"Метрологическая опасность" систем безопасности объектов

В прошлой статье >> (журнал "Системы безопасности" №4/2022) мы начали разговор о системах измерения в контексте их использования для соблюдения требований СП 10.13130.2020 "Внутренний противопожарный водопровод", подробно рассмотрели глоссарий, виды погрешности, класс точности и специфику измерений. В этой части обратимся к интерпретации результатов измерений с точки зрения соблюдения нормативных предписаний.

Влияние класса точности систем измерений на результаты измерений рассмотрим на конкретных примерах.

"Метрологическая опасность" в период мнимого благополучия

Пример 1. Обслуживающая организация для проведения проверок внутреннего противопожарного водопровода (далее ВППВ) в части водоотдачи имеет в штате манометр класса точности 0,6 с предельным значением шкалы 16 кгс/см² (рис. 1). Шкала равномерная, имеет 160 делений, цена деления – 0,1 кгс/см².

Рис. 1

В процессе полугодовой проверки ВППВ 16-этажного жилого дома необходимо измерять давление у диктующего пожарного запорного клапана (типоразмер по номинальному диаметру DN = 65). К пожарному крану присоединен пожарный рукав длиной 20 м, диаметр выходного отверстия пожарного ствола составляет 19 мм.

Требуется проверить соответствие измеренных значений давления справочным значениям из таблицы 7.3¹. В случае положительного результата давление воды обеспечит получение компактных струй высотой, необходимой для тушения пожара в самой высокой и удаленной части помещения. На основании п. 7.15¹ высоту (радиус действия) компактной части струи принимают равной:

• 6 м – в жилых, общественных и административных зданиях промышленных предприятий высотой до 50 м включительно;
• 8 м – в жилых зданиях высотой свыше 50 м;
• 16 м – в общественных, производственных и административных зданиях предприятий высотой свыше 50 м.

До начала проведения расчетов надо четко представлять, что:

1. Согласно п. 3.12¹, диктующий пожарный кран – это наиболее высоко расположенный и/или удаленный от водопитателя пожарный кран, гидравлическое сопротивление трубопроводной сети до которого имеет наибольшее значение по сравнению с другими пожарными кранами.
2. Диктующий пожарный запорный клапан, у которого измеряется давление, вмонтирован в диктующий пожарный кран.
3. Измеряемое давление – это функция четырех переменных: Р = f (H, DN, DS, L), где P – давление, измеряемое у диктующего клапана, МПа; Н – высота компактной части струи, м; DN – типоразмер по номинальному диаметру пожарного запорного клапана; DS – диаметр выходного отверстия пожарного ствола, мм; L – длина пожарного рукава, м.
   Приведенная последовательность аргументов отражает логическую цепочку по работе с таблицей 7.3³: Н (вход в таблицу) DN → DS → L → Р (справочное значение давления). Стрелка означает переход к другому параметру.
4. Необходимо исключить определение высоты здания по п. 3.11¹ в отрыве от примечаний 1и 2 этого же пункта. Так, взятый для примера жилой дом относится к домам повышенной этажности. Вентиляторы подпора воздуха и дымоудаления системы противодымной защиты такого дома увеличивают высоту эксплуатируемой кровли здания более чем на 2 м. Это плюсом к той высоте, которая указана в Примечании 2 п. 3.11¹.
5. Шкалы манометров могут быть проградуированы в разных единицах измерения давления (рис. 2). Поэтому представленная переводная табл. 1 соотношения между единицами давления должна быть под рукой.

Рис. 2

Итак, в ходе проверки манометр показал давление 1,3 кгс/см², что соответствует примерно 0,130 МПа (*). Следуя характеристикам ВППВ дома, требуемое значение давление по таблице 7.31 составляет 0,121 МПа. Измеренное значение давления удовлетворяет требуемому значению, поэтому оно будет записано в протокол проверки.

Проведем метрологическую экспертизу измерения давления. Ранее было принято условие отсутствия методической и субъективной погрешностей, поэтому результат измерения может быть записан в виде:

Абсолютная погрешность неизвестна, но известен класс точности манометра. Воспользовавшись формулами (2) и (3) из первой части статьи, приходим к следующему равенству:

Теперь выразим и определим абсолютную погрешность:

Тогда результат измерения будет иметь вид:

Вывод: для данного класса точности манометра (то есть с учетом только инструментальной погрешности) измеренное значение не меньше требуемого значения.

