CC BY
133Современные цифровые измерительные приборы — это приборы или ИВК?
Рассматривается вопрос поверки современных цифровых приборов, в том числе счетчиков электрической энергии и различных измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). Показана острая необходимость научной проработки ряда принципиальных вопросов, даются направления для проведения исследований
Ю.А. Барышев1
ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)», канд. техн. наук, доцент
Н.Н. Вострокнутов2
ФГАОУ ДПО АСМС, канд. техн. наук, доцент, elizm@asms.ru
1 заведующий кафедрой «Электрические измерения», Москва, Россия
2 доцент кафедры, Москва, Россия
Для цитирования: Барышев Ю.А., Вострокнутов Н.Н. Современные цифровые измерительные приборы — это приборы или ИВК? // Компетентность / Competency (Russia). — 2019. — № 6
ключевые слова
прибор, цифра, измерение, канал, микропроцессор, программа, комплекс, структура, погрешность, сигнал, поверка, аналого-цифровой преобразователь
настоящее время в стране осуществляется широкомасштабный переход на цифровую экономику. В следующем году планируется перевести на дистанционное считывание показания всех российских электрических счетчиков энергии. Объем поверки различных средств измерений может резко возрасти, и потребуется четко сформулированная платформа для обслуживания сложных цифровых измерительных приборов.
В справочном приложении ГОСТ 22261-94 «Средства измерения электрических и магнитных величин. Общие технические условия» [1] приведен перечень видов средств измерений электрических и магнитных величин, на которые распространяется этот стандарт. К сожалению, в действующей редакции названного стандарта данный перечень сильно сокращен, в результате чего он стал менее конкретным, исчезло особое упоминание о цифровых измерительных приборах, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. В этом списке указаны:
► приборы для измерения тока, напряжения, сопротивления ... мощности, энергии;
► измерительные преобразователи;
► меры;
► измерительные установки:
► измерительно-вычислительные комплексы;
► вспомогательные части средств измерений;
► измерительные приборы;
► принадлежности к электронным измерительным приборам по ГОСТ 24314-80.
К сожалению, в перечне (как и в предыдущих редакциях стандарта) отсутствует определение понятия «измерительно-вычислительный комплекс».
Под измерительно-вычислительным комплексом (ИВК) понимают автоматизированное средство измерений, имеющее в своем составе микропроцессоры (МП) с необходимым периферийным оборудованием, измерительные и вспомогательные устройства, управляемые от МП, и программное обеспечение комплекса. В состав ИВК включены измерительные каналы (ИК), на входах которых действуют измеряемые электрические величины или физические процессы (например, переменное напряжение), а на выходах — результаты измерения величин или параметров (например, действующее значение напряжения) процессов. В общем случае в состав измерительного канала входят некоторое измерительное устройство (прибор, преобразователь), возможно (не обязательно) — канал связи, и вычислительное устройство, управляемое программной компонентой канала. Пример такого канала на рис. 1.
Возьмем, к примеру, источник измеряемой величины, скажем, переменного напряжения произвольной формы и(£), параметры которого (например, действующее значение) необходимо определить (измерить). С помощью аналого-цифрового преобразователя создается га-мерный вектор [и;]п оценок мгновенных значений процесса за время, равное главному периоду. Этот вектор поступает на вычислительное устройство (ВУ), которое по встроенной программе определяет действующее значение и процесса, например, по формуле:
\ n
(1)
При необходимости значение и может быть представлено на некотором отсчетном устройстве в десятичной си-
Компетентность / Competency (Russia) 6/2019
метрология 51
стеме счисления для использования оператором.
Для анализа сравним рис. 1 со структурной схемой современного цифрового измерительного устройства (ЦИУ), например вольтметра (измерительного прибора) из [2], представленной на рис. 2, где:
► x(t) — измеряемый процесс (величина);
► NT — нормирующий преобразователь;
► ADC — аналого-цифровой преобразователь напряжения;
► u(t) — напряжение, пропорциональное x(t), нормированное к пределам диапазона преобразования ADC;
► Ni — код, соответствующий числовому значению u(ti) и соответственно x(ti) в момент времени ti аналого-цифрового преобразования;
► [Ni] — вектор кодов n = 1, 2, .., n (в частном случае n = 1);
► CN — вычислительное устройство и преобразователь кодов к видам для управления цифровым отсчетным устройством D и (при необходимости) N для передачи измерительной информации другим устройствам;
► D — цифровое отсчетное устройство (индикатор).
