er definert som følger: Relativ repeterbarhet (R1) er definert som differansen utrykt i prosent mellom resultatene av avlest verdi fra identisk påført moment under identiske forhold. I praksis betyr dette under BS 7882, differansen uttrykt mellom samme påførte moment i test serie 1 og 2. Relativ reproduktivitet (R2) definert som differansen mellom gjennomsnittlig repeterbarhet under identisk påført moment i serie 1 og 2 med påført moment når momentgiveren er blitt rotert 90, eller forstyrret, uttrykt i prosent. Relativ feilkilde (Eit) ved kalkulering av interpolarisasjon er basert på gjennomsnittlig avvik av signalet ut av giveren (V/mV), sammenlignet med den kalkulerte verdien for signalet, gitt ved polynomisk definering av det virkelige signalet (dvs. Lineær approksimering sammenlignet med virkelig kurve). Relativ feil ved null moment (Ez) er definert som differansen mellom det maksimale og minimale momentet indikert ved avlesing av displayet når en serie med belastninger er gjennomført og avsluttet. Relativ feil ved reversibilitet (Eh)er differansen mellom gjennomsnittlig avlest moment verdi påført ved stigende test serie(for eksempel fra 20 til 100 Nm) og en test serie med synkende påført moment verdi (for eksempel fra 100-20 Nm). Ofte ser man at det er forskjell i avlesningen når man eksempelvis påfører 60Nm i en stigende test- serie og 60 Nm i en synkende testeserie. Relativ feil av indikasjon (Ei)er differansen (absoluttverdien) mellom virkelig påført moment og gjennomsnittlig avlest moment Feilen blir uttrykt i prosent. Tabell 3. Kriterium for klassifisering av momentmåleutstyr. Klasse Maksimalt tillat feil fra momentmåleenheten (%) Relativ Relativ Relativ Relativ Relativ Relativ Relativ repeterbarhet (R1) Relativ reproduktivitet R2 Relativ feilkilde av interpolarisasjon Eit Relativ feil ved null moment Ez Relativ feil ved reversibilitet Eh Relativ feil av indikasjon 0.1 0.05 0.10 ±0.05 ±0.02 0.125 ±0.05 0.2 0.10 0.20 ±0.10 ±0.04 0.250 ±0.10 0.5 0.25 0.50 ±0.25 ±0.10 0.650 ±0.25 1.0 0.50 1.00 ±0.50 ±0.20 1.250 ±0.50 2.0 1.00 2.00 ±1.00 ±0.40 2.500 ±1.00 5.0 2.50 5.00 ±2.50 ±1.00 6.250 ±2.50 Ei 6
Kalibreringsprosedyren for BS 7782 ved en kalibrering med ur kan summeres slik: M Posisjon 0 Posisjon 90 1. Kalibrering starter ved å overbelaste enheten tre ganger ved 110%. 2. Enheten belastes så til 100% av full kapasitet. 3. Enheten belastes så med minimum fem stigende momentverdier i like intervaller opp til 100% av full skala 2 ganger 4. Enheten er så forstyrret gjennom å dreie den 90 eller fjerne kalibreringsarmen. 5. Enheten belastes så til 100% av full skala. 6. Enheten belastes med den tredje og siste serien av minimum fem stigende momentverdier i like intervaller opp til 100% av full skala. Kalibreringssertifikat Når momentmåleren har blitt kalibrert og klassifisert utsteder laboratoriet et sertifikat som viser testresultater og oppgir klassifisering. Kalibreringshyppighet BS 7882:1997 forlanger at momentmåleutstyret skal kalibreres minimum hver tolvte måned, og når enheten eventuelt har blitt skadd eller reparert. 7
