Способ метрологической диагностики измерительных каналов уровня жидкости

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочных или межповерочных интервалов датчиков уровня жидких сред в резервуарах, работающих под давлением/разрежением. Областями применения могут быть объекты атомной, тепло- и гидроэнергетики, химической и перерабатывающей промышленности. Изобретение заключается в выполнении этапов, на которых: получают показания уровня с диагностируемых датчиков измерительных каналов (ИК) уровня и показания от ИК, характеризующие термодинамическую фазу и динамически меняющиеся теплофизические параметры рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях датчиков, а также статические параметры, включая геометрические характеристики конструкции, местное ускорение свободного падения на площадке производственного объекта; по показаниям уровня диагностируемых ИК уровня путем обратных преобразований определяют разность давлений, соответствующую усредненной величине разности давлений измеренной датчиками; на основе рассчитанной разности давлений и полученных показаний о термодинамической фазе и теплофизических параметрах рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях датчиков, а также геометрических параметрах конструкции ИК моделируют показания эталонного виртуального датчика уровня; определяют среднеквадратическое отклонение показаний каждого ИК от показаний виртуального датчика; сравнивают величину среднеквадратического отклонения каждого ИК от заданной границы допустимого отклонения и по результатам сравнения судят о состоянии исправности каждого ИК. Технический результат - повышение точности диагностики. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочных или межповерочных интервалов датчиков уровня жидких сред в резервуарах, работающих под давлением/разрежением, и, главное, для обнаружения скрытых дефектов измерительных каналов уровня, которые не выявляются встроенными средствами самодиагностики в составе автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП) и/или в ходе регламентных процедур метрологического контроля и надзора. Областями применения могут быть объекты атомной, тепловой и гидроэнергетики, химической и перерабатывающей промышленности, а также другие производства, где осуществляются измерения уровня в резервуарах под давлением/разрежением гидростатическим методом.

На сегодняшний день практически все технологические производства оборудованы развитыми АСУТП, имеющими большое количество измерительных каналов. Задача обеспечения достоверности показаний измерительных каналов в режиме непрерывного технологического процесса напрямую связана с и их метрологической диагностикой.

Применяемые встроенные средства самодиагностики АСУТП по существу не являются инструментами анализа изменений технического состояния измерительных каналов (ИК), учитывающего индивидуальные особенности применяемых типов измерений. Это существенно ограничивает количество видов диагностируемых дефектов ИК и может привести к тому, что определенные дефекты не будут выявлены в течение длительного времени. Вместе с тем именно невыявленные (скрытые) дефекты влекут за собой наибольшие производственные риски.

Применительно к измерительным каналам, выполняющим измерения уровня гидростатическим методом, скрытые дефекты могут быть выражены несоответствиями/неточностью настроек ИК по отношению к реальным теплофизическим параметрам рабочей среды и геометрическим характеристикам конструкции, например, базе уровнемера - высоте расположения уравнительного сосуда относительно нижней врезки импульсных линий. Наличие таких скрытых дефектов неизбежно приводит к появлению систематической погрешности измерений.

Актуальной задачей является разработка средств диагностики метрологической исправности ИК, позволяющих в режиме непрерывного технологического процесса выявить скрытые дефекты, увеличить длительность межкалибровочных или межповерочных интервалов средств измерений.

На данный момент известно множество решений по метрологической диагностике, использующих процессы прогностического моделирования поведения объекта для выявления отклонения показателей его технического состояния и прогнозирования выхода из строя тех или иных его узлов, основанных на использовании нейронных сетей.

Применение принципа моделирования имеет широкий спектр и может использоваться в различных отраслях промышленности. Любой объект, который может передавать параметры своего технического состояния с помощью различных датчиков, сенсоров и т.п. может являться объектом прогностического мониторинга.

Одним из направлений в диагностике являются системы, использующие нейронные сети.

