СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА Российский патент 2024 года по МПК G01D18/00 G05B19/418 

Группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться для выполнения автоматизированной поверки и калибровки, метрологического самоконтроля и других процедур по оценке метрологических характеристик, а также градуировки промышленных измерительных каналов и их компонентов.

Потенциальными областями применения являются объекты электроэнергетики, нефтегазовой и атомной отраслей, нефтехимической и перерабатывающей промышленности, а также другие производства.

На сегодняшний день с внедрением и развитием цифровой техники наблюдается повышение уровня автоматизации и увеличение числа измерительных каналов (ИК) на вновь проектируемых и строящихся промышленных объектах. Так, на современных объектах энергетики число измерительных каналов возросло в среднем в 2,5 раза по отношению к проектам 2000-2003 гг. Вместе с тем применяемые в РФ методы поверки и калибровки ИК главным образом основываются на решениях 80-90-х годов, актуальных для того уровня развития автоматизированных систем. В своем большинстве они требуют демонтажа средств измерений, отключений кабельных линий и подключений калибраторов электрических сигналов к оборудованию ИК, что приводит к неудобству метрологического обслуживания и значительным трудозатратам. Например, для поверки 14000 ИК на современном энергетическом объекте приблизительно требуется свыше 42000 человеко-часов. Возникла промышленная потребность в разработке автоматизированных бездемонтажных процедур поверки и калибровки ИК с целью оптимизации и повышения эффективности метрологического обслуживания. Исходя из этого основным назначением заявляемой группы изобретений является достижение этих целей за счет развития промышленной цифровой техники-цифровых коммуникаторов и программно-технических комплексов (ПТК). При этом заявляемая группа изобретений обеспечивает возможности дистанционного запуска автоматической калибровки и поверки ИК, что минимизирует воздействие вредных производственных факторов на эксплуатационный персонал в ходе периодического метрологического обслуживания. В отличие от известных методов поверки такие заявляемые возможности позволяют реализовать качественно новый уровень развития метрологического обеспечения промышленности.

Известен "Способ градуировки и проверки средств косвенных измерений и эталон для его осуществления" (RU №2095761, G01F 25/00, опубл. 10.11.1997). Суть изобретения состоит в том, что поверка средств косвенных измерений осуществляется с помощью эталона косвенных измерений путем имитации заданных значений параметров состояния с помощью имитаторов входных переменных в статических и динамических режимах и принятия рассчитанного значения в качестве эталонного значения.

Изобретение имеет типовые недостатки известных решений в отношении точности результатов поверки и необходимых трудозатратах на ее осуществление.

Любой калибратор, средство измерений или рабочий эталон имеют свою погрешность. Следовательно, при их подключении к диагностируемому объекту они априори привнесут свою погрешность и неопределенность в результаты оценки его метрологических характеристик (MX). Кроме того, в соответствии с нормативной базой РФ для них тоже потребуются периодические поверки. Это неизбежно влечет за собой дополнительные экономические, трудовые и временные затраты. Причем, необходимо учитывать, что поверка рабочих эталонов выполняется только в специализированных центрах, имеющих соответствующую аккредитацию.

Известна "Автоматизированная измерительная система" (RU №2397530 G05B 13/00, опубл. 20.02.2010, бюл. №5). Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение надежности за счет увеличения межповерочного интервала измерительной системы и обеспечения заданного уровня метрологических характеристик измерительной системы в течение межповерочного интервала. Система содержит управляемые источники тестовых воздействий, измерители информативных параметров, измерители параметров неуправляемых внешних воздействий и управляющую ЭВМ. Оценка метрологических характеристик производится путем соединения с помощью соединительных кабелей выходов соответствующих источников стимулирующих воздействий со входами измерителей информативных параметров, при этом соединители при необходимости содержат в своем составе согласующие звенья и обладают стабильными во времени переходными характеристиками, исключающими возникновение дополнительных погрешностей оценки сохранности метрологических характеристик измерительной системы, после чего происходит процесс измерения и оценки метрологических характеристик с помощью программы автоматического контроля сохранности метрологических характеристик, заложенной в управляющей ЭВМ.