Fordelene med BS 7882 er først og fremst at klassifiseringssystemet hjelper brukeren til å velge riktig utstyr til sitt behov, og hun/han kan enkelt sammenlikne utstyret til forskjellige leverandører. Standarden er i hovedsak pragmatisk og er basert på nøyaktighetsbehovet for måleverktøy som momentnøkler, seigdragende momenttrekkere, og hydrauliske muttertrekkere som er meget viktige i blant annet norsk olje og gass virksomhet. Standarden er fleksibel og tar praktiske hensyn, som ikke fører til unødvendig irritasjon og et unødvendig dokumentvelde. Britisk standard har helt siden tidenes morgen vært toneangivende for internasjonal standardutvikling. Som leseren kanskje er klar over var hovedårsaken til Britisk artilleri sin effektivitet under Napolenonkrigene at Britene hadde en standard og testprosedyre på produksjon av kanon kuler som sørget for at kulene faktisk passet til kanonløpene. Noe som ikke alltid var tilfellet på den franske siden av slagmarken. Britisk standard har tillit internasjonalt og har fra før av vært toneangivende for standarden ISO EN 26789 som omhandler testprosedyrer for momentverktøy, og som originalt var Britisk standard BS 6789. DIN 51309 Den tyske standarden for testing av momentmåleutstyr er DIN 51309 som i likhet med BS 7882 også bruker et klassifiseringssystem er i hovedsak utviklet for testing av momentgivere med sylindrisk utforming og akselfeste. Som ikke overraskende har sitt virkeområde i motorindustri, for i hovedsak å teste motormomenter på forbrennings og elektriske motorer. Standarden krever for klasse 0.1, eksempelvis tre og en halv testserie av giveren med 120 rotasjon mellom hver serie. Dette er som kjent geometrisk umulig for en giver med firkantdrev, som alle givere for momenttesting av måleverktøy i dag har. For klasse 0.2 og 0.5 krever DIN standarden fire og en halv serier med tester med 90 rotasjon mellom hver serie. Dette er i utgangspunktet helt greit, men upraktisk fordi konnektorer og ledere blir vridd rundt med giveren og det kan oppstå problemer fastspenningen. DIN standarden har i tillegg en ekstra klasse for spesielt nøyaktige givere som er definert som klasse 0.05. Denne har samme test krav som klasse 0.1. For klassene 1, 2 og 5 krever DIN 51309 to serier med testing hvor giveren blir rotert 90 og 120. DIN standarden er i tillegg svak i sin definisjon av feilkilder og utelater å definere feilkalkuleringer for ustøttede vektarmer, som for lavere momentgivere i hovedsak brukes i resten av verden. 8
Nedenfor vises en rask diagram sammenlikning mellom BS og DIN standarden. DIN 51309 M Posisjon 0 Posisjon 90 Position 180 Posisjon 270 BS 7882 M Posisjon 0 Posisjon 90 Konklusjon Som leseren forstår er kalibrering i henhold til DIN 51309 standard langt mer tid krevende enn BS 7882. Dette sørger for at kostnadene øker betraktelig ved kalibrering. Min personlige vurdering basert på mange års erfaring med utstyret forteller meg at en DIN kalibrering ikke gir noe bedre resultat for sluttbrukeren og at industri og forskningsvirksomhet dermed ender opp med økte kostnader for et produkt eller en tjeneste som de ikke har noen fordeler av. DIN standarden er i tillegg meget teoretisk og har i liten grad tatt utgangspunkt i faktiske og praktiske forhold. Min anbefaling er derfor en norsk standard basert på BS 7882. Jeg håper at dette kan inspirere til å få fortgang i standardiseringsarbeidet, som vil gjøre det langt lettere for vår virksomhet å definere egne kvalitetsrutiner, samt at våre kunder har et norsk system å forholde seg til. Med vennlig hilsen: Aksel Bråthen 9
Bibliografi: Pratt, Barry C The Calibration of Torque Measuring Devices to BS 7882:1997. EA 2002 BS 7882:1997 Issue 2 Mars 1998 BSI DIN 51309:1998-02 Calibration of Static Torque Measuring Devices (Eng. Vers). 10