У инспекторов надзорных органов три основных недостатка: они умные, бескорыстные, а "покой им только снится". В этой ситуации от штрафа могут спасти только предупреждающие знания, полученные из журнала "Системы безопасности".

Пример 2. Спустя полгода, как определено п. 48², проводится измерение того же давления с помощью той же обслуживающей организации, с тем же манометром, но класс точности манометра из-за безответственного отношения ответственного лица снизился до значения 1,0.

В ходе проверки ВППВ (см. пример 5) измеряемое давление стало даже больше и равнялось 0,132 МПа. Это значение и записано в протокол, так как "бездушный" манометр ничего не сообщил о своем "болезненном состоянии". При этом результат измерения на основании предыдущих выкладок будет иметь вид: R = 0,132 ± 0,009 МПа = 0,123–0,141 Мпа.

На самом деле характеристики измерения с учетом фактического класса точности будут следующие:

• абсолютная погрешность измерения равна
  
• результат измерения равен
  

Вывод: для фактического класса точности манометра (еще раз подчеркнем – с учетом только инструментальной погрешности) измеренное значение давления меньше требуемого значения. Но об этом никто не знает. Несоответствие характеристик точности прибора выявится не раньше его очередной поверки, а до этого момента заказчик и подрядчик умиленно потирают руки. "Метрологическая опасность" есть, но пришлась она на период мнимого благополучия.

А теперь рассмотрим ситуацию, когда для проверки ВППВ применялся манометр, класс точности которого 1. Звезды так сошлись, что через два дня после плановой проверки ВППВ инспектор надзорных органов в ходе внеплановой проверки уронил наполненный знаниями взгляд на класс точности этого манометра и результат проверки ВППВ. С присущей ему уверенностью он сделал расчеты и пришел к тому же результату, что получен по формуле (4). Вот и пришла беда в виде замечания в предписании.

У инспекторов надзорных органов три основных недостатка: они умные, бескорыстные, а "покой им только снится". В этой ситуации от штрафа могут спасти только предупреждающие знания, полученные из журнала "Системы безопасности".

Пытливые умы не могли не заметить два "подводных камня", которые могут полностью изменить результаты проверки.

Первый "подводный камень" связан с неудобством перевода одних единиц измерения давления в другие. Так, в ходе рассуждений было принято условие (*), по которому 10 кгс/см² ≈ 1 МПа. На самом деле из табл. 6 следует соотношение 10,2 кгс/см² = 1 Мпа.

Если в ходе проверки манометр показал давление 1,3 кгс/см², то для выражения этого давления в МПа составим пропорцию:

откуда Х = 0,127 Мпа. Результат даже улучшился.

Второй "подводный камень" связан со справочным характером табл. 7.3¹. Что это означает? Следуя тексту п. 4.3.5 ГОСТ 2.105–95 ЕСКД, приложения к нормативным документам могут быть обязательными и информационными.

Приложение – это часть основного текста, которая имеет дополнительное (обычно справочное) значение и необходима для более полного освещения темы.

Информационные приложения могут быть рекомендуемого или справочного характера. По общему правилу справочные и рекомендуемые приложения (в отличие от обязательных приложений) не являются обязательными для применения соответствующего стандарта или свода правил.

Означает ли это, что если измеренное значение давления меньше табличного, то ничего страшного нет? Ровным счетом наоборот: все три показателя водоотдачи (давление у клапана или у пожарного ствола, расход воды из пожарного ствола и высота компактной части струи) взаимосвязаны. Если измеренное давление соответствует нормативному значению, то расход и высота компактной части струи, как правило, также соответствуют нормативному значению.

А если измеренное давление не будет соответствовать нормативному значению? Расчеты показали, что в среднем на 0,01 Мпа приходится около 50 см компактной части струи и до 200 мл/с расхода воды. Так что при расхождении со справочными данными "думайте сами, решайте сами", так уж ли важно для вас это расхождение. Или начинайте проверять давление наружного водопровода, частично отключайте хозяйственно-питьевой водопровод, промывайте трубы, подтверждайте исправность манометра и далее по списку.

