CC BY
81
8. Бубенчиков А. А. [и др.]. Исследование ускорителей воздушного потока башенного типа для ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Омский научный вестник. 2018. №. 2 (158). С. 38-44.
9. Пат. 2252334 Российская Федерация. МПК F 03 D 1/04. Ветропневмотурбинная установка с диффузором, имеющим два вдува / Янсон Р. А., Ряснянская Т. Г., Гасилов А. В. № 2003128903/06; заявл. 29.09. 03; опубл. 20.05.05, Бюл. № 14.
10. Пат. 2502891 Российская Федерация. МПК F 03 D 1/04. Энергоустановка / Соколов Ю. С., Орлов Ю. А., Орлов Д. Ю. [и др.]. № 2011145378/06; заявл. 08.11.11; опубл. 20.05.13, Бюл. № 14.
11. Пат. № 2349792 Российская Федерация. МПК F 03 D 1/04. Гелиоветровая энергетическая установка / Булатов К. М., Булатова А. Н., Бирюлин И. Б. № 2007122229/06; заявл. 13.06.07; опубл. 20.03.09, Бюл. № 8.
12. Пат. 2396458 Российская Федерация. МПК F 03 D 1/04. Ветроэнергетическая установка / Березин А. В., Василенко С. Е., Шкурихин И. Б. № 2009117752/06; заявл. 13.05.09; опубл. 10.08.10 Бюл. № 22.
13. Пат. 2504690 Российская Федерация. МПК F 03 D 1/04. Ветровая электростанция / Перфилов А. А. № 2012116286/06; заявл. 23.04.12; опубл. 27.10. 13, Бюл. № 30.
14. Пат. 2189495. Российская Федерация. МПК F 03 D 1/04. Башенный ветродвигатель / Кобелев Н. С., Захаров И. С., Рыбалкин О. М. № 2000126411/06; заявл. 19.10.2000; опубл. 20.09.2002, Бюл. № 26.
15. Бубенчиков А. А., Бубенчикова Т. В. Оценка применения ветроколес без нагрузки в теле ускорителя потока для ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 33-37.
16. Шаубергер В. Энергия воды: пер. с англ. М. Новиковой. М.: Эксмо, 2007. 317 с.
17. Bubenchikov A. A., Bubenchikova T. V., Artamonova E. Y., Shepelev A. O. Flow accelerator for wind power installations with the vertical rotation axis [Electronic resource] // Environment and Electrical Engineering and 2017 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe) : International Conference. Milan, 2017. P. 1-8. DOI: 10.1109/EEEIC.2017.7977402.
УДК 006.91:621.317.7
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КАЛИБРОВКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
MODERN TECHNOLOGIES FOR CALIBRATION OF THE ELECTRICAL INSTRUMENTS
И. А. Ершов
Томский политехнический университет, г. Томск, Россия
I. A. Ershov Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Аннотация. Несмотря на постоянно растущий спрос на метрологические услуги, обусловленный увеличением количества используемых средств измерений, система передачи единицы физической величины не претерпевала существенных изменений. В результате сегодня мы имеем систему с низкой эффективностью, не способную удовлетворять потребностям рынка. Совершенствование системы передачи физической величины является актуальной задачей. Предложена концепция дистанционной калибровки, использование которой ранее было невозможно из-за низкого уровня развития программируемых средств измерений. Разработан программно-аппаратный комплекс для передачи размера единицы напряжения рабочим средствам измерений. Приведён обзор законодательства, связанный с применением предложенной технологии.