Известны «Устройство и способ для контроля технической установки, содержащей множество систем, в частности установки электростанции»

(RU№ 2313815, G05B23/02, опубл. 27.12.2007). Известен «Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом» ( RU № 2431152, G01R 31/34, опубл. 27.05.2011 Бюл. № 15). Известна группа изобретений «Способ и устройство технической диагностики сложного технологического оборудования на основе нейронных сетей» ( RU № 2563161, G06N 3/08 , опубл. 20.09.2015 Бюл. № 26 ).

Сущность способа, использующего нейронные сети, заключается в том, что проводится диагностика сложного технологического оборудования за счет регистрации и обработки сигналов с датчиков, размещенных в рабочей зоне оборудования, после чего производят обучение нейронной сети и на ее основе получают динамическую модель. После чего происходит регистрация сигналов во время эксплуатации оборудования, и производят дополнительное обучение нейронной сети.

Устройство, реализующее способ, содержит датчики, вычислительную систему и устройства отображения сигналов диагностики. Вычислительная система содержит модуль, реализованный с возможностью интеллектуального анализа и содержащий динамическую модель, которая реализована на обученной нейронной сети, и модуль, реализованный с возможностью дополнительного обучения нейронной сети и выбора активных и избыточных нейронов.

Достоинством систем, использующих нейронные сети, является высокая точность диагностики в решении широкого класса задач с возможностью подстраиваться под изменяющиеся параметры.

Однако недостатком является сложность системы, требующей большие вычислительные мощности для реализации диагностики. Кроме того, устройства не адаптированы к условиям задачи метрологической диагностики измерительных каналов уровня с датчиками разности давлений и не учитывают характерные для них виды скрытых дефектов.

Известен «Способ контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений» ( RU №2491510 G01D 3/00, опубл. 27.08.2013 Бюл. № 24)

Сущность способа заключается в том, что в процессе эксплуатации периодически определяют значения измеряемой величины и контролируемого параметра средства измерений в процессе эксплуатации, сравнивают полученные значения контролируемого параметра с принятым опорным значением, запоминают каждое полученное значение измеряемой величины и соответствующее ему текущее значение контролируемого параметра, вычисляют разности между последним полученным значением измеряемой величины и ее значениями, полученными ранее, для значений измеряемой величины, разность которых превосходит утроенную допускаемую погрешность измерений, сравнивают между собой соответствующие им текущие значения контролируемого параметра и по результатам сравнения судят о метрологической исправности интеллектуального средства измерений.

Достоинством изобретения является обеспечение возможности осуществления периодического (практически непрерывного) контроля метрологической исправности интеллектуального средства измерений в процессе его эксплуатации (без прерывания штатных измерений).

Однако, проблематично использовать его для диагностики измерительных каналов уровня с датчиками разности давлений, так как техническое решение не позволяет учесть их индивидуальные особенности и выявить скрытые дефекты.

Известен «Способ диагностирования датчика измерения»

(RU №2 587635, G01F 25/00, опубл. 20.06.2016).

Сущность способа заключается в том, что сигнал с выхода диагностируемого датчика сравнивают с контрольными типичными сигналами. При этом физическую величину, измеряемую посредством диагностируемого датчика, дополнительно измеряют не менее чем тремя датчиками, осуществляющими измерения разными способами. Далее для каждой пары датчиков рассчитывают значение критерия проверки гипотезы о равенстве центров распределения двух независимых выборок, состоящих из полученных результатов многократных измерений физической величины. Полученное значение критерия сравнивают с нормированным значением, и при наличии существенного расхождения в показаниях пары датчиков делают вывод о наличии метрологического отказа датчика.

Использование дублирующих измерений обеспечивает повышение метрологической надежности и достоверности результатов диагностирования датчиков измерения.

Однако данный способ не может быть использован в системах не допускающих установку дополнительных датчиков. При этом способ не позволяет диагностировать скрытые дефекты измерительных каналов уровня с датчиками разности давлений.

