CC BY
37
УДК 621.317.38:681.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ КЛАССА ТОЧНОСТИ КАЛИБРАТОРА МОЩНОСТИ
Ю.М. Фомичев, С.В. Силушкин
Томский политехнический университет E-mail: msv@tpu.ru
Обсуждается функциональная схема калибратора фиктивной мощности с автоматической коррекцией для поверки измерителей электрической энергии. Предложен синтезатор сигналов на базе платы сбора данных и разработано программное обеспечение для него, проведены экспериментальные исследования его метрологических характеристик.
Ключевые слова:
Электрическая энергия, качество электроэнергии, средства измерений электрической энергии, метрологические характеристики.
Введение
Расширение применения электронных счетчиков повышенной точности (класса 0,2S-0,5S) и появление новой нормативно-методической базы [1-3] привело к необходимости модернизации метрологического обеспечения. В современных электронных счетчиках используются аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие мгновенные значения входных сигналов с последующим вычислением измеряемых величин, появились дополнительные функции, связанные с определением качества электрической энергии, что также требует проведения дополнительных метрологических испытаний. Известны два метода построения поверочных систем:
1) метод с использованием непосредственного сличения показаний поверяемого и эталонного приборов;
2) метод калибратора мощности, который требует прецизионного задания значений тока, напряжения, фазового сдвига и т. д.
В статье рассматриваются возможности уменьшения погрешности калибраторов фиктивной мощности (КФМ).
1. Выбор структурной схемы калибратора мощности
На рис. 1 приведена структурная схема КФМ типа «Вектор» и «Эника». В состав калибраторов указанного типа входят следующие основные блоки:
1) МК - микроконтроллер управляет работой калибратора по заданной программе и осуществляет контроль аварийных ситуаций;
2) ВС - внешняя синхронизация может задаваться МК или от другого задатчика при объединении калибраторов в трехфазную систему;
3) синтезатор частоты - позволяет получить сигналы синусоидальной формы заданной частоты (определяется тактовой частотой Fdk) и фазовым сдвигом (фщ);
4) МЦАП-1 и МЦАП-2 - масштабирующие цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), позволяющие устанавливать значения выходного сигнала по заданной программе (масштабирование определяется коэффициентами К1 и К2);
Фомичев Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Института кибернетики ТПУ.
E-mail: fym@tpu.ru Область научных интересов: средства измерений, разработка калибраторов мощности. Силушкин Станислав Владимирович, канд. техн. наук, ст. преподаватель кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Института кибернетики ТПУ. E-mail: slavasv@mail.ru Область научных интересов: обработка изображений и сигналов, аппаратно-программные измерительные технологии.
5) ПНН, ПНТ - мощные аналоговые выходные каскады преобразователей «напряжение-напряжение» и «напряжение-ток» с постоянными коэффициентами преобразования Ки и КI соответственно;
6) магистраль - осуществляет коммуникацию калибратора с персональным компьютером (ПК).
и
Контроль аварийных ситуаций
К другому задатчику
МАГИСТРАЛЬ
Рис. 1. Структурная схема калибратора фиктивной мощности типа «Вектор» и «Эника»
Программа работы калибратора зависит от типа поверяемых счетчиков электрической энергии и задается в управляющей программе на ПК, в память которого также заносятся результаты поверки/калибровки, которые затем оформляются в виде протоколов испытаний.
Согласно требованиям, установленных ГОСТами предыдущего поколения, поверка осуществлялась при синусоидальной форме сигналов тока и напряжения, которые формировал цифровой синтезатор с заданным сдвигом по фазе относительно друг друга. С помощью МЦАП, ПНТ и ПНН устанавливаются требуемые значения тока, напряжения и фазового сдвига. ПНТ и ПНН - это фактически усилители мощности, которые должны обладать постоянными и стабильными коэффициентами преобразования, а также очень малыми фазовыми сдвигами (ф < 0,01°). Эти параметры обеспечиваются за счет введения очень глубоких обратных отрицательных связей (ООС), порядка 1000. Несмотря на реактивную (емкостную, индуктивную) изменяющуюся по величине нагрузку в узком диапазоне частот (45.. .65 Гц), задача решалась применением специально разработанных цепей коррекции.
