Сборник докладов конференции

Федеральное Агентство по техническому регулированию и метрологии
ФГУП “ВНИИМС”
ФГУ “Пензенский ЦСМ”
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Сборник докладов III международной
научно-технической конференции
2–6 октября 2006 г.
Пенза
УДК 621.317
Метрологическое обеспечение измерительных систем. / Сборник
докладов III международной научно-технической конференции.
Под ред. А.А. Данилова. – Пенза, 2006. – 218 с.
В сборник включены доклады, представленные на III международной научно-технической конференции “Метрологическое обеспечение
измерительных систем”, состоявшейся 2–6 октября 2006 г. в г. Пенза.
В докладах рассмотрены актуальные вопросы правовой и нормативной базы метрологического обеспечения измерительных систем (ИС), проблемы метрологического обеспечения при эксплуатации ИС, метрологической аттестации программного обеспечения ИС,
а также вопросы разработки новых ИС и их компонентов, информация
об опыте применения и метрологического обслуживания ИС.
 ФГУП “ВНИИМС”, 2006
 ФГУ “Пензенский ЦСМ”, 2006
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ............................. 5
Лукашов Ю.Е. Основные недостатки в части обеспечения
единства измерений, встречающиеся при подготовке
проектов технических регламентов .......................................................... 5
Покатилов А.В. Метрологическая служба оптового рынка
электроэнергии – функции и задачи ......................................................... 7
Тронова И.М. Новые документы по метрологическому
обеспечению АИИС КУЭ ........................................................................ 10
Данилов А.А. О необходимости внесения изменений
в нормативные документы, регламентирующие
метрологическое обеспечение АИИС КУЭ ............................................ 15
Пятов А.Л. Правовая и нормативно-техническая база
метрологического обеспечения измерительных систем,
применяемых в наноиндустрии ............................................................... 17
Данилов А.А. О передаче размера единиц физических величин и
условиях поверки в применении к измерительным системам .............. 27
Злыгостева Г.В., Чухланцева М.М. Современные подходы
к аттестации программного обеспечения средств измерений .............. 32
2. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО
ОБСЛУЖИВАНИЯ ИС ......................................................................... 38
Миронюк Н.Е. О разделении погрешностей измерительных
трансформаторов на систематические и случайные составляющие .... 38
Миронюк Н.Е. О влиянии систематических погрешностей
измерительных каналов АИИС на распределение неучтённых
потерь электроэнергии между субъектами ОРЭ .................................... 45
Гривастов Д.А., Кондаков В.Ю., Крылов В.С., Шейнин Э.М.
Методология разработки МВИ с использованием АИИС
крупных промышленных объектов ......................................................... 50
Ерохин И.В. Автоматизированные информационно-измерительные
системы в жилищно-коммунальном секторе ......................................... 61
3. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО
ОБСЛУЖИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИС ....................................... 74
Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Поверка магнитных расходомеров
без снятия с трубопровода и остановки технологического процесса .. 74
Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Экспериментальное исследование
электромагнитных расходомеров ............................................................ 80
3
Лахов В.М., Вельт И.Д., Фёдоров В.А. О метрологическом
обеспечении расходомеров большого диаметра .................................... 95
Терехина Н.В. Имитационный метод исследования ЭМР
для потоков со сложной кинематической структурой
на базе установки “ПОТОК-Т” .............................................................. 102
Лупей А.Г. О правилах учёта тепловой энергии
и измерении разности масс .................................................................... 106
Осипов Ю.Н. Требования к защите теплосчетчиков от
несанкционированного доступа и методам сохранения
метрологических и эксплуатационных характеристик
при выполнении монтажных работ и эксплуатации ............................ 114
Ильяшенко Е.В., Романов К.К. Средства измерений для контроля
качества электрической энергии и метрологического обеспечения
учёта электрической энергии серии “Ресурс” ...................................... 123
Гиниятуллин И.А., Сергеев С.Р. Новые эталонные
средства измерений производства ООО “НПП Марс-Энерго”
и их применение в электроэнергетике .................................................. 134
Нефедьев Д.И. Метод поверки (калибровки) резистивных
преобразователей больших постоянных токов .................................... 145
4. НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
И ИХ КОМПОНЕНТОВ ...................................................................... 155
Ладугин Д.В. Программно-технический комплекс “ТЕКРОН” ......... 155
Уварова В.А., Роженок Р.М., Артюхина Л.В. Системы
мониторинга технологических и производственных процессов
промышленных предприятий ................................................................ 164
Кондратов В.Т. Избыточные измерений доз ультрафиолетового
облучения и облучения синим светом .................................................. 172
Кондратов В.Т., Редько В.В. Информативно-избыточный сенсор
давления на основе волоконно-оптического преобразователя ........... 186
Бабаян З.А. Разработка и исследование качества оценки
полированности плит на конвейере ...................................................... 202
Ишков А.С. Методика выбора точек при определении петли
гистерезиса в системах измерений магнитных параметров стали ..... 208
Ишков А.С. Вопросы метрологического обеспечения вакуумной
термообработки электротехнической стали ......................................... 214
Бержинская М.В. Методика определения требований к точности
средств измерений при косвенных измерениях ................................... 217
4
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Лукашов Ю.Е.
Основные недостатки
в части обеспечения единства измерений,
встречающиеся при подготовке
проектов технических регламентов
При рассмотрении проектов технических регламентов можно выделить следующие общие недостатки, связанные с реализацией задач
обеспечения единства измерений:
1. В соответствии с п. 11 ст. 7 Федерального закона “О техническом
регулировании” [1] “правила и методы исследований (испытаний) и
измерений, а также правила отбора образцов для проведения исследований (испытаний) и измерений, необходимые для применения технических регламентов, разрабатываются … федеральными органами исполнительной власти в пределах их компетенции в течение шести месяцев со дня официального опубликования технических регламентов и
утверждаются Правительством Российской Федерации”. В ряде случаев для обеспечения выполнения требований технических регламентов
необходимо разработать или выбрать и адаптировать к конкретным
задачам большое количество таких правил и методов. Так, например,
для обеспечения экологической безопасности необходимо разработать
несколько сотен подобных документов. Реализовать такой объем работ
в течение шести месяцев не представляется возможным. При этом не
ясны источники финансирования необходимых работ. Следовательно,
работы по разработке и утверждению правила и методы исследований
(испытаний) и измерений, а также правила отбора образцов целесообразно проводить одновременно с разработкой технического регламента, с выделением соответствующего финансирования. Надо подумать и
над тем, чтобы упростить процедуру их утверждения.
2. В большинстве рассмотренных проектов технических регламентов не содержится упоминания о том, что все измерения, испытания и
контроль, нацеленные на обеспечение требований технических регламентов включаются в сферу государственного регулирования и должны соответствовать положениям Закона РФ “Об обеспечении единства
измерений” [2].
3. Во всех случаях, когда речь идет о количественных требованиях,
установленных техническим регламентом и подлежащих оценке с помощью измерений, испытаний, контроля должны быть установлены
минимальные требования к показателям достоверности информации,
5
полученной с помощью указанных процедур. Это возможно и целесообразно сделать на этапе разработки технического регламента, поскольку эти требования к достоверности определяются, исходя из
оценки возможного наносимого ущерба.
4. В отдельных случаях используется некорректная терминология,
например бытовой термин “объем”, используется для обозначения и
собственно объема и суммарной массы и вообще общего количественного выражения любого показателя. Во избежание неоднозначного
понимания требований технического регламента, необходимо уточнить, что конкретно подлежит нормированию и контролю в каждом
отдельном случае.
5. Встречается и ряд других недостатков, носящих более-менее локальный характер. Их своевременное выявление и устранение требует
проведения содержательной метрологической экспертизы. При этом
объем подвергаемых экспертизе документов должен соответствовать
срокам её проведения. Провести тщательную экспертизу документа
объемом в 500 страниц за неделю не представляется возможным. Было
бы целесообразно организовать взаимодействие метрологов и специалистов, осуществляющих разработку технического регламента на всех
этапах разработки документа.
Литература
1. Закон РФ N 184-ФЗ “О техническом регулировании” от 27 декабря 2002 г.
2. Закон РФ №4871-1 “Об обеспечении единства измерений”
от 23 апреля 1993 г.
Автор
Лукашов Юрий Евгеньевич – начальник отдела ФГУП “ВНИИМС”, к.т.н.,
доцент
Россия, 119361, Москва, Озерная, 46
www.vniims.ru
Тел. (495) 437-32-10
E-mail: luksh103@vniims.ru
6
Покатилов А.В.
Метрологическая служба
оптового рынка электроэнергии – функции и задачи
1. Нормативная база (основные документы)
Основными документами, которые в настоящее время определяют
функционирование оптового рынка электроэнергии, создание и модернизацию автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учета электрической энергии, а также роль и место метрологического обеспечения являются:
– Закон РФ от 27 апреля 1993 г. № 4871-1 “Об обеспечении единства измерений”
– Федеральный закон “Об электроэнергетике” (от 26.03.2003 г.
№ 35-ФЗ);
– Постановление Правительства РФ от 31 августа 2006 г. №529
“О совершенствовании порядка функционирования оптового рынка
электрической энергии (мощности)”;
– Постановление Правительства РФ от 31 августа 2006 г. №530
“Об утверждении Правил функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики”;
– Положение о порядке получения статуса субъекта оптового рынка и ведения реестра субъектов оптового рынка, утверждено решением
Наблюдательного совета НП “АТС”14 июля 2006 г.;
– Договор о присоединении к торговой системе оптового рынка,
утвержден решением Наблюдательного совета НП “АТС” от
14 июля 2006 г.
Основные процедуры, выполняемые при метрологическом обеспечении на оптовом рынке, приведены на рис. 1.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ
МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
НА ОРЭ
Проведение
метрологической
экспертизы
разрабатываемого
технического
задания
и проектной
документации
(п. 6.1 ГОСТ Р 8.596)
Измерение
электроэнергии
на базе
аттестованных
методик выполнения
измерений
(Ст. 9 Закона РФ
«Об обеспечении
единства измерений»)
Утверждение
типа средств
измерений,
внесение
в Гос. реестр
средств
измерений
(п. 7.1.2
ГОСТ Р 8.596)
Рис. 1
7
Приемка,
поверка и
контроль
на этапе
внедрения и
эксплуатации
(п. 8 ГОСТ Р 8.596)
Для выполнения этих процедур и в целях исполнения требований
ст. 11 ФЗ “Об обеспечении единства измерений” в НП “АТС” была
создана метрологическая служба. В настоящее время метрологической
службой НП “АТС” проводятся следующие работы:
а) Проверка и занесение в архив методик выполнения измерений (МВИ). Архив в настоящее время содержит 236 МВИ. Из них
79 МВИ прошли платную экспертизу на соответствие требованиям
оптового рынка. 149 МВИ предоставлены в рамках установления соответствия, из них прошли экспертизу на соответствие требованиям ОРЭ
46 МВИ. МВИ используются при установлении соответствия, присоединении к модели измерений, сборе ежедневных и ежемесячных результатов измерений.
Типовые недостатки, выявленные в результате проведения экспертиз МВИ:
– отсутствие замещающих методов измерений, необходимых для
выполнения измерений на ОРЭ при выходе из строя измерительных
комплексов;
– отсутствие описания системы обеспечения единого времени в системе и расчета погрешности измерений времени с учетом задержки в
каналах связи;
– неверно рассчитанные погрешности измерений количества активной и реактивной электроэнергии;
– неправильное определение алгоритмов приведения результатов
измерений от точки измерений к точке поставки и др.
б) В соответствии с аккредитацией метрологической службы
НП “АТС”, началась процедура аттестации МВИ. В настоящее время
заключены договоры по аттестации 2-х МВИ.
в) В рамках процедуры надзора за аттестованными МВИ, проведен
контроль точности результатов измерений, передаваемых в ИАСУ КУ
двумя смежными субъектами. При этом на одном сечении счетчики
двух субъектов были установлены на общих измерительных трансформаторах тока и напряжения.
г) В соответствии с аккредитацией метрологической службы
НП “АТС”, началась процедура метрологической экспертизы технической документации. Проведена метрологическая экспертиза и выданы
заключения по трем техническим заданиям и пяти технорабочим проектам АИИС.
д) В рамках процедуры осуществления метрологического надзора
за состоянием и применением средств измерений у субъектов оптового
рынка, соблюдением метрологических правил и норм, нормативных
документов по обеспечению единства измерений проведены испытания с целью установления соответствия требованиям оптового рынка
8
с учетом метрологических требований 65 АИИС. Проведены проверки
45 АИИС, принятых в промышленную эксплуатацию.
2. Новые нормативные документы по АИИС КУЭ:
– МИ 2999-2006 “ГСИ Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электрической энергии.
Рекомендации по составлению описания типа”.
– МИ 3000-2006 “ГСИ Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электрической энергии.
Типовая методика поверки”.
– МИ ХХХХ ГСИ “Системы автоматизированные информационноизмерительные коммерческого учета электрической энергии. Типовая
методика выполнения измерений”.
– МИ ХХХХ ГСИ “Системы автоматизированные информационноизмерительные коммерческого учета электрической энергии. Рекомендации по составлению программы и методики испытаний с целью
утверждения типа”.
Автор
Покатилов Александр Васильевич – Начальник отдела метрологии – Главный метролог НП “АТС”, к.т.н.
Россия, 123610, Москва, Краснопресненская наб., 12, под. 7. www.np-ats.ru
Тел. (495) 967-00-05 Факс (495) 967-00-22
E-mail: pav@rosenergo.com
9
Тронова И.М.
Новые документы
по метрологическому обеспечению АИИС КУЭ
Интенсивное оснащение электроэнергетики автоматизированными
информационно-измерительными системами коммерческого учета
электроэнергии (АИИС КУЭ) привело к соответствующему увеличению объемов работ по испытаниям этих систем с целью утверждения
типа. Эти работы ныне выполняются многочисленными организациями, в том числе не входящими в Государственную метрологическую
службу. Естественно, документация, поступающая в Федеральное
агентство по техническому регулированию и метрологии, прежде всего, описания типа (для Государственного реестра средств измерений) и
методики поверки, различаются как по содержанию, так и по оформлению, что создает известные трудности как при проведении экспертизы сотрудниками ВНИИМС, так и рассмотрении этой документации на
Научно-технической комиссии (НТК) по метрологии. В связи с этим,
Агентством была поставлена задача по разработке рекомендаций по
составлению описаний типа и методик поверки. Эти рекомендации [1, 2] были разработаны и утверждены Агентством в июле 2006 г.
после рассмотрения на НТК. Помимо ВНИИМС активное участие в
разработке рекомендаций приняли ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
(С.-Петербург) и УНИИМ (Екатеринбург).
Структура описания, порядок расположения и наименование разделов, предусмотренные Рекомендацией [1], полностью соответствуют
требованиям [3]. Конкретизация требований этого документа, связанная с АИИС КУЭ, сводится к следующему.
Для АИИС КУЭ применяется процедура утверждения типа единичных экземпляров. Поэтому описание типа должно содержать конкретную информацию о структуре и составе измерительных каналов (ИК) системы, вплоть до указания места расположения и серийных
номеров измерительных компонентов, образующих ИК.
Учитывая, что в процессе эксплуатации АИИС КУЭ возможны замены по тем или иным причинам отдельных измерительных компонентов, Рекомендация [1] предусматривает возможность такой замены
без переоформления сертификата утверждения типа на АИИС КУЭ
при соблюдении следующих условий. Замена стандартизованных измерительных компонентов (измерительных трансформаторов тока и
напряжения, счетчиков электроэнергии) на однотипные тех же классов
точности, либо на измерительные компоненты иных типов, более высокого класса точности, если они внесены в Государственный реестр
средств измерений. Для нестандартизованных устройств сбора и передачи данных (УСПД) предусмотрена замена только на однотипные.
10
Замена на измерительные компоненты более высоких классов точности без переоформления сертификата утверждения типа предусматривает сохранение в описании типа прежних метрологических характеристик ИК, хотя в действительности такой ИК обладает улучшенными
свойствами. Рекомендация содержит указания по оформлению замены
измерительных компонентов без переоформления сертификата утверждения типа АИИС КУЭ. Внесение в описание типа улучшенных метрологических характеристик ИК требует переоформления сертификата
утверждения типа.
Описание типа не должно подменять соответствующие разделы
технической документации на АИИС КУЭ. Поэтому в Рекомендации [1] подчеркивается, что в описании типа следует включать только
основные функции, параметры и конструктивные особенности
АИИС КУЭ. В качестве метрологических характеристик ИК, отражаемых в описании типа, [1] предусматривает характеристики основной
погрешности ИК и его погрешности в рабочих условиях применения.
Конечно, нормальные условия для ИК АИИС КУЭ есть некоторая
условность, но характеристики основной погрешности, рассчитанные
для одних и тех же условий для различных АИИС КУЭ, позволяют
сопоставить свойства ИК различных систем без учёта влияния реальных условий эксплуатации на погрешность ИК. В [1] рекомендуется
значение коэффициента мощности, соответствующего нормальным
условиям, принимать равным 0,9 инд.
Следует отметить, что в описаниях типа представляемых различными организациями, допускаются терминологические неточности.
В частности, нередко вместо “границ интервала погрешности для вероятности 0,95” пишут “пределы допускаемой погрешности”, хотя
количественные данные приводятся именно для указанных границ.
Особое внимание в [1] уделено описанию организации системного
времени, поскольку конкретные описания типа содержат, как правило,
недостаточную информацию об этой функции системы. Рекомендация
предусматривает указание числа ступеней коррекции системного времени и их соподчиненности, типа устройства синхронизации системного времени (УССВ) и источника радиосигналов точного времени.
Для каждой ступени коррекции необходимо указывать периодичность
сличения времени корректируемого и корректирующего компонентов
и предел допускаемого расхождения времени корректируемого и корректирующего компонентов, по достижении которого производится
корректировка времени. Факт корректировки времени должен отражаться в журнале событий с обязательным указанием расхождения
времени в секундах корректируемого и корректирующего компонентов в момент непосредственно предшествующий корректировке или
времени (включая секунды) часов корректируемого и корректирующе11
го компонентов в тот же предшествующий корректировке момент
времени.
В приложении к Рекомендации приведен пример описания типа,
составленного в соответствии с требованиями [1].
В основу рекомендации [2] положены документы [4, 5]. Поверка
АИИС КУЭ сводится к поверке каждого ИК, входящего в состав системы. По общеизвестным причинам сквозная поверка ИК АИИС КУЭ
затруднительна, поэтому в качестве основного способа поверки принят
покомпонентный (поэлементный способ). Таким образом, поверка
АИИС КУЭ заключается в поверке измерительных компонентов, входящих в состав ИК, и проверке соблюдения общесистемных требований, в частности, проверке правильности функционирования измерительных компонентов в составе системы.
В [2] рекомендуется устанавливать межповерочный интервал для
АИИС КУЭ не более 4-х лет. Измерительные компоненты поверяют с
межповерочным интервалом, установленным при утверждении их типа. Естественно, возникает вопрос о согласовании межповерочных
интервалов АИИС КУЭ и её измерительных компонентов. При разработке [2] были предложения “синхронизировать” поверку измерительных компонентов с поверкой АИИС КУЭ, т.е. выполнять эти процедуры одновременно. Такое решение было бы экономически неоправданным.
Рекомендация [2] при решении вопроса о межповерочных интервалах исходит из следующих принципов:
1. В любой момент времени функционирования АИИС КУЭ свидетельства о поверке на систему и все измерительные компоненты должны быть действующими (непросроченными).
2. Выдавать свидетельство о поверке на систему не допускается,
если в ее составе имеются измерительные компоненты, срок поверки
которых истек.
3. Допускается совмещать первичную поверку с испытаниями системы с целью утверждения типа единичного экземпляра.
4. Если очередной срок поверки измерительного компонента
наступает до очередного срока поверки АИИС КУЭ, поверяется только
этот компонент и поверка АИИС КУЭ не проводится. После поверки
измерительного компонента и восстановления ИК выполняется проверка ИК в той его части и в том объеме, который необходим для того,
чтобы убедиться, что действия, связанные с поверкой измерительного
компонента, не нарушили метрологических свойств ИК (схема соединения, коррекция, времени и т.п.).
12
5. Внеочередную поверку АИИС КУЭ проводят после ремонта системы, замены её измерительных компонентов, аварий в энергосистеме, если эти события могли повлиять на метрологические характеристики ИК. Допускается подвергать поверке только те ИК, которые
подвергались указанным выше воздействиям, при условии, что собственник АИИС КУЭ подтвердит официальным заключением, что
остальные ИК этим воздействиям не подвергались. В этом случае может быть оформлено дополнение к свидетельству о поверке системы с
соответствующей отметкой в основном свидетельстве.1
В число операций по поверке АИИС КУЭ входят проверка функционирования в составе системы, проверка защиты от несанкционированного доступа измерительных (измерительные трансформаторы,
счетчики электроэнергии, УСПД) и вспомогательных (мультиплексоры, модемы и др.) компонентов системы, а также линий связи между
ними. Определяются также ряд параметров в реальных условиях эксплуатации, значение которых влияет на метрологические характеристики измерительных компонентов (нагрузка на вторичные цепи измерительных трансформаторов напряжения и тока), либо они являются
источниками соответствующих составляющих погрешности ИК (падение напряжения в линиях связи между вторичной обмоткой трансформатора напряжения и счетчиком). Определение этих параметров должно осуществляться по аттестованным методикам выполнения измерений соответствующих параметров. Допускается для определения этих
параметров использовать косвенные расчетные или расчетноэкспериментальные методы, например, определять падение напряжения в линии связи путем измерений силы электрического тока и расчета сопротивления линии связи по её геометрическим параметрам и
справочным значениям удельного сопротивления материала, из которого изготовлена линия связи.
Проверка погрешности системного времени включает в себя проверку работы УССВ по сигналам точного времени и проверку системы
коррекции времени измерительных компонентов, содержащих таймеры (счетчики электроэнергии, УСПД, сервер центрального процессора). Проверка системы коррекции времени основана, прежде всего, на
анализе распечаток журналов событий, в которых должны быть отражены данные, указанные выше при рассмотрении [1].
1
Примечание редактора:
К сожалению, как дополнение к свидетельству о поверке, так и проставление каких-либо
отметок в “основном” свидетельстве о поверке не предусмотрены Правилами по метрологии ПР 50.2.006.
13
В число “системных” проверок входит также проверка отсутствия
ошибок информационного обмена, предусматривающая экспериментальное подтверждение идентичности числовой измерительной информации в счетчиках электрической энергии (исходная информация),
УСПД и памяти центрального сервера.
По положительным результатам поверки АИИС КУЭ оформляется
свидетельство о поверке системы в целом, в приложении к которому
приводится перечень ИК, на которые распространяется свидетельство.
Литература
1. МИ 2999-2006 “ГСИ. Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электроэнергии. Рекомендации по составлению описания типа”.
2. МИ 3000-2006 “ГСИ. Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электроэнергии. Типовая
методика поверки”.
3. МИ 2646-2001 “ГСИ. Описание типа средств измерений для Государственного реестра, порядок построения и общие требования к изложению и оформлению”
4. РМГ 51-2001 “ГСИ. Документы на методики поверки средств
измерений. Основные положения”
5. ГОСТ Р 8.596-2002 “ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения”
Автор
Тронова Ирина Михайловна – начальник отдела ФГУП “ВНИИМС”
Россия, 119361, Москва, ул. Озерная, 46 www.vniims.ru
Тел. (495) 430-57-25
E-mail: 201-vm@vniims.ru
14
Данилов А.А.
О необходимости внесения изменений
в нормативные документы, регламентирующие
метрологическое обеспечение АИИС КУЭ
Побуждением к написанию настоящей статьи послужили Рекомендации [1, 2], утверждённые в июне 2006 г., в которые, по мнению автора, необходимо внести некоторые изменения.
1. В разделе 4 Рекомендаций [1] в описании типа единичных экземпляров АИИС КУЭ предлагается указывать не только тип компонентов, входящих в состав АИИС КУЭ, но и их заводские номера. Очевидно, что такая жёсткая регламентация приводит к невозможности
замены отдельных компонентов АИИС КУЭ на однотипные (имеющих, разумеется, другие заводские номера) без последующего утверждения типа АИИС КУЭ.
Считаю целесообразным исключить указание заводских номеров в
описании типа АИИС КУЭ, т.к. вполне достаточно указания заводских
номеров компонентов в свидетельстве о поверке АИИС КУЭ.
2. В разделе 1 Рекомендаций [2] указано, что “первичную поверку
систем выполняют после проведения испытаний АИИС КУЭ с целью
утверждения типа. Допускается совмещение операций первичной поверки и операций, выполняемых при испытаниях типа”.
Следует отметить, что указанное совмещение предусмотрено пунктом 1.10 Правил по метрологии ПР 50.2.009 [3], в соответствии с которым проведение первичной поверки образцов средств измерений,
предъявленных на испытания для целей утверждения типа, не предусмотрено. При этом на образцы средств измерений, прошедшие испытания для целей утверждения типа с положительными результатами,
должно быть оформлено свидетельство о поверке.
Считаю целесообразным конкретизировать это положение: свидетельство о поверке может быть оформлено лишь после регистрации
типа средства измерений в Государственном реестре СИ. В противном
случае (когда дата оформления свидетельства о поверке будет раньше
даты выдачи сертификата об утверждении типа) свидетельство о поверке с юридической точки зрения будет не легитимным.
3. В разделе 3 Рекомендаций [2] в качестве средств поверки рекомендуется применять “радиоприемник, настроенный на радиостанцию,
передающую сигналы точного времени”. При этом пределы допускаемой погрешности измерений времени АИИС КУЭ составляют ±5 с/сут.
Вместе с тем, в извещении Института метрологии времени и пространства ФГУП “ВНИИФТРИ” от 10 марта 2006 г. № Г-85 [4] указано, что “задержка при передачах сигналов проверки времени через
15
радиовещательные станции “Маяк” и “Радио России” может достигать (3-4) с”. Если бы указанные задержки были постоянными, то, такие сигналы можно было бы использовать для проверки погрешности
измерений времени. В условиях же неустановленных норм на значения
задержек использовать указанные сигналы точного времени недопустимо, т.к. нарушается единство измерений.
Считаю целесообразным внести изменения как в МИ 3000-2006 [2],
так и в действующие методики поверки СИ (в том числе и АИИС
КУЭ), зарегистрированные в Государственном реестре СИ, в которых
в качестве средства поверки используется “радиоприемник, настроенный на радиостанцию, передающую сигналы точного времени”.
4. В пунктах 4.2, 4.3 Рекомендаций [2], устанавливающих требования к персоналу, указывается, что отдельные операций поверки (измерение вторичной нагрузки трансформаторов тока и напряжения) могут
быть выполнены персоналом, не аттестованным в качестве поверителей средств измерений, что противоречит требованиям ПР 50.2.006 [5].
5. В ряде пунктов тех же Рекомендаций [2] допускается не проводить ряд экспериментальных проверок, заменив их рассмотрением
паспортов-протоколов, оформленных до проведения поверки персоналом, неаттестованным в качестве поверителей, т.е. документов неопределённого статуса, которые могут рассматриваться не более, чем
приёмка продукции ОТК предприятия.
Считаю целесообразным проводить хотя бы выборочную (до 10%)
экспериментальную проверку результатов, зафиксированных в паспортах-протоколах с последующим принятием решения о возможности их признания.
Литература
1. МИ 2999-2006 “ГСИ. Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электроэнергии. Рекомендации по составлению описания типа”.
2. МИ 3000-2006 “ГСИ. Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электроэнергии. Типовая
методика поверки”.
3. ПР 50.2.009-94. “Правила по метрологии. Порядок проведения
испытаний и утверждения типа средств измерений”.
4. Бюллетень ФГУП “ВНИИФТРИ” Г-85 от 10 марта 2006 г.
5. ПР 50.2.006-94. “Правила по метрологии. Порядок проведения
поверки средств измерений”.
Автор
Данилов Александр Александрович – зам. директора ФГУ “Пензенский ЦСМ”, д.т.н., профессор
Россия, 440028, Пенза, ул. Комсомольская, 20
www.pcsm.sura.ru
Тел. (841-2) 49-51-90, факс 49-82-63, 49-85-00
E-mail: danilov@sura.ru
16
Пятов А.Л.
Правовая и нормативно-техническая база
метрологического обеспечения
измерительных систем,
применяемых в наноиндустрии
“Наноиндустрия” [1] – вид деятельности по созданию продукции
на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.
Под нанотехнологиями подразумевается:
– понимание и управление сущностью и процессами в масштабе
нанометра, как правило, но не исключительно, менее 100 нанометров в
одном или более измерениях, где ввод в действие зависящего от размеров явления дает возможность новых применений;
– использование свойств материалов в нанометрическом масштабе,
которые отличаются от свойств индивидуальных атомов, молекул и
веществ в объеме, для создания более совершенных материалов, приборов и систем, применяющих эти новые свойства.
Нанотехнологии предопределяют специфику объектов исследования и выдвигают в качестве первоочередной задачу обеспечения единства измерений геометрических параметров объекта в нанометровом
диапазоне. Это привело к рождению и развитию нанометрологии [1],
в которой обеспечению единства измерений параметров нанообъектов
принадлежит ведущая и основополагающая роль.
Нанотехнологии оперируют с объектами нанометровой протяженности, что обусловливает необходимость обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. Метрология линейных
измерений в нанометровом диапазоне присутствует в подавляющем
большинстве методов и средств измерений физико-химических параметров и свойств нанообъектов. При этом особую важность приобретают вопросы, касающиеся аттестации методик выполнения измерений (МВИ), поверки и калибровки средств измерений, которые являются сложными и высокоточными измерительными системами, хранения и передачи размера единицы физической величины в нанометровый диапазон, характеризующийся специфическими особенностями.
Измерения в нанометровом диапазоне и обработка их результатов
невозможна без создания системы базисных эталонов в нанотехнологиях, применяющих современные измерительные системы с соответствующим программным обеспечением.
Также невозможно решить задачи обеспечения единства измерений
в нанометровом диапазоне без создания правовой и нормативнотехнической базы метрологического обеспечения измерительных систем, применяемых в наноиндустрии.
17
Особенностью нанотехнологий является их межотраслевой характер, при котором одно и то же явление, обусловленное масштабным
эффектом, может быть использовано в различных сферах: создание,
исследование и производство новых материалов, материаловедение,
информационно-телекоммуникационные и космические технологии,
медицина, фармакология, сельское хозяйство, экология и др.
В настоящее время различные исследовательские, технологические
и измерительные подходы и методы, используемые разными отраслевыми научно-производственными центрами, а также отсутствие стандартизованной терминологии и систематизированной нормативной
базы ведут к разобщённости, затрудняют обмен передовым опытом и
внедрение достижений в смежных отраслях. Мощным объединяющим
началом в создании и внедрении нанотехнологий должна стать нанометрология, носящая междисциплинарный характер, и соответствующая правовая и нормативно-техническая база для обеспечения единства измерений в нанометровом диапазоне.
В 2006 г. специалисты ОАО “НИЦПВ”, как организации, ведущей
секретариат ТК 441 “Наукоемкие технологии”, который включает подкомитеты (ПК) по вопросам нанотехнологий, в инициативном порядке
разработали проекты следующих национальных стандартов:
– “ГСИ. Меры рельефные нанометрового диапазона. Общие требования”;
– “ГСИ. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки”;
– “ГСИ. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки”;
– “ГСИ. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки”.
Утверждение указанных стандартов планируется до конца 2006 г.
Утверждение национальных стандартов, определяющих общие
требования к мерам рельефным нанометрового диапазона, как нанообъектам – носителям метрологических характеристик, и методики
поверки для их применения в области нанометрологии является лишь
первым шагом в стандартизации требований к средствам измерений
в нанометровом диапазоне, создании правовой и нормативнотехнической базы метрологического обеспечения измерительных систем, применяемых в наноиндустрии.
Все нормативные документы, приведённые в Указателе нормативных документов в области метрологии и в табл. 1, регламентируют
процедуры методик поверки оптических микроскопов, применяемых
для измерений в микрометровом диапазоне, и не могут применяться
для метрологического обеспечения измерительных систем наноиндустрии.
18
Как видно из табл. 1 методики поверки микроскопов, разрабатывались с конца 50-х годов и последняя методика поверки МИ 2256-93
была зарегистрирована 13 лет назад.
Таблица 1
Вид
НД
ГОСТ
Номер
Наименование
Группа
8.003-83
Т88.1.
МУ
314
И
И
147-58
278-65
МИ
36-75*
МИ
100-76
МИ
236-81
МИ
701-85
МИ
734-85
МИ
2256-93
ГСИ. Микроскопы инструментальные.
Методы и средства поверки
По поверке отсчетных микроскопов
типа МИР-2
По поверке двойных микроскопов
По поверке измерительных микроскопов типа МИ-1
ГСИ. Методика поверки отсчетных
микроскопов типа МПБ-2
ГСИ. Методика поверки отсчетных
микроскопов типа МПВ-1
ГСИ. Микроскопы универсальные
УИМ-21, УИМ-23, УИМ-29. Методы и
средства поверки
ГСИ. Однообъективный растровый измерительный микроскоп ОРИМ-1. Методика поверки
ГСИ. Микроскоп измерительный упрощенный МИР-3. Методика поверки
ГСИ. Микроскоп конфокальный. Методика поверки
Т88.1.
Т88.1.
Т88.1.
Т88.1.
Т88.1.
Т88.1.
Т88.1.
Т88.1.
Т88.10.
В то время, когда были разработаны указанные НД, о нанотехнологиях и наноиндустрии ещё никто не думал.
Первой страной, оценившей возможности нанотехнологии, стали
Соединенные Штаты Америки, где в феврале 2000 г. была принята
научно-техническая программа под названием “Национальная технологическая инициатива” [2], рассчитанная на 20 лет.
Следом за США разработкой нанотехнологий занялась Япония.
В 2001 г. была разработана национальная научно-техническая программа “Нанотехнология и будущее общество. n-Plan21”.
В России была принята Федеральная целевая научно-техническая
программа “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы с разделом “Индустрия наносистем. Материалы”.
19
ОАО “НИЦПВ” для метрологического обеспечения наноиндустрии
в 2003-2004 г.г. были разработаны методики калибровки измерительных систем, предназначенных для измерений линейных размеров (периода, шага, ширины линии, высоты ступени), микро- и нанорельефа
поверхности твердотельных структур, растровых электронных микроскопов (РЭМ) и сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), а также
измерительных систем на их основе.
Для применения указанных и других измерительных систем в
нанометровом и прилегающему к нему диапазонах ОАО “НИЦПВ”
были разработаны МВИ линейных размеров топологии микрорельефа
поверхности твердотельных материалов с помощью РЭМ, СЗМ и просвечивающего электронного микроскопа EM430 ST.
ОАО “НИЦПВ”, в рамках Межгосударственной программы “Создание эталонов единицы длины нового поколения в диапазоне 10–10 –
10–6 м на 2002 – 2006 годы”, реализуемой под эгидой Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации
(МГС) Содружества Независимых Государств (СНГ) в рамках работ
Научно-технической комиссии по метрологии (НТКМетр), провел
комплекс исследований и работ по созданию эталонного комплекса
нового поколения на основе растровой электронной и сканирующей
зондовой микроскопии, обеспечивающий воспроизведение и передачу
единицы длины в диапазоне 10–9–10–4 м с неопределённостью 0,5–3
нм.
В рамках программы разработаны:
– проект концепции измерений геометрических параметров объектов и структур нанометрового диапазона с целью обеспечения единства измерений в нанотехнологиях и передачи размера единицы длины
в диапазоне 10–9–10–4 м;
– технология передачи размера единицы длины в диапазоне 10–9–10–4 м растровым электронным микроскопом (РЭМ) и сканирующем зондовым микроскопом (СЗМ) – основным средствам линейных измерений используемых в нанотехнологиях;
– методики поверки (калибровки) растровых электронных микроскопов (РЭМ) и сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ);
– меры ширины и периода специальные (МШПС-2.0К) нанометрового диапазона для передачи размера единицы длины в диапазоне 10–9–10–4 м.
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники
в Российской Федерации, утвержденные Президентом Российской Федерации 21 мая 2006г. (№ Пр-843), и решения Правительства Российской Федерации, принятые на заседании 7 сентября 2006г., о завершении до 1 октября 2006 г. разработки федеральной целевой программы
“Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации”
20
на 2007-2010 годы и необходимых мерах по развитию нанотехнологий
в Российской Федерации ставят задачу формирования приборноинструментальной базы мирового уровня для проведения исследований и разработок в области нанотехнологий и наноматериалов, развития приборного оснащения на системной основе создаваемой национальной нанотехнологической сети.
ОАО “НИЦПВ” и Ростехрегулированием разработан и предлагается для принятия НТКМетр и МГС проект Межгосударственной программы по созданию эталонов единицы длины в области нанометрии
на 2007–2009 г.г.
Одновременно, в рамках “Евроазиатского сотрудничества государственных метрологических учреждений” (далее – КООМЕТ),
ОАО “НИЦПВ” координирует тему 305/RU/04 “Метрологическое
обеспечение нанотехнологий”.
В настоящее время подтвердили свое желание участвовать в теме
КООМЕТ: Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ – как координатор), Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова (ИК РАН), Московский физикотехнический институт (МФТИ), Московский институт стали и сплавов
(МИСиС), Государственный институт редкометаллической промышленности (Гиредмет), Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ), Научно-исследовательский
институт акусто- и пьезоэлектроники (ОАО “Элпа”), Молекулярные
приборы и инструменты для нанотехнологий (ЗАО “НТ-МДТ”).
Все вышеперечисленные участники темы – Россия. Планируется
также участие ведущих национальных метрологических институтов –
Государственных научных метрологических центров.
Из зарубежных организаций изъявили желание участвовать в теме
КООМЕТ: Белорусский государственный институт метрологии (БелГИМ) и Государственный центр “Белмикроанализ” – Беларусь, Национальный научный центр “Институт метрологии” – Украина, Физикотехнический институт (РТВ), Германия и Словацкий метрологический институт (СМУ), Словакия.
В соответствии со Статьей 11 Федерального закона “О техническом регулировании” [5], определившей цели стандартизации, “стандартизация осуществляется в целях:
– повышения уровня безопасности жизни или здоровья граждан,
имущества физических или юридических лиц, государственного или
муниципального имущества, экологической безопасности, безопасности жизни или здоровья животных и растений и содействия соблюдению требований технических регламентов;
21
– повышения уровня безопасности объектов с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера;
– обеспечения научно-технического прогресса;
– повышения конкурентоспособности продукции, работ, услуг;
– рационального использования ресурсов;
– технической и информационной совместимости;
– сопоставимости результатов исследований (испытаний) и измерений, технических и экономико-статистических данных;
– взаимозаменяемости продукции”.
Сопоставимость результатов исследований (испытаний) и измерений, проводимых ОАО “НИЦПВ” и участниками работ по теме
305/RU/04 “Метрологическое обеспечение нанотехнологий” и по программе МГС по созданию эталонов единицы длины нового поколения
имеет большое значение.
Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС) создан в качестве межправительственного органа
СНГ при заключении “Соглашения о проведении согласованной политики в области стандартизации, метрологии и сертификации” [6] от
13 марта 1992 г., для координации работ в области стандартизации,
метрологии и сертификации.
Создание эталонов единицы длины нового поколения для метрологического обеспечения наноиндустрии в рамках СНГ требует разработки Межгосударственной рекомендации (РМГ) для проведения сличений эталонов России, Беларуси и Украины. Ведущие организации
этих стран в области нанотехнологий и метрологии участвуют также в
работах по теме 305/RU/04 КООМЕТ “Метрологическое обеспечение
нанотехнологий”. Учитывая, что государств в этой региональной метрологической организации намного больше, чем в МГС, а также интерес Германии и Словакии к теме, для проведения сличений эталонов
единицы длины нанометрового диапазона целесообразно придать РМГ
статус Рекомендации КООМЕТ.
Под эгидой Метрической конвенции [7] в 1999г. начата программа
по укреплению доверия к компетентности национальных метрологических институтов (НМИ). Для достижения поставленной цели заинтересованным НМИ было предложено сформулировать свои измерительные возможности, принять участие в международных сравнительных
измерениях, а также создавать и поддерживать системы качества.
Исходя из этих положений МКМВ было разработано “Соглашение
о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими
институтами” [8] (МКМВ-MRA), которое было подписано руководи22
телями 38 НМИ и двумя международными организациями 14 октября 1999 г. во время ХХ Генеральной Конференции по Мерам и Весам.
23
В Цели MRA входит:
– установление уровня эквивалентности национальных эталонов,
хранимых НМИ;
– обеспечение взаимного признания калибровочных и измерительных сертификатов, выдаваемых НМИ;
– обеспечение технической основы странам-участницам для заключения международных договоров в области торговли и контроля.
В соответствии с этим, в рамках MRA осуществляются следующие
виды работ:
– международные сличения национальных эталонов, широко известные как ключевые сличения;
– вспомогательные сличения результатов измерений;
– сертификация систем качества и/или другие виды работ, обеспечивающих признание компетентности НМИ.
Результаты работ, осуществляемых в MRA, публикуются в сети
Интернет в виде базы данных по измерительным возможностям каждого НМИ. Международное бюро мер и весов (МБМВ) отвечает за
общую координацию, консультативный комитет МКМВ и региональные метрологические организации отвечают за проведение ключевых
дополнительных сличений, а Объединенный комитет региональных
метрологических организаций (РМО) и МБМВ несут ответственность
за анализ и составление базы данных калибровочных и измерительных
возможностей, представленных НМИ.
Учитывая общую цель МБМВ и Международной Организации по
Законодательной Метрологии (МОЗМ) в создании Глобальной системы измерений, для достижения которой обе международные метрологические организации решают свои задачи, становится очевидным
необходимость в дальнейшем для нормативного обеспечения нанометрологии на более широком международном уровне разработать международные рекомендации (МР) МОЗМ для измерительных систем,
применяемых в наноиндустрии.
Известный отечественный ученый- метролог, вице-президент
Международного Комитета Законодательной Метрологии (руководящего органа МОЗМ) профессор Л.К. Исаев констатировал в своей статье [9], что “создание и доступность Глобальной системы измерений
безусловно связаны с существованием как международной, так и региональных инфраструктур, основанных на национальных системах измерений”.
Правовая и нормативно-техническая база метрологического обеспечения измерительных систем, применяемых в наноиндустрии должна стать элементом инфраструктуры Глобальной системы измерений.
При этом в работах по нормативному обеспечению наноиндустрии,
нельзя обойти вниманием деятельность по стандартизации в рамках
24
Международной организации по стандартизации (ИСО) – International
Standardization Organization (ISO).
В 2005 г. по предложению Британской организации по стандартизации (BSI) по созданию технического комитета по стандартизации
(ТК) в области нанотехнологий создан Технический комитет ИСО/ТК
229 «Нанотехнологии». Первое инаугурационное заседание ИСО/ТК
229 организовано и проведено в Лондоне с 9 по 11 ноября 2005г. Британской организацией по стандартизации (BSI), которая взяла на себя
ведение секретариата нового ТК. На заседании с правами участников
присутствовали представители 24 стран-членов ИСО и представители
8 стран присутствовали на заседании в качестве наблюдателей.
Участниками 1-го заседания ИСО/ТК 229 были представители Австралии, Бельгии, Германии, Дании, Израиля, Италии, Канады, Китая,
Республики Корея, США, Франции, Швейцарии, Швеции и Японии.
Перед ИСО/ТК 229 участниками поставлены задачи разработки
стандартов по следующим направлениям стандартизации:
– терминология и номенклатура;
– метрология и оснащение приборами, включая требования к стандартным образцам;
– методики испытаний;
– моделирование и макетирование;
– медицина, безопасность и воздействие на окружающую среду.
Генеральный секретарь ИСО Алан Бриден так прокомментировал
успехи 1-го заседания Технического комитета 229: “Продуктивность
первого заседания ИСО/ТК 229 дает большие надежды на его успешную работу в будущем, от которой следует ожидать значительных достижений в части внедрения и распространения инноваций в этом перспективном технологическом направлении” [10].
В ИСО/ТК 229 на первом заседании организованы рабочие группы
(РГ):
– РГ 1 Терминология и номенклатура – секретариат ведет Канада;
– РГ 2 Измерения и исследования – секретариат ведет Япония;
– РГ 3 Здоровье, безопасность и окружающая среда – секретариат
ведут США.
Очевидно, что реализация задач, определенных в Приоритетных
направлениях развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных Президентом Российской Федерации 21 мая
2006г. (№ Пр-843), и в проекте Федеральной целевой программы “О
развитии нанотехнологий в Российской Федерации” по формированию
приборно-инструментальной базы мирового уровня в области нанотехнологий невозможна без создания, в сотрудничестве с МГС,
КООМЕТ, МОЗМ и ИСО, национальной правовой и нормативнотехнической базы метрологического обеспечения измерительных си25
стем, применяемых в наноиндустрии, гармонизированной с международной.
Литература
1. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Нанометрологическая
инициатива в нанотехнологии // Вестник технического регулирования,
2006, №5. – С. 8, 10.
2. National Technology Initiative. The Initiative and its implementation
Plan. Subcommittee on Nanoscience, Engineering and Technology. 2000 /
www.nano.gov
3. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию / Пер. с япон. – М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 134 с.
4. Приоритетное направление “Индустрия наносистем. Материалы”
Федеральной целевой научно-технической программы “Исследования
и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники” на 2002-2006 годы / fasi.gov.ru/fcp/technika/konkurs
5. Федеральный закон от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ “О техническом регулировании” // Собрание законодательства Российской Федерации от 30 декабря 2002 г. № 52 (часть I) ст. 5140
6. Соглашение о проведении согласованной политики в области
стандартизации, метрологии и сертификации // Законодательная и
прикладная метрология. 1992. № 1. С. 16.
7. Метрическая конвенция // Постановление СНК СССР от 21 июля
1925 года “О признании заключенной в Париже 20 мая 1875 г. Международной конвенции для обеспечения международного единства и
усовершенствования метрической системы, имеющей силу для СССР”,
Известия ЦИК, 21 июля 1925 г. № 172, Собрание законов и распоряжений Рабоче-Крестьянского Правительства СССР, 1926 г., отдел II,
N 32, ст. 192, Сборник действующих договоров, соглашений и конвенций, заключенных с иностранными государствами, М., 1936 г. вып. IV.
– С. 61.
8. Соглашение о взаимном признании национальных эталонов и
сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными
метрологическими институтами // Вестник Госстандарта России. – М.:
Стандарты и качество, 1999, № 11. – С.92.
9. Исаев Л.К. От Российской системы измерений к Глобальной. –
Измерительная техника, 2001, № 9. – С. 24
10. Стандартизация в нанотехнологиях // ФГУП “Стандартинформ”, Актуальные проблемы технического регулирования и стандартизации, зарубежная информация ДОР-21-2005. – С. 3.
Автор
Пятов Алексей Львович – Зам. генерального директора ОАО ”НИЦПВ”
Тел. (495) 935-98-40
E-mail: alpyatov@mail.ru
26
Данилов А.А.
О передаче размера единиц физических величин
и условиях поверки
в применении к измерительным системам
Передача размера единиц физических величин от эталонов рабочим
средствам измерений (СИ) является одной из задач поверки СИ, которая в применении к измерительным системам (ИС) может быть решена
двумя способами: комплектно и поэлементно [1]. Оба этих способа
легли в основу проекта рекомендаций “ГСИ. Порядок проведения поверки измерительных систем”, основные положения которых нашли
отражение в публикации [2], подготовленной по результатам сообщения, сделанного на прошлой конференции [3, 4]. Вместе с тем, отзывы,
полученные в результате рассылки проекта рекомендаций, показали,
что специалисты-метрологи, занимающиеся разработкой и утверждением методик поверки, по-разному понимают и трактуют некоторые
особенности каждого из способов поверки. Цель настоящей работы
состоит в рассмотрении возникших противоречий и выработке единого подхода к понятиям “передача размера единиц физических величин” и “условия поверки” в применении к ИС.
1. Комплектная поверка
В соответствии с ГОСТ Р 8.596-2002 [1] при комплектной поверке
“контролируют метрологические характеристики измерительных каналов ИС в целом (от входа до выхода канала)”.
При таком подходе передача размера единиц физических величин ИС от эталонов должна осуществляться так, как это принято для
рабочих СИ, т.е. с соблюдением нормальных условий и обязательным
введением контрольных допусков (называемых также коэффициентами метрологического запаса) – для обеспечения требуемой достоверности поверки согласно МИ 187-86 [5] и МИ 188-86 [6]. При этом поверяемое СИ признаётся пригодным к применению лишь в том случае,
если при проверке основной погрешности, её значения не превысят
допускаемой нормы:
 доп  k   осн ,
(1)
где  осн – предел допускаемой основной погрешности, регламентированный для поверяемого СИ; k – коэффициент, определяющий
контрольный допуск и зависящий от требований к достоверности поверки и соотношения между пределами погрешности эталона и поверяемого СИ, k  1 .
27
Однако анализ методик поверки, согласованных, в том числе, уважаемыми метрологическими институтами, показал совершенно противоположное – контрольные допуски не назначаются, поверку рекомендуется проводить в рабочих условиях, случайно сложившихся на момент поверки. При этом при проверке основной погрешности в качестве допускаемых норм  доп применяются значения, вычисленные
с учётом результатов измерений влияющих величин, сложившихся на
момент проведения поверки по формуле:
n
 доп   осн    i   i   iнорм гр ,
(2)
i 1
где  i – коэффициент влияния i-й влияющей величины, регламентированный для поверяемого ИК ИС;  i – результат измерений i-й
влияющей величины; iнорм гр – ближайшее к результату измерений  i
граничное (минимальное или максимальное) значение нормальных
условий эксплуатации, регламентированное для поверяемого ИК ИС;
n – количество влияющих величин, регламентированных в качестве
условий поверки для поверяемого ИК ИС.
Разумеется, применение допускаемых норм, вычисленных по формуле (2), при проверке основной погрешности является грубейшим
нарушением метрологических правил и может привести к существенному снижению достоверности получаемых результатов поверки ввиду того, что:
– допускаемые нормы не должны превышать предела допускаемой
основной погрешности – см. формулу (1);
– при использовании средств поверки в рабочих условиях эксплуатации поверяемого ИК ИС может нарушиться принятое соотношение
между пределами погрешности эталона и поверяемого ИК ИС.
Так, возможно ли проведение комплектной поверки (проверки основной погрешности ИК ИС) в условиях, отличающихся от нормальных? Если подходить к рассмотрению этого вопроса формально, то –
нельзя, т.к. передача размера единиц физических величин должна
осуществляться в нормальных условиях.
Вместе с тем при эксплуатации ИС могут возникнуть такие ситуации, что обеспечить нормальные условия для поверки ИС невозможно,
а провести проверку соответствия метрологических характеристик
ИК ИС установленным нормам необходимо. При такой постановке
вопроса речь может идти не о поверке (в обычном её понимании),
а лишь о возможности переноса результатов проверки погрешности ИК ИС, выполненного в фактических условиях эксплуатации, на
нормальные условия. Некоторое обоснование таких действий приведе28
но в работе [7]. При этом значение коэффициента k , применяемого
в формуле (1), для достижения той же достоверности результатов проверки основной погрешности должно быть уменьшено в связи с расширением диапазона изменений влияющих величин и возможным увеличением погрешности средств поверки (в условиях эксплуатации,
сложившихся на момент поверки ИС).
Следует помнить, что с уменьшением коэффициента k увеличивается вероятность признания негодными в действительности пригодных
к применению ИК ИС. Именно поэтому поверку допускается проводить лишь при незначительном отклонении условий поверки от нормальных (для которых нормирован предел допускаемой основной погрешности). В противном случае придётся:
– либо уменьшить коэффициент k до таких значений, что практически все поверяемые ИК ИС будут признаваться негодными,
– либо уменьшить значения достоверности поверки, т.е. увеличить
вероятность признания годными в действительности непригодных
к применению ИК ИС, что, разумеется, недопустимо.
2. Поэлементная поверка
В соответствии с ГОСТ Р 8.596-2002 [1] при поэлементной поверке
первичные измерительные преобразователи (датчики) демонтируют и
поверяют в лабораторных условиях, а вторичную часть – комплексный
компонент, включая линии связи, поверяют на месте установки ИС
при одновременном контроле всех влияющих факторов, действующих
на отдельные компоненты.
Следовательно, передача размера единиц физических величин первичным измерительным преобразователям (датчикам) должна осуществляться в нормальных условиях в соответствии с нормативным
документом, регламентирующим их поверку (принятым ГЦИ СИ при
утверждении типа первичных измерительных преобразователей). Для
этого в методике поверки ИС в разделе “Рассмотрение документации”
достаточно предусмотреть проверку пригодности к применению первичных измерительных преобразователей (путём проверки свидетельств о поверке или отметок и оттисков поверительных клейм в эксплуатационной документации).
Что же касается оставшейся части ИК ИС, то в соответствии
с ГОСТ Р 8.596-2002 [1] передача размера единиц физических величин
комплексному компоненту, включая линии связи, должна осуществляться на месте установки ИС при одновременном контроле всех влияющих факторов, действующих на отдельные компоненты. При этом
все рассуждения, приведённые в пункте 1 настоящей статьи, должны
быть распространены и на комплектную поверку оставшейся части
ИК.
29
В таких условиях возникает резонный вопрос: должны ли поверяться отдельно компоненты ИС, являющиеся СИ и входящие в состав
комплексного компонента, или они должны проходить поверку только
в составе ИС? С одной стороны, такие СИ утверждённого типа, применяемые в сферах государственного метрологического контроля и
надзора, должны проходить поверку в соответствии с нормативными
документами, регламентирующих их поверку (принятым ГЦИ СИ при
утверждении их типа). Следовательно, инспектора государственного
метрологического надзора вправе потребовать на такие СИ (в том числе и на комплексы измерительно-вычислительные) документы, подтверждающие их поверку. С другой стороны, такие СИ входят в состав
комплексного компонента ИС и отдельно от него не применяются.
Зачем такие СИ (например, упомянутые выше комплексы измерительно-вычислительные) поверять 2 раза – отдельно и в составе комплексного компонента? Это не только расточительно, но и нецелесообразно.
Вместе с тем существуют многочисленные системы, в которых все
компоненты, являющиеся СИ поверяются поэлементно в соответствии
с нормативными документами, регламентирующими их поверку. Очевидно, что в таких случаях, когда размер единиц физических величин
уже передан всем компонентам ИС, являющимися СИ, поверка ИС
должна заключаться лишь в различных проверках (внешнего вида,
условий эксплуатации компонентов, работоспособности, характеристик безопасности, взаимного влияния каналов, от несанкционированного доступа, программного обеспечения и др.), которые вполне могут
быть выполнены и в рабочих условиях [2].
Следует вспомнить, что такой подход принят для большинства
теплосчётчиков, компонентам которых (расходомерам, термопреобразователям и тепловычислителям) размер единиц физических величин
передаётся поэлементно в нормальных условиях, а при поверке проводятся лишь различные проверки (в том числе и в проекте рекомендаций “ГСИ. Теплосчётчики и измерительные системы тепловой энергии. … Общие указания по методам поверки”). Такой же подход был,
в частности, принят за основу в МИ 3000-2006 [8], в которых “условия
поверки ИС должны соответствовать условиям её эксплуатации, нормированным в технической документации, но не выходить за нормированные условия применения средств поверки”.
Предложения
1. При проведении различных проверок ИС (в ходе её поверки) целесообразно предусматривать различные условия поверки: при передаче размеров единиц физических величин – нормальные условия, при
других проверках – рабочие условия.
2. Обратить внимание ГЦИ СИ и отдела Государственного реестра СИ на необходимость соблюдения нормальных условий при пе30
редаче размеров единиц физических величин и целесообразность введения контрольных допусков при рассмотрении и согласовании нормативных документов, регламентирующих поверку СИ, которые
должны сопровождаться расчётами достоверности.
3. Передачу размеров единиц физических величин в условиях, отличающихся от нормальных, применять лишь в обоснованных случаях
при тщательной проверке, подтверждённой расчётами возможности
переноса результатов проверки погрешности ИК ИС, выполненной в
фактических условиях эксплуатации, на нормальные условия.
4. Для разрешения противоречий с органами государственного
метрологического надзора (и других надзорных органов) предусматривать в нормативных документах, регламентирующих поверку ИС,
прямое указание на нецелесообразность поэлементной поверки СИ
(с указанием их перечня), входящих в состав комплексного компонента и поверяемых комплектно в его составе.
Литература
1. ГОСТ Р 8.596-2002. “ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения”.
2. Данилов А.А. Поверка измерительных систем. – Главный метролог, 2006, №4. – С. 36–39.
3. Данилов А.А. Методы решения проблем метрологического обеспечения измерительных систем. – В кн.: Метрологическое обеспечение
измерительных систем. / Сборник докл. межд. науч.-техн. конф. – Пенза, 2005. – С. 21–27.
4. Данилов А.А. Методы решения проблем метрологического обеспечения измерительных систем. – Измерительная техника, 2006, № 4 –
С. 59–62.
5. МИ 187-86. “ГСИ. Критерии достоверности и параметры методик поверки”
6. МИ 188-86. “ГСИ. Установление значений параметров методик
поверки”.
7. Вострокнутов Н.Н., Сапожникова К.В., Солопченко Г.Н., Якомаскин В.Б. О возможности поверки средств измерений в условиях,
отличных от нормальных. – Измерительная техника, 1992, №10.
8. МИ 3000-2006 “ГСИ. Системы автоматизированные информационно-измерительные коммерческого учета электроэнергии. Типовая
методика поверки”.
Автор
Данилов Александр Александрович – зам. директора ФГУ “Пензенский ЦСМ”, д.т.н., профессор
Россия, 440028, Пенза, ул. Комсомольская, 20
www.pcsm.sura.ru
Тел. (841-2) 49-51-90, факс 49-82-63, 49-85-00
E-mail: danilov@sura.ru
31
Злыгостева Г.В., Чухланцева М.М.
Современные подходы к аттестации
программного обеспечения средств измерений
Практически все современные средства измерений (СИ) имеют в
своем составе программное обеспечение (ПО), которое должно оценивается. ПО СИ – это “компьютерная программа или совокупность программ сбора, передачи, обработки, хранения и представления измерительной информации, а также программные документы, необходимые
для функционирования этих программ” [1].
Необходимость постоянной модернизации ПО, добавления новых
функций и расширения измерительных задач, решаемых с помощью
СИ, приводит к изменению метрологических характеристик СИ. В основном, программы используются для сбора и обработки данных прямых измерений. Таким образом, они могут являться источником методических погрешностей и повлиять на окончательный результат измерений. В соответствии с 7.4 ГОСТ Р 8.596 [2] программы подлежат
метрологической аттестации, если “они влияют на результаты и погрешности измерений”.
В результате метрологической аттестации должно быть установлено, что ПО соответствует предъявленным к нему метрологическим
требованиям и обладает заявленными характеристиками. Но как установить это соответствие, если типовые методики и программы аттестации ПО СИ2 отсутствуют, а правовая нормативная документация в
области метрологического обеспечения несовершенна?!
В зарубежных источниках приводятся некоторые стандарты и руководящие документы, описывающие примеры оценки качества программных средств, но они не учитывают специфики измерительных
задач ПО СИ. Существует также ряд российских нормативнотехнических документов, посвященных вопросам аттестации ПО СИ,
в том числе группа рекомендаций на специализированные измерительные системы коммерческого учета электроэнергии, тепла и т.д.
Несмотря на немногочисленность документов, регламентирующих
порядок проведения аттестации (испытаний) программ СИ, “тестирование ПО в том или ином виде проводится, особенно, при испытаниях
СИ для целей утверждения типа. Однако такое тестирование, как правило, носит несистемный характер, а разработчики и пользователи ПО
2
Примечание редактора:
Вместе с тем существует МИ 2955-2005 “ГСИ. Типовая методика аттестации программного обеспечения средств измерений и порядок её проведения”
32
не осведомлены в полной мере о состоянии с нормативными документами в этой области” [3]. В данной статье рассмотрены современные
подходы к аттестации ПО СИ.
Программное обеспечение СИ обладает рядом особенностей, отличающих его от программ, применяемых в других областях [3].Эти особенности должны учитываться при выборе требований, которые “сводятся к следующему:
– использование ПО в СИ не должно приводить к искажению измерительной информации, другими словами, ПО не должно оказывать
влияние на метрологические характеристики СИ, или это воздействие
должно быть минимальным и оцениваемым;
– ПО СИ должно быть защищено от преднамеренных и случайных
изменений программного кода, измерительной информации, параметров, внесенных в программное обеспечение;
– ПО, используемое в индивидуальных СИ данного типа должно
находиться в соответствии с ПО, установленным (документированным) при утверждении типа СИ;
– продолжительность и усилия, необходимые для аттестации ПО
при утверждении типа СИ, должны быть того же порядка, что и усилия, затрачиваемые при таких испытаниях самих СИ”.
ГОСТ Р 8.596 [2] устанавливает основные положения метрологического обеспечения измерительных систем, в том числе программного
обеспечения. Однако данный документ не содержит конкретных требований и процедуры аттестации ПО. Разработанные в 2004 году рекомендации МИ 2891 [1] регламентируют общие требования к контролируемой части ПО СИ и определяют уровни требований. Установление уровней к жесткости испытаний, степени соответствия и защиты,
конечно, дополняет процедуру аттестации, но рекомендации по назначению этих требований отсутствуют.
Еще один нормативный документ, непосредственно связанный с
аттестацией программ, – рекомендации МИ 2174 [4]. Данный документ
содержит общую схему по аттестации алгоритмов (программ), рекомендации по выбору моделей исходных данных, характеристик и способов оценивания алгоритма. В соответствии с [4] предлагается следующая процедура аттестации алгоритмов:
– установление набора основных проверяемых характеристик;
– определение набора моделей данных, поступающих на обработку;
– вычисление (оценка) значений характеристик алгоритма на выбранных моделях;
– оформление свидетельства об аттестации алгоритма.
33
Рассмотренная схема не устанавливает подробных рекомендаций
по применению характеристик точности, устойчивости и сложности, а
также требований к защите, которые приобретают все большее значение в области программирования.
В ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126 [5] определены шесть характеристик,
