ІНСТИТУТ МЕТРОЛОГІЇ

Колпак Богдан Дмитрович

УДК 389.14: 681.5.07

МЕТОДОЛОГІЯ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЮ ТА ОБЛІКУ ЕНЕРГОНОСІЇВ (АСКОЕ)

Спеціальність 05.11.15 – Метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті "Система" (м. Львів)

Держстандарту України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор

Володарський Євген Тимофійович,

Національний технічний університет “КПІ”, м. Київ,

професор кафедри “Автоматизація експериментальних досліджень”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Большаков Володимир Борисович,

Харківський державний науково-дослідний інститут метрології Держстандарту України,

заступник директора з метрологічної служби та наукової роботи;

доктор технічних наук, старший науковий співпрацівник Камінський Віктор Юлієвич,

Воєнстандарт України Міністерства оборони України, м. Київ,

начальник центрального управління метрології і стандартизації – головний метролог;

доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович,

Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти та науки України,

завідувач кафедрою метрології та промислової автоматики.

Провідна установа:

Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України, м. Львів

Захист дисертації відбудеться 19.04. 2001 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01 у Харківському державному науково-дослідному інституті метрології

за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного науково-дослідного інституту метрології

Автореферат розісланий 18.03.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Косач Н.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах переходу економіки України до ринкових відносин, дефіциту та безперервного подорожчання енергоносіїв проблема енергозбереження, тобто проблема контролю, обліку, економії й раціонального використання енергоносіїв стала однією з першочергових проблем державного рівня. За останні роки прийнято ряд постанов Кабінету Міністрів України, спрямованих на розробку та впровадження в промисловість і побут засобів вимірювальної техніки, які здійснюють контроль, облік та регулювання витрат паливно-енергетичних ресурсів, теплової енергії й води. Президія Кабінету Міністрів України своїм рішенням зобов’язала Держстандарт України розробити концепцію метрологічного забезпечення (МЗ) засобів обліку й регулювання споживання води і паливно-енергетичних ресурсів. На спільному засіданні Науково-технічної Ради Міненерго і НКРЕ 27.03.1997р. затверджено “Концепцію побудови автоматизованих систем обліку електроенергії в умовах енергоринку України”. Кабінет Міністрів України прийняв Постанову № 826 від 18.05.2000 р. “Про заходи щодо впровадження автоматизованих систем обліку електроенергії”. На сьогоднішній день стратегія господарювання вимагає масового забезпечення виробників та споживачів автоматизованими системами контролю і обліку енергоносіїв (АСКОЕ), що відносяться до інформаційно-вимірювальних систем (ІВС), а в деяких випадках - до автоматизованих систем керування технологічними процесами (АСКТП).

Необхідність підвищення ефективності контролю при обмеженому рівні затрат спричинила появу нових видів комп’ютерних систем з високим рівнем інтелектуалізації. Наприклад, в склад АСКОЕ природного газу входять інтелектуальні цифрові вимірювальні перетворювачі тиску, перепаду тисків та температури з класами точності не нижче 0,1. У розвинутих країнах основну увагу зосереджують на вдосконаленні апаратних засобів вимірювань. Прикладами можуть бути розподілені в просторі інформаційно-керуючі системи “Group Schneider” (Франція), “SCADA”, “Compaq” (США), за допомогою яких реалізують пересилання даних в реальному масштабі часу для контролю витрат енергоносіїв. Річна економія витрат енергоносіїв на об`єктах, які забезпечені сучасними АСКОЕ, складає за світовими оцінками не менше 30 %.

Але МЗ таких систем відстає від темпів їх розвитку і потребує нового підходу. Методологія МЗ ІВС та АСКТП зорієнтована тільки на вимірювальні канали і не враховує підвищення впливу алгоритмів і обчислювальних компонентів на точність АСКОЕ. Немає єдиного підходу до оцінювання метрологічних характеристик (МХ) обчислювальних компонентів і каналів (ОК). Практично відсутні методи формалізації вибору комплексу МХ ОК, критерії необхідності метрологічної атестації (МА) ОК, засади випробувань керуючих каналів, інтегральний підхід до оцінки вірогідності контролю та функціонування АСКОЕ, сучасні методики МА й повірки АСКОЕ, відповідна нормативна документація. З другого боку, згідно з вищезгаданою “Концепцією побудови автоматизованих систем обліку електроенергії в умовах енергоринку України”, програмне забезпечення автоматизованих систем “повинно бути сертифіковано за місцем застосування”, а “програмні і апаратні засоби повинні забезпечувати перевірку достовірності (верифікацію) даних із формуванням ознак якості даних”. Поява нових інтелектуальних систем контролю і обліку енергоносіїв, наявність в них обчислювальних і керуючих компонент не дозволяє проводити оцінку складових похибки результатів традиційними методами. Для їхньої МА треба застосовувати імовірнісно-статистичний підхід, який здатний забезпечити оцінку вірогідності (достовірності), тобто верифікацію отриманих результатів за експериментальними даними.