Современные ГОСТы устанавливают требования, согласно которым необходимо проверять погрешность измерения счетчиками при воздействии сигналов сложной формы: с содержанием высших гармоник (до 40....50-й) или субгармоник (интергармоник). Это привело к необходимости расширения полосы рабочих частот ПНТ и ПНН до 2.3 кГц. Для определения влияния субгармоник необходимо сформировать сигнал, вид которого приведен на рис. 2, т. е. требуется изменение скачком тока нагрузки.
и
Рис. 2. Форма сигнала для получения субгармонических составляющих
Все это усложнило задачу обеспечения устойчивости при больших глубинах ООС по мгновенному значению [4].
Для достижения поставленной цели необходимо исследовать возможность применения в КФМ обратной связи не только по мгновенному значению, но и периодической автоматической коррекции погрешности. На рис. 3 приведена функциональная схема такого КФМ.
Масштаб к/
и
ПСД
П-1 П-2
1 Г 1 1
АЦП-1 АЦП-2
1 Г 1 г
Синтезатор сигналов цифровой
н¥
МК
/(ф)
и
ПК
г
ф
Рис. 3. Функциональная схема КФМ с обратной связью по мгновенному значению и автоматической коррекцией погрешности
Предлагаемая схема калибратора состоит из следующих основных блоков:
1) ПСД - плата сбора данных, которая на своем борту имеет МК, 16 -разрядный ЦАП (выполняет функции синтезатора сигналов) и 16 -разрядный АЦП (АЦП-1 и АЦП-2 - каналы АЦП);
2) МЦАП-1 и МЦАП-2 - масштабирующие ЦАП;
3) ПНТ и ПНН - также как и в рассмотренных ранее калибраторах, являются мощными аналоговыми выходными каскадами;
4) П-1 и П-2 - измерительные преобразователи (резистивный делитель напряжения, трансформатор тока или токовый шунт) для приведения выходных сигналов напряжения и тока к уровню измеряемых сигналов АЦП;
5) ПК - управляет работой калибратора, сохраняет в память результаты поверки/калибровки счетчиков и позволяет формировать протокол испытаний.
Работа КФМ осуществляется следующим образом:
• по команде с компьютера синтезатор формирует сигналы с заданной амплитудой, формой, частотой и фазовым сдвигом для каналов тока и напряжения;
• масштабирующая цепь (МЦАП) выставляет за счет заданных коэффициентов К i и К2 необходимую амплитуду на вход преобразователей ПНТ и ПНН, которые имеют постоянные коэффициенты преобразования;
• выходные сигналы нормируются преобразователями П-1 и П-2 и подаются на АЦП ПСД;
• АЦП-1 и АЦП-2 преобразуют сигналы тока (I») и напряжения (U) в цифровой код, а полученный код поступает в управляющую программу на ПК, где вычисляется мощность выходного сигнала;
• полученный результат вычисления мощности сравнивается с заданным значением, при возникшей разнице значений происходит коррекция задаваемых значений мощности. Так как отличие выходной мощности компенсируется, соответственно, уменьшается погрешность калибровки мощности;
• цикл повторяется через 3-5 мин или при установке новых параметров выходных сигналов.
Рассматриваемое решение основывается на применении современных плат сбора данных, например NI 6251 [5]. Данная плата в своем составе имеет двухканальный ЦАП и быстродействующий АЦП, а также позволяет интегрировать ее в измерительную установку. При этом нет необходимости дополнительно разрабатывать драйвера обмена с компьютером, т. к. компания-производитель (National Instruments, США) предоставляет их в комплекте с платой.
Такой подход позволяет избежать сложных конструктивных особенностей и режимов работы генераторов для формирования сигналов сложной формы (рис. 2).
2. Синтезатор сигналов на базе платы сбора данных
Эксплуатация различных устройств (компьютерная техника, телевизоры, освещение, источники бесперебойного питания, трансформаторы и пр.) как в быту, так и в промышленности приводит к появлению высших гармоник в сигналах тока с низкой стороны [6]. Последствия появления высших гармоник - это необоснованные экономические потери, связанные с выходом из строя оборудования и повышенным износом изоляции, а также некорректный учет потребляемой энергии из-за необходимости проводить измерения сигналов не только синусоидальной, но и несинусоидальной формы. При этом генерируемые сигналы от производителя с высокой стороны остаются в пределах требований, предъявляемых к качеству электроэнергии.
