24
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ УМОВ ПРОВЕДЕННЯ МЕТРОЛОГІЧНИХ РОБІТ Шифр «Моніторинг» 2019

НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАУКОВА РОБОТА

АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ УМОВ ПРОВЕДЕННЯ

МЕТРОЛОГІЧНИХ РОБІТ

Шифр «Моніторинг»

2019

Page 2: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

АНОТАЦІЯ

В роботі проведено аналіз методів та засобів вимірювання умов в

калібрувальних, випробувальних та повірочних лабораторіях.

Показано, що моніторинг традиційними методами та засобами не

забезпечує вимоги стандартів при проведенні окремих метрологічних робіт.

Запропоновано конкретні технічні рішення для автоматизованої системи

моніторингу, відповідний програмний продукт та метод калібрування засобів

вимірювання системи.

Розроблено функціонуючу модель на базі промислових перетворювачів та

програмний код.

Ключові слова: вимірювання, моніторинг, калібрування, вимірювальний

перетворювач, невизначеність вимірювання, модель.

Page 3: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

3

Зміст

Перелік умовних позначень, скорочень і термінів………………………. 4

Вступ ……………………………………………………………………… 5

1 Аналіз технічних рішень та синтез структурної схеми….……………… 7

2 Розробка вимірювально-обчислювального компонента ……………….. 12

3 Модель системи…………... ………………………………………………. 17

Висновки …………………………………………………………………… 22

Список використаних джерел ……………………………………………. 23

Page 4: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

4

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

ЗВТ

ІМХ

МХ

НД

ПП

ПК

– засіб вимірювальної техніки;

– індивідуальні метрологічні характеристики;

– метрологічні характеристики;

– нормативний документ;

– первинний перетворювач;

– персональний комп’ютер.

Page 5: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

5

ВСТУП

Моніторинг умов проведення калібрування та випробувань вимагається

базовим національним стандартом щодо компетентності лабораторій, які

займаються такою діяльністю. Моніторингу підлягають умови, визначені

відповідними методиками калібрування, стандартами на методи випробувань

продукції та методиками повірки законодавчо регульованих засобів

вимірювальної техніки. Визначені умови впливають на достовірність результатів

вимірювання, включаючи оцінку невизначеності, і тому їх моніторинг є

актуальним завданням під час проведення метрологічних робіт.

Умови проведення метрологічних робіт встановлюються залежно від

конкретного типу або категорії засобів вимірювальної техніки (далі – ЗВТ), і тому

їх кількість, діапазони та необхідна точність вимірювання при моніторингу

можуть суттєво відрізнятися. Відповідно повинні відрізнятися і методи їх

вимірювань під час моніторингу.

Не зважаючи на часткове вирішення цього питання традиційними методами

та засобами (термометри, гігрометри, барометри, вольтметри, частотоміри тощо),

залишаються проблемні питання у таких випадках:

- зміни умов під час тривалої роботи;

- відсутність підтверджених даних про умови до проведення робіт;

- відмінності умов на різних робочих місцях у значному за розмірами

приміщенні.

Мета і завдання досліджень.

Метою роботи є вдосконалення методів та засобів моніторингу впливних

величин в частині автоматизації моніторингу умов в лабораторіях, уповноважених на

проведення повірки ЗР ЗВТ, та/або акредитованих на проведення калібрування ЗВТ та

випробувань продукції.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

1. Визначити перелік та діапазони впливних величин, процес моніторингу яких

доцільно автоматизувати.

Page 6: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

6

2. Синтезувати структурну схему автоматизованої системи та надати

рекомендації щодо її метрологічного забезпечення.

3. Розробити модель системи та дослідити модель щодо можливості виконувати

функції моніторингу.

Об’єкт дослідження – процес моніторингу умов проведення калібрування та

повірки ЗВТ та випробувань продукції.

Предмет дослідження – засоби вимірювання, що придатні для моніторингу

умов метрологічних робіт.

Методи досліджень: теорія вимірювань, методи загальної електротехніки.

Наукова новизна отриманих результатів полягає системному підході до

вимірювання параметрів впливних величин, що, на відміну від традиційних, дозволяє

автоматизувати процес моніторингу, включаючи виправлення результату та його

реєстрацію, та виключити ймовірність отримання недостовірних результатів під час

калібрування, повірки та випробувань.

Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості

застосування отриманих результатів для вдосконалення чинних нормативних

документів, що дозволить адекватно корегувати результат вимірювання.

Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, трьох розділів,

списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг складає 24 сторінки, в

тому числі 22 сторінки основного тексту, список використаних джерел з 13

найменувань на 2 сторінках.

Апробація. Результати роботи обговорювались на VIII Міжнародній науково-

практичній конференції «Технічне регулювання, метрологія та інформаційні технології:

європейський вектор» у м. Одеса та на VII Międzynarodowa Konferencja Studentów oraz

Doktorantów „Inżynier XXI wieku” у м.Белсько-Бяла, Польща.

Публікації. За темою наукової роботи підготовлено статтю до фахового журналу

«Вісник Інженерної академії України», статтю до монографії «PROCESSING,

TRANSMISSION AND SECURITY OF INFORMATION - 2018 VOL. 2» та тези на

VIII Міжнародну науково-практичну конференцію «Технічне регулювання, метрологія

та інформаційні технології: європейський вектор».

Page 7: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

7

1 НОРМАТИВНІ ЗАСАДИ ДЛЯ МОНІТОРИНГУ УМОВ ПРИ

ПРОВЕДЕННІ МЕТРОЛОГІЧНИХ РОБІТ

Контроль умов проведення метрологічних робіт є невід’ємною частиною

методик, розроблених відповідно до [1-2]. Проте опис процедури, як правило,

відсутній або недостатній, що може впливати на результати вимірювань.

На перший погляд не викликає труднощів візуальне зняття показів із засобів

контролю умов (термометра, вольтметра тощо), проте в такому випадку поза

увагою залишається безперервність контролю у часі протягом проведення

вимірювань.

У певних випадках є необхідність у безперервному контролі умов при

підготуванні до робіт, зокрема за наявності вимог щодо тривалого перебування

об’єкту в нормальних діапазонах впливних величин або при нормуванні

граничної швидкості зміни умов за тривалий час, наприклад: в [3] нормуються

граничні швидкості змін температури навколишнього середовища (від ±0,5 °С за

12 годин для калібрування гир класу F1, до ±4 °С за 12 годин – для класу М3) та

відносної вологості (від ±5 % за 4 години, ±15 % за 4 години відповідно). При

цьому встановлюється доволі широкий діапазон температури (від 18 °С до 27 °С),

що дозволяє використовувати малоточні термометри (наприклад, виконання

вимог гарантується навіть при вимірюванні термометром з границями похибки

(або розширеною невизначеністю) ±1 °С при його показах від 19 °С до 26 °С).

Це не єдиний нормативний документ з подібними вимогами, наприклад,

проект національного стандарту [4] встановлює граничні зміни температури

±2 °С (в оригіналі тексту знак «±» опущено) при діапазоні від 20 °С до 30 °С при

повірці комплектів обладнання для вимірювання рівнів побічних випромінювань

базових станцій стандарту CDMA-800, а проект національного стандарту [5]

встановлює граничні зміни температури води, що знаходиться в температурній

рівновазі з навколишнім повітрям, ±0,2 °С (в оригіналі тексту знак «±» опущено)

при діапазоні від 15 °С до 30 °С при повірці пристроїв мірних поршневих.

Загалом, границі зміни температури при проведенні нормуються в

Page 8: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

8

переважній більшості проектів стандартів на повірку законодавчо регульованих

засобів вимірювальної техніки, розроблених ДП «Укрметртестстандарт», та

оприлюднених на його електронному інформаційному ресурсі.

Це означає, що завдання безперервності контролю актуальне, а в окремих

випадках, є пріоритетним навіть в порівнянні з точністю вимірювання.

Ще однією особливістю проведення моніторингу є вплив людського

чинника. Не зважаючи на вимогу [2] про неупередженість персоналу щодо

результатів роботи, відомо, що кількість виконаних робіт впливає на доходи

підприємства і відповідно на заробітну платню виконавців. Це викликає ризик

того, що в результаті моніторингу можуть бути інколи спотворені неточності

заради збільшення обсягів надання послуг.

