СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ИСПРАВНОСТИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD TO CONTROL METROLOGICAL OPERABILITY OF INTELLIGENT MEASUREMENT FACILITY

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочных или межповерочных интервалов в процессе эксплуатации интеллектуальных средств измерений (ИСИ).
В соответствии с ГОСТ Р 8.673-2009 «ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения», важнейшим признаком интеллектуального средства измерений (в частности, датчика или измерительного преобразователя) является наличие функции метрологического самоконтроля - автоматической проверки метрологической исправности в процессе эксплуатации. Метрологический самоконтроль осуществляется с использованием принятого опорного значения, формируемого с помощью встроенного средства (измерительного преобразователя или меры) или выделенного дополнительного параметра выходного сигнала.
Важнейшей формой метрологического самоконтроля является метрологический диагностический самоконтроль, который реализуют на основе оценки отклонения параметра, характеризующего критическую составляющую погрешности, от принятого опорного значения этого параметра. Этот параметр далее именуется контролируемым. Метрологический диагностический самоконтроль осуществляется без использования встроенных средств более высокой точности. Согласно упомянутому ГОСТ Р 8.673-2009, принятое опорное значение контролируемого параметра устанавливают на этапе разработки или при калибровке.
Под критической составляющей погрешности понимается доминирующая или склонная к быстрому росту составляющая погрешности. Критическую составляющую погрешности определяют на этапе разработки посредством расчетно-аналитических методов анализа данных научно-технической литературы, экспериментальных метрологических исследований и испытаний и т.д.
Для получения контролируемого параметра в ИСИ с метрологическим диагностическим самоконтролем вводят структурную, временную и/или функциональную избыточность и формируют с ее помощью, помимо градуировочной зависимости, связывающей измеряемую величину с основным выходным сигналом, одну или несколько дополнительных зависимостей, связывающих измеряемую величину с дополнительными выходными сигналами ИСИ.
Зависимость между критической составляющей погрешности и контролируемым параметром именуется диагностической зависимостью.
Полученные на этапе калибровки градуировочная и дополнительные зависимости именуются, соответственно, опорной градуировочной и опорными дополнительными зависимостями. Принятая на этапе разработки ИСИ диагностическая зависимость именуется опорной диагностической зависимостью.
На этапе эксплуатации в интервале между калибровками градуировочная, дополнительные и диагностическая зависимости могут изменяться. Для определенности значения контролируемого параметра, вычисляемые в процессе эксплуатации, именуются текущими значениями контролируемого параметра, а градуировочная, дополнительные и диагностическая зависимости, имеющие место в процессе эксплуатации, именуются текущей градуировочной, текущими дополнительными и текущей диагностической зависимостями соответственно.
Наличие функции метрологического самоконтроля, формирующее интеллектуальное средство измерений из обычного, не гарантирует, что полученное интеллектуальное средство измерений метрологически безупречно и не требует в процессе эксплуатации осуществления контроля его метрологической исправности.
Метрологическая исправность ИСИ в процессе эксплуатации понимается как одновременное выполнение двух условий и поясняется на фиг 1:
1 метрологическая исправность средства измерений, осуществляющего основное измерение;
2 метрологическая исправность метрологического самоконтроля.
Метрологическая исправность средства измерений, осуществляющего основное измерение, имеет место в случае, если отличие текущей градуировочной зависимости от опорной градуировочной зависимости при каждом значении измеряемой величины не превышает допускаемого предела.
Метрологическая исправность метрологического самоконтроля имеет место в случае, если отличие текущей диагностической зависимости от опорной диагностической зависимости при каждом значении аргумента не превышает допускаемого предела. (При этом стараются выбирать контролируемый параметр так, чтобы он не зависел от измеряемой величины или чтобы эта зависимость была минимальной).
При условии, что текущая диагностическая зависимость соответствует опорной диагностической зависимости, возможно с заданной степенью достоверности осуществлять самокоррекцию результатов измерений в процессе эксплуатации, что позволяет дополнительно увеличить межкалибровочный и межповерочный интервал.
(В данной заявке принято, что сопоставляемые зависимости соответствуют друг другу, если отличие между ними при каждом значении аргумента не превышает допускаемых пределов).
