Метрологический самоконтроль

В настоящее время в мире активно разрабатываются и применяются интеллектуальные датчики и интеллектуальные измерительные системы, и наша страна не является исключением!

Федеральным агентством по техническому регулированию утверждены и введены в действие ряд национальных стандартов, распространяющихся на интеллектуальные датчики и интеллектуальные измерительные системы, разрабатываемые и применяемые в Российской Федерации:

ГОСТ Р 8.673-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения»
ГОСТ Р 8.734-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Методы метрологического самоконтроля»
ГОСТ Р 8.825-2013 «Государственная система обеспечения единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Методы ускоренных испытаний»

Метрологический самоконтроль

В соответствии с ГОСТ 8.673-2009:
Интеллектуальный датчик – адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля.
Метрологический самоконтроль датчика – автоматическая проверка метрологической исправности датчика в процессе его эксплуатации, осуществляемая с использованием принятого опорного значения, формируемого с помощью встроенного в датчик средства (измерительного преобразователя или меры) или выделенного дополнительного параметра выходного сигнала).

Метрологический самоконтроль датчика может быть реализован в двух формах: метрологического прямого или метрологического диагностического самоконтроля.
Метрологический прямой самоконтроль датчика – метрологический самоконтроль датчика, осуществляемый путём оценки отклонения значения измеряемой величины от принятого опорного значения, формируемого встроенным средством (измерительным преобразователем или мерой) более высокой точности.
Метрологический диагностический самоконтроль датчика – метрологический самоконтроль датчика, осуществляемый путём оценки отклонения параметра, характеризующего критическую составляющую погрешности, от принятого опорного значения этого параметра.

В соответствии с ГОСТ Р 8.734-2011, метрологический самоконтроль служит для снижения вероятности получения недостоверной измерительной информации в течение межповерочного или межкалибровочного интервала, для обоснования изменения межповерочного или межкалибровочного интервала в зависимости от остаточного метрологического ресурса, для сокращения эксплуатационных затрат за счёт уменьшения числа поверок и калибровок, а также для снижения затрат на устранение последствий нарушения технологических процессов, вызванных метрологическими отказами.

Метрологический самоконтроль может быть реализован в режиме, не прерывающем процесс измерений, или в тестовом режиме на основе структурной, временной или функциональной избыточности.

Для выбора оптимального метода метрологического самоконтроля, необходимо проанализировать составляющие погрешности датчика: выявить вероятные источники погрешности и обусловленные ими составляющие погрешности, а также определить критическую составляющую погрешности.

При выявлении вероятных источников погрешности следует изучить опыт эксплуатации аналогов, причины возникновения погрешностей аналогов и их составляющих, выявить «слабые» звенья. Требуется проанализировать ожидаемые условия эксплуатации, предполагаемую конструкцию и технологию изготовления разрабатываемого средства измерений.

При определении критической составляющей погрешности следует произвести оценку скорости нарастания и вида составляющих погрешности, ранжирование составляющих погрешности по их значимости, выделение критической составляющей погрешности.

Примеры реализации

методов метрологического самоконтроля

Метрологический самоконтроль вихретоковых датчиков

Метрологический прямой самоконтроль вихретокового датчика расстояния до проводящей поверхности может быть реализован на основе структурной избыточности в тестовом режиме: датчик содержит возбуждающую катушку индуктивности, приемную катушку и индуктивности и дополнительно – имитатор мишени, выполненный в виде коммутируемой плоской катушки индуктивности. Имитатор размещают перед мишенью. Деталь, фиксирующая расстояние между приемной катушкой и имитатором, выполняет функцию меры длины.

Метрологический прямой самоконтроль датчика температуры с термометром сопротивления может быть реализован на основе временной и функциональной избыточности. В термометре сопротивления от температуры зависят как его сопротивление, так и параметры спектра шума. Измерения температуры по параметрам спектра шума – более точные, чем по сопротивлению. Поэтому значение температуры, измеренной по спектру шума, может быть принято в качестве опорного значения.

Метрологический диагностический самоконтроль мембранного датчика давления может быть реализован на основе структурной избыточности в тестовом режиме. В таком датчике мембрана жестко связана с плунжером. Перемещение плунжера внутри индуктивного преобразователя формирует выходной сигнал. В датчик введен электромагнит, катушка которого также охватывает плунжер.

Метрологический самоконтроль датчиков давления
Метрологический самоконтроль датчика температуры

Метрологический диагностический самоконтроль термоэлектрического датчика температуры может быть реализован на основе структурной избыточности: датчик содержит несколько термопар, близких по точности. В качестве функции преобразования датчика использована зависимость среднего значения выходного сигнала термопар от значения измеряемой температуры.