которые с минимальным дублированием описывают качество программных средств. Это такие показатели, как функциональные возможности, надежность, применимость, эффективность, ремонтопригодность и мобильность. Дальнейшее уточнение характеристик, рассмотренных в приложении стандарта, приводит к созданию определенного набора требований к ПО. Однако этот документ посвящен
оценке качества программных средств в целом и не учитывает специфики задач СИ.
Герман Кросс [6] в своей работе определяет аттестацию, как оценку “… всего числа особенностей и характеристик изделия или программного продукта, которые опираются на его способность удовлетворять заявленным пользовательским потребностям”. Он описывает
процедуру аттестации ПО СИ, основанную на оценке характеристик
качества по ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126. Данная модель включает в себя:
– выбор проекта математической модели и алгоритма программы;
– выбор и согласование требований ПО;
– определение методов испытаний и разработка процедуры испытаний;
– выполнение испытаний, архивирование результатов;
– проверка завершенности и составление отчетов.
При изучении вопросов, связанных с оценкой ПО СИ, важное значение приобретает еще один рекомендательный документ – руководство Welmec 7.1 [7]. Оно может применяться как разработчиками ПО,
так и ответственными за соответствие измерительных приборов
утвержденному типу. Данное руководство состоит из набора требований, зависящих от конфигурации ПО и других специальных требований, в том числе типоопределяющих и конструктивных параметров.
Кроме того, в Welmec 7.1 приведена модель типового отчета испытаний и классификация рисков (A, B, C, D, E и F), устанавливающая требования к уровням жёсткости испытаний, степени соответствия и защиты. Специальные таблицы включают краткое описание требований,
замечания, перечень требуемой документации и рекомендации по
применению классов риска, а также примеры реализации требований
на практике.
34
Руководство Welmec 7.2 [8], основанное на Директиве измерительных приборов (MID), для разных классов риска описывает примеры
требований и методы аттестации. Условно методы аттестации можно
разделить на три группы: проверка, основанная на документации,
функциональная проверка и проверка, основанная на исходном коде.
Специальная публикация [9] Национального института стандартов и
технологии (NIST) может стать основой для выбора требований к исходному коду и методов обнаружения ошибки в тексте программы.
В результате анализа рассмотренных документов, можно сделать
вывод, что сегодня нет единого подхода к аттестации ПО СИ. Естественно, отечественные нормативные документы, описывающие некоторые из элементов метрологического обеспечения ПО СИ, должны
стать основой для разработки процедуры аттестации и дополнительных рекомендаций по её применению. Учитывая вышесказанное, можно предложить следующую процедуру аттестации ПО. Общая схема
проведения испытаний (аттестации), изображенная на рис. 1, разработана согласно современным требованиям, предъявляемым к ПО СИ.
Назначение уровней требований
в соответствии с классификацией ПО
Определение и выбор требований,
предъявляемых к ПО СИ
Выбор методов и проведение испытаний
(экспериментальное исследование)
Оформление результатов
(анализ и составление отчета)
Рис.1 Процедура аттестации ПО СИ
Определению и выбору требований оценки качества ПО должно
предшествовать назначение уровней требований к жесткости испытаний, степени соответствия и защиты. В работе [10] предлагается
назначать уровни требований согласно классификации ПО по четырем
видам: аппаратное обеспечение, критичность, готовность и функция ПО. Данный подход, по мнению авторов, учитывает основные
подходы межгосударственных рекомендательных документов по метрологии. В случае необходимости классификация может быть расширена и дополнена примерами конкретных типов СИ, применяемых
в различных сферах.
35
В соответствии с назначенными уровнями требований определяются показатели оценки качества ПО. Все требования можно разделить
на четыре группы: требования к документации, функциональные возможности, требования к исходному коду и к защите. Последний вид
требований выделен особо, так как на современном этапе развития все
чаще выявляются случаи фальсификации результатов измерений в связи с изменением ПО. Данный набор характеристик формируется из
расчета требований, представленных в документах [1, 5, 7–9] и опыта
разработчиков ПО. Следующими этапами процедуры аттестации является выбор конкретных методов испытаний на основе требований и
оформление результатов (отчетность).
Таким образом, предложенная процедура может быть положена
в основу типовой программы (методики) испытаний ПО СИ. Данный
документ может содержать следующие разделы:
– цель аттестации;
– описание объекта исследований (предмет испытаний);
– порядок проведения аттестации;
– назначение уровней жесткости испытаний, степени соответствия
и защиты;
– требования, подлежащие проверке;
– описание методов аттестации ПО СИ или ссылка на документы, в
которых они рассмотрены;
– оформление результатов.
После определения цели и назначения уровней жёсткости испытаний, степени соответствия и защиты, можно приступить к выбору проверяемых требований и методов испытаний. Результаты регистрируются, заносятся в таблицы. По окончании испытаний оформляется отчет.
В качестве дальнейших исследований в области аттестации ПО СИ
может стать конкретизация требований и методов испытаний, например, в зависимости от классификации ПО или области применения СИ
(СИ расхода топлива, СИ, применяемые в медицине и т.д.).
Литература
1. МИ 2891-2004 “ГСИ. Общие требования к программному обеспечению средств измерений”
2. ГОСТ Р 8.596-2002 “ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения”
3. Кудеяров Ю.А. Аттестация программного обеспечения средств
измерений. Учебное пособие. – Москва, 2006.
4. МИ 2174-91 “ГСИ. Аттестация алгоритмов и программ обработки данных при измерениях. Основные положения”
36
5. ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93 “Информационная
технология.
Оценка программной продукции. Характеристики качества и руководства по их применению”
6. Advanced Tools for Metrological databases and software validation.
Software validation. http://www.amctm.org/index.asp .
7. WELMEC Guide 7.1. Software Requirements on the Basis of the
Measuring Instruments Directive. http://ww.welmec.org .
8. WELMEC Guide 7.2. Software Guide. http://ww.welmec.org .
9. NIST Special Publication 509.
http://hissa.nist.gov/HHRFdata/Artifacts/ITLdoc/209 .
10. Лукашов Ю.Е., Сатановский А.А. Классификация программного обеспечения средств измерений. – Законодательная и прикладная
метрология. – 2006. – №2. – С. 39-45.
Авторы
Злыгостева Галина Витальевна – инженер ФГУ “Томский ЦСМ”
Тел. (382-2) 55-44-86
E-mail: zgv@yandex.ru
Чухланцева Марина Михайловна – и.о. директора ФГУ “Томский ЦСМ”,
к.т.н.
Россия, 634012, г. Томск, ул. Косарева, 17-а
Тел. (382-2) 55-44-86
Факс: (382-2) 56-19-61
E-mail: chuhlantseva@tcsms.tomsk.ru
37
2. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО
ОБСЛУЖИВАНИЯ ИС
Миронюк Н.Е.
О разделении погрешностей
измерительных трансформаторов
на систематические и случайные составляющие
Индукционные измерительные трансформаторы (ИТ) широко используются в энергетике в качестве первичных преобразователей при
измерении электроэнергии как для технических, так и коммерческих
целей. Как показывает метрологический опыт в сложившихся современных технико-экономических условиях, основной вклад в погрешность измерений электроэнергии привносят именно измерительные
трансформаторы. Естественно возникает вопрос, как уменьшить этот
вклад. Очевидно, что нужно снижать погрешности трансформаторов.
Это можно сделать путём повышения класса точности ИТ, но этого же
можно добиться путем разделения погрешностей ИТ на систематические и случайные составляющие. И если случайная погрешность окажется существенно меньше систематической то, введя поправку на
последнюю, тем самым можно повысить точность ИТ.
Рассмотрим природу происхождения систематической и случайной
погрешностей ИТ. Возьмём, к примеру, трансформатор тока (ТТ). Из
принципа действия этого устройства следует, что первичный ток отличается от вторичного на ток намагничивания, который пропорционален магнитному полю в сердечнике. Следовательно, магнитные свойства материала, главным образом, определяют систематическую погрешность ТТ. Даже если первичная или вторичная обмотки неравномерно охватывают по периметру магнитный сердечник, обладающий
высокими магнитными свойствами (магнитной проницаемостью), конструкция трансформатора может несущественно влиять на метрологические характеристики ТТ. Поскольку магнитные свойства сердечника
зависят нелинейно от магнитного поля, то на систематическую погрешность ТТ влияет первичный ток (значение основной гармоники,
наличие, соотношение и уровень других гармонических составляющих
в его спектре). Кроме того, систематическая погрешность ТТ зависит
от магнитного состояния сердечника (размагниченное или с остаточной намагниченностью) и вторичной нагрузки – импеданса вторичной
цепи, на который в свою очередь влияет температура.
Итак, систематическую погрешность ТТ, главным образом, определяют магнитные свойства сердечника, первичный ток и нагрузка. Изменяющиеся условия работы ИТ (температура, магнитное состояние
сердечника, отклонение формы тока от синусоидальной) являются ис38
точниками колебаний систематической погрешности относительно
некоторого среднего значения. Эти отклонения можно рассматривать
как проявления случайного характера (случайные погрешности, куда
следует отнести человеческий фактор при калибровке или поверке ТТ). Если вдобавок учесть инструментальные погрешность средств
поверки (калибровки), то фактически все основные значимые источники погрешности ТТ будут тем самым охвачены.
Рассмотрим влияние остаточной намагниченности на систематическую погрешность ТТ. В качестве образца возьмём трансформатор
тока ТОЛ-10 (с литой изоляцией) с сердечником, выполненным из
электротехнической стали. Погрешности ТТ при размагниченном и
неразмагниченном (с остаточной намагниченностью) сердечнике приведены на рис.1. Остаточная намагниченность сердечника задавалась
путем намагничивания постоянным полем до некоторого максимального значения с последующим снижением до нуля.
39
Петли магнитного гистерезиса снимались на эталонной установке
по определению магнитных потерь магнитномягких материалов
(рис. 2, 3).
40
Кроме того, в контрольных точках проводилось сравнение результатов расчёта погрешностей ТТ и экспериментальных данных. Как
следует из таблицы, приведённой на рис. 1, результаты расчёта достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Графики,
приведённые на рис. 1, наглядно иллюстрируют возрастание систематической погрешности ТТ как токовой, так и угловой при намагниченном сердечнике по сравнению с размагниченном его состоянии. Остаточная намагниченность ухудшает магнитные свойства сердечника,
что проявляется в снижении эффективной магнитной проницаемости и
росте магнитных потерь (угол наклона к оси абсцисс на графике падает, а площадь петли магнитного гистерезиса возрастает). Следует от41
метить, что наихудшие магнитные свойства сердечник приобретает
при остаточной намагниченности соответствующей намагничиванию
постоянным полем по предельной петле гистерезиса (рис. 2). Погрешности ТТ в этом случае наибольшие.
Для сердечника, выполненного из аморфного магнитного материала (магнитные свойства на порядок выше свойств электротехнической
стали), различие его магнитных характеристик в размагниченном и не
размагниченном состоянии не столь значительны (рис. 3) по сравнению с магнитными характеристиками сердечника, изготовленного из
электротехнической стали (рис. 2). Поэтому магнитное состояние сердечника меньше влияет на систематическую погрешность ТТ.
Фактическая вторичная нагрузка ТТ, установленного на энергообъекте, как правило, не меняется при неизменной температуре. Изменение температуры приводит к изменению активного сопротивления
вторичной цепи. И если конструкция ТТ выполнена без брака, например, буфер между сердечником и литой изоляцией выполняет свою
функцию при термическом изменении линейных размеров изделия, то
температурное влияние на систематическую погрешность ТТ происходит только за счёт изменения фактического импеданса вторичной цепи. Например, при изменении температуры от –40 до 40 С и cosφ2=1
сопротивление нагрузки варьируется на ±10 % от номинального значения. Для этого случая погрешности ТОЛ-10 представлены на рис. 4.
Несинусоидальная форма первичного тока оказывает влияние на
систематическую погрешность ТТ, через проявление нелинейной зависимости по статической петле гистерезиса между магнитной индукцией и полем. Как показано в работе [1], наибольший вклад в изменения
погрешностей ИТ даёт третья гармоника.
В процессе метрологических исследований был разработан методический подход, который позволил разделить погрешности ТТ на
систематические и случайные составляющие. Из результатов этого
разделения для ТОЛ-10, приведенных в таблицах 1 и 2, следует, что
метрологические возможности ТТ используются далеко не полностью.
Например, этот тип трансформатора класса точности 0.5 при внесении
поправок на систематическую составляющую может быть успешно
использован по классу точности 0.2S. Если учесть, что себестоимость
ТТ класса точности 0,2S почти в четыре раза выше себестоимости ТТ
класса точности 0.5, то даже при дополнительных экономических затратах на метрологические исследования по выделению систематической составляющей погрешности ТТ экономический эффект очевиден.
Тем более что с внедрением АИИС в электроэнергетике внесение поправок на систематические погрешности трансформаторов можно достаточно легко реализовать, включив их в алгоритмы программного
обеспечения АИИС.
42
43
Что касается трансформаторов напряжения, то эта задача разделения погрешностей на систематические и случайные составляющие облегчается, поскольку влияниями остаточной намагниченности (сердечник перемагничивается практически по предельной петле) на погрешности ТН и формы кривой напряжения можно практически пренебречь, поскольку они малы [1]. При этом оценивается среднее значений систематической составляющей погрешности ТН при фактической вторичной нагрузке в диапазоне напряжений 0,8-1,2 Uном. А после
внесения поправок на систематическую погрешность, приписанная
погрешность ТН будет определяться, главным образом, инструментальными погрешностями средств поверки (калибровки).
Литература
1. Миронюк Н.Е., Дидик Ю.И., Гилёв Ю.В., Бабкин В.В., Раскулов Р.Ф., Эткинд Л.Л. Влияние искажений синусоидальной формы
кривых тока и напряжения на погрешности измерительных трансформаторов. – Электричество, 2005, №2.
Автор
Миронюк Николай Ефимович – ведущий научный сотрудник
ФГУП “УНИИМ”, к.т.н.
Россия, 620000, Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 www.uniim.ru
Тел. (343) 350-23-13
E-mail: lab262@uniim.ru
44
Миронюк Н.Е.
О влиянии систематических погрешностей
измерительных каналов АИИС
на распределение неучтённых потерь электроэнергии
между субъектами ОРЭ
Нормирование и снижение потерь электрической энергии в электрических сетях – это одна из задач учёта и контроля электрической
энергии как для технических, так и коммерческих целей. Реформирование РАО “ЕЭС”, создание оптового рынка электроэнергии существенно повысило технические требования по учёту электроэнергии,
особенно, коммерческому. Но учёт и контроль электроэнергии невозможен без средств и методов измерений, без развитой метрологической базы. А это – задачи метрологии, которые должны решаться совместными усилиями энергетики, предприятий, изготавливающих средства измерений, научных метрологических институтов и т.д.
К сожалению, решение метрологических задач измерения электроэнергии даже с внедрением автоматизированных информационноизмерительных систем (АИИС) оставляет желать лучшего.
Одна из причин – слабый метрологический контроль средств измерений (СИ), часто неправильные, а порой и недопустимые условия их
эксплуатации на энергообъектах. Другая, до сих пор, спорная причина – не вполне обоснованное использование типовых методик выполнения измерений электроэнергии на конкретных энергообъектах. Дело
в том, что в типовых МВИ погрешности каждого СИ, входящих в состав измерительных каналов (ИК) АИИС, рассматриваются как случайные, хотя это не всегда оправдано. Возможно, что для повышения
точности и достоверности результатов измерений электроэнергии потребуется информация о фактических погрешностях (случайных и систематических составляющих) СИ АИИС. Одни специалистыметрологи считают, что доминирующими являются систематические
составляющие погрешностей СИ АИИС, другие – случайные (последняя позиция общепринятая). Алгоритмы и результаты оценки погрешностей измерений электроэнергии в том и другом случае разные [1].
Для подтверждения случайного или систематического характера погрешностей нужны экспериментальные исследования.
Основные элементы ИК современной АИИС представляют измерительные трансформаторы и электросчётчики. Поэтому точность измерений электроэнергии АИИС определяется, главным образом, метрологическими характеристиками этих средств.
Предположим, что нам известны систематические и случайные составляющие погрешностей СИ АИИС, причём, доминирующими являются систематические погрешности. Например, для измерительных
45
трансформаторов они имеют и положительные, и отрицательные значения (рис. 1) согласно требованиям нормативных документов в соответствии с их классом точности, первичной и вторичной нагрузками.
Это же относится и к счётчикам. Нетрудно догадаться, что при отрицательных погрешностях ИТ в показаниях счётчиков ИК будет недоучёт электроэнергии, а при положительных – переучёт (рис. 2).
Рис. 1
методическая погрешность ИК от ТТ кл. точн. 0,5 при cos(fi) =0,8 сети
0,8
cos(fi) сети 0,8 инд, I=20 %
cos(fi) сети 0,8 емк, I=20 %
0,6
cos(fi)=0,8 инд, I=100 %
погрешность ИК, %
0,4
cos(fi)=0,8 емк, I=100%
0,2
cos(fi) нагрузки
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0,8
0,6
0,4
-0,2
0,2
cos(fi) сети
емкостной,
-0,4
cos(fi) сети
индуктивны
й
-0,6
-0,8
емкостная нагрузка
индуктивная нагрузка
Рис. 2
Для субъектов оптового рынка электроэнергии возникающий небаланс (потери электроэнергии), в частности, вызванный методическими
и инструментальными погрешностями СИ, распределяют между ними
46
в соответствие с МИ 2807 [2] и МИ 2808 [3]. Учёт фактических погрешностей ИК АИИС этими документами не предусмотрен из-за отсутствия метрологической нормативной и методологической базы в
этой области измерений. Что из этого получается?
Можно проиллюстрировать это на примере двух субъектов рынка –
покупателе и продавце, для которых нам известны систематические
погрешности каналов АИИС, полученные, например, в результате
метрологических исследований их СИ. У покупателя СИ АИИС проходят по классу точности 0.5, у продавца – (0.5–0.2). Продавец постоянно повышает точность измерений АИИС, тогда как покупатель –
нет. Кроме того, у покупателя систематические погрешности СИ максимально приближены к допустимой отрицательной границе. Небаланс (потери электроэнергии), возникающий между ними, распределяют в соответствие с МИ2807 [2]. Но если мы наложим сетку систематических погрешностей ИК АИИС каждого из субъектов, то налицо
распределение небаланса в пользу покупателя (рис. 3 – до 1% корректированные показания его счётчиков будут меньше фактических, а при
недостаточной нагрузке в электросети эти цифры могут быть больше
в несколько раз), хотя метрологические характеристики его АИИС
хуже. Причём продавец проигрывает всё более, чем точнее его АИИС.
Фактический результат распределения небаланса электроэнергии между двумя субъектами
рынка без учёта систематических погрешности АИИС
0,7
0,5
К
0,3
0,1
0
-1
ИК1- единственный, кл.т. СИ 0,5
ИК1= ИК2, кл.точн. СИ 0,5
ИК1- кл. точн СИ 0.5; ИК2 - кл. точн. СИ 0.2
-1,5
ИК1- покупатель, не желающий улучшать точностные характеристики АИИС
ИК2 - продавец, улучшающий точностные характеристики АИИС
Прибыль покупателя в %
-0,5
-2
К=СП/ПДП - коэффициент запаса по точности СИ
-2,5
СП - систематическая погрешность СИ ИК АИИС
ПДП - предел допустимой погрешности (определяется кл. точности СИ ИК АИИС)
Рис. 3
Если учесть систематические погрешности АИИС каждого из субъектов, то несправедливость в распределении небаланса будет устранена. Аналогичная ситуация имеет место и для сетевых предприятий
(табл. 1) Другими словами, с целью учёта и контроля электроэнергии
при измерениях необходимо учитывать фактические погрешности СИ,
47
48
но для этого нужно разделить их на систематические и случайные составляющие, знать дрейф систематических погрешностей, зависимость
от влияющих величин и т.д. Потери электроэнергии возможно снизить
даже без учёта систематических составляющих СИ АИИС, если одновременно повысить точность СИ АИИС, например, с класса точности
0,5 до 0,1 или 0,2S всех субъектов рынка, хотя несправедливость распределения небаланса может сохраниться, но на другом уровне.
В связи с выше сказанным, возможно, могут возрасти технические
требования потребителей к СИ, и заводы-изготовители должны быть к
этому готовы. Например, отразить в технической документации более
полную информацию о фактических погрешностях СИ (систематических, случайных составляющих, влияющих факторах и т.д.) при различных нагрузках. Тогда у потребителя появится возможность оценки
фактических погрешностей СИ в конкретных рабочих условиях.
Если в задачах измерений или учёта и контроля электроэнергии не
принимать в расчёт систематические погрешности СИ АИИС, то возможен следующий сценарий развития событий:
– электроэнергетикам будет не выгодно улучшать метрологические
характеристики СИ АИИС;
– нет тенденции к снижению потерь электроэнергии, обусловленных инструментальными погрешностями СИ АИИС;
– заводы-изготовители СИ не заинтересованы в совершенствовании
метрологических характеристик своей продукции.
Проблема снимается, если в задачах измерений или учёта и контроля электроэнергии принимать в расчёт систематические погрешности каналов АИИС.
Литература
1. Миронюк Н.Е. О методике выполнения измерений электрической энергии. Измерительная техника, №4, 2006. – С. 64–67.
2. МИ 2807-2003. “ГСИ. Количество электрической энергии. Методика распределения небалансов с использованием неопределенности
измерений при взаимных расчетах на оптовом рынке электроэнергии”.
3. МИ 2808-2003. “ГСИ. Количество электрической энергии. Методика выполнения измерений при распределении небалансов на оптовом рынке электрической энергии”.
Автор
Миронюк Николай Ефимович – ведущий научный сотрудник
ФГУП “УНИИМ”, к.т.н.
Россия, 620000, Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 www.uniim.ru
Тел. (343) 350-23-13
E-mail: lab262@uniim.ru
49
Гривастов Д.А., Кондаков В.Ю., Крылов В.С., Шейнин Э.М.
Методология разработки МВИ с использованием АИИС
крупных промышленных объектов
Одним из существенных отличий методик выполнения прямых и
косвенных измерений заключается в том, что при прямых измерениях,
в общем случае, роль методики выполнения измерения (МВИ) выполняют указания по применению, содержащиеся в эксплуатационной
документации того или иного средства измерений. Это очевидное отличие нашло отражение даже в тексте последней редакции нового закона об обеспечении единства измерений, который сейчас активно
обсуждается метрологической общественностью.
Действительно, вряд ли необходимо разрабатывать МВИ для измерения напряжения сети 220 В с погрешностью не более 2% вольтметром переменного тока с пределом измерений 300 В класса 1, или для
измерения тока, потребляемого однофазной нагрузкой амперметром.
Для измерения потребляемой мощности методом вольтметраамперметра в этой же цепи с использованием этих же приборов и
определения погрешности измерений требуется приведение схемы
подключения приборов, определенный алгоритм обработки, а для измерения активной и реактивной мощности еще и дополнительное оборудования для определения угла сдвига фаз между током и напряжением, т.е. в том или ином виде оформленная МВИ. Те же измерения,
выполняемые с помощью ваттметра определенного класса, являются
прямыми измерениями и специальной МВИ не требуют.
Так, при измерении полного сопротивления выполняется сложная
процедура косвенных измерений, требующая:
– подбора измерительных генераторов, усилителей,
– настройки резонатора измерительного зонда,
– настройки по специальной и достаточно сложной методике
трансформатора (для снижения влияний КСВН выхода генератора),
– перемещений измерительного зонда (в определенной последовательности) и измерений этих перемещений,
– измерений и фиксации уровня выходного сигнала,
– расчета значения полного сопротивления (по определенным алгоритмам или диаграммам Вольперта или Смита).
Определение погрешности этих измерений также является трудоемкой процедурой, заключающейся в определении достаточно большого количества составляющих погрешностей и суммировании их с
учетом законов распределения.
Совершенно очевидно, что МВИ в этом случае – документ, без которого измерения просто не могут быть проведены. В то же время со50
временные анализаторы цепей выполняют измерения полного сопротивления в широких частотном и динамическом диапазонах, практически без участия оператора и выдают результаты измерений в любой,
заранее заданной форме, т.е. фактически проводят прямые измерения
полного сопротивления с заранее определенной погрешностью. Очевидно, что в этом случае разработка МВИ полного сопротивления теряет всякий практический смысл.
На этих простом и более сложном примерах хорошо видно, что
необходимость разработки МВИ и, её содержание и документальное
оформление зависят не столько от самой измеряемой величины и методов измерений, сколько от средств измерений, реализующих те или
иные методы. Ведь в приведенном выше примере по измерению мощности переменного тока метод вольтметра-амперметра может быть
реализован с помощью вольтметра, амперметра и фазометра, с последующим вычислением активной или реактивной мощности на калькуляторе или вручную (косвенные измерения), а может быть реализован
в одном приборе, например вольтамперфазометре (ВАФ), где выполняются прямые измерения мощности.
Автоматизированные информационно-измерительные системы, содержащие большое количество каналов, реализуют, как правило, косвенные или совокупные измерения, проводимые в различных внешних
условиях, осуществляют многоэтапную и довольно сложную обработку измерительной информации, но при этом представляют результат
измерений физических величин в законченном виде, как при прямых
измерениях. В результате пропадает необходимость регламентирования последовательности и содержания операций по подготовке и выполнению собственно измерительных процедур, по обработке промежуточных и вычислении окончательных результатов измерений, организации и проведения экспериментов по оценке показателей точности,
т.е собственно методических инструкций, предусмотренных
ГОСТ Р 8.563.
Основной задачей и содержанием МВИ с использованием таких
систем становятся выбор номенклатуры и способов нормирования
метрологических характеристик, расчет погрешностей измерительных
каналов (ИК) по погрешностям входящих в них измерительных компонентов, впрочем, как и их идентификация, методы контроля и учета
переменных влияющих факторов в пространственно разнесенных измерительных системах.
Решение этой задачи при разработке МВИ с использованием автоматизированных информационно-измерительных систем (АИИС)
крупных промышленных объектов с большим количеством ИК, в которые входят компоненты с различным способом нормирования мет51
рологических характеристик (МХ), представляет собой трудоёмкий
процесс, связанный с необходимостью обработки больших объемов
данных о типах измерительных компонентов, их метрологических характеристиках, взаимосвязях, условиях применения. Причем трудоёмкость увеличивается примерно пропорционально квадрату суммы количества каналов и типов измерительных компонентов. Предлагаемый
путь кардинального снижения трудоемкости, а точнее линеаризации
зависимости трудоемкости от количества, подразумевает специальный
методологический подход, заключающийся в представлении структуры АИИС в виде реляционной базы данных (БД), а методов измерений
и измерительных процедур  в виде набора программ, взаимодействующих с этой БД. При таком подходе модель АИИС становится инвариантной как к количеству ИК и измерительных компонентов, входящих в состав канала, так и к типу этих компонентов и к виду измеряемых величин.
Использование единой БД с предоставлением пользователям различных уровней доступа позволяет автоматизировать процесс обработки информации и сосредоточиться на его творческих аспектах, значительно снижает (а при соблюдении нескольких предписаний – полностью исключает) возможность использования неактуальных данных,
даёт возможность оперативно контролировать ход выполнения проекта и оценивать объем и состав недостающей информации, выявлять
противоречия в исходных данных.
Для выполнения работы по разработке МВИ создают БД, в структуре которой выделяют три основных таблицы: для хранения данных о
месте и условиях применения компонента в АИИС (таблица
COMPONENT), для хранения данных о контролируемом параметре
технологического или учетного процесса (таблица PROCESS) и для
хранения
технических
данных
о
компоненте
(таблица
COMPONENTTYPE). Связи между таблицами БД проиллюстрированы
на рис. 1.
В таблицах PROCESS и COMPONENTTYPE связи между записями
внутри одной таблицы отсутствуют (“плоская” структура данных),
тогда как в таблице COMPONENT существуют связи типа двусвязного
списка между записями, соответствующими компонентам, входящим в
один и тот же ИК. При этом началом списка является запись с данными о датчике, концом списка – запись с данными о конечном компоненте ИК, например, автоматизированном рабочем месте (АРМ) оператора с установленным специализированным управляющим программным обеспечением (ПО). Для организации двусвязного списка
используются специально введенные поля INPUT и OUTPUT, как это
проиллюстрировано на рис. 2.
52
Таблица COMPONENT
Таблица PROCESS
Запись таблицы
COMPONENT
Запись таблицы
PROCESS
Поле NAME
Поле NAME
Поле TYPE
Таблица COMPONENTTYPE
Запись таблицы
COMPONENT TYPE
Поле TYPE
Рис. 1. Связи между таблицами БД АИИС
Запись таблицы
COMPONENT
Запись таблицы
COMPONENT
Поле INPUT
Поле INPUT
Поле NAME
Поле NAME
Поле OUTPUT
Поле OUTPUT
Датчик,
Последний
первый
компонент
компонент
канала
Запись таблицы
COMPONENT
канала
АРМ
Запись таблицы
COMPONENT
Поле INPUT
Поле INPUT
Поле NAME
Поле NAME
Поле OUTPUT
Поле OUTPUT
Последующий
компонент
канала
Рис. 2. Связи между записями таблицы COMPONENT
53
Двусвязный список позволяет автоматически восстанавливать состав ИК АИИС, а связи компонентов с таблицами PROCESS и
COMPONENTTYPE позволяют автоматически вычислять метрологические характеристики ИК и выполнять иные аналитические действия,
например, моделирование влияния различных факторов на метрологические характеристики ИК. Такая структура таблицы COMPONENT
позволяет строить измерительные каналы из множества компонентов.
Пример структуры данных в таблицах БД и пример описания поля
записи приведены в таблицах 1, 2, 3 и 4.
Таблица 1. Структура данных таблицы COMPONENT БД АИИС
Имя поля
INPUT
Назначение
Ссылка на поле NAME предыдущего
компонента ИК
OUTPUT
Ссылка на поле NAME следующего компонента ИК
NAME
Обозначение компонента
TYPE
Тип компонента (с указанием модификации и т.п.)
Другие поля, характеризующие условия применения компонента
Таблица 2. Структура данных таблицы PROCESS БД АИИС
Имя поля
NAME
GOAL
Назначение
Обозначение компонента
Описание функционального назначения (цели использования) компонента
Другие поля , характеризующие процесс измерения
Пример структуры комплекса ПО для работы с БД проиллюстрирован на рис. 3.
Управление БД ведется с двух сторон: со стороны сервера, и со
стороны клиента. На стороне сервера работает программное обеспечение, имеющее полный доступ к БД, задачей которого является предоставление клиенту веб-интерфейса доступа к данным.
Для сохранения целостности данных, доступ к БД со стороны клиента ограничен правами, предоставленными ему программным обеспечением, действующим на стороне сервера. Одним клиентам предоставляется только возможность просматривать данные из БД, формировать необходимые выборки данных по заданным условиям, а другим
– изменять, удалять и вносить новые записи.
54
Таблица 3. Структура данных таблицы COMPONENTTYPE БД АИИС
Имя поля
TYPE
Назначение
Тип компонента, с указанием модификации
DESCRIPTION
Краткое описание
INPUTRANGELOW
Нижний предел измерений
INPUTRANGEHIGH
Верхний предел измерений
MEASURAND
Измеряемая величина
UNIT
Единица измерений
ACCURACYTYPE
Способ нормирования погрешности
ACCURACYVALUE0
Численное значение погрешности
ACCURACYVALUE1
Дополнительное значение для выражения
погрешности (второй член в двучленной
формуле предела погрешности и т.п.)
TEMPERATURENORMAL
Нижний предел температуры применения,
LOW
при котором еще не нормируется дополнительная погрешность, С
TEMPERATURENORMALHI Верхний предел температуры применения,
GH
при котором еще не нормируется дополнительная погрешность, С
TEMPERATUREWORKINGL Нижний предел температуры применения,
OW
С
TEMPERATUREWORKING Верхний предел температуры применения,
HIGH
С
NORMALTEMPERATURE
Нормальная температура применения
TEMPERATUREERROR
Дополнительная погрешность от температуры в долях основной на 1С отклонения
от нормальной температуры
…
Поля описывающие метрологические характеристики компонента,
например по ГОСТ 8.009
OUTPUTSIGNAL
Тип выходного сигнала
OUTPUTSIGNALUNIT
Единица измерений выходного сигнала
OUTPUTSIGNALLOW
Нижний предел выходного сигнала
OUTPUTSIGNALHIGH
Верхний предел выходного сигнала
REGISTRYNUMBER
Номер в Госреестре СИ
NOTES
Дополнения и примечания
55
Таблица 4. Поле ACCURACYTYPE таблицы COMPONENTTYPE
Возможные
значения
FSR
ABS
MV
Расшифровка
Значение
…of Full Scale
Range
Absolute
Погрешность выражается в виде
приведенной погрешности.
Погрешность выражается в виде
абсолютной погрешности.
Погрешность выражается в виде
относительной погрешности.
…
…of Measured
Value
Специализированное
ПО для обслуживания БД (ввод и удаление данных)
БД
SQL СУБД
Веб-сервер
Специализированное ПО
для выборки данных
из БД (для целей оперативного контроля и подготовки отчетов)
сторона сервера
Специализированное
ПО для обработки
данных, содержащихся в БД
Веб-браузер
сторона клиента
Специализированное
ПО для подготовки и
записи данных в БД
Рис. 3. Структура ПО
Специализированное ПО для подготовки и записи данных, действующее на стороне клиента, – перерабатывают исходные данные и
заносят их в БД также с соблюдением прав доступа. Данные, заносимые этим ПО не должны противоречить структуре БД.
Методы, реализованные в ПО для обработки данных, универсальны
и могут формировать любой отчет по данным из БД.
Предлагаемое решение является достаточно универсальным и с незначительной адаптацией может быть использовано для любой АИИС.
При этом проект может быть выполнен с использованием только свободно распространяемого ПО и стандартизованных открытых протоколов, с снижением до нуля затрат, связанных с лицензированием программных продуктов, и обеспечением работы в любой (в т.ч. гетерогенной) вычислительной среде.
56
Поскольку в большинстве АИИС крупных промышленных объектов информация о составе ИК, характеристиках компонентов, уставках
регулирования и диапазонах изменения входных величин, как правило,
содержится в собственной БД или файлах конфигурационных журналов, то задача заполнения БД сводится к автоматизации “извлечения”
информации. Типичная процедура занесения данных в БД заключается
в обработке файлов исходных данных (например, в формате Excel или
в формате конфигурационных журналов систем верхнего уровня
АИИС)  выборке необходимых данных из этого файла с помощью
специализированного ПО, их форматирования и сохранения в формате
операторов вставки данных (“INSERT INTO…”) языка SQL для того,
чтобы далее выполнить эти операторы в среде СУБД.
Таким образом, разработка МВИ в рамках рассматриваемой методологии предусматривает, в общем случае, следующие этапы:
Этап 1: изучение структуры и особенностей построения АИИС
с целью выяснения возможности использования уже имеющейся информации для автоматизированного (автоматического) занесения в БД
при помощи специального ПО;
Этап 2: адаптация ПО для автоматизированного (автоматического)
заполнения БД данными;
Этап 3: заполнение БД данными;
Этап 4: разработка алгоритмов и конструкций логики обработки
информации из БД и конфигурирование ПО для подготовки, отчетов,
реализующего эту логику;
Этап 5: обработка информации в БД и подготовка отчетов сконфигурированным ПО;
Этап 6: подготовка текстового документа МВИ с включением в
него отчетов.
Возможная последовательность работ иллюстрируется сетевым
графиком на рис. 4.
1
2
4
5
3
Рис. 4. Сетевой график
57
6
Логика обработки информации абстрагирована от конкретных данных, что значительно повышает универсальность получаемых решений, позволяет повышать скорость разработки последующих МВИ
за счёт повторного использования уже реализованных алгоритмов логики обработки.
Данный подход был применен к разработке проектов МВИ параметров технологического процесса с помощью АИИС, входящих в
состав АСУ ТП (530 измерительных каналов) и системы противоаварийной защиты (ПАЗ) (100 каналов) Когалымского НПЗ. АИИС измеряют избыточное давление в трубопроводах и различных емкостях;
температуру и расход сырья, реагентов, полуфабрикатов и конечного
продукта; концентрацию различных газов в помещениях и в газоходах
уходящих газов; уровень промежуточных и товарных продуктов в различных емкостях. Количество типов первичных преобразователей (датчиков), мультиплексоров, модулей и других компонентов измерительных каналов около сотни.
Все данные о компонентах АСУ ТП заносились в БД с помощью
разработанного программного обеспечения на стороне клиента.
Оперативное редактирование данных осуществлялось с помощью
программного обеспечения, находящегося на стороне сервера, обращение к которому велось через веб-браузер. Извлечение данных из БД
и составление отчетов осуществлялось программным обеспечением на
стороне клиента.
Все программное обеспечение написано на языке Perl, имеющем в
настоящий момент наиболее развитые средства для работы со строковыми данными (в т.ч. средства интерпретации регулярных выражений), которые просты для понимания и легко адаптируются для работы с различными форматами входных и выходных данных. Описание БД выполнено на языке SQL, являющимся промышленным стандартом, что обеспечивает переносимость БД. на разные платформы.
В развитие предложенного подхода представляется возможным создание БД, содержащей описания типов СИ. Эта БД должна иметь открытую структуру, которая должна позволять хранить МХ СИ, предусмотренные действующими стандартами, наиболее общим из которых
является ГОСТ 8.009-84.
Главным
элементом
этой БД
должна
быть
таблица
COMPONENTTYPE, в которой будет содержаться информация
о МХ СИ. В оптимальном варианте эта таблица должна быть электронным аналогом раздела “Основные технические характеристики”
Описания типа.
Номенклатура МХ СИ, которую надо описывать в такой БД, достаточно широка, поэтому при сохранении рассмотренной ранее структуры таблицы COMPONENTTYPE, последняя, с высокой вероятностью,
58
будет содержать значительное количество полей, заполненных лишь
частично. Чтобы избежать нерационального использования вычислительных ресурсов, таблицу COMPONENTTYPE целесообразно разделить на две: одна из которых содержит сведения об атрибутах, обязательно присущих каждому типу СИ (наименование СИ, тип СИ, номер
в Госреестре СИ и т.п.), а другая, связанная с первой по полю
“тип СИ”, содержать записи о присвоенных данному типу СИ МХ.
Структура записи этой таблицы, которую будем называть
TYPECHARS, должна содержать следующие обязательные поля:
тип СИ; измеряемая величина, для которой нормируется МХ; диапазон, в котором нормирована МХ; значение МХ; способ нормирования МХ; условия применения, в которых нормирована МХ.
Открытость структуры предполагает, что должны быть оговорены
правила (синтаксис) описания значений полей таблицы TYPECHARS.
Синтаксис должен позволять легко выполнять автоматическое извлечение информации, содержащейся в полях. Проще всего сделать это
с использованием специальных служебных символов – разделителей.
Пример записи в такой таблице об условиях применения, в которых
нормирована МХ проиллюстрирован на рис. 5.
T = 15 : 25 ; F = 10 : 10E+3
Влияющая
величина температура
Разделитель
между величиной и
диапазоном
её изменения
Нижняя
граница
диапазона
Разделитель
между значениями
диапазона
Верхняя
граница
диапазона
Разделитель
между влияющими
величинами
Верхняя граница диапазона
Разделитель
между значениями диапазона
Нижняя граница диапазона
Разделитель
между величиной и диапазоном её изменения
Влияющая
величина частота
Рис. 5. Пример записи об условиях применения
59
При занесении информации в остальные поля (кроме поля
“тип СИ”, хранящего простой атрибут) используют такой же синтаксис, например, поле “измеряемая величина, для которой нормируется МХ” для погрешности измерений переменного напряжения будет
содержать значение “U~”, для погрешности измерений постоянного
тока – “I–“, поле “диапазон, в котором нормирована МХ” будет содержать “0:100E-3” и т.п.
Предложенный методологический подход к разработке МВИ с
применением АИИС больших промышленных объектов, заключающийся в представлении структуры АИИС в виде реляционной базы
данных (БД), а методов измерений и измерительных процедур  в виде
набора программ, взаимодействующих с этой БД. позволяет существенно снизить затраты интеллектуальных ресурсов на разработку и
свести к минимуму вероятность ошибок при формировании многочисленных отчетных материалов, сопровождающих МВИ.
Авторы
Гривастов Денис Александрович – начальник сектора “Системы и приборы
измерений температуры”, ФГУП “СНИИМ”
Тел. (383) 229-71-92 denis@sniim.siberia.net
Кондаков Василий Юрьевич – начальник сектора “Метрологическое обеспечение систем учета электрической энергии”, ФГУП “СНИИМ”
Тел. (383) 229-75-49, kondakov@sniim.siberia.net
Крылов Владимир Сергеевич – студент СГГА, kat@sniim.siberia.net
Шейнин Эрих Моисеевич – начальник отдела “Метрологическое обеспечение измерительных систем в энергетике”, ФГУП “СНИИМ”, к.т.н.
Тел. (383) 210-38-45, sheinin@sniim.siberia.net
60
Ерохин И.В.
Автоматизированные
информационно-измерительные системы
в жилищно-коммунальном секторе
Эволюция систем учета
В последние годы электрическая энергия из практически бесплатного атрибута социалистической экономики переходит в категорию
товара. Мистические сказания о порядке учёта заменяются правилами
и регламентами. Бурное развитие микропроцессорной техники, её
внедрение во все сферы жизни и производства делают неизбежным и
постоянное изменение технологий учёта электрической энергии.
ООО “СКБ АМРИТА” было создано в годы становления автоматизированных систем учета электрической энергии и развивается вместе
с развитием этих систем, развитием технологий учета, развитием и
расширением рынка электрической энергии.
В своём развитии автоматизированные информационно-измерительные системы прошли множество этапов развития, на некоторые из
которых хочется акцентировать внимание.
Учет электрической энергии до появления автоматизированных систем учета
На протяжении многих десятилетий процесс учёта электрической
энергии сводился к мерному вращению дисков индукционных счетчиков, плавному нарастанию их показаний. Персонал предприятия периодически заносил их показания в журналы. Из этих записей формировались необходимые документы.
К основным недостаткам этого способа учёта можно отнести:
– большие минимальные периоды получения данных (от нескольких раз в сутки, до нескольких раз в месяц);
– значительные погрешности учёта связанные с невозможностью
одновременного снятия показаний и невозможностью их привязки к
единому времени;
– неизбежное влияние человеческого фактора (острота зрения, обязательность при снятии показаний и их обработке);
– невозможность ведения учёта по зонам суток.
Первые автоматизированные системы учета электрической
энергии
Первые попытки создания автоматизированных систем учёта электрической энергии связаны с появлением в СССР относительно доступных ЭВМ. Дороговизна последних делала возможным создание
систем учёта только для крупных промышленных предприятий.
61
Решение задачи по созданию автоматизированной системы выглядело следующим образом:
– оснащение индукционных счетчиков электрической энергии датчиками оборотов;
– создание устройств, способных вести подсчёт поступающих импульсов и передавать полученный результат в ЭВМ;
– накопление в ЭВМ результатов подсчёта и формирование отчетных документов.
Первые системы учёта можно охарактеризовать как крайне дорогие, ненадежные, мало информативные комплексы, но их создание
позволило накопить опыт, создать правовую базу для создания автоматизированных систем следующих поколений.
Массовое внедрение автоматизированных систем учёта электрической энергии
Революционным моментом в развитии автоматизированных систем
учёта электрической энергии стало появление персональных компьютеров. Системы учёта, созданные на их базе, были несравненно дешевле и надежнее своих предшественников. Появление ставшей в последствии стандартом операционной системы MS DOS и первых СУБД,
хранящих данные в формате DBF, на годы определило направления
развития верхних уровней систем учёта и их функциональность.
Возможность создания автоматизированных систем учёта на базе
персональных компьютеров совпало в России с эпохой реформ, появлением огромного числа независимых производителей подобных систем. Следствием в сочетании с кажущейся простотой создания подобных систем стало огромное множество предложений по их созданию.
Из всего многообразия вариантов построения систем предлагавшихся к реализации можно выделить два основных подхода. Это монолитные системы, созданные по принципу “все в одном”, и распределенные системы.
Монолитные системы создавались на базе персонального компьютера, оснащенного встроенным модулем приема данных от датчиков
оборотов, встроенных в индукционные счетчики (рис. 1). Персональный компьютер выполнял все необходимые для ведения учёта функции, что в сочетании с маломощным процессором и однозадачной операционной системой делала систему крайне ненадежной.
Распределенные системы (рис. 2), как правило, имели три уровня
обработки данных получаемых от датчиков оборотов индукционных
счетчиков. На первом уровне информация принималась многоканальными блоками обработки информации (МБОИ). При этом информация
62
из аналоговой формы переводилась в цифровую и по каналу связи передавалась на следующий уровень.
Верхний уровень АСКУЭ
- Подсчет импульсов
- Хранение данных
- Формирование отчетов
Модуль
ввода
Нижний уровень АСКУЭ
- Формирование импульсов
Рис. 1. Структура монолитной АСКУЭ
- Прием данных
- Хранение данных
- Формирование документов
ЦП
- Прием данных
- Хранение данных
УСПД
- Подсчет импульсов
МБОИ
- Формирование импульсов
63
Рис. 2. Структура распределённой АСКУЭ
Второй уровень обработки информации представлял собой устройство сбора и передачи данных (УСПД) в функции которого входило:
– прием информации от первого уровня;
– преобразование информации о числе оборотов в значение потребленной электрической энергии и сохранение информации;
– предоставление накопленной информации следующему уровню
системы.
Третий уровень системы представлял собой персональный компьютер, который принимал информацию от второго уровня системы,
обрабатывал её и формировал отчетные формы, с помощью которых и
осуществлялся учёт электрической энергии.
При кажущейся сложности распределенной системы, в сравнении
с монолитной, победа осталась за ней. Причины этого кроются в
большей гибкости распределенных систем и в большей надежности
сохранения накопленной информации на двух уровнях её хранения.
К примеру, выход из строя компьютера монолитной системы приводил к катастрофическому отказу системы с безвозвратной потерей
информации. В распределенной же системе выход из строй компьютера третьего уровня приводил только к сбою темпа формирования отчётной документации, поскольку учётные данные сохранялись на втором уровне системы.
Одним из основных недостатков обоих типов систем была невосполнимая потеря информации о потреблении электрической энергии
при выходе из строя отдельных компонентов системы, таких как счётчики электрической энергии, МБОИ, УСПД, каналы передачи данных.
Выход из строя датчика оборотов или канала его связи с устройством
подсчёта импульсов приводил к потере информации по счётчику, выход из строя МБОИ приводил к потере информации по всей группе
подключенных к нему счётчиков. Выход из строя УСПД приводил к
потере информации по всем подключенным к нему счётчикам.
Потеря информации не была катастрофической, поскольку общее
потребление за период восстановления работоспособности системы
можно было восстановить по показаниям счётных механизмов счётчиков, но восстановить графики потребления электрической энергии было невозможно.
Электросчётчики с импульсным интерфейсом за время развития
АСКУЭ прошли две основных стадии: на первой – импульсный интерфейс стал их штатным компонентом, а на второй – счётчики превратились в электронные приборы с импульсным интерфейсом.
Но главный их недостаток – невысокая точность, остался непобеждённым. Если нагрузка очень мала, то за сутки счетчик может сформи64
ровать один импульс, но, как распределилось реальное потребление по
часам суток, ответить нельзя.
По мере роста доверия к системам учёта стали предприниматься
попытки получения от них дополнительной информации, а именно
данных о мгновенном значении мощности по присоединению или данных о потреблении за небольшой, например за одну минуту, интервал
времени. Оказалось, что получить достоверное значение этой величины в реальном времени практически невозможно из-за отсутствия привязки поступающих импульсов ко времени. А при снижении нагрузки
картина и вовсе становилась удручающей.
Значительные силы разработчиков систем учёта были потрачены на
создание аппаратных средств поддержки каналов связи, адаптацию
существующих и новых средств связи к своим нуждам. Телеграфная,
радиочастотная и ведомственная ВЧ-связь постепенно вытеснялась
мобильными, спутниковыми и оптоволоконными системами связи.
Тенденция к использованию в АСКУЭ все более скоростных и высокотехнологичных каналов связи сохраняется.
Эволюция импульсных систем учёта провела отбор среди производителей средств АСКУЭ. Среди его победителей оказались предприятия и организации, которые с самого начала ориентировались на зарубежных производителей электронных компонентов, контроллеров,
промышленных компьютеров, средств учёта электрической энергии.
Целями следующего этапа развития АСКУЭ стало совершенствование способов измерений количественных и качественных показателей электропотребления. Должны были быть решены задачи повышения надежности хранения информации, расширения функциональности в части повышения оперативности получения данных.
Цифровые АСКУЭ
Цифровые системы учёта стали закономерным результатом развития импульсных систем учёта. С одной стороны назрела необходимость повышения точности и функциональности систем, с другой стороны у производителей компонентов систем учёта появилась техническая возможность реализации этих требований.
Развитие микроэлектроники сделала технически возможным и экономически целесообразным создание отечественных микропроцессорных счётчиков электрической энергии с цифровым последовательным
интерфейсом. Вычислительная мощность этих устройств сопоставима
с первыми персональными компьютерами, а функциональная насыщенность во многом перекрывает существующие и на сегодняшний
день требования к подобным устройствам.
65
Революционный скачок в развитии счётчиков повлек за собой
стремительное изменение требований к АСКУЭ, что в свою очередь
повлекло к изменению всех компонентов систем учёта и их созданию.
Значительно возросшие объёмы передаваемой информации повлекли
за собой развитие инфраструктуры каналов связи.
Первые цифровые системы учёта электрической энергии стали полигонами, на которых отрабатывались механизмы информационного
взаимодействия компонентов систем учёта, их состав и функциональность. В этом процессе стали проявляться специфические проблемы
цифровых систем, к которым можно было отнести многообразие протоколов информационного взаимодействия компонентов систем и, как
следствие, многообразие проблем по стыковке оборудования различных производителей, невозможность использования всей номенклатуры формируемых счётчиками электрической энергии данных в силу их
уникальности для каждого из типов счётчиков.
Решение назревших проблем требовало принятия организационных
мер. Таким организатором выступило НП “АТС”. С его появлением
произошла не только замена аббревиатуры АСКУЭ на АИИС, но и
появились описанные правила построения систем, требования к их
элементам и способы оценки качества построенных систем.
АИИС
АИИС в версии НП “АТС” – это измерительный комплекс, в котором предпринята попытка жесткого задания уровневой иерархии системы и разделения функциональности между её компонентами.
Принципиальным моментом, отличающим АИИС (рис. 3) от её
предшественников, стало появление дополнительного уровня хранения и представления информации, центрального устройства обработки
и передачи данных (ЦУСПД), оснащенного СУБД со стандартными
интерфейсами. Появление этого элемента в значительной мере сняло
остроту проблемы несовместимости протоколов обмена в системах
различных производителей, поскольку для доступа к информации
ЦУСПД стало возможным использовать стандартные элементы доступа к базам данных.
Эпохальным событием стало появление требования о формировании и передаче информации между потребителями информации в едином формате с использованием XML разметки, регламентированном
одним документом.
Поскольку для доступа к данным стали использоваться средства
СУБД, а для информационного обмена файлы в формате XML, то и
значительно возросли требования к каналам передачи информации.
Каналы со скоростью передачи информации ниже 19200 уходят в
прошлое.
66
- Прием данных
- Хранение данных
- Формирование документов
- Прием данных
- Хранение данных
- Формирование отчетов
ЦП
ЦУСПД
СУБД
- Прием данных
- Хранение данных
УСПД
- Формирование данных
- Хранение данных
123.45
123.45
123.45
Рис. 3 Структура АИИС
Недостатками АИИС можно считать:
– неопределенность требований к порядку формирования, получения и обработки дополнительной информации, формируемой счётчиками электрической энергии;
– значительные “запасы прочности”, связанные с хранением идентичной информации счётчиками электрической энергии, устройствами
сбора и передачи данных, ЦУСПД, центральными пунктами систем
учета;
– оставшуюся, но скрытую, проблему многообразия протоколов
обмена между компонентами систем учёта различных производителей
(как правило, счетчика и других компонентов систем учёта).
67
АСУ ТП и АИИС
Одной из проблем применения систем учёта с момента их создания
было противоречие между возможной широтой использования системы и ограничениями её коммерческого использования. Неоднократные
попытки совмещения системы коммерческого учета и системы управления производством, как правило, приводили к созданию двух параллельных систем. Причиной этого является, прежде всего, не техническая невозможность реализации совмещенной системы, а различное
ведомственное назначение функций систем.
Появление счётчиков электрической энергии с двумя интерфейсами дали очередной толчок развитию систем. Особенностью использования двух информационных интерфейсов одного измерительного
прибора стало изначальное разделение АИИС и АСУ ТП.
ООО “СКБ АМРИТА” имеет в своем арсенале устройства, позволяющие организовать с использованием одного комплекта счетчиков
с двумя интерфейсами две независимые системы, как для ведения
коммерческого учета, так и для решения задач управления производством.
Типовое решение показано на рис. 4
Рис. 4. Способ применения счётчиков с двумя интерфейсами
как в АИИС, так и в АСУ ТП
АИИС в ЖКХ
В настоящее время начинается движение АИИС в “народ”. Автоматизацию учёта в этой сфере еще нельзя назвать массовой. Можно
сказать, что мы находимся на стадии проработки и опробования технического предложения.
68
Основными целями создания АИИС в сфере ЖКХ можно назвать
стремление поставщика электрической энергии к оперативному и
своевременному формированию учётных документов, снижению вероятности хищений электрической энергии, автоматизации процесса
учёта, возможности дистанционной оценки состояния оборудования,
возможности дистанционного управления параметрами энергоснабжения потребителей.
В сферу автоматизации ЖКХ попадают объекты энергоснабжающих организаций, предприятия, расположенные на их территории и
жилищный сектор. При автоматизации этих объектов используются
различные подходы, которые должны учитываться при создании
АИИС.
Так, автоматизация объектов энергоснабжающих организаций ничем не отличается от автоматизации объектов энергетики и крупных
предприятий.
Автоматизация предприятий сферы обслуживания и других, расположенных на территории энергоснабжающей организации, в зависимости от их размеров и энергопотребления может осуществляться как
по типу промышленных предприятий, так и по типу жилищ граждан.
Автоматизация учета электрической энергии, потребляемой гражданами в своих жилищах, является новой задачей, оптимальное решение которой пока не найдено, хотя и существует несколько вариантов
её решения.
Все варианты предусматривают использование микропроцессорных счётчиков электрической энергии оснащенных, как правило, последовательными интерфейсами. Наибольшую сложность, при построении системы представляет решение вопроса информационного взаимодействия счётчика и вышерасположенных уровней системы учёта.
Используемые для решения задачи счётчики электрической энергии должны иметь минимальную стоимость. Для реализации этого
требования счётчики не только делаются миниатюрными и из дешевых
материалов, они лишаются возможности хранения профиля потребляемой энергии. Как правило, они могут предоставить в систему учёта
только информацию о показаниях счётных механизмов счетчика на
момент их запроса системой. При использовании последовательных
интерфейсов, в общем случае, каждый счётчик будет опрошен системой в произвольный момент времени. Таким образом, система не может формировать данные по потреблению электрической энергии за
сутки или за любой другой интервал времени. Данные в таких системах могут быть сформированы только в виде потребления электрической энергии с момента выполнения предыдущего запроса до момента
выполнения текущего запроса.
69
Если вести речь о формировании платёжных документов для жильцов для их ежемесячной оплаты, то особых проблем не возникает. Однако для проведения технологических расчетов и сведения баланса
потребления электрической энергии, например для оценки состояния
оборудования или выявления хищений электрической энергии, такой
способ получения данных может быть непригоден.
Интересна и реализация способов передачи данных, используемых
при построении подобных систем. Традиционная технология предполагает прокладку магистрали RS-485 по всем местам установки счетчиков и её подключение к УСПД или другому устройству вышерасположенного уровня. Существенным недостатком такого решения является высокая стоимость используемого кабеля, сложность (а порой
невозможность) его прокладки. Кроме всего прочего, сильно развитые
инстинкты толкают жителей на причинение вреда кабелю и добыванию из него цветных металлов.
Альтернативным способом связи счетчиков с устройствами вышерасположенных уровней является технология передачи информации
по силовой электрической сети (PLC). В этом случае для получения
данных от счётчиков не требуется прокладки отдельной магистрали.
Попытки использования этой технологии предпринимались неоднократно, обычно они были связаны с организацией локальных вычислительных сетей. Как показала практика, борьба с особенностями этой
технологии, в конечном итоге, дороже изначальной прокладки кабеля
и организации обычного проводного канала связи. И в новой сфере
применение PLC технологии скептиков достаточно. Нужно отметить,
что существующие немногочисленные факты внедрения этой технологии, говорят о её работоспособности в условиях автоматизации небольших коттеджных посёлков. Возможно, что при росте числа используемых в системе счетчиков (например, при автоматизации многоквартирных домов), надёжность передачи информации будет снижена. Интересной особенностью такой технологии является то, что при
использовании силовой сети для передачи данных жильцами дома,
передача данных в системе будет прекращена. Также невозможно использование в системе разнотипного оборудования, использующего
указанную технологию для информационного обмена.
Еще одной особенностью счётчиков электрической энергии, использующих эту технологию, является их информационная активность. Передача информации осуществляется не по инициативе верхнего уровня, а по инициативе счётчика, который, в оговоренные при
его конфигурировании, моменты времени выдает в канал связи информацию о текущем состоянии показаний табло счетчика.
Для организации связи может использоваться и радиочастотный
канал связи, но стоимость его организации и эксплуатации не позволя70
ет использовать его на уровне отдельного счетчика. Использование
этих средств связи оправдано только на более высоких уровнях иерархии системы.
Одним из нерешенных вопросов остается вопрос проверки правильности сбора информации и функционирования системы. Каким
образом сверить показания счетчика и данные, хранимые верхним
уровнем системы? Вопрос пока ответа не имеет.
ООО “СКБ АМРИТА” в АИИС ЖКХ
ООО “СКБ АМРИТА” активно участвует в процессе создания
АИИС в ЖКХ. Наше предприятие выполняет полный цикл работ,
включающий в себя все стадии предпроектных работ, проектирование,
проведение монтажных и пусконаладочных работ, сдачу систем
в эксплуатацию.
Типовое решение (Рис. 5), предлагаемое нашим предприятием
включает в себя:
– счетчики с интерфейсом RS-485;
– PLC концентраторы, осуществляющие прием информации от
счётчиков электрической энергии;
Рис. 5. Структура АИИС для ЖКХ
71
PLC концентраторы, осуществляющие прием информации от счётчиков электрической энергии;
– УСПД, осуществляющие прием информации от счётчиков, подключаемых к системе с использованием магистрали RS-485 и от PLC
концентраторов;
– средства связи, обеспечивающие передачу данных от концентраторов и УСПД к устройствам вышерасположенных уровней иерархии
системы;
– Центральные устройства сбора и передачи данных, обеспечивающие сбор данных от PLC концентраторов, УСПД, счетчиков электрической энергии и других устройств, осуществляющих формирование и хранение результатов измерения в системе;
– Сервера БД, обеспечивающие накопление и обработку учетной
информации в системе.ЦУСПД, производства нашего предприятия
представляет собой единый программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий сбор информации, ее хранение, ведение единого системного времени. В зависимости от варианта исполнения устройство может быть оснащено интегрированной СУБД или выделенным сервером
СУБД. Вариант исполнения устройства определяется на стадии проектирования.
Некоторые выводы и предположения
Анализ этапов развития и становления систем учёта позволяют
сделать ряд выводов и предположений об их будущем.
Интеллектуальная насыщенность систем будет развиваться и затрагивать не столько верхние уровни систем учёта, сколько нижние. Примером тому может служить рост вычислительной мощности счётчиков
электрической энергии. Ещё одной иллюстрацией этого является появление ЦУСПД в составе систем. Можно предположить, что нынешние
устройства сбора и передачи данных в своем развитии достигнут
функциональности ЦУСПД и сольются с ними. Таким образом,
неуклонно возрастающая мощность вычислительной техники возродит
рассмотренные выше монолитные системы учёта. Также вероятно появление “2-го интерфейса” у этого нового типа устройств, который
позволит с легкостью интегрировать их в АСУ ТП предприятий.
Информационный обмен между элементами системы буден осуществляться с использованием ограниченного числа регламентированных протоколов обмена. Примером тому может служить внедрение в
практику информационного обмена отчетов в XML формате, регламентированных НП “АТС”.
Расширение номенклатуры данных, формируемых системами учёта, и ужесточение требований ко времени их доставки будет сказываться на развитии каналов передачи информации, при этом, в первую
72
очередь, будут развиваться Ethernet-совместимые технологии. Возможно, что опыт Литвы будет взят на вооружение в России, но вместо
персонального GSM провайдера будет создана спутниковая группировка, обеспечивающая высокоскоростной обмен информацией как
между различными АИИС, так и между компонентами одной системы
учёта. При этом возможно и появление региональных центров коммерческой информации, предоставляющей её заинтересованным потребителям с использованием Internet-технологий. Возможно, что этот
процесс затронет не только сферу промышленного производства, но и
жилищно-коммунальный сектор.
Возможно, что АИИС утратят свой статус средств измерений, и он
опустится ниже, на уровень счетчиков электрической энергии. Возможно, что счетчики электрической энергии объединятся с измерительными трансформаторами и образуют единый измерительный комплекс точки поставки или генерации, параметры которого будут занесены в единую базу точек поставки РФ, а данные, формируемые им
будут собираться в единый центр сбора и потом будут доступны всем
заинтересованным сторонам посредством сети Internet.
Автор
Ерохин Игорь Валентинович – начальник отдела ООО “СКБ Амрита”
Россия, 440600, г. Пенза, ул. Гладкова, 6
http://www.amrita.ru
Тел.: (841-2) 54-41-96 Факс: (841-2)-54-42-70
E-mail: erohin@amrita.ru
73
3. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО
ОБСЛУЖИВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ИС
Вельт И.Д., Михайлова Ю.В.
Поверка магнитных расходомеров
без снятия с трубопровода
и остановки технологического процесса
В атомных энергетических установках в качестве теплоносителей
используется жидкий натрий. Для измерений расхода теплоносителя
применяют так называемые магнитные расходомеры. Типовая конструкция магнитного расходомера [1] весьма проста.
Расходомер состоит:
– из участка трубопровода, выполненного из немагнитной нержавеющей стали;
– двух электродов, приваренных к наружной поверхности стенки
трубы;
– двухполюсного постоянного магнита, создающего магнитное поле в рабочем объеме канала расходомера;
– измерительного устройства, обеспечивающего измерение разности потенциалов между электродами расходомера.
Принцип действия расходомера основан на явлении электромагнитной индукции.
Магнитные расходомеры работают в первом контуре ядерного реактора в условиях высокой радиоактивной обстановки, при температуре теплоносителя до 400-450 С и должны обладать особо высокой
надежностью. По этим причинам узел трубы прибора не имеет изоляционного покрытия канала.
Металлическая труба является электрическим шунтом сигнала расходомера. По стенкам трубы протекают токи, вызывающие падение
напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя расхода,
оцениваемое коэффициентом kt, который определяется из выражения
D
2 1
D2
kt 
(1)
2
2
 D1 
t   D1  
1  
 