Известен способ контроля (например, см. Шишкин И.Ф. «Теоретическая метрология. Часть 2. Обеспечение единства измерений», 4-е изд., СПб. Питер, 2012) метрологической исправности средства измерений, осуществляемый посредством процедуры калибровки. Применительно к ИСИ при реализации этого способа:
- прерывают технологический цикл,
- демонтируют средство измерений,
- определяют текущие градуировочную и дополнительные зависимости, вычисляют текущие значения диагностического параметра,
- выполняют сравнение между собой текущей и опорной градуировочной зависимости, сравнение между собой текущей и опорной дополнительной зависимости (для каждой пары сопоставляемых дополнительных зависимостей, если их больше одной), сравнение текущих значений диагностического параметра с опорными значениями диагностического параметра. По результатам сравнений судят о выполнении вышеупомянутых условий метрологической исправности ИСИ.
Если по результатам контроля метрологической исправности выявлено, что отличия текущей градуировочной, текущих дополнительных и текущей диагностической зависимостей от соответствующих опорных зависимостей не превышают допускаемых пределов, то осуществляют монтаж ИСИ в оборудование.
Если по результатам контроля метрологической исправности выявлено, что отличия текущей диагностической зависимости от опорной диагностической зависимости не превышают допускаемых значений, а отличие текущей градуировочной зависимости от опорной градуировочной зависимости и/или отличия текущей дополнительной зависимости от опорной дополнительной зависимости (для любой пары сопоставляемых дополнительных зависимостей, если их больше одной) приближаются к допускаемому пределу или несколько превышают его, то перед монтажом, вносят коррекцию в опорную градуировочную и/или опорные дополнительные зависимости.
Если по результатам контроля метрологической исправности выявлено, что отличие текущей диагностической зависимости от опорной диагностической зависимости существенно превышает допускаемый предел, то это означает, что условия, для которых определялась диагностическая зависимость, при эксплуатации не реализуются или ИСИ неисправен. В этих случаях ИСИ подлежит ремонту.
Недостатком такого способа контроля метрологической исправности ИСИ является необходимость прерывания технологического цикла. Оно всегда нежелательно, поскольку заметно увеличивает эксплуатационные затраты, но в ряде случаев, особенно на объектах ответственного назначения, такое прерывание технологически невозможно. Кроме того, демонтаж интеллектуального средства измерений и повторный монтаж могут привести к его метрологической неисправности.
Известен способ, описанный в патенте на изобретение Горохова Л.П., Сапожниковой К.В., Тайманова Р.Е. «Способ контроля метрологической исправности измерительного преобразователя неэлектрической величины и устройство для его осуществления» (RU 2321829 С2, G01D 3/00, 21.03.2006). В соответствии с более поздним документом - ГОСТ Р 8.673-2009, - этот способ следует именовать метрологическим самоконтролем измерительного преобразователя.
Известный способ заключается в следующем.
На этапе разработки в чувствительном элементе выделяют части, имеющие различную чувствительность к факторам, влияющим на метрологическую исправность и порождающим критическую составляющую погрешности. Сигналы от этих частей используют для вычисления значения контролируемого параметра β. Контролируемый параметр β представляет собой функцию значений сигналов от выделенных частей чувствительного элемента. Например, это может быть отношение сигналов, их разность или какая-либо другая функция, выбор которой определяется на этапе разработки по ожидаемому виду критической составляющей погрешности. При этом контролируемый параметр β стараются выбирать таким образом, чтобы его значения в минимальной мере зависели от значений измеряемой величины.
0
изм
0
изм
0
доп
доп
Перед вводом в эксплуатацию измерительный преобразователь калибруют, вычисляют опорное (номинальное) значение β контролируемого параметра и устанавливают его в качестве принятого опорного значения контролируемого параметра. В процессе эксплуатации периодически вычисляют текущее значение β контролируемого параметра и сравнивают его с принятым опорным значением β. Если отличие текущего значения контролируемого параметра от его принятого опорного значения не превышает допускаемого предела, заданного на этапе разработки (т.е. выполняется условие |β-β|<β, где β - допускаемый предел), принимается решение, что текущая градуировочная зависимость соответствует опорной градуировочной зависимости.
Если к моменту окончания назначенного межкалибровочного или межповерочного интервала соответствие между текущей и опорной градуировочными зависимостями подтверждено результатами метрологического самоконтроля, то этот факт может стать основанием для увеличения соответствующего интервала и продолжения эксплуатации измерительного преобразователя.
Если результат метрологического самоконтроля свидетельствует о метрологической неисправности, заключающейся в том, что отличие между текущей и опорной градуировочными зависимостями превышает допускаемый предел, то необходимо осуществить внеплановую калибровку или поверку (с калибровкой) измерительного преобразователя, даже если назначенный межкалибровочный или межповерочный интервал еще не истек.
