Поставки приборов для АСУ ТП


8 (351) 735-38-26, 735-38-28, 735-38-23
Метрологические аспекты разработки и сертификации измерительно-вычислительных и управляющих систем
{article-edit-del}

Метрологические аспекты разработки и сертификации измерительно-вычислительных и управляющих систем


В.П. Кузнецов, Н.П. Миф, ВНИИ метрологической службы.





Для реализации функций большинства измерительно-вычислительных и управляющих систем используется измерительная информация (результаты измерений).


Надо иметь в виду, что результаты любых измерений всегда сопровождаются погрешностью. Это Объективная реальность. Никакие меры не могут полностью исключить погрешность измерений; ее можно только определенными приемами уменьшить до значений, практически не существенных для выполнения конкретной задачи, решаемой системой.





Погрешность измерений - одна из главных причин снижения эффективности систем. Ее негативная роль проявляется в потерях, возникающих из-за:


неоптимальности нормативов (уставок), рассчитываемых системой по результатам недостаточно точных измерений;


отклонения действительного значения измеряемой величины от нормативного значения (уставки) при кажущемся совпадении измеренного значения с уставкой;


неточности прогноза хода процесса, в результате чего принимаются неоптимальные решения;


брака измерительного контроля (признания годным в действительности негодного изделия и признания негодным в действительности годного изделия).





Эти причины вызывают необходимость объективного оценивания погрешности измерений при разработке систем и принятия мер по снижению погрешности измерений до допустимого уровня.





Кроме того, при разработке систем должны быть предусмотрены процедуры периодического контроля погрешности измерений в процессе эксплуатации системы. Этот контроль необходим, т.к. внешние влияющие факторы, нестабильность метрологических характеристик средств измерений и характеристик объекта управления могут вызвать погрешности измерений, превышающие допускаемые значения.





Для систем характерны измерительные каналы -совокупности средств измерений и других технических средств, используемых для измерений, включая средства от точки "отбора" информации об измеряемом параметре до средств представления информации (шкалы, табло, экрана дисплея, диаграммы регистрирующего прибора или распечатки на бланке).





Датчики, линии связи, измерительные преобразователи, измерительные коммутаторы, средства отображения результатов измерений составляют основные компоненты измерительных каналов. Их метрологические характеристики играют важную роль в обеспечении качества реализации информационных и управляющих функций систем и их работоспособности.





Основные метрологические требования к средствам измерений установлены правилами законодательной метрологии. Исходным документом законодательной метрологии является Закон Российской Федерации "Об обеспечении единства измерений".





Единство измерений обеспечивается двумя важнейшими условиями:





результаты измерений должны представляться в узаконенных единицах;





должна быть известна погрешность измерений.





Для выполнения условий обеспечения единства измерений в стране созданы нормативная база, соответствующие технические средства и метрологическая служба.





Нормативная база сконцентрирована в государственных стандартах и других нормативных и рекомендательных документах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).





К техническим средствам обеспечения единства измерений прежде всего относятся государственные эталоны, служащие для воспроизведения размеров единиц измерений с наивысшей точностью. Другие эталоны используются в системе передачи размеров единиц от государственных эталонов всем средствам измерений.





Закон "Об обеспечении единства измерений" установил сферы деятельности, в которых должен осуществляться государственный метрологический контроль и надзор (здравоохранение; охрана окружающей среды; обеспечение безопасности труда; расчеты между покупателем и продавцом; обеспечение обороны государства; банковские, налоговые, таможенные и почтовые операции; государственные учетные операции; геодезические и гидрометеорологические работы; испытания и контроль качества продукции на соответствие обязательным требованиям государственных стандартов; обязательная сертификация продукции и услуг; регистрация национальных и международных спортивных рекордов).





Средства измерений, измерительные каналы систем, используемые в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, должны отвечать определенным требованиям. Прежде всего типы таких средств измерений должны быть утверждены Госстандартом России и внесены в Государственный реестр. На средства измерений утвержденного типа выдается сертификат Госстандарта России. Кроме того, каждый экземпляр средств измерений этого типа при выпуске из производства или ремонта, при ввозе по импорту и эксплуатации подвергают поверке (контролю метрологических и других характеристик) в органах Государственной метрологической службы. Продажа и выдача напрокат таких средств измерений могут осуществляться только после их поверки. Эти положения полностью относятся к измерительным каналам систем, используемым в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора.





Деятельность по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений, применяемых в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, может осуществляться лишь при наличии соответствующей лицензии.





Часть средств измерений, измерительных каналов систем используется в соответствии с методиками выполнения измерений, регламентированными стандартами и другими техническими документами. Если измерения по таким методикам выполняются в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, то эти методики должны быть аттестованы.