Вирішення проблеми енергозбереження в значній мірі залежить від рівня МЗ АСКОЕ. Відомо, що підвищення точності вимірювання кількості газу на кордоні Росія - Україна всього лише на 0,1 % може заощадити Україні щорічно понад 10 млн. доларів США. Необхідно розробити таку методологію МЗ АСКОЕ електроенергії, природного газу, гарячої води, світлих і легких нафтопродуктів та зрідженого під високим тиском газу, яка забезпечувала б підвищення точності та вірогідності результатів експлуатації цих систем.

Врахування взаємозв’язку процедури складних обчислень та керування з процедурою вимірювання, їх інтеграції в досягненні високої точності та вірогідності результатів відкриває можливість створити загальну методологію МЗ АСКОЕ незалежно від виду енергоносія, її наукову основу.

Відповідаючи на потреби науки і виробництва, сім найвідоміших міжнародних організацій, в тому числі ІSО і МОЗМ, запропонували замінити поняття “оцінка дійсного значення величини” і “похибка вимірювань” на поняття “оцінка результатів вимірювань” і “невизначеність вимірювань”. Така заміна означає новий погляд на вимірювання та метрологічні характеристики засобів вимірювальної техніки (ЗВТ).

Але невизначеність вимірювань треба розглядати з двох сторін: і для того, хто виробляє і потім атестує систему, і для того, хто її буде експлуатувати. За міжнародними нормативними документами невизначеність вимірювань оцінюється, коли вимірювана величина характеризується лише одним можливим значенням, а апріорні закони розподілу як вимірюваної величини, так і похибки вимірювання відомі. На етапі ж експлуатації складних систем механізм невизначеності більш складний, вимірювана величина характеризується множиною можливих значень, параметри закону розподілу величини або взагалі закон розподілу її в більшості випадків невідомі. Така складна ситуація має місце і з визначенням параметрів закону розподілу сумарної похибки результату вимірювань АСКОЕ, який формується за участю ОК. Тому для отримання повної невизначеності вимірювань треба вводити в метрологічну практику так звані ризики 1-го роду (ризик постачальника) й 2-го роду (ризик споживача). Особливо важливо це для комерційних систем, до яких відносяться АСКОЕ.

Таким чином, можна зробити висновок, що актуальність теми дослідження обумовлена вимогами сьогодення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами можна проілюструвати переліком робіт основних програм та планів (1992 - 1998 р.р.), за тематикою яких виконувалася дисертація.

“Програма створення еталонної бази України” (реєстраційний № 08.05-МВ/01-93 ДКНТП): НДР 11.02.57.19 “Розробка державного спеціального еталону одиниці об’ємної витрати газу” (1993-1994, №№ держреєстрації 0193U029864, 0395U007680, керівник); НДР 11.02.57.21 “Розробка науково-методичних документів і проведення МА поршневої витратовимірювальної установки ВПДУ 41пг” (1993, №№ держреєстрації 0193U041714, 0395U007671, керівник).

Темплан проведення держбюджетних робіт у ДНДІ “Система”: НДР 11.04.00.03 “Розробка комплекту нормативно-технічних документів по метрологічному забезпеченню ІВС та АСКТП” (1992, №№ держреєстрації UА01000533Р, 0392U004644, керівник); НДР 11.04.00.17 “Розробка Державного стандарту України “ДСВ. АСКТП. Метрологічне забезпечення на стадіях створення та експлуатації” (1993, №№ держреєстрації UА01003311F, 0393U011491, керівник); НДР 11.04.00.50 “Розробка структури основоположних нормативно-технічних документів по забезпеченню єдності вимірювань та МЗ АСКТП” (1993, №№ держреєстрації 0193U033971, 0394U013083, виконавець); НДР 11.04.00.51 “Розробка Державного стандарту України “ДСВ. Інформаційно-вимірювальні системи. Метрологічне забезпечення. Основні положення” (1993-1994, №№ держреєстрації 0193U029860, 0395U004183, керівник); НДР 11.04.00.53 “Розробка Державного стандарту України “ДСВ. Інформаційно-вимірювальні системи та вимірювальні канали АСКТП. Методика виконання вимірювань. Вимоги до змісту та структури” (1993-1994, №№ держреєстрації 0193U029857, 0395U004184, керівник); НДР 11.04.50.05 “Надання науково-методичної допомоги в проведенні метрологічної атестації, повірки вимірювальних інформаційних систем і АСКТП” (1993, №№ держреєстрації 0193U029858, 0394U013081, керівник); НДР 11.04.50.06 “Надання метрологічних послуг по МЗ вимірювань, які виконуються системами на об’єктах енергетики” (1993, №№ держреєстрації 0193U029859, 0394U013079, керівник); НДР 11.04.50.17 “Розробка науково-методичних основ по МА та повірці автоматизованих систем контролю та обліку електроенергії” (1993-1994, №№ держреєстрації 0193U012215, 0395U004190, керівник); НДР 11.04.50.42 “Розробка нормативної документації по МЗ систем, які експлуатуються на теплових та атомних електростанціях” (1994, №№ держреєстрації 0194U019061, 0395U008399, виконавець); НДР 11.02.50.06 “Створення автоматизованої системи вимірювань (АСВ) та корекції технологічних параметрів установки ВПДУ-41пг та дослідного взірця еталонного акустичного витратоміра газу” (1994-1996, №№ держреєстрації 0195U004359, 0396U018021, виконавець); НДР 11.02.57.06 “Розроблення, виготовлення, дослідження та атестація робочого еталону одиниці температури в діапазоні –273,15–973,473 К” (1993-1998, №№ держреєстрації 0193U029868, ТП0396U018019, виконавець); НДР 11.02.57.35 “Розроблення переносного еталонного акустичного витратоміра газу” (1994-1997, №№ держреєстрації 0195U015316, 0396U018020, виконавець).

