От периодической поверки к непрерывной диагностике

Мы в начале этого пути. Нет сомнений, что переход на непрерывный контроль работоспособности датчиков на объекте – это будущее метрологии. Периодическая поверка, в том виде, в котором она сейчас существует, требует много сил и средств. Стоимость такой поверки порой превышает стоимость самого датчика в несколько раз. Но, самое главное, периодическая поверка в лабораториях не всегда возможна. Множество датчиков встроены в измерительную и управляющую аппаратуру. На энергетических предприятиях, в крупном машиностроении датчики ставят в местах, недоступных для демонтажа. Однако по стандартам датчики обязаны поверяться, причем довольно часто. В среднем – раз в два года. 

Проблема существует давно. Причем не только в России. Во всем мире. Зарубежным метрологам проще справиться с законодательством. У них, как правило, поверка – дело добровольное. В то же время остается необходимость непрерывно контролировать работу датчиков, особенно на важных объектах. 

Движение в направлении изобретения самоповеряющихся датчиков у нас в стране есть. Хотя и не очень интенсивное. Сопротивление этому движению тоже существует. Классические метрологи утверждают, что поверка возможна только путем сравнения с эталонной мерой, что, как правило, осуществимо только в лаборатории, на испытанном стационарном оборудовании. Все другие способы контроля поверкой назвать нельзя. Здесь обычно уже идет спор о терминологии. Хотя, казалось бы, какая разница, как назвать процедуру контроля – поверкой, калибровкой, тестированием. Важно, чтобы в результате получить достоверные данные о точности измерения. 

В настоящее время, судя по публикациям в журналах и докладам на конференциях, разработка методик самоконтроля идет в двух направлениях: 1) классический подход, т.е. сравнение со встроенной эталонной мерой; 2) параметрический подход, основанный на анализе изменения характеристик датчика без участия встроенного эталона. 

Первый вариант легче запатентовать, методику даже иногда удается аттестовать, т.к. в калибровке участвует поверенный эталон, и, таким образом соблюдается метрологическая прослеживаемость. Примерами разработок являются кабельные термопары с дополнительным каналом, запатентованные НПК «Эталон», г. Волгодонск и термопары ПК «Тесей», г. Обнинск. Суть в том, что в дополнительный канал в корпусе термометра периодически помещается образцовый датчик и его показания сличаются с показаниями рабочего СИ. Недостаток таких моделей – это не только значительное удорожание рабочих СИ. Такие конструкции не всегда можно поставить на опасные объекты. Поверка, хотя и не требует демонтажа, по-прежнему требует контакта человека с поверяемым термометром, непосредственного доступа к нему поверителя. 

Еще один пример – использование встроенных реперных точек. У нас на сайте опубликована краткое описание такой конструкции от фирмы «Elektrotherm», Германия. Есть и другие зарубежные и отечественные аналоги. Преимущество такой модели в том, что поверку можно делать на расстоянии, не приближаясь к термопаре, а управляя процессом плавления дистанционно. Но цена рабочего СИ становится еще выше. Габариты больше. Кроме того, есть опасность, что металл реперной точки может загрязнится и температура фазового перехода может измениться. 

Второй подход к контролю состояния датчика поверкой в классическом понимании назвать нельзя. Больше подходит термин «контроль работоспособности». Самый распространенный случай – использование нескольких чувствительных элементов в одном корпусе термометра. Отслеживая показания сразу двух или трех сенсоров (ЧЭ), мы устраним возможность грубых ошибок, возникающих, например, из-за замыкания витков одного из термометров, замыкания термоэлектродов или размыкании спая термопары. В случае сильных расхождений в показаниях ЧЭ можно диагностировать сбой и произвести замену датчиков.  Однако, выявить систематическую нестабильность термометров, из-за процессов старения ТСП или возникновения термоэлектрической неоднородности термопар значительно сложнее. Показания всех однотипных сенсоров могут смещаться параллельно, без существенного расхождения. В этом случае более перспективным для диагностики является метод использования в одном корпусе двух ЧЭ разного типа. Например, термометр – термопара, или термометр – термистор. Одна из последних разработок – датчик с самодиагностикой TAD 081- от немецкой фирмы “ifm electronics”, в котором одновременно используются термометр РТ1000 и термистор NTC. Кроме того, используется специальное программное обеспечение IO-Link для передачи и анализа сигналов от обоих датчиков. Недостаток – узкий диапазон температур – от -25 до 160 °С. Подробности на сайте компании. 

Следует заметить, что устройства, осуществляющие диагностику термометров на основе статистического анализа и сравнения показаний, полученных одновременно от множества датчиков, разработаны еще в 70-х годах 20 века. Очень хорошая подборка статей на тему самодиагностики термопар публикуется в обзоре одного из самых известных специалистов по термоэлектричеству – Рэя Рида (Possibilities and Limitations of Self-Validation of Thermoelectric Thermometry. R. P. Reed. “In Temperature, Its Measurement and control in science and industry”, vol.7, 2003).

Развитие компьютерной техники, беспроводных методов передачи сигнала привело к значительному прогрессу в системах непрерывной диагностики. Иногда обработка информации идет с использованием десятков параметров. Анализируются возможные причины сбоев, проводятся измерения сопротивления подводящих цепей, сопротивления изоляции, иногда поведение датчика сравнивается с моделью, полученной на основе опыта использования термометров определенного типа. Все это может с хорошей вероятностью обеспечить безопасность объекта, предупредить о возможном сбое в работе. И все же, поверкой такой вид контроля назвать нельзя из-за отсутствия непосредственной связи результата с эталоном. 

Разрабатываются ли в России  системы беспроводного контроля работоспособности датчиков?  Не последней конференции ТЕМПЕРАТУРА 2011 подобных докладов представлено не было. Хотя, были интересные работы, связанные с попытками увеличить межповерочный интервал для термометров и термопар путем анализа их дрейфа в условиях реактора. В статье от НПО «Луч» заявлена возможность продления интервала до 15 лет. 

Как можно радикально изменить ситуацию с самодиагностикой и поверкой? Прорыв в этом направлении мог бы быть достигнут, если удалось бы изобрести датчик, не подверженный естественному дрейфу характеристик. Возможно, пора отказаться от термосопротивлений и термопар? Звучит, как фантастика. Что же может быть предложено взамен?  Между тем, предложение уже есть. Британские ученые из НФЛ работают сейчас над портативным акустическим термометром. Термометр измеряет температуру на основе термодинамического закона, связывающего скорость звука в инертном газе со средней скоростью движения молекул газа, т.е. с температурой. Резонатор выполнен в виде трубки, диаметром всего 6 мм. Термометр отличается тем, что не требует поверки. Его функция преобразования может быть определена раз и навсегда.   Он может использоваться как встроенный эталон для бездемонтажной поверки термопар или для непосредственного измерения температуры. Пока измерительный диапазон заявлен до 500 °С. Но в планах – расширение диапазона до 1200 °С. Подробности на сайте НФЛ по ссылке. 

Начало ХХ века ознаменовалось появлением термометров сопротивления и термопар. Это был большой шаг вперед по сравнению с газовыми и жидкостными термометрами. Сейчас, в XXI веке мы понимаем, что термометры и термопары уже не удовлетворяют растущие потребности промышленности. Одной из самых насущных проблем, которую эти приборы решить не могут – необходимость непрерывного контроля точности без демонтажа. Появятся ли новые методы и приборы в контактной термометрии? Практически каждое свойство материи зависит от температуры. Удастся ли выбрать такое, которое найдет широкое применение и позволит осуществить мечту человечества – избавиться от периодической поверки СИ температуры?