Анализ рис. 1 и 2 показывает аналогию структур измерительного канала ИВК и современного цифрового измерительного прибора (микропроцессорного ЦИУ по терминологии, принятой в [2]. Официальный термин для обозначения подобных приборов в настоящее время отсутствует). Еще большее совпадение структур некоторого цифрового измерительного прибора и ИВК можно увидеть на рис. 3.
Отметим, что в составе ИК (рис. 1) и измерительного прибора (рис. 2) обязательным структурным элементом является программная компонента.
Проведенное сравнение показывает, что современные микропроцессорные цифровые измерительные приборы с полным правом могут быть отнесены не к измерительным приборам, а к измерительно-вычислительным комплексам. В этом случае на калибровку и/или поверку таких приборов в некоторых случаях было бы полезно
Рис. 1. Пример измерительного канала ИВК [An example of the MCC measuring channel]
NT ADC ST
PR-программный компонент
Рис. 2. Структурная схема современного ЦИУ [Block diagram of a modern digital measuring device]
NT ADC ST
Рис. 3. ИВК с двумя измерительными каналами (напряжение и сила тока), возможно, что это цифровой ваттметр, или счетчик электрической энергии, или универсальный измерительный прибор, подобный, например, тестеру АРРА [3] [MCC with two measuring channels (voltage and current), it is possible that this is a digital power meter, or an electric energy meter, or a universal measuring device, like, for example, an APPA tester]
распространить методы определения и контроля погрешности, регламентированные в [4]. В качестве примера рассмотрим многофункциональный электронный счетчик электрической энергии СЭТ-4ТМ [5].
В соответствии с [5] названные счетчики, кроме учета электрической энергии, выполняют измерения перечисленных величин, в том числе:
► активной мощности нагрузки в прямом и обратном направлениях;
► реактивной мощности нагрузки в прямом и обратном направлениях;
► полной мощности;
► напряжений фазных и междуфазных прямой последовательности;
е и.
u(t)
i(t)
Z ur 'i
P = '=0
1 = 1
Zu2
Z f
S = U ■ I
Q = л/ S2 - P2
Другие величины
n
n
n
нагр
A = P ■ t
активн
Рис. 4. Структура ► силы линейных токов;
эквивалентного ИВК ► частоты сети.
[Equivalent MCC structure] Результаты этих измерений пред-
ставляются на отсчетном устройстве счетчика, причем в [5] нормированы пределы допускаемых погрешностей для перечисленных измерений.
При поверке счетчика в соответствии с методикой [6] погрешности показаний при измерении указанных величин проверяются по методам, принятым при поверке соответствующих измерительных приборов. Если учесть, что значения измеряемых счетчиком величин (в том числе и энергии, потребляемой нагрузкой) не измеряются, а вычисляются с использованием известных формул электротехники по результатам прямых измерений мгновенных значений силы тока и напряжения нагрузки, то следует считать, что счетчик выполняет косвенные измерения [7] всех этих величин и представляет собой эквивалентный измерительно-вычислительный комплекс, структура которого представлена на рис. 4.
Основная особенность данной структуры в том, что физические измерительные компоненты для всех из-
мерительных каналов одинаковые (измерение мгновенных значений силы тока и напряжения), а программные компоненты — разные. Для дальнейшего рассмотрения это не имеет принципиального значения.
Разрядность процессора, используемого в счетчике и любом другом микропроцессорном цифровом измерительном приборе, во много раз больше, чем число разрядов на выходах аналого-цифровых преобразователей входных величин (в рассматриваемом случае — АЦП тока и напряжения), поэтому погрешностью вычислений можно пренебречь. Формулы, по которым выполняется вычисление в рассматриваемом случае, точные, поэтому погрешностью, вносимой в результаты измерений вычислительным устройством [8], можно пренебречь. Таким образом, погрешности выходных сигналов (показаний) каналов ИВК (рис. 4) могут быть достаточно точно вычислены по известным погрешностям аналого-цифровых преобразователей как погрешности результатов косвенных измерений [7]. То же можно сказать о пределах допускаемых погрешностей. Если при разработке ИВК были заданы и реализованы некоторые пределы допускаемых погрешностей аналого-цифровых преобразователей, то допускаемые погрешности показаний (измерительных каналов) не могут быть назначены произвольно. Они должны быть вычислены как погрешности косвенных измерений, например, в соответствии с [7].
