СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ИСПРАВНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01D18/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроительной, энергетической, тепловой, атомной и других отраслях промышленности, а также в научных исследованиях, в ситуациях, когда требуется осуществить контроль нахождения метрологических характеристик нескольких измерительных каналов в заданных пределах.

Известен способ контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений [RU 2491510 С1, МПК G01D 3/00 (2006.01), опубл. 27.08.2013], включающий периодическое определение значений измеряемой физической величины и контролируемого параметра средства измерений в процессе эксплуатации и сравнение полученного значения с его принятым опорным значением. Запоминают каждое полученное значение измеряемой величины и соответствующее ему текущее значение контролируемого параметра. Вычисляют разности между последним полученным значением измеряемой величины и ее значениями, полученными ранее. А для значений измеряемой величины, разность которых превосходит утроенную допускаемую погрешность измерений, сравнивают между собой соответствующие им текущие значения контролируемого параметра и по результатам такого сравнения судят о метрологической исправности интеллектуального средства измерений.

Этот способ основан на равноточных измерениях физической величины, проводимых одним средством измерений или измерительным каналом.

Известен способ автоматического контроля метрологических характеристик средств измерения массы нефти или жидких нефтепродуктов при их отпуске на базах топлива [RU № 2593446 С1, МПК G01F 25/00 (2006.01), опубл. 20.08.2016], на базах топлива, включающий сравнение результатов измерения средств измерений. Перед началом и по завершении каждой операции отпуска автоматически регистрируют результаты измерения массы нефти или нефтепродукта. Выполняют автоматический сравнительный анализ результатов измерений массы отпущенной нефти или нефтепродукта по данным как минимум трех средств измерений, а именно, по данным автоматической системы измерения в резервуарах, по данным топливораздаточных устройств и по данным автоматической системы измерения в приемных емкостях и баках транспортных средств с накоплением статистики по фактам превышения предельных погрешностей измерений отдельными средствам измерений для подготовки заключения о возможности дальнейшей эксплуатации или необходимости внеплановой поверки средства измерения. Для анализа результатов трех неравноточных измерений массы отпущенной нефти или нефтепродукта применяют метод сравнения результатов измерений с определением общей арифметической середины, для каждого средства измерения, примененного в операции отпуска, сравнивают фактическое отклонение от общей арифметической середины с предельно допустимым отклонением

|M_i - M_o| ≤ ΔM_i,

где M_i - масса отпущенных нефти или нефтепродуктов по данным i-го средства измерения;

M_o - общая арифметическая середина результатов измерения;

ΔM_i - предельное допустимое отклонение результата единичного измерения от общей арифметической середины для i-го средства измерения.

При этом, если условие не выполнено, то регистрируют факт превышения допустимого отклонения для данного средства измерения с сохранением в памяти ЭВМ даты обнаружения, абсолютной и относительной величины отклонения результатов измерения массы нефти или нефтепродуктов от вычисленной оценки измеряемой массы нефти или нефтепродуктов с последующим выполнением ретроспективного анализа релевантности результатов контроля средства измерения исходя из следующего условия:

,

где D_N - заданный порог релевантности контроля по частоте регистрации фактов превышения допустимого значения отклонений;

Z - количество зарегистрированных фактов превышения допустимой величины отклонения, с момента выполнения последней поверки средства измерения;

Y - общее количество операций приема, выполненных с применением контролируемого средства измерения, с момента выполнения последней поверки средства измерения.

Недостатком данного способа является его узкая сфера применения для измерения массы жидких продуктов. Кроме того, оценка неравноточных измерений в виде среднего взвешенного предполагает нормальное распределение случайной измеряемой величины. В случае отклонения фактического закона распределения измеряемой величины от нормального, что, как правило имеет место на практике, оценка результата неравноточных измерений в виде среднего арифметического будет некорректной [Лячнев В.В., Сирая Т.Н., Довбета Л.И. Фундаментальные основы метрологии. - СПб.: Элмор, 2007. - С. 277].

Известен, принятый за прототип, способ диагностики резервированных измерительных каналов [п. 1 ф-лы RU 2705169 С1, МПК G01D 18/00 (2006.01), опубл. 05.11.2019], заключающийся в выполнении следующих этапов:

- снимают и записывают в архив показания диагностируемых измерительных каналов, выполняющих измерение одного и того же физического параметра;

- снимают и записывают в архив показания всех смежных измерительных каналов, измеряющих параметры, косвенно зависимые от параметра, измеряемого диагностируемыми измерительными каналами;

- для каждого диагностируемого измерительного канала рассчитывают и записывают в архив относительное отклонение показаний от среднего арифметического значения M₁ по показаниям всех резервированных измерительных каналов

,

где ,

δ_i - отклонение показаний i-го диагностируемого измерительного канала;

R_i - показание i-го диагностируемого измерительного канала;

n - количество диагностируемых резервированных измерительных каналов.