Темплан проведення госпдоговірних робіт у ДНДІ “Система”: г/д 480 “Розроблення Положення про МЗ міжгалузевого центру з МА та сертифікації систем рівня і меж розподілу незмішувальних рідин середовищ” (1996-1998, № держреєстрації 0196U025034, виконавець); з АО ММГ-АМ, Комбінат автоматики, Угорщина, контракт 21-02/97 “МА автоматизованої системи управління магістральних нафтопроводів ГПМН “Дружба” (1997-1998, № держреєстрації 0197U000577, керівник); контракт 18-07/97 “МА ЗВТ у складі СУ ТМ Кременчук” (1997-1998, № держреєстрації 0197U019143, керівник).

Мета і завдання дослідження — підвищення точності і вірогідності контролю та обліку енергоносіїв шляхом розробки методології визначення реальних метрологічних характеристик АСКОЕ й впровадження цієї методології в нормативну документацію на етапах проектування, виробництва й експлуатації АСКОЕ.

Для досягнення цієї мети поставлено такі задачі:

-

-

-

методи підвищення точності та вірогідності результатів функціонування АСКОЕ як на етапі проектування і виробництва, так і на етапі експлуатації;

-

Об’єктом дослідження в дисертаційній роботі є автоматизовані системи контролю і обліку енергоносіїв (електроенергії, природного газу, гарячої води, світлих і легких нафтопродуктів, зрідженого під високим тиском газу та ін.), точність результатів вимірювань та вірогідність контролю й функціонування яких на даний час недостатні для вирішення проблеми енергозбереження.

Предметом дослідження є комплекс методологічних, теоретичних та прикладних аспектів метрологічного забезпечення АСКОЕ.

В основу методів дослідження покладено системний підхід до МЗ АСКОЕ. Для теоретичних узагальнень, аналізу математичних моделей каналів АСКОЕ та їх оптимізації використовувалися аналітичні та експериментальні методи досліджень, що базуються на теорії похибок, теорії імовірностей, математичній статистиці, методах імітаційного моделювання на ЕОМ та натурних експериментах.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Сформульована та вирішена проблема МЗ АСКОЕ як комплексна, згідно з якою результати вимірювань визначаються не тільки МХ ВК, а МХ всіх компонентів (в першу чергу обчислювальних та керуючих, які впливають на результат функціонування автоматизованих систем).

2. Розроблено метод розрахунково-експериментальної оцінки похибок (РЕКОП) каналів АСКОЕ на основі принципу декомпозиції каналів АСКОЕ за здійсненністю максимуму експериментальних досліджень. Проведено уніфікацію прийомів експериментальної та розрахункової оцінки МХ за допомогою метрологічних програмних тестів (МПТ), статистичного підсумовування та приведення до робочих умов результатів оцінки МХ. Здійснено деталізацію методу РЕКОП для АСКОЕ електроенергії, природного газу, гарячої води, рідких та сипучих енергоносіїв.

3. Створено та впроваджено концепцію оцінки вірогідності функціонування каналів АСКОЕ, яка узагальнює імовірнісний підхід до дослідження та визначення МХ вимірювальних, обчислювальних та керуючих компонентів АСКОЕ. Розроблено та впроваджено новий метод розрахунково-експериментальної оцінки ризиків (РЕКОРИЗ), який дає можливість зменшити зону невизначеності результатів вимірювань та оцінити експериментально вірогідність функціонування як АСКОЕ в цілому, так і окремих її компонентів.

4. Вперше формалізовано критерій суттєвості похибок сукупних обчислень, обчислювальних каналів та обчислювальних компонентів АСКОЕ відносно похибок вимірювань на основі оцінки ризиків 1-го і 2-го роду “трьох рівнів” на стадіях проектування та експлуатації АСКОЕ.

5. Розвинуто та впроваджено теорію математичних моделей “дійсних” та “хибних” каналів АСКОЕ та їх оптимізації. На основі аксіоматичного підходу запропоновано критерій оптимальності математичних моделей каналів систем, який покладено в основу імітаційного моделювання для визначення оптимальної моделі дійсного та хибного каналів.

6. Розроблено метод повірки однорідних каналів АСКОЕ, який дозволяє зменшити вплив похибки формування вхідної еталонної тестової величини та зменшити значення ризиків 1-го і 2-го роду за рахунок обчислення середнього відгуку однорідних каналів з подальшою корекцією допуску на похибку каналів.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій обумовлена коректністю застосованих аналітичних методів та виконаних розрахунків й підтверджена моделюванням і натурними експериментами.