Известно «Устройство централизованного контроля»

(RU № 2141722, H04B 3/46, опубл. 20.11.1999), включающее датчики каналов (параметров) объекта контроля, многоканальный блок нормализации (унификации) сигналов датчиков, многоканальный блок сравнения и индикации, а также виртуальный эталон, который может быть выполнен, с помощью ЭВМ, выполняющей заданный алгоритм:

где y - выходное эталонное значение; N - число каналов (параметров); i - порядковый номер канала X_i - значение выходного сигнала i-го канала (параметра) блока нормализации.

При отклонениях каналов (параметров) в ходе эксплуатации получаем сигналы X_i≠ X_o и соответственно y ≠ y_o.

Достоинством устройства является возможность его работы без остановки технологического процесса и демонтажа датчиков.

Однако, виртуальный эталон реализует достаточно простой алгоритм, который сложно адаптировать к потребностям диагностики измерительных каналов для измерения уровня жидких сред, в том числе в условиях высоких рабочих температур и давлений контролируемой среды.

Известен «Способ автоматического контроля метрологических характеристик средств измерения (СИ)массы нефти или жидких нефтепродуктов (НП)при их отпуске на базах топлива (RU №2 593446, G01F 25/00, опубл. 20.08.2016, бюл.№22).

Сущность способа заключается в том, что перед началом и по завершении каждой операции отпуска автоматически регистрируют результаты измерения массы нефти или нефтепродуктов (НП) и выполняют автоматический сравнительный анализ результатов измерений массы отпущенной нефти или НП по данным, как минимум, трех средств измерения (СИ). По данным автоматической системы измерения в резервуарах, по данным топливораздаточных устройств и по данным автоматической системы измерения в приемных емкостях и баках транспортных средств с накоплением статистики по фактам превышения предельных погрешностей измерений отдельными СИ для подготовки заключения судят о возможности дальнейшей эксплуатации или необходимости внеплановой поверки СИ.

Использование дублирующих измерений обеспечивает повышение метрологической надежности и достоверности результатов диагностирования средств измерения. Достоинством способа является и то, что контроль СИ можно осуществлять в реальных условиях его эксплуатации в режиме непрерывного технологического процесса.

Однако данный способ не может быть использован в системах, не допускающих установку дополнительных датчиков.

При этом его сложно адаптировать к потребностям диагностики ИК уровня жидких сред с датчиками разности давлений, в том числе для резервуаров под давлением/разрежением с высокими рабочими температурами.

Известен «Способ градуировки и проверки средств косвенных измерений и эталон для его осуществления» (RU №2 095 761, G01F 25/00, опубл. 20.10.1995), выбранный в качестве прототипа.

Сущность способа состоит в том, что поверка средств косвенных измерений осуществляется с помощью эталона косвенных измерений путем имитации заданных значений параметров состояния с помощью имитаторов входных переменных в статических и динамических режимах и принятия рассчитанного значения в качестве эталонного значения, которое сравнивается со значением сигнала поверяемого средства измерения. Эталон содержит информационно-вычислительное устройство, к которому подсоединены имитаторы входных переменных перепада давлений на сужающем устройстве ΔP, давления измеряемой среды P и температуры среды t. Имитируемые сигналы могут поступать в информационно-вычислительные устройства непосредственно либо через модели информационно-измерительных каналов. Модели информационно-измерительных каналов представляют собой устройства, отображающие свойства соответствующих преобразователей перепада давления и температуры в статических и динамических режимах во всех диапазонах измерений. Использование моделей информационно-измерительных каналов позволяет приблизить характеристики средств косвенных измерений, получаемых с помощью эталона, к характеристикам реального поверяемого средства измерения.

Достоинством способа является возможность проведения проверки исправности средств измерений не только в статических режимах, но и в динамических, а также при различных значениях давления и температуры рабочей среды.

Недостатком таких средств метрологической диагностики являются ограниченные возможности их применения в условиях непрерывного технологического процесса. Для проведения проверки требуется временно вывести средство измерения из работы (отключить его от систем автоматического регулирования технологическим процессом) с целью подачи на него сигналов с имитаторов.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего выполнять метрологическую диагностику ИК уровня жидкости в резервуарах под давлением или разрежением во всех режимах непрерывного технологического процесса, включая переходные процессы с мгновенными изменениями теплофизических параметров рабочей среды.