С точки зрения метрологических процедур системы можно выделить две группы технических устройств. К первой группе относятся системы, выпускаемые из производства как законченные изделия. К этой же группе относятся аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, контроллеры с измерительными модулями, измерительно-вычислительные комплексы, представляющие собой вторичную часть системы (т.е. систему без датчиков) и другие компоненты также выпускаемые в виде законченных изделий.





Ко второй группе относятся системы, комплектуемые на месте эксплуатации из различных компонентов и технических средств. Типичные представители таких систем - автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).





Метрологические процедуры, выполняемые при разработке, сертификации и эксплуатации систем, заключаются в следующем.





Системы (компоненты), применяемые в сферах распространения государственного контроля и надзора, подвергаются испытаниям для целей утверждения типа. При этих испытаниях проверяют соответствие характеристик систем (компонентов) требованиям, регламентированным в стандарте, технических условиях и другой нормативной документации на систему, либо соответствие характеристикам, приведенным в технической документации на систему (последнее характерно для импортных систем).





Системы (компоненты )первой группы подвергаются испытаниям целиком (комплектно). Испытания проводятся по программе, в которую включаются проверки метрологических и других технических характеристик системы.





Методики проверки характеристик обычно указываются в технических условиях на систему (компоненты), а при их отсутствии излагаются в программе. Программа испытаний в числе других представляется вместе с испытываемой системой. Обычно испытания таких систем проводятся на базе организации-разработчика или изготовителя системы.





Средства измерений (компоненты), входящие измерительные каналы систем второй группы, подвергаются испытаниям, если их типы не были утверждены Госстандартом России. Процедура испытаний аналогична описанной выше. На месте эксплуатации измерительные каналы таких систем подвергают метрологической аттестации.





Метрологическая аттестация заключается в исследованиях метрологических характеристик измерительных каналов системы в условиях ее эксплуатации. Основными объектами исследований являются погрешности измерительных каналов, которые обычно оцениваются экспериментально или расчетно-экспериментальным способом. В ряде случаев применяют имитационное моделирование нестабильности метрологических характеристик средств измерений, влияния динамики изменений измеряемой величины и внешних факторов на; погрешность измерительного канала. Для измерительной части систем, в которых реализуются косвенные измерения, характерны вычислительные процедуры. Алгоритм вычислений в таких системах обычно подвергают специальным исследованиям с целью определения погрешности, вносимой алгоритмом. Для этих целей также может применяться имитационное моделирование. С помощью такого моделирования можно оценить степень ослабления (фильтрации) погрешности датчиков и других компонентов измерительных каналов.





Если алгоритм является типичным для ряда систем, то он может быть подвергнут метрологической аттестации с оформлением свидетельства о его аттестации.





В результате метрологической аттестации системы (при положительных результатах) оформляется свидетельство, в котором приводятся результаты исследований и выводы о соответствии метрологических характеристик измерительных каналов (системы) заданным требованиям.





Испытания средств измерений и систем для целей утверждения выполняют государственные центры испытаний средств измерении, аккредитованные Госстандартом России. Специализация государственных центров по типам средств измерений устанавливается при их аккредитации.





Координацию и методическое руководство деятельностью по проведению испытаний средств измерений для целей утверждения типа осуществляет Всероссийский НИИ метрологической службы. ВНИИ метрологической службы является головным государственным центром испытаний информационно-измерительных и управляющих систем.





Основные процедуры испытаний для целей утверждения типа:





разработка программы испытаний;





экспертиза технической документации на систему (технический условий, эксплуатационных документов, методик поверки и т.п.) с целью определения ее соответствия требованиям технического задания, действующих в России стандартов и других нормативных документов;





оценивание эффективности предложенного метрологического обслуживания системы в эксплуатации (точность и удобство методов и средств поверки, оперативные операции контроля погрешности и т.п.), при этом предпочтительными являются методы контроля без демонтажа и изъятия средств измерений из технологического оборудования;





оценивание соответствия испытательного оборудования задачам испытаний, в том числе точности эталонов регламентированной точности испытуемых измерительных каналов;





экспериментальное определение метрологических характеристик измерительных каналов, прежде всего погрешности в нормальных условиях и при воздействии внешних влияющих величин, соответствующих условиям эксплуатации систем. Полученные предельные значения погрешности сопоставляют с заданными пределами допускаемых значений.





В числе типичных внешних влияющих величин, при воздействии которых проводятся испытания систем, можно указать следующие:








отклонения температуры окружающей среды и измеряемой среды от нормальных значений;





отклонения напряжения и частоты тока питания от номинальных значений, искажения формы кривой напряжения питания;





вибрация, внешнее магнитное поле;





помехи на входе компонентов системы;





отклонения неизмеряемых (неинформативных) параметров от номинальных значений;





взаимное влияние измерительных каналов друг на друга;





отклонения параметров линий связи от номинальных значений.