Промышленностью выпускаются различные цифровые СИ (вольтметры, амперметры, осциллографы) в модульном исполнении, например компания National Instruments выпускает модули в стандарте PXI [7], которые можно использовать для создания систем измерения мощности на основе цифровой обработки сигналов (подобное решение рассмотрено авторами в работе [8]). Компания выпускает также и ПСД (DAQ-Board), которые используются как отдельно стоящее устройство и как встраиваемое в разрабатываемую установку.
На базе платы NI USB-6251 и программной среды LabVIEW 2009 был реализован синтезатор (генератор) и анализатор сигналов, рис. 4.
Рис. 4. Генератор и анализатор сигналов
Данное программное обеспечение позволяет сформировать сигнал синусоидальной формы, сигнал с интергармоническими составляющими (субгармониками) или высшими гармониками (рис. 5), а затем передать его на ЦАП.
Рис. 5. Генератор и анализатор сигналов в режиме формирования сигнала с высшими гармоническими составляющими (в сигнале присутствует 3 -я гармоника)
Одновременно с этим производится измерение АЦП платы сгенерированного сигнала и определение погрешности генерации его амплитуды и частоты. Эту операцию предлагается использовать в разрабатываемом КФМ, когда проводится контроль выходных сигналов измерительных трактов для повышения класса точности калибратора.
На рис. 4 приводится пример прямого измерения генерируемого сигнала, из которого видно, что погрешность генерации сигналов, пройденных через ЦАП и АЦП, сводится к нулю. Это обеспечивается высокой разрядностью используемых преобразователей.
Измерение мощности сигналов предлагается производить на основе уже разработанных программных продуктов, предложенных авторами в работе [8].
Дальнейшие исследования и установление метрологических характеристик используемой платы необходимо провести на эталонном оборудовании.
3. Экспериментальное исследование метрологических характеристик
ПСД позволяет воспроизводить и измерять следующие параметры сигналов: амплитудные (действующие) значения напряжения; фазовый сдвиг между сигналами; частоту гармонических сигналов; активную, реактивную и полную мощности как синусоидальных, так и несинусоидальных сигналов (дополнительно рассчитывается мощность искажения); коэффициент гармоник (коэффициент искажения синусоидальности кривой).
На текущем этапе работ проверялась точность:
1) ЦАП - для формирования гармонических сигналов с заданной частотой и амплитудой;
2) АЦП - для измерения амплитуды и частоты сигналов.
Для определения точности проведенных измерений использовалось поверенное оборудование, относящееся к рабочим эталонам: частотомер Ч3-35А, мультиметр Agilent 3458A, калибратор Fluke 5520A.
Измерение действующих значений напряжения и частоты сигналов, формируемых ЦАП
Исследовались погрешности формирования действующих значений напряжения ЦАП платы сбора данных, диапазон частот формирования сигналов - от 50 Гц до 2,5 кГц.
Погрешность формирования частоты генерируемых сигналов (Sf) с ЦАП контролировалась с помощью частотомера Ч3-35А. Для измерения значений напряжения в диапазоне U0 = 0,5... 7,0 В использовался мультиметр Agilent 3458A, результаты измерений представлены в табл. i.
Относительная погрешность измерений рассчитывалась по формуле:
S = ± ^^-100 %
(1)
где Х0 - заданные значения соответствующей физической величины; ХЭ - показания рабочего эталона.
Таблица 1. Погрешность формирования ЦАП значений напряжения в частотном диапазоне, %
Напряжение U0, В Частота сигнала f кГц
0,05 0,10 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 1,00 2,50
0,1 0,004 -0,002 0,000 -0,001 0,001 -0,001 0,000 0,000 -0,004
0,5 0,028 -0,010 0,000 -0,004 0,002 -0,002 0,000 0,002 0,006
1,0 -0,002 -0,010 -0,001 0,000 0,000 0,000 0,001 0,001 0,006
1,5 0,033 -0,007 -0,007 0,007 0,000 0,000 0,000 0,000 0,007
2,0 0,040 -0,010 -0,005 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,005
3,0 0,033 -0,007 -0,003 0,000 0,000 0,003 0,000 0,000 0,003
4,0 0,035 -0,010 0,000 -0,003 0,000 0,000 0,000 0,000 0,005
5,0 0,028 -0,008 0,000 -0,002 0,002 -0,002 0,002 0,000 0,004
7,0 0,017 -0,009 0,000 -0,001 0,000 0,000 0,001 0,000 0,004
Результаты измерений, приведенные в табл. 1, показали, что погрешность формируемых значений амплитуды и частоты напряжения не превышает 0,04 %, т. е. ЦАП исследуемой платы позволяет формировать выходные сигналы с необходимым запасом точности.