 
1  
   D2  
 D2 


где D1 и D2 – диаметры трубы внутренний и наружный;  и t –
проводимость жидкости и материала трубы.
Значение kt≤1. Оно тем ближе к единице, чем меньше разница между D1 и D2 , т.е. чем тоньше стенка трубы и меньше отношение t  .
74
Приведенная формула справедлива, когда между расплавленным
металлом и стенкой трубы нет дополнительного переходного электрического сопротивления. На самом деле оно часто имеет место и обычно называется контактным сопротивлением. Это сопротивление существенно осложняет работу расходомера, так как не только уменьшает
измеряемую разность потенциалов, но и вызывает дополнительную
погрешность измерений вследствие своего непостоянства. Уменьшение разности потенциалов происходит потому, что шунтирующий ток,
протекающий по металлической трубе, создает падение напряжения не
только на внутреннем сопротивлении преобразователя (что учитывается коэффициентом kt), но и на переходном контактном
сопротивлении Rk. Учитывающий последнее явление, коэффициент kk
может быть представлен совместно с сопротивлением kt по формуле
D
2 1
D2
kt k k 
(2)
2
2
 D1   2 Rk t t    D1  
  
 
1  
  1  
    D2  
 D2   D1


Если в этой формуле положить Rk=0, то из нее как частный случай,
вытекает вышеприведенная формула для kt.
Значительное контактное сопротивление Rk возникает, с одной стороны, вследствие недостаточной чистоты внутренней поверхности
трубы и образования на ней окисных пленок, а с другой – вследствие
плохого смачивания жидкостью поверхности труб. Однако по данным
работ [2, 3] при температуре 400 С контактное сопротивление между
сталью и жидким натрием в большинстве случаев исчезает.
В процессе длительной эксплуатации прибора возможны также изменения толщины стенки канала, налипание осадков и окислов на
внутренней поверхности стенки и вымывание из металла стенки каких-либо компонентов, причем эти эффекты изменяют электрическое
сопротивление стенки. Так как по стенке протекают токи, изменение
сопротивления стенки влияет на показания расходомера.
Градуировка расходомеров осуществляется на проливном расходомерном стенде, либо расчетным методом.
Согласно известным требованиям эксплуатирующей организации и
органов Федерального Агентства по техническому регулированию и
метрологии магнитный расходомер должен подвергаться периодической поверке. При этом основной проблемой поверки является необходимость её осуществления без демонтажа расходомера с трубопровода и без остановки технологического процесса протекания потока
жидкого натрия через трубопровод, т.к. иначе необходимы изменения
режимов работы ядерного реактора.
75
Нами предлагается решить эту задачу с применением имитационного метода моделирования расходомера.
Поверка прибора выполняется поэлементно и состоит из трех операций: проверка измерительного устройства, проверка постоянного
магнита, проверка узла трубопровода.
1. Проверка измерительного устройства производится стандартными методами и не требует пояснений.
2. Проверка постоянного магнита состоит в измерении магнитного
поля в его рабочей области.
Эта операция может быть выполнена следующими способами.
Если постоянный магнит может быть все же временно снят с трубопровода (при этом не надо останавливать технологический процесс),
то индукция магнитного поля в рабочей области измеряется известными стандартными приборами. Этот вариант обеспечивает наиболее
точную проверку магнита.
Если постоянный магнит нельзя демонтировать, то магнитное поле
в рабочей области определяется по измерению индукции в поле рассеяния или в специальной для этой цели предусмотренной нише (щели) в
магнитопроводе.
3. Проверка узла трубы. Для этого:
– собирается схема проверки, изображенная на рис. 1;
N
НИ
S
ИУ R
j
0
РИТ
НИ – нуль-индуктор,
ИУ– измерительное устройство расходомера,
РИТ – регулируемый источник тока.
Рис. 1. Схема соединений при проверке узла трубы магнитного расходомера
76
– с помощью регулируемого источника тока РИТ устанавливается
ток j, при котором разность потенциалов между электродами равняется
нулю. Контроль нулевого напряжения между электродами производится с помощью нуль-индикатора. Для повышения точности желательно иметь потенциальные и токовые электроды, приваренные к одним и тем же точкам на внешней стенке трубопровода;
– измерительное устройство расходомера подключается к образцовому сопротивлению R0 и считываются показания расходомера;
– затем измерительное устройство подключается к электродам в
штатном режиме прибора, при этом РИТ и НИ отключаются. Вновь
фиксируются показания расходомера;
– эти измерения повторяют несколько раз. Предполагается, что за
весь период измерений поток жидкого металла протекает по трубопроводу с неизменной скоростью;
– по усредненным разностям полученных показаний расходомера
вычисляется погрешность узла трубопровода;
– случайная погрешность измерений характеризует нестабильность
контактного сопротивления и турбулентность потока в технологическом трубопроводе.
Обоснование приведенной методики поверки узла трубы
Предлагаемая схема позволяет воспроизвести сигнал, пропорциональный скорости потока, при отсутствии тока в стенке, а, следовательно, при отсутствии влияния изменения сопротивления стенки.
Для наглядности пояснений на рис. 2 приведена упрощенная электрическая эквивалентная схема узла трубы расходомера.
r
R
U
E
j
Рис. 2 Эквивалентная схема узла трубы магнитного расходомера
77
На схеме приняты следующие обозначения: Е – ЭДС, индуцированная в канале в результате взаимодействия скорости потока с магнитным полем, r – внутреннее электрическое сопротивление источника ЭДС (сопротивление теплоносителя), R – сопротивление стенок
трубы, U – напряжение между электродами, j – ток от стороннего источника.
Напряжение между электродами U описывается выражением:
ER  jr