Окрім того, вимоги до моніторингу традиційними ЗВТ можуть бути

завищені аудиторами лабораторій, зокрема представники НААУ вимагають

вимірювати швидкість аспірації повітря при використанні найбільш поширених

термогігрометрів.

Всі поставлені питання можуть бути вирішені лише за умови автоматизації

процесу моніторингу [7].

Для автоматизації необхідно:

- визначити доцільну кількість точок вимірювання;

- уникнути зайвих економічних витрат при впровадженні нового методу

моніторингу;

- виключити можливість спотворення вимірювальної інформації.

Кількість точок вимірювання визначається як мінімальна кількість, яка

забезпечує вимоги нормативних документів щодо умов проведення робіт.

Розглянемо це питання докладніше.

Найбільш часто при виконанні вимірювань нормуються параметри

електропостачання (напруга та частота мережі живлення) та кліматичні умови

(температура, відносна вологість повітря та атмосферний тиск).

При вимірюванні частоти достатньо однієї точки вимірювання,

розташованої будь-де всередині приміщення лабораторії, оскільки частота

Page 9: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

9

напруги є однаковою для всієї мережі. Моніторинг при цьому забезпечуватиме

один трифазний або однофазний вимірювальний перетворювач.

Напруга живлення змінюється відносно робочих місць за рахунок втрат

напруги в провідниках, і тому доцільне встановлення перетворювачів напруги на

обмежену кількість робочих місць, наприклад, на панелі автоматичних вимикачів

кожного з приміщень.

За наявності незначних втрат напруги (правильно розрахована за втратами

напруги внутрішня проводка [6]) достатньо вимірювати напругу лише двічі, не

зважаючи на кількість робочих місць: на ГРЩ або ТП (найвище значення

напруги) та на самому віддаленому споживачу (найнижче значення напруги). У

цьому випадку в якості первинних перетворювачів доцільно використати

вимірювачі якості електроенергії. Такий варіант вбачається більш затратним з

економічного боку, проте значно легше реалізується на практиці за рахунок

готових технічних рішень. Наприклад, багатофункціональний аналізатор якості

електричної мережі DIRIS A40 (виробник - Soсomec) дозволяє одночасно

вимірювати всі згадані вище параметри (напругу, коефіцієнт гармонік та частоту)

в однофазному та трифазному режимах.

Вимірювання атмосферного тиску доцільно проводити лише в одному

конкретному місці, оскільки його область нормальних значень має широкий

діапазон в порівнянні із його змінами від висоти. Окрім того, широкий діапазон

нормованих значень не вимагає високих метрологічних характеристик

вимірювального перетворювача.

Звичайно це не стосується окремих видів робіт, наприклад калібрування або

випробування гир та статичних ваг, за яких невизначеність вимірювання тиску є

складовою невизначеності [3], [8].

Останнє певною мірою стосується і вимірювання відносної вологості

повітря. Проте відносну вологість доцільно контролювати в кожному приміщенні,

враховуючи її постійну зміну протягом тривалості роботи.

Вимірювання температури суттєво відрізняється від вимірювання

попередніх параметрів перш за все вузьким діапазоном нормальної області та, в

Page 10: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

10

певних випадках, нормуванням граничних змін в межах нормальної області. Це

призводить до необхідності її вимірювання з відносно високою точністю,

причому кількість вимірювальних перетворювачів залежить від розмірів

конкретних приміщень (нерівномірність температури в приміщенні не потрібно

доводити, оскільки навіть в термокамерах досягнення нерівномірності 0,2 °С від

середньої температури є хорошим результатом).

В окремих випадках, наприклад, у великих за розмірами приміщеннях і,

відповідно, суттєвій нерівномірності температури, вимірювальні перетворювачі

температури можуть встановлюватись на окремих робочих місцях.

Найбільш доцільними для моніторингу температури, є цифрові

вимірювальні перетворювачі, які можуть як стаціонарно встановлюватися на

робочих місцях або ділянках приміщення, так і використовуватися в компактних

термометрах, що підключатимуться до персональних комп’ютерів, що дозволяє

розробити автоматизовану систему.

Те саме стосується вимірювальних перетворювачів відносної вологості та

атмосферного тиску.

Окремим питанням щодо проектів національних стандартів є підміна понять

«умови проведення повірки» та «засоби повірки».

