CC BY
25
О сличении эталонных средств измерений поверхностной плотности и толщины покрытий с использованием стандартных образцов
В. В. Казанцев
Приведены и обсуждаются результаты двусторонних сличений государственного специального эталона единицы поверхностной плотности покрытий ГЭТ168—2005 (ранее УВТВ-А-81) с эталонными средствами измерений толщины покрытий, принадлежащими ведущим научным метрологическим институтам и основанными на профиломет-рическом, магнитном и рентгеновском методах.
Признанным и эффективным способом подтверждения измерительных и калибровочных возможностей является проведение сличений и прежде всего эталонных средств измерений. Если прослеживаемость измерений от эталона к рабочим средствам измерений подтверждена поверкой или калибровкой и зафиксирована в соответствующих НД, подтверждение измерительных возможностей эталона в значительной степени гарантирует измерительные возможности рабочих СИ. Процедура проведения сличений, в том числе международных, зависит от вида и методологии сличений, при этом следует признать целесообразным в качестве подготовки к ключе-
вым сличениям проведение двусторонних сличений.
Целью настоящей работы было проведение двусторонних сличений с эталонными СИ поверхностной плотности и толщины покрытий, принадлежащими другим научным метрологическим институтам (НМИ), с целью подготовки к ключевым сличениям созданного Государственного специального эталона единицы поверхностной плотности покрытий ГЭТ 168—2005.
За 25 лет эксплуатации установки высшей точности единицы поверхностной плотности покрытий УВТ 13-А-81, принадлежащей ФГУП УНИИМ (далее — УНИИМ), были проведены значительные объемы работ, связанные с аттестацией СО поверхностной плотности (ПП) разнообразных видов покрытий, а также измерения СО ПП и толщины покрытий, выпущенных зарубежными фирмами, в частности G. Fischer, Thermo Radiometrie GmbH (обе из Германии), UPA Technologi (США). Измерения зарубежных СО не представляли собой сличения
в принятом сегодня понимании с необходимой формализацией, но тем не менее позволяли с определенной достоверностью давать оценку согласованности аттестованных значений, полученных при измерениях на УВТ, с методами и средствами измерений указанных фирм. Расхождение аттестованных значений не превышало суммы доверительной погрешности аттестованного значения, приведенной в документации на зарубежный СО (±5 %) и полученной на УВТ (не более ±3 %), а в большинстве случаев укладывалось в границы ±5 %.
При этом следует отметить, что в некоторых случаях проводилось сравнение ПП покрытия, рассчитанной с использованием аттестованного значения толщины покрытия, приведенного в документации на зарубежный СО, и плотности материала покрытия, со значением ПП покрытия, полученным на УВТ.
В связи с созданием в 2005 г. на базе УВТ государственного специального эталона единицы поверхностной плотности покрытий для подтверждения измерительных возможностей созданного эталона необходимо было про-
Certified Reference Materials № 1, 2005
Стандартные образцы..
35
ведение сличений эталона с эталонными средствами измерений других НМИ.
Эталон ГЭТ 168—2005 имеет диапазон воспроизведения единицы ПП покрытий от 0,001 до 1,000 г/м2 и относительную погрешность, характеризуемую СКО случайной составляющей не более 0,5 % при 10 независимых измерениях и неисключенной систематической погрешностью не более 0,3 %. Эталон основан на рентгенофлуоресцентном методе и методе обратно-рассеянного бета-излучения. В соответствии с государственной поверочной схемой для средств измерений поверхностной плотности покрытий, которую возглавляет эталон, средствами передачи размера единицы являются рабочие эталоны 1-го (РЭ-1) и 2-го (РЭ-2) разряда в виде СО, при этом РЭ-1 имеют доверительные границы относительной погрешности не более ±2,5 %, а РЭ-2 — не более ±5,0 %.
Национальный стандарт, ГОСТ 8.612-2005, который регламентирует данную поверочную схему, вводится в действие с 01.01.2006 г.
Действующий в настоящее время стандарт [1], который регламентирует государственную поверочную схему для средств измерений поверхностной плотности покрытий в диапазоне 0,001— 1,000 кг/м2, имеет незначительные отличия от вновь разработанного и с введением последнего в действие будет отменен на территории России.
В действующем и разработанном стандарте отсутствуют эталоны сравнения, т. е. средства, с помощью которых можно проводить сличения исходных эталонных средств измерений. В связи
с этим в качестве средства сличения были взяты СО ПП, измеренные на эталоне и аттестованные в качестве РЭ-1. Конкретно это были СО ПП цинкового покрытия на стали, которые имеют характеристики, позволяющие провести измерения указанных СО на эталонных СИ, принадлежащих различным НМИ и основанных на различных методах.