Наукове значення роботи. Усі наукові положення дисертації є новими. Комплексне вирішення проблеми МЗ АСКОЕ дозволило здійснити системний підхід до обраного каналу досліджень, забезпечити метрологічно обчислювальні та керуючі канали АСКОЕ, оцінити вплив похибок обчислення та керування на результати вимірювань і на точність визначення складних техніко-економічних показників контролю і обліку енергоносіїв.

Під час розробки нового методу РЕКОП доопрацьовано відомі методи поелементної, почастинної та комплектної оцінки похибок вимірювальних каналів. Метод РЕКОП дозволив уніфікувати способи розрахункових та експериментальних оцінок похибок частин каналів АСКОЕ, згортку цих оцінок, розроблення МПТ для оцінки МХ типових каналів АСКОЕ шляхом еталонного тестування. Підвищено точність оцінки похибок типових каналів АСКОЕ.

Метод РЕКОРИЗ дозволив експериментально оцінювати ризики споживача і вірогідність контролю та функціонування каналів АСКОЕ (обчислювальні та керуючі канали включно), оцінювати суттєвість похибок обчислювальних та керуючих компонентів відносно до похибок вимірювання. Запропоновані критерії суттєвості похибок обчислювальних та програмних компонентів відносно похибок вимірювання дозволяють робити обгрунтовані висновки про доцільність проведення МА цих компонентів. Критерій оптимізації математичних моделей “дійсних” та “хибних” вимірювальних каналів (ВК) АСКОЕ дав змогу здійснити вибір оптимальних математичних моделей каналів, які застосовують для оцінки ризиків трьох рівнів на стадіях проектування та експлуатації АСКОЕ, під час метрологічної атестації та повірки каналів АСКОЕ.

Метод повірки однорідних каналів АСКОЕ зменшив вплив похибок калібраторів тестових величин на вірогідність контролю МХ каналів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що отримані необхідні для метрологічної практики розрахункові співвідношення, методики та уніфіковані метрологічні програмні тести для оцінки похибок вимірювальних та керуючих каналів, оцінки ризиків контролю та функціонування АСКОЕ, критерії суттєвості похибки обчислювальних компонентів відносно похибки вимірювання, уніфіковані методи обробки результатів метрологічної атестації та повірки автоматизованих систем, комплекс нормативних документів з метрологічного забезпечення ІВС та АСКТП. Ці результати практично реалізовано в діяльності метрологічних служб підприємств електроенергетичної та нафтогазової промисловості України, а також в деяких зарубіжних фірмах. Методи РЕКОП і РЕКОРИЗ поширено на АСКОЕ електроенергії, природного газу, гарячої води, рідких та сипучих енергоносіїв. Наприклад, реалізація нового МЗ рефлектометричної ІВС "САДКО" для контролю рівня, густини, температури рідких або сипучих середовищ гарантувала абсолютну похибку 1 мм вимірювання рівня меж розділу рідин на відстані від 0 до 20 м.

Робота завершена впровадженням результатів у розробки типових програм і методик метрологічної атестації, що дозволило провести МА головних зразків АСКОЕ різних видів, еталонних установок і програмно-технічних комплексів із узгодженням традиційних об'єктів метрологічного забезпечення - вимірювальних каналів - з новими: обчислювальними і керуючими каналами. За допомогою розроблених універсальних метрологічних програмних тестів проведено метрологічні дослідження обчислювальних та випробування керуючих каналів АСКОЕ, що регулюють температуру, різницю температур, витрати речовини, тиск, перепад тисків. Підвищено точність оцінки реальних МХ каналів з урахуванням виду обчислювальних процедур. Ризики функціонування 1-го і 2-го роду введено в перелік характеристик каналів деяких видів АСКОЕ. Такий підхід до організації МА та повірки АСКОЕ підвищив точність та вірогідність функціонування АСКОЕ. Впровадження нового методу повірки однорідних каналів зменшило вимоги до класу точності еталонних засобів вимірювань, зробило повірку АСКОЕ дешевшою, підвищило точність та вірогідність контролю каналів цих систем.

Розроблено нові види перетворювачів витрати води для трубопроводів малих і великих діаметрів та їх МЗ.

Розроблено комплекс нормативних документів з метрологічного забезпечення ІВС та АСКТП, який впроваджено у практику метрологічних служб підприємств України:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

Стандарт ДСТУ 2709 не тільки стандартизував об'єкти МЗ АСКТП: вимірювальні, обчислювальні канали і канали керування. За стандартом проводиться процедура МА ОК, а також метрологічний супровід ОК в процесі експлуатації, коли контролюється вплив санкціонованих модифікацій (включення нових програмних і технічних засобів, заміна математичних моделей, виразів) на метрологічні властивості системи. Стандартизовані випробування та періодичний контроль керуючих каналів із визначенням характеристик похибки відтворення керуючої величини.