Принципиальное отличие от предыдущего решения заключается в том, что управляемый источник тестовых воздействий и многочисленные дополнительные средства измерений включаются в сам состав измерительной системы. Следовательно, все вышеперечисленные недостатки предыдущего метода будут присущи этой системе. В довершение ко всему придется дополнительно решать достаточно сложную задачу приема тестовых воздействий измерителем в режиме непрерывного технологического процесса. В результате мало того, что сам измеритель должен быть адаптирован для такой системы, и еще необходимо установить целый ряд дополнительного оборудования. Все это приводит к повышению стоимости такой системы и сужению области ее применения.

Известен "Мобильный комплекс метролога", который применяется на некоторых объектах энергетики (Свидетельство об утверждении типа средства измерения №57995, рег. номер в российском госреестре средств измерений №59976-15, опубл. 08.05.2018; наименование СИ "Комплексы программно-технические", обозначение типа СИ "Мобильный комплекс метролога (МКМ)"). Область применения и назначение этого комплекса отчасти схожи с заявляемой группой изобретений.

Комплекс предназначен для автоматизации процедур калибровки и поверки вторичной части ИК в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). В структуру МКМ входят:

- переносной персональный компьютер (ноутбук) со встроенным адаптером интерфейса Ethernet для подключения к локальным сетям испытываемых управляющих систем,

- калибраторы электрических сигналов,

- мультиметры,

- интерфейсы связи ноутбука с калибраторами, мультиметрами, вычислительными сетями типа Ethernet и со шкафами TXS испытываемых управляющих систем.

Комплекс работает следующим образом:

- с помощью калибраторов имитируются выходные электрические сигналы датчиков,

- посредством мультиметров выполняется измерение электрических сигналов,

- по локальной сети принимается информация от испытываемых управляющих систем,

- выполняется расчет погрешности,

- проводится оценка соответствия ИК установленным требованиям,

- формируется и сохраняется протокол проведения испытаний.

Установленный межповерочный интервал такого комплекса составляет 1 год, входящих в него калибраторов-1 и 2 года, мультиметров-2 года.

Недостатком комплекса является необходимость в многочисленных переключениях кабельных линий, выполняемых вручную, и прерывание работы ИК. Таким образом, автоматизация процедур поверки обеспечивается только в объеме сбора и обработки информации, а также формирования протокола испытаний.

Исходя из назначения комплекса, оценка метрологических характеристик (MX) выполняется только в объеме вторичной части ИК, не учитывая погрешности кабельного тракта, вторичных и нормирующих преобразователей и ряда другого оборудования, входящего в состав ИК.

В целом, МКМ в определенной степени позволяет автоматизировать процедуры поверки ИК, но при этом необходимость кабельных переключений сохраняется; с учетом применения калибраторов и мультиметров он обладает такими же типовыми недостатками, что и вышеперечисленные известные решения. Собственная погрешность калибраторов, мультиметров и других средств измерений сказывается на результатах поверки ИК, и все они требуют своего периодического метрологического обслуживания. Это приводит к дополнительным эксплуатационным затратам.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Способ определения метрологических характеристик измерительного канала (варианты)» (патент RU №2749304, G01D 18/008, опубл. 08.06.2021, бюл. №16; международная публикация РСТ «Method of determination of metrological characteristics of instrument channel (variants)» №WO/2021/246916, опубл. 09.12.2021, автор Калашников A.A.). Данный способ позволяет определять метрологические характеристики (MX) измерительного канала (ИК), в котором происходит передача измерительного сигнала от измерительного устройства (ИУ) к устройствам обработки информации и/или показывающим устройствам, путем выполнения следующих действий: на (ИУ) вводится опорное значение Х_оп в пределах шкалы измерений или диапазона выходного сигнала ИУ, затем ИУ приостанавливает выдачу измерительного сигнала, значение которого функционально зависит от измеряемого параметра (например, давления, расхода жидкости, силы электрического тока), вместо измерительного сигнала по ИК передается тестовый сигнал от ИУ, значение которого функционально зависит от Х_оп, на устройствах обработки информации и/или показывающих устройствах, входящих в состав ИК, фиксируют показание Y_ик, полученное при приеме тестового сигнала, с учетом значений Х_оп и Y_ик рассчитываются метрологические характеристики ИК и/или его компонентов. Для выполнения такого способа и генерации необходимого тестового сигнала работа измерительного устройства осуществляется следующим образом: в ИУ вводится опорное значение Х_оп с помощью интерфейса ввода данных, ИУ прерывает выдачу выходного измерительного сигнала, значение которого функционально зависит от измеряемого параметра, ИУ генерирует выходной тестовый сигнал, значение которого функционально зависит от Х_оп или равняется ему.