Таким образом, известный способ позволяет формировать интеллектуальное средство измерений из обычного, так как осуществление известного способа вводит в средство измерений функцию метрологического диагностического самоконтроля.
Кроме того, в известном способе в тех случаях, когда условия эксплуатации такие же, как те, для которых была определена критическая составляющая погрешности, процедуру внеплановой калибровки можно заменить самокоррекцией в процессе эксплуатации без прерывания технологического цикла (см., например, Ю.В. Бакшеева, К.В. Сапожникова, Р.Е. Тайманов. «Резистивные датчики температуры с метрологическим самоконтролем». Датчики и системы, 2011, №4, стр.62-70). Самокоррекция позволяет дополнительно увеличить межкалибровочный или межповерочный интервал. Процедура самокоррекции в процессе эксплуатации правомерна лишь при условии, что текущая диагностическая зависимость соответствует опорной диагностической зависимости. При этом предельное значение, до которого можно увеличить межкалибровочный или межповерочный интервал, определяется вероятной длительностью промежутка времени, в течение которого текущая диагностическая зависимость соответствует опорной диагностической зависимости.
В описании известного способа приведены примеры, подтверждающие возможность осуществления самокоррекции при указанных выше условиях.
Так, в известном способе рассмотрен резистивный датчик температуры с чувствительным элементом типа «свободная от напряжения спираль», в котором предложено выполнять чувствительный элемент из частей, например, имеющих разный диаметр проволоки, но изготовленных из идентичного материала. Зависимость сопротивления R любой из частей чувствительного элемента преобразователя от изменения температуры ΔT в первом приближении квадратичной формулы, принятой к использованию согласно Международному стандарту МЭК 60751 (1995,07) и ГОСТ Р 8.625-2006 «Термометры сопротивления из платины меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний», может быть представлена выражением:
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mfrac><mi>l</mi><mi>S</mi></mfrac></mrow>
,
0
0
где: R - сопротивление при температуре T,
α - температурный коэффициент,
0
ΔT=T-T,
ρ - удельное сопротивление,
l - длина проволоки спирали,
S - площадь поперечного сечения проволоки.
1
2
1
2
Величины сопротивлений R и R частей, выполненных из проволок длиной l и l разных диаметров D и d соответственно, равны:
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mfrac><mrow><mn>4</mn><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>ρ</mi><mfrac><mrow><mn>4</mn><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Известно, что критическая составляющая погрешности для резистивных платиновых датчиков температуры, выполненных в конструкции «свободная от напряжения спираль» с соблюдением установленных требований технологии изготовления, в диапазоне до 450°С, связана с медленным и постепенным изменением состояния поверхности проволоки (см. Самсонов Г.Н., Киц А.И., Кюздени О.А., Лах В.И. и др. «Датчики для измерения температуры в промышленности», Киев: Наукова думка, 1972).
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Фактически, происходит деструкция поверхности проволоки, что можно моделировать изменением диаметра проволоки. Соответственно, меняется сопротивление спиралей. Поэтому текущая градуировочная
и текущая дополнительная
зависимости в этом случае будут иметь как аддитивную, так и мультипликативную составляющие в определенной, заранее известной, пропорции:
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>ρ</mi><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>ρ</mi><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где w - условная глубина деструкции проволоки.
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
В качестве контролируемого параметра может быть принято, например, отношение сопротивлений частей чувствительного элемента. Тогда принятое опорное значение контролируемого параметра
равно:
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Если критическая составляющая погрешности, возникающая при эксплуатации, обусловлена деструкцией поверхностного слоя проволоки чувствительного элемента, то текущее значение контролируемого параметра равно:
<mrow><msub><mi>β</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mfrac><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>w</mi></mrow><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>d</mi><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>4</mn><mi>w</mi><mfrac><mrow><mi>D</mi><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow><mrow><mi>D</mi><mi>d</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≠</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>δ</mi><mi>T</mi><mo>≈</mo><mn>4</mn><mfrac><mi>w</mi><mi>D</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>3</mn><mfrac><mi>w</mi><mi>D</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
В выражение (6) входит величина w, определяющая критическую составляющую погрешности:
, где δT - относительная погрешность измерения температуры, обусловленная деструкцией поверхностного слоя проволоки. Поэтому, в соответствии с приведенным выше определением, выражение (6) может быть использовано в качестве опорной диагностической зависимости.
