Испытательное оборудование: классификация, функции и место в лабораторной практике

В современной промышленности, науке и техническом регулировании ключевую роль играет объективная оценка качества продукции, свойств материалов и надежности изделий. Основным инструментом для получения такой оценки выступает испытательное оборудование (далее – ИО). В соответствии с нормативной документацией (ГОСТ Р 8.568-2017), под этим термином понимают техническое устройство, предназначенное для воспроизведения условий испытаний.  Иными словами, это средство испытаний, которое создает заданные воздействия на объект – механические, климатические, электрические, радиационные или иные – с целью проверки соответствия характеристик этого объекта установленным требованиям.

Чтобы понять, что такое испытательное оборудование в лаборатории, необходимо провести четкую грань между ним и смежными категориями технических средств. ИО само по себе, как правило, не выдает числового значения измеряемой величины в единицах СИ. Его функция – формирование среды или нагрузки. Например, климатическая камера создает определенную температуру и влажность, а вибрационный стенд генерирует механические колебания. Собственно измерение параметров объекта (деформации, тока, температуры нагрева образца) выполняется уже другими устройствами.

Испытательное оборудование в метрологии: статус и требования

Вопрос о месте и роли ИО в метрологии является одним из ключевых для обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение ИО регламентируется государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ). В отличие от средств измерений (СИ), которые подлежат поверке, для испытательного оборудования установлена процедура аттестации.

Аттестация испытательного оборудования – это определение нормированных точностных характеристик ИО, проверка их соответствия требованиям нормативных документов и установление пригодности данного устройства к эксплуатации. В ходе аттестации подтверждается, что установка способна воспроизводить условия испытаний (температуру, давление, силу удара и т.д.) с заданной в методике испытаний точностью.

Важно отметить, что если в составе ИО присутствуют встроенные средства измерений (например, термопара в сушильном шкафу или датчик силы в разрывной машине), то эти встроенные СИ подлежат поверке в установленном порядке. При этом конструкция ИО должна либо позволять демонтировать эти СИ для поверки, либо предусматривать возможность их поверки на месте без демонтажа.

Чем отличается средство измерения от испытательного оборудования

Ключевой вопрос для специалистов лабораторий: чем отличается средство измерения от испытательного оборудования? Различие лежит в функциональном назначении.

Средство измерения (СИ) – это техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики. Оно непосредственно воспроизводит или хранит единицу физической величины, либо позволяет сопоставить с ней измеряемую величину. Примеры СИ: линейка, штангенциркуль, весы, манометр, секундомер. Результатом работы СИ является количественное значение с указанием погрешности.

ИО, как указано выше, служит для воспроизведения условий испытаний. Оно само по себе не измеряет свойство объекта; оно воздействует на объект. Например, разрывная машина растягивает образец до разрушения, но силу и удлинение измеряют встроенные в нее датчики (которые и являются СИ). Таким образом, разрывная машина в целом – это испытательное оборудование, а входящие в ее состав динамометр и датчик перемещения – средства измерения.

Существует также категория оборудования, которое совмещает обе функции. В таких устройствах сложно однозначно определить, чем отличается средство измерения от испытательного оборудования, так как они конструктивно неразделимы. В этих случаях для всего комплекса применяются специальные процедуры метрологического контроля, а встроенные СИ, если их невозможно изъять, поверяются в составе установки по специальным методикам.

Отличие испытательного и вспомогательного оборудования

Не менее важным является понимание отличия испытательного и вспомогательного оборудования. Эта дифференциация необходима для правильной организации лабораторного хозяйства, планирования затрат и разработки процедур технического обслуживания.

Вспомогательное оборудование – это технические средства, которые не создают нормированных условий испытаний и не используются непосредственно для измерений, но участвуют в процессе подготовки, проведения или обеспечения исследований. К ним относят:

• лабораторные столы и шкафы;
• системы вентиляции и очистки воздуха (если они не являются частью испытательной установки);
• устройства для пробоподготовки (дробилки, мельницы, прессы для изготовления образцов), если они не нормируются методикой испытаний;
• емкости, посуда, инструменты для монтажа образцов.

