Введение.
В настоящее время основой унифицированных требований к аккредитованной испытательной лаборатории служит национальный вариант международного стандарта ГОСТ Р ИСО/МЭК 1705-2006 [1]. Согласно этому документу (п.п.4.6.1 и 5.5.2), должна быть установлена политика и процедуры по выбору и приобретению технического оснащения лаборатории. Серьезная проблема, связанная с этим требованием, обусловлена разрывом между уровнем развития современного приборостроения и подготовленностью потенциальных потребителей в соответствующей области технологий. Исключительно сложные приборы и измерительные возможности предназначаются для людей, имеющих подготовку в принципиально другой области. Разнообразие на современном рынке контрольно-измерительной аппаратуры огромно. Десятки приборостроительных компаний в технически развитых странах предлагают сотни типов приборов для измерения, как отдельных параметров среды, так и комплексов физфакторов.
Предполагается, что каталоги, выпускаемые крупными торговыми фирмами, должны обеспечивать возможность выбора нужных приборов, сводя воедино их технические характеристики. На самом деле этого недостаточно без использования сколько-нибудь последовательных правил выбора. Разумеется, если обнаруживается прибор, который с точностью удовлетворяет всем критериям, то есть подходит под ранг идеального, проблемы нет. Чаще всего, однако, нет такого прибора, поэтому надо выбрать вариант который наиболее близко подходит под понятие идеального. Как любая проблема, проблема выбора отнимает время, вызывает стрессы и нередко остается неразрешенной. Как правило, выбирается первое пришедшее в голову разумное решение проблемы. Очевидно, что самое первое решение далеко не всегда является самым лучшим. Обычно это допустимое или удовлетворительное, но никак не оптимальное решение. Эффективное решение проблемы предполагает осознанную замену идеального прибора на идеальное решение. В отличие от первого, последнее всегда может быть найдено.
В статье моделируется процесс принятия решения по рациональному выбору средств измерений для оснащения испытательных лабораторий. Предлагаются единые правила, которыми необходимо руководствоваться должностным лицам, занимающимся аппаратурным оснащением испытательных лабораторий. Основные задачи сводятся к согласованному определению сути проблемы, к сбору необходимой информации, к выработке альтернативных решений и к обоснованному выбору одного из вариантов. Такая последовательность шагов оказывается наиболее эффективной в тех случаях, когда альтернативы достаточно очевидны, необходимая информация доступна, и существует четкий стандарт, позволяющий оценивать правильность принятого решения. Предлагаемая методика использует алгоритмы оценки качества, развитые в рамках прикладной квалиметрии [2].
Технически работа сводится к составлению квалиметрических таблиц и последующему вычислению некоторого обобщенного показателя качества аппаратуры. Такой алгоритм позволяет оперировать только объективными фактами, быть вполне беспристрастным, свободным от любых предвзятых суждений. Некоторый произвол, впрочем, остается в выборе существенных характеристик приборов при составлении исходных квалиметрических таблиц. В настоящей работе показано, что от этого произвола можно избавиться, используя требования нормативных документов в тех случаях, когда документы содержат достаточно полный набор требований к средствам измерений (СИ). Если это не так, то имеет смысл внести соответствующие изменения в эти документы. В качестве примера, конкретизирующего изложение, выбраны приборы контроля уровня электромагнитного поля (ЭМП). Для полей промышленной частоты (ПЧ) требования к приборам изложены в вышедшем в мае прошлого года документе Роспотребнадзора [3], в котором изложены методические указания по методам контроля ЭМП ПЧ в производственных условиях.
1. Общие принципы квалиметрии.
Оценка качества основана на вполне разумных и достаточно очевидных методах формализации процесса выбора приборов [2], максимально исключающих субъективизм оценки. Рассмотрим некоторые ключевые принципы формализации качества выбора.1. Некоторые сложные и любые простые свойства оцениваемого объекта могут быть измерены с помощью абсолютного показателя свойства Qi, (i = 1,2… I) объекта). Полученные в результате этого значения показатели Qi выражаются в специфических для каждого свойства единицах (вес в граммах, цена в рублях и т.д.). Возможно также использование величин Q = 1 или Q = 0 для определения наличия или отсутствия какой-либо функции у прибора (например – возможности запоминания данных, либо наличия или отсутствия встроенного таймера).
