Лекция 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ СБОРА ИНФОРМАЦИИ

4.1. Метрологическое обеспечение железнодорожных объектов

Мет­ро­ло­ги­че­ская дея­тель­ность, яв­ля­ясь не­отъ­ем­ле­мой ча­стью тех­но­ло­ги­че­ских про­цес­сов, пред­став­ля­ет ре­аль­ный ин­ст­ру­мент управле­ния и кон­тро­ля ка­че­ст­ва экс­плуа­та­ции и ре­мон­та тех­ни­че­ских средств. Это свя­за­но в пер­вую оче­редь с тем, что из­ме­ре­ния обеспечива­ют по­лу­че­ние ко­ли­че­ст­вен­ной ин­фор­ма­ции об объ­ек­те управ­ле­ния или кон­тро­ля, без ко­то­рой не­воз­мож­но точ­ное воспроизведе­ние всех за­дан­ных ус­ло­вий ТП, обес­пе­че­ние вы­со­ко­го ка­че­ст­ва из­де­лий и эф­фек­тив­но­го управ­ле­ния объ­ек­том.

О важ­но­сти из­ме­ри­тель­ной ин­фор­ма­ции на транс­пор­те свидетель­ст­ву­ет то, что до 25% ра­бо­че­го вре­ме­ни ра­бот­ни­ков предприятий ва­гон­но­го, ло­ко­мо­тив­но­го хо­зяй­ст­ва, СЦБ и свя­зи, пу­ти, элек­тро­снабже­ния ухо­дит на кон­троль­но-из­ме­ри­тель­ные опе­ра­ции. Поэто­му мет­ро­ло­ги­че­ское обес­пе­че­ние и стан­дар­ти­за­ция как сис­те­ма управ­ле­ния ка­че­ст­вом из­ме­ре­ний – важ­ное зве­но в обес­пе­че­нии эф­фек­тив­но­сти ра­бо­ты транс­пор­та.

В на­стоя­щее вре­мя вы­пол­не­ние ра­бот по обес­пе­че­нию един­ст­ва и тре­буе­мой точ­но­сти из­ме­ре­ний,  мет­ро­ло­ги­че­ско­му кон­тро­лю и надзору за со­стоя­ни­ем и примене­ни­ем ССИ, соблюде­ние мет­ро­ло­ги­че­ских пра­вил и норм, нор­ма­тив­ных до­ку­мен­тов, по обес­пе­че­нию из­ме­ре­ний на фе­де­раль­ном железнодорож­ном транспор­те воз­ло­же­но на мет­ро­ло­ги­че­скую служ­бу МПС Рос­сии [34]. Струк­тур­ная схе­ма мет­ро­ло­ги­че­ской служ­бы пред­став­ле­на на ри­с. 4.1.

 

Рис. 4.1.  Структурная схема метрологической службы железнодорожного транспорта

 

Мет­ро­ло­ги­че­ская служ­ба в сис­те­ме МПС Рос­сии пред­став­ля­ет  со­бой [34] централи­зо­ван­ную сис­те­му с раз­ви­той струк­ту­рой. Она вклю­чает в се­бя:

−    служ­бу глав­но­го мет­ро­ло­га в цен­траль­ном ап­па­ра­те МПС России;

−    го­лов­ную ор­га­ни­за­цию мет­ро­ло­ги­че­ской служ­бы на железнодорож­ном транс­пор­те (ГОМС) - Го­су­дар­ст­вен­ное уни­тар­ное пред­при­ятие – Все­рос­сий­ский научно-ис­сле­до­ва­тель­ский ин­сти­тут желез­но­до­рож­но­го транс­пор­та (ГУП ВНИ­ИЖТ МПС Рос­сии);

−    ба­зо­вые ор­га­ни­за­ции мет­ро­ло­ги­че­ской служ­бы (по хо­зяй­ст­вам) на железно­до­рож­ном транс­пор­те (БОМС);

−    мет­ро­ло­ги­че­ские служ­бы же­лез­ных до­рог, воз­глав­ляе­мые   дорож­ны­ми цен­тра­ми стан­дар­ти­за­ции и мет­ро­ло­гии (ДЦСМ).

