Neverte tomu, čo vám prístroj ukazuje, určite to nie je pravda

Meranie prevádzkových fyzikálnych veličín, ako sú tlak, výška hladiny, prietok či teplota, patrí medzi piliere kvalitného riadenia najmä spojitých technologických procesov. Zdá sa vám nadpis článku príliš odvážny až provokujúci? V rozhovore s doc. Ing. Martinom Halajom, PhD., odborníkom so znalosťami nielen z akademickej pôdy, ale aj z viacerých významných projektov z Blízkeho východu, sme sa pokúsili uviesť tému merania v priemyselnej praxi na pravú mieru.
Neverte tomu, čo vám prístroj ukazuje, určite to nie je pravda

Meradlom prietoku, resp. teploty nie je len snímač, ale množstvo ďalších elektronických prvkov a obvodov. V čom spočíva ich význam a dôležitosť?

V prvom rade krátka exkurzia do terminológie. Merací systém je komplexné zariadenie, ktoré sa skladá z viacerých častí, ako sú snímač, vyhodnocovacia elektronika, puzdro, teleso, mechanické prvky na pripojenie prístroja k procesu, resp. technológii a pod. Pri špičkových meracích systémoch je často realitou, že tá vnútorná elektronika je drahšia ako samotná cena snímača.

A prečo je to tak?

No pretože do veľkej miery dokáže zlepšiť činnosť celého meracieho systému, t. j. dokáže identifikovať a kompenzovať ovplyvňujúce veličiny, dokáže robiť korekcie podľa predchádzajúcich kalibrácií, predikovať možný stav poruchy a pod. Čiže tieto podporné elektronické obvody sú pri meracích systémoch vyššej kategórie dôležitejšie ako samotný snímač. Pokrok ide neustále dopredu a to, čo sme ešte nedávno napr. v rámci spotrebiteľského tovaru považovali za prvky a produkty výskumných laboratórií či veľmi drahých zariadení, je dnes bežne dostupné širokej verejnosti. A podobne je to aj s meradlami a meracími systémami. Dnes je už bežne možné zakúpiť meradlo za pár sto euro, ktoré má všetky možné funkcie vrátane spomínaných kompenzácií, korekcií, možností nastavovania rôznych režimov. V prípade 95 % všetkých bežných meraní zostávajú fyzikálne princípy merania už dlho rovnaké. No vďaka pokroku sa neustále vylepšuje citlivosť snímačov, neistota merania a pod.

Ako treba v tejto súvislosti vnímať dôležitosť celého meracieho reťazca, v ktorom sa vďaka jeho jednotlivým komponentom nepresnosť merania stále „nabaľuje“?

Bežný používateľ, ktorý si zakúpi merací systém, nerozlíši, čo z toho je snímač, čo merací reťazec a pod. Bežný používateľ len vie, že meradlo mu niečo indikuje, nejakú hodnotu. Môže si dať meradlo kalibrovať, čo znamená, že na jeho vstup sa privedie veličina so známou hodnotou a následne sa táto hodnota porovná s indikáciou meradla. Keďže tam bude vždy nejaký rozdiel, treba len odpovedať na otázku, kde ten rozdiel vznikol. Samozrejme snahou je čo najviac priblížiť indikáciu prístroja tomu referenčnému vstupu. Dnešné prístroje sú naozaj „múdre“ a vedia povedať, že za týchto prevádzkových podmienok sa musím korigovať takto, pretože na môj snímač pôsobia takéto a takéto vplyvy. Pri prístrojoch vyššej triedy a renomovaných výrobcoch je indikácia prístrojov vždy lepšia ako pri lacných, obyčajných meradlách.

Správny výber princípu merania prietoku/teploty, kritériá výberu meracích prístrojov – ako na to?

Ak meriame napríklad prietok a použijeme akýkoľvek prietokomer, tak nakoniec vždy nejaký výsledok získame. Otázka len znie, ako veľmi nám záleží na neistote merania.