Основное отличие испытательного и вспомогательного оборудования заключается в том, что от исправности и характеристик ИО напрямую зависит достоверность результатов испытаний; поэтому оно и подлежит обязательной периодической аттестации. Вспомогательное оборудование, как правило, не аттестуется; его техническое состояние поддерживается в рамках планово-предупредительного ремонта и проверяется при вводе в эксплуатацию. Письмо Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения и социального развития от 22.07.2008 № 01И-452/08 прямо указывает, что стерилизаторы, центрифуги, термостаты, сухожаровые и вытяжные шкафы не являются испытательным оборудованием и не подлежат аттестации по ГОСТ Р 8.568, если иное не предусмотрено нормативной документацией на конкретные виды испытаний.

Виды испытательного оборудования

Классификация ИО может проводиться по нескольким признакам: по принципу действия, по создаваемому воздействию, по степени автоматизации и по отраслевой принадлежности. Наиболее распространенной является классификация по роду воспроизводимых факторов воздействия.

1. Оборудование для механических испытаний

Этот вид ИО предназначен для проверки способности материалов и изделий выдерживать статические и динамические нагрузки. Примеры:

• Разрывные и универсальные испытательные машины: создают растягивающие, сжимающие или изгибающие усилия для определения предела прочности, модуля упругости, относительного удлинения.
• Машины для испытаний на усталость: циклически нагружают образец для определения предела выносливости.
• Копры (маятниковые и падающего груза): создают ударную нагрузку для определения ударной вязкости (метод Шарпи, Изод).
• Твердомеры (статические и динамические): вдавливают индентор в материал для измерения твердости. Важно отметить, что сам твердомер является ИО, а индикатор глубины отпечатка или диагональ отпечатка (измеряемая с помощью микроскопа) – это СИ.
• Приборы для испытаний на абразивный износ: моделируют процесс истирания.

2. Оборудование для климатических испытаний

Климатическое ИО воспроизводит различные атмосферные воздействия, которым изделие может подвергаться при хранении, транспортировке или эксплуатации.

• Термокамеры и термостаты: поддерживают заданную температуру в рабочем объеме (от глубокого минуса до высоких плюсовых значений). Используются для испытаний на тепло- и холодостойкость.
• Климатические камеры: помимо температуры, регулируют относительную влажность воздуха. Применяются для проверки влагостойкости электроники, покрытий, упаковки.
• Камеры тепла и холода: специализированные установки для ускоренных климатических испытаний.
• Камеры соляного тумана: создают агрессивную коррозионную среду для проверки защитных покрытий.
• Камеры пыли (пылевые камеры): воспроизводят условия запыленности для оценки пылезащищенности оболочек изделий.
• Камеры солнечной радиации: имитируют воздействие УФ-излучения и полного спектра солнечного света для проверки светостойкости материалов.
• Барокамеры и камеры низкого давления: используются для испытаний на воздействие пониженного атмосферного давления (условия высокогорья, разгерметизация).

3. Оборудование для испытаний на воздействие внешних факторов

Сюда входят установки, воспроизводящие более специфические виды воздействий:

• Вибрационные стенды: генерируют механические колебания с заданной частотой и амплитудой для проверки вибропрочности и виброустойчивости.
• Ударные стенды: создают одиночные или многократные ударные перегрузки.
• Установки для испытаний на водонепроницаемость и пылезащищенность (камеры дождя и пыли): проверяют степень защиты оболочек (IP-коды).

Примерный перечень испытательного оборудования лаборатории

Составление перечня испытательного оборудования является обязательной процедурой при организации лаборатории, подготовке к аккредитации или при внедрении системы менеджмента качества. В перечень включаются все единицы оборудования, которые непосредственно используются для воспроизведения условий испытаний согласно действующим в лаборатории методикам.

Ниже представлен примерный перечень ИО для типовой промышленной лаборатории материаловедения.