Зокрема, в цілому ряді таких проектів вказані наступні умови повірки:

- температура від 20 °С до 30 °С;

- відносна вологість від 30 % до 90 %;

- атмосферний тиск від 84 кПа до 106 кПа.

При цьому, серед засобів повірки (до речі, певну цікавість складає розділ

«Засоби повірки», я який окремо входять еталони, засоби повірки (!) та допоміжне

обладнання) згадується вимірювач з наступними параметрами:

- діапазон вимірювання температури від 10 °С до 50 °С;

- максимальна похибка вимірювання температури ±0,5 °С;

- діапазон вимірювання вологості повітря від 20 % до 90 %;

- максимальна похибка вимірювання вологості повітря ± 3 %.

Page 11: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

11

Загалом, розглянувши більшість проектів НД, складається враження, що

мається на увазі абсолютно конкретний вимірювач, оскільки для всього іншого

обладнання вказується тип.

Головним питанням проектів методик залишається те, що не

встановлюється, з якою точністю необхідно вимірювати вказані параметри, адже

наведена вище інформація стосується ЗВТ, але не похибки вимірювання.

Наприклад, не зрозуміло, чи можна відповідно до проектів НД використовувати

ЗВТ аналогічного призначення з максимальною похибкою вимірювання

температури ±1 °С або навіть ще менш точні (наприклад, для згаданої методики

повірки пристроїв мірних поршневих, для яких температура знаходиться в

діапазоні від 15 °С до 30 °С).

Авторам вбачається безумовно правильним, що, якщо головною метою при

використання таких ЗВТ є контроль нормальних умов, то границі їх похибки

можуть бути будь-які, в межах виконання головної умови:

BXBXНH XХXX , (1.1)

де ХН, ХВ – нижня та верхня границі відповідного параметра;

Х – виміряне значення параметра під час контролю;

∆ХН, ∆ХВ – нижня та верхня границі похибки вимірювання.

Це означає, що необхідність зазначати конкретні ЗВТ контролю

(моніторингу) умов відсутня. За потреби, можливо встановлювати границі

похибки вимірювання ∆ХН, ∆ХВ лише для наступних випадків (фактично це є

встановленням найбільшого можливого виходу за діапазон нормальних умов):

BXB

HXH

BH

XX

XX

XXX

, (1.2)

Такі зауваження до проектів НД не означають, що метрологічні

характеристики (далі – МХ) вимірювачів параметрів умов є неважливими, а лише

підкреслюють, що до їх вимог потрібно ставитися зважено.

Page 12: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

12

2 ВИБІР ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ

2.1 Синтез структурної схеми

Для автоматизації процесу моніторингу доцільно реалізувати вимірювальну

систему, структурно-логічна схема якої наведена на рис.2.1.

Рисунок 2.1 – Структурна-логічна схема автоматизованої системи

моніторингу: ГРЩ – головний розподільчий щит, Д – перетворювач відповідної

величини (Т – температури, В – вологості; Р – атмосферного тиску, f – частоти;

Кг – коефіцієнта гармонік)

Первинні дані вимірюваних параметрів впливних величин формуються

первинними перетворювачами (далі – ПП) і в цифровому вигляді через шину

даних або за допомогою радіомодему передаються до серверу. Раціональна

кількість таких перетворювачів в конкретному приміщенні або на певних

ділянках такого приміщення (сусідні ділянки, на яких проводять несумісні

Page 13: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

13

роботи, повинні бути надійно ізольовані одна від одної [2]) визначається з

урахуванням проведеного вище аналізу.

Отримані дані корегуються, зберігаються і в остаточному вигляді

передаються до ПК робочих місць. Всі дані, що зберігаються на сервері є

недоступними для персоналу лабораторії, що виключає можливість їх

спотворення. На робочих місцях інформація доступна за відповідними запитами,

наприклад: поточні дані параметрів або їх граничні значення за час підготовки та

або проведення вимірювань.

Одним із можливих варіантів реалізації структурно-логічної схеми, що

наведена на рис.1 є наступна структурна схема (рис.2.2) [9-10].