Если в процессе эксплуатации происходит только деструкция поверхностного слоя проволоки чувствительного элемента резистивного датчика температуры, то текущая диагностическая зависимость совпадает с опорной диагностической зависимостью и также описывается выражением (6), что позволяет оценить погрешность и провести соответствующую самокоррекцию результатов измерения.
Известный способ позволяет осуществлять проверку соответствия текущей градуировочной зависимости опорной, т.е. реализует проверку выполнения первого из двух указанных выше условий метрологической исправности ИСИ - проверку метрологической исправности средства измерений, осуществляющего основное измерение.
Однако в процессе эксплуатации вероятны ситуации, когда вступают в действие другие факторы и текущая диагностическая зависимость изменяется относительно опорной.
Например, если установленные требования технологии изготовления датчиков нарушены и при этом на датчики воздействуют быстрые изменения температуры, сильные вибрации или удары, то возможно появление таких дефектов, как ухудшение контакта спирали с подводящими проводами, замыкание отдельных витков спирали и т.д. Эти дефекты приведут к возникновению дополнительной аддитивной составляющей погрешности и изменят текущую диагностическую зависимость относительно опорной диагностической зависимости (6):
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>β</mi><mi>T</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>≠</mo><msub><mi>β</mi><mi>T</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
где rи r - дополнительные аддитивные погрешности.
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет в процессе эксплуатации контролировать отклонение текущей диагностической зависимости от опорной диагностической зависимости, т.е. не реализует проверку выполнения второго из двух указанных выше условий метрологической исправности ИСИ - проверку метрологической исправности метрологического самоконтроля. Этот недостаток не позволяет в полном объеме осуществлять контроль метрологической исправности ИСИ, что ограничивает возможность увеличения предельного значения длительности межкалибровочного или межповерочного интервала.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение предельного значения длительности межкалибровочного или межповерочного интервала ИСИ.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности осуществления периодического (практически непрерывного) контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений в процессе его эксплуатации (без прерывания штатных измерений).
Тем самым, обеспечивается повышение достоверности результатов измерений, а также снижается риск принятия ответственных решений на основе недостоверной информации, которая могла бы поступить от метрологически неисправного ИСИ. Кроме того, при положительных результатах проверки оказывается возможным проведение самокоррекции, и, тем самым, создается основание для дальнейшего обоснованного увеличения межповерочного или межкалибровочного интервалов ИСИ.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемом способе контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений, включающем периодическое определение значений измеряемой величины и контролируемого параметра средства измерений в процессе эксплуатации, и сравнение полученного значения контролируемого параметра с его принятым опорным значением, в отличие от известного способа, 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.
На фиг.1 показана структура осуществления контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений.
На фиг.2 показан пример устройства, иллюстрирующий осуществление заявляемого способа.
Заявляемый способ контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений осуществляют следующим образом.
На этапе разработки интеллектуального средства измерений посредством расчетно-аналитических методов и анализа результатов экспериментальных метрологических исследований и испытаний определяют критическую составляющую погрешности. В чувствительном элементе разрабатываемого ИСИ выделяют части, имеющие разную чувствительность к факторам, порождающим критическую составляющую погрешности, и аналитически определяют опорную диагностическую зависимость.
1
1
2
2
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>≠</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>y</mi><mn>1</mn></msub><mo>∂</mo><mi>g</mi></mrow></mfrac><mo>≠</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>y</mi><mn>2</mn></msub><mo>∂</mo><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
В дальнейшем изложении без нарушения общности рассматривается случай, при котором в чувствительном элементе выделяют две части с различной чувствительностью к факторам, влияющим на метрологическую исправность ИСИ. Выходной сигнал одной части описывается градуировочной зависимостью y=f(x, g), выходной сигнал другой части описывается дополнительной зависимостью y=f(x, g), где x - значение входной величины, подлежащей измерению (измеряемой величины); g - фактор, влияющий на метрологическую исправность ИСИ;
и/или
(что означает различную абсолютную и/или относительную чувствительность к факторам, влияющим на метрологическую исправность ИСИ).
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
На этапе первичной калибровки измеряют значения выходных сигналов от выделенных частей чувствительного элемента в рабочем диапазоне измеряемой величины х, т.е. опорную градуировочную зависимость
и опорную дополнительную зависимость
. По ним определяют опорное значение β контролируемого параметра β, которое устанавливают в качестве принятого опорного значения контролируемого параметра.