- сравнивают величину отклонения δ_i с заданной границей допускаемого отклонения и в случае её превышения фиксируют данное событие,

- если δ_i превысило границу допустимых отклонений_, решение о неисправности измерительного канала принимают при отсутствии изменений показаний смежных измерительных каналов.

Данный способ позволяет выполнять диагностику измерительного канала в режиме непрерывного технологического процесса.

Недостатком способа является то, что оценка значения измеряемой физической величины находится как среднее арифметическое показаний измерительных каналов, в то время как показания измерительных каналов по своей природе являются неравноточными, то есть имеющими разную дисперсию. Оценка в виде среднего арифметического может быть применена к результатам многократных независимых одинаково распределенных наблюдений, которые являются равнорассеянными (равноточными), то есть получаются при измерениях, проводимых: одним наблюдателем или группой наблюдателей; с помощью одних и тех же методов, и средств измерений; в неизменных условиях внешней среды [ГОСТ Р 8.736-2011 ГСИ. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения].

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности оценивания опорного значения измеряемой физической величины и, следовательно, уменьшении вероятности ошибок 1-го и 2-го рода при контроле метрологической исправности измерительных каналов.

Предложенный способ контроля метрологической исправности измерительных каналов, так же как в прототипе, заключается в том, что снимают и запоминают показания контролируемых измерительных каналов y_k, где k = 1, …, m, выполняющих измерение одного и того же физического параметра x; для каждого контролируемого измерительного канала рассчитывают и запоминают относительное отклонение δ_k; сравнивают величину относительного отклонения δ_k с заданной границей допускаемого отклонения δ_доп и в случае её превышения фиксируют данное событие.

Согласно изобретению, снимают и запоминают показания m контролируемых измерительных каналов y_k, характеризующихся известными погрешностями u_k, образующими m интервалов неопределенности

Y_k = [y_k - u_k, y_k + u_k];

формируют объединенный интервал

Y = [a₁, a_n],

где a₁ - наименьшее из значений y_k - u_k;

a_n - наибольшее из значений y_k + u_k.

Затем определяют дискретные значения

а_i = а_i-1 + h;

где i = 2, …, n - 1;

h = (a_n - a₁) / (n - 1) - расстояние между дискретными значениями;

n - число дискретных значений, равное 11.

После этого составляют матрицу S= [s_ij] парных сравнений дискретных значений a_i:

,

где i ≠ j = 1, …, n,

I _k (a_i, a_j) - индикаторная функция, которую определяют следующим образом:

I _k (a_i, a_j) = 2, если a_i принадлежит интервалу Y_k и а_j не принадлежит Y_k,

I _k (a_i, a_j) = 1, если a_i и а_j принадлежат интервалу Y_k или a_i и а_j не принадлежат интервалу Y_k,

I _k (a_i, a_j) = 0, если а_j принадлежит интервалу Y_k и a_i не принадлежит Y_k.

Затем для матрицы S определяют строковые суммы:

.

Дискретное значение a_i, с максимальной строковой суммой z_i используют в качестве опорного значения y^* для определения относительного отклонения по формуле:

δ_k = (y_k - y^*) / y^*.

Запоминают полученные относительные отклонения δ_k и опорное значение y^*. Сравнивают величину каждого относительного отклонения δ_k с заданной границей допускаемого отклонения δ_доп и в случае её превышения принимают решение о неисправности измерительного канала.

При осуществлении изобретения вместо среднего арифметического значения показаний контролируемых измерительных каналов, как в прототипе, определяют робастное, то есть не зависящее от вида закона распределения измеряемой физической величины, опорное значение, характеризующееся значительно меньшей погрешностью, которое используют при принятии решения о метрологической исправности измерительного канала. В результате снижается вероятность ошибок 1-го и 2-го рода при контроле метрологической исправности, а достоверность и точность контроля измерительных каналов повышается.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства контроля метрологической исправности измерительных каналов, обеспечивающего реализацию заявляемого способа.