2. Проблема выбора подразумевает наличие множества допустимых решений, между которыми нужно делать выбор. Для сопоставления различных свойств, измеряемых в разных по размаху и размерности шкалах, используется относительный безразмерный показатель Ki, отражающий степень приближения абсолютного показателя свойства Qi , к среднему <Qi>, характеризующему некий средний для рассматриваемой группы приборов уровень i-того качества. Чтобы сделать показатель Ki безразмерным, разницу Qi-<Qi> следует разделить на масштаб Qmas:
Ki = (Qi-<Qi>)/ Qmas
3. Дополнительное требование – одинаковый диапазон изменения коэффициента Ki для всех учитываемых свойств (например – от -1 до +1) – определяет значения <Qi> и Qmas:<Oi> = (max{Qi} + min{Qi})/2
Qmas = (max{Qi} – min{Qi})/2
4. Для сопоставления по относительной важности всех свойств, определяющих суммарное качество прибора, необходимо задать весовые коэффициенты Gi , определяющие относительную «важность» i-того качества. Шкала коэффициентов может быть любой (например – пятибальная или двенадцатибальная или любая другая), важно чтобы она была одной и той же для всех свойств. В последующих оценках следует использовать нормированные весовые коэффициенты Hi = Gi/ΣGi . Нормированные коэффициенты меняются всегда в пределах от 0 (для совершенно неважных свойств) до 1 (для единственно важного свойства).
5. Наконец, следует определить знак Si (положительный или отрицательный) вклада каждого из свойств в суммарное качество прибора. Например, погрешность имеет отрицательный знак – чем она больше, тем менее привлекателен (при прочих равных обстоятельствах) этот прибор. С другой стороны – диапазону возможных изменений величины измеряемой прибором следует присвоить положительный знак – чем больше этот диапазон, тем лучше прибор (опять же - при прочих равных обстоятельствах). Аналогично определяется знак такого качества, как длительность гарантиййного срока работы прибора. При расчетах следует определять величину Si либо +1, либо -1.
6. При использовании показателей качества предпочтительно задание коэффициентов, меняющихся в диапазоне от 0 до 1. Такой коэффициент Li определяется через Ki простым арифметическим сдвигом:
Li = ( Si*Ki + 1) / 2
7. Количественная оценка суммарного качества выражается с помощью показателей Li некоторой функцией, монотонно растущей с ростом своих аргументов L = F( Li) . Функция F(Li) может определяться различными полиномами, средними и т.д. Вполне приемлемо задание функции F(Li) суммой вида:L = ∑ Hi*Li .
Величина L даёт вполне объективную комплексную оценку относительного качества прибора по отношению к другим приборам той же группы. Субъективность вносится лишь при определении весовых коэффициентов и перечня учитываемых качеств прибора (в конечном счете это одно и то же, так как качеству, которое не следует учитывать достаточно приписать нулевой вес).
Здесь возможно коллективное принятие решений с привлечением либо сотрудников, которые в будущем предполагают использовать прибор, либо сторонних экспертов. Естественно, что руководитель заинтересован в получении по возможности беспристрастной информации. Лицо, принимающее решение, по своему положению в задаче принятия решений стремится найти компетентных экспертов, которые выступали бы в виде беспристрастных измерителей качеств альтернатив.
Однако, часто от экспертов требуется весьма существенная по объему работа, в то же время лучшие специалисты, как правило, люди занятые, загруженные основной работой. Тем не менее, задача расстановки приоритетов гораздо проще и определеннее, чем расплывчатое требование указать «лучший прибор» из существующего предложения.
8. Проблема выбора подразумевает наличие множества допустимых решений, между которыми нужно делать выбор. Множественность целей при ограниченности ресурсов ставит проблемы выбора наилучшего варианта, при котором обеспечивается максимальное удовлетворение потребностей при данных затратах. В этом случае при вынесении окончательных суждений о целесообразности приобретения того или иного прибора принимают во внимание не сами по себе показатели качества, а соотношение цена-качество.
Есть приборы, которые подходят и по измеряемому диапазону и по погрешности измерения, но производитель требует за это с пользователей уж слишком большую плату. Как правило, это приборы зарубежных «солидных» фирм с устоявшейся репутацией в кругах специалистов.
В качестве примера можно привести фирмы Larson&Davis (США), Bruel&Kjaer (Дания), Wandel&Goltermann (Германия) и подобные им. Можно отметить, что самые дорогие приборы, стоящие иногда в десятки раз дороже отечественных аналогов, не всегда обеспечивают самый высокий уровень измерений и сервисных функций. Конечно, назвать их плохими нельзя, но тем не менее – если не требовать чересчур многого, всегда можно подобрать отечественный аналог, обеспечивающий сопоставимое качество работы при существенно (в разы, - как минимум) меньшей цене.