Глав­ные за­да­чи мет­ро­ло­ги­че­ской служ­бы до­ро­ги:

−    обес­пе­че­ние един­ст­ва и тре­буе­мой точ­но­сти из­ме­ре­ний в целях повышения безо­пас­но­сти и ка­че­ст­ва пе­ре­во­зоч­но­го про­цес­са, повы­ше­ние уров­ня и тех­ни­ки из­ме­ре­ний, улуч­ше­ние ка­че­ст­ва выпускаемой про­дук­ции, дос­то­вер­но­го уче­та ма­те­ри­аль­ных  цен­но­стей;

−    вне­дре­ние со­вре­мен­ных ме­то­дов и СИ, ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­но­го кон­троль­но-из­ме­ри­тель­но­го обо­ру­до­ва­ния, из­ме­ри­тель­ных сис­тем, этало­нов, при­ме­няе­мых при по­вер­ке средств из­ме­ре­ний, ре­мон­те подвиж­но­го со­ста­ва и дру­гих тех­ни­че­ских средств до­ро­ги;

−    осу­ще­ст­в­ле­ние мет­ро­ло­ги­че­ско­го кон­тро­ля и со­блю­де­ние метро­ло­ги­че­ских пра­вил и норм,  нор­ма­тив­ных до­ку­мен­тов по обеспечению един­ст­ва из­ме­ре­ний;

−    раз­ви­тие, со­вер­шен­ст­во­ва­ние и ук­ре­п­ле­ние метрологической службы (МС) до­ро­ги.

Мет­ро­ло­ги­че­ская  служ­ба хо­зяй­ст­ва сиг­на­ли­за­ции и свя­зи (ХСС) и дороги, струк­тур­ная схе­ма ко­то­рой пред­став­ле­на на ри­с. 4.2,  пред­став­ля­ет со­бой цен­тра­ли­зо­ван­ную сис­те­му (СЦБ), ко­то­рая вклю­ча­ет: служ­бу сиг­на­ли­за­ции, цен­тра­ли­за­ции и бло­ки­ров­ки, служ­бу информатиза­ции и свя­зи (НИС).  Функ­ции глав­но­го мет­ро­ло­га по на­зван­ным служ­бам воз­ла­га­ют­ся на за­мес­ти­те­ля на­чаль­ни­ка до­рож­ной ла­бо­ра­то­рии ав­то­ма­ти­ки, телемеха­ни­ки и свя­зи (АТиС). Мет­ро­ло­ги­че­ские служ­бы под­раз­де­ле­ний ХСС, воз­глав­ляе­мые мет­ро­ло­га­ми, под­чи­ня­ют­ся глав­но­му ин­же­не­ру пред­при­ятия. Ра­бо­ты по обес­пе­че­нию един­ст­ва из­ме­ре­ний от­но­сят­ся к основным ви­дам   ра­бот, а под­раз­де­ле­ния   МС – к   ос­нов­ным   производствен­ным   или тех­но­ло­ги­че­ским под­раз­де­ле­ни­ям ХСС.

Ру­ко­во­ди­те­ли под­раз­де­ле­ний ХСС от­ве­ча­ют за со­блю­де­ние мет­ро­ло­ги­че­ских пра­вил и норм, направленных на обес­пе­че­ние един­ст­ва и тре­буе­мой точ­но­сти изме­ре­ний, правил   про­вер­ки,   со­стоя­ние   и при­ме­не­ние СИ. Ка­ж­дое под­раз­де­ле­ние ХСС разрабаты­ва­ет свое по­ло­же­ние о МС, при­ме­ни­тель­но к кон­крет­ным усло­ви­ям сво­ей дея­тель­но­сти по  обес­пе­че­нию един­ст­ва  и  тре­буе­мой  точ­но­сти  из­ме­ре­ний,   мет­ро­ло­ги­че­ско­му кон­тро­лю   и   над­зо­ру   в   соот­вет­ст­вии   с   За­ко­ном   Рос­сий­ской   Фе­де­ра­ции  «Об обес­пе­че­нии един­ст­ва из­ме­ре­ний» и на ос­но­ве по­ло­же­ний о МС МПС.