Устройство содержит блок интерфейса 1, к которому подключен блок измерительных каналов 2 (блок ИК), блок формирования объединенного интервала 3, блок построения матрицы 4, блок принятия решения 5 и блок памяти и управления 6. Выход блока формирования объединенного интервала 3 подключен к блоку построения матрицы 4, выход которого подключен ко входу блока формирования опорного значения 7, выход которого подключен ко входу блока принятия решения 5. Выход блока памяти и управления 6 соединен со входом блока принятия решения 5. В состав блока измерительных каналов 2 входят измерительные каналы ИК1, ИК2, …, ИКm.

Блок построения матрицы 4, блок принятия решения 5, блок памяти и управления 6, блок формирования опорного значения 7 могут быть реализованы в любом программном автоматическом контроллере (PAC), например, семейства Win-GRAF XP-9000-IoT, с возможностью подключения измерительных каналов ИК1, ИК2, …, ИКm через порты USB и (или) RS-232/RS-485, реализующих блок интерфейса 1.

Измерительные каналы ИК1, ИК2, …, ИКm представляют собой любые цифровые средства измерения заданных физических величин, например, мультиметры B7-38M, DT9205A и другие приборы для измерения переменного и постоянного токов, напряжения переменного и постоянного токов, активного сопротивления; дифференциальный манометр ЗОНД-20-ДГ-К8 (М) для измерения дифференциального давления; радиусомер индикаторный цифровой РИЦ-5-1000-0,01 для измерения радиусов кривизны деталей и т.п.

Показания y_k с выходов блока измерительных каналов 2 по команде из блока памяти и управления 6 через блок интерфейса 1 поступают в блок памяти и управления 6, где их запоминают и по мере необходимости передают в блок формирования объединенного интервала 3, в блок построения матрицы 4 и блок принятие решения 5. Из блока памяти и управления 6 показания y_k поступают на вход блока формирования объединенного интервала 3, где из них с учетом их погрешностей u_k формируют интервалы неопределенности Y_k = y_k ± u_k и объединенный интервал Y = [a₁, a_n], который разбивают на 10 подынтервалов с помощью 11 дискретных значений а₁, а₂, …, а₁₁. В блоке построения матрицы 4 строят матрицу S парных сравнений дискретных значений a_i на основании информации о принадлежности этих значений интервалам неопределенности Y_k. В блоке формирования опорного значения 5 вычисляют строковые суммы z_i матрицы S и выбирают значение a_i с максимальной суммой z_i в качестве опорного значения y^*. В блоке принятия решений 5 вычисляют отклонения δ_k поступающих из блока памяти и управления 6 показаний y_k от опорного значения y^*, поступающего из блока формирования опорного значения 7. Полученные отклонения δ_k сравнивают с заданным допускаемым отклонением δ_доп, поступающим из блока памяти и управления 6. По результатам сравнения принимают решение о метрологической исправности или неисправности измерительного канала.

Рассмотрим пример контроля метрологической исправности пяти измерительных каналов, то есть m = 5, для случая напряжения постоянного тока в качестве измеряемого физического параметра x.

Были получены следующие показания y_k с выходов блока ИК 2 от измерительных каналов ИК1, ИК2, …, ИК5, характеризующихся известными погрешностями u_k:

y ₁ = 23,598 В, u₁ = ±1,589 В;

y ₂ = 25,771 В, u₂ = ± 0,264 В;

y ₃ = 24,873 В, u₃ = ± 0,492 В;

y ₄ = 26,061 В, u₄ = ± 0,208 В;

y ₅ = 25,064 В, u₅ = ± 0,282 В.

Затем по команде из блока памяти и управления 6 через блок интерфейса 1 показания были переданы на вход блока памяти и управления 6, где данные были сохранены. Затем из блока памяти и управления 6 показания через блок интерфейса 1 были переданы на вход блока формирования объединенного интервала 3, где были сформированы интервалы неопределенности Y_k, k = 1, …, 5, заданные границами y_k - u_k, y_k + u_k. Полученные интервалы имели следующий вид:

Y ₁ = [22,009; 25,188] В, Y₂ = [25,507; 26,035] В, Y₃ = [24,381; 25,364] В,

Y ₄ = [25,853; 26,270] В, Y₅ = [24,782; 25,346] В.

Затем в блоке формирования объединенного интервала 3 были вычислены границы объединенного интервала Y = [22,009; 26,270] В; определено расстояние между дискретными значениями h = (26,270 - 22,009) / 10 = 0,426 В и определены n = 11 дискретных значений, равноотстоящих друг от друга на величину h:

а ₁ = 22,009 В; а₂ = 22,435 В; а₃ = 22,861 В; а₄ = 23,287 В; а₅ = 23,713 В; а₆ = 24,139 В; а₇ = 24,565 В; а₈ = 24,991 В; а₉ = 25,418 В; а₁₀ = 25,844 В; а₁₁ = 26,270 В.