Функция метрологического самоконтроля реализована в цифровых датчиках семейства ZETSENSOR с интерфейсом передачи данных CAN 2.0:
ZET 7110 — цифровой тензометрический датчик для статических измерений;
ZET 7110-DS — цифровой датчик малых деформаций;
ZET 7111 — цифровой тензометрический датчик для динамических измерений;
ZET 7120 — цифровой датчик температуры, первичный преобразователь — термопара;
ZET 7121 — цифровой датчик температуры, первичный преобразователь — термосопротивление;
ZET 7123 — цифровой метеодатчик;
ZET 7112-I — цифровой датчик избыточного давления;
ZET 7112-A — цифровой датчик абсолютного давления;
ZET 7150 — цифровой сейсмодатчик;
ZET 7151 — цифровой акселерометр;
ZET 7152-N -цифровой акселерометр со встроенным первичным преобразователем;
ZET 7152-E — цифровой акселерометр со встроенным первичным преобразователем и расширенным диапазоном измерений;
ZET 7155 — цифровой геофон;
ZET 7140-E — цифровой датчик акустической эмиссии;
ZET 7140-R — цифровой датчик кавитации;
ZET 7140-S — цифровой вихретоковый датчик перемещения;
ZET 7111-L — цифровой LVDT датчик;
ZET 7154 — цифровой инклинометр;
ZET 7160-E — цифровой энкодер;
ZET 7180-I и ZET 7180-V— измерительные модули;
ВС 314-М — врезной гидрофон с цифровым выходом.

Метрологический самоконтроль ZETSENSOR

программное обеспечение

Для проведения метрологического самоконтроля цифровых датчиков ZETSENSOR в автоматическом режиме разработано специализированное программное обеспечение.

Главное окно программы представлено на рисунке. На вкладке «Метрологический самоконтроль» пользователь осуществляет выбор типа устройства, выбор теста, управление процессом измерений, получает результаты самоконтроля.

Окно программы Метрологический самоконтроль

Выбор типа интеллектуального датчика осуществляется при помощи выпадающего списка (1). Если программа метрологического самоконтроля запущена, то селектор (1) становится недоступным для изменения до того момента, как пользователь не остановит работу проекта или пока самоконтроль не закончится.

После выбора типа устройства в элементе (2) появится список со всеми интеллектуальными датчиками данного типа, подключенными в данный момент к компьютеру. Данный селектор предназначен для выбора определённого интеллектуального датчика, подлежащего самоконтролю, путем выбора серийного номера из выпадающего списка. Если программа самоконтроля запущена, то селектор (2) становится недоступным для изменения до того момента, как пользователь не остановит работу проекта или пока самоконтроль не закончится.

После выбора интеллектуального датчика автоматически будет считана информация по этому устройству, и заполнятся поля (3)(10). Если у выбранного интеллектуального датчика отсутствует чувствительный элемент, или не может измеряться температура платы, поля (5) или (7) заполнятся символами «***» соответственно.

Для запуска и остановки работы программы предназначена кнопка (13). В процессе самоконтроля цвет кнопки зеленый, в остановленном состоянии цвет кнопки серый.

Элементы (11)(16) служат для индикации процесса самоконтроля, индикатор (11) служит таймером, который показывает, сколько осталось времени до конца текущего теста. Он начинает отсчет после того как начнётся проведение какого-либо теста. Индикатор процесса (12) служит для индикации процесса работы проекта, во время проведения самоконтроля эта полоса будет заполняться.

Индикаторы (14)(16) по умолчанию не активны. В случае если в тесте необходимо измерить СКЗ сигнала, то индикатор (14) станет активным, и на нем будет отображаться текущее значение СКЗ сигнала. В случае если в тесте необходимо измерить постоянное значение сигнала, то индикатор (15) станет активным, и на нем будет отображаться текущее значение постоянного значения сигнала. В случае если в тесте необходимо измерить частоту, то индикатор (16) станет активным, и на нем будет отображаться текущее значение частоты.

Результаты тестов отображаются в журнале (17). Журнал содержит следующую информацию:

  • номер теста;
  • название теста;
  • измеряемый параметр;
  • заданное значение измеряемого параметра;
  • фактическое значение измеряемого параметра;
  • фактическое отклонение измеряемого параметра;
  • допустимое отклонение;
  • конечный результат проведения теста.

Типы тестовых воздействий

AC - переменный сигнал

FR: «Требуемое значение частоты»: «Допуск частоты» – частота переменного сигнала;

AM: «Требуемое значение амплитуды сигнала»: «Допуск амплитуды сигнала» – амплитуда переменного сигнала;

OF: «Смещение генерируемого сигнала»: «Допуск смещения генерируемого сигнала» – смещение генерируемого сигнала;

TM: «Время анализа сигнала» – время контроля сигнала (указывать минимальное время анализа сигнала, для тестов в которых имеются переходные процессы или просто являются долгими)

Пример:
AC;FR:0.5:0.01;AM:0.4:0.002;OF:0.1:0.0001;TM:5
переменный сигнал с частотой: 0.5 ± 0.01 Гц, амплитудой: 0.4 ± 0.002 В, смещением: 0.1 ± 0.0001 В, сигнал контролируем в течении не менее 5 секунд.

Выполнение теста.