U
(3)
  1
rR E

Из выражения (3) следует, что когда сторонний ток j, пропускаемый через стенку равен j  E r , то разность потенциалов между электродами U=0. Электрические потенциалы в любом месте внутри стенки становится одинаковыми между собой и не зависят от сопротивления стенки R.
В этом случае ток j несет информацию только об ЭДС Е и сопротивлении теплоносителя r и не зависит от сопротивления стенки.
Сравнивая показания поверяемого прибора в двух режимах: штатном режиме, когда ток течет через стенку (разность потенциалов между электродами зависит от сопротивления R), и при режиме поверки,
когда ток в стенке отсутствует, можно определить погрешность, вызванную изменением шунтирующего эффекта.
Предполагается, что внутреннее сопротивление измеряемой
среды r в процессе эксплуатации прибора не изменяется, за исключением её зависимости от температуры. Температура теплоносителя контролируется и учитывается при расчете погрешности прибора.
Если известен температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
теплоносителя, и его рабочая температура, то рассматриваемая схема
позволяет также измерять температурную погрешность узла трубы.
Расчеты показывают, что Е изменяется от 0 до нескольких мВ, сопротивление r составляет несколько мОм, а ток j изменяется от 0 до 0,5 А.
Схема поверки предварительно должна быть подстроена под поверяемый расходомер.
Эту операцию можно выполнить на градуировочном стенде или
даже на технологическом трубопроводе в период начала эксплуатации
расходомера, т.е. в то время, когда шунтирующее действие стенок
у прибора соответствует его градуировке.
Подстройка схемы осуществляется следующим образом. Измерительное устройство подключается к образцовому сопротивлению R0 и
его величина устанавливается такой, чтобы показания измерительного
устройства при том же расходе совпадали с показаниями прибора в
штатном режиме.
78
Дополнительные замечания следующие.
– Сопротивление R0 составляет несколько МОм. Для удобства воспроизведения сопротивления R0, оно составляется из однозвенной или
двухзвенной цепочки образцовых резисторов, обладающих большими
значениями сопротивлений (например, как в калибраторе электромагнитных расходомеров общепромышленного назначения).
– Для удобства поверки целесообразно в паспорт на расходомер заносить ТКС теплоносителя, значение R0 и рабочую температуру, при
которой оно измерено.
– Значение сопротивления стенки влияет на чувствительность схемы поверки. Поскольку возможные изменения сопротивления R незначительны, то схема поверки практически имеет одинаковую чувствительность в течение всего срока эксплуатации прибора.
Используя описанный выше принцип действия схемы поверки,
можно разработать магнитный расходомер, нечувствительный к изменению шунтирующего действия стенок канала. Заметим, что у такого
расходомера существенно упрощается расчетная градуировка.
ОАО “НИИТеплоприбор” имеет возможность создать подобный расходомер.
Литература
1. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. –
Л.: Машиностроение, 1982.
2. Дукуре Р.К., Упит Г.П. Некоторые вопросы контактных свойств
металлических поверхностей. – В кн.: Прикладная магнитная гидродинамика – Рига: Изд. АН Латв. ССР, 1961. – С. 237-249.
3. Логинов Н.И. О влиянии концевых эффектов на чувствительность расходомера – Магнитная гидродинамика, 1969, №1– С. 146-147.
Авторы
Россия, Москва, 129085, пр. Мира, 95
Вельт Иван Дмитриевич – зав. лабораторией, ГНЦ “НИИТеплоприбор”, д.т.н.
Тел/факс. (495) 617-24-38.
E-mail: vellt@rol.ru
Михайлова Юлия Владимировна – зав. лабораторией, ГНЦ “НИИТеплоприбор”, к.ф.-м.н.
Тел/факс. (495) 617-24-07.
E-mail: agydel@veernet.ru
79
Вельт И.Д., Михайлова Ю.В.
Экспериментальное исследование
электромагнитных расходомеров
Сигнал, возбуждаемый на электродах электромагнитного расходомера (ЭМР) пропорционален интегральному значению распределения
скорости потока по поперечному сечению канала, т.е. объемному расходу. Это свойство не характерно для других преобразователей расхода, измеряемой величиной которых чаще всего является локальная
скорость потока. Поэтому, когда становится актуальной задача повышения точности и надежности измерений расхода, решение её в
первую очередь связывается с электромагнитным методом измерений.
Именно поэтому, явно существует тенденция к расширению области
применения ЭМР, особенно для режимов со сложным профилем потока и неоднородным составом среды. Последние разработки показали
уникальную возможность не только измерять потоки со сложной кинематической структурой, но и отображать её на дисплее прибора и
определять количественно характеристику структуры потока. Необходимость в таких приборах возникает при измерении потоков в каналах
с неполным заполнением измеряемой средой, при гидротранспорте
сыпучих продуктов, при применении приборов в исследовательских
целях.
Следовательно, всё острее возникает проблема экспериментального
исследования электромагнитных расходомеров. Такие исследования
необходимы для расширения области применимости электромагнитного метода по отношению к средам и условиям измерений, для создания
методов измерений характеристик потока, ранее электромагнитным
методом не измеряемых, создания алгоритмов обработки сигналов,
обеспечивающих повышение точности и надежности измерений.
Важнейшей частью расходомера является первичный преобразователь расхода, а его основным узлом – индуктор. Конструкция индуктора определяет потребляемую мощность расходомера, чувствительность расходомера к изменению скорости потока, зависимость сигнала
от перестройки профиля скорости потока, от числа Рейнольдса, стабильность показаний от температуры, а также технологичность, стоимость изготовления прибора и т.п. Очевидно, что для измерений существенно разных параметров (скорости, характеристик структуры потока) необходимо предусмотреть несколько режимов работы электромагнитного расходомера. Причем целесообразно создать такие условия для измерений, при которых обеспечивалась бы максимальная
точность измерений выбранных параметров.
80
При исследовании и разработке электромагнитных расходомеров
возникает множество технических вопросов, ответы на которые желательно получить экспериментальным путем, т.к. результаты этих испытаний позволят упростить и ускорить оптимизацию конструкции
приборов. Все технические вопросы, ответы на которые желательно
узнать экспериментально, разобьем на три группы:
1. Вопросы выбора элементов конструкции первичного преобразователя, конструкции канала, его формы, протяженности изолированного участка, размеров и конструкции электродов; конструкции индуктора, характеристики распределения магнитного поля и других элементов прибора.
2. Вопросы зависимости сигнала от структуры потока жидкости.
Например, влияние распределения скорости по сечению канала, вызванное изменением числа Рейнольдса, влияния различных асимметрий потока, вызванных близко расположенной от прибора трубопроводной арматурой (коленом, задвижкой, обратным клапаном) и т.п.
Влияние неоднородности фазового распределения измеряемой среды в
рабочем сечении канала и т.п.
3. Вопросы влияния на показания расходомера помех механической
и электромагнитной природы, например, пульсаций скорости потока,
сигнала поляризации электродов, термо-эдс, помех промышленной
частоты, одиночных импульсов и т.п.
Решение этих задач экспериментальным путем возможно только в
том случае, если имеются соответствующие метрологические средства,
позволяющие детально исследовать функции влияния каждого в отдельности из факторов, определяющих метрологические характеристики прибора.
Возможны два метода экспериментального исследования расходомеров: проливной, основанный на использовании расходомерной
установки, и беспроливной, в котором применяются средства имитационного моделирования расходомеров.
Рассмотрим эти методы с точки зрения применимости их для исследований электромагнитных расходомеров в указанном выше объеме.
1. Исследования с помощью расходомерной установки
Допустим, что у нас имеется образцовая проливная расходомерная
установка достаточно высокой точности. На этой установке измеряемой средой является чистая водопроводная вода в узком диапазоне
температур, на мерном участке установки обеспечивается осесимметричная кинематическая структура потока жидкости, с помощью соответствующих устройств сглажены пульсации скорости и т.п. Однако
81
нам не известно множество других факторов, определяющих структуру потока непосредственно в измерительном сечении канала расходомера. А именно: характер и распределение по сечению канала осевой и
тангенциальной скорости потока, углов смачивания на различных
участках поверхности канала, в особенности гидрофобных покрытий
(например, типа фторопласта) и состояние пограничного слоя на этих
участках, уровень и полярность эдс-поляризации, термо-эдс, амплитуд,
фаз спектра гармоник помех промышленной частоты и многое другое.
Все эти факторы нам количественно не известны, хотя они могут влиять на результат измерений расхода электромагнитным методом. Нам
также не известны их изменения во времени. Если и можно их как-то
искусственно изменять, то только в узко ограниченных пределах, и
при этом опять же нам неизвестны их действительные значения.
В зависимости от состояния смоченности поверхности канала распределение скорости потока различно. При углах смачивания (более 90) жидкость не “прилипает” к поверхности канала и скользит по
ней. Выраженная гидрофобность отдельных участков поверхности
канала приводит к нестабильному и существенному перекосу (асимметрии) распределения скорости потока в канале. Это приводит к значительной погрешности прибора.
Здесь следует обратить особое внимание на качество воды, значение её жесткости. Вода всегда имеет в своем составе различное количество минеральных веществ, нерастворимых солей, ржавчины (заметим, что ржавчина – Fe2O3nH2О немагнитная, с электропроводностью
водопроводной воды) и т.п. Все эти компоненты постепенно создают
на поверхности канала весьма тонкий налет, существенно снижающий
угол смачивания, доводя поверхность канала до гидрофильного состояния. И только когда вся поверхность становится полностью смоченной, пограничный слой формируется на всей поверхности канала,
структура потока становится осесимметричной и стабильной, что в
конечном итоге приводит к стабильной работе прибора. Время выхода
вновь изготовленного прибора на стабильный режим составляет от
нескольких часов до нескольких суток непрерывной работы на расходомерной установке. Это время зависит от многих причин: первоначальной чистоты поверхности канала, размера площади поверхности
канала, состава воды, температуры, скорости потока и т.п. Эффекты,
вызываемые временной гидрофобностью поверхности канала особенно
существенны для расходомеров малого диаметра (10-40 мм), для которых пограничный слой составляет значительную долю поперечного
сечения канала, а также потому, что распределение магнитного поля у
этих приборов близко однородному. А расходомер с однородным магнитным полем, как известно, особенно чувствителен к асимметрии
82
кинематической структуры потока. У расходомеров с Ду 50-100 мм эти
эффекты проявляются в меньшей степени. Расходомеры с Ду более
200-300 мм практически не чувствительны к эффектам, связанным с
гидрофобностью изоляционного покрытия трубы.
Проливная расходомерная установка по принципу своей работы не
позволяет изменять условия измерений, а именно менять плотность
измеряемой среды для исследований зависимости показаний прибора
от числа Рейнольдса, изменять асимметрию структуры потока, вводить
помехи механического и электромагнитного происхождения. Следовательно, на расходомерной установке сложно проводить в широком
масштабе исследования расходомеров на определение функций влияния их характеристик таких как: изменений структуры потока и помех
различного происхождения и уровня.
На расходомерной установке весьма сложно проводить испытания
расходомеров с целью выявления зависимости их характеристик от
изменения конструкции.
Например, нас интересует функция влияния зависимости градуировочной характеристики прибора от неточности установки электрода.
Для этого необходимо изготовить два, а может быть и большее количество образцов приборов, у которых электроды установлены на разные расстояния. Элементарные расчеты могут показать, что смещение
электродов вызывает незначительные изменения сигналов. Поэтому
полученные различия показаний этих приборов на проливной расходомерной установке вовсе не означают, что они вызваны только изменением смещения электродов. Выше было сказано, что у проливной
расходомерной установки имеется ряд не учитываемых факторов, которые могут быть различными при испытаниях даже одного и того же
прибора в разное время. Изменения сигналов того же уровня возможны также за счет неточности изготовления остальных элементов конструкции прибора, которые по постановке эксперимента у всех приборов должны быть строго одинаковыми.
Следовательно, испытания приборов на проливной расходомерной
установке с целью определения зависимости их характеристик от изменения конструктивных параметров, требуют с одной стороны трудоемких работ по изготовлению многочисленных макетов приборов, а с
другой стороны не позволяют получить необходимой точности измерений, несмотря на то, что сама проливная расходомерная установка
имеет сколь угодно малую погрешность измерений расхода.
Проливная расходомерная установка по своему принципу действия
консервативна, она не предназначена для проведения разносторонних
исследований расходомеров, она чрезвычайно мало информативна,
83
единственным информативным параметром проливной расходомерной
установки, представляемым в численном выражении, является значение расхода воды, пропущенного через канал прибора и измеренная
соответствующими средствами.
Проливные расходомерные установки совершенствуются. Однако
их развитие ведётся исключительно в направлении повышения точности, автоматизации измерений, программной обработки результатов
измерений и упрощения монтажа испытуемых приборов. Из-за чрезвычайной сложности и высокой стоимости, практически не ведется
развитие проливных установок в направлениях:
– измерений многофазных потоков: песковых, угольных пульп,
рудных хвостов, суспензий;
– создания установок для безнапорных потоков сточных жидкостей
(с изменяющимся уровнем заполнения канала в трубопроводе);
– создания установок, позволяющих изменять плотность измеряемой среды с целью исследования влияния числа Рейнольдса;
– создания установок, которые позволяют изменять структуру распределения скорости потока в канале с целью определения зависимости влияния этого фактора на показания прибора и определения минимально допустимого прямого участка трубопровода до и после электромагнитного расходомера.
Именно такие установки необходимы для развития электромагнитных расходомеров.
Стационарные проливные установки дороги в изготовлении и эксплуатации, металлоемки, для их размещения требуется специальное
помещение. Какая-либо их модернизация в направлении расширения
диапазона измерений, перевода на другие рабочие среды и др. весьма
трудоемка и дорогостояща. По этим причинам количество стационарных установок весьма ограничено и явно недостаточно для метрологического обслуживания всего парка эксплуатируемых средств измерений расхода.
Возможно, именно поэтому большинство разработчиков приборов
не проводят масштабных исследований электромагнитных расходомеров, отсутствуют об этом соответствующие публикации, а изменения
конструкции приборов производится интуитивно, в меру своего понимания физики процесса.
Исследователь, слепо доверяющий проливной расходомерной
установке, весьма часто попадает в тупик, получив например, различные показания одного и того же прибора на разных высокоточных расходомерных установках.
84
2. Исследования с помощью имитационных методов моделирования
Имитационный метод как бы специально предназначен для проведения испытаний приборов в самых широких масштабах изменения
условий измерений. С помощью имитационного моделирования можно нормировать и воспроизводить, и в большинстве случаев весьма
просто, практически все интересующие нас факторы, определяющие
как конструкцию расходомера, структуру потока, так и помехи различной природы.
Имитационное моделирование электромагнитного расходомера
предусматривает два основных элемента:
– устройства для моделирования конструктивных параметров расходомера и структуры потока в его канале;
– устройства, моделирующего помехи электромагнитного и механического содержания.
Основным элементом первого из выше упомянутых устройств является преобразователь магнитного поля, выполненный в виде индукционной катушки, витки которой распределены по так называемой
поверхностной весовой функции. Поскольку поверхностная весовая
функция зависит от конструкции электродов, геометрии канала, кинематической структуры потока, распределения фазового состава измеряемой среды в канале, уровня заполнения жидкостью канала при безнапорном потоке, то с помощью её можно исследовать метрологические характеристики расходомера при изменении каждого из выше
перечисленных факторов в отдельности или их всех вместе. Для этого
достаточно применить катушку, выполненную с учетом той поверхностной весовой функции, которая отражает какой-либо исследуемый
фактор или их совокупность. Поверхностная весовая функция поддаётся точному расчету, преобразователи магнитного поля технологичны, они изготовляются с высокой точностью автоматизированным
способом с применением фотопечати и просто тиражируются.
Основным элементом второго устройства, (моделирующего помехи
электромагнитного и механического происхождения) является интерфейсная плата АЦП-ЦАП с процессором и программным обеспечением, с помощью которой воспроизводится весь комплекс электрических
сигналов (как по отдельности, так и в совокупности), соответствующих помехам различной природы, возможных при применении расходомера.
Рассмотрим подробнее метод имитационного моделирования электромагнитных расходомеров и его возможности.
85
Разность потенциалов U, снимаемую с электродов расходомера,
можно представить в виде [1]
 

U  d v B  W ,
(1)

dg
,
dr
g – функция, зависящая только от геометрии и фазового состава канала, r – радиус-вектор.
При однофазном составе жидкости функция W , имеющая смысл
весового множителя для элемента объема d , определяется исключительно геометрией канала, протяженностью его изолированного участка, местами расположения и формой электродов. При многофазном
составе жидкости функция W зависит от распределения неоднородностей электропроводности.
При применении имитационного метода исследования расходомеров сигнал желательно аналитически представить через минимальное
количество характерных параметров первичного преобразователя, в
особенности, это касается характеристики распределения магнитного
поля в канале.
Для этого сигнал выражают через распределение магнитного поля
на поверхности внутри канала. Это возможно сделать, если учесть, что
в канале расходомера источников магнитного поля нет и, следовательно, магнитное поле можно описать скалярным магнитным потенциалом, который однозначно определяется своим значением на поверхности канала [2]. Поэтому, сигнал U записывается в виде интеграла по
поверхности:
где  – объем канала, v – скорость, B – магнитное поле, W 

U r  v0 BnWn dS ,
(2)
S
где v0 – средняя скорость в канале, Wn – поверхностная весовая
функция, Bn – нормальная к поверхности S компонента магнитного
поля.
Отметим, что поверхность S, по которой производится интегрирование в (2) не обязательно является поверхностью канала расходомера.
Далее введем понятие характеристического магнитного потока  0 ,
заменив интеграл в выражении (2) через характеристические величины: магнитный поток  0 и диаметр канала D получим:
86
 B W ds  
n
n
0
D,
(3)
s
Согласно выражению (3), характеристический магнитный поток
 0 учитывает поверхностную весовую функцию. Поверхностная
весовая функция определяется условиями формирования сигнала, а
именно геометрическими параметрами канала, размерами и местом
положения электродов, протяженностью изоляционного покрытия
канала, распределением скорости потока, неоднородностью
распределения электропроводности измеряемой среды в рабочем
объеме канала, уровнем заполнения канала при безнапорном потоке
и т.п. Поэтому, если действительный магнитный поток, проникающий
через поверхность S для данного экземпляра прибора неизменен, то
характеристический поток  0 зависит от множества факторов, определяющих условия измерений расхода, и с изменением этих условий
принимает другие значения.
В качестве входной информативной величины сигнала расходомера
примем отношение сигнала между электродами U к току I возбуждения индуктора, которое имеет размерность электрического сопротивления. Обозначим его через R. Кроме того, введем понятие характеристического коэффициента взаимоиндуктивности М 0 между активной
зоной канала и индуктором М 0   0 I . Используя эти выражения
можно получить формулу для статической характеристики первичного
преобразователя расходомера в виде:
R  v0 М 0 D .
(4)
Значение М 0 обычно находится в пределах от 10–6 до 10–7 Гн, она
возрастает пропорционально диаметру. Таким образом, коэффициент
взаимоиндуктивности М 0 является основным параметром статической характеристики преобразователя расхода, т.к. определяет:
– конструкцию индуктора, формирующего распределение магнитного поля в рабочей зоне канала;
– форму и конструкцию канала, протяженность изолированного
участка, конфигурацию электродов и их месторасположение, профиль
скорости и распределение неоднородностей в канале, формирующих
распределение весовой функции на заданной поверхности.
Восспроизведение коэффициента взаимоиндуктивности М 0 осуществляется с помощью индукционной катушки помещаемой в канал,
витки которой распределены по закону поверхностной весовой функции и расположены на поверхности, соответствующей этой функ87
ции [3]. Тогда взаимодействие катушки с магнитным потоком индуктора моделирует эффект индуцирования сигнала расходомера.
Если витки катушки распределены по линиям поверхностной весовой функции, а катушка помещена в канал, то напряжение, индуцированное в катушке, будут пропорциональным напряжению, возникающему между электродами моделируемого расходомера и структуре
потока.
Таким образом, имитационная модель расходомера с преобразователем магнитного поля в виде индукционной катушки, выполненной
по поверхностной весовой функции, позволяет моделировать приборы
различной конструкции и при различных гидродинамических режимах
и структурах потока.
Моделирование различных вариантов конструкции канала при одном и том же индукторе осуществляется, например, простой заменой
преобразователей магнитного поля, в которых индукционные катушки
соответствуют различным конструкциям узла трубопровода. Например, вставляя в рабочую область магнитного поля катушки, имитирующие различную форму канала (цилиндрическую, овальную, прямоугольную или любую другую) можно получить значения сигналов
между электродами, соответствующие разным конструкциям приборов
при одном и том же магнитном поле.
Испытание на влияние смещения электродов осуществляется совсем просто. Для этого достаточно сместить преобразователь магнитного поля в соответствующую сторону относительно исходного положения.
Если имеется набор преобразователей магнитного поля, у которых
индукционные катушки выполнены по весовым функциям, соответствующим различным структурам потока, то испытания на их влияние
осуществляются сравнением показаний прибора при различных преобразователях магнитного поля.
Однако имитационный метод позволяет применить и другой путь
исследования влияния структуры потока на сигнал расходомера.
В одном из проектов международного стандарта ISO, известный
английский специалист Салами [4] предложил аналитическое описание практически любой встречающейся кинематической структуры
потока в каналах технологических трубопроводов.
Это описание представлено в виде формулы, правая часть которой
состоит из двух компонент. Осесимметричная компонента, которая
полностью определяет расход, и спектр пространственных гармоник,
которые характеризует только асимметрию потока, и не влияют на
расход, т.к. интеграл их по площади сечения всегда равен нулю. При88
чем известно, что наиболее сильное влияние на асимметрию потока
имеют только первые три-четыре нечетные гармоники самого низкого
порядка. Для исследования расходомера на влияние асимметрии
структуры потока достаточно лишь определить чувствительность прибора к этим пространственным гармоникам, которые легко воспроизводятся с помощью всего трех-четырех индукционных катушек. По
результатам таких испытаний имеется возможность несложным расчетом по формулам Салами прогнозировать чувствительность расходомера практически ко всем вариантам трубопроводной арматуры, установленной на различное расстояние перед и после прибора.
Особое значение применения имитационного метода имеет для исследования распределения магнитного поля в канале моделируемого
расходомера. Магнитное поле в канале расходомера всегда можно разложить на спектр пространственных гармоник приблизительно так же,
как Салами разложил на пространственные гармоники кинематическую структуру потока.
В расходомерах общепромышленного назначения магнитное поле
в канале расходомера всегда является антисимметричным относительно плоскости, проходящей через ось канала и линию, соединяющую
электроды. Т.е. на равных и противоположных расстояниях от этой
плоскости магнитное поле имеет одинаковое значение и противоположное направление. Несмотря на кажущую сложность распределения
магнитного поля в канале, его с достаточно высокой точностью всегда
можно разложить на три-пять первых по порядку нечетных пространственных гармоник. Имитационный метод позволяет измерить интенсивность, распределение, и фазу каждой в отдельности пространственной гармоники, т.е. иными словами нормировать магнитное поле исследуемого расходомера с помощью незначительного количества характеристических параметров. В этом случае все выше приведенные
примеры исследования модели расходомера на влияния изменений
конструктивных размеров канала и структуры потока приобретают
повышенную значимость, т.к. они установлены для известной структуры магнитного поля в канале.
Выше рассмотренными методами имитируется только информативная компонента сигнала расходомера, без различного рода электромагнитных помех, сопутствующих информативной компоненте
сигнала при эксплуатации прибора.
Характеристики электромагнитных помех и их источники существенно зависят от условий эксплуатации приборов, физических
свойств измеряемого потока и элементной базы, использованной в
приборе. Поскольку электромагнитные расходомеры применяются
весьма широко (в промышленности, сельском хозяйстве и при науч89
ных исследованиях и т.п.) условия их эксплуатации и, следовательно,
различные ситуации режимов измерений – чрезвычайно разнообразны.
Разность потенциалов на электродах связана с током питания индуктора следующей зависимостью
U  v0 М 0 D I  М ц dI dt  U ст t    ,
(5)
где М ц – коэффициент взаимоиндуктивности между катушкой
возбуждения индуктора и измерительной цепью, обуславливающий
так называемый “сигнал квадратурной помехи”, U ст t  – сторонние
источники сигнала помехи, γ – помехи в канале преобразования сигнала.
В правой части выражения (5) первый член характеризует информативную компоненту, а остальные члены – помехи различного происхождения. Все помехи могут быть разделены на две группы.
К первой относятся помехи, которые проявляются при наличии
магнитного поля возбуждения (мультипликативные) – эти помехи вызваны флюктуациями скорости потока и дисперсностью измеряемой
среды. Ко второй группе – помехи от сторонних источников (аддитивные).
Первая группа помех определяется выражением


U п  Gdiv v f t B dS 

S
  ln t  r vB dS 
S

  ln t  r GB dtdS,
(6)
S
где G – объемная весовая функция; v f (t ) – флюктуации скорости
потока; σ(t) – электропроводность измеряемой среды; r - радиусвектор.
Первый член уравнения (6) характеризует сигнал, вызванный турбулентными пульсациями потока, второй и третий члены правой части
уравнения характеризуют помехи, обусловленные дисперсностью среды (соответственно синфазная и квадратурная). Основной частотный
спектр крупномасштабных пульсаций, вызванных турбулентностью
потока, находится в диапазоне (3-1000) Гц. Амплитуда может достигать (2-12)% от информативной компоненты сигнала и существенно
зависит от числа Рейнольдса. Частотный спектр сигнала помехи, вызванной неоднородностями в измеряемой среде, определяется размерами и количеством частиц твердой фазы и пузырьков газа в потоке, а
также скоростью движения частиц. По опытным данным частотный
90
диапазон этого сигнала составляет (10-5103) Гц. Амплитуда может
достигать (5-10) % от информативной компоненты сигнала. Это весьма
грубая оценка помех, их частотный спектр и соотношение различны и
зависят от диаметра трубопровода, состава измеряемой среды, гидродинамической характеристики потока и т.п. Причинами возникновения
мультипликативных помех являются также:
– амплитудные флюктуации в цепи питания,
– флюктуации магнитного поля,
– шумы в электронных приборах.
Ко второй группе помех относятся сигналы, не связанные с магнитным полем. Среди них наиболее существенной помехой является
напряжение, вызванное поляризацией электродов. Оно обусловлено
электрохимическими реакциями такими, как:
– установлением равновесия между ионами металлической решетки электрода и аналогичными ионами в жидкости (напряжение равновесий ионов металлического электрода);
– окислительно-восстановительными реакциями при перезаряде
ионов измеряемой среды;
– образованием равновесия в окисной пленке металла электрода;
– образованием пузырьков газа водорода и кислорода на электродах и т. п.
Разность потенциалов поляризации электродов может достигать
(100-200) мВ, а в отдельных случаях и более. Поскольку процесс поляризации сопровождается в той или иной мере перемещением ионов, то
его частотный спектр может быть чрезвычайно низким и находится в
пределах (10–3–10) Гц.
Сторонние электрические сигналы, воспринимаемые электродами,
могут быть следующими:
– индустриальные помехи различного рода, в том числе помехи от
промышленной сети 50 Гц и ее производные (2-5-й гармоники),
– “земляные” токи,
– одиночные импульсы,
– термо-ЭДС электродов,
– тепловые шумы в жидкости и во входных каскадах измерительного устройства и т.д.
Характеристики помеховых сигналов определены на основе многолетнего опыта по разработке и эксплуатации электромагнитных расходомеров в различных отраслях промышленности.
91
Моделирование помех не вызывает принципиальных трудностей,
однако требует специальной разработки аппаратной и программной
части имитационной модели, а также комплекса нормативно - методических документов.
Следует отметить, что одновременное присутствие всех видов помех вряд ли реально. Обычно состав помех и их уровень существенно
зависит от условий эксплуатации, конструкции и типоразмера прибора.
Чем выше чувствительность прибора, тем проще отделить информативную компоненту сигнала от помех различной природы, а значит
повысить надежность измерений расхода. Однако это приводит к увеличению габаритных размеров первичного преобразователя расхода и
потреблению им энергии для создания магнитного поля.
Применением современной элементной базы и программных
средств обработки сигналов в настоящее время достигается удовлетворительное измерение расхода при весьма невысокой чувствительности
первичного преобразователя (100-200) мкВс/м.
Последние годы основное внимание разработчиков обращено к повышению помехозащищенности прибора, поскольку она является
определяющим фактором надежности прибора. Достигается все более
и более высокая точность измерений расхода (0,5-0,2)%, расширяется
диапазон измерения до 1/500 – 1/10003, улучшаются динамические
характеристики расходомера, его надежность.
Характеристика помехозащищенности прибора существенно зависит от выбранной схемы измерений, применяемой элементной базы,
алгоритма обработки сигналов и программного обеспечения прибора.
Таким образом, даже на одном макете расходомера можно провести исследования практически всех влияющих факторов в самом широком масштабе их изменений.
Имитационное моделирование обеспечивает следующие преимущества:
а) неограниченный диапазон имитируемых расходов;
3
Примечание редактора:
Бессмысленно говорить о диапазонах измерений 1:1000 и даже 1:100, т.к. при
уменьшении измеряемой величины относительная погрешность существенно возрастает.
См. Данилов А.А. Учёт энергоресурсов: небалансы, диапазоны измерений, погрешности,
межповерочные интервалы / Коммерческий учёт энергоносителей: Труды 20 науч.-техн.
конф. 23-24 ноября 2004 г. – СПб: Борей-Арт, 2004. – С. 134–137.
92
б) исследование приборов с диаметрами каналов от малых значений (порядка нескольких мм) до неограниченно больших (до 2000 мм
и более);
в) высокую точность средств исследования и поверки;
г) возможность исследований приборов при максимально приближенных условиях испытаний к реальным условиям эксплуатации:
– моделирование потока жидкости в широком диапазоне физических свойств (вязкости, плотности, температуры и т.п.);
– моделирование неоднородности состава измеряемой среды: дисперсности, многофазности;
– моделирование потоков с различной кинематической структурой,
при любых числах Re, при осенесимметричных распределениях скорости, а также с различными уровнями и частотным спектром пульсаций;
– моделирование помех различной природы: тепловой шум, электромагнитные помехи промышленной сети, радиочастотные помехи,
одиночные импульсы, механические вибрации, гидравлические удары
и т. п.;
д) возможность поверки приборов как на месте их эксплуатации,
так и в условиях поверочной лаборатории;
е) высокую производительность метрологических средств, полную
автоматизацию обработки результатов исследований, протоколирования и ведения архива;
ж) портативность комплекса средств имитационной поверки (небольшие габариты, вес и потребляемая мощность);
К тому же с помощью имитационного моделирования возможно
проведение исследований электромагнитных расходомеров существенно проще, чем в натурных условиях.
В заключение следует отметить, что при исследованиях новых моделей приборов широкое применение средств имитационного моделирования в сочетании с проливными расходомерными установками позволит создать совершенные электромагнитные расходомеры самого
различного назначения.
Темпы развития методов моделирования не соответствуют современным задачам. Развивать имитационные методы моделирования
необходимо сообща, всем организациям и фирмам, разрабатывающим
электромагнитные расходомеры.
В разработку имитационных методов вкладывать больше финансовых средств и привлекать наиболее подготовленных и перспективных
специалистов.
93
ГНЦ “НИИТеплоприбор” разработал установку “Поток-Т” для
имитационной поверки электромагнитных расходомеров, счетчиков
объема и теплосчетчиков.
Размещаемая на столе и не требующая специального обслуживания
установка позволяет поверять приборы с диаметрами условного прохода от 25 до 4000 мм и расходами от 0 до 350000 м 3/ч. Установка состоит из набора преобразователей магнитного поля, ПЭВМ, интерфейсной платы, содержащей аналого-цифровой преобразователь, и
согласующего блока. Пределы допускаемой погрешности установки
±0,17%, что позволяет поверять приборы класса 0,5, а при использовании специальной методики – класса 0,2. В настоящее время установка
“Поток-Т” предназначена для поверки расходомеров и теплосчетчиков
типов РОСТ, СТЭМ, ИР-45, ТС-45, SA-94, ТЭМ-05, КМ-5, SKM и др.
с диаметрами 25-300 мм, а также приборов с диаметрами каналов до
4000 мм с электромагнитными преобразователями локальной скорости
потока. В настоящее время активно ведутся работы и накапливается
соответствующий статистический материал по применению установки
для поверки расходомеров с Ду до 1000 мм фирм Krohne, Endres+Hauser, Fischer & Porter, Danfoss и др.
Имитационная установка “Поток-Т” применима для первичной и
периодической поверок, она зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений России под №14519-01.
Литература
1. Bevir M.K. Theory of Induced Voltage Electromagnetic Flowmeasurement. – IEEE Trans. Magn., 1970, 6, № 2.
2. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Имитационное моделирование
электромагнитных расходомеров. Приборы и системы управления,
1997, №11. – С. 28.
3. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. О метрологическом обеспечении
электромагнитных расходомеров. Датчики и системы, 2005, №4. – С. 8.
4. Salami L.A. // Trans. Inst. Measurement and Control. – July-Sept.
1984. – V. 6. – N. 4. – P. 197.
Авторы
Россия, Москва, 129085, пр. Мира, 95
Вельт Иван Дмитриевич – зав. лабораторией, ГНЦ “НИИТеплоприбор”, д.т.н. Тел/факс. (495) 617-24-38. E-mail: vellt@rol.ru
Михайлова Юлия Владимировна – зав. лабораторией, ГНЦ “НИИТеплоприбор”, к.ф.-м.н. Тел/факс. (495) 617-24-07. E-mail: agydel@veernet.ru
94
Лахов В.М., Вельт И.Д., Фёдоров В.А.
О метрологическом обеспечении расходомеров
большого диаметра
Россия значительно отстает от промышленно развитых стран мира
в производстве специального оборудования для метрологического
обеспечения процессов измерений расхода жидкостей в трубах диаметром 400-2000 мм. В докладе предлагаются два варианта решения
этой важной и непростой проблемы: создание отечественных проливных расходомерных установок большой производительности и развитие производства средств имитационного моделирования приборов.
Из-за стремительного роста требований к качеству контроля водоснабжения, теплоснабжения и экологической обстановки крупных городов и промышленных центров у нас в стране возникла и быстро растет
потребность в средствах измерений (СИ) расхода жидкостей в трубах
большого диаметра. При этом не только увеличивается спрос на количество расходомеров, но и повышаются требования к точности, надежности и другим эксплуатационным характеристикам этих приборов.
Пресная вода уже давно стала коммерческим продуктом и дорожает
почти также быстро, как нефть. Наиболее дорогостоящей является чистая водопроводная вода, полученная на станциях аэрации в результате
восстановления из промышленных, дождевых и бытовых стоков. Причем в крупных промышленных городах использование этого источника
становится все более и более существенным. Весьма дорогой является
также вода, используемая в сельском хозяйстве для орошения, при ирригации и мелиорации, на промышленных очистных сооружениях и т.п.
Поэтому в развитых странах коммерческими приборами учета пресной
воды практически везде являются полнопроходные электромагнитные
расходомеры большого диаметра класса точности 0,5% и выше.
Ориентировочная потребность страны в расходомерах с диаметрами
труб до 2000 мм сегодня составляет 5-7 тысяч изделий в год и постоянно
увеличивается. На рис. 1 приведено приблизительное распределение
потребности в России в расходомерах большого диаметра.
Применяемые у нас СИ расхода значительно уступают по количеству и качеству приборам, используемым в промышленно развитых
странах Западной Европы, США, Японии, а теперь и в Китае. В настоящее время основными СИ расхода в России являются трубы Вентури,
сегментные диафрагмы, ультразвуковые расходомеры и различные приборы, основанные на методе измерений “площадь-скорость” с преобразователями местной скорости потока (вихревые, электромагнитные или
механические преобразователи локальной скорости). Эти СИ расхода
имеют существенно меньшую точность (погрешность измерений более
2-4%), чем полнопроходные электромагнитные расходомеры.
95
4
Годовая потребность, тыс. шт.
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
300
500
600
800
1000
1200
1400
Ду, мм
1500
1600
1800
2000
2500
Рис. 1 Потребность России в расходомерах большого диаметра
Полнопроходные электромагнитные расходомеры являются наиболее точными, надежными и универсальными по совокупности эксплуатационных характеристик среди современных средств измерений расхода. Они позволяют измерять расходы в трубах от чрезвычайно малых
диаметров до громадных: 2000-3000 мм. В канале этих приборов отсутствуют какие-либо элементы конструкции, препятствующие потоку и
искажающие его эпюру скорости. Показания электромагнитных расходомеров практически не зависят от изменения физических свойств измеряемой среды: плотности, вязкости, электропроводности, весьма мало
зависят от распределения скорости потока в канале. По существу это
единственные средства измерений расхода, сигнал которых пропорционален интегральному значению скорости потока по поперечному сечению канала, т.е. расходу. Тем не менее, полнопроходные электромагнитные расходомеры с условными диаметрами более 300 мм в России не
выпускаются. Потребность в них обеспечивается исключительно за счет
импортных приборов из Западной Европы. Причем доля электромагнитных расходомеров по отношению к другим СИ расхода у нас существенно ниже, чем в промышленно развитых странах.
В Государственном реестре СИ зафиксировано более десятка фирм,
поставляющих эти приборы в Россию, в том числе такие крупные и хорошо известные в мире, как: Krohne, Endress+Hauser, Fischer & Porter,
Danfoss, АВВ и др. Однако продукция зарубежных фирм чрезвычайно
дорогостояща. Стоимость одного расходомера Ду 1000 мм, например,
составляет более 30-40 тысяч евро. Поверка подобных приборов также
обеспечивается только на установках Западной Европы и сопряжена с
громадными финансовыми затратами.
Разработки аналогичных отечественных приборов стоили бы в полтора-два раз дешевле и, безусловно, оказались бы конкурентно способными. В подобных расходомерах нуждаются многочисленные объекты
96
очистных сооружений Водоканала, насосные станции, водопроводные
сети, оросительные системы, гидротранспорт, а также крупные промышленные предприятия – металлургические заводы, обогатительные
фабрики, целлюлозно-бумажные комбинаты и т.п.
Для градуировки и поверки расходомеров большого диаметра за рубежом применяют расходомерные установки класса точности 0,0150,05% с различной градацией по диаметрам мерных участков трубопроводов, вплоть до уникальных расходомерных установок с диаметрами
мерных участков 2000-3000 мм, на расходы до 100-400 тыс. м3/ч. По
мере возрастания диаметров мерных участков, установки представляют
собой всё более сложные и дорогостоящие сооружения. Вместе с соответствующей инфраструктурой они представляют собой сооружения,
напоминающие крупные промышленные предприятия, и являются основой национальных научно-исследовательских Центров. Каждый такой
Центр обслуживает большой промышленно-экономический регион,
иногда охватывающий несколько государств (в Европе - практически
весь Европейский союз) и не только обеспечивают весь комплекс исследований любых расходомеров, но и проведение исследований агрегатов,
где необходимо оперировать с большими потоками жидкости, в том
числе насосов, объектов военно-промышленного комплекса и др.
Подобных установок во всем мире не более полутора десятков
(в Англии, Бразилии, Германии, Индии, Китае, США, Японии и др.).
Но основная значимость и ценность Центров состоит даже не столько в проведении важнейших научно-исследовательских и практических
работ с громадными потоками жидкости, сколько в том, что они способствуют успешному развитию фирм – разработчиков и производителей
расходомеров большого диаметра, а также насосов и объектов ВПК,
повышают общий уровень и потенциал приборостроительной промышленности данного экономического региона. Поэтому государства, имеющие эти Центры, придают им явное стратегическое значение в области
технической политики, поскольку они обеспечивают этим странам лидерство и приоритетное положение в области исследования и разработки расходомеров большого диаметра.
В России метрологическое обеспечение расходомеров большого
диаметра весьма успешно развивается только в нефтяной и газовой промышленности. Этому способствует большой коммерческий интерес,
проявляемый к энергоресурсам. Однако измеряемой средой в них являются нефтепродукты и газ. В последние годы в нашей стране появились
высококачественные проливные установки воды для теплосчетчиков с
диаметрами до 150-200 мм. При научно-исследовательских институтах
Ростехрегулирования (в Казани, Новосибирске), а также при некоторых
приборостроительных предприятиях (в Арзамасе, Кирове, Москве,
Санкт-Петербурге, Челябинске) имеются проливные расходомерные
97
установки с диаметрами мерных участков не более 300 мм. Некоторые
организации ведомственного подчинения в системе ВПК и предприятий
насосной промышленности имеют расходомерные установки для воды с
диаметрами мерных участков до 600-1000 мм. Эти установки предназначены для исследований производительности насосов и агрегатов
специального назначения, они не отвечают специфическим требованиям, предъявляемым к средствам поверки высокоточных расходомеров,
какими являются, например полнопроходные электромагнитные расходомеры. Однако расходомерные установки для градуировки и поверки
расходомеров больших диаметров у нас отсутствуют, что сдерживает
развитие производства отечественных расходомеров большого диаметра
и, в первую очередь, полнопроходных электромагнитных расходомеров.
В соответствии с действующими нормативными документами приборы, поставляемые из-за рубежа, должны быть обеспечены средствами
поверки в России. Однако по вышеуказанной причине это требование
практически не может быть выполнено. Например, станция аэрации в
микрорайоне “Южное Бутово” (г. Москва), Новолипецкий металлургический комбинат, завод “Северсталь” (г. Череповец) и другие предприятия оказались не в состоянии обеспечить плановую поверку расходомеров с диаметрами от 300 до 1000 мм, приобретенных у западноевропейских фирм, из-за отсутствия в России соответствующего метрологического обеспечения. Отсутствие в России современного метрологического обеспечения препятствует разработке высокоточных расходомеров
большого диаметра и их серийному производству, создает непреодолимую преграду для развития дешевых средств исследования электромагнитных расходомеров на основе имитационного моделирования.
Вопрос о создании в России расходомерных установок для расходомеров большого диаметра в разные годы возникал неоднократно и рассматривался на самых различных уровнях, от узко ведомственного подчинения до федерального значения.
Однако создание подобных установок и непрерывное поддержание
их в рабочем состоянии требуют больших финансовых расходов, а прибыль от эксплуатации установки, если прибыль вычисляется только по
оплате услуг от поверки расходомеров, крайне незначительна. С увеличением диаметра мерного участка этот разбаланс цен возрастает в геометрической прогрессии, т.к. стоимость создания установки неимоверно
растет, а количество поверяемых приборов падает. По этим причинам
все рассматриваемые даже самые дешевые проекты признавались нерентабельными и отвергались. Такой, широко распространенный подход
к оценке проекта явно ошибочен и бесперспективен. Он вынуждает разработчика беспощадно снижать стоимость проекта, прямо сказать недозволенными методами: искать наиболее примитивные схемы, дешевые материалы и комплектующие, упрощенные технические решения,
98
в конечном итоге приводящие к отсталому, не отвечающему современным требованиям, нулевому проекту. И даже в этом случае, оказывается
невозможным создать расходомерную установку для расходомеров
большого диаметра с положительным экономическим эффектом.
Создание рабочего эталона большого расхода воды является стратегически важным решением в области метрологического обеспечения
приборов и отвечает национальным интересам России. Поэтому расходомерные установки на большие расходы должны считаться государственными объектами федерального значения, а их строительство и эксплуатация – оплачиваться из федерального бюджета.
Расходомерные установки, аналогичные зарубежным, должны быть
созданы в России. Выполнение этих мероприятий позволит приступить
к радикальному решению проблемы метрологического обеспечения
расходомеров больших диаметров. Без этого нельзя рассчитывать на
какой-либо прогресс в развитии современной отечественной расходомерной техники для труб большого диаметра и на прогресс в улучшении
контроля водоснабжения и экологической обстановки в стране.
Необходимо в самые короткие сроки решить комплекс задач в данной области, в том числе:
– предусмотреть закупку в США или Германии по крайней мере
двух-трех трубопоршневых установок с диаметрами мерного участка
до 300-600 мм для Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии и для ГНЦ “НИИТеплоприбор”;
– определить заказчиков и проектантов установок для расходомеров с Ду до 1000-1400 мм;
– выйти в Правительство Москвы, Санкт-Петербурга или иного
крупного промышленного мегаполиса с инициативой создании при
Ростехрегулировании или при ГНЦ “НИИТеплоприбор” метрологического расходомерного центра с расходомерной установкой высокого
класса точности на расходы вплоть до 100-400 тыс. м3/ч.
Желательно, чтобы ведомства, курирующие приборостроительные
предприятия и фирмы, оказывали всяческое содействие и помощь им в
развитии собственного метрологического обеспечения расходомеров
большого диаметра.
Из-за чрезвычайной сложности и высокой стоимости в России не
производят проливных расходомерных установок специального назначения, в том числе:
– для измерений многофазных потоков: песковых, угольных пульп,
рудных хвостов, суспензий;
– для безнапорных потоков сточных жидкостей (с изменяющимся
уровнем заполнения канала в трубопроводе);
– позволяющих изменять плотность измеряемой среды с целью исследовать влияние числа Рейнольдса;
99
– позволяющих изменять структуру распределения скорости потока
в канале с целью определения зависимости влияния этого фактора на
показания прибора и определения минимально допустимой длины прямого участка трубопровода до и после электромагнитного расходомера.
Если даже рассматривать узкую задачу производства только коммерческих электромагнитных водо- и теплосчетчиков, уже для этих
приборов остро необходимы современные средства метрологического
обеспечения, обладающие следующими основными характеристиками:
– мобильностью и портативностью, позволяющими применять поверочные установки непосредственно на любых объектах эксплуатации
приборов, в том числе на объектах, где эксплуатируются единичные
образцы расходомеров и счетчиков;
– возможностью создавать условия поверки, максимально приближенными к промышленным условиям эксплуатации расходомеров и
счетчиков. Только в этих случаях метрологические характеристики,
определенные при поверке становятся практически полностью адекватными условиям эксплуатации приборов;
– высокой точностью, т.е. точностью, по крайней мере, в два-три раза выше точности подавляющего большинства эксплуатируемых приборов. Только в этом случае средства метрологического обеспечения могут быть применимы к основной массе СИ расхода и количества;
– средства поверки должны быть достаточно дешевыми и простыми
в эксплуатации. Только в этом случае они могут быть востребованы и
широко применимы в промышленности.
Для электромагнитных расходомеров эти задачи могут быть решены
без крупных финансовых затрат с помощью развития беспроливных
средств исследования, основанных на имитационном методе.
Теоретические и экспериментальные исследования в области имитационного моделирования электромагнитных расходомеров, выполненные в ГНЦ “НИИТеплоприбор”, в течение ряда лет многократно докладывались и обсуждались на самых авторитетных международных конференциях, в том числе IMEKO, FLOMEKO, и опубликованы в различных научных и технических журналах.
Технические решения, используемые в этих работах, защищены патентами и отмечены золотой и серебряной медалями, а также дипломами на Всемирных салонах в Брюсселе и Женеве.
В апробации имитационного метода на разных стадиях работ ГНЦ
“НИИТеплоприбор” участвовали ведущие научно-исследовательские
институты Ростехрегулирования.
В результате исследований имитационные установки, разработанные
ГНЦ “НИИТеплоприбор”, сертифицированы и зарегистрированы в Государственном реестре как СИ, которые применимы в качестве средств
метрологического обеспечения электромагнитных расходомеров.
100
Результаты, полученные в ГНЦ “НИИТеплоприбор”, показывают,
что имитационное моделирование обладает следующими возможностями:
– неограниченным диапазоном имитируемых расходов;
– возможностью исследования приборов любых конструкций с диаметрами от 25 до 4000 мм;
– высокой точностью средств исследования и поверки;
– возможностью исследования приборов при максимально приближенных условиях испытаний к реальным условиям эксплуатации: моделирование потока жидкости в широком диапазоне физических свойств
(вязкости, плотности, температуры и т.п.); моделирование неоднородности состава измеряемой среды: дисперсности, многофазности, неполного заполнения канала измеряемой средой; моделирование потоков с различной кинематической структурой, при любых числах Re, при несимметричных относительно оси канала распределениях скорости, а также с
различным спектром пульсаций; моделирование помех различной природы (тепловой шум, электромагнитные помехи промышленной сети,
радиочастотные помехи, одиночные импульсы и т.п.);
– возможностью исследования приборов в лаборатории и на месте их
эксплуатации;
– высокой производительностью метрологических средств, полной
автоматизацией обработки результатов и ведения архива;
– комфортностью условий работы исследователя (отсутствием акустического шума, высокой влажности, вибраций);
– низкой стоимостью и высокой тиражируемостью установок;
– высокой надежностью и помехозащищенностью.
Разработки по имитационному методу исследования расходомеров
необходимо широко пропагандировать с целью привлечения для участия в этих работах фирм, занимающихся производством и метрологическим обслуживанием электромагнитных теплосчетчиков и расходомеров общепромышленного и специального назначения.
Авторы
Лахов Владимир Михайлович – начальник управления метрологии Ростехрегулирования, к.ф.-м.н.
Россия, Москва, Ленинский пр., 9 Тел. (495) 236-30-42.
E-mail: metrol@gost.ru
Вельт Иван Дмитриевич – зав. лабораторией, ГНЦ “НИИтеплоприбор”, д.т.н. Тел/факс. (495) 617-24-38. E-mail: vellt@rol.ru
Фёдоров Владимир Александрович – ведущий инженер ГНЦ “НИИТеплоприбор” Тел/факс. (495) 617-24-38.
Россия, Москва, 129085, пр. Мира, 95
101
Терехина Н.В.
Имитационный метод исследования ЭМР
для потоков со сложной кинематической структурой
на базе установки “ПОТОК-Т”
Приборы, основанные на электромагнитном методе измерений, позволяют измерять расходы в трубах практически любого диаметра.
Последние разработки показали уникальную возможность не только
измерять потоки со сложной кинематической структурой, но и отображать её на дисплее прибора и определять количественно характеристику
структуры потока. Необходимость в таких приборах возникает при измерении потоков в каналах с неполным заполнением измеряемой средой, при гидротранспорте сыпучих продуктов, при применении приборов в исследовательских целях. Одной из основных причин, сдерживающих развитие электромагнитных расходомеров, является несовершенство метрологического обеспечения.
Стационарные проливные установки дороги в изготовлении и эксплуатации, металлоемки, для их размещения требуется специальное помещение, какая-либо их модернизация в направлении расширения диапазона измерений, перевода на другие рабочие среды и т.п., весьма трудоемка и дорогостояща.
Из-за чрезвычайной сложности и высокой стоимости, практически
не ведется развитие проливных установок в направлениях:
– измерений многофазных потоков: песковых, угольных пульп, рудных хвостов, суспензий;
– создания установок для безнапорных потоков сточных жидкостей
(с изменяющимся уровнем заполнения канала в трубопроводе);
– создания установок, позволяющих изменять плотность измеряемой
среды с целью исследовать влияние числа Рейнольдса;
– создания установок, которые позволяют изменять структуру распределения скорости потока в канале с целью определения зависимости влияния этого фактора на показания прибора и определения минимально допустимого прямого участка трубопровода до и после электромагнитного расходомера.
Именно такие установки необходимы для развития электромагнитных расходомеров. Очевидно, что эти средства метрологического обеспечения не могут быть созданы на основе проливных образцовых установок.
Решение этой задачи надо искать в принципиально новом подходе,
основанном на современных достижениях в области теории электромагнитного метода измерений, моделирования, новых технологий вычислительной и измерительной техники.
102
Конструктивно комплекс должен представлять собой автоматизированное рабочее место, с помощью которого возможно проводить метрологические исследования электромагнитных расходомеров различной
конструкции при самых разнообразных условиях эксплуатации, включая
асимметричные относительно оси канала распределения скорости потока и неоднородные структуры многофазного потока типа пульп и суспензий.
Электромагнитные расходомеры (ЭМР) имеют явно неоднородно
распределенное магнитное поле в рабочей зоне канала расходомера. Это
сделано специально для того, чтобы обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики, а именно: значительно уменьшить габаритные размеры преобразователя расхода (ПП), потребляемую им электроэнергию и снизить чувствительность к перестройке распределения скорости в канале.
Это существенно усложняет применение беспроливных методов исследования приборов.
В канале расходомера не существует какой-либо одной точки или
небольшой локальной области, которые бы однозначно характеризовали
распределение магнитного поля во всей рабочей зоне. Неоднородность
распределения магнитного поля в канале зависит от многих факторов,
некоторые из которых трудно контролируемы: например, плотность
намотки катушек индуктора, точность изготовления и сборки магнитопровода, качество сборки ПП в целом и т.п. В результате этого два ПП
даже одной и той же серии и типоразмера, изготовленные по одному и
тому же технологическому процессу, могут существенно отличаться
между собой по функции распределения индукции в канале.
Решение этой задачи состоит в создании набора преобразователей
магнитного поля для установки “Поток-Т”, обработка сигнала которых
позволяет рассчитать напряжение на электродах ЭМР при различных
формах канала и различных структурах потока.
Установка “Поток-Т” (Рис. 1) использует метод поэлементной поверки, т.е. проведение поверки в два этапа:
1. Определение коэффициента преобразования Кр для ПП.
2. Имитация сигнала расхода.
Коэффициент Кр определяется как отношение выходной величины
преобразователя к его входной величине. В качестве выходной величины сигнала первичного преобразователя принимается отношение сигнала между электродами U к току I возбуждения индуктора, а в качестве
входной величины – расход Q потока жидкости, протекающей по каналу ПП.
103
Рис. 1. Установка “Поток-Т” с блоком СБ-7.
Для целей имитационного моделирования удобно коэффициент Кр
представить через характеристическую взаимоиндуктивность М между
индуктором и рабочей зоной канала прибора [1] в виде
U
4M
 Ом  с 
Кр  3  

