Ověřování a kalibrace hladinoměrů v ČR

Ověřování a kalibrace hladinoměrů v ČR

Národním metrologickým institutem České republiky, který svou činností vytváří základní předpoklady pro zabezpečení jednotnosti a správnosti měřidel a měření ve všech oborech vědecké, technické a hospodářské činnosti na území státu, je Český metrologický institut (ČMI), státní příspěvková organizace zřízená Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR.

Hlavním úkolem ČMI je zajišťovat shodu realizace jednotek fyzikálních a technických veličin v ČR s mezinárodně uznávanými etalony a přenos hodnot měřicích jednotek do praxe. K tomu ČMI zabezpečuje účast na mezinárodní spolupráci v oblasti fundamentální a legální metrologie a referenčních materiálů, podílí se na zastupování české metrologie v mezinárodních organizacích (Metrická konvence, OIML, WELMEC, EUROMET, NCSLI) a je signatářem mezinárodního Ujednání CIPM MRA o vzájemném uznávání státních etalonů, kalibračních listů a výsledků měření vydaných národními metrologickými instituty.

Článek stručně informuje o problematice úředního ověřování a kalibrace automatických snímačů polohy hladiny, jak je pojímají zákony ČR a realizuje ČMI, a popisuje zkušební stanici pro ověřování a kalibraci hladinoměrů nově vybudovanou v Oblastním inspektorátu ČMI v Brně (ČMI OI Brno).

Požadavky na ověřování hladinoměrů

V souvislosti se zákonem č. 353/2003 Sb., o spotřebních daních, ve znění pozdějších předpisů, se ukázala potřeba přesně a objektivně měřit polohu (výšku) hladiny kapalin skladovaných v nádržích (a z ní skladované, popř. vydávané množství), zejména pohonných hmot a lihu, a to především pro potřebu výměry daní. V relaci k přesnosti měření prováděnému pro tyto účely musí být i skutečné, resp. dovolené chyby příslušných měřidel. Protože dovolené chyby měřidel v případě kalibrací pracovních měřidel nejsou stanoveny obecně závazně, je vhodné měřidla polohy hladiny – hladinoměry zařadit do kategorie stanovených měřidel (viz § 3 odst. 3 zákona o metrologii). Hladinoměry se stanou stanoveným měřidlem zařazením do nové vyhlášky stanovující měřidla, u nichž se vyžaduje schvalování typu a povinné ověřování (nynější vyhláška č. 345/2002 Sb.). S novou vyhláškou lze pravděpodobně počítat souběžně s vydáním nového zákona o metrologii, tedy zřejmě v roce 2006 až 2007 (nevynutí-li si ovšem tlak praxe její vydání dříve, např. k 1. 1. 2006). Jestliže právní předpis pro metrologii stanovil určité povinnosti uživatelům stanovených měřidel (v tomto případě povinnost předložit stanovená měřidla k ověření), musí stát vytvořit i podmínky pro to, aby uživatelé mohli svou povinnost splnit. Proto v ČMI byla v roce 2004 vybudována nová laboratoř pro ověřování hladinoměrů a pro jejich kalibrace.

Metrologické zkoušky ověřující hladinoměr se uskutečňují (v souladu s mezinárodními doporučeními OIML R85) porovnáním s etalonem délky, a to ve dvou krocích. Prvním krokem je kalibrace mimo nádrž (ve zkušební laboratoři), kde probíhá zkouška přesnosti a hystereze hladinoměru. Ve druhém kroku je hladinoměr nastaven přímo na nádrži a popř. je kompletován s dalšími měřicími zařízeními (např. teploměry), která jsou rovněž nezávisle ověřena v příslušných laboratořích (autorizovaných metrologických střediscích). Zajistit správné nastavení hladinoměru po jeho umístění na nádrž je nutné zejména tehdy, jsou-li v nádrži určité referenční body, např. trny pro radarové hladinoměry.