Техническим результатом является повышение точности диагностики, за счет учета термодинамических фаз и динамически меняющихся теплофизических параметров рабочей среды, а также статических характеристик объекта контроля и ИК, включая геометрические параметры конструкции ИК, влияющие на измеряемую величину уровня.

Заявляемый технический результат достигается с помощью реализации способа метрологической диагностики измерительных каналов уровня жидкости c датчиками разности давлений, заключающийся в выполнении этапов, на которых:

- снимают показания уровня с датчиков диагностируемого ИК уровня и дублирующих ИК уровня, получают показания ИК, характеризующие термодинамическую фазу и динамически меняющиеся теплофизические параметры рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях датчиков, а также статические параметры, включая геометрические характеристики ИК, местное ускорение свободного падения на площадке производственного объекта;

- по показаниям диагностируемого ИК уровня и дублирующих ИК путем обратных преобразований определяют разность давлений, соответствующую усредненной величине разности давлений, измеренной датчиками;

- на основе рассчитанной разности давлений и полученных показаний о термодинамической фазе и теплофизических параметрах рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях ИК, а также статистических параметров моделируют показания эталонного виртуального датчика уровня;

- определяют среднеквадратическое отклонение показаний диагностируемого ИК от показаний эталонного виртуального датчика;

- сравнивают величину среднеквадратического отклонения от заданной границы допустимого отклонения, по результатам сравнения судят о метрологической исправности ИК.

Выбор среднеквадратического отклонения для определения исправности ИК обусловлен простотой определения данной характеристики и достаточной для практики точностью решения подобных задач прикладной метрологии.

Точность процесса диагностики повышается благодаря тому, что процесс диагностики осуществляется с учетом реальных параметров, характеризующих термодинамические фазы и динамически меняющиеся теплофизические параметры рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях датчиков, а также статические характеристики объекта контроля и ИК, включая геометрические параметры конструкции ИК, влияющие на измеряемую величину уровня, и местное ускорение свободного падения на площадке производственного объекта.

Из уровня техники не обнаружено источников информации, раскрывающих сущность заявляемого способа метрологической диагностики ИК, измеряющих уровень жидких сред в резервуарах под давлением/разрежением гидростатическим методом (посредством датчиков разности давлений). Следовательно, можно констатировать о соответствии заявляемого способа критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Оптимальным вариантом операции способа определения разности давлений путем обратных преобразований является осуществление его по формуле:

,

где – искомая разность давлений,

ρ_1ик – плотность воды в плюсовой импульсной линии, учтенное настройками штатных диагностируемых ИК уровня,

g – местное ускорение свободного падения на объекте контроля,

H_ик –значение базы уровнемеров, учтенное настройками диагностируемых ИК,

ρ´_ик – учтенная плотность воды внутри технологической емкости,

d – количество дублирующих друг друга ИК уровня на объекте контроля,

L_i – показания i-го ИК уровня;

h_0ик – значение высоты врезки минусовой импульсной линии (ИЛ) до внутренней образующей дна резервуара, учтенное настройками диагностируемых ИК,

ρ´´_ик – учтенная плотность паровоздушной смеси внутри резервуара,

ΔP_min – настроенное смещение нуля датчика разности давлений.

Оптимальной операцией способа метаматематического моделирования показаний виртуального датчика является осуществление по формуле:

L_M = K_M·+ B_M ,

где – моделируемые показания виртуального датчика,

Поправочные коэффициенты K_M и B_{M ,} рассчитываются по формуле:

Где ρ´ – текущее значение плотности жидкости внутри технологической емкости,

ρ´´ – текущее значение плотности паровоздушной смеси внутри технологической емкости,

ρ_1i – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной H_i, где = H,

ρ_1j – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной h_j, где ,

ρ_2γ – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной h_γ, где .

h₁ – высота импульсных линий от датчика до минусовой ИЛ в резервуар,

H – фактическое значение базы датчиков уровня,

h₁ – фактическая высота импульсных линий от датчика до врезки минусовой ИЛ в резервуар,

h₀ – фактическая высота врезки минусовой ИЛ до внутренней образующей дна резервуара.