СО представляют собой стальные пластины размером 40 х 40 мм, толщиной 9 мм, на центральную часть которых способом катодного восстановления нанесено цинковое покрытие на площади размером 20 х 20 мм. Параметр шероховатости покрытия Rа не превышает 0,1 мкм, неплоскостность рабочей поверхности СО — 0,2 мкм.
Сличения были проведены по разработанной программе и методике сличений с участием УНИИМ, ФГУП ВНИИМС (далее — ВНИИМС) и Физико-технического института (далее — РТВ), г. Брауншвейг (Германия).
Степень эквивалентности эталонов, которая устанавливается по результатам сличений, в данном случае является в определенной степени условной, поскольку эталонные СИ, которые участвовали в сличениях, воспроизводят разные, хотя и взаимосвязанные единицы. В УНИИМ это единица ПП покрытия — 1 кг/м2, во ВНИИМС и РТВ это единица длины — 1 м. Взаимосвязь ПП и толщины покрытия осуществляется через плотность материала покрытия в соответствии с формулой:
Р = У' Н (1)
где р — поверхностная плотность покрытия, кг/м2;
Н — толщина покрытия, м;
у — плотность материала покрытия, кг/м3.
Обычно на практике используют дольные единицы указанных в формуле (1) физических величин, в частности, для удобства в качестве единицы ПП используют 1 г/м2, а толщины покрытия — 1 мкм.
Следует отметить актуальность проведения таких сличений и прежде всего в связи с потребностью создания рабочих эталонов в виде СО, аттестованных одновременно в единицах поверхностной плотности и длины, предназначенных, в частности, для поверки и градуировки радиоизотопных толщиномеров покрытий, которые, согласно [2], могут градуироваться и измерять ПП и толщину покрытий.
Программой сличений были оговорены следующие условия:
— измерения должны быть проведены в центральной части рабочей поверхности СО на площади, ограниченной размером 10 х 10 мм или диаметром 10 мм;
— применение в расчетах при оценке результатов измерений значения плотности цинка в покрытии, равного 7,13 г/см3. Это значение взято из [3], хотя в зарубежных стандартных справочных данных приведено значение 7,14 г/см3. Расхождение между этими значениями составляет 0,01 г/см3 или 0,15 %, что для проводимых сличений, если учесть погрешность эталонных СИ, является незначимым.
Типы и характеристики эталонных СИ, которые использовались при сличениях, приведены в таблице 1.
Для получения целостной картины сличений каждая организация сообщила о деталях подготовки к проведению сличений, о составе и характеристиках
СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ № 1, 2005
36
Стандартные образцы..
Таблица 1
Типы и основные характеристики эталонных СИ
Характеристики СИ УНИИМ ВНИИМС РТВ
ГСЭ 168-2005 прибор Form Talysurf прибор KLA-Tencor Profiler Р-11 прибор Fischerscope MMS
Метод измерений Диапазон Погрешность Рентгенофлуоресцентный 10-400 г/м2 S = 0,5 %; 0 = 0,3 % Профилометрический 1-1000 мкм А = (±0,003 ■ Н) мкм Профилометрический 0-131 мкм Цена деления 0,001 мкм Магнитоиндуктивный 0-1000 мкм Цена деления 0,01 мкм
эталонных СИ, о методике проведения измерений.
На эталоне измерения ПП цинкового покрытия были выполнены в центральной части рабочей поверхности СО на площади, ограниченной окружностью диаметром 10 мм, с использованием диафрагмы, имеющей отверстие диаметром 10 мм. Было проведено 10 независимых измерений. В качестве источника первичного излучения был взят гамма-источник на основе радионуклида аме-риций-241. Градуировка эталона была проведена с использованием эталонного набора ПП цинковых пленок.
Измерения толщины цинкового покрытия прибором Form Taly-surf, принадлежащим ВНИИМС, были выполнены в центральной части СО на площади 10 х 10 мм (СО № 8202110 и № 8202103) и 12 х 12 мм (СО № 8202062 и № 8202079). Измерения были выполнены в 36 точках, равномерно распределенных на рабочей площади СО. Поверка прибора, который является рабочим эталоном 1-го разряда согласно [4], была выполнена с использованием лазерного интерферометра.
В РТВ перед измерениями была проведена чистка рабочей поверхности СО на специальной
установке с использованием ионов аргона, предварительно проведены измерения на электронном микроскопе и в результате подтверждено отсутствие в покрытии каких-либо примесей.