Назначение / вид испытаний	Примерная единица ИО	Ключевая характеристика
Механические статические	Универсальная испытательная машина (разрывная)	Диапазон усилий (от 0 до 100 кН, 0 до 300 кН)
Механические динамические (удар)	Копер маятниковый (например, для Шарпи)	Энергия удара (от 50 до 300 Дж)
Определение твердости	Стационарный твердомер (Роквелл, Бринелль, Виккерс)	Диапазон шкал, нагрузка на индентор
Климатические (температура)	Сушильный шкаф / Термокамера	Диапазон температур (+50 до +300 °C)
Климатические (влажность)	Климатическая камера	Диапазон влажности (от 20% до 98%)
Коррозионные	Камера соляного тумана	Температура камеры, расход раствора
Специальные (износ)	Машина трения (по схеме «палец-диск» или «шар-диск»)	Скорость скольжения, нормальная нагрузка

Этот перечень испытательного оборудования не является исчерпывающим и может быть расширен или изменен в зависимости от специфики деятельности лаборатории (строительная, медицинская, химическая, машиностроительная и т.д.).

Примеры испытательного оборудования

Для лучшего понимания материала приведем конкретные примеры из различных областей промышленности и науки:

Пример 1. Универсальная разрывная машина для испытаний на растяжение и сжатие

Данный тип оборудования относится к классу электромеханических или гидравлических машин и предназначен для статических испытаний. В лаборатории материаловедения такую машину используют для определения следующих характеристик:

• предел прочности при растяжении (например, для стального образца);
• относительное удлинение после разрыва (пластичность материала);
• предел текучести (напряжение, при котором начинается неупругая деформация);
• сопротивление сжатию (для бетонных кубов или цилиндров).

Принцип работы: образец закрепляется в верхнем и нижнем захватах. Подвижная траверса движется с заданной скоростью, растягивая или сжимая образец. Встроенные датчик силы (тензодатчик) и датчик перемещения (который является средством измерения) регистрируют значения. Машина в целом – это испытательное оборудование, а её датчики – средства измерения, подлежащие поверке.

Пример 2. Маятниковый копёр для испытаний на ударный изгиб (методы Шарпи и Изод)

Это устройство предназначено для динамических испытаний. Его применяют для оценки ударной вязкости металлов, пластмасс и композитных материалов. В ходе испытания маятник, зафиксированный на определённой высоте, свободно падает и разбивает образец, расположенный на двух опорах.

Ключевые характеристики, которые определяет данное устройство:

• работа разрушения (поглощённая энергия удара, в джоулях);
• характер излома (вязкий, хрупкий, смешанный).

Маятниковый копёр воспроизводит ударную нагрузку с нормированной скоростью и энергией, что делает его испытательным оборудованием. Шкала на самом копре, по которой считывают угол подъёма маятника после удара, является средством измерения (так как пересчёт угла в энергию требует метрологической аттестации шкалы).

Пример 3. Пластомер (прибор для измерения индекса расплава термопластов)

Это специализированное оборудование для реологических испытаний полимеров. Пластомер создаёт заданные условия (температуру и механическую нагрузку) для определения текучести расплава.

Процедура испытания:

1. Гранулы полимера загружаются в нагретый цилиндр прибора.
2. Задаётся температура (например, 190 °C для полиэтилена) и масса поршня (нагрузка, например, 2.16 кг или 5.0 кг).
3. Расплав выдавливается через калиброванный капилляр.
4. Измеряется масса экструдата (выдавленного материала), собранного за фиксированный интервал времени (например, 10 минут).

Пластомер (нагреватель, капилляр, поршень с грузами) – это испытательное оборудование. Аналитические весы для взвешивания экструдата являются отдельным средством измерения, которое должно быть поверено. Результат (индекс расплава в г/10 мин) позволяет судить о молекулярной массе и технологичности полимера при переработке.

Заключение

Таким образом, ИО является неотъемлемой и критически важной частью любой современной лаборатории, занимающейся контролем качества, сертификацией продукции или научными исследованиями. Понимание того, что такое испытательное оборудование в лаборатории, умение отличать его от средств измерений и вспомогательных устройств, а также грамотное составление перечня испытательного оборудования – это базовые компетенции, необходимые для обеспечения достоверности и воспроизводимости результатов испытаний.

Знание нормативной базы, в частности требований к аттестации ИО, позволяет правильно организовать процесс метрологического обеспечения, избежать ошибок при подготовке к проверкам и аккредитации, а также гарантировать, что выпускаемая продукция или результаты исследований соответствуют самым строгим стандартам качества и безопасности.