Науково-технічні основи МЗ обчислювальних каналів АСКОЕ втілено в типову програму Тпр 8.003-92 і методику МІ 8.006-92. Методика РД 34.11.206 встановила методи обробки результатів багаторазових спостережень під час МА ВК ІВС за методом РЕКОП. Основи методу РЕКОП впроваджено в типову методику і програму МА ВК телевимірювальних систем об'єктів видобування нафти і газу МИ 1862 та програму і методику МА АСКОЕ електричної енергії на основі пристроїв СІНЕТ-1. В комплекті методичних вказівок "ВЕРЕС" впроваджено метрологічні програмні тести за методом РЕКОП та організаційні засади МЗ АСКОЕ. Визначено МЗ реконструкції АСКТП АЕС, рекомендовано організацію та порядок проведення МА обчислювальних компонентів вимірювальних каналів, метрологічних випробувань та періодичного контролю обчислювальних і керуючих каналів. Метод РЕКОРИЗ впроваджено в програмах та методиках МА і повірки програмно-технічних комплексів типів "Протеус-2000" (Велика Британія) й "Серієс-4" (США).

Впровадження результатів досліджень відображено, зокрема, в “Актах впровадження” (додаються до дисертації) таких організацій:

“CCC” (U.S.A.)

“Serck Controls ” (Eng)

ВАТ “Дніпрогаз”

ВО “Півд.-Укр. АЕС”.

“MMG AM”(Hungary).

НВО “AMICO”

ДАТ МН “Дружба”

Особистий внесок здобувача в результати роботи

1. Розроблено методологію інтегральної оцінки якості контролю і функціонування автоматизованих систем обліку енергоносіїв на основі теорії ймовірності:

- модифіковано геометричну інтерпретацію точкових і інтегральних апріорних та апостеріорних ризиків 1-го і 2-го роду;

- на базі аксіоматичного підходу розроблено й експериментально перевірено варіанти математичних моделей об’єктів контролю (каналів системи);

- запропоновано критерій оптимальності моделей об’єктів контролю та шляхом імітаційного моделювання обрано оптимальну модель дійсного та хибного каналу;

- для оптимальної моделі розроблено способи оцінки ризиків трьох рівнів на стадіях проектування та експлуатації АСКОЕ, а на основі значень цих ризиків – критерій суттєвості похибок обчислень відносно похибок вимірювань.

2.

3.

4.

5.

Основні теоретичні положення та результати, які представлені в дисертації, отримані автором особисто. Роботи з експериментального дослідження АСКОЕ та впровадження методів їх метрологічного забезпечення, програмну підтримку методів й аналіз результатів окремих досліджень проведено разом із співавторами, прізвища яких наведено у бібліографічному списку.

У публікаціях, які написані у співавторстві, здобувачеві належать:

в роботах [1, 3-6, 10, 12] - постановка та аналіз завдань, загальний підхід до організації та порядку проведення метрологічної атестації каналів та компонентів ІВС, розроблення єдиного підходу до оцінки метрологічних характеристик телемеханічних систем, рішення завдань підвищення точності АСКОЕ, формулювання висновків;

в роботі [7] - обгрунтування та деталізація геометричного методу метрологічної атестації еталонної установки ВПДУ-41пг, вибір еталонних засобів для проведення МА установки, розробка алгоритму дії системи збору та обробки вимірювальної інформації, розробка програми та методики МА установки;

в роботі [8] - формулювання особливостей АСКТП як об’єкта метрологічного забезпечення, опис метрологічного супроводження обчислювальних компонентів під час їхньої експлуатації, постановка завдання випробувань та контролю керуючих каналів;

в роботі [9] - розробка узагальненої моделі похибки обчислювальних компонентів та основних вимог до процедур нормування та визначення метрологічних характеристик;

в роботі [14] - вирішення теоретичних та практичних питань, що пов’язані з автоматизацією вимірювання витрати й автоматизацією обліку споживання холодної та гарячої води, розробкою, аналізом, метрологічною атестацією та впровадженням турбінних та акустичних витратомірів і автоматизованої системи обліку холодної й гарячої води, в склад якої входять вказані витратоміри;

в роботі [22] - розробка методики вимірювання та відтворення об`ємної витрати газу, що дозволяє оцінити похибку еталонної дискретно-динамічної установки від перетоку газу через квазіущільнення між поршнем та поверхнею вимірювальної ділянки трубопроводу, аналіз результатів автоматичного зведення до нормальних умов метрологічних характеристик вимірювання та відтворення витрати газу;

в роботі [23] - постановка та аналіз задачі одночасної повірки однорідних каналів, формулювання висновків.

Роботи [1, 2, 5-11, 13-26] повністю відображають основні результати дисертації. З них 13 робіт опубліковано без співавторів [2, 11, 13, 15-21, 24-26].

Апробація результатів дисертації відбувалася в період з 1989 по 1999 роки на

Міжнародних науково-практичних конференціях: Conference on Problem of Physical Metrology “FIZMET’96” та “FIZMET’98” (м.Санкт-Петербург, Росія, 1996; 1998); "Метрология-97" (м.Мінськ, Білорусь, 1997); "Системи транспортування, контролю якості та обліку енергоносіїв" (м.Львів, 1997); 2-а конференція з управління використанням енергії "TACIS, BISTRO/96/052" (м.Львів, 1997); 1-а конференція "Проблеми економії енергії" (м.Львів, 1998); 3-я конференція "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології " СІЕТ-98 (м.Кам'янець-Подільський, 1998); 5-а конференція "СловоСвіт'98" (м.Львів, 1998); "Вимірювання'98" (м.Київ, 1998).