,
(1)
3
 м  I Q  D
где М – характеристическая взаимоиндуктивность между индуктором и рабочей зоной канала прибора, D – диаметр канала расходомера.
Представление коэффициента преобразования первичного преобразователя электромагнитного расходомера в виде выражений (1) выполнено всего через два характеристических конструктивных параметра
прибора М и D. Причем характеристический коэффициент взаимоиндуктивности М является основным “обобщенным” параметром первичного преобразователя. Он определяется:
– конструкцией индуктора (формирующего магнитное поле в рабочей зоне канала);
– конструкцией канала расходомера;
– формой профиля потока (обычно профиль потока принимается
плоским, соответствующим высоким числам Рейнольдса).
Поскольку источников магнитного поля в канале расходомера нет,
магнитное поле можно описать скалярным магнитным потенциалом,
который однозначно определяется своим значением на поверхности канала или плоскости, проходящей через ось канала и линию, соединяющую электроды S. Разность потенциалов U на электродах можно записать в виде интеграла по поверхности:

U  v0 dS Bn  Wn ,
S
104
(2)
где Wn – поверхностная весовая функция, зависящая от кинематической структуры потока (т.е. распределения скорости в канале), и от
всех факторов, определяющих объемную весовую функцию W; Bn –
нормальная к поверхности S компонента магнитного поля, v0 – средняя скорость потока. Подробно это решение рассмотрено в работе [2].
Использование выражения (2) позволяет создать набор индукционных катушек (зондов) в виде плоских многослойных печатных плат,
имитирующих различные формы канала и с различным распределением
скорости потока в канале и другими условиями структуры потока.
Если витки катушки распределены по линиям поверхностной весовой функции (Wn), то напряжение, индуцированное в катушке, будет
пропорциональным напряжению, возникающему между электродами
при движении потока жидкости с соответствующим распределением
скорости. Таким образом, имитационная модель с преобразователем
магнитного поля (ПМП) в виде плоской индукционной катушки, выполненной по поверхностной весовой функции, позволяет моделировать приборы различной конструкции и при различных гидродинамических режимах и структурах потока.
При измерении Кр магнитная система ПП запитывается от специального генератора СБ-7 и расход полагается равным 1 м3/ч. Выходной
сигнал снимается с преобразователя магнитного поля (ПМП), который
является высокоточной многослойной печатной катушкой с хорошо
воспроизводимым и повторяемыми характеристиками. Таким образом,
Кр является интегральной характеристикой первичного преобразователя (ПП), учитывающей распределение в канале ПП магнитного поля,
создаваемого его магнитной системой, и геометрию его канала.
Значение Кр, измеренное с помощью специализированного ПМП
позволит проводить исследование влияния сложных профилей потока
на ЭМР. Для разработчиков ЭМР такая информация позволит оптимизировать конструкцию первичного преобразователя с целью применения приборов в сложных гидродинамических условиях.
Литература
1. Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. Метрология, 1998, №11.
2. Батова Г.П., Вельт И.Д., Михайлова Ю.В. О зависимости сигнала
расходомера от профиля скорости потока, Труды института НИИТеплоприбор, М, Сборник № 87, 1979.
Автор
Терехина Надежда Викторовна – зав. сектором ГНЦ “НИИТеплоприбор”
Россия, 129085, Москва, проспект Мира, 95.
Тел.:(495) 617-25-11.E-mail: datchik@online.ru
105
Лупей А.Г.
О правилах учёта тепловой энергии
и измерении разности масс
Известно, что в настоящее время по инициативе РАО “ЕЭС России”
готовится новая редакция “Правил коммерческого учета тепловой энергии и теплоносителей в Российской Федерации”. Поддерживая такое
решение, хотелось бы обратить внимание разработчиков новых Правил
на некоторые имеющиеся проблемы с организацией учёта теплопотребления, которые следовало бы решить в новых Правилах.
Наиболее острой и экономически значимой сегодня можно считать
проблему измерений утечки теплоносителя и несанкционированного
водоразбора за узлом учёта потребителя.
Видимо, никто не возьмётся утверждать то, что в отечественных системах теплоснабжения проблема утечки теплоносителя сегодня решена: утечка, конечно же, существует (из-за дефектов трубопроводов и
сварных швов, негерметичных сальников в арматуре, неплотностей в
соединениях т.д.), и несанкционированный отбор теплоносителя из
внутренних систем потребителей тоже иногда случается. И здесь желание теплоснабжающих организаций (ТСО) измерять утечку вполне понятно и обоснованно: коль скоро отбор теплоносителя имеет место
быть, то его (отбор) необходимо измерять и, соответственно, оплачивать.
Для решения этой задачи ныне действующие “Правила учёта тепловой энергии и теплоносителя” (далее – Правила–95) содержат требование, в соответствии с которым в узле учёта потребителя необходимо
“контролировать утечку” в соответствии с выражением
Mут = (М1 – М2) – Мгвс
(1)
и оплачивать суммарное теплопотребление в соответствии с известной
формулой 3.1 из Правил–95:
Q = Qи + (Мут + Мгвс)×(h2 – hхв).
(2)
Нетрудно видеть, что в формуле (2) Qи = М1×(h1 – h2), а
Мут + Мгвс = М1 – М2. Следовательно, Правила-95 предписывают потребителям вести коммерческий учёт суммарного теплопотребления
по формуле
Q = М1×(h1 – h2) + (М1 – М2)×(h2 – hхв),
(3)
что в точности соответствует известной формуле “тепло, пришедшее,
минус тепло, ушедшее”, т.е.
Q = Q1 – Q2 = M1×(h1 – hхв) – M2×(h2 – hхв).
(4)
Сегодня большинство теплосчётчиков российских потребителей по
требованию Правил-95 настроены на ведение коммерческого учёта суммарного теплопотребления по формуле (4), в соответствии с которой
106
полезное потребление горячей воды Мгвс и возможная утечка Мут измеряются косвенным способом, т.е. как разность масс DM = М1 – М2.
К сожалению, эта формула принципиально не пригодна для
применения у большинства потребителей, поскольку на практике
она никогда не обеспечивает измерение утечки и суммарного теплопотребления с приемлемой точностью. Более того, применение формулы (4) приводит к тому, что результаты измерений массы теплоносителя и энергии, отбираемых из системы теплопотребления, оказываются значительно заниженными, а измеренная таким образом “утечка” в
большинстве случаев оказывается в той или иной степени отрицательной (измеренная в закрытой системе разность масс М1 – М2 < 0). Следовательно, по результатам такого “учёта” потребитель невольно превращается в поставщика теплоносителя и тепловой энергии (потребитель как бы подпитывает внешнюю теплосеть горячей водой и, сам
того не желая, берёт на себя роль источника теплоты), что приводит к
заметным финансовым убыткам ТСО и росту водных и тепловых небалансов в системе “источник-теплосеть-потребители”.
Многолетние наблюдения за результатами измерений, накопленных
в узлах коммерческого учёта, убедительно свидетельствуют о безуспешности попыток измерить утечку теплоносителя как разность масс
Mут = (M1 – M2) – Мгвс. Например, анализ результатов измерений, накопленных в 87-и узлах учета потребителей, дал следующие результаты:
– у 16-и потребителей измеренная утечка оказалась положительной
((М1 – М2) > Мгвс); всего за рассматриваемый период времени здесь
измерено Мут = +303 т;
– у оставшихся потребителей измеренная утечка имела отрицательный знак ((М1 – М2) < Мгвс) и в сумме составила Мут = –2671 т.
Видно, что большинство теплосчётчиков (82% от общего объёма
выборки) зафиксировали утечку отрицательную, и эта отрицательная
утечка численно оказалась почти в 9 раз больше утечки положительной. Более того, у пяти потребителей из 87-и сумма Мут + Мгвс
также измерена как отрицательная, несмотря на наличие тех или иных
объёмов потребления горячей воды в системе ГВС.
Таким образом, ТСО, исполняя требования Правил-95 по “контролю утечки” и желая получить законную плату за эту возможную утечку, понесли финансовые потери трижды:
– никакой положительной утечки Мут = (М1 – М2) – Мгвс эти теплосчётчики в целом не измерили и, потребители, соответственно, ничего не заплатили ни за нормативную утечку, ни за утечку фактическую (если таковая, конечно, имела место);
– количество отобранного в системах ГВС теплоносителя и, соответственно, тепловой энергии, израсходованной в системах ГВС потребителей, оказалось занижено на 14% (в системах ГВС по показа107
ниям счётчиков Мгвс израсходовано 16906 т горячей воды, а оплачено
по разности масс DM = М1 – М2 только 14541 т);
– теплосчетчики, выполняя измерения по формуле (4), уменьшили
измеренную тепловую энергию отопления на 2368 т измеренной
отрицательной утечки.
Наблюдения за работой множества узлов коммерческого учёта,
установленных в С.-Петербурге, Москве и других российских городах,
дают все основания утверждать, что никогда измерения разности масс
DM = M1 – M2 в двухтрубных системах теплоснабжения не могут быть
выполнены с точностью, приемлемой для коммерческих расчётов.
И даже в тех редких случаях, когда расходомеры М1 и М2 действительно обладают высокой фактической точностью, результаты измерений
разности масс М1 – М2 всегда оказываются настолько неточными, что
говорить о выполнении измерений просто не приходится.
Учитывая особую метролого-экономическую значимость проблемы
измерений разности масс на тепловых вводах потребителей, приведём
пример тому, как при наличии в узле учёта высокоточных согласованных расходомеров М1 и М2 результаты измерений разности масс
DM = M1 – M2 = Мгвс + Мут оказываются крайне неудовлетворительными и совершенно непригодными для осуществления взаиморасчётов
между поставщиком и потребителем.
0.6
M1, т за час
M2, т за час
DM=М1-М2, т за час
Часовые массы М1 и М2, т
12.2
0.5
12.0
0.4
11.8
0.3
11.6
0.2
11.4
0.1
11.2
0.0
Мут = -13 кг/ч
22.03.06г
21.03.06г
20.03.06г
19.03.06г
18.03.06г
17.03.06г
16.03.06г
15.03.06г
14.03.06г
13.03.06г
12.03.06г
-0.1
11.03.06г
10.03.06г
09.03.06г
08.03.06г
06.03.06г
05.03.06г
04.03.06г
03.03.06г
02.03.06г
01.03.06г
28.02.06г
27.02.06г
26.02.06г
25.02.06г
24.02.06г
23.02.06г
11.0
07.03.06г
Дата, время
Разность часовых масс DM=M1-M2, т
12.4
Рис. 1. Изменение во времени измеренных часовых масс М1 и М2
и их разности DM = M1 – M2 на тепловом вводе потребителя
На рис. 1 показано, каким образом изменялись во времени часовые
массы М1 и М2 и их разности DM = M1 – M2 на тепловом вводе потребителя, у которого осуществляется отбор теплоносителя в систему
ГВС. Здесь видно, что фактическое теплопотребление в системе ГВС
сравнительно невелико – по рабочим дням в систему ГВС отбирается
108
несколько десятков килограмм горячей воды (в некоторые дневные
часы пик максимальное потребление достигает 100-120 кг за час).
Данные часового архива этого теплосчетчика свидетельствуют о
том, что здесь для подсчёта суммарного теплопотребления (отопление,
ГВС, утечки) применяется формула (4), т.е.
Q = Q1 – Q2 = M1×(h1 – hхв) – M2×(h2 – hхв).
Из рис. 1 также следует, что по выходным дням и в ночные часы у
данного потребителя Мгвс = 0; следовательно, в эти периоды времени
измеряемая разность масс M1 – M2 = Мут, и эта отрицательная “утечка”
стабильно составляет минус 11-14 кг за час (здесь при Мгвс = 0 систематически выполняется условие М1 < М2).
Возникает вопрос: а “много” это или “мало” с метрологической
точки зрения – иметь на данном объекте по результатам измерений
отрицательную утечку на уровне –(11-14) кг за час?
Расчёты показали: при отсутствии потребления горячей воды в системе ГВС (т.е. в закрытой системе, когда Мгвс = 0 и фактически
М1 = М2) измеренные часовые массы М1 здесь отстают от соответствующих масс М2 всего на (0,10-0,12)% при допускаемом расхождении
±1,56%4. В этой связи следует признать, что здесь мы имеем дело
с чрезвычайно высоким согласованием каналов измерений масс М1 и
М2 (для так называемой согласованной пары расходомеров допускается рассогласование показаний на уровне ±0,5%).
Вместе с тем это ничтожно малое отрицательное рассогласование
пары расходомеров М1 и М2 привело к тому, что измеряемая здесь разность масс DM = M1 – M2 оказалась заниженной в среднем на 0,0132 т
за каждый из 672-х часов работы узла учёта, а общее занижение разности масс за рассматриваемый период времени составило
672·0,0132=8,870 т.
Всего же по показаниям теплосчётчика измерено и оплачено
DM = 0,819 т теплоносителя. Следовательно, результат учета теплоносителя и тепловой энергии, отбираемых в систему ГВС, оказался занижен в (0,819+8.870)/0,819=12 раз! И это при том, что каналы
измерений масс М1 и М2 чрезвычайно согласованы, что в действующих
узлах учёта встречается чрезвычайно редко.
Причины столь крупного неуспеха в измерении разности масс высокоточными и сверхсогласованными расходомерами очевидны: это
требование Правил-95 “контролировать утечку” и естественное жела-
У данного потребителя применяются расходомеры М1 и М2 с допускаемой погрешностью ±1%. В соответствии с ГОСТ 8.591-2002 при М1 = М2 (в закрытой системе) допускаемое расхождение каналов измерений масс М1 и М2 определяется по формуле
M1=1,1·(12+12)0,5 = ±1,56%.
4
109
ние ТСО получить плату за возможную утечку и несанкционированный отбор теплоносителя вне системы ГВС.
Конечно же, всех этих финансовых потерь ТСО могла бы избежать,
если бы договорилась с потребителем несколько отойти от требований
Правил-95 “контролировать утечку” и переключила этот теплосчётчик
с формулы (4), 12-кратно занизившей результаты коммерческого учёта, на совершенно необходимую в данном случае формулу
Q = Q0 + Qгвс = М2×(h1 – h2) + Мгвс×(h1 – hхв).
(5)
Действительно, если бы учёт здесь осуществлялся по формуле (5),
то ТСО вполне законным образом выиграла бы (вернее, не потеряла)
трижды:
– во-первых, тепло отопления было бы рассчитано не по формуле
Правил-95 Qо1 = М1×(h1 – h2), а по формуле Qо2 = М2×(h1 – h2)5; и, коль
скоро в большинстве случаев по результатам измерений М2 > M1, то и
Qот2 > Qот1, что выгодно любой ТСО;
– во-вторых, обычный крыльчатый счётчик Ду15, установленный в
трубопроводе ГВС и подключённый к тепловычислителю, показал бы
потребление горячей воды Мгвс = 9,689 т с погрешностью ±2% вместо измеренной сегодня разности масс DM = M1 – M2 = 0,819 т с погрешностью –1200%;
– в-третьих, по ныне применяемой формуле (4) поставщик заплатил потребителю деньги за 8870 кг отрицательной утечки, а мог бы
получить плату от потребителя за нормативную утечку, поскольку
по формуле (5) утечка не измеряется6.
В этой связи представляется необходимым, чтобы новые Правила содержали указания на практическое применение формулы (5) в
узлах коммерческого учёта с обязательной оплатой потребителями
нормативной утечки и соответствующей тепловой энергии.
Известно, что в открытых системах теплоснабжения наибольшее
количество горячей воды потребляют жилые дома. Например, в жилых
домах С.-Петербурга из каждых 100 т теплоносителя, поступившего в дом
по подающему трубопроводу, в системах ГВС расходуется 10-25 т теплоносителя, т.е. относительный водоразбор составляет (10-25)% от М1.
Здесь можно отметить, что во многих странах расходомеры теплосчётчиков всегда
устанавливаются именно в обратный трубопровод, а не в подающий, т.е. подсчёт теплопотребления ведётся по формуле Q = M2×(h1 – h2), но никак не по формуле
Qи = M1×(h1 –– h2), предписанной Правилами-95.
6
Представляется целесообразным при отсутствии измерений утечки Мут оплачивать
величину нормативной утечки МутН, указываемую в договоре теплоснабжения и рассчитываемую в соответствии со СНиП 2.04.01-85*. Указанные СНиП устанавливают размер
МутН на уровне 7,5 кг/ч на каждый м3 объёма тепловых сетей и внутренних систем, принадлежащих потребителю.
5
110
25
20
15
M1, т за час
M2, т за час
DM=М1-М2, т за час
10
23-03-06г
22-03-06г
21-03-06г
20-03-06г
19-03-06г
18-03-06г
17-03-06г
16-03-06г
15-03-06г
14-03-06г
13-03-06г
12-03-06г
11-03-06г
10-03-06г
09-03-06г
08-03-06г
07-03-06г
06-03-06г
05-03-06г
04-03-06г
03-03-06г
02-03-06г
01-03-06г
28-02-06г
27-02-06г
26-02-06г
25-02-06г
24-02-06г
0
23-02-06г
5
22-02-06г
Часовые массы М1, М2, разность масс DM=M1-M2, т
Этот полезный (предусмотренный договором теплоснабжения) водоразбор можно измерить двумя способами: непосредственно счётчиком горячей воды Мгвс с погрешностью ±(1-2)% и косвенным образом,
как разность масс DM = M1 – M2. С какой точностью будет измеряться
разность масс DM, если для измерения масс М1 и М2 применить, например, турбинные счётчики с допускаемой погрешностью ±2%?
Рис. 2. Изменение во времени измеренных часовых масс М1 и М2
и их разности DM = M1 – M2 на тепловом вводе жилого дома
На рис. 2 показано, каким образом изменялись измеренные часовые
массы (среднечасовые расходы) М1 и М2 и их разности DM = M1 – M2
на тепловом вводе многоквартирного жилого дома в феврале-марте
2006 г., а на рис. 3 приведена зависимость допускаемой относительной
погрешности измерений разности масс М1 – М2 от времени суток.
1000
Допускаемая погрешность
измерения разности масс,  DM, %
491%
Средняя взвешенная
допускаемая погрешность
равна +/-38%
100
14%
Час суток
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
111
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Рис. 3. Зависимость допускаемой погрешности измерений
разности часовых масс DM = М1 – М2 от времени суток
Рис. 3 убедительно свидетельствует о том, что даже при наличии в
жилом доме сравнительно большого отбора теплоносителя в систему
ГВС (до 5 т за час) точность измерений разности масс DM = М1 – М2
весьма невысока: максимальные (вечерние) часовые объёмы потребления горячей воды здесь измерены с допускаемой погрешностью 14-50%
(в среднем 20%), утренние и дневные разности масс измеряются с погрешностью 16-80% (в среднем 30-50%), а допускаемая погрешность
ночных разностей масс составляет сотни процентов (см. также рис. 4).
1000
При изменении разности часовых масс
от DМmax = 5,320 т до DМmin = 0,171 т
допускаемая погрешность измерения DM
изменяется от +/-14% до +/-491%.
Допускаемя погрешность
измерения разности масс,  DM, %
491%
100
 DM = 80.6*(M1-M2)-1, %
14%
Разность масс DM=M1-M2, т за час
10
0
1
2
3
4
5
6
Рис. 4. Зависимость допускаемой погрешности
измерений разности масс от DM = M1 – M2
Расчёты показывают, что даже при наличии довольно значительного относительного водоразбора средневзвешенная допускаемая погрешность измерений разности масс в данном жилом доме составляет 38%, т.е. результат измерений разности масс следует записать
как DM = (1496  568) т. Очевидно, что погрешность результатов коммерческого учёта, достигающая 38%, не может считаться приемлемой ни для потребителя, ни для поставщика.
Однако эту недопустимо высокую погрешность можно уменьшить
с 38% до 1-2%, применив для подсчёта теплопотребления формулу (5)
вместо формулы (4) и отказавшись от заведомо безуспешных попыток
измерять несуществующую или возможную утечку теплоносителя.
Поэтому важно, чтобы в новых “Правилах коммерческого учёта
тепловой энергии и теплоносителей” была “узаконена” формула (5)
для ведения учёта теплопотребления.
Автор
112
Лупей Александр Григорьевич – зам. гл. метролога филиала “Невский”
ОАО “ТГК-1” Тел. (812) 595-32-97.
E-mail: Lupei.AG@nwenergo.com
113
Осипов Ю.Н.
Требования к защите теплосчетчиков
от несанкционированного доступа
и методам сохранения метрологических
и эксплуатационных характеристик
при выполнении монтажных работ и эксплуатации
В связи с введением в действие ГОСТ Р 8.596-2002 [1], необходимо
пересмотреть требования к процедуре аттестации теплосчетчиков (ТС)
и пакетов программного обеспечения (ПО), которые используются
в тепловычислителях и первичных преобразователях расхода.
Несмотря на то, что уже имеется целый ряд действующих нормативных документов, которые позволяют выполнять аттестацию алгоритмов и программ обработки данных при измерениях тепловой энергии измерительными системами (ИС) – теплосчетчиками, в настоящее
время, эта процедура не является обязательной.
Так как ПО ТС применяется в области действия государственного
метрологического контроля и надзора (ГМКиН), то оно обязано иметь
надежную и проверяемую защиту от несанкционированного доступа
с целью изменения версии ПО, алгоритмов, настроечной базы данных,
архивов с результатами измерений, настроечных коэффициентов первичных измерительных приборов.
Требования к ПО ТС и его целостности, вызваны необходимостью
сохранения в процессе эксплуатации: метрологических свойств ТС,
достоверности результатов измерений в процессе измерений, вычислений процессора ТС, архивных данных, а также их конфиденциальности при съеме и передаче по каналам связи.
Совершенно недопустимым является существование возможности
несанкционированного доступа к ТС, как со стороны производителей,
так и обслуживающих сервисных организаций, после осуществления
поверки.
Не секрет, что некоторые производители ТС осуществляют обучение методикам несанкционированного доступа к ТС при наличии
пломб поверителя и комплектуют адаптерами для осуществления “доступа под пломбу” своих региональных представителей и сервисные
обслуживающие организации.
В результате, “Энергосбыты” теплоснабжающих предприятий вынуждены содержать высококвалифицированных специалистов для
осуществления метрологического контроля за “правильной” работой
действующих узлов учета тепловой энергии, что само по себе является
прямой задачей государственной метрологической службы, и это, не114
смотря на то, что Федеральное Агентство по техническому регулированию и метрологии осуществляет первичную аттестацию ТС, а Федеральная служба по экологическому, техническому и атомному надзору
осуществляет экспертизу ТС.
Вынужденное дублирование функций выше указанных государственных учреждений со стороны метрологических служб “Энергосбытов” теплоснабжающих предприятий позволяет сделать предположение, что регулирующие и регламентирующие требования в законах
о техническом регулировании и обеспечении единства измерений не
работают.
Поэтому возникает несколько вопросов:
1. Почему производители и поставщики тепловой энергии, вынуждены содержать в своих службах главного метролога, специалистов,
которые достаточно хорошо подготовлены и разбираются в вопросах:
разработки, подготовки документации (техническое задание, программа испытаний, технические условия и т.д.) и проведения испытаний
с целью утверждения типа новых средств измерений (измерение температуры, давления, расхода), практических аспектов радиоэлектроники и электротехники, электробезопасности, программирования, метрологии и метрологического обеспечения, нормативно-правовой метрологической базы, нормативно-технической документации, эксплуатационного обеспечения СИ, нормативных требований к монтажу СИ на
технологических трубопроводах, эксплуатации технологических установок, проектирования технологических процессов. Понятно, что число специалистов с таким разносторонним уровнем профессиональной
подготовки будет конечным, но без их участия поставить надежный
заслон от проникновения на внутренние рынки СИ низкого качества
невозможно.
2. Почему производители ТС выпускают продукцию с различными
вариантами возможностей несанкционированного доступа к ПО, договорной настроечной базе данных, настроечным коэффициентам и почему это выгодно производителям и сервисным обслуживающим организациям?
3. Почему Федеральное Агентство по техническому регулированию
и метрологии и Федеральная служба по экологическому, техническому
и атомному надзору утверждают результаты первичной аттестации и
экспертизы ТС и выдают сертификаты об утверждении типа средств
измерений и экспертные заключения на ТС, без проверки
по МИ 2891-2004 [2] защищенности должного уровня от несанкционированного доступа к ПО, договорной настроечной базе данных,
настроечным коэффициентам и т.д.?
115
4. Что является причиной сложившейся практики – наличие взаимоисключающих противоречий в метрологической нормативной базе,
которые не позволяют Федеральному Агентству по техническому регулированию и метрологии и Федеральной службе по экологическому,
техническому и атомному надзору обеспечивать выполнение требований к метрологическому обеспечению измерительных систем на
должном уровне или требуется создание новых метрологических нормативных документов, которые бы четко и жестко определили порядок
проведения всех необходимых и достаточных контрольных процедур
или то и другое?
Отвечать на подобные вопросы нет необходимости, т.к. следует
принимать такие практические решения, при которых подобные вопросы не будут возникать.
Конечно, действующая метрологическая нормативная документация явно нуждается в значительной доработке и существенных дополнениях, что выявляется в процессе её практического применения метрологами службы эксплуатации предприятий всех отраслей промышленности. Отсутствие эффективно действующей обратной связи в этих
звеньях, является причиной и поводом для разработки и выпуска
в эксплуатацию СИ с низкими эксплуатационными характеристиками
и метрологической надежностью.
Для нормализации сложившейся практики и исключения возможности повторения, допущенных ошибок в будущем, а также в целях
обеспечения и соблюдения выполнения требований Закона РФ “Об
обеспечении единства измерений”, необходимо осуществлять в обязательном порядке:
– экспертную оценку ПО СИ, с указанием версии при проведении
испытаний с целью утверждения типа, а также каждой новой версии
ПО с последующим внесением её в описание типа в листе “внесение
изменений”;
– аттестацию алгоритмов и программ обработки данных, используемых при измерениях;
– проверку сохранения версии ПО СИ при осуществлении очередной поверки.
Существующие процедуры сертификации и экспертизы в настоящее время не предусматривают проверку защищённости средств измерений, измерительных систем и их интерфейсных каналов от несанкционированного доступа, не определяют необходимые и достаточные
требования к уровням защиты, что является причиной возникновения
серьезных проблем у теплоснабжающих предприятий, при осуществ116
лении контроля за состоянием узлов учёта тепловой энергии (УУТЭ)
у абонентов.
Вызывает удивление содержание РМГ 51-2002 [3]. В этом определяющем документе нет ни одной фразы о необходимости предусматривать процедуры по проверке и подтверждении сохранения первоначальной версии программного продукта.
Иными словами, если в процессе эксплуатации СИ будет изменена
его версия ПО (при условии наличия несанкционированного доступа
к ПО) то после осуществления процедуры периодической поверки СИ
Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии будет продлено действие МПИ, но уже для совершенно нового СИ, а это недопустимо.
На практике происходит следующее.
1. Разработчик-производитель разрабатывает ИС первого типа – ТС
на базе тепловычислителя, преобразователей расхода, давления и температуры; подготавливает необходимый пакет документов для проведения государственных испытаний средства измерений с целью
утверждения типа средств измерений, проводит испытания и получает
необходимый сертификат.
2. Такой сертификат не содержит сведений о представленной на
испытания версии ПО, т.е. после проведения испытаний для утверждения типа с какой-то имеющейся версией ПО, новых версий ПО
может быть великое множество (при наличии несанкционированного
доступа к ПО СИ поставить новую версию с помощью компьютера –
минутное дело).
3. При отсутствии утвержденного листинга первоначальной версии
ПО, идентифицировать и подтверждать её сохранение, при проведении
очередной поверки практически невозможно.
4. Тем временем, разработчик-производитель продолжает разрабатывать и внедрять все новые и новые версии ПО, и “обкатывать” их за
счет потребителей на глазах изумленных поставщиков тепловой энергии, на основании того, что Федеральное агентство по техническому
регулированию и метрологии выдало ему индульгенцию в виде сертификата об утверждении типа СИ на все мыслимые и немыслимые версии ПО, а Федеральная служба по экологическому, техническому и
атомному надзору выдала ему на руки результаты проведенной экспертизы, в которой указано, что СИ с любыми версиями ПО (прямо об
этом не указано, но раз не сказано, что так нельзя, то можно всё, что
угодно) будет соответствовать всем требованиям всех нормативных
документов и всегда будет рекомендовано к применению.
117
В результате разработчик-производитель получил разрешительные
документы на выпуск и реализацию нового СИ, разрешительные и
надзорные органы заработали деньги за осуществление всех необходимых процедур, а у потребителей и поставщиков тепловой энергии,
сразу появляется ряд проблем.
1. Как заставить проектировщиков правильно предусмотреть требования к монтажу преобразователей температуры, расхода и давления, если эти требования нормативно не определены, а сам производитель понятия не имеет, как это вообще может быть осуществлено на
практике?
2. Как заставить монтажников правильно смонтировать преобразователи температуры, расхода и давления и какие отборные устройства
можно применить для сохранения метрологических и эксплуатационных характеристик СИ?
3. Как обучить свой персонал правильно контролировать осуществляемые измерения рабочих параметров сетевой воды, правильно
их оценивать, если неизвестно: с какими результатами измерений придётся столкнуться после выполнения монтажа измерительных преобразователей на трубопроводах?
4. Как заставить сервисные обслуживающие организации “честно”
представлять в “Энергосбыты” теплоснабжающих предприятий результаты измерений потребленной тепловой энергии абонентами?
На практике, измерения температуры, расхода и давления в целях
определения поставляемой или потребляемой тепловой энергии осуществляются в соответствии с инструкциями по монтажу от предприятия-изготовителя, в которых, как правило, не учтены требования, которые бы обеспечили сохранение метрологических и эксплуатационных характеристик СИ. Причина возникновения этой ситуации понятна, т.к. она вызвана тем, что предприятия, которые начали специализироваться на разработке и изготовлении СИ, предназначенных для измерений рабочих параметров теплоносителя для определения тепловой
энергии, в свое время, не обратились в Ассоциацию “Монтажавтоматика”, которая исторически специализировалась на разработке технических требований для производства монтажа СИ, закладных и строительных конструкций, монтажных чертежей для установки СИ на технологическом оборудовании, а в результате требования к проектированию и к монтажу для этой продукции в настоящее время не регламентируются и не контролируются ни одним нормативным документом. При этом следует учитывать, что требования к СИ и производимым ими измерениям в коммерческих целях выше, чем для технологического контроля.
118
В результате, производители и поставщики тепловой энергии вынуждены принимать на себя не свойственные им функции и рекомендовать производителям преобразователей расхода и преобразователей
температуры принять необходимые меры для выработки технических
требований и рекомендаций к монтажу СИ на трубопроводах для создания условий сохранения заявленных метрологических и эксплуатационных характеристик после окончания производства монтажных
работ. В результате проведенной работы появились сертификаты соответствия по системе добровольной сертификации на продукцию ряда
производителей, таких как:
1. ЗАО “Взлет”:
Бобышки стальные приварные типа БС1 и БП1 по техническим
условиям (ТУ) В21.08-00.00ТУ – Cертификат соответствия РОСС RU.
МН02.Н00018;
Гильзы защитные по ТУ В21.00-29.00ТУ – Сертификат соответствия РОСС RU. МН02.Н00017;
Комплекты присоединительной арматуры “Взлет КПА” по ТУ
В21.07-00.00ТУ – Сертификат соответствия РОСС RU. МН02.Н00016;
2. ООО “ИНТЭП”:
Бобышки стальные приварные БП по ТУ ВY300044107.009-2006 –
Сертификат соответствия РОСС ВY. МН02.Н00024;
Гильзы защитные по ТУ ВY300044107. 010-2006 – Сертификат соответствия РОСС ВY. МН02. Н00023;
3. ЗАО “Теплоэнергомонтаж”:
Бобышки БТП 1 и БТП 2 по ТУ 4211-001-31050776-2004 – Cертификат соответствия РОСС RU. ГС03. Н00006;
Гильзы термометрические ГТ 2.5; ГТ 6.3 по ТУ 4211-002-310507762005 – Cертификат соответствия РОСС RU. ГС03. Н00007;
Комплекты присоединительные КП по ТУ 4193-004-31050776-2005
4. ООО “ТБН Энергосервис”:
Бобышки приварные резьбовые по ТУ 3790-011-42968951-04 –
Cертификат соответствия РОСС RU. И117.04 ТБОО; № Ст.RU.
НПРТ.С.00004;
Гильзы защитные термометрические по ТУ 4211-012-42968951-04 –
Cертификат соответствия РОСС RU. И117.04 ТБОО; № Ст.RU.
НПРТ.С.00002;
5. ЗАО “НПФ Теплоком”:
Комплекты соединений трубопроводов монтажные по ТУ КМ.
РБЯК. 302422.047ТУ – Сертификат соответствия РОСС RU.
АЕ44.В26395.
119
Проведение сертификационных испытаний для перечисленного
выше ряда изделий и освоение их выпуска и поставок, в настоящее
время позволило обеспечить выполнение практических измерений рабочих параметров теплоносителя в УУТЭ при условии сохранения
заявленных метрологических и эксплуатационных характеристик СИ.
Такое практическое обеспечение метрологического обеспечения
СИ со стороны теплоснабжающих предприятий, долго продолжаться
не может и не должно. Пора подготовить к утверждению нормативный
документ, на основании которого может быть приостановлено действие лицензий на производство и продажу некачественной продукции
в случае нанесения прямого или косвенного финансового ущерба поставщикам или потребителям в результате отсутствия необходимых и
достаточных технических требований к монтажу, наладке и эксплуатации СИ от производителя. Вся эта информация должна быть подробно и полно излагаться в инструкциях по монтажу и эксплуатации.
Требования к полноте и качеству содержания эксплуатационных документов в ГОСТ 2.601 [4] определены не достаточно подробно, а в
результате появляются куцые и непонятные инструкции, на основании
которых невозможно правильно выполнить монтаж и при этом сохранить эксплуатационные и метрологические характеристики СИ. Существование такой ситуации необходимо полностью исключить.
Почему такое положение выгодно для производителя недоброкачественной продукции? Ответ прост. Если монтажная организация выполнила общие положения инструкции по монтажу СИ, в которой отсутствуют необходимые подробности, невыполнение которых приводит к выводу СИ из строя или к метрологическому отказу, то покупатель вынужден обращаться к производителю с просьбой отремонтировать поврежденное СИ или заменить его на новый с соответствующей
оплатой. Иными словами производитель-продавец остается всегда в
выигрыше и ему совершенно невыгодно давать все необходимые подробности в инструкциях по монтажу и эксплуатации, так как в этом
случае, если выявятся дефекты продукции, причиной которых является
её низкое качество, то производитель-продавец вынужден будет произвести замену СИ бесплатно или вернуть деньги покупателю.
Вопрос – кто такой документ подготовит и утвердит в соответствующих инстанциях?
Кроме того, следует дополнить действующие государственные
стандарты обязательными требованиями:
1. ГОСТ 6651-94 [5]:
– необходимо определить требования к испытаниям термометров,
предназначенных для осуществления технологического или коммерческого контроля (холодная и горячая вода, пар, газ, мазут, нефть);
120
– комплекты термометров для теплосчетчиков должны выпускаться
двух типов – для применения без гильз и для применения с гильзами.
Такое различие должно помечаться в маркировке, в том числе и для
случая, когда возможно применение в обоих вариантах;
– комплекты при использовании с гильзами должны поставляться
совместно с гильзами и их эксплуатационная документация должна
содержать обязательные характеристики с гильзами;
– комплекты того и другого типов должны содержать в маркировке
или эксплуатационном документе значение минимальной глубины
погружения;
– программа испытаний для целей утверждения типа в необходимых случаях должна включать испытания с гильзами;
– при поверке должны проверяться только сами термометры комплекта;
– эксплуатационный документ должен содержать сведения о допустимых к использованию типах прямых и скошенных бобышках, в
которые допускается установка термометров комплекта.
2. ГОСТ Р 51649-2000 [6]:
– любая первоначальная версия ПО (как и все последующие) тепловычислителя должна быть аттестована;
– должен быть определен уровень защиты для тепловычислителей,
теплосчетчиков, преобразователей расхода, давления и температуры
с учетом требований МИ 2891-2004 [2];
– должно выполняться пломбирование поверителем СОМ-портов
тепловычислителей после первичной или очередной поверки и после
подключения к аттестованной сети сбора и передачи данных на сервер.
3. ГОСТ Р 50601-98 [7] и ГОСТ 28723-90 [8]:
– проведение испытаний с целью определения предельнодопустимой величины продольного сжатия корпуса преобразователя
расхода до начала появления остаточной деформации корпуса (деталей
корпуса) и дополнительной относительной погрешности в измерении
расхода;
– определение необходимой и допустимой величины затяжки гаек
на болтах и шпильках для преобразователей расхода фланцевого и
безфланцевого исполнения с целью определения, требуемой величины
упругости материала корпуса преобразователя расхода;
– пломбирование поверителем СОМ-портов в первичных преобразователях расхода;
121
– конструктивное исполнение преобразователей расхода должно
обеспечивать доступ к электронному блоку и контрольным точкам
только поверителю; установку пломбы поверителя на внутреннюю
крышку, которая закрывает доступ к электронному блоку; возможность подключения проводов кабелей к строго определенному количеству клеммных зажимов в соответствии со схемой подключения;
– расходомеры должны быть обеспечены производителем поставкой присоединительных комплектов к нему для крепления к трубопроводам, обеспечивающим сохранение, после выполнения монтажа, всех
метрологических и эксплуатационных характеристик, как минимум, на
весь срок МПИ и, как максимум, на весь заявленный и утвержденный
срок эксплуатации;
– расходомеры должны иметь нестираемую память, в которой
должна храниться вся история производимых настроек с правом доступа для съема и просмотра только для поверителя и представителя
теплоснабжающей организации;
– проведение сертификационных испытаний расходомеров с присоединительными комплектами, в целях исключения возможности появления дополнительной относительной погрешности измерений.
Литература
1. ГОСТ Р 8.596-2002. “ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения”.
2. МИ 2891-2004. “ГСИ. Общие требования к программному обеспечению средств измерений”.
3. РМГ 51-2002. “Рекомендации по межгосударственной стандартизации государственной системы обеспечения единства измерений. Документы на методики поверки средств измерений”.
4. ГОСТ 2.601-95. “ЕСКД. Эксплуатационные документы”.
5. ГОСТ 6651-94. “Термопреобразователи сопротивления. Общие
требования и методы испытаний”.
6. ГОСТ Р 51649-2000. “Теплосчётчики для водяных систем теплоснабжения. Общие технические условия”.
7. ГОСТ Р 50601-98. “Счетчики питьевой воды крыльчатые. Общие
технические условия”.
8. ГОСТ 28723-90. “Расходомеры скоростные, электромагнитные и
вихревые. Общие технические требования и методы испытания”.
Автор
Осипов Юрий Николаевич – аудитор по метрологическому обеспечению и
техническому регулированию Дирекции “Энергосбыт” ГУП “ТЭК СПб”.
Россия, 197183, Санкт-Петербург, ул. Савушкина, 14 “б”
Тел. (812) 496-23-23, (812) 492-17-81, E-mail: osipov@gptek.spb.ru
122
Ильяшенко Е.В., Романов К.К.
Средства измерений
для контроля качества электрической энергии
и метрологического обеспечения
учёта электрической энергии серии “Ресурс”
Учет электрической энергии и контроль её качества являются важнейшими измерительными задачами в электроэнергетике. Их роль
в регулировании процессов производства, передачи и потреблении
электрической энергии постоянно возрастает. Это обусловлено, с одной стороны, увеличением числа разнообразных устройств, потребляющих электрическую энергию, а, с другой стороны, постоянным повышением требований надежности, безопасности и экономической
эффективности их работы, в большой степени зависящих от качества
электрической энергии (КЭ).
Для эффективной организации учёта электрической энергии, используемые для этой цели технические средства, как правило, объединяются в измерительные каналы (ИК) автоматизированных информационно-измерительных систем (АИИС). Нередко в состав этих АИИС
входят измерительные каналы контроля качества электрической энергии. Следовательно, метрологическое обеспечение учёта электрической энергии и контроль её качества включает в себя метрологическое
обеспечение используемых для этих целей технических средств (счётчиков электрической энергии, измерительных трансформаторов
напряжения и тока, измерителей ПКЭ) и метрологическое обеспечение
измерительных систем.
Метрологическое обеспечение учета электрической энергии и контроля её качества предусматривает проведение большого количества
измерений, связанных с определением метрологических характеристик
измерительных компонентов, связующих компонентов и измерительных каналов в целом [1]. Для успешного проведения всего комплекса
этих работ необходимы специальные многофункциональные приборы,
учитывающие особенности этих компонентов и приспособленные к
объектам электроэнергетики, на которые устанавливаются измерительные каналы систем.
В качестве таких приборов могут быть успешно использованы измерители показателей качества электрической энергии (ПКЭ) серии “Ресурс”. Основное назначение этих приборов – контроль и анализ
качества электрической энергии, основанные на измерении большого
количества параметров основных электроэнергетических величин. Некоторые модификации рассматриваемых приборов благодаря своим
техническим характеристикам и конструктивным особенностям наряду
с выполнением своих основных функций способны решать измери123
тельные задачи метрологического обеспечения учета электрической
энергии и контроля её качества.
1. Общая характеристика измерителей показателей качества
электрической энергии серии “Ресурс”
Рассматриваемые приборы являются специальными многоканальными средствами измерений (СИ) большого количества параметров
всех основных электрических величин: напряжения, силы тока, углов
фазовых сдвигов, мощности и энергии.
Статус специальных СИ получили по следующим причинам:
а) данные приборы создавались и предназначены, в основном, для
выполнения определенных, строго регламентированных соответствующими стандартами и инструкциями, измерительных задач в рамках
контроля и анализа качества электрической энергии;
б) в соответствии с требованиями нормативных документов данные
приборы не только измеряют параметры электрических величин, но и
производят необходимую для названных мероприятий статистическую
обработку результатов измерений;
в) данные приборы учитывают специфические особенности объектов исследований, которыми являются системы электроснабжения,
системы электропитания и электрические сети (количество фаз, диапазоны измерений, полосы частот, требования безопасности и др.).
2. Функциональное назначение
а) Измерение показателей качества электрической энергии
Показатели качества электрической энергии это некоторые параметры, используемые для оценки её качества. Перечень ПКЭ установлен в ГОСТ 13109 [2]. Данный стандарт определяет также основные
положения, используемые при их определении – алгоритмы обработки, интервалы усреднений, расчетные формулы и т.д.
Показатели качества электрической энергии оцениваются с помощью нескольких статистических характеристик, которые определяются за интервал времени, равный 24 часам. Статистическими оценками ПКЭ являются максимальные и минимальные значения ПКЭ, верхние и нижние значения границ диапазонов которых содержат 95% результатов измерений, относительное время превышения нормально
допустимого и предельно допустимого значения ПКЭ.
б) Измерение параметров основных электроэнергетических величин
Как уже отмечалось, рассматриваемые приборы предназначены для
измерений большого количества параметров не только напряжения, но