Из изложенного следует, что при поверке цифровых измерительных устройств рассмотренной структуры достаточно проверить погрешности аналого-цифровых преобразователей в соответствии с [4] или [9]. Если их погрешности лежат в пределах допускаемых значений, а пределы допускаемых погрешностей измерительных каналов назначены в соответствии с [7], то погрешности измерительных каналов могут не проверяться. Если пределы допускаемых погрешностей АЦП не нормированы, то по полученным оценкам погрешности АЦП легко рассчитать по [7] оценки погрешностей
Компетентность / Competency (Russia) 6/2019
метрология 53
измерительных каналов и сравнить их с пределами допускаемых значений.
В настоящее время предложенную методику невозможно использовать по ряду причин:
1. Не предусмотрена возможность вывода на отсчетное устройство показаний аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав приборов (в микропроцессорных цифровых приборах). Реализуется программным путем без каких-либо изменений в схеме или конструкции прибора.
2. Не применяется отдельное нормирование пределов допускаемых погрешностей аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав приборов. Этот вопрос легко решается соответствующим изменением документации на приборы.
3. Нет достаточно проработанных методик вычисления наследуемых погрешностей измерительных каналов.
4. Отсутствуют достаточно проработанные методы оценивания погрешностей вычисления результатов измерений, обусловленных конечным числом отсчетов мгновенных значений измеряемой величины, выбранным в соответствии с теоремой В.А. Котельникова.
5. Нет достаточно проработанных методов оценивания погрешностей вычисления результатов измерений, об-
Статья поступила в редакцию 3.05.2019
условленных применением быстрого преобразования Фурье при ограниченном числе отсчетов мгновенных значений преобразуемого процесса.
Перечисленные вопросы требуют хорошей научной проработки независимо от того, будет или нет применяться при поверке цифровых измерительных устройств представление их как совокупности измерительных каналов ИВК. ■
Список литературы
1. ГОСТ 22291-94. Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия.
2. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. Изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: АСМС, 2018.
3. Мультиметры цифровые АРРА-301, АРРА-303, АРРА-305. Руководство по эксплуатации. — М., 2006.
4. МИ 2440-97. Методы экспериментального определения и контроля характеристик погрешности измерительных каналов измерительных систем и измерительных комплексов (с изм. № 1). — М., 1999.
5. Счетчик электрической энергии многофункциональный СЭТ-4ТМ.03. Руководство по эксплуатации 411152.124 РЭ. - Н. Новгород: Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе.
6. Счетчик электрической энергии многофункциональный СЭТ-4ТМ.03. Руководство по эксплуатации. Приложение Г. Методика поверки 411152.124 РЭ1. — Н. Новгород: Нижегородский завод им. М.В. Фрунзе.
7. Вострокнутов Н.Н. Электрические измерения: учебное пособие. — М.: АСМС, 2017.
8. Вострокнутов Н.Н., Кузнецов В.П., Солопченко Г.Н. К вопросу об объекте метрологической аттестации программ обработки данных при измерениях // Измерительная техника. — 1990. — № 7.
9. МИ 1202-86. Методические указания. ГСИ. Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления цифровые. Общие требования к методике поверки.
НОВАЯ КНИГА
Вострокнутов Н.Н.
Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка
Учебное пособие / Издание 3-е, пер. и доп. — М.: АСМС, 2018
Представлена полностью переработанная книга автора «Испытания и поверка цифровых измерительных устройств» (1990 г.), в связи с важными изменениями в элементной базе и схемотехнике, применяемой при разработке ЦИУ, а также иными принципами построения ЦИУ. Излагаются основы теории погрешностей ЦИУ, методы расчета составляющих погрешностей измерений, а также методы испытаний и способы определения и контроля погрешностей ЦИУ. Книга полезна для инженеров и научных работников, занимающихся испытаниями и разработкой ЦИУ, a также работников метрологических служб. По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: info@asms.ru
54 metrology
Kompetentnost / Competency (Russia) 6/2019 ISSN 1993-8780
Modern Digital Measuring Devices:
Devices or Measuring and Computing Complex?