На приборе KLA-Tencor Profiler Р-11, принадлежащем РТВ, измерения толщины цинкового покрытия были выполнены в 1210 точках, равномерно распределенных в центральной части СО на площади 10 х 10 мм. Калибровка прибора была выполнена с использованием лазерного интерферометра.
Измерения толщины цинкового покрытия прибором Fischer-scope MMS с датчиком EGAB 1.3 были выполнены на 20 участках на площади 10 х 10 мм. Калибровка прибора была выполнена с использованием лазерного интерферометра.
Кроме того, в РТВ СО были измерены на рентгеновском толщиномере покрытий Fischerscope X-Ray 1600. Измерения были выполнены на 121 участке, каждый размером 0,16 х 0,20 мм, равномерно распределенном на площади 10 х 10 мм. По объективным причинам калибровку прибора осуществить не удалось, и поэтому результаты измерений были представлены без указания точностных характеристик.
Каждая из организаций, участвующих в сличениях, представила средние арифметические значения измеренных величин и значения расширенной неопределенности. РТВ, кроме того, представил значения неравномерности цинкового покрытия по результатам измерений профило-метрическим и рентгеновским методами.
В таблице 2 приведены результаты измерений, полученные на эталоне ГЭТ 168-2005, с указанием характеристик случайной и систематической составляющих погрешности, доверительные границы абсолютной погрешности, значения стандартной неопределенности по типу А (иА ) и типу В (иВ ), суммарной (ис) и расширенной неопределенности (ир). Значения неопределенности были рассчитаны в соответствии с [5], при этом значения расширенной неопределенности были рассчитаны для коэффициента охвата, равного 2.
В соответствии с программой и методикой сличений результаты измерений толщины цинкового покрытия, представленные ВНИИМС и РТВ, были пересчитаны в значения ПП цинкового покрытия, при этом использовалось значение плотности цинка, равное 7,13 г/см3.
Certified Reference Materials № 1, 2005
Стандартные образцы..
37
Таблица 2
Результаты измерений на эталоне ГЭТ 168—2005
Номер СО ПП, г/м2 СКО случ. сост. абс. погр. (ид), г/м2 Сист. сост. абс. погр., ©„, г/м2 Доверит. границы абс. погр., (±) (Р = 0,95), г/м2 ив, г/м2 ис, г/м2 ир, (Р=0,95), г/м2
8202110 34,9 0,14 0,66 0,77 0,39 0,41 0,8
8202103 107,2 0,36 1,4 1,7 0,82 0,84 1,7
8202062 139,6 0,40 1,7 2,0 1,0 1,1 2,2
8202079 164,6 0,51 2,0 2,4 1,2 1,3 2,6
Таблица 3
Результаты измерений, полученные в УНИИМ, ВНИИМС и РТВ
УНИИМ ВНИИМС РТВ РТВ (16.02.2005)
Номер СО (рентг. метод) (профил. метод) (профил. метод) (магн. метод)
ПП, г/м2 ир, г/м2 ПП, г/м2 ир, г/м2 ПП, г/м2 ир, г/м2 ПП, г/м2 ир, г/м2
8202110 34,9 0,8 35,3 1,4 35,8 0,4 36,2 1,4
8202103 107,2 1,7 104,8 3,6 103,9 1,8 101,7 2,1
8202062 139,6 2,2 143,0 3,6 142,0 1,1 150,3 2,1
8202079 164,6 2,6 168,0 3,6 168,9 1,1 170,0 2,1
В таблице 3 приведены сводные данные, полученные на разных эталонных СИ.
Представленные в таблице 3 результаты свидетельствуют о следующем:
— наиболее точные результаты измерений получены в РТВ с использованием профилометри-ческого метода. Расширенная неопределенность составляет от 0,4 до 1,8 г/м2. Более высокое значение данной характеристики для СО № 8202103 (ир= 1,8 г/м2) по сравнению с другими СО объясняется более высокой неравномерностью покрытия у этого СО по сравнению с другими. По
данным, полученным профило-метрическим методом, неравномерность цинкового покрытия, характеризуемая разностью между максимальным и минимальным значениями, составила для данного СО 16 г/м2, или в 3 раза выше, чем для других 3-х СО;
— данные, представленные ВНИИМС, несмотря на завышенное значение расширенной неопределенности, очень хорошо согласуются с данными РТВ, полученными профилометричес-ким методом. Расхождение результатов измерений составляет 0,5—1,0 г/м2 и не превышает расширенной неопределенности,
приведенной РТВ. Причем для двух СО расхождение между этими группами данных в одну сторону, а для двух других — в другую. Это свидетельствует о незначимости систематической составляющей погрешности эталонных СИ, принадлежащих этим организациям и основанных на профилометрическом методе. Завышенные в 2—3 раза значения ир со стороны ВНИИМС по сравнению с РТВ можно объяснить, во-первых, неравномерностью покрытия на СО, и при той методике, которую применила эта организация, это явилось причиной завышенной оценки ир,
СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ № 1, 2005
38
Стандартные образцы..