Данный метод успешно апробирован на измерительных каналах с датчиками давления. Позволил автоматизировать процедуры поверки ИК и исключить необходимость подключений калибраторов электрических сигналов, привносящих свою погрешность в результаты поверки. Это существенно упростило процедуры поверки и повысило точность расчетов MX ИК за счет применения цифровых калибровочных опорных значений (ЦОП). Однако, реализация данного метода требует установки дополнительного программного обеспечения на ИУ (на датчиках). В ходе внедрения встретились определенные датчики, которые не имеют возможности для обновления их программного обеспечения. В такой ситуации внедрение известного метода оказалось невозможным без модернизации или замены приборного парка предприятия. Вместе с тем данный способ предусматривает запуск поверки или калибровки с кнопок ИУ, что не позволяет выполнять дистанционную поверку или калибровку ИК.

С целью расширения области применения и в развитие автоматизации процедур поверки и калибровки И К предлагается заявляемая группа изобретений, которая реализуется за счет программно-технических комплексов АСУТП, выполняющих прием и обработку сигналов от датчиков в составе самих измерительных каналов (ИК).

Задачей заявляемой группы изобретений является разработка способа определения MX ИК, позволяющего выполнить дистанционную поверку и калибровку ИК в автоматическом режиме.

В качестве уточнения. Под измерительным каналом (ИК) (так же, как в прототипе) понимается конструктивно или функционально выделяемая часть измерительной системы, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого - функция измеряемой величины (термин ГОСТ Р 8.596-2002 "ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения"). Заявляемая группа изобретений предназначена для определения MX ИК в границах от аналогового выхода измерительного устройства (включительно) до устройств записи и отображения информации. Под измерительным устройством (ИУ) понимается средство измерений, для которого нормированы метрологические характеристики, например: датчик, первичный измерительный преобразователь, вторичный или нормирующий преобразователь, осуществляющий преобразования измерительного сигнала и т.д. Под ПТК понимаются программно-технические средства, выполняющие прием и обработку сигналов от датчиков в составе измерительных каналов; дополнительно в рамках заявляемого изобретения ПТК передают на датчики калибровочное цифровое опорное значение (ЦОП) и/или команду для запуска калибровочных сигналов с датчиков или других ИУ. Под калибровочным цифровым опорным значением (ЦОП) понимается значение, по которому выполняется определение MX ИК и его компонентов, в том числе нормирующих вторичных преобразователей, устройств гальванической развязки и размножения сигналов, модулей ПТК, устройств записи и отображения информации, показывающих средств измерений, измерительных показывающих регистраторов и т.д.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой группой изобретений, является автоматизация процедур дистанционной поверки и калибровки ИК и, как следствие, уменьшение трудозатрат на их выполнение за счет исключения необходимости в запуске поверки или калибровки ИК с кнопок ИУ.

Другой технический результат обусловлен тем, что в отличие от прототипа применение ПТК обеспечивает возможность автоматического переключения ИК в режим калибровки (поверки) с целью исключения ложных срабатываний автоматических защит, блокировок и сигнализаций в ходе автоматизированной поверки и цифровой калибровки ИК и их компонентов. Это повышает промышленную безопасность в ходе выполнения периодического метрологического обслуживания ИК.

Перечисленные технические результаты достигаются с помощью выполнения заявляемого способа определения MX ИК с использованием программно-технических комплексов.