Рисунок 2.2 – Структурна схема автоматизованої системи моніторингу

В представленій структурній схемі дані в контролери передаються:

- безпосередньо до АЦП або цифрових виводів контролеру від перетворювачів

електричних величин (2 перетворювача напруги та по одному – частоти та

Page 14: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

14

коефіцієнта гармонік) та перетворювачів вологості по одному в п робочих

приміщеннях;

- за інтерфейсом І2С від єдиного перетворювача атмосферного тиску;

- за протоколом ОNE-WIRE від перетворювачів температури відповідно до

кількості робочих місць в n робочих приміщень.

Дані від контролерів за шиною Ethernet передаються до сервера.

Функції сервера описані вище.

Інформація до ПК робочих місць передається за локальною мережею

підприємства.

Така система дозволяє автоматизувати не лише процес моніторингу, але й

вдосконалити процес калібрування самої системи (відповідно до [2] допоміжне

обладнання підлягає калібруванню або перевірці).

На відміну від калібрування всіх вимірювачів або перетворювачів, в цьому

випадку потрібно калібрувати лише по одному еталону для кожного

вимірювального параметра в обмеженому діапазоні вимірювання. Наприклад,

якщо відомо, що температура в приміщеннях підтримується в діапазоні від 18 °С

до 22 °С, то немає сенсу калібрувати еталон в ширшому діапазоні, не зважаючи на

його реальні можливості.

Еталони відомими калібрувальними кривими підключаються поряд із

робочими перетворювачами і аналогічно передають до сервера інформацію про

виміряний параметр, після чого обчислюється поправка поточного перетворювача

рх за формулою:

XpXp eex (2.1)

де Хв та Х – покази еталону та робочого вимірювального перетворювача;

ре – поправка до еталону, отримана із свідоцтва про калібрування.

Відповідно остаточний результат визначається за формулою:

xв pXX . (2.2)

Page 15: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

15

Значення поправки є сталим протягом міжкалібрувального інтервалу

еталонного перетворювача.

Такий метод дозволяє зменшити економічне навантаження на лабораторію

при метрологічному забезпеченні моніторингу.

2.2 Вибір вимірювальних перетворювачів та мікроконтролера

Найбільший інтерес представляє вибір перетворювачів температури.

Розглянувши ряд первинних перетворювачів, вбачається доцільним

зупинитись на ПП, що безпосередньо перетворюють температуру в цифровий

вигляд. Не зважаючи на те, що термопари є більш точними і їх метрологічні

характеристики традиційно краще оглянуто, ПП DS18B20 [11] (виробник –

Dallas Semicondaktor, США) мають ряд суттєвих переваг:

- низька (а можливо і найнижча ціна) ціна на такого роду електронні

компоненти;

- висока надійність, підтверджена їх тривалим терміном витоплення (не

менше 6 років);

- можливість підключення декількох перетворювачів через одну лінію

зв’язку;

- можливість безпосереднього з’єднання з мікроконтролером.

- достатня точність для виконання поставлених завдань;

Останню характеристику розглянемо більш докладно.

Загалом виробник гарантує точність первинних перетворювачів ±0,5 °С в

діапазоні від мінус 10 °C до 85 °C та ±2 °С в іншій частині діапазону

перетворювання, який загалом становить від мінус 55° C до 125 °C.

Разом із тим, виробник наводить типові характеристики первинних

перетворювачів в діапазоні від 0 °C до 70 °C (рис. 2.3)

Page 16: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

16

Рисунок 2.3 – Типові характеристики DS18B20

В цілому викликає подив відсутність у виробника стандартних програмних

засобів корекції результату вимірювання для симетричного типового розкиду

похибки вимірювання від нульового значення.

Це, в свою чергу, зумовило встановлення виробником доволі широких

границь основної абсолютної похибки не зважаючи на реальні можливості

системи ПП-ПК при вимірюванні температури.

Як уже було вказано раніше, для завдань моніторингу є лише обмежена

ділянка в діапазоні приблизно від 15 °C до 30 °C, тому є доволі очевидним, що

введення поправки 0,2 °С забезпечить типову характеристику основної похибки

±0,25 °С.

Вбачається, що такої точності вистачить для виконання поставлених

завдань, навіть за умови відсутності корегування результату відповідно до п.2.1.