Ключевые слова: калибровка, программно-аппаратный комплекс, законодательная метрология, поверка.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-24-28
I. Введение
На сегодняшний день существует проблема непонимания производителя товара или услуги необходимости проведения поверки используемых средств измерений. Связано это, в первую очередь, с желанием сэкономить не только деньги, но и время. Действительно, для многих производителей поверка средств измерений - настоящая катастрофа, которая повторяется каждый год. Происходит это из-за отрыва средств измерений от произ-
водства на длительный промежуток времени, что влечёт за собой огромные временные и денежные затраты. Существует услуга поверки у заказчика, но в данном случае приходится оплачивать не только затраченное время поверителя, но и транспортировку эталонов, не говоря уже о том, что не для всех средств измерений это возможно. Для решения данной проблемы многие производители просто перестают проводить поверку средств измерений, чем нарушают Федеральный закон № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» [1] либо обосновывают непричастность используемых средств измерений к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Повышение уровня контроля за соблюдением Закона «Об обеспечении единства измерений» улучшит ситуацию, но не решит проблему полностью. Решением данной проблемы может стать переход к новым техническим решениям, позволяющим значительно сократить время отрыва от производства средств измерений, что позволит избежать значительных расходов производителя. В силу высокой конкуренции производители заинтересованы в повышении качества товара или услуги, что напрямую зависит от достоверных показаний средств измерений.
Наиболее эффективным техническим решением для передачи размера единиц электрических величин является дистанционная калибровка, которая впервые была проведена Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) [2]. Также данная концепция была реализована и описана в статье [3]. Заключается она в дистанционном управлении средством калибровки. Данная революционная технология не нашла широкого применения. Скорее всего, это связано с низким уровнем развития программируемых средств измерений. Однако сейчас на рынке присутствует огромное количество средств измерений, позволяющих вести управление при помощи удалённого доступа к компьютеру. Одним из ведущих производителей в данном сегменте является компания National Instruments, которая разработала программное обеспечение LabVIEW для разработки технических систем на основе их аппаратной базы.
II. Постановка задачи
Задача данного исследования заключается в разработке программно-аппаратного комплекса для проведения дистанционной калибровки средств измерений электрических величин. Данная разработка позволит не только облегчить калибровку средств измерений, используемых вне сферы государственного регулирования обеспечения единства измерений, но и заложить фундамент технологии поверки с удалённым доступом.
III. Теория
1. Обзор законодательства
На текущий момент времени калибровка средств измерений, не предназначенных для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, является добровольной. Более того, выполняющие калибровку средств измерений юридические лица и предприниматели могут быть не аккредитованы в области обеспечения единства измерений [1]. Средства измерений, используемые для калибровки, должны быть утверждённого типа и иметь действующие свидетельства о поверке [4]. Данное условие не является проблемой, поскольку крупные компании, занимающиеся производством программируемых средств измерений, утверждают их как тип. Требуется только проведение регулярной поверки средств измерений, обеспечивающих передачу размеров единиц средствам измерений.
При отсутствии аккредитации на проведение калибровки нет никаких подтверждений достоверности результатов. Из-за этого не удастся избежать проблем с заказчиками, которые не признают достоверность результатов калибровки без соответствующего документа, выданного аккредитованной лабораторией. Данные результаты нельзя признать при поверке средств измерений [5]. Также в ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 [6] указано, что признание результатов калибровки разными странами будет достигнуто в случае, если лаборатория аккредитована органами по аккредитации, признанными с подобными органами других стран. Данный ГОСТ имеет отношение к системе менеджмента качества, которую активно используют практически во всех организациях, из-за чего использование результатов калибровки неаккредитованной лаборатории может быть недопустимо.
Проведение аккредитации лаборатории - это крайне длительное и затратное занятие, на которое ни одна организация не пойдёт без веской причины. Поэтому решением данной проблемы является дистанционная калибровка. На текущий момент не существует функционирующей программно-аппаратной системы дистанционной калибровки и соответствующей методики. В первую очередь это связано с трудностями, связанными с требованиями к калибровочной лаборатории [7]. Прослеживаемость результатов измерений [8] до государственных эталонов решается использованием средств измерений утверждённого типа, а разработка новой методики калибровки также является выполнимой задачей. Первая проблема заключается в помещении, которое должно обеспечивать необходимые условия для проведения калибровочных работ. Чтобы избежать данной проблемы, требуется на этапе разработки методики калибровки учесть, в каких условиях обычно используются средства измерений, указав соответствующие условия проведения калибровки. Вторая проблема заключается в должном хранении средств калибровки. Данную проблему можно решить на основе соглашения между предприятием и
аккредитованной лабораторией, которое может иметь два варианта. Первый вариант подразумевает хранение средства калибровки в аккредитованной лаборатории и при необходимости транспортировку его к заказчику. Второй вариант заключается в наличии у заказчика специального помещения, обеспечивающего необходимые условия хранения эталона.