Každý prevádzkový technik pozná svoje procesy a vie povedať, v akých hodnotách by sa mali jednotlivé merané veličiny pohybovať. Čiže to učím aj našich študentov: najprv sa pozrite na obmedzenia, hraničné hodnoty, prípustné odchýlky a s ohľadom na to vyberte najlepšie meradlo alebo merací systém. Samozrejme, ďalšími kritériami, ktoré treba pri výbere vhodného meradla zvažovať, je typ meraného média, či sa meraná veličina mení dynamicky alebo je to statická záležitosť a pod. Práve v súvislosti s meraním prietoku sú v súčasnosti veľkým hitom tzv. multifázové merania. Keď sa v uzavretom potrubí nachádza laminárne prúdiaca kvapalina, to dokáže odmerať drvivá väčšina prístroje a navyše aj s pomerne malou neistotou. Problém nastáva vtedy, keď sa v kvapaline nachádzajú čiastočky pevných telies alebo plyn, napr. keď ide o napoly skondenzovanú paru. Odmerať prietok takejto kvapaliny už nie je triviálna záležitosť.

A to je práve parketa pre multifázové meranie, do ktorého výskumu sa v súčasnosti investujú značné prostriedky. Ideálne podmienky na meranie procesných veličín sa nevyskytujú takmer nikdy, preto sú všetky merania skreslené.

Samostatnou kapitolou je porovnateľnosť výsledkov merania. Ak meriam napr. teplotu oceánu na mieste z nejakej lode plávajúcej na hladine, ktorá ponorí snímač do vody, tak získam inú hodnotu ako pri meraní teploty na plus-mínus tom istom mieste pomocou infračerveného merania zo satelitu. A teraz je otázka, ktoré meranie sa má pokladať za správne. To isté platí aj v prípade merania prevádzkových fyzikálnych veličín. Máme rôzne fyzikálne princípy merania, rôzne kvalitné prístroje a pod.

Ako zistíme, že daný prístroj meria správne?

Opäť poďme najprv k terminológii, aby sme si rozumeli. Lebo často jedni používajú správnosť, iní presnosť a ďalší precíznosť merania.

Nedá sa totiž povedať, že merací prístroj meria správne.

Dá sa však povedať, že merací prístroj meria v hraniciach svojich dovolených chýb. No ako zistiť, že to platí? Jedinou šancou je kalibrácia konkrétneho meracieho prístroja.

Musím sa priznať, že osobne som už mierne alergický na také tie predajné fígle, že samo- alebo autokalibrácia. Samokalibrácia neexistuje. Prístroj sa sám o sebe nikdy nenakalibruje a ak áno, tak len vo veľmi špecifických prípadoch. Pod kalibráciou podľa definície rozumieme postup, ktorým zistíte vzťah medzi indikáciou prístroja a známou hodnotou veličiny na vstupe. Hodnota veličiny na vstupe sa v prípade kalibrácie realizuje vhodným etalónom. Všetko ostatné sa nedá nazývať kalibráciou.

To, čo sa komerčne ponúka ako samokalibrácia, sa skôr môže prezentovať ako samodiagnostika, keď sa namiesto etalónu pripojí napríklad odpor s nejakou nominálnou hodnotou a zisťuje sa, či zvyšok meracieho reťazca indikuje to, čo očakávame. To však nie je kalibrácia. To len sami seba uisťujete, že nejaká časť meracieho systému pracuje správne. Chápem a rozumiem, že mnohé prístroje sa z procesu vyberať nedajú. No dajú sa robiť rôzne obchádzky. Zoberme si napríklad umiestnenie nejakého kriticky dôležitého prietokomera, ktorý sa nedá demontovať. Urobíme teda bajpas, ktorý sa dá ventilmi otvoriť či zatvoriť a do ktorého nainštalujeme etalónový prietokomer. Následne privedieme merané médium do obidvoch prietokomerov – etalónového aj kalibrovaného a zistíme, čo ktorý indikuje. Takže „šetrenie“ v podobe samokalibrácie je šetrenie na nesprávnom mieste. Ak by som to mal zhrnúť, tak neverte tomu, čo vám merací prístroj ukazuje, lebo to určite nie je pravda. Otázne je už len to, do akej miery to nie je pravda.