Заявляемый способ предусматривает определение метрологических характеристик измерительного канала (ИК), в котором происходит передача измерительного сигнала от измерительного устройства (ИУ) к программно-техническим комплексам (ПТК) и устройствам записи/отображения информации. В отличие от прототипа определение метрологических характеристик ИК предусматривает использование ПТК и выполняется в следующем порядке:

- от ПТК к ИУ передается калибровочное цифровое опорное значение (ЦОП) и/или команда для выдачи калибровочных тестовых сигналов,

- ИУ приостанавливает выдачу измерительного сигнала, значение которого функционально зависит от измеряемого параметра,

- вместо измерительного сигнала от ИУ передается калибровочный тестовый сигнал, значение которого функционально зависит от ЦОП,

- в ПТК и на устройствах записи и отображения информации фиксируют показание Y_ик, полученное при приеме тестового сигнала,

- с учетом значений ЦОП и Y_HK рассчитывают метрологические характеристики ИК и его компонентов, включая ПТК и устройства записи и отображения информации.

Для выполнения такого способа работа ПТК осуществляется следующим образом:

- на ПТК вводится значение(ия) ЦОП или выбирается предустановленный стандартный ряд значений ЦОП,

- по необходимости ПТК выполняет переключение ИК в режим калибровки с целью вывода его показаний из работы автоматических регуляторов, защит, блокировок и сигнализаций на время поверки и калибровки,

- ПТК передает на ИУ значение ЦОП посредством цифровой передачи данных,

- дополнительно или вместо предыдущего действия ПТК по цифровому интерфейсу или с помощью дискретного электрического сигнала передает команду на ИУ для запуска калибровочных сигналов в соответствии с ЦОП, переданных от ПТК или установленных на ИУ.

Если в самом ИУ предусмотрена возможность установки ЦОП и генерации выходных калибровочных сигналов (патент RU №2749304, G01D 18/008, опубл. 08.06.2021), то работа ПТК упрощается. В таком случае с ПТК достаточно выполнить дистанционную настройку ЦОП и передать команду на ИУ для выдачи калибровочных тестовых сигналов (т.е. выполнить дистанционный запуск режима калибратора ИУ).

Применение ПТК в сравнении с прототипом обеспечивает достижение завяленных технических результатов и развитие технологий автоматизированной поверки и калибровки ИК. Во-первых, это исключает необходимость в подключении ЦКУ, что позволяет полностью автоматизировать процедуру поверки и калибровки ИК и снизить трудозатраты на метрологическое обслуживания. Во-вторых, в отличие от ЦКУ обеспечивается возможность автоматического переключения ИК в режим калибровки с целью исключения ложных срабатываний автоматических защит и блокировок на время поверки и калибровки ИК.

Техническая возможность применения ПТК обеспечивается текущим уровнем развития промышленных программно-технических комплексов АСУТП.

Для детального рассмотрения заявляемой группы изобретений далее по тексту приводятся конкретные примеры практического осуществления способа определения MX ИК.

На Фигуре 1 схематично представлена передача сигналов в ходе калибровки ИК с использованием программно-технического комплекса, входящего в состав калибруемого ИК.

Заявляемый способ предусматривает определение метрологических характеристик (MX) измерительного канала (ИК), в котором происходит передача измерительного сигнала от измерительного устройства (ИУ) к программно-техническому комплексу (ПТК) и устройствам записи и/или отображения информации.

Для определения MX измерительного канала и его компонентов работа ПТК осуществляется следующим образом:

- ПТК выполняет переключение ИК в режим калибровки с целью вывода его показаний из работы автоматических регуляторов, защит, блокировок и сигнализаций на время поверки и калибровки. Данное действие в ПТК модно выполнить программно, например, как это реализуется в ПТК ТПТС в среде GET («ТПТК55-01 РТМ2. Руководящий технический материал по применению программно-технических средств ТПТС-НТ при проектировании программно-технических комплексов»-Москва, ВНИИА, 2013 г. ).