Далее приводится пример конкретного осуществления способа метрологической диагностики ИК уровня жидкости для одного из диагностируемых каналов.
Фиг.1 иллюстрирует основные этапы выполнения заявляемого способа.

Фиг.2 иллюстрирует схему условного деления ИЛ на участки с одинаковыми характеристиками среды.

На Фиг.3 представлен график распределения среднеквадратического отклонения по времени.

На Фиг.4 представлены сведенные в таблицу данные о погрешности измерений в случаях несоответствий/неточностей настройки шкал измерений ИК.

Способ метрологической диагностики измерительных каналов уровня жидкости реализуется следующим образом.

На первом этапе способа получают показания уровня диагностируемого измерительного канала (ИК) и показания уровня с дублирующих ИК.

Данные получают от программно-технического комплекса автоматизированной системы управления технологическими процессами (ПТК АСУТП).

Получают показания от ИК, характеризующие термодинамическую фазу и динамически меняющиеся теплофизические параметры рабочей среды: плотность, давление, температура.

Для учета текущих значений давления и температуры используются показания соответствующих ИК с объекта контроля. В частности, можно использовать показания датчиков избыточного и абсолютного давления, расположенных в паровой части резервуара, датчиков температуры в паровой и водяной части резервуара, а также датчиков температуры среды в уравнительном сосуде и импульсных линиях (Демченко В.А. Автоматизация и моделирование процессов АЭС и ТЭС. - Одесса: Астропринт. - 2001. - 300 с)

При условии насыщения рабочей среды в резервуаре достаточно ограничиться либо показаниями датчиков давления, либо датчиков температуры.

Получают статические параметры, характеризующие геометрические размеры конструкции: высоту нижней врезки импульсной линии (ИЛ) от внутренней образующей дна резервуара h₀, базу уровнемера H (расстояния от верхнего штуцера уравнительного сосуда до нижней врезки ИЛ в резервуар), высоту ИЛ от датчика до нижней врезки в резервуар h₁.

Для определения этих геометрических величин выполняется соответствующая геодезическая съёмка. В тех случаях, когда ИЛ визуально не просматриваются в полном объеме, и выполнить геодезическую съемку базы уровнемера H не представляется возможным, её значение определяется косвенно из показаний датчика разности давлений при пустом резервуаре и полностью заполненных ИЛ.

В условиях отсутствия на объекте контроля датчиков температуры среды ИЛ в статике дополнительно учитывается профиль распределения температур по высоте ИЛ, определяемый по результатам пирометрии.

На втором этапе по показаниям уровня ИК путем обратных преобразований по отношению к тем, что выполняются в АСУТП, осуществляется расчет усредненной величины разности давлений ∆Р на гидростатических уровнемерах.

Расчет усредненной величины разности давлений ∆Р осуществляется по формуле:

...(1)

Где – искомая усредненная разность давлений,

ρ_1ик – плотность воды в плюсовой импульсной линии, учтенная настройками диагностируемого и дублирующих его ИК уровня (постоянно измеряющих один и тот же уровень жидкости вместе с диагностируемым ИК)

g – местное ускорение свободного падения на объекте контроля,

H_ик – значение базы ИК уровня, учтенное настройками диагностируемого и дублирующих его ИК,

ρ´_ик – учтенная плотность воды внутри технологической емкости,

d – количество дублирующих ИК уровня вместе с диагностируемым

L_i – показания i-го ИК уровня;

h_0ик – значение высоты врезки минусовой импульсной линии (ИЛ) до внутренней образующей дна резервуара, учтенное настройками диагностируемых ИК,

ρ´´_ик – учтенная плотность паровоздушной смеси внутри резервуара,

ΔP_min – настроенное смещение нуля на датчиках разности давлений.