Таблица 1

"Метрологическая опасность" в период профессионального созревания

Рассмотрим гипотетическую, но типовую ситуацию, когда на защищаемом объекте выявлена неустойчивая работа охранных извещателей, которая носит случайный характер. Неисправности такого рода требуют наличия определенных профессиональных навыков у обслуживающего персонала. Попробуем помочь этому персоналу, разобрав один пример.

Пример 3. На этаже объекта находится 10 помещений, каждое помещение защищено объемным радиоволновым извещателем. Все извещатели должны питаться от одного источника питания напряжением 12 В постоянного тока. Длина кабеля питания от источника питания до самого дальнего извещателя составляет 40 м. Максимальный потребляемый одним извещателем ток – 30 мА. Извещатель сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений от 10 до 15 В.

Решение:

1. Общий потребляемый ток всеми извещателями: I_общ = 30 мА х 10 шт. = 300 мА = 0,3 А.
2. Линейка кабелей управления и сигнализации с многопроволочными жилами, не распространяющими горение, пониженной пожароопасности, безгалогенных, в том числе огнестойких, типа КСПВГ одного народного предприятия на две буквы ПК, фрагментарно показана на рис. 3.
   
   
   Рис. 3
   
   
3. Сопротивление постоянному току одной жилы кабеля КСПВГ равно 95 Ом на 1 км, или 0,095 Ом на 1 м. Сечение жилы кабеля, равное 0,2 мм², выбрано исходя из требования, по которому диаметр медных жил проводов и кабелей должен быть определен из расчета допустимого падения напряжения, но не менее 0,5 мм. Зависимость между диаметром и сечением известна из школы:
   
   где S – сечение жилы, D – диаметр жилы.
4. Длина линии питания до самого дальнего извещателя (туда и обратно) составит: 40 м х 2 = 80 м.
5. Применив закон Ома, рассчитаем потери напряжения в данном кабеле при указанных выше исходных данных: U=J х R= 0,3 А х 80 м х 0,095 Ом/м = 1,938 В ≈ 1,94 В.
6. К самому удаленному от источника питания извещателю будет подведено напряжение: U = 12 В – 1,94 В = 10,06 В, где 12 В – выходное напряжение источника питания.

Согласно заявленным характеристикам, извещатель должен сохранить свою работоспособность. Однако возможные отклонения выходного напряжения источника питания (в первую очередь в сторону уменьшения) могут стать причиной его неустойчивой работы.

Теперь предположим, что в ходе поиска неисправности с помощью мультиметра, внешний вид которого и характеристики показаны на рис. 4, проведено измерение напряжения питания на извещателе, который расположен на расстоянии 25 м от источника питания. Напряжение составило 10,3 В, и повода волноваться нет. Именно с этого момента и начинается "метрологическая опасность".

Рис. 4

Во-первых, обращает на себя внимание аналитическая запись погрешности измерения в паспорте на прибор: ±0,5% + 2.

Ниже приведена подборка записей погрешности измерения, которые встретились в паспортах мультиметров разных производителей:

• ±0,2% + 1 единица последнего разряда (±0,2% + 5D);
• ±0,2% + 3 цифры (±0,2% + 3 е.м.р.);
• ±0,2% + 1 единица последнего разряда, выраженная в процентах от диапазона измерения (±0,5% + 2).

Подчеркну, что во всех выражениях подборки речь идет об основной приведенной погрешности прибора, которая выражена в % и в единицах младшего разряда диапазона измерения (е.м.р.). Надо уяснить, что какую бы форму записи ни имела вторая составляющая в выражении приведенной погрешности (5D, 3 цифры, 1 единица последнего разряда и т.д.), речь идет об "е.м.р".

Во-вторых, на примере разберем, что такое "е.м.р.". Допустим, необходимо измерить напряжение 18 В. На мультиметре есть диапазоны 20 В и 200 В. На каком диапазоне надо проводить измерения? На первом диапазоне на дисплее прибора высвечивается 0.0 0 (см. рис. 4), на втором диапазоне на дисплее прибора высветится 0 0 0.0. На первом диапазоне 1 е.м.р. = 0,01В, а на втором диапазоне 1 е.м.р. = 0,1 В. Значит, точность выше при выполнении измерений на первом диапазоне.