2. Сферы применения
Одним из примеров сферы применения дистанционной калибровки является образование. На сегодняшний день средства измерений, используемые в образовательных учреждениях, не входят в сферу государственного регулирования обеспечения единства измерений. Из-за этого годы использования данных средства измерений повышают погрешность и неопределённость до недопустимых значений. Регулярная закупка нового оборудования не является рациональным решением, поскольку является крайне затратной. Использование технологии дистанционной калибровки позволит составить калибровочные таблицы, которые в дальнейшем должны использоваться при измерениях. Данное решение поможет уменьшить неопределённость средств измерений до значений, присущих использованному средству калибровки. Таким образом, удастся избежать значительных расходов на обновление оборудования, при этом усовершенствовав аппаратное обеспечение университета.
3. Пример реализации
Одной из характеристик программно-аппаратного комплекса дистанционной калибровки является мобильность. На сегодняшний день существует огромное разнообразие средств измерений электрических величин, соответствующих данному требованию. Отличным примером таких приборов являются источники калиброванных сигналов (калибраторы). Несмотря на высокую точность генерируемых сигналов, многие модели имеют малые габариты. Стоит учитывать, что многие организации используют средства измерений, имеющие низкую точность из-за использования старых технологий. Примером таких приборов являются стрелочные вольтметры, которые до сих пор встречаются повсеместно. Калибровка данных средств измерений не требует использования высокоточных средств измерений.
Современный уровень технологического прогресса позволяет перейти на дистанционную калибровку средств измерений электрических величин. Схема дистанционной калибровки представлена на рис. 1. Сотрудник лаборатории при помощи программного обеспечения на своём ПК формирует необходимую информацию для генерации сигнала. Далее данная информация поступает на ПК, подключённый к аппаратному комплексу, в лаборатории заказчика. Поступив на аппаратный комплекс, происходит генерация сигнала на калибруемое средство измерений.
Рис. 1. Схема дистанционной калибровки
Стоит отметить, что программное обеспечение должно обеспечивать защиту от стороннего вмешательства в процесс. То есть у сотрудника заказчика не должно быть возможности управлять средством калибровки. Без соблюдения данного условия участие сотрудника аккредитованной лаборатории не будет иметь никакого смысла. Поскольку калибруемое средство измерений, скорее всего, не будет иметь выхода для подключения к ПК, возникает проблема передачи показаний сотруднику аккредитованной лаборатории. В данном случае есть два варианта. Первый заключается в использовании веб-камеры. Второй - в передаче показаний, введённых сотрудником заказчика. Достоверность введённых данных основывается на том, что калибровка является добровольной процедурой, а потому заказчику выгодно передать достоверные показания, чтобы избежать бесполезной траты средств на неправильную калибровочную таблицу.
IV. Результаты экспериментов Наиболее разумным аппаратным решением является использование продуктов компании National Instruments, поскольку они специализируются на оборудовании, совершающем обмен данных с ПК в режиме реального времени. В качестве среды разработки используется LabVIEW, которая специально разработана для работы в аппаратурой данной компании. На текущий момент разработана программа, ориентированная на работу с системой PXI, позволяющая вести управление генератором сигналов через Ethernet. Интерфейс программы для ввода параметров сигнала и получения результатов показан на рис. 2.