После того как таймер дойдет до нуля, будут выполнены следующие измерения:

  1. С помощью узкополосного спектрального анализа находится значение частоты, выводится на индикатор (16) и записывается в журнал.
  2. Считывается значение СКЗ сигнала с помощью вольтметра переменного тока, выводится на индикатор (14) и записывается в журнал.
  3. Считывается значение постоянного значения сигнала с помощью вольтметра постоянного тока, выводится на индикатор (15) и записывается в журнал.
  4. Считывается значение скважности подстройки генератора.

Результаты теста записываются в журнал. Если полученные значения совпадают с параметрами тестового сигнала в пределах допуска, и текущая скважность подстройки генератора находится в пределах от 30% до 70%, тест признается пройденным.

DC - постоянный сигнал

LE: «Требуемый уровень сигнала»: «Допуск уровня сигнала» – уровень генерируемого сигнала.

TM: «Время анализа сигнала» – время контроля сигнала (указывать минимальное время анализа сигнала, для тестов в которых имеются переходные процессы или просто являются долгими)
Пример:
DC;LE:0.5:0.001;TM:5
постоянный сигнал: 0.5 ± 0.001 В, сигнал контролируем в течении не менее 5 секунд.

Выполнение теста.

После того как таймер дойдет до нуля, будут выполнены измерения значения постоянного значения сигнала с помощью вольтметра постоянного тока, которое выведется на индикатор (15) и запишется в журнал. Затем если полученное значение совпадает с параметрами тестового сигнала в пределах допуска, и текущая скважность подстройки генератора находится в пределах от 30% до 70%, тест признается пройденным.

ST1 - ступенчатое изменение

AM: «Минимальное изменение»: «Максимальное изменение» – амплитуда изменения.

TM: «Время установки сигнала» – время, через которое можно начать контроль сигнала

Пример:
ST1;AM:100:200;TM:5
ступенчатое изменение: на 100..200 единиц, сигнал контролируем через не менее 5 секунд.

Выполнение теста.

Устройство переводится в режим отключения тестирования, затем производится измерение значения постоянного значения сигнала (для того, чтобы скорректировать границы допуска) с помощью вольтметра постоянного тока, затем устройство переключается на режим необходимого теста. После того как таймер дойдет до нуля, будут выполнены измерения значения постоянного значения сигнала с помощью вольтметра постоянного тока, которое выведется на индикатор (15) и запишется в журнал. Затем если полученное значение совпадает с параметрами тестового сигнала в пределах допуска, и текущая скважность подстройки генератора находится в пределах от 30% до 70%, тест признается пройденным.

ST2 - ступенчатое изменение

MD: «Минимальное изменение»: «Максимальное изменение» – амплитуда изменения.

TM: «Время установки сигнала» – время, через которое можно начать контроль сигнала

Пример:
ST2;MD:10:10.5;TM:6
ступенчатое изменение: на 10..10.5 единиц по модулю (с любым знаком), сигнал контролируем через не менее 6 секунд.

Выполнение теста.

Устройство переводится в режим отключения тестирования, затем производится измерение значения постоянного значения сигнала (для того, чтобы скорректировать границы допуска) с помощью вольтметра постоянного тока, затем устройство переключается на режим необходимого теста. После того как таймер дойдет до нуля, будут выполнены измерения значения постоянного значения сигнала с помощью вольтметра постоянного тока, которое выведется на индикатор (15) и запишется в журнал. Затем если полученное значение совпадает с параметрами тестового сигнала в пределах допуска, и текущая скважность подстройки генератора находится в пределах от 30% до 70%, тест признается пройденным.

PPS - сигнал Pulse-per-second

SP: «Допустимое отклонение в отсчётах» – количество отсчётов, на которое может опоздать или опередить фронт относительно начала секунды.

Необходимо наблюдать изменение уровня раз в секунду.
До начала теста синхронизация по CAN должна быть выполнена.

Пример:
PPS;SP:2 –
изменение должно происходить в момент начала секунды, 2 отсчёта.

Выполнение теста.

После того как таймер дойдет до нуля, произведет измерение значения отклонения и записывается в журнал. Тест признается пройденным в случае если:

  • полученное значение совпадает с параметрами тестового сигнала в пределах допуска;
  • текущая скважность подстройки генератора находится в пределах от 30% до 70%;
  • частота сигнала находится в пределах от 0,4 Гц до 0,6 Гц.

В противном случае тест признается не пройденным и происходит остановка диагностики.

Во время работы программа настраивает датчик на необходимый тест, затем проводит необходимые измерения. Программа сравнивает фактический сигнал по измерительному каналу с описанным сигналом и выдаёт результаты измерений в журнал.

После полного проведения метрологического самоконтроля в поле (18) появится результат самоконтроля, а кнопка (19) станет активной. Кнопка (19) служит для формирования протокола по результатам самоконтроля.

После формирования протокола в папке с исполняемым файлом «Metrological_Selftest_7xxx.exe» сформируется файл Exel формата .xlsx. В этом файле будет сформирован протокол самоконтроля, который необходимо отправить в ООО «ЭТМС».

Список литературы
1. ГОСТ Р 8.673-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения»
2. ГОСТ Р 8.734-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Методы метрологического самоконтроля»