Метрологическое обеспечение измерительных систем (стр. 1 )

Федеральное Агентство по техническому регулированию и метрологии

ФГУП “ВНИИМС”

ФГУ “Пензенский ЦСМ”

Метрологическое обеспечение

измерительных систем

Сборник докладов V международной
научно-технической конференции

6–9 октября 2008 г.

Пенза

УДК 621.317

Метрологическое обеспечение измерительных систем. / Сб. докл. V межд. науч.-техн. конф. Под ред. . – Пенза, 2008. – 108 с.

В сборник включены доклады, представленные на V международной научно-технической конференции “Метрологическое обеспечение измерительных систем”, состоявшейся 6–9 октября 2008 г. в г. Пенза.

В докладах рассмотрены актуальные вопросы правовой и нормативной базы метрологического обеспечения измерительных систем (ИС), проблемы метрологического обеспечения при эксплуатации ИС, метрологической аттестации программного обеспечения ИС, а также вопросы разработки новых ИС и их компонентов, информация об опыте применения и метрологического обслуживания ИС.

Ó ФГУП “ВНИИМС”, 2008

Ó ФГУ “Пензенский ЦСМ”, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 5

Средина метрологического обеспечения измерительных систем на этапах их жизненного цикла 5

О выборочной поверке измерительных каналов измерительных систем 8

Кондратов распределения погрешностей
в течение времени наработки на метрологический отказ
и их свойства........................................................................................................ 10

Бержинская метод назначения характеристик нестабильности средств измерений 23

, Лысенко воспроизведения, хранения единицы длины и передачи ее размера
в области измерений геометрических параметров
поверхностей сложной формы........................................................................ 28

, Тормасов длительности миграции виртуальных серверов в распределённой системе 32

, Кострикина обеспечение испытательных ударных установок 43

Бойко СВ., Гарельский -вероятностная оценка безопасности услуг энергоснабжения потребителей 49

2. Метрологическое обслуживание систем измерений электрической энергии 57

В., К вопросу о методиках
выполнения измерений параметров вторичных цепей............................. 57

, ,
Поверка генераторных ИТТ с применением оборудования
“НПП Марс-Энерго”.......................................................................................... 64

, Созинова
метрологического обеспечения АИИС КУЭ бытового сектора............. 70

3. Метрологическое обслуживание систем измерений тепловой энергии 73

Осипов МВИ в измерениях тепловой энергии.................. 73

О диагностических функциях теплосчетчиков........ 84

4. Новые разработки измерительных систем
и их компонентов.............................................................................................. 88

, Ильяшенко система непрерывного контроля качества электроэнергии 88

Нефедьев система
измерения (воспроизведения) переменного напряжения
на основе электростатического компаратора.......................................

, Данилов встроенного метрологического контроля измерительных каналов
измерительных систем..................................................................................

1. Общие вопросы метрологического
обеспечения измерительных систем

технического задания возникают вопросы и неточности в постановке основных метрологических задач – формулировании требований к погрешности измерений системой технологических параметров. Это можно объяснить как расширением областей автоматизации объектов и технологических процессов, так и тем, что существующие метрологические требования, содержащиеся, главным образом, в отраслевых руководящих документах, не пересматриваются достаточно давно. В качестве примеров можно привести требования к погрешности измерительных каналов систем автоматизации нефтеперекачивающих станций
ОАО “АК Транснефть” [2] и другие подобные документы, в которых требования к погрешности сформулированы в достаточно общем виде. Как правило, указывается основная погрешность, а требования к погрешности измерений искомого технологического параметра в рабочих условиях применения измерительных компонентов системы не задаются, хотя погрешность измерений в рабочем диапазоне применения компонентов может кратно превышать основную.

В другом нормативном документе [3] в разделе 6 “Требования к подсистеме телемеханики” указаны требования к погрешности временных параметров систем телемеханики и связи в электроэнергетике в следующем виде: наряду с точностью привязки времени в системе телемеханики к единому астрономического времени не хуже ± 50 мс и ведения единого времени в системе телемеханики с точностью не хуже ± 0,5 с указаны погрешность привязки сигналов телесигнализации (ТС) к меткам времени (не хуже 1 мс на уровне устройств ввода-вывода). По поводу же привязки сигналов телеизмерений требования впрямую не сформулированы.