Чтобы придать этим рассуждениям количественную форму, введем в рассмотрение коэффициент (также безразмерный) цены:P = (Цена прибора)/(Средняя цена группы приборов)
Результирующий критерий Res представляет собой отношение коэффициента качества L к коэффициенту цены Р:Res = L/P
Это (а не обратное) отношение выбирается из естественного желания присваивать лучшему прибору большее значение результирующего критерия.
Описанная последовательность расчетов дает вполне объективную оценку некоторого обобщенного показателя качества различных приборов. Одновременно такой алгоритм позволяет выбрать приборы с наилучшим отношением качества к цене. Пример использования приведенных выше соотношений для сравнительной оценки некоторых групп приборов, предназначенных для измерения параметров окружающей среды дан ниже.
2. Пример: построение квалиметрических таблиц для приборов контроля ЭМП ПЧ (на основе нормативных документов).
Как отмечалось выше, величина L даёт вполне объективную комплексную оценку относительного качества прибора по отношению к другим приборам той же группы. Субъективность вносится лишь при определении перечня учитываемых качеств прибора. Субъективности можно избежать для тех областей санитарно-гигиенического контроля, в которых действуют нормативные документы, содержащие достаточно полные перечни требований к СИ. Это относится, например, к ЭМП промышленной частоты 50 Гц. Требования к приборам изложены в недавно вышедших методических указаниях [3], по методам контроля ЭМП ПЧ в производственных условиях.
Самое главное, что требуется – быть внесенным в Государственный реестр СИ: «Инструментальный контроль должен осуществляться приборами, прошедшими государственную аттестацию и имеющими свидетельство о поверке» (п.4.1 документа [3]). Наличие этого качества самоочевидно для приборов, включенных в последующее рассмотрение. Остальные требования не столь критичны и носят рекомендательный характер, определяя, тем не менее, суммарное качество прибора. Ниже следует их перечисление с краткими комментариями.
2.1.Требования безопасности.
Согласно [4] (п. 4.5.7), «При проведении контроля за уровнями ЭМП частотой 50 Гц на рабочих местах должны соблюдаться установленные требования безопасности».
В [3] (п. 3.4) эти требования уточняются: «При проведении контроля за уровнями ЭМП ПЧ на РМ … необходимо исключить возможность воздействия электрических разрядов на персонал, с этой целью использовать приборы, в которых предусмотрена электрическая развязка между антенной и блоком индикации, например путем соединения их с помощью волоконно-оптической линии связи».
Причина появления этого требования очевидна. Известно, что при внесении в электрическое поле линейных проводников (именно таким проводником может явиться электрический кабель, соединяющий антенну с блоком индикации) поле концентрируется на концах проводников, усиливаясь многократно. В сильных электрических полях (порядка единиц и десятков кВ/м) близи концов могут возникнуть тлеющие разряды, а если проводник имеет электродинамическую (гальваническую или емкостную) связь с землей, то тлеющий разряд может перерасти в искровой.
Избежать этой опасности можно, если вместо электрического кабеля использовать волоконно-оптическую линию связи антенного и индикаторного блока. Этот способ построения безопасного измерителя ЭМП представляет определенные технические трудности. Он требует, в частности, интеграции в антенну-преобразователь схем аналогового и аналого-цифрового преобразования сигналов, числовой обработки результатов измерения и формирования оптического сигнала. Возможность создания таких конструкций появилась несколько лет назад, вместе с появлением высокоинтегрированных микроэлектронных компонент и производительных микропроцессоров, доступных для использования в приборах массового производства. В настоящее время все это есть на рынке электронных комплектующих, что позволяет поднять требования к приборам для измерения ЭМП.
2.2. Динамический диапазон
Требования к динамическому диапазону приборов определяются в Государственных стандартах. В некоторых случаях такие требования явно не формулируются, однако их всегда можно установить, используя общие требования к аппаратурным средствам экологического мониторинга. Так например, требования к измерителям напряженности электрического и магнитного полей определяются в документе [5].
В разд. 4.2.2 сформулировано требование: «Максимальное значение измеряемого параметра должно быть не менее чем в 3 раза больше контролируемой нормы, а минимальное – не более 0,3 контролируемой нормы». На основании этого можно, например, определить необходимые пределы измерений для приборов контроля уровня электрического поля промышленной частоты 50 Гц) в бытовых условиях Норма – 500 В/м, соответственно минимальное регистрируемое поле должно быть не более 150 В/м, а максимальное – не менее 1500 В/м.