В-третьих, на примере разберем, как выразить приведенную погрешность в одинаковых единицах измерения. Допустим, мультиметр показал напряжение U = 2,2 В на пределе измерения 20 В. Погрешность измерения по паспорту на этом диапазоне записана в виде: γ = ±0,2% + 3 цифры.

Приведем погрешность к одинаковым единицам измерения. Для этого переведем три цифры (3 е.м.р.) в %. Повторюсь еще раз: в каком бы виде ни было записано выражение второй составляющей приведенной погрешности, в любом случае 1 е.м.р. должна быть выражена в процентах от диапазона измерения. В нашем случае 1 е.м.р. на пределе измерения 20 В будет равна 0,01 В (см. картинку жидкокристаллического индикатора мультиметра на рис. 9, на которой после точки показано два знака).

Составим пропорцию: 20 В – 100%
0,01 В – Х %,
откуда Х (1 е.м.р.) = 0,01 х 100)/20 = 0,05%.
Следовательно, 3 е.м.р. = 1,5%.

Тогда приведенная погрешность в одинаковых единицах измерения составит: γ = ±0,2% + 1,5% = 1,7%, так как расчет проводится для максимального значения погрешности.

В-четвертых, определим результат измерения для случая, когда напряжение на последнем извещателе шлейфа сигнализации при поиске неисправности составило 10,3 В:

1. Абсолютная погрешность измерения, на основании формулы (2):
   
2. Результат измерения запишем в виде: R = U ± Δ = 10,3 ± 0,34 В = 9,96–10,64 В.

Выводы:

в) напряжение питания извещателей на расстоянии 25 м от источника питания с большой долей вероятности не соответствует требуемому значению.
В качестве рекомендации можно предложить выбрать кабель большего сечения.

Если АКБ отработала половину срока службы, то необходимо сделать контрольный разряд для определения фактической емкости АКБ. Это позволит гарантированно определить соответствие АКБ требованиям по времени работы в тревожном и дежурном режимах.

Об опасности косвенных измерений

Одной из технических составляющих цифровизации является бесперебойное питание.

Задача выбора емкости аккумуляторной батареи (АКБ) для блоков бесперебойного питания для слаботочных цепей особых проблем не представляет, и вот почему. После определения на типовом объекте времени эвакуации (t) персонала в безопасную зону (см. проектную документацию) и подсчета суммарного тока потребления (I_мах) всех извещателей, оповещателей, фильтров, приборов, модулей, изоляторов и т.д. в режиме "пожар" оставалось только произвести операцию умножения, чтобы получить требуемую емкость АКБ (Q) в А*ч: Q = I_мах х t.

Как правило, для маломощных цепей выбирали емкость АКБ вдвое большей емкости, требуемой для 1 часа работы АКБ в тревожном режиме и 24 часов работы в дежурном режиме.

Иногда можно было бы обойтись "впритык" и меньшей емкостью АКБ, что на 300–500 рублей дешевле. Но это не такие затраты, чтобы жестко ставить вопрос экономии средств в ущерб безопасности.

В-третьих, переходя к силовым цепям, "вольностей" с выбором емкости АКБ позволить себе не можем. Рассмотрим ценовую линейку АКБ, применяемых для резервного электропитания приборов, систем охранной и пожарной сигнализации, видеонаблюдения и систем контроля и управления доступом (СКУД). Цены до событий: 100 А*ч – 21 800 рублей, 65 А*ч – 14 350 рублей, 40 А*час – 10 400 рублей, 28 А*час – 6 850 рублей. Согласитесь, есть над чем поработать, если речь идет даже об одной лишней батарее.

В-четвертых, для себя нужно четко знать ответ на вопрос "Что такое мощность?", ибо это мощный инструмент подтверждения своей компетенции. Мощность – это скорость, с которой совершается работа: Р = Е/t = W/t, где Р – мощность; Е – электрическая энергия; W – энергия; t – время.

В-пятых, электрическая энергия через параметры электрической цепи может быть определена по формуле: W = Е = U х I х t. Учитывая, что сила тока I – это количество зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени, получаем формулу для силы тока: I = Q/t, где Q – это количество зарядов или емкость АКБ.