Міжнародних симпозіумах: “Фізико-технічні проблеми енергетики” (Київ, 1989); 4-th International symposium of electrical and magnetic quantities. ІМЕКО TC4 (Varna, Bulgaria, 1990); V, VI, VII та VIII Национальных научных симпозиумах “Метрология и надежност” (м.Созопол, Болгарія, 1994, 1995, 1996 і 1998); “Наука и предпринимательство” (м. Вінниця, 1997);

Українських науково-технічних конференціях: 2-а конференція з автоматичного управління (м.Львів, 1996); Конгрес з енерго-ресурсозбереження "Ресурс '97" (м.Київ, 1997); науково-практична нарада "Мала енергетика - шляхи та перспективи розвитку " (м.Київ, 1999).

Всесоюзних науково-технічних конференціях: 3-я конференція “Метрологическое обеспечение ИИС и АСУ ТП” (м.Львів, 1990); VIII Всесоюзная школа по проблемам метрологического обеспечения (м.Москва, 1990); “Радиоизмерения-91” (м.Севастополь, 1991); “Метрология и техника точных измерений” (м.Ленінград, 1991).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 46 робіт, серед яких 26 у фахових виданнях (13 робіт без співавторів), 1 державний стандарт України та 1 патент України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з переліку умовних позначень, вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та п’яти додатків. Повний обсяг дисертації – 380 сторінок, з них перелік умовних позначень займає 2 сторінки, 4 таблиці та 5 рисунків займають 8 окремих сторінок, список використаних джерел з 200 найменувань – 25 стор., додатки – 69 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації, визначені об’єкт і предмет дослідження, сформульовані мета, завдання дослідження і методи їх рішення, визначені наукова новизна, практичне значення й особистий внесок автора в одержані результати, подано відомості про їх апробацію і впровадження.

У першому розділі аналізуються особливості АСКОЕ, існуючі методи їх досліджень, сучасний стан та проблеми МЗ АСКОЕ. Показано, що сучасні АСКОЕ мають не тільки вимірювальні, але й обчислювальні і керуючі канали. До теперішнього часу вирішувалися питання МЗ лише ВК. Але облік енергоносіїв базується на результатах сукупних й опосередкованих вимірювань, і значну вагу в загальному результаті займає похибка обчислень, яка має зворотний зв'язок через похибку керування. Витрата енергоносіїв характеризується інтегральними показниками. Тому в АСКОЕ, що мають в своєму складі АЦП, процедури інтегрування здійснюються за числовими методами. Це приводить, крім традиційної похибки ОК – похибки заокруглення, до похибок від обмеження числового ряду, кількості точок відліку та методу апроксимації. На рис. 1 наведено структуру розгалуженої АСКОЕ, яка включає всі вищеперечислені компоненти.

На точність результату впливають не тільки МХ ВК, але й характеристики точності засобів обчислювальної техніки і засобів керування. Виходячи з наведеного вище, в ДСТУ 2709-94 нами було встановлено принципове положення, згідно з яким проводяться метрологічна атестація і повірка не тільки вимірювальних, але й обчислювальних каналів автоматизованих систем контролю, а також проводяться випробування керуючих каналів. Але для впровадження цього положення й проведення атестації й повірки всіх видів каналів з врахуванням їх взаємодії потрібні відповідні методи та нормативна документація. Виникла потреба розробки засад МА та повірки обчислювальних компонентів, тобто необхідність розробки методології МЗ АСКОЕ.

Особливості конструкції, важкі умови експлуатації АСКОЕ, численні впливові величини призводять до суттєвих випадкових, додаткових та методичних похибок, до неможливості зняття комплектних (наскрізних) характеристик похибок каналів АСКОЕ. Основними впливовими величинами для газу є тиск, температура, густина і склад газу, для теплопостачання - тиск, температура, густина води в прямому і зворотному трубопроводах та у джерелі холодного водопостачання, для електроенергії - коливання частоти, навантаження, коефіцієнт потужності, розсіяння потужності. Але аналіз показав, що незалежно від виду енергоносія має місце ряд типових функціональних і вимірювальних перетворень (рис. 2), і це дозволяє розробити загальну методологію МЗ АСКОЕ.

Рис. 2. Узагальнена структурна схема j-го каналу передачі

і обліку (контролю) енергоносія:

М - енергомагістраль; ЕП - енергоперетворювач;

ЛПЕ - лінія передачі енергоносія; ЛЧ - лічильник (перетворювач);

К - користувач енергоносія; ЛЗ - лінія зв’язку між перетворювачем і

диспетчерським пунктом; ТЕП - техніко-економічний показник;

УПІ - пристрій перетворення та ущільнення інформації

На рис. 2 показано узагальнену структурну схему каналу передачі енергоносія від енергомагістралі до користувачів. Виходячи з умов експлуатації та конструктивних особливостей підключення до енергомережі встановлено, що похибки різних ділянок каналу можуть оцінюватися або тільки розрахунковими, або експериментальними способами (табл. 1). Тому для оцінки похибки всього каналу треба розробити розрахунково-експериментальні методи оцінки МХ і вірогідності їх контролю з врахуванням специфіки експлуатації АСКОЕ.

