ПРОБЛЕМЫ ПОВЕРКИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Аннотация. Вопросы проведения поверочных испытаний измерительных систем находятся в тесной связи с проблемой их метрологической надежности. Автоматизированные метеорологические комплексы и автоматические станции измерения должны долговременно сохранять нормируемые значения их метрологических характеристик в условиях продолжающегося технического перевооружения структурных подразделений Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в изменившихся условиях эксплуатации. С учетом уникальности каждого метеорологических измерительных комплексов и станций, проблемы их надежности сводятся к обеспечению непрерывного мониторинга изменений метрологических характеристик информационно-измерительных систем на месте и в условиях их эксплуатации, использованию данной информации для уточнения межповерочных интервалов. Одним из способов решения данной задачи является автоматизация поверки, что позволяет избегать ошибок при ее проведении, включая оформление документации свидетельств и протоколов поверки, которая в конечном счете, позволит повысить надежность измерений.

Abstract. Questions of verification tests of measuring systems are in close connection with the problem of their metrological reliability. Automated meteorological complexes and automatic measurement stations should keep the normalized values of their metrological characteristics for a long time in the conditions of the ongoing technical re-equipment of the structural units of the Federal service for Hydrometeorology and environmental monitoring in the changed operating conditions. Taking into account the uniqueness of each meteorological measuring complexes and stations, the problems of their reliability are reduced to providing continuous monitoring of changes in the metrological characteristics of information-measuring systems on site and in their operating conditions, the use of this information to clarify the calibration intervals. One of the ways to solve this problem is the automation of verification, which avoids errors during its implementation, including the documentation of certificates and verification protocols, which ultimately will improve the reliability of measurements.

Ключевые слова: гидрометеорология, датчики, поверка, гидрометеорологические измерения, метрологическая характеристика, метеорологический комплекс, средства измерений, автоматизация поверочных работ.

Keywords: Hydrometeorology, sensors, verification, hydrometeorological measurements, metrological characteristics, meteorological complex, measuring instruments, automation of verification works.

За последнее десятилетие полностью перевооружены и модернизированы структурные подразделения Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Благодаря проектам перевооружения, включая введение в эксплуатацию, модернизирована обширная сеть (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Данные по модернизации и введению в эксплуатацию гидрометеорологических систем измерения (ГМСИ) по сведениям Росгидромета [1]

Перед Росгидрометом встала проблема формирования современной структуры метрологического обеспечения метеорологических измерений, включая систему поверки соответствующего измерительного оборудования. Начиная с 2007 года, реализацию принятой новой концепции метрологического обеспечения измерений осуществляет старейшее метеорологическое учреждение страны - «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова» (ГГО). Мероприятия, которые проводятся отделом метрологии ГГО, реализуют:

- анализ надежности оборудования;

- корректировку межповерочных интервалов (МПИ) метеорологических средств измерений (МЛСИ);

- введение в поверочные работы с МЛСИ автоматизированных систем;

- разработку образцов средств измерений, а так же адаптированных методов и средств поверки МЛСИ в местах его обслуживания и эксплуатации.

Современными сетевыми АИМК и АИМС оснащена к настоящему времени в значительная часть наземной наблюдательной сети Росгидромета. Возможности АИМК и АИМС осуществлять автоматический сбор, обработку, передачу первичных соответствуют рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО) [2]. Они в полном соответствии с требованиями ВМО обеспечивают измерение физических параметров воздуха, почвы, осадков, в том числе снежного покрова. К таким характеристикам относятся температура, давление, относительная влажность, радиационный фон, и другие [4].

Постепенный отход от прежней задачи метрологии обеспечения единства и измерений и их точности является новым шагом в развитии системы метрологического обеспечения. Смена устаревшей парадигмы совершенно новым подходом вызвана современными требованиями по проведению качественных измерений точно в установленный срок, их результатов с наперед заданным пределом допускаемой погрешности погрешности (ДПП). При этом должны обеспечиваться метрологическая надежность, достоверность, сходимость и воспроизводимость результатов измерений.

