Wykorzystanie kompetencji laboratorium akredytowanego dla potrzeb Automatyki Zabezpieczeniowej

Autorzy:

Tomasz Guzy, Eugeniusz Smolarz, Tadeusz Wypych
ZPBE Energopomiar-Elektryka Gliwice

Wstęp

Potencjalny klient laboratorium akredytowanego znając te kryteria, ma podstawy do skonfrontowania swoich potrzeb z potwierdzonymi kompetencjami laboratorium i rodzajem oferowanych usług, tych które obejmuje zakres akredytacji oraz tych, dla których laboratorium jako wykonawca jest godnym zaufania (termin z normy PN-EN ISO 10012 [5]).

Ważne, by wiedzę tę wykorzystywać w duchu akceptowanego poziomu kultury technicznej, określonej między innymi przez obowiązujące dokumenty normatywne i oczekiwania potencjalnych nabywców wszelkich produktów finalnych, w których wytworzeniu znaczącą pozycję mają produkty laboratorium specjalistycznego: akredytowanego i godnego zaufania.

Jedną z dziedzin, do której owe produkty trafiają jest Elektroenergetyczna Automatyka Zabezpieczeniowa (EAZ), podlegająca ciągłemu procesowi rozwoju, zarówno w kraju i na świecie. Konstruktorzy urządzeń EAZ korzystając ze zdobyczy techniki, wprowadzają co raz to nowsze, skomplikowane terminale, np. zabezpieczeniowe, wykorzystujące technikę cyfrową. Terminale te w oparciu o wykonane pomiary wielkości elektrycznych, po przeprowadzeniu ich analizy i dokonaniu odpowiednich obliczeń, są źródłem bardzo cennych, roboczych danych, które mogą być przesłane w stosowne miejsca systemu elektroenergetycznego, w celu podjęcia często bardzo odpowiedzialnych decyzji.
Działalność związana z ciągłym udoskonalaniem urządzeń EAZ ma na celu przede wszystkim zwiększenie niezawodności i selektywności systemu elektroenergetycznego, co w dobie gospodarki wolnorynkowej nabiera szczególnego znaczenia. Z tym w parze idzie konieczność użytkowania wyposażenia pomiarowego wysokiej jakości, weryfikowanego stosownie do potrzeb i w formach proceduralnie ustanowionych.

Wychodząc naprzeciw tym potrzebom stawiamy do dyspozycji służb technicznych EAZ kompetencje laboratorium pomiarowego, potwierdzone certyfikatem akredytacji Nr AP 063, które to – laboratorium – dla określonego zakresu prac jest wykonawcą godnym zaufania.

Jego ofertą ogólną, szeroko rozumianą, jest wzorcowanie aparatury pomiarowej wielkości elektrycznych:

• napięcia, prądu, mocy i rezystancji, a także
• pojemności, indukcyjności, częstotliwości i temperatury – w multimetrach oraz zapewnienie weryfikacji parametrów wyznaczonych z odniesieniem do deklarowanych.

Wybrane, podstawowe sformułowania z zakresu pomiarów i metrologii prawnej

Aby uzyskać pełną jasność w kwestiach, które zostaną zaprezentowane w dalszej części treści niezbędne jest przypomnienie kilku podstawowych pojęć dotyczących teorii pomiaru i tzw. metrologii prawnej oraz naświetlenie relacji między nimi. Pojęcia, na które warto zwrócić szczególną uwagę to: pomiar, wynik pomiaru, błąd oraz niepewność –w dziedzinie teorii pomiaru i: legalizacja, wzorcowanie oraz ulegające już dezaktualizacji pojęcie: uwierzytelnienie – w dziedzinie metrologii prawnej.

Dodatkowo trzeba przybliżyć również określenie: potwierdzenie metrologiczne oraz praktycznie nigdzie jasno nie zdefiniowane pojęcie: sprawdzenie 1).

1. Znane są dwa podstawowe zdefiniowania pojęcia pomiaru:
   • określenie w drodze eksperymentu parametrów wielkości mierzonej,
   • porównanie wielkości mierzonej z wzorcem.

Przytaczając drugą z tych definicji należy mieć na uwadze możliwość bezpośredniego lub pośredniego udziału wzorca w procesie pomiarowym.