а во-вторых, ВНИИМС, очевидно, несколько завысил значения ир. Вызывает недоумение, что значения расширенной неопределенности в 7—12 раз выше, чем погрешность используемого эталонного СИ;
— значения ир, представленные УНИИМ, близки данным РТВ для магнитного метода и в 1,1—2,5 раза выше, чем данные РТВ для профилометрического
метода. Такое соотношение можно объяснить, с одной стороны, высокой точностью профиломет-ра и использованием методики, предусматривающей выполнение измерений в 1210 точках рабочей площади СО, что обеспечивает минимальное влияние неравномерности на результат измерения, а с другой — некоторым занижением значения ир, особенно для двух последних СО.
В таблице 4 приведены расчетные данные, позволяющие провести оценку результатов сличений эталона с результатами, полученными во ВНИИМС и РТВ.
В качестве критерия согласованности представленных результатов измерений была принята
сумма значений расширенной неопределенности (ир) + (ир), соответствующих двум сравниваемым результатам. Из общих соображений очевидно, что все попарные разности в случае их согласованности должны находиться в пределах неопределенности их определения. Применение методологии, связанной с определением опорного значения, в данном случае лишено смысла,
поскольку наблюдаются большие различия в значениях расширенной неопределенности. Предпочтительными для сравнения с данными эталона являются результаты РТВ (профилометрический метод) как наиболее точные и очень хорошо согласующиеся с данными ВНИИМС, поэтому эти результаты можно квалифицировать в первом приближении как опорные значения.
Из приведенных в таблице 4 данных следует:
— результаты УНИИМ хорошо согласуются с данными ВНИИМС. Принятый критерий примерно в 2, а в одном случае в 5 раз больше полученной разности между измеренными значениям. Причем это
даже не связано с большим значением расширенной неопределенности, приведенной ВНИИМС. Например, если взять для данных, представленных ВНИИМС, значения расширенной неопределенности, приведенные РТВ для профи-лометрического метода, то для всех СО и в этом случае наблюдается хорошая согласованность;
— согласованность данных УНИИМ с РТВ (профилометри-
ческий метод) наблюдается для
3 из 4 СО. Превышение в одном случае составляет 0,6 г/м2 или 0,4 %. Объяснение данного расхождения может быть двояким. Или РТВ несколько занизил значение ир для СО № 8202079, или плотность цинка в покрытии, а для данного СО с большим значением ПП это вполне возможно, составляет не 7,13 г/см2, а 7,11 г/см3;
— наблюдается неудовлетворительная согласованность между результатами УНИИМ и РТВ (магнитный метод). Для 3 из
4 СО разность превышает критерий, причем в 1,2—2,8 раза. При этом самая заметная несогласованность наблюдается для
Таблица 4
Сравнение результатов УНИИМ с результатами ВНИИМС и РТВ
Номер СО
УНИИМ и ВНИИМС
разность, г/м2
(ир) + (ир), г/м2
УНИИМ и РТВ (профил.)
разность, г/м2
(ир) + (ир), г/м2
УНИИМ и РТВ (магн.)
разность, г/м2
(ир) + (ир), г/м2
8202110 8202103 8202062 8202079
-0,4 2,4 -3,4 -3,4
2,2 5,3 5,8 6,2
-0,9 3,3 -2,4 -4,3*
1,2 3,5 3,3 3,7
-1,3 5,5* -10,7* -5,4*
2,2 3,8 4,3 4,7
Примечание. Знак * означает превышение разности результатов измерений по сравнению с выбранным критерием.
Certified Reference Materials № 1, 2005
Стандартные образцы..
39
СО № 8202062, и это также наблюдается при сравнении результатов, полученных магнитным методом, с данными, полученными профилометрическим методом, как РТВ, так и ВНИИМС. Данный факт объясняется заниженными значениями ир для результатов, полученных магнитным методом. Обычно магнитные толщиномеры покрытий имеют относительную погрешность ±5 %, а в [6] указано даже ±10 %. РТВ привел значения расширенной неопределенности от 1,2 до 2,0 % для 3 последних образцов и 5 % только для первого СО, причем для этого СО получена хорошая согласованность для всей группы результатов измерений, включая магнитный метод.