Упоминая метрологическую надёжность и стабильность, требуется понять, что надёжность МЛСИ определяется его метрологической исправностью. С другой стороны, стабильность отражает неизменность его метрологических параметров во времени [3].

Внедрение эффективного метрологического инструмента для метеорологического мониторинга, удовлетворяющего современным требованиям, связано с решением следующих проблем:

- метрологическая надежность МЛСИ;

- ввод эталонов и средств поверки нового поколения;

- введение актуализированных нормативных документов для использования внедряемого новейшего гидрометеорологического оборудования, включая современные средства поверки для АИМК, АИМС;

- продуцирование актуальных рабочих эталонов Росгидрометом, которые соответствуют требованиям по единству измерений в системе Росгидромета и ВМО.

На данный момент решены основные проблемы, связанные с внедрением современных эталонов и средств поверки. Сформирована новая конфигурация метрологической системы обеспечения региональных служб средств измерений (РССИ), центров по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМОС) Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и территориальных органов управления Росгидромета (ТОУР). Завершены мероприятия, схематично представленные на рисунке 1.

Вместе с тем, остаются вопросы, требующие соответствующего решения, обслуживания данного оборудования. Острейшая проблема стоит в плоскости технического и метрологического обслуживания АИМК, ААМК и АИМС, поскольку их ввод в эксплуатацию продолжается до сих пор. Опытная эксплуатация после завершения ввода АИМК и АИМС включает синхронизацию параллельных наблюдений. Их периодичность проведения составляет не менее одного года. АИМК и АИМС, установленные в ТОУР, ЦГМОС, обладают недостатками, которые были выявлены в ходе опытной эксплуатации. Основной недостаток заключается в недостаточной достоверности результатов параллельных синхронных наблюдений. Необходимо проведение синхронной периодической поверки всех АИМК и АИМС вначале таких наблюдений.

В настоящий момент, все поверочные лаборатории, оборудованные средствами поверки, поставленные в ТОУР, а также ЦГМОС, эксплуатируются в штатном режиме. Большая часть ТОУР, прошедшая процедуру переаккредитации на право осуществления поверок СИ с применением МАПЛ и СПЛ, пользуются ими на местах эксплуатации и стационарно.

Количество поверочных лабораторий недостаточно для интенсивной поверки почти двух тысяч АИМК, ААМК и АИМС. Своим решением Коллегия Росгидромета от 25 июля 2018 года по рассмотренному вопросу о работе гидрометеорологической сети, отметила потребность в дополнительном дооснащении инструментами поверки РССИ ТОУР.

Рисунок 1. Мероприятия по вводу эталонного и поверочного оборудования нового поколения

Предложения, которые ранее поступали из ТОУР, сгруппированы по федеральным округам Российской Федерации, приведены в таблице 2. Анализ данных показывает, что наиболее нуждающимися территориальными органами управления Росгидромета, состоящие из нескольких ЦГМОС в соответствующих федеральных округах РФ, в дополнительном дооснащении МАПЛ, являются Дальневосточный (ДФО,13), Северо-Западный (СЗФО) Приволжский (ПФО), Сибирский (СФО) (все по 8), Центральный (ЦФО,4), Уральский (УФО,3) и Южный (ЮФО,2) федеральные округа.

Одиннадцать территориальных управлений, расположенных в ДФО (6), СЗФО (3), ПФО (2) федеральном округах, требуют дооснащения СПЛ, поскольку до этого они в данные ТОУР не использовались. Возможность на данном этапе самостоятельно осуществить послеремонтную поверку МЛСИ они не имеют. Следовательно, стационарные условия для высокопроизводительных поверок и калибровок датчиков АИМК, ААМК, АИМС, АМИИС нового поколения и автономных СИ данных ТОУР не обеспечены.