Ри­с.  4.2.  Струк­тур­ная схе­ма мет­ро­ло­ги­че­ской  служ­бы хозяйст­ва сигнализа­ции и свя­зи

 

Обязанности метрологической службы, дис­тан­ции сигнализации, связи и вычислительной техники (ШЧ):

−    про­во­дить еди­ную тех­ни­че­скую по­ли­ти­ку и осу­ще­ст­в­ля­ть контроль за про­ве­де­ни­ем ра­бот по обес­пе­че­нию един­ст­ва и тре­буе­мой точ­но­сти из­ме­ре­ний в це­хах дис­тан­ции;

−    про­во­дить сис­те­ма­ти­че­ский ана­лиз со­стоя­ния СИ и испытатель­но­го обо­ру­до­ва­ния в ШЧ с це­лью раз­ра­бот­ки пред­ло­же­ний по со­вер­шен­ст­во­ва­нию мет­ро­ло­ги­че­ско­го обес­пе­че­ния про­из­вод­ст­ва, ве­де­ния пас­пор­та мет­ро­ло­ги­че­ско­го обес­пе­че­ния ШЧ;

−    со­став­ля­ть пла­ны мет­ро­ло­ги­че­ско­го обес­пе­че­ния и укомплекто­ва­ния СИ со­глас­но тре­бо­ва­ни­ям рег­ла­мен­та тех­ни­че­ской осна­щен­но­сти, эта­ло­на­ми, ис­пы­та­тель­ным обору­до­ва­ни­ем, необходимы­ми для экс­плуа­та­ции и ре­мон­та уст­ройств АТ и С и вы­чис­ли­тель­ной тех­ни­ки;

−    ве­сти учет средств из­ме­ре­ний, ор­га­ни­зо­вы­ва­ть их об­мен­ный  фонд;

−    про­во­дить мет­ро­ло­ги­че­ский кон­троль и над­зор за со­стоя­ни­ем и при­ме­не­ни­ем СИ и ис­пы­та­тель­но­го обо­ру­до­ва­ния, в це­хах дистанций;

−    со­став­ля­ть и со­гла­со­вы­ва­ть с тер­ри­то­ри­аль­ны­ми ор­га­на­ми Гос­стан­дар­та гра­фи­ки по­вер­ки эта­ло­нов и ра­бо­чих СИ, обес­пе­чи­ва­ть их свое­вре­мен­ную дос­тав­ку и по­вер­ку;

−    со­став­ля­ть го­до­вые гра­фи­ки метрологической ат­те­ста­ции испы­та­тель­но­го обо­ру­до­ва­ния, при­ни­ма­ть не­по­сред­ст­вен­ное уча­стие в мет­ро­ло­ги­че­ской ат­те­ста­ции испытательно­го обо­ру­до­ва­ния;

−    обес­пе­чи­ва­ть вне­дре­ние ГОС­Тов, ОС­Тов и дру­гих нормативных до­ку­мен­тов, рег­ла­мен­ти­рую­щих нор­мы точ­но­сти измерений, ме­то­ди­ки вы­пол­не­ния из­ме­ре­ний, мет­ро­ло­ги­че­ские характери­сти­ки СИ, тре­бо­ва­ния к метрологи­че­ско­му обес­пе­че­нию предпри­ятия;

−    уча­ст­вовать в ана­ли­зе при­чин  на­ру­ше­ния тех­но­ло­ги­че­ских    ре­жи­мов,  бра­ка, про­из­во­ди­тель­но­го   рас­хо­да   сы­рья,   ма­те­риа­лов,   энер­гии   и   дру­гих   по­терь, свя­зан­ных с со­стоя­ни­ем СИ, кон­тро­ля, испы­та­ния    и    вы­пол­не­ни­ем кон­троль­но-из­ме­ри­тель­ных опе­ра­ций;

−    оформ­ля­ть спи­са­ние, ути­ли­за­цию СИ в ус­та­нов­лен­ном порядке;

−    ор­га­ни­зовывать ра­бо­ты по по­вы­ше­нию ква­ли­фи­ка­ции работников, свя­зан­ных с метро­ло­ги­че­ским обес­пе­че­ни­ем и выполнением из­ме­ре­ний;

−    уча­ст­вовать в соз­да­нии на дис­тан­ции спра­воч­но-информационно­го фон­да нор­ма­тив­но-тех­ни­че­ской до­ку­мен­та­ции по мет­ро­ло­гии.