В основу розрахунково-експериментальних методів оцінки МХ каналів АСКОЕ можна покласти універсальні математичні моделі дійсних та хибних каналів та їх похибок. Але при цьому треба враховувати труднощі дослідження МХ результатів обчислень різних ТЕП. Еталонні значення таких показників, як, наприклад, вартість електроенергії за багатозначними тарифами, відсутні. Канали АСКОЕ, які беруть участь у визначенні цього ТЕП, вимірюють різні фізичні величини (ФВ) і мають різні похибки. Для комерційного обліку енергоносіїв необхідно визначити загальну похибку обчислення ТЕП, а знайти з великою вірогідністю згортку окремих похибок каналів різних видів досить непросто. Окрім того, така загальна похибка обчислення ТЕП не дала б відповіді на питання оптимальності функціонування даної системи в конкретних умовах. Враховуючи випадковий характер впливових величин та похибок, індивідуальність проявлень похибок обчислювальної компоненти для конкретного алгоритму визначення показників постачання енергоносія, приходимо до необхідності застосування в практиці МЗ АСКОЕ імовірнісно-статистичного підходу.

Таблиця 1

Методи оцінки похибок компонентів схеми j-го каналу

Позначення похибки компоненту схеми

на рис. 2 |

Методи оцінки похибки

АВ | розрахунковий

ВС | експериментальний в робочих умовах

CD | експериментальний в нормальних умовах з перерахунком на робочі умови

DF | експериментальний в робочих умовах

FG | тестування за спеціальним метрологічним програмним тестом (МПТ)

Вірогідність процесів вимірювань, обчислень, контролю, регулювання і керування недостатньо характеризувати лише за допомогою довірчого інтервалу, що “накриває” із заданою довірчою імовірністю Р похибку вимірювання. Доповнення Р до одиниці - -одержало назви “рівень значущості” та “ризик 1-го роду”. У застосуванні до вимірювань – це імовірність визнати результат вимірювань, значення якого знаходиться в довірчому інтервалі, таким, що вийшов із довірчого інтервалу. Таким чином, характеризує “невизначеність вимірювань”, і, на наш погляд, в метрології цю величину слід було б називати “рівень значущості невизначеності вимірювань”. Ризик 1-го роду характеризує лише одну складову невизначеності вимірювань, яка виникає під час проведення МА або повірки, коли допускається, що значення вимірюваної величини відомі. Але при експлуатації значення вимірюваної величини невідомі, а вплив випадкової похибки вимірювань може привести до того, що в довірчий інтервал може попасти результат вимірювання, значення якого в дійсності знаходиться поза межами довірчого інтервалу. Імовірність виникнення цієї складової невизначеності вимірювань визначається співвідношенням між параметрами закону розподілу вимірюваної величини і похибки вимірювань та довжиною довірчого інтервалу і називається “ризик 2-го роду”. Для споживача ризик 2-го роду важливіший, ніж ризик 1-го роду. Саме тому імовірність (1-) недопущення помилки 2-го роду в теорії перевірки статистичних гіпотез називають “потужністю критерію”. Але в метрології майже не застосовується, хоча в першу чергу характеризує невизначеність вимірювань, і цю величину можна назвати “потужність критерію невизначеності вимірювань”.

Так, наприклад, при аналізі похибок групи однорідних каналів АСКОЕ однакової точності, для характеристики невизначеності похибки недостатньо тільки довірчого інтервалу в сукупності з ризиком 1-го роду. Для такої групи каналів нормується довірчий інтервал похибки [Н; В], де Н та В – відповідно нижня та верхня границі довірчого інтервалу (рис. 3). Можливі значення невиключеної систематичної складової похибки (НСП) для множини каналів можуть бути представлені як випадкова величина із щільністю імовірностей f(). Але у кожного з каналів значення НСП індивідуальне (вибіркове значення із множини можливих значень), і воно може бути як додатним, так і від’ємним. Нехай у 1-го каналу НСП додатна, а у 2-го – від’ємна. На рис. 3 відображено зсуви рівномірних законів розподілу похибки для 1-го (а) та 2-го (б) каналів, обумовлені впливом НСП. Зміщені ділянки щільності імовірностей відмічено кольором.

Зсув розподілу за рахунок систематичної похибки викликає похибки 1-го і 2-го роду, імовірності яких у випадку а), коли 1>0, відповідно дорівнюють:

1 = ; 1 = .

У випадку б), коли 2<0, вирази для ризиків змінюються:

2 = ; 2 = .

Якщо похибка має не лише адитивну, а ще й мультиплікативну складову, то зсуви границь довірчого інтервалу будуть неоднаковими. Отже, однорідні вимірювальні канали одного класу точності мають різні реальні ризики і вірогідності функціонування, хоча й характеризуються одним і тим самим довірчим інтервалом похибки і одним значенням довірчої імовірності. Як слідує з наведеного, характер помилкових рішень і імовірність їх виникнення залежать від систематичної складової похибки і співвідношення складових загальної похибки. Тому за зміною значень ризиків 1-го і 2-го роду під час експлуатації каналу можна робити висновки щодо значень систематичної похибки ВК.