В этом случае метрологические требования логично уточнять на этапе составления ТЗ на разработку систем, поскольку от правильно сформулированных требований зависят во многом проектные решения и стоимость приобретаемого оборудования.

В проектных же организациях при обширном круге задач, решаемых проектировщиками, метрологические вопросы решаются во вторую очередь, зачастую метролог на этапе проектирования к составлению ТЗ не привлекается. Особенно это касается сравнительно “молодых” по возрасту проектных организаций, где наблюдается явная нехватка метрологов в области измерительных систем. Все определяется метрологической культурой проектировщиков, их опытом и знаниями.

На этапе составления ТЗ нужно выделить часть системы, относящейся к поднадзорной области. При этом статья закона “Об обеспечении единства измерений” дает направление такого анализа. Вместе с тем для проектировщиков это является достаточно сложной задачей.

Ввод в рабочую эксплуатацию системы проводится, как правило, при наличии сертификата утверждения типа и наличии методики поверки, апробированной при испытаниях типа системы, а также полного комплекта технической документации.

Наряду с томами схем, программной документации оно содержит достаточно краткое по сравнению с другими документами Руководство по эксплуатации на систему и ее паспорт. Содержание и структура этих документов – такая же, как для других средств измерений, однако большое количество измерительных компонентов системы, сложные организационные связи подразделений, участвующих в сопровождении эксплуатации системы, приводит к тому, что выяснить реальный состав системы на текущий день можно после сбора информации этих подразделений, поскольку в паспорте записи практически отсутствуют.

Традиционно метрологи отвечают за поверку датчиков, по этим вопросам взаимодействуют с КИП. За вторичную часть системы (искровые барьеры, нормирующие преобразователи и контроллеры) отвечает подразделение АСУ, эксплуатирующее систему. Диспетчер ведет журнал, в котором заносятся записи о замене измерительных компонентов, однако на практике эта информация редко поступает к метрологам. За заменой измерительного компонента системы должны следовать калибровка или поверка измерительного канала, где произошла замена, эти процедуры зачастую запаздывают и документируются не всегда или с задержками. Такую ситуацию можно понять, но, на мой взгляд, взаимодействие подразделений, эксплуатирующих ИС, должно быть продумано и оформлено в рамках стандартов предприятия с тем, чтобы зафиксировать порядок действий и проводимый перечень метрологических работ на предприятии. В любом случае, служба метролога должна быть в курсе всех замен измерительных компонентов системы и отвечать за своевременное метрологическое обеспечение.

Усложнение измерительного оборудования, применяемого на производстве, расширение областей применения систем повышает роль метрологических служб предприятий и проектных организаций, требует повышения метрологической культуры, внедрения новых технологий в работе, более тесного взаимодействия подразделений предприятий, эксплуатирующих измерительные системы.

Литература

1. ГОСТ Р 8. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения

2. РД 153-39. Автоматизация и телемеханизация магистральных нефтепроводов
. Основные положения

3. Приложение № 2 к Регламенту взаимодействия Корпоративного центра, Центра управления реформой, Бизнес-единиц, ДЗО (ВЗО) “ЕЭС России”, ОАО “СО-ЦДУ ЕЭС” и ОАО “ФСК ЕЭС” при создании (модернизации) и приеме в эксплуатацию систем обмена технологической информацией с автоматизированной системой Системного оператора.

Автор

– зам. начальника отдела метрологического обеспечения измерительных систем ФГУП “ВНИИМС”

Россия, Москва, ул. Озерная, 46 www. *****

Тел. (4E-mail: *****@***ru

О выборочной поверке
измерительных каналов измерительных систем

В последнее время с появлением измерительных систем (ИС), содержащих от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч однотипных измерительных каналов (ИК), всё чаще приходится слышать вопрос: “А нельзя ли проводить выборочную поверку ИК в таких ИС?” C таким мнением нельзя не считаться. Дело в том, что интенсивность эксплуатации компонентов ИК приблизительно одинакова, сами компоненты находятся в схожих условиях эксплуатации, а потому можно предположить, что процессы старения в них происходят аналогично.