Також слід ще раз нагадати, що проекти НД щодо методик повірки серед

засобів контролю умов містять границі абсолютної похибки вимірювача

температури ±0,5 °С (див. Розділ 1).

Page 17: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

17

3 МОДЕЛЬ СИСТЕМИ

3.1 Структура моделі

Для перевірки можливості реалізації такого метода була розроблена модель

з рядом однотипних перетворювачів температури, перетворювачем відносної

вологості та атмосферного тиску та відповідним програмним забезпеченням, яке

дозволить отримувати виправлені результати.

Демонстраційна схема такої моделі представлена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Модель системи моніторингу

В такій моделі інформація від первинних перетворювачів температури,

тиску та відносної вологості передається до мікроконтролера відповідно через

шини 1-WIRE, І2С та безпосередньо до цифрового виводу мікроконтролеру.

Page 18: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

18

Мікроконтролер узгоджує отримані дані та передає їх через USB

(віртуальний COM-порт) до ПК, де відбувається візуалізація отриманих значень

та їх обробка за заданими алгоритмами.

3.2 Дослідний зразок

У відповідності до розробленої системи був розроблений повністю

функціонуючий дослідний зразок, зовнішній вигляд якого наведено на рис.3.2.

Рисунок 3.2 – Зовнішній вигляд дослідного зразка (без ПК): з верхнього лівого

кута за годинниковою стрілкою: мікроконтролер з ПП тиску та температури (цей

перетворювач демонструє температуру приладу), ПП температури (3 од.) з

перехідниками (10м), перетворювач вологості зі з’єднувальним провідником (5м).

При конструюванні використано:

- перетворювачі температури – DS18b20 [11];

- перетворювач атмосферного тиску та температури – BMP180 [12];

- перетворювач відносної вологості – DTH11 [13];

Page 19: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

19

- мікроконтролер – АTMEL MEGA 328 (у складі стандартної плати Arduino

Nano).

Підключення ПП до МК точно відповідає структурі, наведеній на рис. 3.1.

Отримані значення виводяться в наступному вигляді (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – Вікно виводу даних

На рівні користувача існує можливість визначення максимальних та

мінімальних значень параметрів за будь-який довільний час (рис.3.4).

Рисунок 3.4 – Діалогове вікно

Page 20: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

20

3.3 Експериментальні дослідження

Модель стійко функціонує при опитуванні всіх перетворювачів за 6 с.

(рис.3.5). Це означає, що автоматизована система може бути побудована за

аналогічним принципом з урахуванням значно тривалішого інтервалу часу між

опитуваннями.

Рисунок 3.5 – Результати моніторингу з 6-секундним опитуванням

Проте більш вагомими є експериментальні дослідження метрологічних

характеристик.

Незважаючи на те, що в автора відсутня можливість користуватись

еталонними вимірювачами температури є можливість зробити окремі висновки

щодо складових сумарної невизначеності при вимірюванні температури.

Розглянемо отримані дані при вимірюванні температури при розташованих

поряд перетворювачах 2 та 3 (рис.3.5).

Різниця між їх показами складає приблизно 0,1-0,3 °С. Це цілком

вкладається в типову криву, надану розробником (рис.2.3).

Page 21: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

21

Функціонування моделі повторно перевірялось більше ніж через один

місяць, результати наведено на рис. 3.6.

Рисунок 3.6 – Результати моніторингу з 6-носекундним опитуванням

Різниця у показах залишалась і через 1 місяць (рис.9), що свідчить

принаймні про ідентичність часового дрейфу для обох ПП. Це означає, що при

функціонуючій системі існує можливість досліджувати в лабораторних умовах

лише один серійний ПП і результати його дрейфу враховувати для корегування

результату через будь-які довільні інтервали часу, не пов’язані безпосередньо з

встановленим міжкалібрувальним інтервалом.

Page 22: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

22

ВИСНОВКИ

У науковій роботі розв’язано окремі завдання метрологічного забезпечення

моніторингу умов проведення метрологічних робіт.

1. Проекти національних стандартів на повірку містять вимоги щодо

граничних змін умов проведення робіт, що вимагає їх безперервного контролю

(моніторингу).

2. Традиційні засоби вимірювання не здатні забезпечити безперервність

моніторингу протягом підготовки та під час проведення калібрування або

випробувань, а також не гарантують виключення можливості свідомого

спотворення його результатів.