Stupnice automatických hladinoměrů musí být dělena nejméně po milimetru. Požadavky na největší dovolenou chybu hladinoměru, které závisejí na třídě přesnosti měřidla, jsou uvedeny v tab. 1.

Třída přesnosti 2 se používá pro většinu automatických hladinoměrů. Výjimkou jsou hladinoměry instalované v nádržích pro zkapalněné uhlovodíky, pro které platí požadavky na třídu přesnosti 3. Požadavky uvedené v tab. 1 jsou rozděleny podle místa zkoušky. Řádky označené A a C odpovídají ověření před instalací do nádrže, popř. po vyjmutí hladinoměru z nádrže. Řádky označené B a D odpovídají ověření po instalaci do nádrže.

Závazná je vždy větší z obou hodnot (příslušných odpovídající třídě přesnosti) na řádku A a C nebo B a D. Vždy se tedy porovnává přípustná chyba vypočítaná z relativního členu (A nebo B, rozumí se procenta z měřené hodnoty) a chyba absolutní (C nebo D) a větší z obou hodnot se bere v potaz.

Ověřování a kalibrace hladinoměrů v ČMI

Stanice pro ověřování a kalibraci hladinoměrů je vybudována v prostorách ČMI OI Brno. Byla uvedena do provozu v říjnu 2004. Lze v ní ověřovat a kalibrovat hladinoměry všech běžných druhů, které je možné demontovat z měřené nádrže (např. radarové, ultrazvukové a většinu plovákových). Základem stanice je svislá zkušební věž výšky 12 m. Hladinoměry jsou zkoušeny ve svislé poloze (tedy ve stejné poloze, v jaké jsou používány) a je měřena vzdálenost mezi hladinoměrem (jeho vztažnou vodorovnou rovinou) a hladinou kapaliny v nádobě zavěšené ve zkušební věži, popř. vzdálenost mezi hladinoměrem a odraznou plochou (obr. 1). Za etalon délky slouží digitálně čtené ocelové měřicí pásmo (s rozlišením 0,08 mm – viz dále).

Obr. 1. Radarový hladinoměr při zkoušce

Celé etalonové zařízení je navrženo tak, aby vlastní zkouška mohla probíhat plně automaticky. To umožňuje vyloučit možné zdroje chyb, jež mohou vzniknout vlivem ručního posouvání plošiny nesoucí nádobu s kapalinou (odraznou plochu) realizující etalon hladiny či vlivem přímého odečtu a ručního zapisování naměřených hodnot. Posuv plošiny s etalonem hladiny obstarává pohon s krokovým motorem, řízeným programem. Tím se dosáhne plynulého posuvu bez otřesů a s možností přesného zastavení ve stejných bodech, např. při měření hystereze. Odečet hodnot délky je snímán kamerou a zpracováván automaticky.

Etalon délky

Při výběru etalonu délky byl kladen důraz zejména na tyto požadavky:

• nejistota odpovídající současným možnostem automatických hladinoměrů, tj. menší než 0,3 mm,
• možnost snadné úpravy na menší nejistotu v budoucnosti,
• minimální zásah do volného měřicího prostoru,
• plně automatický provoz.

Na základě zkušeností Slovenského metrologického ústavu v Bratislavě bylo jako etalon zvoleno ocelové měřicí pásmo, které snadno splňuje požadavek na minimální zásah do měřicího prostoru (je vedeno podél nosné ocelové stojiny). Pro možnost automatického snímání s požadovanou rozlišovací schopností byl vyvinut systém pro digitální čtení tohoto pásma.

Čtení pásma (stanovování polohy plošiny) probíhá následovně:

1. Pásmo je digitálně snímáno běžnou webovou kamerou (od firmy Trust) s rozlišením 350 × 300 obrazových bodů, na které je připevněn objektiv pro zkrácení ohniskové vzdálenosti.

2. Obraz prochází sérií testů (nalezení pásma, jeho poloha ke kameře, osvětlení), které umožňují vyloučit chybové stavy (pásmo vypadlo z kladky, vypnuté osvětlení).