1
2
Контролируемый параметр β может вычисляться разными способами, например, как разность выходных сигналов y и y от выделенных частей, как их отношение, или представлять собой более сложную функцию, в зависимости от ожидаемого вида критической составляющей погрешности. При этом контролируемый параметр β рекомендуется выбирать таким образом, чтобы его значения в минимальной мере зависели от значений измеряемой величины х. В дальнейшем изложении без потери общности рассматривается случай, когда контролируемый параметр выбран таким образом, что его значения не зависят от значений измеряемой величины.
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В процессе эксплуатации ИСИ периодически измеряют выходные сигналы
и
от выделенных частей чувствительного элемента. С использованием градуировочной зависимости, принятой на этапе калибровки, получают значение измеряемой величины
. С использованием обоих сигналов
и
осуществляют контроль метрологической исправности ИСИ в два этапа.
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>y</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo>|</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><mo>|</mo><mo><</mo><msub><mi>β</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow>
0
доп
На первом этапе измеренные значения выходных сигналов
и
используют для вычисления текущего значения контролируемого параметра
, которое сравнивают с принятым опорным значением β аналогично тому, как это делают в известном способе: если
, где β - допускаемый предел отклонения контролируемого параметра от принятого опорного значения, то ИСИ признается метрологически исправным и его эксплуатация может быть продолжена.
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Кроме этого, в отличие от известного способа, полученное значение измеряемой величины
и вычисленное для нее текущее значение контролируемого параметра
запоминают для использования на втором этапе.
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>≠</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mo>|</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>|</mo><mo>></mo><mn>3</mn><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
доп
доп
Второй этап - сравнение, по крайней мере, двух текущих значений контролируемого параметра, определенных для разных значений
и
измеряемой величины. На практике неравенство
можно считать выполненным при выполнении условия
, где Δx - допускаемая погрешность измерений. Это условие соответствует общепринятым метрологическим нормам (например, см. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. «Основы метрологии», М.: Изд-во стандартов, 1972). Поэтому на этом этапе вычисляют разность последнего полученного значения измеряемой величины
и предыдущих, начиная с ближайших к последнему. Как только найдено ближайшее к последнему (по времени измерения) значение измеряемой величины
, отличающееся от последнего значения
больше, чем на 3Δx, сравнивают текущие значения контролируемого параметра
и
, соответствующие выбранным значениям измеряемой величины
и
.
<mrow><mo>|</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>></mo><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>∈</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>∈</mo><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
доп
Если
где ε - допускаемый предел отклонения контролируемого параметра, то принимают решение, что текущая диагностическая зависимость для значении измеряемой величины в диапазоне
соответствует опорной диагностической зависимости. В этом случае принимают, что вид возникшей в процессе эксплуатации погрешности в диапазоне
такой же, как и у критической составляющей погрешности, определенной на этапе разработки, оценивают значение возникшей погрешности и вносят соответствующую коррекцию в результаты измерений.
<mrow><mo>|</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>|</mo><mo>></mo><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
Если
то принимают, что текущая диагностическая зависимость не соответствует опорной диагностической зависимости, и, следовательно, достоверность результатов метрологического диагностического самоконтроля неудовлетворительна. Это означает, что условия эксплуатации изменились по сравнению с условиями, для которых была определена критическая составляющая погрешности или что ИСИ неисправно.
<mrow><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>1</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>,</mo><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mrow><msub><mn>2</mn><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>м</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>,</mo><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Следует отметить, что контролируемый параметр может зависеть от измеряемой величины х в выражении для опорной диагностической зависимости. В этом случае в выражении для опорной диагностической зависимости функция контролируемого параметра от измеряемой величины должна быть известной: β=f(х, Δx), где Δх - погрешность измерения. Тогда при сравнении контролируемых параметров проверяют тем или иным способом, что
и
принадлежат одной и той же зависимости β=f(x, Δх).
Устройство - интеллектуальное средство измерения температуры с контролем метрологической исправности, иллюстрирующее осуществление заявляемого способа, (фиг.2) содержит терморезистивный чувствительный к температуре элемент 1, состоящий из частей 2 и 3, имеющих различную чувствительность к фактору, влияющему на метрологическую исправность измерительного преобразователя, блок 4 измерения и контроля, блок 5 запоминания и обработки. Части 2 и 3 могут быть выполнены, например, из проволоки разной толщины, но из одинакового материала. Входы блока 4 измерения и контроля соединены с частями 2 и 3 чувствительного к температуре элемента 1. Блок 4 измерения и контроля соединен с блоком 5 запоминания и обработки. Источник питания на фиг.2 не показан.
