CC BY
100
УДК 621.317.3.08(035.5)
ШЛЯХИ УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ ПЕРТОДИЧНОТ ПОВ1РКИ ЦИФРОВИХ ВОЛЬТМЕТР1В
О.М. Крюков, професор, д. т. н., ХНАДУ
Анотаця. Визначеш недолгки та недостатньо обгрунтоваш положения, яю ускладнюють виконання операций пов1рки 7 можуть привести до порушення единог методологИ' визначення метролог1чних характеристик.
Ключовi слова: цифровий вольтметр, методи 7 засоби пов1рки, метролог1чш характеристики, похибка.
Постановка проблеми
Цифровi прилади для вимiрювання напруги постшного та змшного струму (цифровi вольтметри) широко застосовуються пiд час вимiрювального контролю параметрiв елект-рообладнання, при випробуваннях та налаго-дженнi технологiчних лшш, для контролю якостi електро- та радютехшчних виробiв тощо. Потрiбна точшсть вимiрювання напруги цифровими вольтметрами (ЦВ) забезпечу-еться, зокрема, завдяки контролю !х метро-логiчних характеристик (МХ) при перюдич-нiй повiрцi (калiбруваннi) у пiдроздiлах вiдомчих або державно! метролопчно! служ-би. При цьому правильнють висновкiв про техшчний стан ЦВ, якi приймаються за результатами повiрки, в значнш мiрi залежить вiд того, наскшьки виважено та обгрунтовано побудована методика И проведення.
Як вщомо, нормативно-техшчш документи (НТД), що визначають методи i засоби пов> рки аналогових вольтметрiв (АВ), зазвичай виявляються малопридатними для повiрки ЦВ, принципи дп яких докорiнно вiдрiзня-ються вiд принципiв дп аналогових. Основною вщмшнютю ЦВ вiд АВ е наявнiсть про-цесу квантування вимiрювано! фiзично! величини, що супроводжуеться виникненням методично! похибки квантування [1,2]. Похибка квантування А е випадковою величиною, а !! розподiл, як правило, мае рiвномi-рний характер у певному дiапазонi можливих значень, меж якого визначаються принципом
ДО ЦВ, кiлькiстю розрядiв вихiдного коду та межами шдд1аиазону вим1рювання. Повна похибка А ЦВ складаеться з ¡нструментально! складово! Ai та похибки квантування Ау.
У свою черту, Аг складаеться з систематично! Дс та випадково! Дв складових. У ЦВ р1з-них тишв сшввщношення м1ж складови-ми Дс, Дв, Дг може вирпнятися. в наел ¡до к чого нормування похибок здiйснюеться з ура-хуванням цiе! особливосп.
Найчаспше для ЦВ нормуеться межа допустимого значения основно! похибки Адоп та розмiр ступеня квантування q . У тих випад-ках, коли випадкова складова Дв похибки е пор1вняно великою (наприклад, сум1рною з систематичною складовою Дс), поряд з с/ можуть також додатково нормуватися межа допустимого значения середньоквадратично-го вщхилення ств випадково! складово! похибки або роздшьно нормуватися меж1 допу-стимих значень АСдоп та Ас доп (аВдоп) систематично! i випадково! складових похибки.
Щд час повiрки АВ покажчик приладу, що повiряеться, встановлюеться на певну число-ву позначку Хп шляхом змiни вимiрювано! величини. Дiйсне значення вимiрювано! ве-личини або безпосередньо похибка приладу визначаються за показаннями робочого ета-лону (наприклад, катбратора напруги). За-стосування тако! методики при повiрцi ЦВ
може привести до виникнення методично! похибки, яка досягае максимального значения иохибки квантування А . Таким чином,
повiрка ЦВ за методикою, що застосовуеться при пов1рщ АВ, е допустимою лише в тому випадку, коли Ад «Аг, тод1 очевидно, що
А ~ Аг■. Детально це питания розглянуто у роботi [2]. Вщзначимо лише, що при виник-неннi похибки ЦВ мае мюце зсув його дшс-но! характеристики перетворення. При цьому повiрка ЦВ за методикою, яка застосовуеться при повiрцi АВ, не дозволяе виявити факт перевищення похибкою допустимого значен-ня. Внаслщок цього за результатами повiрки метрологiчно несправний ЦВ може бути ви-знаний справним.