3. Je vypočítána korelace mezi vzorem milimetrové stupnice (obrázek 20 × 80 bodů) a obrazem pásma v jednotlivých polohách na obrazu pásma. Tím je nalezena milimetrová škála na pásmu s přesností větší, než je jeden obrazový bod. Navíc je podle výsledku korelace možné vyloučit výškové posunutí kamery.

4. Je vyhledán údaj o centimetrech (nad čarou označující celý centimetr). Tento údaj je přečten jednoduchým čtecím algoritmem typu OCR.

5. Je-li na pásmu informace o celých metrech (vytištěná vždy na každých 10 centimetrech), je tato informace vyhodnocena. Jestliže tato informace chybí, je buď použit záznam historie chodu krokového motoru (tj. údaje z předchozích měření a známé posunutí), nebo je proveden posun na celý decimetr a hodnota celého metru je přečtena.

V rámci čtecího algoritmu je číslo nejprve segmentováno na jednotlivé číslice, rozpoznávané dvěma navzájem nezávislými postupy.

Jednak je číslice rozdělena na devět obdélníkových oblastí (3 × 3), v nichž jsou postupně hledány různé vzory (posloupnosti obrazových bodů). Pro každou oblast a každý vzor se takto získá jeden bit (0/1) výsledného vektoru charakterizujícího číslici. Vektory jsou pak porovnávány se vzory, které obsahuje čtecí algoritmus.

Druhý přístup využívá vodorovné a svislé rozložení intenzity barvy číslice. Je vypočítáno průměrné rozložení intenzity ve svislém a vodorovném směru a toto rozložení je srovnáváno s rozložením pro jednotlivé číslice obsaženém ve čtecím algoritmu.

Každý z použitých algoritmů má své výhody a nevýhody. Proto je za kladný výsledek operace čtení považována pouze shoda obou přístupů. Tím je zabezpečena ochrana proti náhlému selhání např. vlivem nečistoty na měřicím pásmu.

Experimentálně je také implementován algoritmus založený na rozpoznávání číslic pomocí neuronové sítě. Tato metoda je velmi výhodná v tom, že se sama upravuje a učí v průběhu měření. Je tedy možné číst i případně špatně vytištěné číslice. Nevýhodou je, že učení neuronové sítě s použitím reálných dat získaných v běžném provozu je poměrně časově náročné. Očekává se tudíž, že číst pásmo při použití neuronové sítě bude možné přibližně po dvou měsících provozu a testování.

Pro posun plošiny je využit krokový motor (Berger-Lahr Positec), který je ovládán přímo z měřicího softwaru. Údaj získaný čtením pásma digitální kamerou je neustále porovnáván s údaji o historii pohybu motoru (počet kroků) a počet kroků potřebný pro překonání dané vzdálenosti (který závisí na úhlovém posunu při kroku, poloměru bubnu, na který se pásmo navíjí, tloušťce pásma a jeho aktuální poloze) se neustále upravuje. S plošinou lze tudíž přesně najíždět z daného směru do předem dané polohy, což je nutné zejména při měření hystereze hladinoměrů.

Obr. 2. Grafické uživatelské rozhraní zkušebny pro ověřování a kalibraci hladinoměrů

V rámci ovládacího softwaru lze předem stanovit body, v nichž se bude měřit, počty opakování a další podmínky měření polohy hladiny a hystereze. Samotné měření probíhá plně automaticky (u hladinoměrů s komunikací), a je proto možné efektivně uskutečňovat i poměrně rozsáhlé zkoušky. V průběhu měření lze sledovat aktuální stav veškerého použitého hardwaru i softwaru (kamera, motor, čtecí algoritmus), a to nejen lokálně, ale i prostřednictvím webového rozhraní (obr. 2). Výsledkem zkoušky je automaticky generovaný protokol o měření a podle potřeby také kalibrační list či potvrzení o ověření. Tyto dokumenty jsou automaticky vytvořeny podle šablon stylů oficiálních dokumentů ČMI na základě měřených dat a údajů o výrobci a měřidlu.