Дискретные значения а₁, а₂, …, а₁₁ были переданы в блок построения матрицы 4, где была сформирована матрица S:

a ₁ a ₂ a ₃ a ₄ a ₅ a ₆ a ₇ a ₈ a ₉ a ₁₀ a ₁₁ z_i a ₁ 0 5 5 5 5 5 4 3 6 5 5 48 a ₂ 5 0 5 5 5 5 4 3 6 5 5 48 a ₃ 5 5 0 5 5 5 4 3 6 5 5 48 a ₄ 5 5 5 0 5 5 4 3 6 5 5 48 a ₅ 5 5 5 5 0 5 4 3 6 5 5 48 a ₆ 5 5 5 5 5 0 4 3 6 5 5 48 a ₇ 6 6 6 6 6 6 0 4 7 6 6 59 a ₈ 7 7 7 7 7 7 6 0 8 7 7 70 a ₉ 4 4 4 4 4 4 3 2 0 4 4 37 a ₁₀ 5 5 5 5 5 5 4 3 6 0 5 48 a ₁₁ 5 5 5 5 5 5 4 3 6 5 0 48

Каждый элемент s_ij матрицы S вычисляли по формуле

,

где i ≠ j = 1, …, 11,

индикаторная функция I_k(a_i, a_j) = 2, если a_i принадлежит интервалу Y_k и а_j не принадлежит Y_k;

I _k (a_i, a_j) = 1, если a_i и а_j принадлежат интервалу Y_k или a_i и а_j не принадлежат интервалу Y_k;

I _k (a_i, a_j) = 0, если а_j принадлежит интервалу Y_k и a_i не принадлежит Y_k.

Например, элемент s₇₉ был получен следующим образом:

s ₇₉ = I₁(a₇, a₉) + I₂(a₇, a₉) + I₃(a₇, a₉) + I₄(a₇, a₉) + I₅(a₇, a₉) = 7,

где I₁(a₇, a₉) = 2, так как a₇ принадлежит интервалу Y₁ и а₉ не принадлежит Y₁;

I ₂(a₇, a₉) = 1, так как a₉ не принадлежит интервалу Y₂ и а₇ не принадлежит Y₂;

I ₃(a₇, a₉) = 2, так как а₇ принадлежит интервалу Y₃ и a₉ не принадлежит Y₃;

I ₄(a₇, a₉) = 1, так как a₇ не принадлежит интервалу Y₄ и а₉ не принадлежит Y₄;

I ₅(a₇, a₉) = 1, так как а₇ не принадлежит интервалу Y₅ и a₉ не принадлежит Y₅.

Матрица S была передана в блок формирования опорного значения 7, где для каждой строки матрицы были вычислены суммы ее элементов z_i; строка a₈ имела максимальную сумму элементов z₈ = 70, поэтому опорное значение было принято равным y^* = a₈ = 24,99 В. Затем опорное значение было передано в блок принятия решения 5, где были вычислены относительные отклонения δ_k показаний y_k контролируемых ИК от опорного значения y^*:

.

Были получены следующие значения относительных отклонений δ_k:

δ₁ = -0,056, δ₂ = 0,031, δ₃ = -0,005, δ₄ = 0,043, δ₅ = 0,003.

На основании сравнения полученных относительных отклонений δ_k с заданным допускаемым отклонением δ_доп = 0,05, значение которого было передано из блока памяти и управления 6, в блоке принятия решения 5 был сделан вывод о неисправности измерительного канала ИК1. Остальные измерительные каналы, то есть ИК2, ИК3, ИК4 и ИК5 были признаны метрологически исправными.

Была проведена оценка точности опорного значения, найденного заявляемым способом, и среднего значения, используемого в прототипе.

Погрешность u^* полученного опорного значения y^* определяют как половину расстояния h между дискретными значениями a_i, то есть u^* = 0,5h = 0,5 ⋅ 0,426 ≈ 0,21 В.

В принятом за прототип способе оценкой измеряемого параметра служит среднее арифметическое значение показаний измерительных каналов, рассчитанное по выражению

.

Для полученных показаний информационных каналов оценка y_ср = 25,07 В. Погрешность найденного среднего значения составляет 0,43 В.

Таким образом, выигрыш по точности опорного значения y^*, полученного заявленным способом, составил более 50% по сравнению с точностью оценки, используемой в прототипе. Более точное значение опорного значения при контроле метрологической исправности измерительных каналов позволяет значительно снизить вероятность ошибок первого и второго рода.