На третьем этапе осуществляют математическое моделирование показаний уровня по формуле, имитирующее эталонный виртуальный датчик:

L_M = K_M·+ B_M ,... (2)

где – моделируемые показания виртуального датчика,

Поправочные коэффициенты K_M и B_{M ,} в общем случае рассчитываются по формуле:

...(3)

...(4)

Где ρ´ – текущее значение плотности жидкости внутри технологической емкости,

ρ´´ – текущее значение плотности паровоздушной смеси внутри технологической емкости,

ρил_1i – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной H_i, где = H,

ρил_1j – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной h_j, где ,

ρил_2γ – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной h_γ, где .

h₁ – высота импульсных линий от датчика до минусовой ИЛ в резервуар,

H – фактическое значение базы датчиков уровня,

h₁ – фактическая высота импульсных линий от датчика до врезки минусовой ИЛ в резервуар,

h₀ – фактическая высота врезки минусовой ИЛ до внутренней образующей дна резервуара.

Определение коэффициентов K_М и B_М для текущих значений температуры Т и давления Р рабочей среды может быть осуществлено по данным справочника (Калашников А.А. «Справочник по настройке промышленных гидростатичеких уровнемеров», Инфра-Инженения, Москва-Вологда, 2017).

Для учёта неравномерного распределения плотности среды по высоте импульсных линий (ИЛ) формулой (4) предусмотрено условное разбиение ИЛ на участки, на протяжении каждого из которых теплофизические характеристики среды допустимо считать одинаковыми, что изображено на Фиг.2, на которой представлены: 1-датчик давления, 2-уравнительный сосуд, 3 –импульсная линия (ИЛ), соединяющая датчик давления 1 с уравнительным сосудом 2.

Плотность среды на каждом из участков ИЛ определяется для соответствующих значений температуры t_i и давления p_i. В свою очередь, давление на участке i складывается из давления внутри технологической емкости и суммы гидростатических давлений вышестоящих участков в ИЛ. Таким образом, расчет значений плотности среды в ИЛ осуществляется от верхних участков к нижним. В условиях отсутствия или недостаточного количества датчиков температуры, расположенных по высоте ИЛ, проводится пирометрия ИЛ.

В целом, формулы (2) - (4) представляют собой общие математические зависимости, удовлетворяющие всем возможным условиям гидростатических измерений уровня жидкости в резервуарах, работающих под давлением/разрежением:

а) случаям однофазной и двухфазной рабочей среды;

б) случаям равномерного и неравномерного распределений профиля плотности в ИЛ;

в) удовлетворяют обоим типам применяемых промышленных схем - с однокамерным и двухкамерным уравнительными сосудами.

Например, при условии двухкамерного уравнительного сосуда ( и = ) формулы (3), (4) преобразуются к виду:

Таким образом, математическое моделирование показаний уровня, имитируя эталонный виртуальный датчик, представляет собой универсальный инструмент определения значения уровня на базе независимых расчетов поправочных коэффициентов K_M и B_M. Входными данными такой математической модели являются показания имеющихся на производственном объекте измерительных каналов уровня, давления и температуры рабочей среды, а также статические характеристики ИК и объекта контроля.

В результате, метрологическая диагностика сводится к сравнению показаний диагностируемого канала с моделируемыми показаниями эталонного виртуального датчика.

Для этого на четвертом этапе определяют среднеквадратическое отклонение, и строят графики распределений среднеквадратического отклонения по времени и по уровню жидкости.

Определение среднеквадратичного отклонения показаний каждого из ИК уровня от показаний виртуального датчика L_M осуществляется по формуле:

,

где σ – среднеквадратичное отклонение за период времени N,

N – объем выборки по времени,

L_i – текущее значение показаний диагностируемого ИК уровня в момент времени i;

M [L_M] – математическое ожидание показаний L_M за весь объем выборки,

L_Mi – текущее значение показаний виртуального датчика в момент времени i.