Aké sú podľa vás najčastejšie chyby pri meraní prietoku/teploty v priemyselnej praxi a v čom vidíte ich riešenie?

To je veľmi jednoduché, pretože to platí pre meranie všetkých prevádzkových fyzikálnych veličín. Najčastejšou chybou je, že meriate niečo iné, ako si myslíte, že meriate. To je jediná chyba, ktorú robí prax.

Ako sa definuje meraná veličina?

Chcem napr. zistiť prietok v tomto potrubí. No pri akom tlaku? S akým médiom? Sú v prúdiacom médiu nejaké víry alebo nie? Veľmi často sa teda stáva, že pracovníci zodpovední za meranie v danom podniku nedokonale opíšu meranú veličinu. Namiesto laminárneho prúdenia sa tam zjaví turbulentné alebo prechodové prúdenie, v médiu sa nachádzajú bublinky plynu, čiastočky pevných látok a pod. Čiže nemeriate to, na čo je vami zvolený merací prístroj určený. Musíte si uvedomiť, že výrobca zaručuje vlastnosti prístroja v nejakých podmienkach. No a to je niečo podobné ako v prípade priemernej spotreby na sto kilometrov, ktorú udáva výrobca auta. Kedy však takúto spotrebu môžete dosiahnuť? Takmer nikdy, lebo nikdy nebudete prevádzkovať auto v takých podmienkach, v akých ho testoval výrobca.

Rovnako aj v prípade meracích prístrojov zasadených do vašich konkrétnych prevádzkových podmienok. Stáva sa, že výrobcom udávané hodnoty dovolenej chyby, citlivosti či opakovateľnosti nedosiahnete. To sú často tie malé písmenká pri špecifikácii daného meracieho prístroja, ktoré si málokto všimne a ešte menej ľudí im aj venuje náležitú pozornosť. A ešte jedna skúsenosť: meradlo je dobrý pomocník, ale vyžaduje aj starostlivosť a je nevyhnutné udržiavať dôveru v dané meradlo. A to sa dá len tak, že ho pravidelne prezrie niekto, kto vie, čo je to kalibrácia a načo slúžia záznamy o predchádzajúcich kalibráciách. Keď takýto kompetentný človek povie, že dané meradlo si zachováva svoje metrologické vlastnosti, máte istotu, že keď podľa indikácie meradla niečo vo výrobnom procese nastavujete alebo kontrolujete, na meradlo sa môžete spoľahnúť.

Ak sa budeme baviť napríklad o najčastejších chybách pri prístrojoch na meranie teploty, jednou z nich bude nesprávne zabudovanie meradla teploty. Často vznikajú tepelné straty, tepelné mostíky. Meradlo teda nemeria teplotu okolia, ale napr. teplotu puzdra, alebo meranie ovplyvňuje teplota steny nádoby. Čiže opäť ak by som to mal zhrnúť, pri výbere meradla je vhodné poradiť sa s odborníkmi, ktorí rozumejú jednak reáliám daného procesu, jednak vedia triezvo a nestranne posúdiť ponuku na trhu meracích prístrojov. Je smutné vidieť, ako si výrobný podnik nakúpi meradlá, ktoré nezodpovedajú jeho skutočným potrebám.

Kedy prevádzkovateľ nejakej technológie zistí, že dozrel čas na výmenu, príp. modernizáciu nejakého meracieho prístroja?