1. Zdefiniowanie pojęcia wyniku pomiaru wiąże się ściśle z pierwszym przytoczonym powyżej określeniem pomiaru, a mianowicie: wynik pomiaru to liczbowa wartość zmierzonego parametru. Pamiętać jednak należy o istotnym rozróżnieniu dwóch „typów” wyników pomiarów:
   • surowych – czyli odczytanych wskazaniach przyrządów pomiarowych lub elementów regulacyjnych wraz z określeniem warunków i okoliczności wykonania pomiarów,
   • końcowych – otrzymanych z analizy wyników surowych, wyrażonych w konkretnych jednostkach miary oraz z oceną ich dokładności (niepewności).
2. Rozpoczynając definiowanie pojęcia błędu, nie można pominąć istotnej kwestii sklasyfikowania błędów, gdyż wówczas przytoczone zdefiniowania poszczególnych rodzajów błędów będą bardziej klarowne. Zatem błędy można podzielić ze względu na sposób ich obliczania oraz ze względu na źródła ich pochodzenia. I tak w pierwszym podziale rozróżnić można:
   • błąd bezwzględny – czyli różnicę między wynikiem pomiaru a prawdziwą (poprawną) wielkością wartości mierzonej,
   • błąd względny – czyli błąd bezwzględny odniesiony do wartości poprawnej (lub zmierzonej).

Natomiast w drugim podziale rozróżnić można:

• błąd systematyczny – tzn. taki który może być znany co do wartości i można go wyeliminować (przez zastosowanie właściwej poprawki, w drodze analizy wyników surowych) aby nie obciążał wyniku pomiaru,
• błąd przypadkowy - nie znany co do wartości i nieusuwalny z wyniku pomiaru.

Dla dalszych rozważań, zawartych w tej treści, najistotniejsze znaczenie będzie mieć pojęcie błędu bezwzględnego.

1. Najtrudniejszym do jednoznacznego zdefiniowania jest pojęcie niepewności, które często bywa utożsamiane z pojęciem błędu. Tożsamość taka nie występuje, można natomiast powiedzieć, że błędy są źródłami niepewności. Sama zaś niepewność jest przedziałem, w którym z określonym prawdopodobieństwem może znaleźć się wynik pomiaru [por. 6]. W dalszej części tego rozdziału zdefiniowane zostaną pojęcia metrologii prawnej.
2. Legalizacja - sprawdzenie, stwierdzenie i poświadczenie dowodem legalizacji, że przyrząd pomiarowy spełnia wymagania metrologiczne określone we właściwych przepisach.
3. Legalizacja dotyczy wybranych przyrządów, jest dla nich obowiązkową formą prawnej kontroli metrologicznej, określonych w rozporządzeniu ministra właściwego dla gospodarki, na wniosek Prezesa GUM.
4. Wzorcowanie - czynności ustalające relację między wartościami wielkości mierzonej wskazanymi przez przyrząd pomiarowy a odpowiednimi wartościami wielkości fizycznych, realizowanymi przez wzorzec jednostki miary.
5. Wzorcowanie jest wymieniane jako forma kontroli metrologicznej w ustawie Prawo o miarach [2], stanowi jednak czynność techniczną i dobrowolną.
6. W ustawie Prawo o miarach z roku 1993 [3] znajdowało się pojęcie: uwierzytelnienie, które nadal bywa używane, a które w nowej ustawie z roku 2001 nie znalazło się. Zatem należy eliminować je z języka potocznego ze względu na fakt, iż jest ono ulegającym dezaktualizacji.
7. Potwierdzenie metrologiczne zdefiniowane jest w normie PN-EN ISO 10012 z 2004 r. jako: zbiór operacji wymaganych do zapewnienia, że wyposażenie pomiarowe jest zgodne z wymaganiami, związanymi z jego zamierzonym użyciem.
8. W jednym z wyżej podanych sformułowań (punkt 5) pojawiło się pojęcie: sprawdzenie, które najczęściej jest definiowane jako: potwierdzenie, poprzez zbadanie i zabezpieczenie dowodu spełnienia określonych wymagań.

Od razu trzeba zaznaczyć, że wymagania stawiane przyrządom pomiarowym mogą być bardzo różne i tylko te, określone dla prawnej kontroli metrologicznej należą do obowiązkowego stosowania, w pozostałych przypadkach wymagania może określić np. użytkownik przyrządu. W takiej sytuacji najczęściej stosowaną praktyką, dla wymagań metrologicznych, jest potwierdzenie czy przyrząd zachowuje parametry deklarowane np. przez producenta. Wymagania z tym związane zawarto w treści normy PN-EN ISO 10012.