3. Розроблена автоматизована система усуває вказані недоліки.

4. Впровадження системи не створює додаткового економічного

навантаження на лабораторію. Це забезпечується оптимальним вибором

компонентів та вдосконаленим методом калібрування.

5. Працездатність системи доведено її функціонуючою моделлю, розробка

якої доведена до рівня дослідного зразка.

6. Модель придатна для проведення моніторингу температури, відносної

вологості повітря та атмосферного тиску.

Page 23: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

23

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Порядок проведення повірки законодавчо регульованих засобів

вимірювальної техніки, що перебувають в експлуатації, та оформлення її

результатів, затверджено наказом Міністерства економічного розвитку і торгівлі

України від 08 лютого 2016 року N 193, зареєстрованим у Міністерстві юстиції

України 24 лютого 2016 року за N 278/28408.

2. Загальні вимоги до компетентності випробувальних та калібрувальних

лабораторій: ДСТУ ІSO/IEC 17025:2017 (ISO/IEC 17025:2017, IDT). – [Чинний від

2018–01–01]. – (Національний стандарт України).

3. Гирі класів точності Е1, Е2, F1, F2, M1, M1-2, M2, M2-3 і М3. Частина

1.Загальні технічні вимоги та методи випробування: ДСТУ OIML R 111-1:2008

(OIML R 111-1:2004, IDT). – [Чинний від 2010–01–01]. – (Національний стандарт

України).

4. Пристрої мірні поршневі. Методика повірки [Електронний ресурс] –

Режим доступу до ресурсу:

http://metrology.kiev.ua/files/metodik_povir/Pristroi_mirni_porshnevi.pdf

5. Комплект обладнання для вимірювання рівнів побічних випромінювань

базових станцій CDMA-800. Методика повірки

6. Мансуров Н. Н. Теоретическая электротехника / Н. Н. Мансуров, В. С.

Попов. – Москва: Энергия, 1968. – 576 с.

7. Петрище М.О., Попов О.О., Крутов С.Л. Контроль умов проведення

метрологічних робіт / Технічне регулювання, метрологія та якість: європейський

вектор: матеріали VIII Міжнародної науково-практична конференція (Одеса 11-

12 жовтня 2018 р.). – Одеса, 2018. – С. 160–162.

8. Technical Committee for Mass and Related Quantities. Guidelines on the

Calibration of Non-Automatic Weighing Instruments [Електронний ресурс] /

Technical Committee for Mass and Related Quantities. – 2015. – Режим доступу до

ресурсу: https://www.euramet.org/Media/docs/Publications/calguides/I-CAL-GUI-

018_Calibration_Guide_No._18_web.pdf.

Page 24: НАУКОВА РОБОТА АВТОМАТИЗАЦІЯ МОНІТОРИНГУ …lutsk-ntu.com.ua/sites/default/files/02_monitoring_0.pdfПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ,

24

9. M.O. Petryshche, Ph.D., O.O. Popov, V. O. Zaritskyi Automatization of

monitoring of conditions for metrological works / Wydzial budowy maszyn I

informatyki: VIII International Conference „Engineer of the 21-st Century” Бельско-

Бяла, Польша 07 грудня 2018 р.). – Akademia Technichno-Humanistyczna w

Bielsku-Bialej – T.2 Przetwarzanie, transmisja I bezpieczenstwoinformacji – C.161-

168.

10. Петрище М.О., Попов О.В., Крутов С.Л., М.В. Оленєв. Моніторинг

умов проведення метрологічних робіт в акредитованих та уповноважених

лабораторіях // Вісник інженерної академії України. Київ : – 2018. – № 2.- С. 157-

159.

11. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer

[електронний ресурс] – режим доступу до екрану

https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temp/DS18B20.pdf

12. BMP180 Digital pressure sensor [електронний ресурс] – режим доступу

до екрану https://ae-bst.resource.bosch.com/media/_tech/media/datasheets/BST-

BMP180-DS000.pdf

13. DTH11 Humidity & Temperature Sensor [електронний ресурс] – режим

доступу до екрану https://www.mouser.com/ds/2/758/DHT11-Technical-Data-Sheet-

Translated-Version-1143054.pdf