и силы тока, углов фазовых сдвигов, мощности и энергии в системах
электроснабжения и электропитания общего назначения. Это обстоятельство позволяет использовать их не только для контроля, но и для
анализа качества электрической энергии, а также решать другие изме124
рительные задачи на объектах электроэнергетики, в том числе, и задачи метрологического обеспечения учета электрической энергии.
в) Регистратор
Для наиболее полной реализации своих основных и дополнительных функций приборы обладают способностью регистрировать (архивировать) в своей внутренней памяти (или в памяти внешних
устройств подключенных к ним) большое количество результатов измерений и передавать их с помощью нескольких интерфейсов в вычислительный компонент измерительной системы. Все архивы являются циклическими, то есть, после полного заполнения памяти прибора отведенной под тот или иной архив, новые полученные данные будут заменять самую раннюю информацию. Различные модификации
приборов имеют архивы разных размеров и свойств. Все данные, помещаемые в архивы, идентифицированы календарным временем.
1) Регистратор измеряемых величин
Приборы могут архивировать в своей внутренней памяти значения
всех измеряемых величин усредненных на каждом 1 минутном календарном интервале времени. У некоторых приборов архивы фиксированы по количеству архивируемых параметров и глубине их хранения,
у других приборов этой серии список архивируемых параметров, а
соответственно, и глубина архива задаются оператором.
Приборы архивируют значения некоторых измеряемых величин,
усредненных на каждом 30-минутном календарном интервале времени. У некоторых модификаций эта функция более развита и архивируются все измеряемые параметры, а у некоторых приборов архивируются только значения активной и реактивной мощности.
Необходимо отметить, что у приборов некоторых модификаций
появились новые возможности, связанные с подключением к ним
внешней флэш-памяти через USB интерфейс. Появилась возможность
архивировать во внешней памяти результаты измерений параметров,
полученных при использовании 160 мс измерительных окон, а также
параметров, усредненных на интервале 1 с. Глубина подобных архивов
определяется объемом памяти используемых внешних устройств.
Кроме этого, дополнительные возможности архивации измеряемых
параметров возникают при подключении приборов к компьютеру. Архивирование данных осуществляется в памяти компьютера с помощью
специального программного обеспечения. Так, программа РесурсСпринт позволяет архивировать, например, результаты измерений параметров, полученных при использовании измерительных окон, по
длительности равных периоду основной частоты измеряемых сигналов, а программа Ресурс-Опера позволяет архивировать результаты
измерений, усредненные на 3-секундном интервале времени.
125
2) Регистратор статистических характеристик показателей
качества электрической энергии
Статистические оценки ПКЭ, полученные за каждый 24 часовой
интервал времени, также заносятся в архив прибора. Глубина данного
архива значительно превосходит глубину всех других архивов.
3) Регистратор параметров провалов и перенапряжений
В архивы провалов напряжений и временных перенапряжений заносятся значения их параметров (длительность, глубина провала и коэффициент временного перенапряжения), а также значения моментов
времени начала этих событий и даты их возникновения.
4) Регистратор кратковременной и длительной дозы фликера
Кратковременная доза фликера измеряется в течение 10 минутного
календарного интервала времени, и каждое полученное значение заносится в соответствующий архив прибора. Длительная доза фликера
измеряется в течение 2-часового календарного интервала времени, и
полученные значения также заносятся в архив прибора.
5) Регистратор аварийных событий
Регистратор аварийных событий фиксирует два вида измерительной информации:
– мгновенные значения напряжения и силы тока;
– огибающие среднеквадратических значений напряжения и силы
тока.
Срабатывание регистратора аварийных событий (начало записи
значений сигналов в память прибора) связано с моментами времени
начала и окончания провалов напряжений и временных перенапряжений.
Приборы “Ресурс-UF2” способны регистрировать несколько десятков подобных событий.
Для просмотра результатов работы регистратора аварийных событий прибор необходимо подключить к компьютеру и использовать
специальное программное обеспечение, входящее в комплект поставки.
г) Трехфазный счетчик электрической энергии
Приборы “Ресурс-UF2” измеряют количество активной и реактивной электрической энергии, протекающей в прямом и обратном
направлениях.
д) Цифровой осциллограф
Данная функция реализуется при подключении прибора к компьютеру и при использовании специального программного обеспечения,
которое поставляется вместе с прибором.
126
3. Область применения
а) Контроль качества электрической энергии
Основное назначение этих приборов – контроль качества электрической энергии, который основан на измерении, последующей статистической обработке и сравнении с установленными нормативными
значениями ПКЭ, являющихся параметрами напряжения. Контроль
качества электрической энергии производится в соответствии с
ГОСТ 13109-97 [2] и РД 153-34.0-15.501-00 (часть 1) [3] на смену которого приходит ГОСТ 8.622-2006 [4].
б) Анализ качества электрической энергии
Вторая важная измерительная задача, решаемая с помощью рассматриваемых приборов – анализ качества электрической энергии.
Анализ качества электрической энергии проводится с целью выявления источников и причин её ухудшения, а также проведения организационно-технических мероприятий по улучшению режимов электропитания и энергопотребления. Для анализа качества электроэнергии используются результаты измерений параметров напряжения, силы тока
и углов фазового сдвига, регистрируемые в течение длительного интервала времени. Анализ качества электрической энергии производится в соответствии с РД 153-34.0-15.501-01 (часть 2) [5].
в) Учет электрической энергии
Рассматриваемые приборы в наибольшей степени подходят для использования в качестве контрольных измерительных приборов учёта
электрической энергии, т.е. приборов, осуществляющих контроль работы основного и резервного счётчиков электрической энергии [6].
При этом их технические возможности позволяют существенно расширить функции контрольного СИ. Использование этих приборов делает возможным контролировать не только результат измерений количества электрической энергии являющейся, как правило, результатом
косвенных измерений, полученных на основании прямых измерений
нескольких физических величин, но и проводить оценку погрешности
полученного результата, основываясь на результатах измерений
напряжения, силы тока и углов фазовых сдвигов.
г) Метрологическое обеспечение измерительных компонентов
АИИС учета электрической энергии
Среди измерительных задач, связанных с экспериментальным
определением метрологических характеристик измерительных компонентов (ИК) АИИС наибольшее практическое значение имеют следующие задачи:
– измерение мощности нагрузки измерительных трансформаторов
напряжения;
– измерение нагрузки измерительных трансформаторов тока;
127
– определение погрешности напряжения и угловой погрешности
измерительных трансформаторов напряжения;
– определение токовой и угловой погрешности измерительных
трансформаторов тока;
– определение правильности подключения счётчиков электрической энергии;
– определение основных и дополнительных погрешностей счётчиков электрической энергии;
– определение погрешности из-за потери (падения) напряжения в
линии присоединения счётчика к трансформатору напряжения.
4 Классификация
Все измерители ПКЭ серии “Ресурс” можно классифицировать по
нескольким признакам.
Классификация по организационному признаку предусматривает
деление всех рассматриваемых приборов в соответствии с принадлежностью к тому или иному типу СИ. Каждый тип СИ имеет несколько
модификаций, отличающихся техническими характеристиками, функциональными возможностями и конструктивным исполнением. Серия
измерителей ПКЭ “Ресурс” состоит из 4 типов СИ, имеющих в общей
сложности 32 модификации.
Первый тип СИ – “Ресурс-UF” имеет две модификации: “РесурсUF” и “Ресурс-UF-01”. Обратим внимание на то, что название “РесурсUF” используется и для обозначения типа СИ и для обозначения одной
из его модификаций (основной).
Второй тип СИ – “Ресурс-UF2” имеет четыре модификации: “Ресурс-UF2”, “Ресурс-UF2С”, “Ресурс-UF2М”, “Ресурс-UF2МВ”. Как и в
предыдущем случае, обозначение “Ресурс-UF2” используется и для
обозначения одной из модификаций прибора.
Третий тип СИ – многофункциональный прибор “Ресурс-UF2-ПТ”.
Четвертый тип СИ – “Ресурс-ПКЭ” имеет 25 модификаций, отличающихся количеством измерительных входов, функциональными
возможностями и конструктивным исполнением.
По количеству основных измеряемых электроэнергетических величин приборы можно разделить на приборы, измеряющие параметры
одной основной электроэнергетической величины (электрического
напряжения), и приборы, измеряющие параметры нескольких основных электроэнергетических величин (напряжения, силы тока, мощности, энергии). К первой группе относятся приборы, имеющие только
измерительные входы напряжения – “Ресурс-UF” и “Ресурс-ПКЭ”.
К второй группе относятся приборы, имеющие измерительные входы
как напряжения, так и тока – “Ресурс-UF2” и “Ресурс-UF2-ПТ”.
По конструктивному исполнению приборы разделяются на приборы стационарные и приборы переносные (мобильные). Стационарны128
ми являются все модификации “Ресурс-UF” и “Ресурс-ПКЭ”, а также
модификации приборов “Ресурс-UF2” и “Ресурс-UF2С”. Конструктивно этих приборы предназначены для длительной эксплуатации на одном месте. Они имеют удобные кабельные вводы и надежные винтовые клеммные соединители, предназначенные для подключения измерительных цепей, которые расположены в отдельном отсеке прибора,
расположенном под пломбируемой крышкой. Крепление приборов
производится на вертикальной или горизонтальной поверхности. Переносными приборами являются модификации “Ресурс-UF2M”, “Ресурс-UF2МВ” и “Ресурс-UF2-ПТ”. Эти измерительные приборы
настольного исполнения имеют защищенные приборные соединители,
приспособленные для быстрого и многократного подключения. Они
комплектуются различными приспособлениями для оперативного проведения работ (измерительными кабелями, разъемными трансформаторами тока, зажимами для быстрого и надежного подключения к измеряемому объекту, фотосчитывающими устройствами для счетчиков
электрической энергии) и удобства транспортировки (корпус с ручкой,
специально оборудованный кейс).
Стационарные приборы, в свою очередь, разделяются на приборы
навесные и щитовые. Приборы “Ресурс-UF” имеют навесную конструкцию. Приборы “Ресурс-ПКЭ” могут иметь и навесное (10 модификаций) и щитовое (15 модификаций) конструктивные исполнения.
По метрологическим характеристикам приборы разделяются на рабочие СИ и эталоны. Рабочие СИ (большинство рассматриваемых типов и их модификаций) имеют класс точности 0,2. Именно такие пределы допускаемой погрешности имеют приборы при измерении основных параметров: действующих значений напряжения и силы тока,
активной мощности и энергии. Эталон типа “Ресурс-UF2-ПТ” имеет
класс точности 0,05.
По количеству измерительных каналов приборы разделяются на 3канальные, 6-канальные и 8-канальные. К первой группе относятся
“Ресурс-UF” и несколько модификаций прибора “Ресурс-ПКЭ”. Все
измерительные каналы у приборов этой группы являются входами
напряжения. Ко второй группе относятся приборы “Ресурс-UF2”,
имеющие 3 измерительные канала напряжения и 3 измерительные канала силы тока, а также некоторые модификации прибора “РесурсПКЭ”, имеющие две трехканальные группы входов напряжения (два
фидера). К третьей группе относятся “Ресурс-UF2М”, “РесурсUF2МВ”, “Ресурс-UF2М-ПТ”, имеющие 4 измерительных канала
напряжения и 4 измерительных канала тока. Приборы первой и второй
групп могут быть использованы для измерений в трехфазных трехпроводных и трехфазных четырехпроводных цепях. Приборы третьей
129
группы могут использоваться для измерений в трехфазных пятипроводных цепях.
По универсальности измерительных входов приборы делятся на
приборы, имеющие две группы входов напряжения, предназначенные
для разных диапазонов измерений, и приборы с универсальными входами напряжения. К первой группе относятся “Ресурс-UF” и модификация “Ресурс-UF2”. Вторая группа включает модификации “РесурсUF2C”, “Ресурс-UF2М”, “Ресурс-UF2МВ”, а также “Ресурс-UF2-ПТ” и
“Ресурс-ПКЭ”.
5 Использование приборов для метрологического обеспечения
учёта электрической энергии
Решение перечисленных выше измерительных задач метрологического обеспечения учёта электрической энергии осуществляется, как в
ходе государственного метрологического контроля и надзора, осуществляемого государственной метрологической службой в лице государственных научных метрологических центров и органов государственной метрологической службы на территориях субъектов страны
(испытания с целью утверждения типа, испытания на соответствие
утвержденному типу, первичная и периодическая поверки и т.д.), так и
организациями, производящими и эксплуатирующими ИС (приемосдаточные испытания, калибровка, ремонт и т.д.).
Для решения этих задач НПП “Энерготехника” предлагает использовать некоторые модификации своих многофункциональных приборов – измерителей ПКЭ “Ресурс-UF2”. В первую очередь, речь идет о
модификациях для мобильных применений: “Ресурс-UF2М” и “РесурсUF2МВ”, имеющих обобщенный (условный) класс точности 0,2 и эталонном приборе «Ресурс-UF2-ПТ» класса 0,05.
Кроме своих конструктивных особенностей, перечисленных выше,
дающих им преимущества при решении измерительных задач метрологического обеспечения учёта электрической энергии названные модификации прибора обладают необходимыми для этого функциональными возможностями (низковольтные входы напряжения, режимы для
определения метрологических характеристик счетчиков, измерительных трансформаторов напряжения и тока) и лучшими метрологическими характеристиками.
5.1. Определение выходной мощности измерительных трансформаторов напряжения
Приборы “Ресурс-UF2M” и “Ресурс-UF2MВ” комплектуются разъемными трансформаторами тока (токоизмерительными клещами), благодаря которым они могут успешно использоваться для определения
мощности нагрузки однофазных и трехфазных измерительных трансформаторов напряжения. Результаты измерений представляются в виде активных, реактивных и полных однофазных и трехфазных мощно130
стей, а также коэффициентов мощности и углов фазовых сдвигов между токами и напряжениями.
5.2. Определение нагрузки измерительных трансформаторов
тока
Удаленность трансформаторов тока от счётчиков электрической
энергии делает линии связи между ними основным источником потерь
мощности во вторичных цепях.
Прибор «Ресурс-UF2MВ» имеет дополнительную группу низковольтных входов напряжения. Это делает его наиболее подходящим
для определения нагрузки измерительных трансформаторов тока.
Необходимо отметить, что диапазон измерений при использовании
этих входов очень широкий (от 10 мВ до 10В). Фактически прибор
имеет несколько диапазонов измерений, переключение между которыми производится автоматически.
5.3. Определение правильности подключения трехфазных счётчиков электрической энергии
При контроле и анализе качества электрической энергии достаточно часто приходится сталкиваться с неправильным (умышленным или
неумышленным) подключением счетчиков. Создается впечатление,
что это является одной из самых значительных причин небалансов
в энергосистемах. С технической точки зрения особую сложность
представляют комбинированные ошибки, когда неправильное соответствие фаз напряжений и токов сочетается с ошибками при определении направления токов. Полностью избежать ошибок при подключении или достоверно выявлять факты подобных нарушений при проведении проверок можно, только на основании результатов длительных
наблюдений с последующим определением взаимной корреляции параметров напряжений и токов разных фаз. Использование рассматриваемых приборов позволяет объективно оценить правильность подключения счетчика.
5.4. Определение метрологических характеристик счетчиков
электрической энергии
Приборы “Ресурс-UF2M” и “Ресурс-UF2MВ” могут быть использованы для экспериментального определения метрологических характеристик счётчиков электрической энергии. Приборы имеют соответствующие режимы работы и могут комплектоваться специальными
фотосчитывающими устройствами, предназначенными для приема
импульсных сигналов со светодиодного индикатора электронных
счётчиков или от метки вращающегося диска индукционного счетчика.
Входящие в комплект поставки прибора токоизмерительные клещи
позволяют обойтись без разрыва токовых цепей, что в ряде случаев
может существенно облегчить подключение приборов и обеспечить
оперативное проведение работ на месте эксплуатации счётчика.
131
5.5. Определение метрологических характеристик измерительных трансформаторов тока и напряжения
Эталон “Ресурс-UF2-ПТ” имеет возможность подключения двух
групп трехфазных входов напряжения и может использоваться в качестве устройства сравнения при определении метрологических характеристик однофазных и трехфазных измерительных трансформаторов
напряжения [6]. Он может использоваться также в качестве устройства
сравнения при определении метрологических характеристик измерительных трансформаторов тока.
6 Средства измерений для метрологического обеспечение контроля качества электрической энергии
Некоторые СИ, используемые при учёте электрической энергии
(в измерительных каналах АИИС учёта электрической энергии), используются и при контроле её качества. Это, прежде всего, измерительные трансформаторы напряжения и измерительные трансформаторы тока. Измерительные задачи метрологического обеспечения контроля качества электрической энергии, связанные с определением метрологических характеристик этих СИ и их нагрузочных характеристик
в измерительных каналах систем решаются также как и при метрологическом обеспечении учёта электрической энергии.
Для определения метрологических характеристик при проведении
сертификационных, приемо-сдаточных, периодических и типовых испытаниях, а также при поверке СИ ПКЭ, рассмотренных выше, в качестве эталона используется калибратор переменного тока “Ресурс-К2”
класса точности 0,05.
Выводы
1. Контроль качества электрической энергии необходим на всех
стадиях её существования и обязательно должен охватывать все этапы
её производства, передачи и потребления. Возникающие при этом измерительные задачи характеризуются большим разнообразием требований, предъявляемых к используемым СИ. Серия измерителей ПКЭ
“Ресурс”, включающая несколько типов СИ и большое количество
модификаций, успешно перекрывает потребности в СИ для всех видов
контроля качества и испытаний электрической энергии.
2. Для осуществления технологического контроля качества электрической энергии могут быть использованы стационарные модификации приборов “Ресурс-UF” и “Ресурс-ПКЭ”.
3. Для проведения сертификационных испытаний, испытаний при
инспекционном и государственном контроле, арбитражных и некоторых других испытаний, носящих относительно кратковременный, периодический характер, целесообразно использовать мобильные модификации измерителей: “Ресурс-UF2М”, “Ресурс-UF2МВ” и “РесурсUF2-ПТ”.
132
4. Для успешного выполнения измерительных задач метрологического обеспечения учёта электрической энергии и контроля её качества необходимы специальные многофункциональные приборы, учитывающие особенности этих компонентов и приспособленные к объектам энергетики, на которые устанавливаются измерительные каналы
систем. Наиболее подходящими для этих целей являются приборы
“Ресурс-UF2МВ” и “Ресурс-UF2-ПТ”.
5. Использование в качестве измерительного компонента (контрольного прибора) ИК АИИС учета электрической энергии приборов
“Ресурс-UF2C” позволяет существенно повысить достоверность результатов измерений и улучшить метрологические характеристики, за
счет предоставления информации для анализа погрешности получаемых результатов измерений.
Литература
1. ГОСТ Р 8.596-2002. “ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения”
2. ГОСТ 13109-97. “Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической
энергии в системах электроснабжения общего назначения”.
3. РД 153-34.0-15.501-2000. “Метрологические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической
энергии”.
4. ГОСТ Р 8.622-2006. “ГСИ. Показатели качества электрической
энергии. Методика выполнения измерений при проведении контроля
качества электрической энергии в системах электроснабжения общего
назначения”.
5. РД 153-34.0-15.502-2002. “Метрологические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах энергоснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической
энергии”.
6. Регламент коммерческого учета электрической энергии оптового
рынка электроэнергии переходного периода (Приложение № 10 к договору о присоединении к торговой системе оптового рынка
НП “АТС” № 36 от 31 октября 2003 г.).
Авторы
Ильяшенко Евгений Викторович – вед. инженер НПП “Энерготехника”
Романов Константин Константинович – гл. инженер НПП “Энерготехника”
Россия, 440026, г. Пенза, ул. Лермонтова, 3
http://www.entp.ru
Тел. (841-2) 56-35-67, 55-31-29
Факс. (841-2) 56-29-87
E-mail: info@entp.ru
133
Гиниятуллин И.А., Сергеев С.Р.
Новые эталонные средства измерений
производства ООО “НПП Марс-Энерго”
и их применение в электроэнергетике
Введение
Последнее время в зарубежной и отечественной электроэнергетике
наблюдается переход от традиционных средств учета и измерений
(счетчики электроэнергии, ваттметры, варметры, измерители коэффициента мощности, вольтметры и т.д.) к многофункциональным средствам измерений (СИ), способным одновременно в реальном масштабе
времени анализировать десятки электрических величин и параметров
энергетических сетей, характеризующих процессы производства, распределения и потребления электрической энергии. Происходит рост
парка СИ показателей качества электроэнергии (ПКЭ).
В 2005 г. введена серия стандартов на счетчики электроэнергии
ГОСТ Р 52320 – 52323. Стандарты предусматривают проведение испытаний счетчиков на соответствие требованиям к точности в условиях искажений формы кривых напряжения и тока, т.е. при наличии гармоник и субгармоник. Необходимость ужесточения требований к
счетчикам вызвана проведением гармонизации российских стандартов
с международными в преддверии вступления России в ВТО. Требования стандартов МЭК обусловлены тяжелой электромагнитной обстановкой при эксплуатации счетчиков: кондуктивные и радиочастотные
помехи, различные нелинейные нагрузки, создающие значительные
искажения формы кривых.
В связи с этим остро встает проблема технического обеспечения
единства измерений и, как следствие, необходимость модернизации
существующей эталонной базы для проведения учетных операций на
внешнем и внутреннем энергетическом рынке.
Рабочие эталоны
Задача метрологического обеспечения современных многофункциональных СИ электроэнергетических величин и показателей качества
электрической энергии (ПКЭ) решается созданием вторичных (рабочих) эталонов по следующим двум направлениям:
1. калибраторы, позволяющие синтезировать (воспроизводить)
с необходимой точностью измеряемые величины и параметры,
2. эталонные СИ [1], позволяющие измерять величины с помощью
тех же методов, которые использованы в поверяемых СИ (компараторы, эталонные счетчики и другие эталонные СИ).
134
В России уже создан ряд широкодиапазонных многофункциональных калибраторов [2] ПКЭ. Данные калибраторы имеют класс точности 0,1, что несколько ограничивает область их применения.
Современный эталонный прибор [3] выполняет аналого-цифровое
преобразование мгновенных значений гармонических входных сигналов с последующим вычислением значений измеряемых величин из
полученного массива данных в соответствии с программой.
В настоящее время появление таких многофункциональных приборов, как эталонный прибор “Энергомонитор 3.1” (класса 0,02), позволяет дополнить подсистемы ГЭМ для метрологического обеспечения
многофункциональных СИ электроэнергетических величин и ПКЭ
нового поколения. В частности, в приборе “Энергомонитор 3.1” используется метод обработки массива мгновенных значений, не требующий синхронизации частот измеряемых сигналов и квантования (метод некогерентной выборки), что позволяет проводить измерения параметров сигнала искаженной формы. Этот метод подробно описывался в [4, 5]. Прибор “Энергомонитор 3.1” является в настоящее время и
наиболее точным эталонным счетчиком, выпускаемым в России. Он
был разработан в ООО “НПП Марс-Энерго” с участием специалистов
лаборатории электроэнергетики ФГУП “ВНИИМ им. Д.И. Менделеева” г. Санкт-Петербург, где расположен ГЭМ. Прибор внесен в государственный реестр СИ России под № 26459-04.
Инструментальное обеспечение поверки СИ
Для полноценной реализации всех возможностей прибора “Энергомонитор 3.1” в части выполнения поверки широкого спектра электроизмерительных приборов и счетчиков электроэнергии (ЭЭ) в ООО
“НПП Марс-Энерго” был разработан комплекс технических средств,
который окончательно оформился в виде Установки поверочной универсальной “УППУ-МЭ 3.1” (рис. 1).
Установка “УППУ-МЭ 3.1” (далее – установка) внесена в Государственный реестр СИ. Установка предназначена для калибровки и поверки эталонных и рабочих СИ электроэнергетических величин класса
точности 0,05:
– однофазных и трехфазных счетчиков активной и реактивной
электрической энергии,
– однофазных и трехфазных ваттметров, варметров и измерительных преобразователей активной и реактивной мощности,
– энергетических фазометров, частотомеров и измерителей коэффициента мощности,
135
– вольтметров, амперметров и измерительных преобразователей
напряжения и тока в промышленной области частот;
– приборов для измерений ПКЭ.
Рис. 1. “УППУ-МЭ 3.1”
В состав установки входят:
– эталонное СИ – прибор электроизмерительный эталонный многофункциональный “Энергомонитор-3.1”,
– источник испытательных сигналов (ИИС),
– автоматизированное рабочее место (АРМ) с компьютером.
В состав ИИС входят:
– блок генератора-синтезатора “Энергоформа-3.1”,
– усилитель тока и напряжения “УТН-3.1” (3 шт.),
– блок коммутации “БК-3.1”.
ИИС и эталонное СИ монтируются в приборной стойке. Установка
обеспечивает формирование трехфазной системы токов и напряжений
с параметрами и в диапазонах, указанными в таблице 1 (основные параметры).
Управление установкой осуществляется с помощью встроенной
клавиатуры и графического дисплея блока “Энергоформа-3.1” и прибора “Энергомонитор-3.1”, либо АРМ с помощью программного обеспечения (ПО) “Энергоформа”. Совместное использование установки и
ПО, что вполне допустимо для эталонного прибора, существенно рас-
136
ширяет его функциональные возможности и позволяет обрабатывать
результаты поверки в автоматическом режиме.
Таблица 1 – Характеристики ИИС “УППУ-МЭ 3.1”
Наименование
технической характеристики
1 Частота первой гармоники
переменного тока, Гц
2 Гармонический
состав
сигнала, n
3 Действующее
значение
первой гармоники напряжения, U1, В
4 Действующее
значение
первой гармоники тока, I1, А
5 Коэффициент нелинейных
искажений при генерации
синусоидального
сигнала
напряжения (тока) не более,
%
6 Нестабильность напряжения (тока) за минуту, %, не
более
7 Выходная мощность по
каждой фазе
тока, В·А
напряжения, В·А
8 Коэффициент n-ой гармонической
составляющей
напряжения, % от U1
9 Коэффициент n-ой гармонической
составляющей
тока, % от I1
10 Фазовый угол: между
напряжениями первой гармоники разных фаз; между
током и напряжением первой
гармоники
одной фазы;
между напряжением первой
и n-й гармоники одной фазы;
между током первой и n-й
гармоники одной фазы, град
Значение
технической характеристики
ДискретДиапазон
Погрешность
ность
45–70
0,01
±0,01 Гц
0–40
–
–
20–240
5–20
0,01
0,01
0,1–50
0,002–0,1
0,0001
±1%
±[1,0+0,5
((Uн/U) –
1)]%
±1%
±[1,0+0,5
((Iн/I) –1)]%
–
–
1
–
–
±0,02
–
–
50
15
Примечание
Uн:
220/(220√3);
60/(60·√3) В
Iн: 50; 10;
2,0; 0,5 А
I=50А
U=(0.8-1.1)UН
0–50
0,01
–
0–50
0,01
–
0–360
0,01
±1°
137
20–240 В
138
Рис. 3. Информация, выводимая на экран монитора при поверке
Рис. 2. Информация, выводимая на мониторе, при работе с ПО “Энергоформа”
ПО “Энергоформа” управляет и прибором, и ИИС по COM-портам
(RS-232). В режиме поверки на мониторе компьютера выводятся установленные параметры испытательных сигналов (рис. 2), которые могут
быть изменены оператором и сохранены на диске.
Результаты измерений принимаются от эталона автоматически, а с
индикатора поверяемого прибора вносятся вручную. Погрешность поверяемого прибора (рис. 3) рассчитывается автоматически. Результаты
заносятся в протокол и оформляются полуавтоматически. В результате
автоматизации время поверки СИ сокращается в 5-10 раз.
Для испытаний СИ и электросчетчиков при искаженной
форме сигнала на компьютере
задаются требуемые параметры: гармоники и их фазы, действующие значения первых
гармоник тока и напряжения.
При редактировании сигнала
его
форма автоматически
отображается на дисплее в
виде диаграммы (рис. 4). Кроме того, источник “Энергоформа-3.1” запрограммирован
на генерацию сигналов специальной формы в соответствии
Рис. 4
с ГОСТ Р 52320 – 52323
(например, рис. 5).
Рис. 5. Форма тока при фазовом управлении
139
Метрологические характеристики (МХ) установки определяются
МХ эталонного СИ, входящего в комплект установки. Основные МХ
приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Основные МХ прибора “Энергомонитор - 3.1”
Наименование
технической характеристики
1 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений напряжения %
2 Номинальные значения измеряемых
токов (Iн), A
3 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений тока (%)
4 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений активной мощности (Р), %
5 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений реактивной мощности (Q), %, рассчитываемой по алгоритмам:
Q1=√(S2-P2) - геометрический метод,
Q2=UIsinφ - метод сдвига,
Q3=UIcos(φ+90°) – метод перекрестного включения
6 Пределы допускаемой относительной погрешности измерений полной
мощности (S), %
7 Диапазон измерений коэффициента
мощности (КР)
8 Диапазон измерений частоты переменного тока (F), Гц
Значение технической
Примечание
характеристики
Uн - 60 (60 √3)
± [0,01+0,005
120 (120 √3)
|(Uн/U) –1| ]
220 (220 √3) В.
Поддиапазоны измерений (0,3–1,1)Uн
0,05; 0,1; 0,25;
Среднеквадратические
0,5; 1,0; 2,5;
значения.
5,0; 10,0; 50,0
Поддиапазоны измерений (0,3–1,1)Iн
± [0,01+0,005 |(Iн/I) –1| ] для Iн от 0,1 А до 50 А
± [0,01+0,01|(Iн/I) –1| ] для Iн 0,05 А
Pн = Uн · Iн
± [0,015+0,005
cos = 1
|(Pн/P) –1| ]
cos 0,5L; 0,5C
± [0,025+0,005
|(Pн/P) –1| ]
для каждого поддиапазона измерений тока
± [0,03+0,01
sin = 1
|(Qн/Q) –1| ]
± [0,05+0,01
|(Qн/Q) –1| ]
sin 0,5L; 0,5C
± [0,02+0,005
|(Sн/S) –1| ]
Sн = Uн · Iн
От 0,1 до 1
КР = P / S
±0,005
±0,01 Гц
От 40 до 70
До настоящего времени существовал один тип калибратора для поверки СИ ПКЭ – это “Ресурс-К2”. Однако, для поверки многофункциональных СИ и измерителей ПКЭ потребовалась разработка новой
модели эталонного прибора “Энергомонитор 3.1К”, входящего в состав установки поверочной “УППУ-МЭ 3.1”. Установка позволяет
проводить поверку СИ с номинальным током до 1000 А, что решает
проблему поверки приборов с клещами. Следующим шагом, вероятно,
должна быть корректировка ГОСТ 13109 и соответствующих Методик
с целью гармонизации с международными стандартами качества элек140
трической энергии. В перспективе можно предположить проведение
международных сличений СИ ПКЭ, т.к. неизбежен рост экспорта электрической энергии.
Для поверки менее точных СИ (класса точности от 0,5) с номинальными токами до 7А выпускается переносной поверочный комплекс, состоящий из эталонного прибора “Энергомонитор 3.3” (зарегистрирован в Государственном реестре СИ под № 24224-03) и источника переменного тока и напряжения трехфазного программируемого
“Энергоформа 3.3”. МХ комплекса определяются МХ прибора “Энергомонитор 3.3”, которые хорошо известны. Поверка прибора может
производиться с помощью установки “УППУ-МЭ 3.1” или аналогичной. Общий вид комплекса представлен на рис. 6.
Рис. 6. Комплекс “УППУ-МЭ 3.3”
Комплекс малогабаритный и достаточно мобильный. Управляется
он тем же ПО “Энергоформа”, что используется для установки
“УППУ-МЭ 3.1”. Для поверки электросчетчиков используется ПО
“Энергомониторинг СИ”. При этом комплекс может применяться без
компьютера, т.к. параметры сигнала можно задавать вручную, а результаты поверки записываются в память прибора “Энергомонитор 3.3” и выводятся на его дисплей.
Источник обеспечивает формирование трехфазной системы токов и
напряжений с параметрами и в диапазонах, указанными в таблице 3.
Для решения других задач метрологического обеспечения в ООО
“НПП Марс-Энерго” (Санкт-Петербург) разработаны и выпускаются
необходимые приборы и методики, позволяющие комплектовать высоковольтные метрологические лаборатории (ЛВМ), в том числе передвижные. ЛВМ при выпуске из производства проходит испытания и
поверку с получением сертификата и свидетельства.
141
Таблица 3 – Характеристики источника “Энергоформа 3.3”.
Наименование
технической характеристики
1 Частота первой гармоники
переменного тока, Гц
2 Гармонический
состав
сигнала, n
3 Действующее
значение
первой гармоники напряжения, U1, В
4 Действующее
значение
первой гармоники тока, I1, А
5 Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения (тока), % от U1 (I1)
6 Фазовый
угол:
между
напряжениями первой гармоники разных фаз; между
током и напряжением первой гармоники одной фазы;
между напряжением первой
и n-й гармоники одной фазы;
между током первой и n-й
гармоники одной фазы, град
7 Коэффициент нелинейных
искажений при генерации
синусоидального сигнала не
более, %
8 Нестабильность установленного действующего значения напряжения (тока) не
более за минуту, %
9 Нестабильность установленного значения мощности
не более за минуту, %
10 Выходная мощность источника
по току, В·А
по напряжению, В·А
Значение
технической характеристики
ДиапаДискретПогрешзон
ность
ность
47,5–55
0,01
±0,01
1–40
–
–
20–240
0,01
±2%
0,05–7,0
0,0001
±2%
0–50
0,01
–
0–360
0,01
±2°
–
–
1%
–
–
–
–
Примечание
±0,03
–
5
 10
±0,05
–
На
нагрузке
0,2 Ом
4,8 кОм
Комплекс основных работ, которые выполняются на базе лаборатории ЛВМ “МЭ – Аудит” следующий.
1. Поверка и калибровка СИ
– Поверка счетчиков электроэнергии класса 0,5 и менее точных
142
– Поверка измерительных трансформаторов напряжения (ТН) от 6
до 110 кВ
– Поверка измерительных трансформаторов тока (ТТ) до 5 кА
– Поверка установок поверочных типа МК 6800, У 1134 и др.
– Поверка электроизмерительных приборов класса 0,5
2. Аттестация АИИС КУЭ, проверка измерительных каналов и
их элементов без отключения
– Проверка правильности подключения электросчетчиков
– Проверка метрологических характеристик электросчетчиков
– Проверка метрологических характеристик измерительных каналов (ИК) в сети 0,4 кВ
– Измерение падения напряжения в линии присоединения счетчика
к ТН
– Измерение нагрузки ТТ. Определение коэффициента трансформации ТТ в сети 0,4 кВ.
– Измерение нагрузки ТН
3. Ведение коммерческих расчетов с потребителями электроэнергии
– Снятие суточного графика нагрузки в сети 0,4 - 330 кВ (до 8 суток)
– Измерение средней электрической мощности за получасовой интервал
4. Регистрация и анализ показателей качества электроэнергии (ПКЭ), в том числе для сертификации ЭЭ по ГОСТ 13109
– Регистрация ПКЭ в сети 0,4 кВ и в высоковольтных сетях (до 8
суток)
– Регистрация параметров трехфазной сети: P, Q, S, U, I, cos  (всего более 20)
5. Энергоаудит и определение потерь мощности
– Определение потери мощности в линии электроснабжения в сети
0,4 кВ
– Определение распределения нагрузки по фазам и измерение тока
в нулевом проводе в сети 0,4 кВ
– Определение параметров потребления токоприемников
– Осциллографирование аварийных процессов и т.д.
Методики поверки имеются в ГОСТ на соответствующие СИ (счетчики, ТТ, ТН и пр.), а также разрабатываются на каждый образец
АИИС КУЭ. Остальные необходимые МВИ были разработаны, аттестованы и внесены в федеральный реестр.
ЛВМ “МЭ – Аудит” комплектуется по заказу потребителя в соответствии со стоящими перед ним задачами по метрологическому обеспечению производства и классу высокого напряжения. Для обеспече143
ния мобильности поверочного комплекта поверки ТН нашим предприятием выпускается серия высоковольтных измерительных преобразователей ПВЕ на классы напряжений от 3 до 220 кВ. Его масса в 10 раз
меньше, чем у эталонного ТН. Например, эталонный ТН класса точности 0,05 весит 500 кг, а ПВЕ-110 (на класс напряжений 110 кВ, класса
точности 0,1) весит около 20 кг и имеет меньшие габариты. Он используется в качестве эталонного ТН.
Выводы
Таким образом, выпускаемая линейка СИ позволяет выполнять передачу электроэнергетических величин от государственного эталона к
рабочим эталонам и, далее, к рабочим СИ в соответствии с современными требованиями.
Литература
1. ГОСТ 8.551-86. “ГСИ. Государственный специальный эталон и
государственная поверочная схема для средств измерений электрической мощности и коэффициента мощности в диапазоне частот
40...20000 Гц”.
2. Базаркин В.В., Жуков А.И. и др. Калибраторы фиктивной мощности для автоматизации поверки счетчиков электрической энергии /
Информ. материалы 1-й науч.-практ. конф. “Метрология электрических измерений в электроэнергетике” – М.: НЦ ЭНАС, 2001.
3. Шапиро Е.З. Эталонная база России в области низковольтных
энергетических измерений. Состояние, проблемы, перспективы развития / Информ. материалы 4-го науч.-техн. семинара “Метрологическое
обеспечение электрических измерений в электроэнергетике”/ – М., НЦ
ЭНАС, 2000.
4. Гублер Г.Б., Гутников В.С. Алгоритмы цифровой обработки сигналов многофункционального эталонного прибора для измерений
электроэнергетических величин / Информ. материалы 1-й науч.-практ.
конф. “Метрология электрических измерений в энергетике”. – М.: НЦ
ЭНАС, 2001.
5. Шапиро Е.З., Никитин А.Ю., Гиниятуллин И.А. Многофункциональный эталонный прибор “Энергомонитор 3.1” для калибровки и
поверки средств измерений электроэнергетических величин / Информ.
материалы 1-й науч.-практ. конф. “Метрология электрических измерений в электроэнергетике”. – М.: НЦ ЭНАС, 2001.
Авторы
Гиниятуллин Ильдар Ахатович – директор ООО “НПП МАРС-ЭНЕРГО”
Сергеев Сергей Ростиславович – зам. директора по качеству
Россия, 190031, Санкт-Петербург, наб. р .Фонтанки, д.113-А
www.mars-energo.ru Тел. (812) 315-13-68 E-mail: mail@mars-energo.ru
144
Нефедьев Д.И.
Метод поверки (калибровки)
резистивных преобразователей больших постоянных токов
Электроэнергия постоянного тока составляет значительную часть
от общего объема электроэнергии, вырабатываемой в России. Её довольно широко используют в современных промышленных технологиях, например, в металлургии при получении цветных металлов и некоторых химических продуктов методом электролиза, нанесении покрытий методами гальваники, на железнодорожном транспорте и пр.
Выпускаемые отечественной промышленностью измерительные
преобразователи большого тока (шунты), как средства измерений, при
выпуске из производства и в эксплуатации подлежат поверке или калибровке в соответствии с МИ 1991-89 [1]. В настоящее время разработаны и используются в метрологической практике разнообразные
методы и средства поверки шунтов постоянного тока [2–4]. Однако
общим недостатком существующих средств поверки является сложность изготовления эталонов (мер сопротивления) на большие токи.
Поэтому задача разработки новых методов и средств поверки (калибровки) шунтов постоянного тока (ШПТ), обладающих по сравнению с известными улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, является, несомненно, актуальной.
В основу разработанного метода поверки (калибровки) ШПТ положен тестовый метод измерений, при реализации которого в качестве
эталонов применены составная мера сопротивлений с ненормированной погрешностью7 и дифференциальный компаратор напряжений.
Средство поверки (калибровки) ШПТ (рис. 1) содержит источник
постоянного тока G, составную меру сопротивления RS0, поверяемый
шунт RSX, резистор RSP, имитирующий сопротивление измерительного
прибора, катушку сопротивлений RS1 и дифференциальный компаратор напряжений PN.
Мера сопротивления RS0 выполнена в виде трех параллельно соединенных резисторов RS0-1, RS0-2, RS0-3 с ненормируемой погрешностью с возможностью их отключения посредством разъемов из измерительной цепи и изменения коэффициента преобразования меры сопротивлений RS0. При этом токовые и потенциальные зажимы резисторов соединены раздельно. Номинальные значения сопротивлений
резисторов RS0-1, RS0-2 меры сопротивления RS0 находятся между собой
Примечание редактора
Автором использован неудачный термин – “мера с ненормированной погрешностью”.
7
145
в соотношении 1:10. Например, номинальное значение сопротивления
резистора RS0-1 равно 10–5 Ом, резистора RS0-2 – 10–4 Ом.
Рис.1. Схема средства поверки ШПТ
с применением составной меры сопротивления
и дифференциального компаратора напряжений
Третий резистор RS0-3 меры сопротивлений выполнен с возможностью изменения его сопротивления и номинально равен сопротивлению резистора RSP, имитирующего сопротивление измерительного
прибора. При этом знать точное значение сопротивлений резисторов
RS0-1, RS0-2, RS0-3, а также значение их отношений, не требуется.
Потенциальные зажимы меры сопротивлений RS0 присоединены к
зажимам первого ряда X1, а потенциальные зажимы поверяемого шунта RSX – к зажимам второго ряда X2 дифференциального компаратора
напряжений PN. При этом параллельно поверяемому шунту RSX присоединены резистор RSP, имитирующий сопротивление измерительного прибора, и катушка сопротивлений RS1 с возможностью их отключения посредством разъемов из измерительной цепи. Номинальное
значение сопротивления катушки сопротивлений RS1 равно номинальному значению сопротивления резистора RS0-3 меры сопротивлений.
Работа средства поверки (калибровки) шунтов постоянного тока
заключается в следующем.
Перед операцией поверки ШПТ производится балансировка измерительной цепи в соответствии с рис. 1. К зажимам первого ряда диф146
ференциального компаратора напряжений PN присоединяется резистор RS0-3 меры сопротивлений, а к зажимам второго ряда – резистор
RSP, имитирующий сопротивление измерительного прибора. На рядах
дифференциального компаратора напряжений PN выставляются значения, равные номинальному значению падения напряжения на поверяемом шунте RSX. В измерительной цепи устанавливается значение
тока, равное конечному значению диапазона измерений измерительного прибора. Затем путем изменения сопротивления резистора RS0-3
производится уравновешивание измерительной цепи, что определяется
по равенству показаний первого и второго рядов дифференциального
компаратора напряжений PN.
После операции балансировки измерительной цепи производится
измерение коэффициента преобразования поверяемого шунта, и выполняются следующие операции.
На первом этапе измерений к зажимам первого ряда дифференциального компаратора напряжений PN присоединяется эталонная мера
сопротивления RS0, составленная из резисторов RS0-1, RS0-2, RS0-3, а к
зажимам второго ряда – поверяемый шунт RSX, параллельно которому
присоединен резистор RSP, имитирующий сопротивление измерительного прибора. В измерительной цепи устанавливается значение тока,
равное номинальному значению тока поверяемого шунта RSX. Падение
напряжения на мере сопротивлений RS0 уравновешивается посредством переключения декадных переключателей первого ряда дифференциального компаратора напряжений PN. Выполняется равенство:
RS01RS0 2  RS01RS03  RS02 RS03
RS X  RS Р
U11 
U 21 , (1)
RS01RS02
RS X
где U1-1, U2-1 – показания соответственно первого и второго рядов
дифференциального компаратора напряжений PN.
Уравнение (1) можно представить в виде:
RS03 RS03
1