Рис. 2. Интерфейс программы
Пользователь вводит IP-адрес аппаратной системы и порт TCP (по умолчанию в программе задан порт 50334, но при необходимости его можно заменить). Далее вводятся необходимые параметры генерируемого сигнала, и кнопкой «Передача данных» запускается отправка данных. Стоит отметить, что к этому моменту в лаборатории заказчика уже должны быть проведены все подготовительные операции, а именно: система подключена к калибруемому средству измерений, соответствующая программа запущена и сотрудник готов к работе. Сигнал поступает на калибруемое средство измерений, после чего сотрудник считывает показания, останавливает генерацию сигнала и отправляет показания сотруднику аккредитованной лаборатории. Как уже отмечалось ранее, программа дистанционной калибровки должна обеспечить невозможность изменения генерируемого сигнала сотрудником заказчика. Это является обязательным условием данной системы. Поэтому во время данной процедуры у сотрудника лаборатории заказчика имеется возможность только остановить генерацию сигнала. Интерфейс программы для ПК, подключенного к средству калибровки, показан на рис. 3.
Рис. 3. Интерфейс программы 27
Описанная выше операция повторяется для каждой точки, необходимой для составления калибровочной таблицы. Список контрольных точек, а также их количество, должны быть обязательно приведены в методике, используемой при калибровке. Результаты применяются для составления протокола и оформления сертификата о калибровке. Стоит отметить, что, поскольку данные первоначально представлены в электронной форме, имеет смысл использовать цифровой документ, созданный с использованием технологии электронной подписи, чтобы в дальнейшем хранить их в специальной базе данных [9].
V. Обсуждение результатов
Разработанный программно-аппаратный комплекс был успешно протестирован на работоспособность. Определённо, мобильность системы накладывает высокие ограничения на габариты и вес устройства, что в конечном итоге сказывается на точности используемого оборудования. Несмотря на это, точность многих современных средств измерений небольшого размера в разы превышает точность используемых на предприятиях средств измерений. На основании этого можно сделать вывод о том, что для проведения калибровки точности этих устройств будет достаточно.
VI. Выводы и заключение
В результате проведённого исследования было установлено, что современные технологии позволяют перейти к новым способам передачи размеров единиц физической величины. На протяжении многих лет данная схема не претерпевала существенных изменений, а потому устарела как в моральном, так и в технологическом плане. Из-за высокого роста спроса на метрологические услуги, обусловленные повышением количества используемых средств измерений, аккредитованные центры не смогут справляться с таким количеством средств измерений без усовершенствования действующей системы.
Преимущество разработанной программы, которое обусловлено средой разработки LabVIEW, заключается в совместимости со многими однотипными продуктами National Instruments. В случае если потребуется использовать другое оборудование, данную программу можно без труда преобразовать, используя аналогичные блоки.
Источник финансирования. Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-37-00018.
Список литературы
1. Федеральный закон от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» // Собрание законодательства РФ. 2008. № 26. ст. 3021.
2. Baca L. B., Duda L., Walker R., Oldham N., Parker M. Internet-Based Calibration of a Multifunction Calibrator // National Conference of Standards Laboratories. April 2000. Toronto. P. 10.
3. Velychko O.,Gurin R. Internet calibration of digital multimeters and calibrators of electrical signals // Conference Paper 10th International Congress on Electrical Metrology. Buenos Aires. 2013.
4. ПР 50.2.016-94 ГСИ. Требования к выполнению калибровочных работ. М.: Госстандарт России, 1995.
5. Постановление Правительства РФ № 311 от 2 апреля 2015 года «Об утверждении Положения о признании результатов калибровки при поверке средств измерений в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений» // Собрание законодательства Российской Федерации. 2015. № 15. Ст. 2272.
6. ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009 Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий // Официальное издание, М.: Стандартинформ, 2013.
7. РД РСК 02-2014 Порядок организации деятельности Российской системы калибровки // Сборник руководящих документов Российской системы калибровки. М.: АНО «РСК-Консалтинг», 2014.
8. Ершов И. А., Аймагамбетова Р. Ж., Стукач О. В. Технология блокчейн в обеспечении метрологической прослеживаемости // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 4. С. 57-61.
9. Нечаев К. А., Стукач О. В. Система поддержки производства полупроводниковых приборов как часть интернета вещей // Вестник науки Сибири. 2013. № 4(10). С. 132-135.