Полученные результаты подтверждают технический результат изобретения - повышение точности оценивания опорного значения измеряемой физической величины и уменьшение вероятности ошибок первого и второго рода при контроле метрологической исправности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроительной, энергетической, тепловой, атомной и других отраслях промышленности, а также в научных исследованиях, в ситуациях, когда требуется осуществить контроль нахождения метрологических характеристик нескольких измерительных каналов в заданных пределах. Способ контроля метрологической исправности измерительных каналов заключается в том, что снимают и запоминают показания контролируемых измерительных каналов y_k, где k = 1, …, m, которые выполняют измерение одного и того же физического параметра x и характеризуются известными погрешностями u_k, образующими m интервалов неопределенности Y_k = [y_k - u_k, y_k + u_k]. Формируют объединенный интервал Y = [a₁, a_n], где a₁ - наименьшее из значений y_k - u_k; a_n - наибольшее из значений y_k + u_k. Затем определяют дискретные значения а_i = а_i-1 + h, где i = 2, …, n -1; h = (a_n - a₁) / (n - 1) - расстояние между дискретными значениями; n - число дискретных значений, равное 11. После этого составляют матрицу S = [s_ij] парных сравнений дискретных значений a_i, где , где i ≠ j = 1, …, n; I_k(a_i, a_j) - индикаторная функция, которую определяют следующим образом: I_k(a_i, a_j) = 2, если a_i принадлежит интервалу Y_k и а_j не принадлежит Y_k, I_k(a_i, a_j) = 1, если a_i и а_j принадлежат интервалу Y_k или a_i и а_j не принадлежат интервалу Y_k, I_k(a_i, a_j) = 0, если а_j принадлежит интервалу Y_k и a_i не принадлежит Y_k. Затем для матрицы S определяют строковые суммы: . Дискретное значение a_i, с максимальной строковой суммой z_i используют в качестве опорного значения y^* для определения относительного отклонения по формуле: δ_k = (y_k - y^*) / y^*. Запоминают полученные относительные отклонения δ_k и опорное значение y^*. Сравнивают величину каждого относительного отклонения δ_k с заданной границей допускаемого отклонения δ_доп и в случае её превышения фиксируют данное событие и принимают решение о неисправности измерительного канала. Технический результат: повышение точности оценивания опорного значения измеряемой физической величины и уменьшение вероятности ошибок 1-го и 2-го рода при контроле метрологической исправности измерительных каналов. 1 ил.

Способ контроля метрологической исправности измерительных каналов, заключающийся в том, что снимают и запоминают показания контролируемых измерительных каналов y_k, где k = 1, …, m, выполняющих измерение одного и того же физического параметра x, для каждого контролируемого измерительного канала рассчитывают и запоминают относительное отклонение δ_k, сравнивают величину относительного отклонения δ_k с заданной границей допускаемого отклонения δ_доп и в случае её превышения фиксируют данное событие, отличающийся тем, что снимают и запоминают показания m контролируемых измерительных каналов y_k, характеризующихся известными погрешностями u_k, образующими m интервалов неопределенности

Y_k = [y_k – u_k, y_k + u_k],

формируют объединенный интервал

Y = [a₁, a_n],

где a₁ – наименьшее из значений y_k – u_k;

a_n – наибольшее из значений y_k + u_k,

определяют дискретные значения

а_i = а_i–1 + h,

где i = 2, …, n – 1;

h = (a_n – a₁) / (n – 1) – расстояние между дискретными значениями;

n – число дискретных значений, равное 11,

составляют матрицу S = [s_ij] парных сравнений дискретных значений a_i,

где ,

i ≠ j = 1, …, n;

I _k (a_i, a_j) – индикаторная функция, которую определяют следующим образом:

I _k (a_i, a_j) = 2, если a_i принадлежит интервалу Y_k и а_j не принадлежит Y_k,

I _k (a_i, a_j) = 1, если a_i и а_j принадлежат интервалу Y_k или a_i и а_j не принадлежат интервалу Y_k,

I _k (a_i, a_j) = 0, если а_j принадлежит интервалу Y_k и a_i не принадлежит Y_k;

затем для матрицы S определяют строковые суммы

,

дискретное значение a_i с максимальной строковой суммой z_i используют в качестве опорного значения y^* для определения относительного отклонения по формуле:

δ_k = (y_k – y^*) / y^*,

запоминают полученные относительные отклонения δ_k и опорное значение y^*, сравнивают величину каждого относительного отклонения δ_k с заданной границей допускаемого отклонения δ_доп и в случае её превышения принимают решение о неисправности измерительного канала.