Yu.A. Baryshev1, FSAEI FVT ASMS, Assoc. Prof. Dr., elizm@asms.ru N.N. Vostroknutov2, FSAEI FVT ASMS, Assoc. Prof. Dr.
1 Head of Electrical Measurement Department, Moscow, Russia
2 Associate Professor of Department, Moscow, Russia
Citation: Baryshev Yu.A., Vostroknutov N.N. Modern Digital Measuring Devices: Devices or Measuring and Computing Complex? Kompetentnost'/ Competency (Russia), 2019, no. 6, pp.50-54
We reviewed the state of the issue of verification of modern digital devices, including modern electricity meters, and various measurement systems.
Modern microprocessor digital measuring devices may well be attributed not to measuring devices, but to measuring and computing complexes, as the comparison showed. In this case, in some cases it would be useful to extend the methods for determining and controlling the errors specified in MI 2440-97 to calibrate and / or calibrate such instruments.
We believe that the listed issues require a good scientific study, regardless of whether or not they are used to verify digital measuring devices as a set of measuring channels of a measuring and computing complex. We have given directions for further research.
1. GOST 22291-94 (2018) Means for measuring electrical and magnetic quantities. General technical conditions.
2. Vostroknutov N.N. Tsifrovye izmeritel'nye ustroystva. Teoriya pogreshnostey, ispytaniya, poverka [Digital measuring devices. The theory of errors, testing, verification], Moscow, ASMS, 2018, 289 P.
3. Mul'timetry tsifrovye ARRA-301, ARRA-303, ARRA-305. Rukovodstvo po ekspluatatsii [Digital multimeters ARRA-301, ARRA-303, ARRA-305. Manual], Moscow, 2006, 62 P.
4. MI 2440-97 Methods of experimental determination and control of measuring systems and measuring complexes measuring channels' error characteristics, Moscow, 1999.
5. Schetchik elektricheskoy energii mnogofunktsional'nyy SET-4TM.03. Rukovodstvo po ekspluatatsii 411152.124 RE [Electric energy meter multifunction SET-4TM.03. The operation manual 411152.124 RE], Nizhniy Novgorod, Nizhegorodskiy zavod im. M.V. Frunze.
6. Schetchik elektricheskoy energii mnogofunktsional'nyy SET-4TM.03. Rukovodstvo po ekspluatatsii. Prilozhenie G. Metodika poverki 411152.124 RE1 [Electric energy meter multifunction SET-4TM.03. Manual. Appendix G. Methods of verification 411152.124 RE1], Nizhniy Novgorod, Nizhegorodskiy zavod im. M.V. Frunze.
7. Vostroknutov N.N. Elektricheskie izmereniya: uchebnoe posobie [Electrical measurement], Moscow, ASMS, 2017, 326 P.
8. Vostroknutov N.N., Kuznetsov V.P., Solopchenko G.N. K voprosu ob ob''ekte metrologicheskoy attestatsii programm obrabotki dannykh pri izmereniyakh [On the question about the object of metrological certification of data processing programs in measurements], Izmeritel'naya tekhnika, 1990, no. 7.
9. MI 1202-86 Guidelines. State system for ensuring the uniformity of measurements. Instruments and converters measuring voltage, current, resistance, digital. General requirements for verification methods.
Как подготовить статью для журнала «Компетентность»
Оригинал статьи и аннотацию к ней необходимо передать в редакцию в электронном виде (на магнитном носителе или по электронной почте komp@asms.ru). При передаче информации по электронной почте желательно архивировать файлы. В названиях файлов необходимо использовать латинский алфавит. Допускаемые форматы текстовых файлов — TXT, RTF, DOC. Допустимые форматы графических файлов:
► графики, диаграммы, схемы — AI 8-й версии (EPS, текст переведен в кривые);
► фотографии — TIFF, JPEG (RGB, CMYK) с разрешением 300 dpi.
К каждой статье необходимо приложить сведения об авторах — фамилия, имя, отчество, ученая степень, ученое звание, место работы и должность, телефон служебный и домашний, адрес электронной почты.
key words
device, digit, measurement, channel, microprocessor, program, complex, structure, error, signal, verification, analog-to-digital converter
References