Правовая сторона вопроса

Из пунктов 2.3 и 2.7 ПР 50.2.006 [1]:

“2.3. Первичной поверке подлежит, как правило, каждый экземпляр средств измерений. Допускается выборочная поверка.

…

2.7. Периодическую поверку должен проходить каждый экземпляр средств измерений”

следует, что выборочная поверка возможна лишь при проведении первичной поверки и не распространяется на периодическую поверку средств измерений (СИ).

Следовательно, каждый экземпляр ИС должен проходить периодическую поверку.

Вместе с тем в пункте 1.6 ПР 50.2.006 [1] сказано, что “поверка производится в соответствии с нормативными документами, утверждаемыми по результатам испытаний по утверждению типа средства измерений”. Следовательно, ПР 50.2.006 [1] не накладывают ограничений на количество ИК, проверяемых в процессе поверки.

Таким образом, проведение выборочной проверки (не поверки!) ИК должно быть предусмотрено методикой поверки ИС, утверждаемой по результатам испытаний по утверждению её типа.

Обеспечение передачи размера единиц величин

Здесь возможно два случая: передача размера единиц величин поэлементно или комплектно.

В первом случае – поэлементной передачи размера единиц величин – компоненты ИК, являющиеся СИ, должны быть поверены в соответствии с требованиями нормативных документов, регламентирующих их поверку. При этом среди операций периодической поверки ИС будут отсутствовать продолжительные экспериментальные проверки, а сама поверка не займёт много времени, т. к. среди операций поверки будут, в основном, проверка документов и идентификация программного обеспечения. По результатам выполнения этих операций вполне можно будет судить о пригодности ИС к применению.

Таким образом, в случае поэлементной передачи размера единиц величин компонентам ИК не имеет смысла вести речь о выборочной поверке ИК ИС.

Во втором случае – комплектной передачи размера единиц величин (или “частично комплектной” – при передаче размера единиц величин ИК без датчика, но с линиями связи) – вопрос о выборочной поверке ИК ИС также теряет смысл. Дело в том, что размер единиц величин должен быть передан каждому ИК, а не некоторым “выборочным” ИК. По-видимому, имеет смысл говорить лишь о выборочной проверке результатов калибровки ИК, выполненной “аккредитованными в установленном порядке в области обеспечения единства измерений юридическими лицами
или индивидуальными предпринимателями”, которые “могут быть использованы при поверке средств измерений” [2].

Вывод

Проведение выборочной проверки ИК при проведении поверки ИС:

– гипотетически не противоречит требованиям ПР 50.2.006 и должно быть предусмотрено методикой поверки ИС, утверждаемой по результатам испытаний по утверждению её типа,

– практически не имеет смысла как для ИК с поэлементной передачей размера единиц величин его компонентам, так и с комплектной передачей размера единиц величин ИК (поскольку передача размера единиц величин должна быть выполнена каждому ИК).

Литература

1. ПР 50.2.006-94 Порядок проведения поверки средств измерений.

2. Федеральный закон “Об обеспечении единства измерений” от 01.01.01 г.

Автор

– зам. директора ФГУ “Пензен-ский ЦСМ”, д. т.н., профессор

Россия, Пенза, www. pcsm. *****

Тел. (841, E-mail: *****@***ru

Функции распределения погрешностей
в течение времени наработки
на метрологический отказ и их свойства

Введение

Метроника – это наука о теоретических и практических аспектах прогнозирования, определения параметров и обеспечения метрологической надежности (МН) и сверхнадежности средств измерений (СИ) разного класса точности. Данное понятие установлено по первым буквам слов выражения “метро-логическая н-адежность
и-змерительных ка-налов”.

При определении параметров надежности СИ ученые и специалисты широко используют разные законы распределения случайных величин: распределение Вейбулла, распределение Релея, экспоненциальное распределение, гамма-распределение, логарифмически нормальное распределение и другие.

Если в теории функциональной надежности используются функции плотности распределения вероятностей отказов во времени, то в теории МН должна использоваться функция распределения средней по значению погрешности результата многократных измерений нормированной по значению физической величины (ФВ) в течение (интервала) времени наработки на метрологический отказ (МО).

В течение 70-ти лет ученые и специалисты не смогли предложить такие прогнозные функции распределения, которые объединяли бы МХ с параметрами и характеристиками МН СИ.