Analiza podanych zdefiniowań pozwala na wysnucie pierwszych wniosków i przedstawienie ich w sposób usystematyzowany:

• Wzorcowanie może być podstawą wyznaczenia błędów bezwzględnych
• Błąd bezwzględny może być wynikiem pomiaru (wzorcowania)
• Błąd jako wynik pomiaru (wzorcowania) jest obarczony niepewnością
• Błąd i niepewność nie są pojęciami tożsamymi
• Aby mieć pewność, że użytkowane przyrządy pomiarowe zachowują deklarowane parametry (np. metrologiczne) należy okresowo, stosownie do potrzeb to potwierdzać
• W przypadku potrzeby potwierdzenia właściwości wyposażenia pomiarowego (zakresy pomiarowe, błędy itp.) niezbędne jest przeprowadzenie wzorcowania
• Dysponując wynikami wzorcowania i odpowiednimi informacjami do ich interpretacji, przy jednoznacznie określonych wymaganiach, można ustalić czy przyrząd spełnia deklarowane parametry
• W przypadku zlecania potwierdzeń metrologicznych aparatury pomiarowej należy dołożyć starań by jednoznacznie określić wymagania, jakie mają być spełnione

Kryteria oceny wyników jako element kompetencji laboratorium pomiarowego

Na podstawie dotychczas przedstawionych rozważań, można przyjąć, że istnieją co najmniej dwa warianty działań mających na celu zapewnienie odpowiedniej jakości stosowanej aparatury pomiarowej:

1. Zlecanie potwierdzania parametrów aparatury jednostce niezależnej, przy czym istotne jest sprecyzowanie wymagań, jakie mają być spełnione i określenie parametrów, które podlegać mają potwierdzeniu w drodze wzorcowania.
2. Samodzielne potwierdzanie parametrów aparatury, poprzedzone wzorcowaniem, przy czym wzorcowanie można przeprowadzać we własnym zakresie, spełniając należne temu wymagania lub zlecić go do odpowiedniego, godnego zaufania laboratorium.

Każdy z tych wariantów, z różnych względów, może być bardziej lub mniej korzystny dla użytkownika aparatury pomiarowej. Dla zobrazowania wymagań jakie stawiane są akredytowanym laboratoriom pomiarowym w kwestii oceny wyników pomiarów, czyli w kwestii dokonania na rzecz klienta sprawdzenia przyrządu poddanego wcześniej procesowi wzorcowania, przedstawiono dalej przykład wyjaśniający, rozpatrując następujący przypadek:
klient dostarcza do laboratorium pomiarowego woltomierz analogowy o zakresie 150 V (AC),
o dokładności klasy 0,2 (bezwzględny błąd dopuszczalny przyrządu wynosi więc 0,3 V) i żąda wykonania czynności zmierzających do potwierdzenia tych parametrów.
Laboratorium wykonuje wzorcowanie (patrz Tablica 1), dobierając jako wzorcowy przyrząd o dokładności co najmniej 0,06 % wartości zadanej (maksymalny bezwzględny błąd wartości wzorcowej wynosi zatem 0,09 V).

Laboratorium chcąc dokonać oceny zgodności parametrów zmierzonych z deklarowanymi (czyli na podstawie wyników wzorcowania wykonać sprawdzenie przyrządu – czego żądał klient), musi spełnić ogólne wymagania techniczne (te są spełnione, gdyż do wzorcowania został wykorzystany wzorzec o co najmniej trzykrotnie lepszej dokładności niż przyrząd wzorcowany), a także wymagania jednostki certyfikującej ujęte w normie 17025 oraz wymagania dokumentu PCA DAB-03/DAP-03 [7] – co jest zaliczane do podstaw uzyskania akredytacji. Wymagania te dotyczą sposobu uwzględniania niepewności pomiaru i można je streścić w następujący sposób: aby stwierdzić zgodność, czyli potwierdzić, że parametr mierzony znajduje się w określonej (deklarowanej) tolerancji, to końcowy wynik pomiaru powinien mieścić się w wyspecyfikowanych granicach; natomiast nie można wydać oświadczenia o zgodności w przypadkach, gdy tylko wartość zmierzona (wynik surowy) znajduje się w wyspecyfikowanych granicach, ale ta zmierzona wartość, rozszerzona o oszacowaną niepewność pomiaru, wykracza poza deklarowane granice tolerancji.
Znaczącym jest też sposób szacowania niepewności, który musi być zgodny z wymaganiami kolejnego dokumentu stanowiącego kryterium akredytacji (Dokument EA 4/02 [8], [por.9]). W omawianym przykładzie można założyć, że jest on kwestią drugorzędną, ponieważ przyjmując, że błąd graniczny wzorca ( 0,09 V ) jest jedynym składnikiem całkowitej niepewności wzorcowania przyrządu, to przy otrzymanych wynikach wzorcowania, w myśl kryteriów przedstawionych powyżej, laboratorium nie może wydać oświadczenia o zgodności. Trzeba też tutaj podkreślić, że błąd wzorca jest tylko jednym z kilku źródeł niepewności, jakie występują przy wzorcowaniu tego rodzaju przyrządów.