Виключити неправильш висновки можна шляхом застосування спещально! методики повiрки, яка передбачае встановлення таких заданих показань Хп ЦВ, яю вiдповiдають максимальному значению його по в но!’ похибки А. При цьому ви\прювану величину на вход1 ЦВ регулюють до деякого значення Х , що вщповщае моменту переходу вщ показань Хи - с] до показань Хп, а папм до деякого значення Х2, що вщповщае моменту переходу вщ показань Хи до показань Хи + с/. Максимальна з двох отриманих при цьому похибок А, = Хп - Х1. Д2 = Хп - Х2 I визначатиме повну похибку ЦВ при показаннях Х .
При повiрцi ЦВ, для яких випадкова складо-ва не е нехтовно малою, границ переходу вщ одних показань до шших виявляються «роз-митими». У такому випадку методика повiр-ки мае передбачати виконання багаторазових вимiрювань, спрямованих на забезпечення повторюваностi показань.
Специфiчним для ЦВ е питання вибору кон-трольованих точок. Для АВ похибка визна-чаеться для тих показань, яю вiдповiдають числовим позначкам шкали. Але у ЦВ ус показання е числовими, тому пщхщ до вибору контрольованих точок е вщмшним вщ того, що застосовуеться для АВ, i мае урахову-вати принцип дй приладу i характер змiни похибки у межах пiддiапазону.
Виходячи з особливостей вибору контрольо-ваних точок, розрiзняють двi групи ЦВ. До першо! групи належать прилади, для яких
похибка всередиш пiддiапазону змiнюеться рiвномiрно (час-iмпульснi ЦВ). Для таких ЦВ достатньо перевiрити похибку у декшь-кох (як правило, п’ятьох) точках, рiвномiрно розподшених за пiддiапазоном вимiрювань. До друго! групи належать прилади, для яких похибка всередиш пiддiапазону змiнюеться нерiвномiрно (ЦВ порозрядного кодування). Для ЦВ ще! групи до контрольованих необ-хщно включити точки, в яких слщ очiкувати найбiльших змiн повно! похибки (наприклад, за рахунок «перескоку» вихщного коду, най-бiльших значень амплгтуди перехiдного про-цесу у пристроях порiвняння тощо).
Залежно вщ обраного сшввщношення а м1ж межами допустимих похибок робочого етало-ну i ЦВ, що повiряеться, та вщ заданих значень критер^’в якосп пов1рки встановлюеться так званий контрольний допуск Ак, тобто граничне значення похибки, при якiй за результатами повiрки прилад ще може вважа-тися придатним до застосування. Значення Ак зал ежить вщ значення Адоп [ визначаеть-
ся виразом
Д = у А ,
К / доп ’
де у - вщносний контрольний допуск, О < у < 1.
Таким чином, за абсолютним значенням кон-трольний допуск завжди менший, шж межа допустимо! похибки Адоп, яка встановлена в
техшчнш документацi! (ТД) на прилад конкретного типу. Очевидно, що застосування бшьш жорстких вимог до дiапазону можливих значень похибки ЦВ е мехашзмом, що дозволяе зменшувати iмовiрнiсть прийняття хибно-го висновку за результатами повiрки.
Таким чином, цшком обгрунтовано повiрка ЦВ може вважатися одшею з найскладшших. 1снуе точка зору, яка вщдае перевагу засто-суванню на практищ методик повiрки, ви-кладених у ТД пщприемств-розробниюв ЦВ. Така позищя зазвичай пояснюеться найбiль-шою компетентнютю саме виробника (роз-робника) у питаннях контролю МХ ЦВ.