На пятом этапе сравнивают величину σ – среднеквадратичного отклонения с заданной границей допустимых отклонений. Для этого строят график распределения среднеквадратичного отклонения по времени, представленный на Фиг.3.

По результатам сравнения судят о метрологической исправности ИК. Если график распределения среднеквадратичного отклонения по времени выходит за границу допустимых отклонений констатируется факт неисправности ИК, если не выходит, то ИК признается исправным.

На Фиг.3 верхний график соответствует неисправному ИК, а нижний - исправному ИК.

Границы допустимых отклонений выбираются с учетом следующих критериев:

1) с одной стороны, заданная граница не должна быть слишком маленькой, чтобы исключить влияние «технологического шума» на результат диагностики (исключить ложные результаты диагностики о неисправности измерительного канала).

2) с другой - заданная граница не должна быть слишком большой. Обязательно должна удовлетворять установленным нормам точности на промышленном объекте (это, собственно, и есть её предельно возможное значение).

В частности, на атомных станциях в подобных задачах общепринято искать отклонение в процентах относительно текущего среднего значения. С учетом действующих на АЭС норм точности теплофизических измерений, оптимальное значение задаваемой границы находится в диапазоне 3 - 4 % от текущих показаний виртуального датчика.

Если необходимо определять, ухудшение метрологических характеристик датчика (с целью увеличения межповерочных интервалов), то задаваемая граница должна быть ужесточена как минимум в 1,5 - 2 раза по отношению к действующим на промышленном объекте нормам точности.

Анализируя график распределения среднеквадратичного отклонения по времени, выполняется предварительная идентификация вероятного дефекта ИК.

Так, например:

1) Наличие постоянного во времени среднеквадратичного отклонения у всех дублирующих ИК уровня из состава АСУТП свидетельствует о систематической ошибке измерений, наиболее вероятными причинами которой являются скрытые дефекты:

– несоответствие настроек ИК значению фактической базы датчиков уровня;

– неточность корректировок показаний ИК по отношению к номинальным значениям теплофизических характеристик рабочей среды.

2) Основными причинами постепенного и кратковременного роста среднеквадратичного отклонения являются:

– частичная незаполненность (дренирование) импульсных линий и/или уравнительного сосуда;

– «дрейф нуля» первично-измерительного преобразователя;

– отклонение первично-измерительного преобразователя от требуемых метрологических характеристик (чаще всего, по причине старения чувствительного элемента)

– скопление шлама в импульсных линиях.

3) Мгновенный значительный рост среднеквадратичного отклонения, как правило, на практике вызван следующими основными причинами: обрывом кабельных связей, ухудшением качества электрического контакта, выходом из работы какого-либо технического средства из состава измерительного канала, обесточением первично-измерительного преобразователя или программного модуля ПТК. Такие дефекты являются явными, и с большой вероятностью будут выявлены и штатной системой самодиагностики в составе АСУТП. Устранение данных дефектов предпринимается эксплуатационным персоналом сразу после их обнаружения.

4) При отслеживании длительной истории среднеквадратичного отклонения, появляется возможность выявления деградации и старения чувствительного элемента датчика, кабельного тракта и других элементов, входящих в структуру ИК.

Для выявления наличия несоответствия шкал измерений, задаваемых на датчике и в ПТК, строится график зависимости среднеквадратического отклонения от фактического значения уровня в резервуаре (показаний эталонного виртуального датчика).

По графику зависимости среднеквадратического отклонения от значения уровня в резервуаре, полученного в результате математического моделирования, можно определить несоответствие шкал измерений. Для наглядности данные о наиболее вероятных на практике случаев несоответствий настроек шкалы измерений ИК сведены в таблицу и представлены на Фиг.4.

Сведения из таблицы, представленной на Фиг.4, позволяют определить значение составляющей систематической погрешности измерений. Кроме того, данные из таблицы на практике удобно использовать и для определения самих вероятных несоответствий шкал измерений ИК.