Данные, приведенные РТВ для рентгенофлуоресцентного метода, не рассматривались, поскольку не были представлены значения расширенной неопределенности. Вместе с тем разность между значениями УНИИМ и РТВ для этого метода для СО № 8202110, 8202062, 8202079 составляет от 1,6
гЛЙ2
6 4 2 О -2 -4 -6
до 2,8 г/м2 и только для СО № 8202103 составляет 7,4 г/м2. Результаты можно признать согласованными, если принять расширенную неопределенность результатов измерений ПП цинкового покрытия на СО, полученных РТВ с использованием рентге-нофлуоресцентного метода, равной 5 %, что является характерным для этого метода [7].
С целью оценки полученных результатов с использованием опорного значения проведен расчет опорного значения для каждого СО. В качестве опорного значения принято среднее арифметическое значение по результатам измерений, полученным в УНИИМ и РТВ (профилометри-ческий метод).
Для наглядности на рис. 1 графически представлены отклонения результатов измерений, в том числе ВНИИМС, от рассчитанных опорных значений.
По оси X отложены опорные значения, а по оси У — отклонения измеренных значений от рассчитанного опорного значения.
Как видно из рис. 1, результаты измерений на эталоне для всех 4 СО хорошо коррелируют с опорными значениями, свидетельством чему является тот факт, что разность между измеренным значением и опорным меньше расширенной неопределенности.
Такая же положительная оценка может быть дана результатам, представленным ВНИИМС.
Для данных, представленных РТВ (профилометрический метод), наблюдается незначительная несогласованность для одного СО. Возможно, представленное РТВ значение расширенной неопределенности несколько занижено.
В целом на основании полученных результатов двусторонних сличений можно сделать следующие выводы:
— полученные на эталоне результаты измерений поверхностной плотности цинкового покрытия на стали хорошо согласуются с данными, полученным ВНИИМС и РТВ на эталонных СИ, основанных на профиломет-рическом методе. Незначительная несогласованность с данными РТВ для одного из 4 СО объяснима и связана с возможным отклонением плотности цинка в покрытии от справочного значения;
— неудовлетворительная согласованность результатов, полученных на эталоне, с данными РТВ для магнитного метода объясняется заниженными значениями расширенной неопределенности, приведенными для данного метода;
— полученные результаты сличений позволяют в будущем после дополнительных исследований проводить аттестацию СО
г
1 * I
1 2 о 0 6 а о к ю 1. :0 1' 1С 1 ю 11
♦ 8202110УНИИМ ■ 8202110 ВНИИМС • 8202110 РТВ
♦ 8202103 УНИИМ ■ 8202103 ВНИИМС • 8202103 РТВ
♦ 8202062 УНИИМ • 8202062 ВНИИМС • 8202062 РТВ
♦ 8202079 УНИИМ ■ 8202079 ВНИИМС • 8202079 РТВ
Рис.1. Оценка степени согласованности результатов измерений с опорным значением
СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ № 1, 2005
40
Стандартные образцы..
поверхностной плотности и толщины покрытий, т. е. одновременно в двух единицах;
— накоплен определенный опыт в организационном и техническом отношении, который будет использован при подготовке и проведении ключевых сличений государственного специального эталона ГСЭ 168—2005 с эталонными СИ других ИМИ.
В 2006 г. запланировано проведение ключевых сличений в рамках темы КООМЕТ с участием всех заинтересованных ИМИ.
Литература:
1.ГОСТ 8.537—85. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поверхностной плотности покрытий в диапазоне 0,001—1,000 кг/м2.
2. ГОСТ 18061—90. Толщиномеры радиоизотопные. Общие технические условия.
3. ГОСТ Р 52246—2004. Прокат листовой горячеоцинкованный. Технические условия.
4. Р 50.2.006—2001. Рекомендация. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений толщины покрытий в диапазоне от 1 до 20 000 мкм.
5. РМГ 43—2001. ГСИ. Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений».
6. ИСО 2178—82. Иемагнитные покрытия на магнитных основных металлах. Измерение толщины покрытия. Магнитный метод.
7. ИСО 3497—2000. Покрытия металлические. Измерение толщины покрытия. Спектрометрические рентгеновские методы.
Автор статьи:
Казанцев В. В.
Заведующий лабораторией ФГУП УИИИМ, к. х. н., член-корреспондент Метрологической академии, направление деятельности — обеспечение единства измерений поверхностной плотности, толщины и других параметров покрытий. Публикаций — 50, патентов — 4.
Телефон/факс:
(343) 355-48-85 e-mail:
Certified Reference Materials № 1, 2005