Тогда энергия электрической цепи определяется по формуле: W = Е = U х Q, а "развиваемая" электрической цепью постоянного тока мощность будет равна: Р = Е/t = U х I или Р = Е/t = (U х Q)/t = U х Q. Зная мощность электроприемника (нагрузки), можно определить величину необходимой емкости АКБ на 12 В: Q= (P х t)/U х k, где Q – необходимая емкость АКБ, А*ч; U – напряжение АКБ, В; P – мощность электроприемника (нагрузки), Вт; t – время резервирования, ч; k – коэффициент использования емкости аккумуляторов (на сколько % разряжена АКБ) в пределах от 0 до 1, выбирается опытным путем.

В-шестых, как правило, величину потребляемой или отдаваемой мощности измеряют косвенным методом. С помощью последовательно включенного амперметра измеряют ток I в цепи питания, а с помощью параллельно подключенного вольтметра измеряют напряжение U цепи (рис. 4), тем самым избегая расчета мощности потерь в проводах на многочисленных участках линий связи. После чего, применив формулу P = U х I, получают значение мощности, а через него выходят на расчет потребной емкости АКБ. Осталось разобраться с влиянием погрешностей косвенных измерений на расчет емкости АКБ.

Для расчета погрешностей при косвенных измерениях можно воспользоваться табл. 2 в наиболее простых случаях.

Таблица 2. Косвенные измерения

Пример 4. В цепи постоянного тока напряжением 12 В косвенным методом измерялась мощность системы пожарной сигнализации (четыре зоны контроля пожарной сигнализации (ЗКПС), две зоны оповещения в каждой ЗКПС для автоматической установки газового пожаротушения малого объекта. Действительные значения тока и напряжения, которые не зависят друг от друга и измеряются прямым методом приборами класса точности 1,0, составили с учетом потерь в линиях связи соответственно: I_д =3,0 ± 0,05 А, U_д = 12 ± 0,2 В.

Требуется оценить влияние погрешности при измерении мощности косвенным методом на расчетную емкость АКБ.

На основании второй строки табл. 2 абсолютная погрешность косвенного измерения мощности составит: ∆Р = I_д х ∆U + Uд х ∆I = 3 х 0,2 + 12 х 0,05 = 0,6 + 0,6 = 1,2 Вт.

Тогда результат измерения мощности: P = U х I ± ∆Р = (12 х 3) ± ∆Р = 36 ± 1,2 = 37,2 Вт (разумеется, при расчете берется худший вариант).

Для дежурного режима (24 часа) требуемая емкость АКБ без учета погрешности составит:

а с учетом погрешности требуемая емкость составит 93 А*ч.

Если при измерении мощности применяются приборы класса точности 2,5 с теми же предельными значениями шкалы, то абсолютная погрешность косвенного измерения составит ∆Р = 3 Вт, а потребная емкость АКБ составит с учетом погрешности:

Расчеты сделаны с 20%-ным запасом по мощности, что приблизительно соответствует рекомендуемому запасу по емкости АКБ.

Если учесть, что после 5–6 лет эксплуатации АКБ рекомендуют брать коэффициент использования емкости аккумуляторов, равный 0,6, то потребные значения емкости АКБ составят для приборов разных классов точности 120 и 130 А*ч соответственно. Вот тут многовариантная экономическая задача по выбору количества АКБ появляется во всей красе.

Выводы:

в) если АКБ отработала половину срока службы, то необходимо сделать контрольный разряд для определения фактической емкости АКБ. Это позволит гарантированно определить соответствие АКБ требованиям по времени работы в тревожном и дежурном режимах.

Таким образом, не надо жалеть средств на приобретение дорогих СИ: скупой платит дважды. Применение точных приборов позволит избежать "метрологических опасностей" в системе комплексной безопасности объектов.

¹ Свод правил СП 10.13130.2020 "Внутренний противопожарный водопровод. Нормы и правила проектирования".

² Постановление Правительства РФ от 6.09.2020 г. № 1479 "Об утверждении Правил противопожарного режима в РФ" – ППР-2020.

³ Панфилов В.А. Электрические измерения.8-е издание. Учебник. Москва: издательский дом "Академия", 2013.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 5/2022

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>

Фото: needpix.com