Таблица 2.

Состояние по оснащенности и необходимому дооснащению СПЛ и МАПЛ по данным ТОУР с учетом переоснащения его гидрометеорологической наблюдательной сети

Опыт использования МАПЛ в ТОУР, ЦГМОС показывает следующее. В среднем за год количество обслуживаемых по месту эксплуатации АИМК и АИМС не превышает 30 единиц. Модернизированная сеть Росгидромета позволяет определить общее необходимое количество МАПЛ для поверки около 2000 единиц АИМК (1627 единиц), АИМС (310 единиц). Отношением поставленных суммарно АИМК и АИМС определяется потребное количество для метрологического обслуживания единиц МАПЛ. В данном случае отношение 1937 / 30 определяет не менее 64 единиц МАПЛ. Учитывая, что к настоящему времени поставлено 28 единиц таких лабораторий, легко определить дополнительный объем поставки МАПЛ, т.е. 64-28, всего 36 единиц. Т.к. ранее была оговорена проблема, связанная с одновременной (синхронной) поверкой штатных МЛСИ, которые эксплуатируются на всех обслуживаемых станциях, должны поверяться так же АИМК, АИМС. Учитывая этот факт, можно предположить, что количество средств измерений, которые подлежат поверке, практически удвоится, что приведет к дополнительному увеличению количества МАПЛ и СПЛ.

Принимая во внимание, что при реализации второго проекта модернизации сети Росгидромета с 2014 года дополнительно установлено 353 АИМК и АИМС, констатируется увеличение нагрузки на РССИ ТОУР (ЦГМОС). Это ведет к увеличению численности МАПЛ на 11 единиц (353/30), таким образом, приводя к дополнительному увеличению поставки до 47 единиц.

Для осуществления постоянной подготовки специалистов-метрологов ТОУР, ЦГМОС (1 раз в год), стажировки по обслуживанию МАПЛ и СПЛ, обучения персонала вновь вводимым программным средствам, повышения квалификации поверителей, необходимо сформировать учебный комплекс при ГГО. Это мероприятие требует оснащения, как минимум одним МАПЛ-1, в комплектации с шестью комплексами КПП (№1, №2, №3, №4, №5, №6), а так же одним СПЛ-1.

Для высокопроизводительного, на высоком технологическом уровне, проведения поверок СИ необходимо возобновить целевого финансирование метрологического обеспечения сети, которое существовало до 1998 года. Это позволит поверять эталоны, МАПЛ и СПЛ, иное оборудование, которое эксплуатируется РССИ ТОУР, ЦГМОС. Аналогичные меры необходимо принять и в отношении эталонов Росгидромета, которые хранятся в ГГО, и их поверки.

Следующим шагом, связанным с поверкой АИМК и АИМС, является актуальное нормирование метрологических характеристик этих СИ. Они должны указываться в сертификате типа СИ и в нормативно-технической документации (НТД) в актуализированном виде.

Процедура первичной поверки АИМК и АИМС осуществлялась Всероссийским НИИ метрологии имени Д.И. Менделеева (ВНИИМ).

Осуществление первичной поверки АИМК и АИМС отразилось на производстве качественных приборов, а так же при передаче-приеме их в ТОУР и ЦГМОС. Анализ результатов первичной поверки привел к выявлению неточностей в нормируемых метрологических характеристиках (НМХ), которые приводились в сертификатах типа СИ. Данные ошибки присутствовали в свидетельствах о проведенных первичных поверок.