Среди упомянутых функций распределений наиболее перспективной и достаточно гибкой является функция распределения, предложенная и введенная в практику шведским инженером Валодди Вейбулла (Waloddi Weibull) в 1939 году, вида

, (1)

где – текущее время; – параметр формы распределения Вейбулла; – параметр масштаба распределения Вейбулла.

Всесторонний анализ данной функции провел проф. в 1941 году. Поэтому эта функция известна еще под названием „функция распределения Гнеденко-Вейбулла”. Упомянутая функция при разных значениях ее параметров может менять свою форму: от линейной до экспоненциальной, логарифмической и более сложной, т. е. описывает широкий спектр эмпирических распределений. Однако, несмотря на упомянутые преимущества, эта функция не обеспечивает высокую точность определения параметров МН, поскольку ее параметры не связаны с параметрами и МХ СИ.

Целью работы является ознакомление ученых и специалистов с результатами синтеза и анализа функции распределения абсолютных, относительных и приведенных (основных и дополнительных) погрешностей, приведенных к выходу или входу измерительных каналов (ИК), в течение времени наработки на отказ.

Результаты и обсуждение

Автором были установлены основные системные требования, которым должны удовлетворять функции распределения нормируемых МХ в течение времени наработки на МО. Они описаны в работе [1] и докладывались на конференции в г. Одесса [2]. С учетом установленных требований, 7-го мая 2007 года на базе функции распределения Вейбулла, но после обновления, модификации и стабилизации некоторых ее параметров, была синтезирована новая, с заданными свойствами, функция распределения, получившая название „функции распределения Кондратова-Вейбулла” или „функции распределения значений нормируемой погрешности в течение времени наработки на МО”.

Полученная функция описывается уравнением величин вида:

, (2)

где – любая нормируемая МХ СИ; – параметр чувствительности функции (2) к МХ СИ определенного типа,

(3)

где – действительное число Эйлера (); – смещение функции распределения, которое представляет собой усредненную нормируемую погрешность результата многократных измерений нормированной по значению ФВ в момент времени ; – нормированная по значению доверительная граница нормируемой погрешности; – коэффициент метрологического запаса (); – текущее (календарное) время измерений нормируемой погрешности результата измерений в годах. Индекс „х” указывает на непрерывное или дискретное изменение данного параметра); – время наработки на метрологический отказ в годах;  – параметр формы или показатель степени нелинейности функции; ; , , с присущими только для данного типа СИ параметрами и , и .

Исследования показали, что при , положение вершины графика функции распределения Вейбулла не соответствует задаваемому числовому значению времени наработки на отказ. Для обеспечения данного условия необходимо вводить соответствующую поправку. Было установлено, что только при условии , вершина графика функции распределения Вейбулла соответствует задаваемому числовому значению . Поэтому, наибольший интерес представляет разновидность функции распределения Кондратова-Вейбулла вида [1]

. (4)

С учетом (3), запишем функции распределения Кондратова-Вейбулла во времени абсолютной, приведенной и относительной погрешности соответственно:

, (5)

, (6)

, (7)

где , или – нормированная по значению доверительная граница абсолютной, приведенной или относительной погрешности, соответственно; , и  – смещение функции распределения, которое представляет собой, соответственно, усредненную абсолютную, приведенную или относительную погрешность результата многократных измерений нормированной по значению ФВ в момент времени .

Запишем функцию распределения Кондратова-Вейбулла (4) через коэффициент метрологического запаса, т. е. в виде

. (8)

На основании функции распределения Кондратова-Вейбулла (8) можно вывести, например, функцию распределения значений коэффициента метрологического запаса в течение времени наработки на МО:

. (9)

Предположим, что МХ , и представляют собой первую группу основных МХ СИ. Тогда ко второй группе МХ СИ можно отнести абсолютное, относительное или приведенное изменение во времени чувствительности (общей или ее отдельных составляющих) НФП ИК, т. е. , , , и , где – отклонение чувствительности НФП от номинального значения (или среднее по N значениям дестабилизирующих факторов изменение чувствительности); – отклонение чувствительности от воздействия i-го дестабилизирующего фактора; – максимально допустимая чувствительность.