Из указанных примеров и технических особенностей дефектов видно, что предлагаемый способ позволяет решить основную задачу технического обслуживания – своевременно диагностировать тот или иной дефект, пока он не привел к критическому отказу/ошибке работы систем автоматического регулирования. При этом метрологическая диагностика осуществляется удаленно от мест размещения КИП, а количество диагностируемых неисправностей значительно увеличивается в сравнении с теми, которые выявляются штатными средствами самодиагностики АСУТП или в ходе регламентных процедур метрологического контроля и надзора.

1. Способ метрологической диагностики измерительных каналов (ИК) уровня жидкости c датчиками разности давлений, заключающийся в выполнении этапов для каждого из диагностируемых ИК, на которых:

- получают показания уровня с датчиков диагностируемого ИК и дублирующих ИК уровня, показания ИК, характеризующие термодинамическую фазу и динамически меняющиеся теплофизические параметры рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях датчиков, а также статические параметры, включая геометрические характеристики ИК, местное ускорение свободного падения на площадке производственного объекта;

- по показаниям диагностируемого ИК уровня и дублирующих ИК путем обратных преобразований определяют разность давлений, соответствующую усредненной величине разности давлений, измеренной датчиками;

- на основе рассчитанной разности давлений и полученных данных о термодинамической фазе, динамически меняющихся теплофизических параметрах рабочей среды в резервуаре и импульсных линиях, а также геометрических параметров конструкции ИК моделируют показания эталонного виртуального датчика уровня;

- определяют среднеквадратическое отклонение показаний диагностируемого ИК от показаний эталонного виртуального датчика;

- сравнивают величину среднеквадратического отклонения от заданной границы допустимого отклонения и по результатам сравнения судят о метрологической исправности ИК.

2. Способ метрологической диагностики измерительных каналов уровня жидкости в резервуаре c датчиками разности давлений по п. 1, отличающийся тем, что для определения усредненной величины разности давлений обратные преобразования осуществляют по формуле

,

где – искомая разность давлений,

ρ_1ик – плотность воды в плюсовой импульсной линии, учтенная настройками диагностируемых ИК уровня,

g – местное ускорение свободного падения на объекте контроля,

H_ик –значение базы уровнемеров, учтенное настройками диагностируемых ИК,

ρ´_ик – учтенная плотность воды внутри технологической емкости,

d – количество дублирующих друг друга ИК уровня на объекте контроля,

L_i – показания i-го ИК уровня;

h_0ик – значение высоты врезки минусовой импульсной линии (ИЛ) до внутренней образующей дна резервуара, учтенное настройками диагностируемых ИК,

ρ´´_ик – учтенная плотность паровоздушной смеси внутри резервуара,

ΔP_min – настроенное смещение нуля датчика разности давлений.

3. Способ метрологической диагностики измерительных каналов уровня жидкости в резервуаре c датчиками разности давлений по п. 1, отличающийся тем, что показания виртуального датчика уровня моделируют по формуле

L_M = K_M+ B_M ,

где – моделируемые показания виртуального датчика,

Поправочные коэффициенты K_M и B_{M ,} рассчитываются по формуле

где ρ´ – текущее значение плотности жидкости внутри технологической емкости,

ρ´´ – текущее значение плотности паровоздушной смеси внутри технологической емкости,

ρ_1i – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной H_i, где = H,

ρ_1j – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной h_j, где ,

ρ_2γ – плотность среды на участке плюсовой ИЛ длиной h_γ, где .

h₁ – высота импульсных линий от датчика до минусовой ИЛ в резервуар,

H – фактическое значение базы датчиков уровня (расстояние от верхнего штуцера уравнительного сосуда до нижней врезки импульсной линии в резервуар),

h₁ – фактическая высота импульсных линий от датчика до врезки минусовой ИЛ в резервуар,

h₀ – фактическая высота врезки минусовой ИЛ до внутренней образующей дна резервуара.