Предварительное рассмотрение метрологических характеристик АИМК, приведенных в сертификате типа СИ RU.C.28.001A № 34225 трех модификаций МКС: М1, М2, М3, рег. № 39804-08, выявило следующие результаты анализа:

- неправильно установлены диапазон измерений температуры и влажности воздуха с соответствующими ПДП измерения данных параметров. Это объясняется тем, что использованные в МКС датчики типа HMP 45D имеют метрологические характеристики, которые были ранее для них были определены сертификатом типа СИ FI.C.31.001.A № 6671 (рег. № 18634-99);

- согласно сертификату № 18634-99 диапазоны измерений составляют:

- минус 40 ^оС …+50^оС (температура воздуха);

- 0…100% (относительная влажность воздуха);

- согласно сертификату № 18634-99 допускаемая погрешность измерения составляет:

- ±0,4^оС (по измерению температуры воздуха);

- ±4% (для влажности воздуха менее 90%) и ±5% (для влажности воздуха более 90%) [5].

Сертификат типа СИ № FI.C.31.001.A №6671 по датчику НМР45D определяет работоспособное состояние в диапазоне температур –40…+50^оС. Напротив, сертификат типа СИ № RU.C.28.001A № 34225 по комплексам метеорологическим специальным, содержит иные метрологические характеристики:

- по диапазону измерений рабочей температуры воздуха –60…+60^оС, с ПДП измерения ±(0,1+0,005 t )^оС, где t – измеряемая температура воздуха;

- по диапазону измерения относительной влажности воздуха 0,8…100%, с ПДП измерений влажности в диапазоне 0,8… 90% – ±2% и 90…100% – ±3% [6].

Датчик НМР45D согласно сертификату типа средств измерений № RU.C.28.001A № 34225 обеспечивает работоспособное состояние в диапазоне температур воздуха –60…+60^оС. В тоже время, официальные сведения завода-изготовителя по датчику HMP45D за период с 1999 по настоящее время о произведенной модернизации измерителя не содержат.

Документальный анализ характеристик датчиков HMP45D, указанных в разных сертификатах типа средств измерений показывает, что рабочие диапазоны измерений температуры и влажности воздуха и ПДП их измерений отличаются.

Последующие испытания датчика типа HMP45D, произведенных отделом метрологии ГГО, свидетельствуют о его соответствии ранее выданному сертификату типа СИ (рег. № 18634-99) по метрологическим характеристикам. Таким образом, данный датчик не может эксплуатироваться в рабочем диапазоне температур минус 60 ^оС …+60^оС. С другой стороны, допускаемая погрешность имеет существенно заниженные пределы по отношению к ранее определенному значению ПДП измерения температуры и относительной влажности воздуха.

Аналогичные результаты были обнаружены при измерении показателей скорости воздушного потока. Заявленный диапазон по скорости составляет 0,5…100 м/с, ПДП не превышает 0,1 % [6].

Расчет допускаемой абсолютной погрешности при скорости воздушного потока, равной 0,5 м/с, показывает, что она не будет превышать 0,005 м/с. Данная величина значительно меньше установленного ПДП эталона (аэродинамическая установка АДС 700/100). Являясь государственным эталоном скорости воздушного потока, установка АДС 700/100 имеет погрешность, рассчитываемую по формуле ±0,01+0,01^.V м/с, где V-скорость воздушного потока. Т.к. датчик скорости в МКС-1 обладает чувствительностью 1,0 м/с, необходимо сделать вывод о недостаточной точности измерения, которая была указана в сертификате типа СИ (рег. № 39804-08). При этом диапазон измерений скорости и ПДП так же определен не верно. Аналогичная картина складывается при рассмотрении результатов расчетов с датчиками осадков.

Требуется уточнить и при необходимости скорректировать НМХ датчиков МКС в сертификатах типа СИ, а так же актуализировать их в НТД.

Анализ данных, представленных ТОУР, по состоянию АИМК, ААМК, АИМС выявил причины отказов СИ. Отметим основные причины:

- перебои с энергоснабжением;

- программные ошибки;

- перемежающиеся метрологические отказами типа «сбой».