Але незважаючи на суттеве рiзноманiття iм-портних та вiтчизняних ЦВ, що експлуату-ються в Укра!нi, юнуе реальна потреба в iснуваннi, а точшше, в практичному застосу-
ванш единого НТД, який визначав би методи та засоби повiрки ЦВ. З одного боку, такий документ мае залишати свободу дш для по-вiрника у питаннях вибору методу повiрки та робочих еталошв (виходячи з умов конкретного метролопчного пiдроздiлу). Але з другого боку, вш повинен максимально урахо-вувати особливостi та принциповi вiдмiни ЦВ вiд АВ, пiдпорядковувати методолопю контролю МХ ЦВ единим загальноприйня-тим принципам i тим самим забезпечувати еднють вимiрювань цiе! групи фiзичних величин у масштабах держави.
Аналiз публiкацiй
Як вщомо, проблема створення та застосування подiбних НТД (наприклад, державних стандарта на методи i засоби повiрки) для багатьох видiв та тдгруп засобiв вимiрюва-льно! техшки, як аналогових, так i цифрових, вже виршена. Але в питаннях методолопч-них основ повiрки ЦВ такий стан справ ще не досягнутий.
Вщома методика повiрки [3] (у свш час вона мала статус НТД), в яюй були урахованi роз-глянутi особливостi будови та нормування МХ ЦВ. При цьому тдприемства-розробники тих ЦВ, що випускалися пiсля 1977 року, мали узгоджувати змют роздiлiв «Повiрка» ТД на прилад з вимогами, викла-деними в [3].
Однак на практищ майже одразу ж шсля вве-дення в дiю [3] виникла певна розбiжнiсть мiж вимогами цього документа i змiстом ТД на ЦВ, що розроблялися. Змют окремих пункта роздiлiв «Повiрка» ТД лише певною ча-стиною спирався на вимоги [3] (наприклад, це стосувалося вибору контрольованих то-чок), але в окремих питаннях розходився з вимогами [3]. Прикладом таких розходжень е встановлення методикою [3] контрольних допусюв, що таорувалося в ТД на ЦВ. Дшс-но, роздши «Повiрка» з ТД на ЦВ не оперу-ють поняттям контрольного допуску (факти-чно вважаеться, що вщносний контрольний допуск у дор1внюе 1). Внаслщок цього вимоги до МХ приладiв та до критерпв якостi повiрки, викладеш в ТД пщприемств-розробникiв ЦВ, е менш жорсткими, нiж вимоги [3].
У 1986 рощ методику [3] було скасовано, а замють не! введено новий НТД [4]. У цьому
документ залишено вимоги стосовно обов’язковосп встановлення контрольного допуску, однак методичш основи повiрки шддано певному коригуванню.
Слiд вщзначити, що за сво!м змiстом та структурою [4] не виявився тим НТД, в яко-му в традицшному викладеннi була б наведена методика повiрки ЦВ. Фактично [4] е настановою для розробниюв державних стандарта на методи i засоби повiрки або для розробниюв роздiлiв «Повiрка» ТД на ЦВ. Тому цей НТД порiвняно з типовим держав-ним стандартом е складним i насиченим по-силаннями на окремi елементи теорп побу-дови ЦВ, i якщо повiрник повинен керуватися вимогами [4], це вимагае вщ ньо-го досить глибоких спещальних знань i на-вичок.
Крiм того, документ [4], на вiдмiну вiд ска-сованого [3], розповсюджуеться лише на ЦВ, для яких нормоваш Адоп або Адоп 1 стВдоп.
Якщо ж для ЦВ нормовано iншi МХ, таю прилади не пщлягають повiрцi згiдно з [4].
На думку автора, це виключення може стати предметом окремо! дискусi!, оскiльки воно не е повною мiрою обгрунтованим [5]. Дiйс-но, незважаючи на вщмшносп можливих перелiкiв нормованих МХ ЦВ, головними чинниками, що визначають змют та методику !х контролю, залишаються саме особливо-сп будови та принципу дп приладiв. До того ж вказане виключення залишае вiдкритим питання: за якою саме методикою виконува-ти повiрку ушх ЦВ, якi не пiдпадають пщ дiю [4]?
Обговорення змiсту методики повiрки
Для переважно! бiльшостi ЦВ, що експлуа-туються, нормуеться межа допустимо! осно-вно! похибки, а не окремо характеристики систематично! та випадково! складових ос-новно! похибки. Тому дат детально розгля-немо саме ту частину [4], яка регламентуе змют методики пов1рки ЦВ, для яких нормо-ваним е Адоп.
