Kalibreerimine (metroloogia)

Kalibreerimine ehk taatlemine on metroloogias seoste leidmine etaloni abil realiseeritud suuruse ja mõõtevahendi esitatud väärtuse vahel.
Kalibreerimistulemuseks on üldjuhul mõõteviga koos mõõtemääramatusega. Sealt on võimalik kalibreerimise tellijal välja lugeda, kui suure vea teeb vastav seade mingis mõõtepunktis.
Ametliku kalibreerimise definitsiooni annab "Mõõteseadus", kus on kirjas: "Kalibreerimine on menetlus, mis fikseeritud tingimustel määrab kindlaks seose mõõtevahendiga saadud väärtuse ja etaloni abil realiseeritud füüsikalise suuruse vastava väärtuse vahel."
Ajalugu.
Paljud esimesed mõõteseadmed olid intuitiivsed ja nende tööpõhimõtet oli lihtne kinnitada. Väljendit "kalibreerimine" kasutati oletatavasti esimest korda seoses joonmõõtmete ja nurkade jagamisega võrdseteks osadeks ning gravitatsioonilise massi mõõtmisega, kasutades kaalumisskaalat. Need kaks mõõtmise tüüpi ja nende otsesed tuletised toetasid peaaegu kõiki kaubandus- ja tehnoloogiasaavutusi kuni 17. sajandi lõpuni.
Tööstusrevolutsiooni ajal tuldi välja ka esimeste kaudse mõõtmise seadmetega. Rõhu mõõtmine on üks esimesi näiteid, kus lisaks otsemõõtmisele oli võimalik samu omadusi mõõta ka kaudselt. Enne tööstusrevolutsiooni oli enamlevinud viis rõhu mõõtmiseks hüdrostaatiline manomeeter, mis kõrgete rõhkude mõõtmiseks pole aga eriti praktiline. Eugen Bourdon oli esimene, kes konstrueeris seadme, millega oleks võimalik mõõta kõrgeid rõhke. Selle nimetuseks sai Bourdoni toru.
Bourdoni torus üritab alt torust sisenev rõhk lükata sirgeks kaardus olevat toru (vaakum üritab kaardus toru veel rohkem kõveraks suruda). Paindumise tagajärjel hakkab toru lahtine ots liikuma. Lahtine ots on mehaaniliselt ühendatud manomeetri esiküljel asuva näidikuga. See on kaudne mõõtmise viis ning selle täpsus oleneb täielikult sellest, kuidas on seadet kalibreeritud.
Isegi tänapäeval kasutatakse kaudmõõtmiste täpsuse kontrollimiseks ja parandamiseks otsemõõtmisi.
Autoajaloo algusaastatel tahtsid USA autojuhid näha ostetud kütust suurtes klaasist anumates. Seda nimetatakse otseseks ruumala mõõtmiseks silmaga. 1930. aastaks võeti aga kasutusele pöörlevad voolumõõdikud kaudseks mõõtmiseks. Kütuse ostjatel oli võimalik näha paaki voolava kütuse hulka pöörlevalt näidikult.
Kaudsed mõõtmised hõlmavad alati seoseid või teisendamisi. Väga harva on võimalik mõõtmisi intuitiivselt jälgida. Need teadmised on kalibreerimise seisukohalt väga olulised.
Enamik tänapäeval kasutatavaid mõõtmistehnikaid on kaudsed.
Kalibreerimisprotsessi kirjeldus.
Kalibreerimisprotsess algab kalibreeritava mõõtevahendi disainist. Disain peab olema võimeline hoidma seadme täpsust mingi intervalli vältel. Teisisõnu peavad seadme mõõtmistulemused jääma ettenähtud tingimustel mõõtes ettenähtud vea piiridesse ja seda kõike võimalikult pika perioodi vältel. Nendele tingimustele vastamine tõstab tõenäosust, et mõõteseade toimib nii, nagu ette nähtud.
Täpne tolerantsväärtuste määramise protsess on riigiti ja eri seadmete puhul erinev. Üldjuhul määrab mõõteseadme tootja seadme mõõtemääramatuse, kalibreerimise intervallid ja ka keskkonnanäitajad, milles seadet hoida ja kasutada. Tegeliku kalibreerimisintervalli määrab kasutaja, see oleneb sellest, kui palju mõõteseadet reaalselt kasutatakse ja kui oluline on, et mõõtmistulemused ei väljuks etteantud vea piiridest.
Järgmise sammuna oleks defineerida kalibreerimisprotsess. Ideaalis peaks olema valitud standardi viga ¼ kalibreeritava mõõtevahendi soovitavast veast. Kui mõõtmised tehakse samuti suhtega 4:1, siis ei ole vaja arvestada kasutusel olevate standardite vigu.