Для первого случая абсолютного отклонения чувствительности функция распределения Кондратова-Вейбулла примет вид:

, (10)

где – текущее приращение чувствительности в моменты времени ; – начальная чувствительность НФП, соответствующая моменту времени , т. е. ; – граничное (допустимое) приращение чувствительности НФП.

В том случае, когда рассматриваются приведенные к входу относительные мультипликативные составляющие погрешности: линейная или нелинейная , зависящие от изменения чувствительности, то функция распределения во времени данной погрешности или относительной чувствительности функции преобразования опишется уравнением величин

. (11)

где – текущая относительная чувствительность (или приведенная к входу относительная мультипликативная погрешность) в моменты времени ; – начальная относительная чувствительность НФП, соответствующая моменту времени , т. е. ; – предельно допустимая относительная чувствительность НФП.

В частном случае линейной функции преобразования (ЛФП) изменение во времени относительной чувствительности (или приведенной к входу относительной мультипликативной составляющей погрешности) опишется функцией распределения того же вида

, (12)

но с иными индексами.

В простейшем случае НФП изменение во времени относительной чувствительности (или приведенной к входу СИ относительной мультипликативной составляющей погрешности) опишется функцией распределения того же вида

. (13)

В (12) и (13) использованы следующие обозначения при ЛФП и НФП ИК, соответственно: и – текущая относительная чувствительность; и – начальная относительная чувствительность, соответствующая моменту времени ; и – допустимая или граничная по значению относительная чувствительность (граничная относительная чувствительность).

При изменении приведенной чувствительности (например, к максимальному значению ) в течение времени наработки на отказ, функция распределения опишется уравнением величин

, (14)

где – значение приведенной чувствительности НФП в момент времени , т. е. ; – допустимая по значению приведенная чувствительность (граничная приведенная чувствительность) НФП; – приращение чувствительности.

Таким образом, функция распределения Кондратова-Вейбулла представляет собой математическую модель, которая описывает взаимосвязь той или иной нормируемой погрешности с текущим временем, временем наработки на МО, с коэффициентом формы, с погрешностью результатов многократных измерений ФВ в момент времени () начала эксплуатации, в моменты времени очередной поверки СИ и с пределами допускаемой нормируемой погрешности (классом точности) СИ того или иного типа.

Функция распределения Кондратова-Вейбулла и ее разновидности предназначены для решения задач МН, например: прогнозирования и определения срока сохраняемости МХ СИ, определения текущего значения коэффициента метрологического запаса, времени проведения первой и последующих поверок и т. д.

Функция распределения Кондратова-Вейбулла теоретически характеризует процесс постепенного выхода значений основной (и дополнительной) нормируемой погрешности за априори установленные пределы ее доверительных границ в результате нормальной или интенсивной эксплуатации СИ и накопления прогрессирующей погрешности. Данный процесс обусловлен монотонной деградацией (старением) функциональных и конструктивных элементов ИК СИ, – в первую очередь первичного измерительного преобразователя (датчика или сенсора), который является главным источником погрешностей и самым уязвимым элементом из конечной совокупности элементов ИК.

На рис. 1, при , сверху и снизу относительно прямой () приведено семейство графиков функции распределения Кондратова-Вейбулла (1) при разных значениях времени наработки на отказ (от 2 до 10 лет) и постоянном значении .

Рис.1. Графики функции распределения Кондратова-Вейбулла,
характеризующие изменения во времени и в пространстве
нормируемой погрешности при разных значениях
времени наработки на отказ и параметра формы

Там же приведены инвертированные относительно той же прямой графики, соответствующие при значениях параметра формы . Данные графики характеризуют свойство изменения формы при разных дискретных значениях , а также свойство изменения знака и направления возрастания приведенной погрешности относительно прямой .

Следует заметить, что максимально возможное время наработки на отказ может быть меньшим, равным или большим 50 лет, в зависимости от назначения СИ.

Отсчет времени целесообразно производить в годах или часах, например, лет, тыс. часов или часов.

Функция распределения Кондратова-Вейбулла трансформируется в экспоненциальное при и имеет единственную моду для всех значений параметра формы . При распределение имеет положительную асимметрию, а при оно приобретает отрицательную асимметрию (рис. 1). При значениях параметра формы наблюдается скошенность графиков функции распределения.