Контроль основно! похибки ЦВ здшснюеться тими ж методами, яю набули застосування i пiд час повiрки АВ, а саме: методом безпосе-реднього звiряння, методом звiряння з мiрою
за допомогою компаратора або методом пря-мих вимiрювань.
Для Bcix вищв ЦВ, крiм приладiв порозряд-ного кодування, контроль основно! похибки виконують при значеннях вхщного сигналу (0,05-0,1) XN , (0,2-0,3) XN , (0,4-0,6) XN ,
(0,7-0,8) XN , (0,9-1,0) XN на кожному шдд> апазонi вимiрювання (тут Xw - верхня межа пiддiапазону вимiрювання). Для ЦВ пороз-рядного кодування точки кожного щвдапа-зону, як пiдлягають контролю, обираються згiдно з вимогами вщповщних додаткiв до [4]. Крiм того, на нижньому пiддiапазонi ви-мiрювання додатково контролюють основну похибку ЦВ при одному з показань у межах молодшого десяткового розряду (тобто при значенш напруги, якому вiдповiдають лише декшька одиниць молодшого розряду ЦВ).
На жаль, у документ [4] вщсутш будь-якi ре-комендацп щодо вибору полярностi вхщно! напруги постшного струму та частот, на яких здшснюеться повiрка на змiнному струмг Це е вадою даного НД та ознакою певних поми-лок, допущених пiд час його розроблення [5]. У зв’язку з цим до прийняття единого НД, що регламентуватиме методи i засоби повiр-ки ЦВ, слiд вважати доцiльною практику вибору вказаних умов та параметрiв зпдно з такими документами, як методики повiрки ЦВ, що дiяли до впровадження [4] (наприклад, [3]), та зпдно з ТД на ЦВ конкретних тишв.
Зокрема, для ЦВ постiйного струму рекомен-дуеться основну похибку контролювати при двох полярностях видно! напруги. Для негативно! полярносп похибку контролювати лише у трьох точках (граничних та середнiй) одного пiддiапазону (основного) та в однш точцi (кiнцевiй) на кожному з шших пiддiапа-зонiв.
Для ЦВ змшного струму вимiрювання реко-мендуеться проводити згiдно з рекоменда-щями:
1) якщо частотний дiапазон ЦВ не розбито на пiддiапазони, в яких похибка нормуеться окремо, похибку контролювати на одному (основному) пiддiапазонi на частотах f^n;
0,25(3/„,„+/_); 0,5(7^+/max); 0,25(/^4-+ 3 fmax) ; на шших пiддiапазонах на частотах fmin , fmax ;
2) якщо частотний дiапазон ЦВ розбито на пiддiапазони, в яких похибка нормуеться окремо, похибку контролювати на частотах та при значеннях вхщного сигналу, рекомен-дованих в ТД на ЦВ конкретного типу.
Переходячи до розгляду методики контролю основно! похибки ЦВ, ще раз зауважимо, що при повiрцi будь-яких ЦВ зпдно з [4] похибка приладiв не визначаеться, а лише контро-люеться факт перебування !! значення у межах контрольного допуску (доцшьшсть збереження такого тдходу також е предметом окремо! дискусi!). Методика контролю основно! похибки залежить вщ сшввщно-шення м1ж Адоп \ с/ . а також м1ж Дс 1 Дв.
Так, сшввщношення м1ж Дс 1 Дв та Ддоп 1 q е визначальними для вибору кшькост п спостережень у серп та вщносного контрольного допуску у . У [4] наведено таблищ, що
встановлюють зв’язок \пж|/\дпп|/<:/. п \ у
залежно вiд спiввiдношень мiж МХ робочих еталошв i ЦВ, що повiряеться.