Здесь следует иметь в виду, что нормы существенно различаются для производственных условий и для населения. Обычно в основе нормирования используется «пороговый уровень воздействия», который может привести к возникновению неблагоприятных биологических эффектов. С учетом неопределенности научных данных этот наименьший пороговый уровень воздействия снижается в несколько раз, чтобы получить предельные уровни (ПДУ) воздействия на человека. В области воздействия ЭМП используется коэффициент запаса, равный 5 для установления пределов облучения рабочих в производственных условиях и равный 50 для населения. Таким образом, обычно нормы для населения в 10 раз жестче, чем для рабочих в производственных условий. Для электрического поля промышленной частоты в производственных условиях норма 5 кВ/м определяет возможность работы в течение всей смены [2]. Соответственно, для контроля этой нормы следует использовать прибор с верхним пределом измерения не менее 15 кВ/м.
2.3. Трехкомпонентные датчики ЭМП.
Согласно [3] (п.4.4-5), «Измерения ЭП 50 Гц рекомендуется производить приборами ненаправленного приема с трехкоординатным емкостным датчиком, автоматически определяющим максимальный модуль напряженности ЭП при любом положении в пространстве» и «Измерения МП 50 Гц рекомендуется производить приборами с трехкоординатным индукционным датчиком, обеспечивающим автоматическое измерение модуля напряженности МП при любой ориентации датчика в пространстве».Электрическое и магнитное поля - это векторные величины. За исключением простейшего случая линейно поляризованного поля с заранее определенным направлением поляризации, сколько-нибудь надежная оценка величины поля с помощью однокоординатных датчиков практически невозможна – дополнительная ориентационная погрешность измерения будет превосходить все допустимые пределы. При использовании трехкомпонентных взаимно ортогональных антенных преобразователей проблема ориентации антенны не возникает. Возможная неизотропия диаграммы направленности такой антенны включена в суммарную погрешность прибора и контролируется при его поверке. Только использование измерителей с такими антеннами гарантирует паспортизированную точность измерений.
2.4. Контроль поляризации ЭМП.
В первых рекомендациях ВОЗ по нормированию воздействия магнитного поля промышленной частоты [6] отмечалась важность учета характера поляризации магнитного поля. В документе [7] детализировались как требования к проведению контроля на рабочих местах, так и параметры полей, которые необходимо контролировать. В частности, проводилось разделение полей по характеру поляризации (линейно и эллиптически поляризованные поля) и устанавливались различные нормы для различных видов поляризации поля. Нормы на величину ЭМП ПЧ существенно (в 2½ ≈ 1,4 раза) отличаются для линейно и эллиптически поляризованных полей. Это требование сохранилось и в ныне действующих нормах [4] (п.4.5.3-4) и в методических указаниях [3] (п.3.13-14).
Для определения параметров эллипса поляризации необходимо использование трехкомпонентных датчиков поля. Специальная программа обработки результатов должна определять фазовые сдвиги осцилляций поля в каждом канале регистрации, причем делать это следует в режиме реального времени, по ходу проведения измерений. Существуют способы измерения фазовых сдвигов с помощью аналоговых приборов, однако аппаратура, требующаяся для этого, громоздка, ненадежна и предназначена в основном для лабораторных измерений – она плохо подходит для контроля производственных условий. Эффективным решением здесь является использование сигнальных микропроцессоров, позволяющих проводить быструю оцифровку и числовую обработку аналоговых сигналов.
2.5. Погрешность измерений.
Согласно [4] (п.4.2) «Пределы основной погрешности измерения должны соответствовать требованиям, установленным действующим нормативным документом». Для измерителей электрических и магнитных полей таким документом является ГОСТ [5]. В нем указано, что «пределы допускаемых значений основной погрешности измерителя не должны превышать значений, выбранных из ряда 10, 12, 25,30,40 % ». Таким образом, стандарт допускает довольно широкий диапазон погрешностей. Причина этого по-видимому в том, что при измерении полей дополнительные погрешности, обусловленные как неточностью ориентации антенны относительно направления измеряемого поля (см. выше п.2.3), так и искажениями поля при внесении в него дополнительных проводников, связывающих антенну с измерительным блоком (см. ниже п.2.6), практически всегда превосходят паспортизованную погрешность прибора. Только для измерителей с трехкомпонентными датчиками поля и электрической развязкой антенны и измерительного блока паспортизованная погрешность отражает действительную неопределенность полученного результата измерения.