Potwierdzanie deklarowanych parametrów wyposażenia pomiarowego, stosowanego w eksploatacji urządzeń energetycznych np. urządzeń EAZ

Eksploatacja bieżąca wszelkich urządzeń, funkcjonujących często w różnorodnych układach pracy, a także poprzedzający to etap wdrożenia do eksploatacji, pociąga za sobą konieczność posługiwania się specjalistycznym wyposażeniem pomiarowym, stosownym do potrzeb, zgodnym z przeznaczeniem, zachowującym deklarowane parametry, w tym parametry metrologiczne.

Czynności związane z utrzymaniem właściwego poziomu technicznego aparatury mają przebieg prawidłowy, zgodny z oczekiwaniami wtedy, gdy oprócz niezbędnych działań zasadniczych względem aparatury i używanego wyposażenia pomiarowego prowadzone jest również monitorowanie parametrów (właściwości) stanowiących kryteria prawidłowego funkcjonowania. Wymagają tego zapisy dotyczące procesów pomiarowych, objętych systemami zapewnienia jakości, w odniesieniu do wyposażenia pomiarowego oraz do samego obiektu pomiarów. Mogą również wymagać tego treści zamieszczane w dokumentach stanowiących o prawidłowej eksploatacji aparatury i urządzeń pomiarowych.
Typowa aparatura do sprawdzania np. zabezpieczeń pracujących w układach EAZ to uniwersalne, przenośne urządzenia pomiarowe, przystosowane do wyznaczania charakterystyk rozruchowych, czasów działania oraz prób funkcjonalnych. Nowoczesne rozwiązania ich układów elektronicznych zawierają między innymi źródła napięć i prądów, konfigurowane stosownie do potrzeb, których wielkości wyjściowe są parametrami rozruchowymi wielu urządzeń EAZ.

Wartości wielkości wyjściowych tych źródeł i pozostałych układów pomiarowych mierzone są przez zabudowane w jego wnętrzu, zazwyczaj cyfrowe przyrządy pomiarowe: amperomierze, woltomierze, mierniki kąta przesunięcia fazowego, mierniki czasu.

Wszystkie ich parametry, odnoszone w trakcie potwierdzenia metrologicznego do wielkości wzorcowych, spójnych pomiarowo z państwowymi wzorcami jednostek miar i zweryfikowane z oczekiwanymi parametrami deklarowanymi, dają obraz jakości używanego wyposażenia pomiarowego, co nie jest bez znaczenia dla uzyskiwanych wyników pomiarów i dokonywanych w tym zakresie ocen, będących niejednokrotnie podstawą do podejmowania decyzji o kluczowym znaczeniu.
Dokonując przeglądu poszczególnych urządzeń EAZ, do których należą między innymi: przekaźniki, zabezpieczenia, regulatory, automaty, sygnalizatory, rejestratory, sterowniki, mierniki itp. można stwierdzić, że ich działanie oparte jest na pomiarze jednej lub wielu wielkości elektrycznych. Do urządzeń, których działanie oparte jest na pomiarze jednej wielkości elektrycznej można zaliczyć zabezpieczenia nad prądowe lub pod prądowe, nad lub pod napięciowe, częstotliwościowe itp. Natomiast do urządzeń, których działanie oparte jest na pomiarze wielu wielkości elektrycznych, można zaliczyć zabezpieczenia takie jak: odległościowe, porównawczo-fazowe, różnicowe, mocowe, kierunkowe itp.

W każdym z tych urządzeń, okresowo, musi mieć miejsce potwierdzenie parametru, np. wartości rozruchowej, poprzez porównanie go z wielkością wzorcową i weryfikacja względem wartości deklarowanej (oczekiwanej, nastawionej). Wtedy warto rozważyć czy wykonawcą tej usługi powinien być podmiot godny zaufania, legitymujący się kompetencjami (lub formami realizacji zadań) potwierdzonymi (lub akceptowanymi) przez jednostkę niezależną.