Z hlediska praxe je velmi důležité, aby při ověřování či kalibraci hladinoměru byl použit stejný výstup z přístroje, jaký je použit v reálném provozu. Proto je zkušebna vybavena moduly ke čtení komunikačních protokolů HART, Modbus, Foundation Fieldbus, RS-232 a ke čtení hodnot proudové smyčky 4 až 20 mA. Po dohodě lze do systému snadno přidat i jakékoliv další dokumentované protokoly.

Nejistoty zkušební stanice

Při určování nejistoty typu B se berou v úvahu tyto vlivy:

• nejistota etalonu: měřicí pásmo je kalibrováno interferometricky přímo v součinnosti s kamerou a celým softwarem pro čtení sejmutého obrazu jako celek; nejistota etalonu je tedy přímo výstupem z kalibrace a je obsažena na kalibračním listu vystaveném příslušným útvarem ČMI (oddělení délky); tím odpadá nutnost uvažovat vliv rozlišení a čtení etalonu; citlivostní koeficient pro nejistotu etalonu (zahrnutou jako standardní rozšířenou nejistotu) je c_et = 1/2,

• porušení Abbého principu: vzhledem ke konstrukci zařízení by měl být tento vliv konstantní, tj. pro kalibraci hladinoměrů, při které se počítá rozdíl dvou poloh hladiny, by měl být vliv eliminován; pro odhad maximální hodnoty odchylky délky ±Dh (tj. s rovnoměrným rozdělením) je citlivostní koeficient dán vztahem c_abb = 1/Ö3,

• vliv odchylky od referenční teploty: tento vliv se minimalizuje nastavením teploty na referenční teplotu (při použití automatické klimatizace), a jestliže odchylka skutečné teploty od referenční přesáhne 0,5 °C, je prováděna korekce; citlivostní koeficient pro nejistotu nastavení referenční teploty ±Dt_ref a teplotní roztažnost materiálu nosného a měřicího pásma a se určí podle vztahu c_tref = (La)/Ö3,

• vliv časové nestability teploty během měření: základním předpokladem je časová i prostorová stálost teplotního pole v měřicím prostoru; teplota se v něm tudíž měří deseti čidly DS18B20 (polovodičová čidla teploty) kalibrovanými na ČMI OI Brno (oddělení teploty); měří se každých 60 s a naměřené údaje se archivují; vzhledem k rozmístění čidel podél okrajů měřicího prostoru lze teplotu v tomto prostoru interpolovat (za předpokladu ustáleného stavu např. řešením Laplaceovy rovnice), což umožňuje odhadnout teplotu v oblastech, v nichž nemohou být čidla; citlivostní koeficient pro nejistotu danou nehomogenitou teplotního pole ±Dt_hom je c_hom = (La)/Ö3, tj. shopdný s c_tref.

Závěr

Český metrologický institut zajišťuje ověřování a kalibraci všech typů automatických hladinoměrů, které mohou být vyjmuty z měřené nádrže. Hladinoměry jsou zkoušeny na zkušebním zařízení v ČMI OI Brno a tato zkouška může být plně automatická. Díky velké teplotní stabilitě a homogenitě prostředí ve zkušební věži je možné dosahovat nejistoty kalibrace 0,1 mm. To je v současné době dostačující pro všechny typy automatických hladinoměrů dostupných na trhu.

V současné době ČMI pracuje na metodice, která bude vydána Úřadem pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví jako Technický předpis metrologický a bude stanovovat postup při ověřování automatických hladinoměrů. Je zřejmé, že po vydání nového zákona o metrologii bude k zákonu vydána příslušná prováděcí vyhláška, která bude stanovovat metrologické a technické požadavky na tato stanovená měřidla obecně závaznou formou.

Mgr. Petr Klapetek, Ph.D.,
Český metrologický institut,
Oblastní inspektorát Brno
(pklapetek@cmi.cz)