- в ПТК вводится значение(ия) ЦОП или выбирается предустановленный стандартный ряд значений ЦОП. Данное действие тоже осуществляется программно путем ввода значений в память ПТК. Ввод значений может осуществляться персоналом с помощью пультов операторов или отдельных ЭВМ, подключенных к ПТК,

- ПТК передает на ИУ значение ЦОП посредством цифровой передачи данных связи. В качестве цифрового протокола и интерфейса связи, например, может использоваться ModBus, Profibus, RS-485, HART, Wireless HART и т.д.

- дополнительно или вместо предыдущих действий ПТК с помощью цифровой передачи данных или дискретного электрического сигнала передает команду на ИУ для запуска калибровочных тестовых сигналов в соответствии с ЦОП. Расчет значения выходного калибровочного тестового сигнала, генерируемого ИУ, может выполняться по формуле:

где S - текущее значение калибровочного тестового сигнала,

S_max - верхнее предельное значение выходного сигнала ИУ,

S_min - нижнее предельное значение выходного сигнала ИУ,

Х_maх и X_min - верхний и нижний пределы шкалы измерений ИУ, соответственно,

ЦОП - текущее калибровочное цифровое опорное значение.

Если на ИУ реализован режим цифрового калибратора («программа ЭВМ №2022611341, опубл. 24.01.2022»), то работа ПТК упрощается. В этом случае передача значений ЦОП к ИУ не требуется. С ПТК достаточно выполнить дистанционную настройку ЦОП и/или передать команду на ИУ для запуска калибровки. При этом такая команда может передаваться с помощью цифровых интерфейсов связи (перечислены выше) или с помощью дискретного электрического сигнала, например, формируемого посредством цифро-аналогового преобразователя или с помощью нормально-открытого или нормально-закрытого контакта.

Вышеуказанная работа ПТК обеспечивает выполнение заявляемого способа определения MX ИК. Рассмотрим способ определения MX на примере конкретного промышленного ИК давления, в котором происходит передача измерительного сигнала от ИУ (датчика давления) к программно-техническому комплексу (ПТК) Siemens SPPA-T2000 и от него к показывающему устройству, в качестве которого выступает пульт оператора системы верхнего блочного уровня (СВБУ) производства АО "РАСУ". Данное оборудование применяется на электростанциях, а выбранная структура ИК (последовательность прохождения сигнала) является типовой для промышленных объектов с трехуровневой структурой автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП).

Схематично передача сигналов при определении MX такого ИК представлена на Фигуре 1. В программно-техническом комплексе 2 выполняется автоматическое переключение ИК в режим калибровки с целью вывода его показаний из работы автоматических защит, блокировок и сигнализаций на время поверки и калибровки ИК. По HART-интерфейсу с программно-технического комплекса 2 передается значение(ия) ЦОП на измерительное устройство 1. Для передачи данных по HART в ПТК Siemens используется модуль FUM230 (https://www.automation-berlin.com/ru/siemens-6DP1230-8BB.html). Также по HART от ПТК передается команда «К» на ИУ для запуска калибровочных тестовых сигналов S. После приема команды «К» измерительное устройство 1 передает калибровочные тестовые сигналы S, значения которых рассчитываются с учетом ЦОП по формуле (1). В программно-техническом комплексе 2 и на устройствах отображения информации 3 регистрируют показание Y_ик, полученное при приеме калибровочных тестовых сигналов S.

С учетом значений ЦОП и У_ик рассчитывают метрологические характеристики ИК и его компонентов, в том числе ПТК и показывающих устройств отображения информации. Например, расчет абсолютной погрешности может выполняться по формуле:

Расчет относительной погрешности:

где Y_max и Y_min - верхний и нижний пределы шкалы измерений ИК, соответственно.

Расчеты погрешностей могут выполняться эксплуатационным персоналом вручную или в автоматическом режиме за счет соответствующей компьютерной программы.