Na základe výsledkov kalibrácie sa dá usudzovať, či daný prístroj pracuje v prípustných hraniciach jednotlivých metrologických vlastností, najmä dovolenej chyby. Druhým dôvodom je, že ak sa robí celková modernizácia automatizácie nejakej prevádzky alebo jej časti, je vhodné do nej zahrnúť aj meradlá a meracie systémy. Čo je to za modernizácia, keď je riadiaci systém pripravený na digitálnu komunikáciu a zber rôznych údajov, ale prevádzkoví pracovníci chodia z meracích prístrojov ručne odpisovať údaje a potom ich prepisujú do počítača, aby ich nejako dostali do toho nového riadiaceho systému?

Má meranie spojitých prevádzkových fyzikálnych veličín svoje miesto aj v rámci koncepcie Priemyslu 4.0?

Pokrok v meracích prístrojoch sa uberá akoby v dvoch základných smeroch. Prvým je schopnosť zmerať to, čo išlo ešte nedávno zmerať ťažko, alebo sme to nevedeli, bolo to prácne a nákladné a pod. Dnes sme už toto v mnohých prípadoch zvládli a takéto merania sú bežnou praxou. Druhým smerom je zlepšiť, uľahčiť, zefektívniť existujúce spôsoby merania. A to sú základné črty aj koncepcie Priemyslu 4.0, takže jednoznačne možno povedať, že aj meranie spojitých fyzikálnych veličín už prirodzene naskočilo do tohto vlaku. Okrem toho v rámci koncepcie Priemyslu 4.0 už prebieha opakovaná výroba s toleranciami, ktoré ešte nedávno boli nedosiahnuteľné. A na to potrebujete nové metódy merania. Meracie prístroje treba často zapojiť aj do nadradených systémov, ktoré už budú schopné čítať nielen indikácie alebo namerané hodnoty z týchto prístrojov, ale aj ďalšie dôležité informácie. Tie budú obsiahnuté napr. v pripravovanom digitálnom kalibračnom certifikáte. Nadradený riadiaci systém tak okamžite a efektívne získa informácie o tom, o aký prístroj ide, o jeho nastaveniach, kalibrácii, aktuálnom stave meradla a dokáže často aj predikovať budúci stav meradla. V konečnom dôsledku to môže znamenať vyššiu efektivitu, spoľahlivosť, menej nepredvídaných prestojov kvôli náhlej poruche meracieho systému a pod.

Koncepcia Priemyslu 4.0 prináša aj myšlienku inštalácie nových snímačov rôznych veličín, aby mali nadradené systémy viac informácií, z ktorých sa dá lepšie posudzovať správanie procesu a následne zlepšovať kvalita jeho riadenia. Platí to aj v prípade merania spojitých prevádzkových veličín, že čím viac napr. snímačov teploty, tým lepšia kvalita riadenia procesu a následne napr. lepšia kvalita výsledného produktu?

Áno, pretože viac meradiel dokáže lepšie zmapovať daný proces a lepšie zaznamenávať zmeny vo variáciách daného procesu. Hovoríme, že meranie je citlivejšie. Vďaka miniaturizácii meradiel ich dnes možno už bez väčších problémov inštalovať aj do stiesnených priestorov, nehovoriac o možnosti oddelenia snímača od elektroniky a pod.

Je ešte priestor na inovácie v oblasti merania spojitých prevádzkových fyzikálnych veličín?

Fyzikálny, resp. technický princíp merania je pre veľkú väčšinu procesov známy, čiže skôr sa pracuje na vylepšovaní elektroniky. A tento stav sa asi najbližších 10 – 15 rokov nezmení. Na druhej strane sa vynakladajú nemalé investície na to, aby sa vyvinuli snímače, ktoré sme doteraz nemali. Veď si predstavme, že ak sa o pár rokov budú vyrábať pomocou nanotechnológií rôzne produkty, štandardné spôsoby merania prietoku či teploty asi nebudú použiteľné.

Ďakujeme za rozhovor.