Так же обнаружены причины временного нарушения работоспособного состояния следующих СИ:

- измерителей влажности, связанные с продолжительной влажностью, достигавшей 100 %;

- измерителей ветра, вызванных ледяными и изморозевыми отложениями;

- самопроизвольное отключение измерителей давления;

- отключение логгера:

1) вызванного временным отключением электрического питания;

2) в результате реакции на атмосферные электрические разряды;

3) из-за экстремальных отрицательных значений температуры,

- отсутствие связи вследствие неразвитой сетевой инфраструктуры отдаленных зон;

- вызванные неудовлетворительным устройством заземления, низкого качества установки мачт, сборки ветрогенераторных установок, преобразователей напряжения и другие.

Дрейф НМХ датчиков АИМК, АИМС не редко превосходит ПДП, которые установлены сертификатом типа СИ. Это требует уточнения НМХ по результатам следующих поверок.

Введенные в действие, постоянно находящиеся в работоспособном состоянии АИМК, передающие полные специфицированные данные - сообщения SYNOP в центр сбора данных, составляют немногим более 60 %.

Находящиеся в полностью работоспособном состоянии поверенные АИМК составляют чуть менее 60%; АИМС – не более 30%. ААМК поверку не проходят, вследствие отсутствия сертификата типа СИ. Значения параметров работоспособного состояния некоторых АИМК, АИМС, не соответствуют установленным требованиям.

Уточненные данные об итогах поверки ААМК, АИМК, АИМС, проведенных с использованием МАПЛ- 1 могут быть получены после завершения ввода протоколов поверок территориальными органами управления Росгидромета, ЦГМОС.

Вследствие труднодоступности станций некоторых ТОУР и ЦГМОС, существует необходимость дооснащения специальными транспортными средствами для МАПЛ (ДФО, СФО) и требует формирования резерва поверенных в стационарных условиях измерителей АИМК, АИМС. Целесообразной для этих целей может стать поставка дополнительно десяти СПЛ, реализующих принцип поверки с заменой. Это можно осуществить на следующей стадии модернизации сети наземных наблюдений Росгидромета в соответствующих ТОУР, ЦГМОС.

Основываясь на результатах анализа предложений ТОУР, при дальнейшей модернизации сети измерений требуется существенно увеличить количество:

- МАПЛ на 41 единицу,

- СПЛ на 10 единиц;

- резервных средств энергообеспечения, датчиков и логгеров.

Внедрение в ТОУР современного эталонного поверочного оборудования, для которого предусматривается ежегодная поверка, требует дальнейшей модернизации существующей и создания новой эталонной базы. Необходимо вести разработку групповых эталонов для СПЛ.

Необходимо совместно с вышеуказанными задачами решать вопросы, связанные с организацией ежегодных стажировок специалистов ТОУР, ЦГМОС для прохождения как метрологического, так сервисного обслуживания вновь поступившего оборудования. Решение данных вопросов должно быть предусмотрено программой развития наземной наблюдательной сети Росгидромета на ближайшую перспективу.

Список литературы:

1. Окоренков В.Ю. Состояние метрологического обеспечения метеорологических средств измерения Росгидромета.// Общество. Среда. Развитие (Terra Humana), 2012 – с. 208-213.
2. ВМО «Рекомендации по предоставлению данных о неопределённости прогнозов». - PWS-18 WMO/ TD, № 1422.
3. Дойников А.С., Брянский Л.Н., Куприн Б.Н. Справочник по метрологии. - М.: ФГУП «Стандартин-форм», 2010, 144 с.
4. Окоренков В.Ю. Метрологическая надёжность МСИ и автоматизированных информационно-измерительных систем. - СПб.: Астерион, 2013. - 312 с.
5. Описание типа средств измерений для государственного реестра. Датчики влажности и температуры НМР 45 А/ D, внесен в Государственный реестр средств измерений № 18634-99.
6. Описание типа средств измерений для государственного реестра. Комплексы метеорологические специальные МКС, внесено в Государственный реестр средств измерений № 39804-08.