1 
,
RS01 RS02
K Х 1
(2)
где КХ – коэффициент преобразования поверяемого шунта RSX;
1 = U1–1 / U2–1 – отношения показаний первого и второго рядов
дифференциального компаратора напряжений PN.
Нa втором этапе мера сопротивлений RS0 составляется из двух параллельно соединенных резисторов RS0-1, RS0-3. Производится уравновешивание падения напряжения на мере сопротивлений RS0 и составляется новое равенство:
RS 01  RS 0 3
RS X  RS Р
U1 2 
U 2 2 .
RS 01
RS X
147
(3)
Уравнение (3) можно представить в виде:
RS03
1
1 
.
RS01
K Х 2
(4)
На третьем этапе измерений к зажимам первого ряда дифференциального компаратора напряжений PN присоединяется эталонная мера
сопротивления RS0 составленная из резисторов RS0-2, RS0-3, а к зажимам
второго ряда – катушка сопротивлений RS1, параллельно которой присоединен резистор RSP, имитирующий сопротивление измерительного
прибора. В измерительной цепи устанавливается значение тока, равное 0,1 номинального значения тока поверяемого шунта RSX. Производится уравновешивание падения напряжения на эталонной мере сопротивления RS0, что соответствует новому равенству:
RS 0 2  RS 0 3
RS  RS Р
U13  1
U 23 .
RS 02
RS1
(5)
Уравнение (5) можно представить в виде:
RS03
1
1 
.
RS02
K13
(6)
где К1 – коэффициент преобразования катушки сопротивлений RS1.
Решая совместно уравнения (2), (4), (6), находим коэффициент преобразования КХ поверяемого (калибруемого) шунта RSX по полученным значениям 1, 2, 3 и известному с высокой точностью коэффициенту преобразования К1 катушки сопротивления RS1.
KХ 
K13 (2  1 )
.
12 (1  K13 )
(7)
Коэффициент преобразования поверяемого шунта RSХ можно представить в виде:
KХ 
RS Х
.
RS Х  RS Р
(8)
Решая совместно уравнения (7), (8), определим сопротивление поверяемого (калибруемого) шунта RSХ:
RS Р
RS Х 
.
(9)
12 (1  K13 )
1
K13 (2  1 )
Так как в процессе поверки (калибровки) ШПТ не требуется знать
точное значение сопротивлений резисторов меры сопротивления RS0,
то обеспечивается не только упрощение средства поверки шунтов постоянного тока (по сравнению с известными аналогами), но и повышение точности поверки.
148
Однако при поверке шунтов постоянного тока, как отмечалось выше, существует необходимость в применении высокостабильных источников больших постоянных токов, зачастую отсутствующих.
Решение этой проблемы возможно при использовании компаратора
напряжений, выполненного в виде электромагнитного компаратора
тока и двух преобразователей напряжения. При этом в схеме поверки
может применяться источник постоянного тока невысокой точности.
Средство поверки ШПТ (рис. 2), реализующее этот метод поверки (калибровки), содержит источник постоянного тока G, составную
меру сопротивления (составной шунт) RS0, поверяемый шунт постоянного тока RSХ, катушку сопротивления RSР, имитирующая сопротивление измерительного прибора, катушку сопротивлений RS1, преобразователи напряжений U1, U2, электромагнитный компаратор тока PN и
нулевой индикатор РН. Каждый из преобразователей постоянного
напряжения в пропорциональное ему переменное напряжение U1, U2
содержит модулятор, усилитель переменного напряжения, индуктивный делитель напряжения и демодулятор.
Мера сопротивлений RS0, как и в предыдущем случае, выполняется
в виде трех параллельно соединенных шунтов RS0-1, RS0-2, RS0-3 с ненормируемой погрешностью с возможностью отключения из измерительной цепи. Требования к остальным элементам схемы аналогичны.
Потенциальные зажимы меры сопротивлений RS0 присоединены к
входу первого преобразователя напряжения U1, а потенциальные зажимы поверяемого шунта RSХ – к зажимам второго преобразователя
напряжения U2. При этом параллельно поверяемому шунту RSХ присоединены катушка сопротивления RSР, имитирующая сопротивление
измерительного прибора, и катушка сопротивлений RS1.
Измерительная цепь для определения погрешности поверяемого
(калибруемого) ШПТ реализована в виде многодекадного компаратора
тока PN с регулируемым коэффициентом преобразования. Первое плечо L1 компаратора тока выполнено однодекадным и через переключатель S1 и переменный резистор R1 подключено к выходу преобразователя напряжения U1. Второе плечо L2 компаратора тока выполнено
многодекадным и через переключатель S2 и резистор R2 подключено к
выходу преобразователя напряжения U2. Компаратор тока содержит
также квадратурную обмотку L4, которая через переключатель S3 и
конденсатор С1 подключена к выходу преобразователя U2, индикаторную обмотку L3, к которой присоединен нулевой индикатор PH.
Работа средства поверки (калибровки) ШПТ заключается в следующем.
149
Рис. 2 Схема средства поверки ШПТ
с применением составной меры сопротивлений
и электромагнитного компаратора тока
Перед операцией поверки ШПТ производится балансировка плеч
компаратора тока PN. Производится отключение из измерительной
цепи составной меры сопротивлений RS0, поверяемого шунта RSХ и
катушек сопротивлений RS1, RSР. При подаче на оба преобразователя
напряжений от стороннего источника напряжения, номинально равного падению напряжения на поверяемом ШПТ, и при равенстве плеч
компаратора тока, путем изменения сопротивления резистора R1 и
положения переключателя S1, регулирующего количество включенных
ампер-витков квадратурной обмотки L1, производится уравновешивание плеч компаратора тока. В результате проведенной балансировки
плеч компаратора тока нулевой индикатор РН должен показывать минимальное или нулевое значение. Преобразователи U1 и U2 преобразуют подаваемое на них постоянное напряжение при помощи модуля150
торов в переменное напряжение, которое затем усиливается при помощи усилителей переменного напряжения и подается на плечи, соответственно, L1 и L2 компаратора тока PN. Переменное напряжение
с выхода усилителей через индуктивные делители напряжения поступает на демодуляторы, с выхода которых сигналы обратной связи подаются на входы модуляторов. Разность подаваемых на модуляторы
напряжений и сигнала обратной связи с демодуляторов снова подается
на усилители переменного напряжения, результате чего обеспечивается высокое входное сопротивление схемы сравнения, а также высокая
температурная стабильность измерительной цепи.
После операции балансировки измерительной цепи производится
измерение коэффициента преобразования поверяемого шунта RSХ и
выполняются следующие операции.
На первом этапе измерений составная мера сопротивлений RS0 составляется из шунтов RS0-1, RS0-2, RS0-3. Параллельно поверяемому
шунту RSХ присоединяется катушка сопротивлений RSР. В измерительной цепи выставляется ток, равный номинальному значению тока
поверяемого шунта RSХ. Падение напряжения на мере сопротивлений
RS0 и параллельно соединенных поверяемом шунте RSХ и катушке сопротивлений RSР уравновешивается посредством изменения числа ампер-витков плечевых и квадратурной обмоток компаратора тока PN
посредством декадных переключателей S2, S3. Выполняется равенство
RS01RS0 2  RS01RS03  RS02 RS03 1 RS Х  RS Р
 
,
RS01RS02

RS Х
(11)
где μ, ρ1 – отсчеты по шкалам соответственно первого и второго
плеч компаратора тока PN.
Уравнение (11) можно представить в виде
RS03 RS03
1

1 
,
RS01 RS02
K X 1
(12)
На втором этапе составная мера сопротивлений RS0 составляется из
двух параллельно соединенных шунтов RS0-1, RS0-3. Производится новое уравновешивание измерительной цепи, что соответствует новому
равенству
RS01  RS03 2 RS Х  RS Р


RS01

RS Х
или
RS03
1
1 
.
RS01
K X 2
(13)
На третьем этапе производится отключение из измерительной цепи
поверяемого шунта RSX, при этом составная мера сопротивлений RS0
151
составляется из шунтов RS0-2, RS0-3, а параллельно катушке сопротивления RSР присоединяется катушка сопротивлений RS1. В измерительной цепи устанавливается ток, равный 0,1 номинального тока поверяемого шунта RSХ. Производится новое уравновешивание:
RS0 2  RS03 3 RS1  RS 2


,
RS02

RS 2
или
RS 03
1
1 
.
RS 02
K13
(14)
где К1 – коэффициент преобразования катушки сопротивлений RS1.
Решая совместно уравнения (12), (13), (14), получим известное выражение (9) коэффициента преобразования КХ поверяемого ШПТ по
полученным значениям 1, 2, 3 и известному с высокой точностью
коэффициенту преобразования К1 катушки сопротивления RS1.
KХ 
K13 (2  1 )
.
12 (1  K13 )
Действительное значение сопротивления поверяемого шунта RSХ в
данном случае определяется аналогично.
Поверка (калибровка) ШПТ с высокой точностью и в широком
диапазоне измеряемых величин с применением источников больших
токов невысокой стабильности обеспечивается тем, что предложенное
устройство представляет собой мостовую схему, где высокая стабильность источника больших токов не требуется.
Проведем анализ погрешностей предложенного метода поверки
(калибровки) ШПТ. Погрешность измерения коэффициентов преобразования ШПТ, в первом случае, будет обусловлена влиянием следующих факторов:
– погрешностью, вносимой дифференциальным компаратором
напряжений;
– погрешностью, связанной с изменением тока в резисторе RS0-1
при определении 2;
– погрешностью катушки сопротивлений RS1 второго разряда;
– погрешностью резистора RSР, имитирующего сопротивление измерительного прибора;
– погрешностью, обусловленной нестабильностью источника постоянного тока.
Во втором случае суммарная погрешность измерения коэффициентов преобразования ШПТ будет определяться погрешностью, вносимой электромагнитным компаратором тока, погрешностью нулевого
индикатора, погрешностью преобразователей напряжения, погрешно152
стью, связанной с изменением тока в резисторе RS0-1 при определении
2, погрешностью катушки сопротивлений RS1, погрешностью резистора RSР, имитирующего сопротивление измерительного прибора.
Высокая стабильность источника постоянного тока, как отмечалось
выше, в данном случае не требуется.
Из разложения выражения (7) в ряд Тейлора после преобразования
получим общее выражение погрешности измерения коэффициента
преобразования калибруемого шунта
2
2
2
  RS
    RS
 RS
 
RS
RS   
 RS  1,4    0 2  0 2  1 1     0 2  0 2  2    K RS 2  0  2  1 3  (15)
 RS 03 RS 01
 
 

    RS 03 RS 01   
 RS 0 3  

В соответствии с выражением (15) ожидаемая погрешность метода
поверки ШПТ пропорциональна отношению RS0-2/RS0-1≈10. Это очевидно для первых двух членов выражения. Весовой коэффициент при
третьем члене выражения пренебрежимо мал (KRS1→0, т.к. RSP>>RS1).
В первом случае в качестве устройства сравнения в схеме применен
дифференциальный компаратор напряжений Р3003 класса точности
0,0005. С учетом коэффициента влияния (выражение (15)) погрешность, вносимая двухрядным потенциометром постоянного тока, будет
составлять PN = ± 0,005 %.
Погрешность, обусловленная изменением тока в резисторе RS0-1
при отключении RS0-2 в процессе определения ρ2, определена из условия, что резисторы поверяемого и эталонного шунтов в процессе поверки находятся в термостате с нестабильностью температуры 0,1С.
При температурном коэффициенте сопротивления материала резисторов шунтов ТКС = ±0,000005 С-1 и с учетом выражения (15), указанная погрешность составляет ρ2 = ±0,0005 %.
Погрешность, вносимая катушкой сопротивлений второго разряда
RS1 при определении 3, пренебрежимо мала, так как весовой коэффициент при третьем члене выражения (15) равен нулю.
Погрешность, вносимая резистором RSР, имитирующей сопротивление измерительного прибора, с учетом выражения (15), составляет
RSp = ± 0,002 %.
Существенную погрешность при поверке ШПТ может вносить источник постоянного тока. Эта составляющая погрешности носит случайный характер, тогда как остальные составляющие погрешности
измерения коэффициента преобразования являются систематическими.
В качестве источника постоянного тока в данном случае применен
нестандартизованный источник постоянного тока с кратковременной
нестабильностью не более 0,01% за время проведения измерений,
вследствие чего этой составляющей погрешности можно пренебречь.
153
Исходя из этого, суммарная погрешность в первом приближении
составит ±0,0075%.
Во втором случае в качестве устройства сравнения применен нестандартизированный компаратор тока класса точности 0,0001.
С учетом коэффициента влияния погрешность, вносимая компаратором тока в результат измерений, возрастает в 10 раз: γPN = ± 0,001 %.
Погрешность, обусловленная порогом чувствительности нулевого
индикатора, с учетом коэффициента влияния составляет γPН = ±0,001%.
Погрешность преобразователей напряжения с учетом коэффициента влияния составляет γU = ±0,005 %.
Суммирование составляющих систематической погрешности производим в предположении равномерного распределения её составляющих в поле допуска. Считая составляющие погрешности некоррелированными, определим границы систематической погрешности метода
поверки ШПТ при доверительной вероятности Р = 0,99:
 2  1,4  2PN   2PН  U   2 2   2RSР  0,008 %.
Таким образом, в соответствии с выражением (9) размер единицы
сопротивления передается поверяемому шунту RSХ от сопротивления
RSР, имитирующего сопротивление измерительного прибора, при помощи дифференциального компаратора напряжений или электромагнитного компаратора тока и преобразователей напряжений и составной меры сопротивления с ненормированной погрешностью.
Литература
1. МИ 1991-89 “ГСИ. Преобразователи измерительные электрических величин. Шунты постоянного тока измерительные. Методы и
средства поверки”.
2. Векслер М.С. Шунты переменного тока / М.С. Векслер,
А.М. Теплинский. – Л.:Энергоатомиздат, 1987. – С.11–13, 79–81.
3. Любимов Л.И. Вопросы поверки и аттестации масштабных преобразователей переменного тока / Л.И. Любимов, И.Д. Форсилова,
Е.З. Шапиро. – М.: Машиностроение, 1984. – С. 4–10.
4. Семенко Н.Г. Методы и средства измерений больших постоянных токов и их метрологическое обеспечение / Н.Г. Семенко,
Ю.А. Гамазов. – М.: Изд-во стандартов, 1982. – С. 37–41.
Автор
Нефедьев Дмитрий Иванович – зам. зав. кафедрой “Информационноизмерительная техника” Пензенского государственного университета, к.т.н.
Россия, 440026, Пенза, ул. Красная, 40
Тел. (841-2) 36-82-22, 36-82-21. E-mail: iit@stup.ac.ru
154
4. НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
И ИХ КОМПОНЕНТОВ
Ладугин Д.В.
Программно-технический комплекс “ТЕКРОН”
Программно-технический комплекс (ПТК) “ТЕКРОН” является передовой совместной разработкой научно-производственной фирмы
“КРУГ” и ЗАО ПК “Промконтроллер”, представляющей собой полномасштабный программно-технический комплекс на базе новейшей версии модульной интегрированной SCADA “КРУГ” и программнологических контроллеров серии “ТЕКОН”, вобравших в себя многолетний опыт их успешной эксплуатации и отвечающих современным требованиям в области автоматизации технологических процессов.
1 Назначение и область применения
ПТК “ТЕКРОН” предназначен для агрегатирования в составе автоматизированных информационно-измерительных и управляющих систем, в том числе в составе автоматизированных систем управления
технологическими процессами, систем телемеханики, систем коммерческого учёта энергоресурсов, обеспечивающих:
– сбор данных телеизмерений и телесигнализации с датчиков телеметрии, коммутационного, технологического и вспомогательного оборудования, выдача и контроль выполнения команд телеуправления и
телерегулирования коммутационным оборудованием и исполнительными механизмами;
– измерение и оперативный контроль технологических параметров,
автоматическое и дистанционное управление и регулирование исполнительными механизмами, реализация противоаварийных защит и блокировок технологического оборудования;
– коммерческий учет и диспетчеризацию добываемого, транспортируемого, перерабатываемого и распределяемого природного газа и его
компонентов;
– коммерческий учет и диспетчеризацию тепловой энергии и теплоносителя в открытых и закрытых водяных и паровых системах теплоснабжения и системах теплопотребления, подключённых по зависимой
или независимой схеме присоединения к тепловой сети;
– коммерческий учёт производимой, распределяемой и потребляемой электроэнергии и режимных параметров электрической сети.
Область применения ПТК “ТЕКРОН” – отрасли промышленности
с нормальными и пожаро/взрывоопасными условиями производства,
в том числе опасными по пыли и газу: энергетика, нефтегазовая, химическая, пищевая, деревообрабатывающая и перерабатывающая отрасли,
машиностроение, металлургия, ЖКХ и др. отрасли промышленности.
155
2 Отличительные особенности и преимущества
Применение в ПТК “ТЕКРОН” мощной модульной SCADA “КРУГ2000” в совокупности с гибкой архитектурой аппаратно-технического
обеспечения ПТК “ТЕКРОН” на базе современных высокотехнологичных программно логических контроллеров обуславливают:
– возможность построения, как локальных централизованных, так и
полномасштабных автоматизированных систем распределённого типа с
широким спектром и масштабируемостью реализуемых задач, как по
числу исполняемых функций, так и по количеству каналов ввода вывода
информации;
– минимизацию затрат при внедрении ПТК “ТЕКРОН” и при последующем его техническом регламентном обслуживании, вследствие возможности поэтапного ввода в эксплуатацию отдельных сегментов
ПТК “ТЕКРОН” и взаимозаменяемой однотипной применяемой номенклатуры технических и программных средств;
– высокую степень надёжности эксплуатации ПТК “ТЕКРОН”
вследствие модульности его программного обеспечения (за счёт использования минимально необходимого набора функциональных модулей), а
также вследствие возможности использования резервируемых структур
на уровнях программного и аппаратно-технического обеспечения;
– возможность интеграции ПТК “ТЕКРОН” с контрольноизмерительными средствами и сторонними SCADA, ERP и MES системами ведущих зарубежных и отечественных производителей, вследствие открытости ПТК “ТЕКРОН”.
Не малозначимой отличительной особенностью ПТК “ТЕКРОН” является бесплатная полнофункциональная среда разработки и гибкая ценовая политика в определении его стоимости. Пользователь получает
бесплатную возможность разработать и протестировать макет своей
будущей системы за достаточно короткое время. Реализуя принцип отказа продажи с «нагрузкой», пользователю предоставляется возможность произвольной, собственной компоновки ПТК “ТЕКРОН” только
необходимыми ему функциональными модулями, что в конечном итоге
минимизирует стоимость ПТК “ТЕКРОН” в целом. Наряду с этим, полная совместимость применяемых в ПТК “ТЕКРОН” компонентов позволяет эффективно использовать различные сочетания аппаратных и программных средств для оптимизации стоимости ПТК “ТЕКРОН”.
3 Реализуемые функции
В общей своей части ПТК “ТЕКРОН” обеспечивает выполнение
следующих своих основных функций.
Прямые измерения входных аналоговых электрических сигналов постоянного тока, напряжения, сопротивления по ГОСТ 26.011.
156
Приём/передача информации с помощью дискретных сигналов постоянного и переменного тока по ГОСТ 26.013, информативными параметрами которых являются частота, длительность и число импульсов, и
преобразование их в эквивалентное значение физической величины согласно программируемым линейным и одно/двухаргументным нелинейным зависимостям, двух/трехмерным таблицам нелинейности.
Косвенные измерения температуры путём преобразования выходных
сигналов термопреобразователей сопротивлений в значение температуры согласно номинальным статическим характеристикам преобразования (НСХ), регламентированным ГОСТ 6651.
Косвенные измерения температуры путём преобразования выходных
сигналов термопар в значение температуры согласно НСХ, регламентированным ГОСТ Р 8.585.
Обмен данными по цифровым каналам связи посредством стандартных интерфейсов ИРПС, RS-232, RS-485 или Ethernet. Экспорт и импорт
информационных данных посредством файл – обмена, экспорт и импорт
в формате международных стандартов IEC 870-5-101/104, MODBUS,
ОРС 2.0, CAN, COM, DCOM и др.
Выполнение вычислительных операций по программируемым математическим выражениям различной степени сложности.
Формирование секундных, минутных, часовых, суточных, месячных
и их производных (за смену, декаду, квартал и т.п.) трендов с применением различного типа обработки: текущее, среднее, суммарное, экстремальные и т.п. значения.
Ведение нормативно-справочных, паспортных данных (просмотр,
редактирование).
Диагностика достоверности измеряемых параметров, световая и звуковая сигнализация отклонения контролируемых параметров от заданных (программируемых) границ. Мониторинг и самодиагностика программных и технических средств ПТК “ТЕКРОН”.
Протоколирование всех событий, происходящих в ПТК “ТЕКРОН”
(нештатные ситуации, сигнализация по параметрам, диагностические
сообщения, регистрация действий пользователей и т.п.), с их привязкой
к метке времени.
Документирование информации, формирование и вывод на печать
в ручном и автоматическом режиме печатных документов: снимков видеокадров, режимных листов, отчётных ведомостей, протоколов сообщений, протоколов пред и после аварийных ситуаций и т.п.
Автоматическое архивирование информации на жёстких и съёмных
накопителях. Снятие архивных копий данных с рабочих станций
ПТК “ТЕКРОН” на специализированный “Архивный центр®”.
157
Визуализация оперативных и архивных данных на видеокадрах мониторов рабочих станций, коллективных экранах, панелей операторов в
виде технологических мнемосхем, таблиц, графиков и т.п.
Ведение календаря, времени суток, обеспечение (синхронизация)
единого астрономического времени абонентов ПТК, в том числе по сигналу со спутника (посредством GPS-приёмника).
Защита информации от несанкционированного доступа и изменения,
сохранение данных при обесточивании питания.
В части управления, регулирования, реализации противоаварийных
защит и блокировок ПТК “ТЕКРОН” обеспечивает выполнение следующих своих основных функций.
Инициативное формирование управляющих команд на исполнительные механизмы с выдачей и контролем прохождения соответствующих
значений выходных электрических сигналов.
Реализация программных алгоритмов защит и блокировок технологического оборудования, с выдачей и контролем прохождения соответствующих значений выходных электрических сигналов.
Аналоговое ручное и автоматическое регулирование, в том числе по
законам ПИД, ПИ, ПД, П регулирования заданных параметров контролируемых объектов с выдачей и контролем прохождения соответствующих значений выходных электрических сигналов.
В части учёта природного газа и его компонентов ПТК “ТЕКРОН”
обеспечивает выполнение следующих своих основных функций.
Агрегатирования показаний контрольно-измерительных приборов
узлов учёта природного газа: температуры, давления, разности давления,
массового и объёмного расхода, массы и объёма в рабочих и нормальных условиях, компонентного состава, плотности, влажности, калорийности и т.д., по цифровым и аналоговым линиям связи.
Косвенные измерения теплофизических свойств природного газа при
известном и неизвестном его компонентном составе: коэффициента
сжимаемости методом NX19, GERG-91, AGA-92DC, ВНИЦСМВ, плотности в рабочих и нормальных условиях, динамической вязкости, показателя адиабаты, теплоты сгорания, числа Воббе и др.
Косвенные измерения (вычисления) количественных параметров
природного газа в рабочих и нормальных условиях:
– в соответствии с ПР 50.2.019 с использованием турбинных и ротационных счётчиков газа;
– методом переменного перепада давления в соответствии с
ГОСТ 8.563.2, с использованием стандартных сужающих устройств по
ГОСТ 8.563.1;
– методом переменного перепада давления в соответствии с
ГОСТ 8.361, ГОСТ 17.2.4.06 и МИ 2667, с использованием осредняющих трубок по ГОСТ 8.361 и МИ 2667.
158
В части учёта теплоносителя и тепловой энергии ПТК “ТЕКРОН”
обеспечивает выполнение следующих своих основных функций.
Агрегатирования показаний контрольно-измерительных приборов
узлов учёта теплоносителя и тепловой энергии: температуры, давления,
разности давления, массового и объёмного расхода, массы и объёма,
энтальпии, плотности, тепловой энергии и мощности, и т.д., по цифровым и аналоговым линиям связи.
Косвенные измерения теплофизических параметров теплоносителя:
плотности, удельного объёма, динамической вязкости, показателя адиабаты, энтальпии и д.р.
Косвенные измерения количественных параметров теплоносителя:
– методом переменного перепада давления в соответствии с
ГОСТ 8.563.2, с использованием стандартных сужающих устройств по
ГОСТ 8.563.1;
– методом переменного перепада давления в соответствии с
ГОСТ 8.361, ГОСТ 17.2.4.06 и МИ 2667, с использованием осредняющих трубок по ГОСТ 8.361 и МИ 2667.
Косвенные измерения (вычисления) количественных параметров
тепловой энергии в соответствии с:
– “Правилами учёта тепловой энергии и теплоносителя”,
– МИ 2553. “ГСИ. Энергия тепловая и теплоноситель в системах
теплоснабжения”,
– МИ 2451. “ГСИ. Паровые системы теплоснабжения. Уравнения
измерений тепловой энергии и количества теплоносителя”,
– МИ 2412. “ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения
измерений тепловой энергии и количества теплоносителя”.
В части коммерческого и технического учёта электроэнергии ПТК
“ТЕКРОН” обеспечивает выполнение следующих своих основных функций.
Агрегатирование показаний электросчётчиков, измерителей показателей качества электроэнергии, режимных параметров электрической
сети по аналоговым и цифровым линиям связи.
Сведение балансов: расчёт фактического и допустимого небаланса
по сетевым элементам систем энергоснабжения и энергопотребления.
Расчет потерь в силовых трансформаторах и линиях напряжения, ресурсов высоковольтных переключателей.
Формирование графиков потребления электроэнергии.
Планирование и прогноз потребления электроэнергии.
Передача всем заинтересованным субъектам оптового и розничного
рынка электроэнергии данных о состоянии объектов и средств измерений с использованием средств электронной цифровой подписи.
Предоставление контрольного доступа НП “АТС” к учётным данным
ПТК “ТЕКРОН”.
159
4 Архитектура ПТК “ТЕКРОН”
ПТК “ТЕКРОН” – многоуровневая иерархическая система, структурная схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема ПТК «ТЕКРОН»
Нижний уровень ПТК представлен программно-логическими контроллерами (ПЛК) серии “ТЕКОН” (рис. 2):
– контроллеры многофункциональные МФК3000;
– контроллеры многофункциональные МФК;
– контроллеры многофункциональные ТКМ700;
– контроллеры многофункциональные ТКМ410;
– системы интеллектуальных модулей “ТЕКОНИК”,
Рис. 2. Контроллеры серии “ТЕКОН”
160
выполняющие измерение, промежуточное хранение и заданную в соответствии с предписанными задачами обработку информации, осуществляют формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Контроллеры посредством цифровых линий связи (по стандартному
интерфейсу Ethernet) связаны с устройствами верхнего уровня
ПТК “ТЕКРОН”, реализованных на базе IBM PC совместимых компьютеров промышленного или офисного исполнения под управлением операционных систем WINDOWS 2000 или WINDOWS XP, объединённые
локальной вычислительной сетью Ethernet. В качестве устройств верхнего уровня, в общем случае, могут использоваться:
– выделенные серверы оперативной и (или) архивной базы данных
(Серверы ОБД и АБД), предназначенные для сбора, регистрации, заданной математической обработки, документирования, архивирования информации и дальнейшей её ретрансляции;
– коммуникационные серверы (СОМ-Сервера) предназначенные для
автоматического сбора по стандартным цифровым интерфейсам информации с ПЛК нижнего уровня, с целью её промежуточного хранения,
обработки и дальнейшей ретрансляции абонентам верхнего уровня
ПТК “ТЕКРОН” и во внешнюю коммуникационную среду сторонним
системам сбора и обработки информации;
– автоматизированные
рабочие
места
(АРМ)
оперативнодиспетчерского и управленческого персонала, которые в общем случае
могут быть выполнены с использованием архитектуры “клиент-сервер”
(АРМ-клиенты) или со встроенным сервером оперативной и (или) архивной базы данных (Локальные АРМ). АРМ предназначены для визуализации оперативной и архивной информации о технологическом процессе с серверов ОБД и АБД, а также для формирования оперативного
дистанционного воздействия на объект управления (рис. 3);
Рис. 3. Пример видеокадров АРМ,
реализованных на базе SCADA “КРУГ-2000”
161
– архивный центр, предназначенный для сбора (копирования), заданной математической обработки, долговременного хранения и визуализации архивных данных с абонентов верхнего уровня ПТК “ТЕКРОН”
и со сторонних АИИС, АСУТП и АСКУЭ;
– серверы “Web-Контроля”, предназначенные для организации в режиме реального времени доступа сторонним пользователям (клиентам
“Web-Контроля”) к информационным данным ПТК “ТЕКРОН” (видеокадры, мнемосхемы, таблицы, документы, тренды и т.п.) посредством
сети Internet;
– станции инжиниринга, предназначенные для осуществления наладочных и сервисных работ по обслуживанию абонентов нижнего и
верхнего уровней ПТК “ТЕКРОН”;
– сервер единого времени, предназначенный для поддержания единого астрономического времени абонентов нижнего и верхнего уровней
ПТК “ТЕКРОН”, с его коррекцией по сигналу точного времени, получаемого со спутника (посредством GPS-приёмника);
– табло коллективного пользования.
В частном случае, некоторые из указанных выше компонентов верхнего уровня могут реализовываться в рамках одного IBM PC совместимого компьютера.
5 Основные технические характеристики ПТК “ТЕКРОН”
Общее количество входных/выходных аналоговых измерительных/управляющих каналов – до 30 000.
Период опроса входных/выходных аналоговых измерительных/управляющих каналов – от 0,02 с.
Период обновления информации на верхнем уровне – 1 с.
Параметры формируемых трендов:
– количество трендов – до 50 000 на один сервер ОБД/АБД верхнего
уровня;
– дискретность записи в тренды – от 1 с;
– количество дискретных точек в трендах (“глубина” трендов):
а) оперативных до 100 000;
б) архивных – ограничено ёмкостью дискового накопителя.
Количество регистрируемых в ПТК “ТЕКРОН” сообщений:
– оперативных – до 21 000 за одни сутки;
– архивных – ограничено ёмкостью дискового накопителя.
Дискретность регистрируемых сообщений – от 10 мс;
6 Основные метрологические характеристики ПТК “ТЕКРОН”
Пределы допускаемой основной приведённой погрешности измерительных каналов тока, напряжения, сопротивления и частоты
± (0,05 – 0,25) %.
162
Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерительных каналов температуры по преобразованию сигналов с термопреобразователей сопротивления ± (0,15 – 1,3) ºС.
Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерительных каналов температуры по преобразованию сигналов с термопар
± (0,25 – 3) ºС.
Пределы допускаемой основной приведённой погрешности каналов
цифроаналогового преобразования сигналов постоянного тока
± (0,05 – 0,25) %.
Пределы допускаемой относительной погрешности измерительных
каналов количественных параметров теплоносителя и природного газа:
– реализующих косвенный метод измерений расхода методом переменного перепада давления по ГОСТ 8.563.2 с использованием сужающих устройств по ГОСТ 8.563.1 или ГОСТ 8.361 и МИ 2667 с использованием осредняющих трубок по ГОСТ 8.361 и МИ 2667 – ±0,1 %;
– реализующих косвенный метод измерений в соответствии с
ПР 50.2.019 с использованием турбинных и ротационных счётчиков
газа – ± 0,1 %.
Пределы допускаемой относительной погрешности измерительных
каналов тепловой энергии, реализующих косвенный метод измерения в
соответствии с “Правилами учёта тепловой энергии и теплоносителя”,
МИ 2553, МИ 2451 и МИ 2412 – ± 0,1 %
Межповерочный интервал ПТК “ТЕКРОН” – 2 года.
Заключение
Вследствие гибкой развитой архитектуры ПТК “ТЕКРОН”, его многофункциональности, открытости и масштабируемости возможно построение автоматизированных систем любой степени сложности и
назначения, применяемых для малоинформативных и крупных полномасштабных централизованных и распределённых объектов автоматизации. Наряду с этим, созданы условия для минимизации стоимости и
срока окупаемости, реализуемых на базе ПТК “ТЕКРОН” автоматизированных систем, за счёт использования однотипных, удобных в эксплуатации и относительно недорогих, по сравнению со своими зарубежными
аналогами, но не уступающих им по качеству и надёжности, программно-технических средств отечественного производства: мощной модульной SCADA “КРУГ-2000” и высокотехнологичных контроллеров серии “ТЕКОН”.
Авторы
Ладугин Денис Витальевич – зам. нач. отдела систем учета НПФ “КРУГ”
E-mail: krug@krug2000.ru
Россия, 440028, Пенза, ул. Титова, 1-Г
www.krug2000.ru
Тел. (841-2) 55-64-75, 55-64-97, 49-94-14.
Факс. (841-2) 55-64-76
163
Уварова В.А., Роженок Р.М., Артюхина Л.В.
Системы мониторинга технологических
и производственных процессов
промышленных предприятий
Измерительные системы (ИС) составляют основу функционирования систем контроля технологических объектов, систем учета и контроля количества и показателей качества энергоносителей, АСУТП,
АСУП. Именно от оперативности, точности и достоверности измерительной информации зависит эффективность управленческих решений. Современные ИС служат для оперативного мониторинга сложных
технологических процессов и обладают следующими особенностями:
– распределенная многоуровневая структура;
– модульность: каждую из задач измерений, нормирования, обработки, визуализации в ИС решают специализированные модули, однотипные для каждого объекта системы мониторинга;
– “интеллектуальность”, которая достигается применением программируемых логических и промышленных контроллеров, использованием программно-математического обеспечения;
– принцип проектной компоновки: количество уровней, измерительных каналов и архитектура построения ИС зависят от сложности
объекта контроля и количества параметров, подлежащих контролю;
– максимальное использование стандартных технологий, интерфейсов и протоколов, что дает возможность интегрировать компоненты системы между собой и с внешними системами;
– наглядность представления и простота доступа к информации
с помощью отображения оперативных данных систем АСУТП на мнемосхемах SCADA-систем.
Научно-производственное предприятие “Томская Электронная
Компания” (ТЭК) имеет 13-летний опыт работы по созданию приборов
измерений, контроля, управления и разработке “под ключ” систем
управления технологическими процессами. Ужесточение требований к
качеству продукции приводит к повышению требований к “качеству”
измерительной информации. НИОКР, проводимые в компании, позволяют постоянно повышать уровень производимых изделий. Среди новых разработок компании: измерительные преобразователи, системы
“малой автоматизации”, ИВК, ИИС.
Одним из важнейших направлений совершенствования ИС является повышение точности, быстродействия, надежности и стабильности
метрологических и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей. Датчики первыми воспринимают не
только необходимую измерительную информацию, но и вредное воз164
действие внешних дестабилизирующих факторов различного происхождения. Комплексная автоматизация технологических процессов,
связанных с использованием токсичных и взрывоопасных сред, а также сред, находящихся в условиях высоких температур и давлений,
требует разработки новых способов и СИ, позволяющих контролировать параметры процессов и объектов с необходимой точностью.
Для обеспечения газобезопасности на взрывопожароопасных объектах ТЭК разработаны газосигнализаторы модульные (ГСМ). ГСМ
предназначены для непрерывного контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров легковоспламеняющихся жидкостей и их
смесей категории IIA, IIB, IIC групп Т1, Т2, Т3, Т4 по ГОСТ Р 51330.5,
ГОСТ Р 51330.11 во взрывоопасных зонах помещений всех классов,
наружных установках и открытых пространствах термохимическим
способом в диапазоне температур от – 60 до 50 С. ГСМ позволяют
измерять концентрации всех углеводородов, различных окислов, кислот, эфиров и растворителей. ГСМ обеспечивают точечный контроль и
построен по модульному принципу, один газосигнализатор обеспечивает до 20 точек контроля. Прибор состоит из блока интерфейсного,
блоков сигнализации и блока детекторного (каталитического датчика).
Контроль загазованности происходит периодически, при уменьшении
концентрации меньше 50 % НКПР датчик автоматически включается в
непрерывную работу. Отличительные особенности ГСМ от аналогов:
– программно задаваемые пороги срабатывания (порог 1, 2, авария), дискретные выходы, необходимые для управления световой и
звуковой сигнализацией и вентиляцией;
– встроенные индикатор и клавиатура для задания и отображения
параметров в реальном времени;
– ведение внутреннего журнала аварий глубиной 50 записей по
каждой аварии;
– увеличенный срок службы изделия (в сравнении с СТМ-10 в 1,5–
2 раза за счет обеспечения стабильности токовых параметров сенсора
и оригинальному программно-математическому обеспечению);
– погрешность измерений не превышает  5 %НКПР;
– наличие интерфейса RS-485 с протоколом Modbus RTU;
– малые габаритные размеры и невысокая стоимость;
– система визуализации, выполненная в среде SCADA-систем
(InTouch, Trace Mode, Win CC, A-Studio).
Реализация в ГСМ интерфейса для передачи на ЭВМ верхнего
уровня текущих значений загазованности предоставляет новые возможности при создании систем контроля загазованности, например
объектов нефтедобычи: выдачу предаварийных событий, операторное
наблюдение за изменением уровня загазованности, его прогнозирова165
ние и – как следствие – принятие оперативных мер по предотвращению аварийных ситуаций.
Контроллеры, управляемые встроенным программным обеспечением, являются интеллектуальным компонентом ИС, позволяют реализовать сложные алгоритмы обработки исходных данных и повысить точность измерений параметров технологических объектов, так как большинство из них является результатом косвенных измерений. При операциях коммерческого учета нефти и нефтепродуктов в настоящее
время применяется ГОСТ Р 8.595 [1], разработанный в соответствии со
стандартами API (API – American Petroleum Institute) и предъявляющий
достаточно высокие требования к точности измерений величин.
Для использования в качестве вторичной аппаратуры в составе
коммерческих и оперативных систем измерений количества и показателей качества сырой и товарной нефти (СИКН) и систем учета газа
ТЭК разработаны измерительно-вычислительные комплексы (ИВК)
“МикроТЭК”. ИВК “МикроТЭК” представляет собой систему измерительных каналов – импульсных, частотных, аналоговых, количество
которых зависит от объекта и может наращиваться без остановки процесса учета, а также вычислительного ядра, осуществляющего операции расчета и хранения учетных параметров, и средства отображения
и задания параметров, при помощи которого задаются режимы работы
СИКН.
“МикроТЭК” является модульно компонуемым комплексом и позволяет решить практически все задачи оперативного и коммерческого
учета нефти:
– измерение сигналов и автоматическое вычисление объема и массы нефти с точностью, необходимой для коммерческого учета, в широком диапазоне температур (с применением в СИКН поточного плотномера и без него);
– выдачу учетных параметров в систему верхнего уровня;
– режим контроля метрологических характеристик рабочего преобразователя расхода по контрольному;
– режим поверки преобразователя расхода по трубопоршневой поверочной установке;
– управление автоматическим пробоотборником.
Уменьшить погрешность измерений расхода в ИВК “МикроТЭК”
позволяет применение специальных программных средств:
– автоматическая коррекция измеряемого расхода по текущим значениям температуры, давления, влажности, плотности, вязкости;
– автоматическая коррекция зависимости коэффициента преобразования расходомера от частоты;
– измерение времени наработки расходомеров;
166
– автоматическая коррекция коэффициентов сжимаемости и расширения нефти по измеренным температуре и плотности нефти;
– контроль свободного газа в нефти;
– периодический контроль метрологических характеристик расходомеров;
– контроль диапазона измерений расхода;
– автоматическое регулирование по расходу и давлению.
Основные отличия “МикроТЭК” от известных аналогов:
– масштабируемость;
– высокая точность измерительных каналов;
– отсутствие дополнительной погрешности;
– отсутствие необходимости использования вторичной аппаратуры
полевых датчиков;
– терминальный комплекс с выполнением функций АРМ оператора.
При учете природного газа ИВК “МикроТЭК” обеспечивает измерение и вычисление объема в стандартных условиях и массы природного газа методом переменного перепада давления и с вихревого преобразователя расхода с вычислением коэффициента сжимаемости по
аттестованным методам NX 19, GERG 91, AGA8-92DC и ВНИЦ СМВ.
Вышеперечисленные возможности ИВК “МикроТЭК” позволяют
гибко использовать данный комплекс при решении задач по учету
нефти и газа с требуемой точностью, обеспечивая полную и достоверную передачу информации на все уровни систем добычи нефти и газа.
ИВК “МикроТЭК” является метрологически обеспеченной системой:
имеет методику поверки, использующую стандартные эталоны, аттестованные методику выполнения измерений и алгоритм вычислений.
“МикроТЭК” предназначен для применения на предприятиях нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей и других отраслей промышленности, предприятиях транспорта и хранения нефти.
Информационно-измерительные системы (ИИС) решают задачу
объединения данных об основных параметрах сложного технологического объекта с целью создать полное его описание. Особенностями
ИИС являются: одновременное измерение многих параметров объекта
(то есть многоканальность) и передача измерительной информации
в единый центр; представление полученных данных (в том числе их
унификация) в виде, наиболее удобном для пользователя. Разработка
ИИС связана с решением вопросов согласования и оптимизации метрологических характеристик средств измерений, унификации сигналов, рационального размещения данных на мониторе рабочей станции
оператора.
Для предприятий металлургической промышленности Томской
электронной компанией разработаны ИИС GRANTEK, предназначен167
ные для измерений физических величин, характеризующих технологический объект (процесс), автоматического непрерывного контроля и
визуализации параметров технологических процессов и выдачи сигналов сигнализации. ИИС GRANTEK представляет собой проектнокомпонуемую многоуровневую систему, построенную по иерархическому принципу. Измерительные преобразователи (и измерительные
трансформаторы) выполняют измерение физических величин и их
преобразование в унифицированный токовый сигнал (от 0 до 20 мА).
ПЛК подсистем контроля (GE Fanuc) выполняют аналого-цифровое
преобразование унифицированных сигналов, их обработку, формируют сигналы сигнализации и по цифровому каналу передают информацию на сервер и рабочие станции. Рабочие станции оператора обеспечивают отображение значений технологических параметров объекта.
Работой промышленного компьютера управляет SCADA-система
CIMPLICITY (GE Fanuc). Сервер выполняет архивирование информации, ее хранение и предоставляет данные рабочей станции для отображения отчетов по запросам оператора. ИИС GRANTEK обеспечивает выполнение следующих основных функций:
а) измерение и обработку значений физических величин:
– температуры (масла, газа, воды);
– расхода (воды, газа);
– массовой концентрации компонентов в веществе;
– объемной доли компонентов в веществе;
– давления (газа, воды);
– разрежения (газа);
– активной мощности;
– реактивной мощности;
– силы электрического тока;
– электрического напряжения;
– уровня (жидких и сыпучих продуктов);
б) непрерывный автоматический контроль, визуализацию указанных технологических параметров, индикацию аварийных значений и
выдачу предупредительной сигнализации;
в) хранение (накопление) архивов о значениях параметров технологического процесса в специализированной базе данных;
г) формирование журналов аварийных событий;
д) обеспечение защиты оборудования, программного обеспечения и
данных от несанкционированного доступа на физическом и программном уровне (установка паролей и т.п.);
е) отображение состояния оборудования;
ж) конфигурирование и настройка параметров ИИС GRANTEK;
з) ведение системы единого времени в ИИС GRANTEK;
168
и) передача в локальную сеть предприятия результатов измерений
и содержания журнала событий.
В настоящее время ИИС GRANTEK внедряется на Аксуском заводе ферросплавов. Объект эксплуатации – рудно-термическая печь.
Особенностью такого рода систем являются высокие требования к
точности измерений содержания вредных газов в воздухе (измерительные каналы находятся в сфере государственного метрологического контроля и надзора), большие значения электрических величин (токи электродов достигают 140 кА). Для обеспечения сохранности электротехнического оборудования и стойкости электродов ток электрода
не должен превышать допускаемого значения. Используются косвенные измерения: ферросплавная печь оснащена установкой продольной
компенсации, и измерение тока электродов выполняется в цепи вольтодобавочной обмотки. Дальнейшая работа связана с реализацией возможности не только контроля, но и управления электрическими режимами печи. ИИС GRANTEK может применяться и в других отраслях
промышленности. Структура системы, количество уровней и измерительных каналов определяются на стадии разработки технического
задания, зависят от сложности технологического объекта (процесса) и
количества параметров, подлежащих контролю.
Управление производством предприятий в условиях динамичного
рынка материальных и сырьевых ресурсов, устойчивая тенденция увеличения цен требуют от производителей различных отраслей промышленности уделять больше внимания внедрению систем учета сырьевых и материальных потоков, оперативного управления производством. Решение проблемы комплексного учета необходимо приводить
к созданию и внедрению интегрированной информационной системы
управления производством – то есть системы класса с уже устоявшимся обозначением MES (MES-Manufacturing Execution Systems – производственные исполнительные системы). Назначение ERP-систем
(Enterprise Resource Planning – управление ресурсами предприятия) –
планирование и управление ресурсами предприятия, которые необходимы для осуществления продаж, производства, закупок и учета, они
ограничиваются стратегическим планированием. Для решения задач
оперативного планирования и управления производством, оптимизации производственных процессов и производственных ресурсов, контроля и диспетчеризации выполнения планов производства с минимизацией затрат и служат производственные исполнительные системы.
При комплексной автоматизации предприятия необходимо одновременно искать решения для трех взаимосвязанных уровней управления:
ERP, MES и АСУТП. MES-системы обеспечивают управляющий персонал предприятий всех уровней оперативной информацией о сырьевых затратах и запасах и на основе этой информации позволяют при169
нимать эффективные решения по управлению затратным механизмом
в части формирования себестоимости и планирования производственной деятельности. ООО НПП “ТЭК” имеет опыт реализации таких систем для предприятий горнодобывающей и металлургической промышленности на базе комплексного использования технологического
оборудования весодозирования и весоизмерения. Для обеспечения заданных производственных показателей (качество продукции, производительность, себестоимость, энергосбережение и т.д.) требуется точная и оперативная информация, которую поставляют на верхний уровень измерительные системы. Номенклатура разработанных и поставляемых компанией средств измерений и контроля представляет собой
полный программно-технический комплекс, на основе которого возможно решение широкого спектра технологических задач по весодозированию, весовому контролю и учету сыпучих и жидких компонентов. Первый уровень – устройства весового учета и контроля:
– весы динамического и статического взвешивания (конвейерные,
платформенные, автомобильные, железнодорожные, бункерные, крановые);
– дозаторы объемные и весовые непрерывного и дискретного действия (конвейерные, бункерные, дозаторы жидкостей и газов для систем налива из емкостей);
– системы управления и контроля: контроллер взвешивания КВ–03
предназначен для работы со всеми типами весового и дозирующего
оборудования; системы управления СД – 01, 02, 03 для решения задач
непрерывного и дискретного дозирования, создания АРМ весовщиков.
К основным особенностям и преимуществам выпускаемого оборудования относится следующее:
– полный набор функций по заданию параметров взвешивания, дозирования, управления, в том числе для конвейерных и бункерных дозаторов;
– реализация гравиметрического или объёмометрического режимов;
– возможность работать в группе с поддержанием заданной производительности и обеспечением высоких метрологических характеристик (с относительной погрешностью 0,5–1,0 %);
– сбор сигналов с датчиков дозатора или весового устройства осуществляется без промежуточных вторичных преобразователей.
Архитектура системы имеет трехуровневую иерархию. На нижнем
уровне находятся локальные посты контроля и управления, обеспечивающие полный набор функций по заданию параметров, измерению,
учету и управлению технологическим оборудованием. На среднем
уровне – рабочие станции терминальных комплексов с функцией визуализации технологического процесса в виде мнемосхем, отображения
170
трендов аналоговых параметров, ведения журналов событий и аварий,
а также вывода на печать необходимых сводок и отчетов. На верхнем
уровне функционируют технологические серверы и сервер базы данных, которые осуществляют обмен информацией с постами контроля и
управления по интерфейсу Ethernet, протоколу ModBus TCP/IP; преобразование протокола ModBus TCP/IP в интерфейс ОРС и протокол
SuiteLink пакета InTouch; передачу информации на цеховые операторские станции и на сервер базы данных предприятия.
Разрабатываемые ТЭК системы класса MES позволяют объединять
результаты учета с информацией о других параметрах производственной деятельности и формировать интегрированные производственные
показатели: удельное потребление используемых ресурсов, распределение фактического потребления по отчетным периодам, отклонения
от норм потребления, их взаимосвязь с фактическими технологическими режимами и многие другие. MES-системы обеспечивают непрерывность информационного обмена между всеми уровнями управления производством и поддерживают производственную деятельность
предприятия в режиме реального времени. Все разработки и проекты
ТЭК в настоящее время ориентированы на позиционирование их
функционирования именно в структурах таких систем. Среди наших
заказчиков: Аксуский завод ферросплавов, Актюбинский завод ферросплавов, Братский алюминиевый завод, Красноярский алюминиевый
завод, Первоуральский динасовый завод, Томский нефтехимический
комбинат, Челябинский электрометаллургический комбинат, НижнеТагильский металлургический комбинат, Южно-Уральский Никелевый комбинат и др.
Внедрение ERP-, PDM-, SCADA-, MES- систем обеспечивает
сквозную поддержку жизненного цикла продукции, позволяет повысить качество продукции и конкурентоспособность предприятия за
счет сокращения затрат.
Литература
1. ГОСТ Р 8.595-2004. “ГСИ. Масса нефти и нефтепродуктов. Общие требования к методикам выполнения измерений”.
Авторы
Уварова Вера Александровна – зам. директора по качеству, главный метролог ООО НПП “ТЭК”.
Роженок Роман Михайлович – начальник отдела ИИС ООО НПП “ТЭК”.
Артюхина Лидия Викторовна – инженер-метролог ООО НПП “ТЭК”.
ООО Научно-производственное предприятие “Томская электронная компания”. Россия, 634040, Томск, ул. Высоцкого, 33.
Тел. (382-2) 63-38-37, 63-39-54.
Факс (382-2) 63-38-41, 63-39-63.
E-mail: npptec@mail.tomsknet.ru
171
Кондратов В.Т.
Избыточные измерений доз
ультрафиолетового облучения и облучения синим светом
Введение
Основным источником ультрафиолетового облучения (УФО) и облучения синим светом (ОСС) являются Солнце и разные искусственные источники. УФО и ОСС в диапазоне длин волн от 250 нм до 445
нм условно разделено на четыре поддиапазона (или биологически активные зоны): УФ-С (зона С) – от 250 нм до 260 нм, УФ-В (зона В) –
от 280 нм до 320 нм, УФ-А (зона А ) – от 320 нм до 390 нм и УФ-V
(зона V (ОСС) – от 395 нм до 445 нм [1–4].
Стандартные пределы измерений доз УФО и ОСС составляют, соответственно [1]: для УФ-А, УФ-В и УФ-С – (5×10–5–10) Вт/см2, а для
УФ-V – (5×10–3–1) Вт/см2.
Солнечное УФО, например, зоны А легко проникает сквозь земную
атмосферу, зоны В доходит к поверхности земли в небольших дозах,
а зоны С полностью поглощается атмосферой и не доходит к земной
поверхности даже высоко в горах. Зона С сокрушительная для живого
организма даже в небольших дозах благодаря разрушению молекул
белка. В зоне V (ОСС) под действием УФО и ОСС протекают фотохимические и биологические реакции, связанные с распадом веществ на
более мелкие элементы (фотолиз). Биологическая активность УФО и
ОСС сильно зависит от длины волны.
Основные биологические эффекты и соответствующие длины волн,
на которых имеет место действие УФО и ОСС, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Биологический эффект
Активная полоса спектра, нм
диапазон
максимум
445 – 395
420
Фотохимические реакции,
фотолиз
Загар
Эритема
Антирахитическое действие
Канцерогенное действие
Летальное, антимиотическое
действие на клетки
Мутагенное действие на клетки
и вирусы
172
400 – 280
320 – 250
310 – 260
320 – 260
320 – 200
320
297, 260
280
297, 270
265, 250
320 – 200
265, 260
В медицине, биологии и других областях существует острая необходимость в устройствах для высокоточных измерений бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой поглощающих доз УФО, а также и
дозы ОСС, которые действуют на биообъекты, в том числе на поверхность кожи человека, на кровь и т.д.
Существующие устройства обеспечивают типовую погрешность
измерений 5% и гарантированную (максимальную) – 10% [1].
Постановка проблемы и её актуальность
Проблема высокоточного измерения доз УФО и ОСС была и остается
весьма актуальной, поскольку связана с углубленными исследованиями их
влияния на молекулы белка, на состав крови, на физиологические процессы, которые протекают на молекулярном и субмолекулярном уровнях, на
биологические реакции и клинические проявления, которые имеют место
на поверхности кожи людей европеоидной, монголоидной, негроидной и
смешанных рас. Кроме того, эта проблема связана с изучением коэффициентов биологической активности того или другого спектрального потока ультрафиолетового излучения на биообъекты.
В связи с этим, актуальным является создания таких цифровых измерителей биодоз, с помощью которых ученые могли бы с высокой
точностью исследовать все многообразие биологического действия
ультрафиолетового и синего излучений.
Постановка задачи исследований
В работе исследуются процессы высокоточного преобразования
ультрафиолетового и синего излучения в электрический сигнал в разных спектральных диапазонах (биологически активных зонах) измерений доз УФО и ОСС.
Цель исследования
Целью исследования являются разработка нового метода и технического решения микропроцессорного измерителя доз УФО и ОСС с автоматической коррекцией систематических погрешностей измерений.
Основной материал и результаты исследования
В результате проведенного анализа литературных источников и патентов установлено, что существующие измерители доз УФО и ОСС (УФдозиметры и приборы типа „Агрус”, спектрорадиометры ПИОН-УЭФ и
др.) реализуют, в основном, прямые методы измерений. Эти методы не
учитывают изменения значений параметров функции преобразования
(ФП) фотоприемника (ФПр) под действием внешних дестабилизирующих
факторов (температуры, влажности, давления и т.п.) и во времени (в результате деградации материалов чувствительных и конструктивных элементов ФПр и других элементов схемы дозиметра), не учитывают значе173
ния коэффициента качества или коэффициента биологической активности
выделенного спектрального потока излучения, не учитываются биологические особенности кожи людей европейской, монголоидной, негроидной
и смешанных рас. Всё это ограничивает возможности прямых методов
измерений и приводит к увеличению погрешности измерений.
В большинстве случаев не ясно, какая дозиметрическая величина принимается за дозу облучения. Отсутствуют узаконенные термины и определения единиц физических величин (ФВ), используемых в медицине и
биологии. В настоящее время за единицу эритемной радиации принимают
1 мкВтсм–2 лучистой энергии с длиной волны =296,7 нм, что соответствует 1 мкЭрсм–2. Аналогичный подход используется для характеристик других дозиметрических величин.
Указанные недостатки обусловили необходимость разработать такой метод измерений доз УФО и ОСС, который обеспечил бы высокую
точность измерений во всех спектральных диапазонах излучений, и
учитывал бы биологические особенности кожи людей европейской,
монголоидной, негроидной и смешанных рас.
Анализ показал, что решение данной задачи возможно с использованием методов избыточных измерений (МИИ) ФВ [5, 6]. В общем виде
математическая модель предложенного МИИ, при линейной функции
преобразования (ФП) сенсора или измерительного канала (ИК)
( yx  Sл xi  y ), представляет собой систему линейных уравнений величин
y1  S л x0  y,