Документ [4] вимагае для кожно! точки, що контролюеться, розрахувати контрольнi значення вимiрювано! напруги
|^|=Ком|-уКоп|;
|^2|=|^ном| + У|Адоп|>
де Хном - показання ЦВ, як вiдповiдають номiнальному значенню напруги для точки, що контролюеться. На входi ЦВ, що повiря-еться, за показаннями робочого еталона вста-новлюють значення напруги Хг, спостерта-
ють п послiдовних показань Хх ЦВ(/ = 1,й). Якщо на вiдлiковому пристро! ЦВ з’являеться хоча б одне показання, яке задовольняе умов1 |Хг | > |ХН0М|, прилад вважаеться несправним,
у протилежному випадку за показаннями ро-бочого еталона встановлюють значення на-пруги Х2, спостерiгають п послiдовних показань X' ЦВ ( / = 1,п ). Якщо на вщлшовому пристро! ЦВ з’являеться хоча б одне показання, яке задовольняе умов1 |Х/| < |ХН0М|,
прилад вважаеться несправним. Аналопчш операцп виконують для кожно! з контрольованих точок кожного пiддiапазону ЦВ.
Розглянута методика е ушверсальною i може застосовуватися при будь-яких значеннях
вщношення |Лдоп|/<7 • Але якщо вщношення |Адо,,|/£/ перевищуе 5 (тобто межа похибки
квaнтyвaння e мaлою порiвняно з шструмен-тaльною поxибкою ЦB) [4], дозволяeться ви-конyвaти повiркy зa спрощеною методикою. 3a винятком необxiдностi проведення серп з n спостережень тa вимоги стосовно всганов-лення контрольного допуску спрощенa мето-дикa повiрки ЦB прaктично не вiдрiзняeться вiд методики повiрки будь-якого AB.
Висновки
У держaвi в експлyaтaцiï перебyвae числен-ний трк ЦB, як iмпортниx, тaк i втизняно-го виробництвa (виготовлениx зa чaсiв СРСР тa сyчaсниx). Одшк в Укрaïнi вiдсyтнiй НТД, який вiдповiдae eдиним зaгaльноприйнятим принципaм i зaбезпечye eднiсть вимiрювaнь дaноï групи фiзичниx величин у мaсштaбax держaви. Haслiдком цього e вiдсyтнiсть eди-ного пiдxодy до методологи визшчення MX ЦД Тaк, без таукового обrрyнтyвaння зaли-шaeться питaння вибору контрольовaниx по-знaчок тa чaстот вxiдноï нaпрyги нa змiнномy струм^ довiльно (нa рiвнi метрологiчного шдроздшу) вирiшyeться проблемa вст^нов-лення вщносного контрольного допуску, вщ-сутшй загальиий критерш иехтовшл мал ост i похибки квантування ( 4Ду < Аг або 5Aq < Аг ).
Bиклaдений мaтерiaл може стaти основою для дискусп i бути yрaxовaний тд чaс пере-роблення [4] aбо розроблення нового НТД, який реглaментye методи i зaсоби повiрки ЦД У будь-якому випaдкy новий НТД мae бути офiцiйно зaтверджений як нaцiонaльний
стандарт, ураховувати усi особливост будови та нормування МХ ЦВ i не мати супереч-ностей, притаманних розглянутим джерелам. Це дасть можливють уникнути невiрно! iнте-рпретацi! результатiв повiрки та забезпечити виконання операцш з визначення МХ ЦВ у повному обсязь
Л^ература
1. Кончаловский В. Ю. Цифровые измери-
тельные устройства. — М.: Энергоатом-издат, 1985. - 304 с.
2. Любимов Л. И., Форсилова И. Д., Шапи-
ро Е. З. Поверка средств электрических измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 296 с.
3. МИ 118-77. Методика поверки цифровых
вольтметров, аналого-цифровых преобразователей напряжения и комбинированных (универсальных) цифровых приборов постоянного и переменного тока.
4. МИ 1202-86. Методические указания. Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления цифровые. Общие требования к методике поверки.
5. Крюков О. М., Фирчук А. В. Повiрка та
катбрування засобiв вимiрювально! тех-шки вшськового призначення. - Х.: МО Укра!ни, ХУПС, 2005.- 230 с.
Рецензент: Л.В. Назаров, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надiйшла до редакцi! 6 травня 2007 р.