4.2. Метрологические характеристики средств измерений

4.2.1. Статические характеристики и параметры средств измерений

Основной характеристикой СИ в статическом режиме является уравнение преобразования — зависимость информативно­го параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала [7, 35]. В общем виде она может быть записана в виде

 

,(4.1)

 

где  - некоторый функционал, описывающий ряд определенных математических операций, производимых над входной величиной .

Различают три вида функции преобразования:

−    номинальную , которая укалывается в нормативно-технической документации на данный тип СИ. Она устанавливается для стандартизованных средств измерений массового производства;

−    индивидуальную , которая принимается для конкретного экземпляра СИ и устанавливается путем экспериментальных ис­следований (индивидуальной градуировки) этого экземпляра при определенных значениях влияющих величин;

−    действительную , которая совершенным образом (без погрешностей) отражает зависимость информативного параметра выходного сигнала конкретного экземпляра СИ от информативного
параметра его входного сигнала в тех условиях и в тот момент времени, когда эта зависимость определяется.

Важной характеристикой СИ является его чувствительность S – свойство, определяемое отношением изменения  выходного сигнала  к вызывающему его изменению  входного сигнала . Различают абсолютную

,                                            (4.2)

и относительную чувствительность

,                                        (4.3)

 

Наименьшее значение изменения ФВ, начиная с которого может осуществляться её измерение, называется порогом чувствительности данного средства измерений.

Существует ряд характеристик и параметров СИ, которые описывают некоторые их свойства СИ отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи. Для электрических СИ это прежде всего входные и выходные сопротивления и емкости.

4.2.2. Динамические характеристики и параметры средств измерений

В статических режимах выходной сигнал СИ в точности соответствует входному (при условии отсутствия статических погрешностей) и, следовательно, коэффициент преобразования   равен номинальному коэффициенту  во всем диапазоне изменения входной величины . Уравнение преобразования соответствует идеальному (безинерционному) линейному преобразованию. Реальные СИ обладают инерционными (динамическими) свойствами, обусловленными особенностями используемых элементов. Это приводит к более сложной зависимости между входным и выходным сигналами.

 Полная динамическая характеристика описывается приятной математической моделью динамических свойств СИ. В качестве нее используют: дифференциальные уравнения; переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую и амплитудно-частотную характеристики; совокупность амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик; передаточную функцию.

Наиболее полно описывают динамические свойства СИ дифференциальные уравнения. Общий вид уравнения с нулевыми начальными условиями:

,           (4.4)

где ,  - постоянные коэффициенты.

                .            (4.5)

Переходная характеристика  - это временная характеристика СИ, полученная в результате подачи на его вход сигнала в виде единичной функции заданной амплитуды

 

.                                     (4.6)

 

Она описывает инерционность СИ, обуславливающую запаздывание и искажение выходного сигнала относительно входного.

Импульсная переходная характеристика  - это временная характеристика СИ, полученная в результате приложения к его входу сигнала в виде дельта-функции.

.                                   (4.7)

В практике измерений получила большое распространение амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

,                          (4.8)

 

представляющая собой зависящее от круговой частоты отношение амплитуды выходного сигнала линейного СИ в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ)  - это зависящая от частоты разность фаз между выходным сигналом и входным синусоидальным сигналом линейного СИ в установившемся режиме.

4.3. Классификация погрешностей измерений

Погрешности измерений могут быть вызваны различными причинами и по-разному проявляться в эксперименте. В связи с этим существенно отличаются и пути уменьшения тех или иных составляющих погрешности. Все это делает целесообразным классификацию погрешностей по тому или иному признаку.

Погрешности бывают абсолютные и относительные. Относительная погрешность измерения обычно выражаете в процентах. Так же как и истинное значение измеряемой величины погрешность измерения не может быть определена абсолютно точно, поэтому используют приближенные ее оценки.