Отже, існує нерозривний зв`язок між похибками вимірювань, обчислень, регулювання з одного боку і ризиками функціонування АСКОЕ - з другого. І якщо невиявлена похибка для групи однорідних каналів нормується довірчим інтервалом і є узагальненою (“розмитою”) характеристикою, то можна використати унікальні можливості сучасної обчислювальної техніки і в обгрунтованих випадках перейти від узагальненої невизначеності вимірювань, контролю, складного обчислення ТЕП, керувальної дії до індивідуальної невизначеності функціонування каналу АСКОЕ, обчислень конкретного показника чи конкретної керувальної дії. Це суттєво для комерційних систем.

Ризики контролю, обчислень, повірки, регулювання і керування позитивно відрізняються від похибок тим, що імовірності незалежних подій, якими вони є, можна алгебраїчно підсумувати, в той час як похибки треба “згортати” за складними законами. Тому використання ризиків дозволяє виділити ризики складних обчислень із сумарних ризиків функціонування АСКОЕ, і на цій основі зробити висновок щодо необхідності атестації обчислювальних компонентів каналу.

У другому розділі подано розроблений розрахунково-експериментальний метод оцінки похибок (метод РЕКОП) ВК АСКОЕ електроенергії, природного газу, рідких енергоносіїв, гарячої води. Мета методу:

-

-

Вказану мету досягнуто за рахунок:

-

-

-

-

-

Вихідним критерієм методу є максимізація кількості блоків узагальненої структурної схеми АСКОЕ (див. рис. 2), для яких можливо проводити експериментальні дослідження. При цьому треба враховувати, що АСКОЕ є нестандартним засобом вимірювання, який найчастіше створюється на конкретному об’єкті, і в складі системи можуть бути засоби загального користування, МХ яких визначаються в нормальних умовах. Це викликає потребу перерахунку таких МХ до робочих умов. Прийнята до уваги особливість АСКОЕ, що полягає у постійному включенні в енергомережу первинного перетворювача, якого не можна під час досліджень “виключити” з енергомережі, і тому його МХ можуть бути оцінені лише розрахунковим методом. Враховується конструкція перетворювача, форми його взаємодії з мережею постачання енергоносія і зовнішнім середовищем, дія впливових (зовнішніх та внутрішніх) величин на результат. Застосування розрахункового методу для окремих перетворювачів вимагає створення математичної моделі їх похибки.

Математична модель похибки каналів і їх компонентів може бути представлена згідно з ГОСТ 8.009 у вигляді чотирьох складових, які враховують статичні і динамічні властивості каналів, а також дію випадкових й впливових величин. Але для АСКОЕ ці складові визначаються в більшості випадків не безпосередньо, а в комплексі – з врахуванням особливості реалізації функцій окремими блоками (модулями). Так, наприклад, при визначенні динамічної складової похибки треба враховувати не тільки інерційність ВК, а й вплив керуючого каналу на цю складову. Проведені дослідження дозволили розробити алгоритм реалізації методу РЕКОП, який включає такі кроки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Взявши цей алгоритм за основу, було розроблено субалгоритми, методики та методичні вказівки експериментальної й розрахункової оцінок МХ, приведення до відповідних (робочих або нормальних) умов та обробки експериментальних даних по всіх компонентах для АСКОЕ природного газу, теплопостачання, електроенергії. Встановлено, що основними впливовими величинами для газу є тиск, температура, густина і склад газу; для теплопостачання – тиск, температура, густина води в прямому і зворотному трубопроводах та у джерелі холодного водопостачання; для електроенергії – коливання частоти, навантаження, коефіцієнт потужності, розсіяння потужності.

Метод РЕКОП отримав широку апробацію під час МА еталонної установки вимірювання та відтворення об’ємної витрати природного газу ВПДУ-41пг. Оптимальна декомпозиція каналів установки у метрологічних дослідженнях дозволила підвищити в 2 рази нормовану точність цієї єдиної в Україні еталонної установки (нормована відносна похибка установки зменшилася з 0,6 % до 0,3 %).

У похибку каналів АСКОЕ теплопостачання левову частку вносить похибка витратомірів - первинних перетворювачів витрати теплоносія. Зважаючи на те, що похибка витратомірів оцінюється розрахунковим методом і може бути зменшена або покращанням конструкції перетворювача, або застосуванням структурно-алгоритмічних методів, в роботі приділено увагу розробці електронних турбінних крильчастих витратомірів тангенціального типу СВК-15Е, СВК-2ОЕ на малі діаметри трубопроводів 15 і 20 мм, які відповідають вимогам стандартів для крильчастих витратомірів і пройшли державні випробування. Для вимірювань об'ємних витрат води на великих діаметрах (40–1000 мм) метрологічно атестовані акустичні витратоміри української фірми "Прувер". Аналіз складових похибки цих витратомірів показав, що основними можна