Тем не менее, небольшая погрешность прибора косвенно свидетельствует о высокой культуре его конструирования и изготовления, поэтому при квалиметрическом анализе можно сделать акцент на этом качестве, придав ему повышенный вес.
2.6. Электрическая развязка антенны
. Требования минимизации искажений измеряемого поля содержатся в [4] (п.4.5.13): «Измерения уровней ЭП следует проводить приборами, не искажающими ЭП», и в более развернутом виде в [3] (п.4.3): «Измерения уровней ЭП частотой 50 Гц следует проводить приборами, обеспечивающими минимальное искажение измеряемого поля за счет электрической развязки антенны и блока индикации».Обоснование этого требования практически совпадает с обсуждавшимся выше обеспечением безопасности измерении. Речь идет о возможной концентрации и усилении поля вблизи конца электрического кабеля, соединяющего антенну с блоком индикации. При этом прибор измеряет существенно искаженное поле, увеличенное в несколько раз по сравнению с тем, которое было до внесения антенны в поле.
Кардинальное решение этой проблемы – убрать кабель, заменив его оптико-волоконной линией связи. Дополнительным аргументом в пользу такого решения является повышение помехозащищенности измерителей по отношению к электрическим наводкам. Реально соединительный кабель может работать как дополнительная антенна, сигнал с которой, поступая на внутренние цепи прибора, может накладываться на сигнал с антенны.
Так как обе задачи (обеспечение безопасности и минимизация ошибки измерения из-за возмущения измеряемого поля и наводки на кабель) решаются одним и тем же способом, в квалиметрическую таблицу можно внести одно свойство – наличие электрической развязки антенны и блока индикации, однако увеличить его вес в суммарной оценке качества прибора.
2.7. Сопрягаемость с компьютерной программой поддержки измерений.
Сотрудники лабораторий, осуществляющих санитарно-гигиенические исследования, сталкиваются с увеличением объема поступающей информации, с усложнением решаемых задач, с необходимостью учета большого числа взаимосвязанных факторов и меняющихся требований к объектам контроля. В процессе принятия решений приходится затрачивать много времени и средств на анализ массивов разнородной информации. Практика показывает, что в этих условиях используются упрощенные, а иногда и противоречивые принципы принятия решений.
Наиболее важным помощником сотрудников исследовательских лабораторий становятся компьютерные программы поддержки, которые, используя современные информационные технологии, позволяют выбрать наилучший план исследований и провести обоснованный анализ их результатов. С другой стороны, интеграция микропроцессоров в схему измерителей открывает новые возможности внедрения IT-технологий - создание контрольно-измерительных комплексов, в которых мощные компьютеры (с возможностями от хранения результатов и распечатки документов до использования экспертных систем для анализа результатов измерений) объединяются с мобильными измерителями параметров окружающей среды. Требования к компьютерным программам, входящим в состав контрольно-измерительных комплексов приведены в [3] (Приложение 7).
3. Дополнительные данные.
Ниже перечислены характеристики приборов санитарно-гигиенического контроля, которые, не являясь принципиально важными, тем не менее, создают определенные удобства при практическом использовании прибора. При учете этих характеристик в квалиметрической таблице их вес может быть уменьшен по сравнению с весом основных характеристик в 2 – 4 раза.
3.1. Объединенные в одном антенном блоке электрические и магнитные датчики поля.
Такая конструкция антенного блока существенно упрощает работу с измерителем и сокращает время выполнения замеров. Это бывает важно при выполнении измерений в зоне действия сильных полей, когда появляется опасность для самого оператора, проводящего измерения. Например, санитарные нормы ограничивают пребывание в электрическом поле напряженностью > 20 кВ/м временем не более 10 мин. Сокращение времени измерения поля в таких местах может оказаться решающим фактором, определяющим возможность проведения самих замеров.
3.2. Возможность записи результатов в память прибора.
Такая возможность всегда создает определенные удобства работы с прибором, но не только. Это бывает необходимо, например, при проведении длительной серии измерений для регистрации (в автоматическом режиме) вариаций ЭМП в течение рабочей смены. Трудоемкая задача определения «вручную» приведенного времени (см.напр.[4] п.3.4.2.6 и [3] п.6.2.1) пребывания в ЭП с различной напряженностью выполняется в автоматическом режиме, если использовать измеритель с возможностью записи результатов в память прибора.
3.3. Многоуровневое меню.
Расширяет функциональные возможности прибора, повышает удобство пользования и настройки: выбор индицируемых результатов и времени их усреднения, выбор единиц измерения, задание режимов работы.