Измерение действующих значений напряжения и частоты сигналов с помощью АЦП
платы сборы данных
Исследовались погрешности измерения действующих значений напряжения, для чего был использован калибратор Fluke 5520A как источник входных сигналов напряжения в диапазоне частот от 50 Гц до 2,5 кГц, диапазон измеряемых напряжений U0 = 0,5.3,5 В. Относительная погрешность измерений рассчитывается по формуле (1). Результаты измерений представлены в табл. 2. Значения частоты генерируемых сигналов (Sf) контролировалась частотомером Ч3-35А.
Таблица 2. Погрешность измерений значений напряжения в частотном диапазоне, %
Напряжение U0, В Частота сигнала f кГц
0,05 0,10 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 1,00 2,50
0,1 -0,024 -0,040 -0,033 -0,019 -0,032 -0,020 -0,049 -0,028 -0,020
0,5 -0,019 -0,021 -0,019 -0,019 -0,019 -0,020 -0,020 -0,018 -0,018
1,0 -0,011 -0,011 -0,010 -0,011 -0,011 -0,010 -0,011 -0,011 -0,011
1,5 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007
2,0 -0,010 -0,010 -0,010 -0,010 -0,010 -0,010 -0,010 -0,010 -0,010
3,0 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007 -0,007
3,5 -0,023 -0,023 -0,023 -0,023 -0,026 -0,026 -0,026 -0,026 -0,026
Результаты измерений, приведенные в табл. 1 и 2, показали, что погрешность измерений значений напряжений не превышает 0,04 %, т. е. не выходит за пределы установленных в технической документации на N1 И8Б-6251 [5].
Заключение
Предложена функциональная схема КФМ с обратной связью по мгновенному значению и автоматической коррекцией погрешности.
Предложенный калибратор имеет модульную структуру, поэтому его можно адаптировать к требованиям заказчика, а его параметры могут быть улучшены путем добавления модулей формирования и обработки сигналов в состав программного обеспечения, а также заменой аппаратных модулей на модули с более высокими метрологическими характеристиками.
Экспериментально показано, что синтезатор сигналов на базе платы сбора данных обеспечивает формирование и измерение параметров сигналов в частотном диапазоне от 50 Гц до 2,5 кГц с погрешностью до 0,05 %, что удовлетворяет требованиям по запасу точности для получения КФМ с классом точности 0,1.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 ГОСТ 8.584-2004. ГСИ. Счетчики статические активной электрической энергии переменного тока. Методика поверки. - Введ. с 2005-01-01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 23 с.
2 ГОСТ Р 52322-2005 (МЭК 62053-21:2003). Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч. 21. Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2. - Введ. с 2005-07-01. - М.: Стандартинформ, 2005. - 24 с.
3 ГОСТ Р 52323-2005 (МЭК 62053-22:2003). Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Ч. 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S. - Введ. с 2005-07-01. - М.: Стандартинформ, 2005. - 20 с.
4 Фомичев Ю.М., Силушкин С.В. Современное состояние автоматизированных систем поверки средств измерений параметров электрической энергии // Вестник науки Сибири. - 2013. -№ 2 (8). - URL: http://sjs.tpu.ru/journal/article/view/692/504 (дата обращения: 22.09. 2013)
5 National Instruments / NI 625x Specifications, 2007. - URL: http://www.ni.com/pdf/manuals/371291h.pdf (дата обращения: 22.09.2013).
6 Кобелев А.В., Зыбин А.А. Современные проблемы высших гармоник в городских системах электроснабжения // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -2011. - Т. 17, № 1.- С. 187-191.
7 National Instruments / PXI Platform, 2012. - URL: http://www.ni.com/pxi (дата обращения: 22.06.2012).
8 Силушкин С.В., Муравьев С.В., Фомичев Ю.М., Емельянова Е.Ю. Цифровой измеритель мощности сигналов сложной формы на базе PXI-платформы // Известия ТПУ. - 2012. -Т. 321. - № 4. - С. 176-181.
Поступила 08.11.2013 г.