Устройство реализует заявляемый способ следующим образом.
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mo>|</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub><mo>|</mo><mo><</mo><msub><mi>β</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><msub><mi>п</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><msub><mi>п</mi><mi>Т</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><mo>|</mo><mi>β</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub><mo>|</mo><mo>≥</mo><msub><mi>β</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><msub><mi>п</mi><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>β</mi><mrow><msub><mn>0</mn><mi>T</mi></msub></mrow></msub></mrow>
1
1
1
1
1
1
1
2
1
2
доп
доп
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
На этапе разработки определяют опорную диагностическую зависимость, например, по выражению (6). При первоначальной калибровке определяют опорное значение контролируемого параметра
(например, по выражению (5)) и устанавливают его в качестве принятого опорного значения. Определяют опорную градуировочную и опорную дополнительную зависимости (например, по выражениям (1) и (2) соответственно). В процессе эксплуатации при воздействии температуры сопротивление терморезистивного чувствительного к температуре элемента 1 изменяется (выражения (3) и (4) или (7) и (8)). Электрические сигналы с его частей 2 и 3 подаются на входы блока 4 измерения и контроля. Блок 4 измеряет значение температуры Т и вычисляет соответствующее ему текущее значение контролируемого параметра β(T). Измеренное значение температуры Т и соответствующее ему текущее значение контролируемого параметра β(Т) поступают в блок 5 запоминания и обработки, где сохраняются для дальнейшего использования. Текущее значение контролируемого параметра β(T) сравнивают с принятым опорным значением
. Последнее измеренное значение температуры Т сравнивают, начиная с ближайших к T (по времени измерения), со значениями температуры, измеренными ранее и хранящимися в блоке 5 запоминания и обработки, находят Т:|Т-Т|≥3ΔT, где T - допускаемая погрешность измерения температуры, сравнивают β(Т) и β(Т). По результатам сравнения β(T) и
, а также β(T) и β(Т) судят о метрологической исправности интеллектуального средства измерения температуры. Если значения β(T) и β(T) равны (в пределах допускаемой погрешности), то текущая диагностическая зависимость соответствует опорной, и в процессе эксплуатации действительно справедливы выражения (3), (4) и (6). Если при этом
, где
- Допускаемое отклонение контролируемого параметра от принятого опорного значения, то интеллектуальное средство измерения температуры признается метрологически исправным и его эксплуатация может быть продолжена. Если
, то на основе выражения (6) производят оценку возникшей погрешности измерения температуры δТ, проводят самокоррекцию результата измерений и продолжают эксплуатацию. Если значения β(T) и β(Т) не равны, то, следовательно, в процессе эксплуатации имели место нештатные влияющие воздействия, породившие дополнительные неизвестные аддитивные погрешности, изменившие текущую диагностическую зависимость относительно опорной, т.е. имеют место выражения (7)-(9). Это означает, что текущее значение контролируемого параметра β(T) некорректно сравнивать с принятым опорным значением
и результаты их сравнения не могут использоваться для осуществления диагностического метрологического самоконтроля. В этом случае интеллектуальное средство измерения температуры снимают с эксплуатации.
Таким образом, заявляемый способ позволяет проверять, является ли реальная погрешность, возникшая в интеллектуальном средстве измерения при его эксплуатации, по своему виду такой же, как и критическая составляющая погрешности, определенная (заданная) на этапе разработки, и на этом основании осуществлять автоматическую коррекцию результатов измерений, оценивать погрешность вводимой коррекции, а также, при необходимости, принимать обоснованное решение о необходимости калибровки или поверки.
В результате становится возможным вести периодический (практически непрерывный) контроль метрологической исправности самого измерительного преобразователя, а также функции метрологического самоконтроля интеллектуального средства измерений в целом непосредственно в процессе его эксплуатации путем анализа сигналов от различных частей чувствительного элемента, имеющих различную чувствительность к влияющим на метрологическую исправность факторам.
В конечном итоге такой периодический контроль метрологической исправности ИСИ дает возможность существенно увеличить предельное значение длительности межкалибровочного или межповерочного интервала ИСИ, и тем самым снизить риск принятия ответственных решений на основе получаемой недостоверной информации, которая могла бы поступить от метрологически неисправного ИСИ.
Таким образом, приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.