Podsumowanie

Najszerzej przyjętymi tendencjami, w dziedzinie utrzymania na odpowiednim poziomie jakości w zarządzaniu wyposażeniem pomiarowym, są:

• powoływanie w pełni profesjonalnych, posiadających wysokokwalifikowany personel, zakładowych jednostek organizacyjnych, zajmujących się nadzorem nad wyposażeniem pomiarowym,
• udostępnianie (przekazywanie) wyposażenia pomiarowego (okresowo, stosownie do potrzeb) laboratoriom pomiarowym niezależnym, godnym zaufania, w celu potwierdzenia zachowywania deklarowanych parametrów lub wzorcowania i dopuszczanie tego wyposażenia do użytkowania na podstawie stosownego udokumentowania lub wyników pomiarów uzyskanych od tych laboratoriów.

Oczywiście każdy użytkownik przyrządów pomiarowych może i powinien szukać w tej mierze rozwiązania optymalnego dla siebie; niewyobrażalnym jest jednak, by tym rozwiązaniem mógł być nieodpowiedzialny, nadal często spotykany, brak zainteresowania tymi zagadnieniami.
Zastanowienia wymagają też kwestie, czy zaprezentowane kryterium oceny zgodności, dla wielu typów spotykanych, powszechnie użytkowanych przyrządów i urządzeń pomiarowych określonego przeznaczenia, będzie częściej traktowane przez klienta jako właściwe i zasadne?

Rozważyć też należałoby czy zbyt wąsko adresowane informowanie o wymaganiach stawianych laboratoriom akredytowanym przez podmioty certyfikujące nie jest źródłem utrudnień w akceptacji potrzeby dostosowania się do obowiązujących wymagań, pozorowanych działań w tym zakresie, zawieszania współpracy, a nawet sytuacji konfliktowych (również w formach wymiernych) w relacjach klient – laboratorium?
Przykładem niech będą wyniki wielu przetargów na wykonanie tego rodzaju prac, w których, w sposób udokumentowany można wykazać, że argumentem decydującym o jego wygraniu była cena, oczekiwana wręcz śmiesznie niską, a kompetencje wynikające z akredytacji stawiane były na dalszym planie, wcale nie na drugim.

Trudno z tym pogodzić się, bo akredytacja laboratorium to kompetencje potwierdzone, uzyskane ogromnym nakładem pracy wielu osób, oraz starań okupionych znacznymi kosztami, ponoszonymi przez firmę również na bieżąco.
Przysłowiową czarę goryczy dopełnia fakt, gdy okazuje się, że zwycięzcą przetargu jest podmiot o kompetencjach nie potwierdzonych akredytacją albo posiadający akredytację na prace niewiele mające wspólnego z rodzajem prac będących przedmiotem postępowania przetargowego. Wymienione w treści wątpliwości nurtują autorów tego opracowania, którzy zdążając w działalności zawodowej do oferowania i wykonywania usług w zgodzie z wymaganiami oficjalnie akceptowanymi, zawartymi w obowiązujących dokumentach normatywnych po raz kolejny pragną przedstawić je szerszemu gronu odbiorców, dla których bliskimi praktycznie są omawiane zagadnienia.

Literatura

1. Norma PN-EN ISO/IEC 17025:2001. Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących.
2. Ustawa z dnia 11 maja 2001 Prawo o miarach (Dz. U. Nr 63 poz. 636 i inne).
3. Ustawa z dnia 3 kwietnia 1993 r.: Prawo o miarach. (Dz. U. Nr 55, poz. 248, z późniejszymi zmianami).
4. Tomasz Guzy, Tadeusz Wypych „Dylematy metrologa wdrażającego system zapewnienia jakości w laboratorium pomiarowym” – Materiały Konferencji Podstawowe Problemy Metrologii, Ustroń 2003
5. Norma PN-EN ISO 10012:2004 Systemy zarządzania pomiarami. Wymagania dotyczące procesów pomiarowych i wyposażenia pomiarowego.
6. Tadeusz Skubis „Profesjonalne opracowanie wyników badań” – Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Pomiary elektryczne i badania w elektroenergetyce”, Gliwice 1999
7. Dokument PCA DAB-03/DAP-03. Ogólne wytyczne dotyczące akredytacji laboratoriów badawczych i wzorcujących w odniesieniu do wymagań normy PN-EN ISO/IEC 17025:2001, 2001 r.
8. Dokument EA 4/02. Wyrażanie niepewności pomiaru przy wzorcowaniu, 1999 r.
9. Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik. GUM Warszawa, 1999 r.

Przypisy

1. W Normie PN-EN ISO 10012: 2004 [5] - znajduje się pojęcie - weryfikacja, które odpowiada (zastępuje) terminowi - sprawdzenie.