Täpsuse suhte 4:1 hoidmine tänapäevaste seadmetega on raske. Seadmed, mida kalibreeritakse, saavad olla vaid nii täpsed, kui täpsed on standardid, millega neid võrreldakse. Kui täpsuse suhe on väiksem kui 4:1, siis võib kalibreerimistolerantsi vähendada. Kui on saavutatud suhe 1:1, siis on vaid täiesti võrdsed tulemused mõõteseadme ja standardi vahel täielikult korrektne kalibratsioon. Teine levinud meetod nende erinevustega tegelemiseks on vähendada kalibreeritava seadme täpsust.
Kui näiteks tehas on andnud näidikule 3-protsendilise täpsuse, siis muutes selle 4-protsendiliseks, on võimalik 1% täpsuse standardit kasutada 4:1 suhte juures. Kui seda näidikut kasutatakse mõõtmisel, kus on vajalik 16-protsendiline täpsus, siis ei muuda näidiku täpsuse muutmine 4 protsendile mõõtmistulemuste täpsust. Kui aga lõpptulemusel on vajalik 10-protsendiline täpsus, siis ei saa 3-protsendiline näidik kunagi olla parem kui 3:3:1. Sellisel juhul võib olla parem muuta kalibreerimise tolerantsi. Kui kalibreerimine tehtaks siis, kui seadeldis näitab 100 ühikut, siis 1% standardi puhul võiks olla tegelikul näidul ükskõik milline väärtus vahemikus 99–101. Suhte 4:1 puhul jääksid tulemused 96 ja 104 vahele. Kui teha vastuvõetavaks vahemikuks 97–103, siis oleks võimalik säilitada suhe 3:3:1. See on lihtsustatud näide.
Ideaalis oleks ülal toodud näites oleva näidiku ühe punkti kalibreerimiseks parim punkt 100 ühiku juures. Kalibreerimise punkt võib olla määratud juba varem tootja poolt või kalibreeritakse nii ka teisi sarnaseid seadmeid. Praktikas kasutatakse ka mitme punkti kalibreerimist. Olenevalt seadme nullpunktist võib kasutada hoopis seda kalibreerimise punktina. Seadmete puhul, mille nullpunkti on võimalik kasutajal muuta, tuleks kalibreerimisel tähistada, millist nullpunkti kasutatud on.
Kalibreerimist võib mõjutada standardi ja kalibreeritava seadme vaheline ühendamise meetod. Näiteks kui kalibreeritakse seadet, mis mõõdab analoogsignaale, siis võib lõpptulemust mõjutada ühenduse jaoks kasutusel olevate juhtmete impedants.
Kogu üleval toodud informatsioon kogutakse kokku kalibreerimisprotsessi käigus, seda nimetatakse konkreetseks katsemeetodiks. Vastava meetodi võib ette anda seadme tootja, kuid seda võib teha ka kasutaja, et kalibreerimine vastaks ka kõigile teistele kasutajapoolsetele nõuetele.
Elektrimõõtmiste vahendite kalibreerimiseks kasutatakse spetsiaalselt selle jaoks loodud seadmeid ehk kalibraatoreid.
Kvaliteet.
Parandamaks kalibreerimise kvaliteeti ja tagamaks kalibreeritud seadmega saadud mõõtmistulemuste usaldusväärsust mitte ainult seadme omanikule, peaks kalibreerimine ja hilisemad mõõtmised olema võimalikult lühikese jälgitavuse ahelaga rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI ühikuteni. Jälgitavuse saavutamiseks võrreldakse tulemusi kas otseselt või kaudselt rahvusvaheliste standarditega. Seda tööd peavad tegema riiklikele standarditele vastavad laborid, mis võivad kuuluda riigile või eraettevõtetele.
Instrumentide kalibreerimine.
Seadmeid tuleks kalibreerida järgmistel juhtudel:
Tihti peetakse kalibreerimist ka seadme väljundi korrigeerimiseks või mõõteseadme väärtuste võrdsustamiseks kindlaksmääratud standarditega. Näiteks võib termomeetrit kalibreerida nii, et tehakse kindlaks konkreetse seadme viga ja seadistatakse see nii, et termomeeter näitaks mingis kindlas punktis õiget temperatuuri Celciuse skaalal. Väga väheseid seadmeid on võimalik seadistada nii, et need vastaksid täpselt standarditele, millega neid võrreldakse. Suurema osa kalibreerimiste puhul on siiski tegu teadmata suuruse ja teadaoleva suuruse võrdlemise ja tulemuste ülesmärkimisega.
Rahvusvaheline.
Paljudes riikides on Rahvusvaheline Metroloogia Instituut, mille eesmärgiks on toimetada põhilisi mõõtmiste standardeid. Neid on võimalik kasutada kalibreerimise teel jälgitavusahela loomiseks mõõteseadme ja vastava SI ühiku vahel. Pärast seda, kui allkirjastati vastastikuse tunnustamise leping, pole enam oluline, et mõõteseadme kasutaja omandaks mõõtmistulemuste jälgitavusahela riigis, kus ta hetkel asub.