В целом, заявляемый способ определения MX ИК позволяет выполнять автоматизированную дистанционную поверку и калибровку ИК без подключения ЦКУ и каких-либо других дополнительных устройств, не входящих в состав ИК. Такие технологии позволяют снизить трудозатраты в ходе периодического метрологического обслуживания ИК. Вместе с тем повышается промышленная безопасность за счет исключения вероятных рисков ложных срабатываний автоматических, защит, блокировок и сигнализаций в ходе поверки и калибровки ИК.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может использоваться для выполнения автоматизированной дистанционной поверки и калибровки, метрологического самоконтроля и других процедур, предусматривающих оценку метрологических характеристик промышленных измерительных каналов (ИК). Способ определения метрологических характеристик измерительного канала (ИК) и его компонентов, в котором происходит передача измерительного сигнала от измерительного устройства (ИУ) к программно-техническому комплексу (ПТК) и устройствам записи и/или отображения информации. При этом ПТК выполняет переключение ИК в режим калибровки, передает на ИУ калибровочное цифровое опорное значение (ЦОП) посредством цифровой передачи данных, ПТК с помощью цифровой передачи данных или дискретного электрического сигнала передает команду на ИУ для запуска калибровочных тестовых сигналов в соответствии с ЦОП, переданных от ПТК или установленных на ИУ. Технический результат - автоматизация процедур дистанционной поверки и калибровки ИК, уменьшение трудозатрат на их выполнение за счет исключения необходимости в запуске поверки или калибровки ИК с кнопок ИУ. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения метрологических характеристик измерительного канала (ИК) и его компонентов, в котором происходит передача измерительного сигнала от измерительного устройства (ИУ) к программно-техническому комплексу (ПТК) и устройствам записи и/или отображения информации, отличающийся тем, что определение метрологических характеристик ИК и его компонентов выполняется следующим образом:

- от ПТК к ИУ передается калибровочное цифровое опорное значение (ЦОП) и/или команда для выдачи калибровочных тестовых сигналов,

- ИУ приостанавливает выдачу измерительного сигнала, значение которого функционально зависит от измеряемого параметра,

- вместо измерительного сигнала от ИУ передается калибровочный тестовый сигнал, значение которого функционально зависит от ЦОП,

- в ПТК и на устройствах записи и отображения информации фиксируют показание Y_ик, полученное при приеме тестового сигнала,

- с учетом значений ЦОП и Y_ик рассчитывают метрологические характеристики ИК и его компонентов, включая ПТК и устройства записи и отображения информации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ПТК передает команду на ИУ для выдачи калибровочных тестовых сигналов, значения которых функционально зависят от ЦОП, установленных на ИУ.

3. Способ по 1, отличающийся тем, что предварительно до запуска калибровочных сигналов в ПТК выполняется автоматический вывод показаний ИК из работы автоматических регуляторов, защит, блокировок и сигнализаций.

4. Способ работы ПТК, используемый в п. 1, реализует передачу ЦОП к ИУ следующим образом:

- на ПТК вводится значение(ия) ЦОП или выбирается предустановленный стандартный ряд значений ЦОП,

- ПТК передает на ИУ значение ЦОП посредством цифровой передачи данных,

- дополнительно или вместо предыдущих действий ПТК с помощью цифровой передачи данных или дискретного электрического сигнала передает команду на ИУ для запуска калибровочных тестовых сигналов в соответствии с ЦОП, переданных от ПТК или установленных на ИУ.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что ПТК выполняет переключение ИК в режим калибровки с целью вывода его показаний из работы автоматических регуляторов, защит, блокировок и сигнализаций на время поверки и калибровки.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что ввод значений ЦОП в ПТК осуществляется с помощью подключенных к нему ЭВМ или пультов операторов.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что значение ЦОП задается в процентах, долях или в абсолютных единицах диапазона измерений ИК или диапазона выходного сигнала ИУ.

8. Способ по п. 4, отличающийся тем, что ПТК передает значения ЦОП и/или команду на запуск калибровочных сигналов в ИУ с использованием проводных или беспроводных связей.

9. Способ по п. 4, отличающийся тем, что ПТК с использованием электрических сигналов, формируемых посредством нормально-замкнутых или нормально-открытых контактов, передает команду на ИУ для запуска калибровочных тестовых сигналов.