В зависимости от метрологических характеристик средств измерений, входящих в измерительные каналы, испытания проводятся при воздействии внешних влияющих величин.








Экспертные и экспериментальные процедуры испытаний включают исследования способов и приемов контроля работоспособности систем в процессе их эксплуатации, которые обычно предусматриваются в большинстве систем. Для контроля метрологических характеристик измерительных каналов в системах могут предусматриваться встроенные калибраторы, выдающие сигналы заданного уровня с необходимой точностью.








Другими приемами оперативного контроля метрологических характеристик могут служить различные тесты и алгоритмы обработки результатов измерений с целью проверки их соответствия модели объекта. В качестве признаков нарушения работоспособности измерительных каналов используют небаланс расходов материальных и энергетических потоков в сети, физически невозможные для данного объекта значения измеряемых величин и скоростей их изменений, противоречивость измеренных значений связанных между собой параметров и т.п..








При положительных результатах материалы испытаний и документы к сертификату направляются в Госстандарт России, который принимает решение об утверждении типа средства измерений, занесении в Государственный реестр и предоставлении предприятию-изготовителю системы сертификата.








Системы, не применяемые в сферах распространения государственного контроля и надзора, подвергаются первичной калибровке или метрологической аттестации.








Системы первой группы подвергают первичной калибровке целиком (комплектно).








Средства измерений, входящие в измерительные каналы систем второй группы, подвергают калибровке, если они не проходили первичной поверки или калибровки. На месте эксплуатации измерительные каналы таких систем подвергают метрологической аттестации.








Одно из непременных условий проведения метрологической аттестации системы - наличие требований к погрешности измерений. Иногда такие требования отсутствуют. В этих случаях для целей метрологической аттестации берутся в расчёт исходные данные, на основе которых может решаться вопрос о возможности использования измерительного канала. К этим исходным данным относятся:








заданные вероятности брака измерительного контроля;





пределы допуска на измеряемый параметр;





допустимый уровень потерь из-за погрешности измерений (при известной функциональной связи потерь с погрешностью измерений);





допускаемая погрешность определения технико-экономических показателей, вычисляемых по результатам измерений;





допускаемая погрешность прогноза (погрешность определения момента времени выхода параметра за пределы допуска при реализации функции прогнозирования);





оптимальное значение погрешности измерении и возможное (допускаемое) отклонение от этого значения.





На основе таких исходных данных можно определить пределы допускаемых значений погрешности измерений (погрешности измерительного канала). Эти значения указываются в программе метрологической аттестации.








Процедуры калибровки представляют собой контроль метрологических и других технических характеристик измерительных каналов и практически не отличаются от процедур поверки. Отличие поверки от калибровки средств измерений в том, что поверка осуществляется только органами Государственной метрологической службы, а калибровка может выполняться как органом государственной метрологической службы, так и метрологической службой предприятия или организации (любого юридического лица).








Основные задачи обеспечения единства измерений и метрологического обслуживания систем решаются метрологическими службами.








В состав государственной метрологической службы входят государственные научные метрологические центры (метрологические НИИ Госстандарта России) и органы Государственной метрологической службы (территориальные центры стандартизации, метрологии и сертификации Госстандарта России).








В государственных органах управления, а также на предприятиях, в организациях и учреждениях, являющихся юридическими лицами, могут создаваться метрологические службы. При выполнении работ в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора создание метрологических служб или иных организационных структур по обеспечению единства измерении является обязательным.








Государственные научные метрологические центры в соответствии со специализацией по видам измерений хранят государственные эталоны единиц величин, разрабатывают методы и средства поверки средств измерений, проводят испытания для целей утверждения типа и метрологическую аттестацию как отдельных средств измерений, так и систем, аттестуют методики выполнения измерений, выполняют метрологическую экспертизу технической документации и другие работы в области метрологического обеспечения.








Органы Государственной метрологической службы осуществляют поверку средств измерений, в том числе эталонов и измерительных каналов систем, государственный метрологический надзор за выпуском, состоянием и применением средств измерений, аттестованными методиками выполнения измерений, соблюдением метрологических прав". и норм.








Метрологические службы организаций и предприятий, разрабатывающих и изготавливающих системы и их компоненты, осуществляют метрологическую экспертизу проектной, конструкторской и технологической документации, калибровку средств измерений, включая измерительные каналы, аттестуют методики выполнения измерений, выполняют метрологический надзор. Метрологические службы предприятий и организаций участвуют в выборе средств измерений, методов и средств их поверки (калибровки), разработке систем, подготовке и проведении их испытаний для целей утверждения типа и метрологической аттестации.





www.mka.ru


Версия для печати



Измерительные приборы. Торговый Дом "Прибор"