При анализе погрешностей средств измерений и выборе способов их уменьшения весьма важным является разделе­ние погрешностей в зависимости от значения измеряе­мой (преобразуемой) величины. По этому признаку погреш­ности делятся на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивная погрешность (абсолютная) не зависит от значения измеряемой величины, а мультипликативная — ему пропорциональна. Соответственно относительная адди­тивная погрешность обратно пропорциональна значению из­меряемой величины, а относительная мультипликативная — от него не зависит. Аддитивную погрешность иногда назы­вают погрешностью нуля, а мультипликативную — погреш­ностью чувствительности. Реально погрешность средства из­мерений включает в себя обе указанные составляющие.

Кроме того, номинальная функция преобразования сред­ства измерений — это в большинстве случаев более простая функция  (обычно линейная), чем градуировочная характеристика. Их различие вызывает погрешность (погрешность нелинейности), которая в общем случае является некоторой произвольной функцией значения измеряемой величины.

Средства измерений могут использоваться в статическом или динамическом режиме работы. В статическом режиме измеряемая величина не изменяется во времени, а отсчет выполняется тогда, когда практически окончены переходные процессы, вызванные подключением измеряемой величина ко входу средства измерений. В динамическом режиме изме­ряемая величина изменяется во времени. В соответствии с этим различают статическую и динамическую погрешность СИ.

Очевидно, что погрешность средства измерений в ди­намическом режиме включает в себя статическую погреш­ность и погрешность, обусловленную инерционностью СИ. Последняя погрешность носит название динамической погрешности средства измерений и определя­ется как разность между погрешностью средства измерений в динамическом режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент вре­мени.

В зависимости от причин возникновения погрешности подразделяются на инструментальные, методические и субъективные (личные).

Инструментальная погрешность измерения — погрешность из-за несовершенства СИ. Эта погрешность в свою очередь обычно подразделяется на основную погрешность СИ и дополнительную.

Основная погрешность СИ — это погрешность в условиях, принятых за нормальные, т. е. при нормальных значениях всех величин, влияющих на результат измерения (температуры, влажности, напряжения питания и т. п.). Дополнительная погрешность возникает при отличии значений влияющих величин от нормальных. Обычно различают отдельные составляющие дополнительной погрешности, например температурную погрешность, погрешность из-за изменения напряжения питания и т. п.

Методическая погрешность — погрешность измерения происходящая от несовершенства метода измерений. Эта погрешность может возникать из-за принципиальных недостатков используемого метода, из-за неполноты знаний о происходящих при измерении процессах, из-за неточности применяемых расчетных формул. Если предел допускаемо инструментальной погрешности СИ нормируется соответствующими документами, то методическая погрешность может и должна быть оценена только самим экспериментатором с учетом конкретных условий эксперимента, что во многих случаях представляет собой достаточно сложную задачу.

Субъективная, или личная, погрешность обусловлена индивидуальными особенностями лица, выполняющего измерения. Примерами таких погрешностей являются погрешности напр., из-за неправильного отсчитывания десятых долей деления шкалы   прибора.

При использовании СИ на практике их метрологические характеристики должны быть известны. Основные параметры, такие как предел измерения, парамет­ры номинальной функций преобразования, цена деления шкалы и т. п., указываются в технической документации на измерительный прибор.

4.4. Заключение

Общим направлением совершенствования устройств является повышение уровня автомати­зации, снижение объемов работ по эксплуатации, пе­ревод объектов в режим периодического обслуживания без постоянного присутствия технического персонала. Это вызывает необходимость дальнейшего совершенствования измерений. Оно идет в направлении разработки и внедрения автоматизированных измеритель­ных комплексов, применения телеконтроля, телеизмерений, систем технической диагностики состояния устройств, которые обеспечивают сбор информации с конт­рольных точек оборудования, ее обработку с помощью микроЭВМ и сравнение полученных значений с нормами, заложенными в программу. Использование электроизме­рительной техники во всех областях применения электро­технических устройств железнодорожного транспорта по­вышает надежность их работы, оперативность устранения отклонений от норм, безопасность движения поездов.