y2  S л  xi  x0   y, 

y3  S л xi  y

и ее решение (т.е. уравнение избыточных измерений)
xi  x0 ( y2  y1) ( y2  y3 ) ,
(1)
(2)
относительно искомой ФВ xi .
В (1) и (2) S л – реальная крутизна преобразования измерительного
канала (ИК), причем {Sл }  {Sл}1   л  ; S л – номинальная по размеру
крутизна преобразования ИК;  л – относительное изменение крутизны преобразования ИК в результате воздействия дестабилизирующих
факторов и деградации элементов ИК; y – реальное смещение ФП;
y1,..., y5 – выходные величины (или результаты измерений); x0 – нормированная по значению ФВ.
В основу работы цифрового измерителя доз УФО и ОСС положен метод преобразования неизвестных и известных по размеру мощности спектральных потоков ультрафиолетового или синего излучений в действую174
щие значения напряжений на протяжении нормированного интервала времени. Полученные напряжения измеряются, а результаты измерений запоминаются. Одновременно измеряются и запоминаются интервал времени tп , текущее время ti и значение плоскостей ( S0C , S0 B , S0 A , S0V ) поверхностей чувствительных элементов ФПр и биообъекта (SП).
Данные о площадях поверхности биообъекта записываются в ОЗУ.
Об измеряемых биодозах судят по данным обработки результатов
промежуточных измерений согласно априори выведенных уравнений
избыточных измерений.
На рис. 1 приведена структурная схема технического решения цифрового измерителя доз (ЦИД) УФО И ОСС, где 1 – съемная полусферическая матовая кварцевая насадка, используемая при измерениях облученности на поверхности объекта; 2 – корпус сенсора; 3 – оптико-электронная часть сенсора; 4 – полупрозрачная пластинка; 5 – диафрагма; 6 –
тепловой фильтр; 7, 8, 9 и 10 – первый, второй, третий и четвертый полосовые фильтры; 11, 12, 13 и 14 – первый, второй, третий и четвертый узкополосные фильтры; 15 – составной четырехполосный фильтр; 16 – источник ультрафиолетового и синего излучений; 17 – отражающее зеркало;
18 – заслонка; 19, 20, 21 и 22 – первая, вторая, третья и четвертая линзы;
23, 24, 25 и 26 – первый, второй, третий и четвертый ФПр с предусилителями; 27, 28, 29 и 30 – управляемые линейные интегрирующие устройства (УЛИУ); 31, 32, 33 и 34 – согласующие усилители (СУ); 35 – автоматический переключатель (АП); 36 – преобразователь код-напряжение
(ПКН); 37 и 38 – первый и второй преобразователи код-перемещение (ПКП);
39 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 40 – МК (МК); 41 – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 42 – перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 43 – счетчик текущего времени
(СТВ) с цифровым отсчетом; 44 – счетчик времени облучения (СВО); 45 –
цифровое отсчетное устройство (ЦОУ); 46 – общая шина (ОШ).
Рассмотрим работу предложенного ЦИД УФО И ОСС. Она состоит из
трех тактов измерений, одного такта обработки результатов промежуточных измерений и заключается в следующем.
Предположим, что на биообъект (например, поверхность кожи животных, человека и т.п.) и на сенсор ЦИД УФО и ОСС действует поток
лучевой энергии ультрафиолетового и синего излучений.
После включения питания все функциональные элементы ЦИД по команде с МК 40 устанавливаются в начальное состояние. ПКП 37 устанавливается в положение, при котором диафрагма 5 закрыта. Собирающая
линза 1 направляет внешние потоки оптического излучения на поверхность теплового фильтра 6. Внешний поток ультрафиолетового и синего
излучений на полупрозрачную пластину 4 не поступает, поскольку диафрагма 5 закрыта. По команде с МК 40 ПКП 37 устанавливает заслонку 18
175
в положение, показанное на рис. 1, при котором на фокусирующие линзы
19-22 ФПр 23-26 поступает поток ультрафиолетового и синего от источника 16 излучений через узкополосные фильтры 11-14.
Рис. 1. Структурная схема технического решения ЦИД УФО И ОСС
По команде с МК 40 на цифровые входы ПКН 36 из ПЗУ 42 поступает код числа, который формирует на выходе ПКН 36 напряжение
питания источника 16. Источник 16 ультрафиолетового и синего излучений включается и прогревается на протяжении заданного интервала
176
времени выхода на режим. Отраженный от зеркала 17 поток оптического излучения поступает на составной четырехполосный фильтр 15.
На выходе этого фильтра формируются потоки ультрафиолетового и
синего излучений на длинах волн λ01 = 253,7 нм, λ02 = 296,7 нм, λ03 = 339,7
нм и λ04 = 420 нм с заданными нормированными значениями мощности
при нормированном значении полосы пропускания, т.е. при
{01}  {02}  {03}  {04}  {0} . Причем 0  (2...5) нм .
Готовый к работе СТВ 43 показывает текущее время Ti СВО 44,
как и ЦОУ 45, показывает ноль.
Для выполнения измерений нажимается кнопка „пуск" (на рис. 1 не
показана), которая расположена на пульте управления работой МК 40.
В результате включается СВО 44, и начинается процесс измерения доз
УФО и ОСС.
В первом такте измерений диафрагма 5 закрыта. Потоки ультрафиолетового излучения с выхода составного четырехполосного фильтра 15 с длинами волн λ01 = 253,7 нм, λ02 = 296,7 нм, λ03 = 339,7 нм и
λ04 = 420 нм и с заданными нормированными значениями мощностей
поступают на полупрозрачную пластинку 4, отражаются от неё и, через узкополосные фильтры 11-14, поступает на фокусирующие линзы
19-22 ФПр 23-26 соответственно.
С помощью управляемых ЛИУ 27-30 выходные сигналы ФПр усредняются в течение заданного (нормированного) интервала времени t0 и,
через СУ 31-34, в виде соответствующих напряжений поочередно поступают на АЦП 39.
Необходимо отметить, что в каждом ИК (см. рис. 1) мощность искусственных монохроматических потоков Ф0C , Ф0 B , Ф0 A и Ф0V ультрафиолетового и синего излучений преобразуется, соответственно, в
действующие значения напряжений U 0C ,U 0В ,U 0А ,U 0V .
По команде с МК 40 выходы СУ 31-34 каждого из ИК поочередно подключаются ко входу АЦП 39 с помощью АП 35. В результате выходные
напряжения (3)-(6) СУ 31-34 преобразуются, соответственно, в коды чисел
N01, N02, N03, N04. Полученные результаты в виде соответствующих кодов
чисел запоминаются в ОЗУ 32.
Во втором такте, по команде с МК 40, на цифровой вход кодоуправляемого ПКП 37, который кинематически соединен с диафрагмой 5, поступает управляющий код, при котором диафрагма 5 открывается (см. рис. 1).
Одновременно на цифровой вход ПКП 38 через ОШ 46 с выхода МК 40 поступает сигнал, который перемещает заслонку 18. Во втором такте вместо
узкополосных фильтров 11-14 над фокусирующими линзами 19-22 ФПр
устанавливаются четыре полосовых фильтра 7-10. Ширина полос пропуска177
ния данных фильтров выбирается на уровне 0,5 равной: (253,76,3
3,7 ) нм,
51,3
25,0
(296,723,3
16,7 ) нм, (339,719,7 ) нм и (420,025,0 ) нм соответственно.
Неизвестные по размеру мощности внешние потоки ультрафиолетового и синего излучений для каждой из четырех биологически активных
зон (т.е. потоки ФxC, ФxB, ФxA и ФxV) поступают, через тепловой фильтр 6,
открытую диафрагму 5, полупрозрачное зеркало 4, полосовые фильтры 7-10
и фокусирующие линзы 19-22, на входы ФПр 23-26 соответственно. На
те же ФПр поступают и искусственные монохроматические потоки
Ф0C , Ф0 B ,Ф0 A и Ф0V ультрафиолетового и синего излучений от источника 16. Сформированные суммарные потоки оптических излучений, т.е.
Ф1, Ф 2, Ф3 и Ф 4 (причем {Ф1}  {Ф xC }+{Ф0C }, {Ф2} = {Ф xB }+{Ф0 B },
Ф3 = {Ф xA}+{Ф0 A} , а {Ф4} = {Ф xV }+{Ф0V } , с помощью фокусирующих линз 19-22 направляются на ФПр 23-26. С помощью ФПр 23-26
мощности суммарных потоков ультрафиолетового и синего излучения
преобразуются в электрические сигналы. С помощью управляемых
ЛИУ 27-30 выходные сигналы ФПр 23-26 усредняются в течении заданного (нормированного) интервала времени t0 и, через СУ 31-34 и АП
35, в виде соответствующих напряжений U x1,U x2 ,U x3 и U x4 поочередно поступают на АЦП 39. С помощью АЦП 39 указанные напряжения
поочередно преобразуются в коды чисел N x1, N x2 , N x3 и N x4 , которые
также запоминаются в ОЗУ 41.
В третьем такте по команде с МК 40 на вход ПКН 36 поступает
код нуля. Источник 16 ультрафиолетового и синего излучений отключается. Этим самим исключается действие на ФПр 23-26 искусственных
потоков ультрафиолетового и синего излучений, которые создаются источником 16 с фильтром 15 и зеркалом 17. В данном такте на ФПр 23-26
через тепловой фильтр 6, открытую диафрагму 5, полупрозрачную пластинку 4, полосовые фильтры 7-10 и фокусирующие линзы 19-22 поступают только потоки ультрафиолетового и синего излучений неизвестных
по размерам мощностей, т.е. Ф хC , Ф хB , Ф хA и Ф хV .
С помощью управляемых ЛИУ 27-30 выходные сигналы ФПр 23-26 также усредняются в течение заданного (нормированного) интервала времени
t0 и, через СУ 31-34 и входы АП 35 поступают на входы АЦП 39 в виде
действующих значений напряжений U x 1,U x 2 ,U x 3 и U x 4 . Далее полученные
напряжения с помощью АЦП 39 преобразуются в коды чисел N x 1,
N x 2 , N x 3 и N x 4 , которые также запоминаются в ОЗУ 41.
178
После проведения трех тактов измерений по команде с МК 40 вычисляются бактерицидная, эритемная, эритемно-тепловая поглощающие дозы УФО и доза ОСС. На ЦОУ 45 отображаются значения
основных дозиметрических величин
N x1  N01
мкБат  см2 ,
N x1  N x 1
N   N02
 kc {D0 B } x 2
мкЭр  см 2 ,
N x2  N x 2
DCx  kc {D0C }
(3)
DBx
(4)
N x3  N03
мкБэт  см2 ,
N x3  N x 3
N   N04
 kc {D0V } x 4
мкФот  см 2 ,
N x4  N x 4
DAx  kc {D0 A }
(5)
DVx
(6)
где kc – коэффициент пропорциональности.
Коэффициенты биологической эффективности kC , k B , k A , kV ,
определяются экспериментально по результатам исследований влияния спектральных потоков ультрафиолетового и синего излучений на
той или другой биообъект и заранее записываются в ПЗУ 42.
Измерение и запоминание дозиметрических величин проводятся на
протяжении всего времени ΔtП действия УФО и ОСС. Полученные результаты запоминаются в ОЗУ 41 и используются для дальнейшего
изучения действия ультрафиолетового облучения на биообъекты и
определения целесообразности использования того или другого времени облучения tп для людей разных рас и цвета кожи, а также для
определения текущего времени облучения Ti .
Обработка результатов промежуточных измерений по предложенным уравнением числовых значений (3), (4), (5) и (6) обеспечивает автоматическое исключение влияния абсолютных значений параметров ФП
ИК и их отклонения от номинальных значений, обусловленное действием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов. Это легко
проверить, если подставить в (3), (4), (5) и (6) полученные коды чисел.
С помощью МК 40 вычисляются также значение эффективных эквивалентных бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой доз облучения
биообъекта и доз облучения синим светом, значение мощности полной
поглощающей дозы для каждой биологически активной зоны, значение
полной лучевой энергии ультрафиолетового и синего излучений, которые
воздействует на площадь S п поверхности биообъекта с момента времени t1 до момента времени t2. Все полученные значения отображаются на
ЦОУ 45 как соответствующие дозиметрические величины.
179
Значения коэффициентов kC , kB , k A и kV , которые учитывают действие „хвостов”, преимущественно устанавливаются при калибровке
ЦИД. Возможно их вычисление после определения площади „хвостов"
полос по спектральным характеристикам соответствующих фильтров.
Дальше, с помощью МК 40, вычисляются эквивалентные бактерицидная, эритемная, эритемно-тепловая дозы и дозы облучения биообъекта
синим светом, соответственно, как дозиметрические величины
e
DCx
 kC N DCx мкБат  см2 ,
e
DBx
 k B N DBx мкЭр  см2 ,
e
DAx
e
DVx
 k A N DAx мкБэт  см
2
,
(7)
(8)
(9)
(10)
 kV N DVx мкФот  см2 ,
где N DCx , N DBx , N DAx и N DVx  числовые значения основных дозиметрических величин DCx , DBx , DAx , DVx , соответственно; kC , kB , k A , kV 
средние по значению коэффициенты качества (или коэффициенты
биологической эффективности) каждого из выделенных спектральных
потоков ультрафиолетового и синего излучений. Причем k C  1, k B  1,
k A  1, k V  1 и k C  k B  k A  k V .
Как отмечалось выше, коэффициенты биологической эффективности
kC , kB , k A и kV определяются экспериментально, по результатам исследований влияния спектральных потоков ультрафиолетового излучения
на того или другой биообъект и заранее записываются в ПЗУ 42.
В полученных результатах, при точно заданных значениях коэффициентов биологической эффективности, также отсутствуют систематическая и случайная составляющие погрешности измерений.
Если биообъектом являются люди европейской расы, то используются
средние по значению коэффициенты kCє , kBє , k Aє и kVє ; монголоидной
расы, – коэффициенты kCм , kBм , k Aм и kVм ; негроидной расы, – коэффициенты
kCн , k Bн , k Aн и kVн ; смешанной расы (єм), – коэффициенты
kCєм , k Bєм , k Aєм и kVєм ; смешанной расы (єн), – kCєн , k Bєн , k Aєн и kVєн ; смешанной расы (мн), – коэффициенты kCмн , kBмн , k Aмн и kVмн . Все эти коэффициенты биологической эффективности также определяются экспериментально по результатам статистических исследований действия спектральных
потоков ультрафиолетового и синего излучений на поверхность кожи людей
той или другой расы и свойств их кожи поглощать данные излучения. Их
значения также заранее записываются в память ПЗУ 42 ЦИД.
180
С помощью МК 40 значения эффективных эквивалентных бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой доз УФО и ОСС биообъекта
вычисляются согласно следующих уравнений числовых значений:
n1
n1
i 1
n2
i 1
n2
i 1
n3
i 1
n3
ee
e
DEC
  N DCxi
мкБат  см2   kCi {Cx }/{SСi } мкБат  см 2 ,
(11)
ee
e
DEB
  N DBxi
мкЕр  см2   kBi { Bx }/{SBi } мкЭр  см 2 ,
(12)
ee
e
DEA
  N DAxi
мкБeт  см2   k Ai { Ax }/{S Ai } мкБэт  см 2 ,
(13)
ee
e
DEV
  N DVxi
мкФот  см2   kVi {Vx }/{SVi } мкФот  см 2 ,
(14)
i 1
n3
i 1
n3
i 1
i 1
где n1, n2, n3 и n4 – количество участков с известными за размером плоскостями поверхности биообъекта, которые облучаются ультрафиолетовым излучением каждой биологически активной зоны;
{SCi },{SBi },{S Ai } и {SVi } – значение плоскостей поверхностей биообъe
e
e
e
екта, которые облучаются; N DCxi
, N DBxi
, N DAxi
и N DVxi
, числовые значения эквивалентных бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой
доз и дозы облучения синим светом; kCi , kBi , k Ai и kVi  весовые коэффициенты или коэффициенты биологической чувствительности разных (i-х) участков поверхности биообъекта для каждого из выделенных спектральных потоков ультрафиолетового и синего излучений.
Значение этих коэффициентов для каждой зоны устанавливаются
экспериментально (по результатам исследований чувствительности
разных участков поверхности биообъектов к действию соответствующих спектральных потоков указанных излучений) запоминаются
в ПЗУ 42 и отображаются на ЦОУ 45.
Если биообъектом являются люди европейской расы, то используются
є
є
є
є
, kBi
, k Ai
коэффициенты биологической чувствительности kCi
и kVi
; мон-
м
м
м
м
голоидной расы, – коэффициенты kCi
; негроидной расы, –
, k Bi
, k Ai
и kVi
н
н
н
н
, k Bi
, k Ai
и kVi
коэффициенты kCi
; смешанной расы (индекс „єм”), –
єм
єм
єм
єм
kCi
, k Bi
, k Ai
и kVi
;
єн єн
, k Bi ,
смешанной расы (индекс „єн”), – kCi
єн
єн
мн мн мн
мн
k Ai
и kVi
, kBi , k Ai и kVi
; смешанной расы (индекс „мн”), kCi
. Это обусловлено тем, что кожа людей разных рас имеет свои генетические особенности относительно поглощения энергии ультрафиолетового и синего
излучений и биологической реакции на действие данной энергии.
181
Далее с помощью МК 40 вычисляются значение поглощающей (полной) бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой доз УФО и ОСС
плоскости поверхности S п биообъекта, которые отображаются на ЦОУ 45
ЦИД как дозиметрические величины
N   N0C
(15)
DCп  {Sп }kc {D0C } xC
мкБат,
  N xC

N xC
  N0 B
N xB
мкЭр,
  N xB

N xB
(16)
  N0 A
N xA
мкБэт,
  N xA

N xA
(17)
DBп  {Sп }kc {D0 B }
DAп  {Sп }kc {D0 A}
  N0V
N xV
мкФот,
(18)
  N xV

N xV
С помощью МК 40 вычисляются также значения мощности полной
поглощающей дозы для каждой биологически активной зоны. Эти значения отображаются на ЦОУ 45 как дозиметрические величины
N
 N DCп1
DCп  DCп2
мкБат  с-1 ,
(19)
N tп
DVп  {Sп }kc {D0V }
DBп 
N DBп2  N DBп1
мкЭр  с-1 ,
N tп
(20)
DAп 
N DAп2  N DAп1
мкБэт  с-1 ,
N tп
(21)
DVп 
N DVп2  N DVп1
мкФот  с-1 ,
N tп
(22)
где N DCп1, N DBп1, N DAп1, N DVп1 и NDCп2 , N DBп2 , N DAп2 , N DVп2 
числовые значения полных поглощающих бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой доз и дозы излучения синего света (15), (16), (17) и (18) в моменты времени t1 и t2 , соответственно; Ntп  {tп } – значение интервала
времени действия ультрафиолетового облучение.
Аналогично с помощью МК 40 вычисляется и значение полной лучистой энергии ультрафиолетового излучения, которое облучает площадь
S п поверхности биообъекта с момента времени t1 к моменту времени t2 .
Это значение отражается на ЦОУ 45 как дозиметрическая величина
Q  N DCп {tп } Дж  N DBп {tп } Дж  N DAп {tп } Дж+N DVп{tп } Дж 
 ( N DCп  N DBп  N DAп  N DVп ){tп } Дж.
182
(23)
где N DCп , N DBп , N DAп и N DVп  числовые значения полных поглощающих бактерицидной, эритемной и эритемно-тепловой доз и
дозы излучения синего света (15), (16), (17) и (18) соответственно.
Если спектральные характеристики полос полосовых фильтров 7, 8,
9 и 10 (биологических или активных зон) сформированы таким образом, что соседние спектральной характеристики полос пересекаются
между собой на уровне 0,5 и имеют почти симметричные „хвосты”
характеристик, площадь которых не превышает площадь соответствующего монохроматического потока ультрафиолетового излучения, то
значения бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой доз УФО и
дозы облучения биообъекта синим светом вычисляются как основные
дозиметрические величины
 N  }  N0C

DCx  kc {D0C } xC
 kC  мкБат  см 2 ,
  N xC

 N xC

(24)
 N   N0 B

DBx  kc {D0 B } xB
 k B  мкЕр  см 2 ,
  N xB

 N xB

(25)
 N   N0 A

DAx  kc {D0 A } xA
 k A  мкБет  см2 ,
  N xA

 N xA

(26)
 N   N0V

(27)
DVx  kc {D0V } xV
 kV  мкФот  см 2 ,


 N xV  N xV

где kC , kB , k A и kV – коэффициенты, которые учитывают действие
„хвостов” на границах спектральных полос активных зон, kc  коэффициент пропорциональности ( kc  100 ).
Причем
kC   C / 0C  ,
k B   B / 0 B ,
k A   A / 0 A  , kV  {ФV }/{Ф0V } , где  C  ,  B  ,
 A  ,  V  – сумма значений мощностей потоков ультрафиолетового и синего излучений для левых и правых „хвостов” полос или
сумма малых значений мощностей указанных потоков на краях полос
на
уровне
0,5
спектральной
характеристики;
а
ФC  {ФлC }  {ФпрC },  B   лB   пB ,  A   лA 
  пA  ,
ФV  {ФлV }  {ФпрV } ,
где
{Ф лB }
и {ФпрB },
{ФлA} и {ФпрA}, {ФлV } {ФпрV } – левые и правые „хвосты” полос
биологически активных зон "С "," B"," A" и "V " соответственно.
Значение коэффициентов kC , kB , k A и kV преимущественно устанавливаются при калибровке. Возможно их вычисление после опреде183
ления площади „хвостов” полос по спектральным характеристикам
полосовых фильтров. Аналогичным образом проводится измерение и
запоминание дозиметрических величин на протяжении всего времени
tп действия ультрафиолетового и синего излучений. Полученные
результаты запоминаются в ОЗУ 41 и используются для дальнейшего
изучения действия УФО и ОСС на биообъекты.
Таким образом, благодаря реализации метода избыточных измерений и соответствующего уравнений числовых значений [5-7] в предложенном техническом решении ЦИД УФО и ОСС обеспечивается
автоматическая коррекция погрешностей измерений, исключение влияния на результаты измерений абсолютных значений параметров ФП и
их отклонений от номинальных, которые обусловлены действием
внешних и внутренних дестабилизирующих факторов на конечные
результаты измерений бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой
поглощающих доз УФО и доз ОСС.
Выводы
Предложено техническое решение современного ЦИД, реализующего новый метод избыточных измерений доз УФО и ОСС. Новизна
предложенных технических решений подтверждена патентами Украины
№ 75509 и № 755014 [6, 7].
Описанное выше техническое решение ЦИД обеспечивает: автоматизацию процессов измерений и обработки результатов промежуточных
измерений, высокую точность определения действительных значений доз
ультрафиолетового излучения, а также расширение функциональных возможностей касающихся определения бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой поглощающих доз УФО и доз ОСС людей европейской,
монголоидной, негроидной и смешанных рас.
ЦИД дополнительно обеспечивает высокоточное определение: значений эффективных эквивалентных бактерицидной, эритемной и эритемно-тепловой доз УФО и доз ОСС биообъекта; значений поглощающей (полной) бактерицидной, эритемной, эритемно-тепловой доз
УФО и доз ОСС плоскости поверхности S п биообъекта; значений
мощности полной поглощающей дозы для каждой биологически активной зоны, а также значение полной лучистой энергии ультрафиолетового излучения, которое облучает площадь S п поверхности биообъекта с момента времени t1 к моменту времени t2 .
Даны рекомендации по определению дозиметрических величин для
людей как европейской, так и монголоидной, негроидной и смешанных рас в части необходимости использования соответствующих коэффициентов биологической чувствительности.
184
Литература
1. High Energy UV Integrating Radiomiter. EIT Inc. 108 Carpenter
Drine, Sterling, VA 201 (www.eitinc.com).
2. Федоров М.И., Немировский А.Э., Сергиевская И.Ю., Бабкин А.М. Измеритель интенсивности ультрафиолетового излучения /
Приборы и техника эксперимента. – 1999, №4. – С. 158–160.
3. Ильянок В.А., Соколов М.В. Уфиметр УФ-1 – прибор для измерения ультрафиолетовой облученности. – Г.: ВИНИТИ, 1957.– С. 3–10.
4. Андрейцев А.П., Осетров П.А. Уфидозиметр УФ-2. Интегрирующий прибор для измерения количества ультрафиолетового облучения. – Г.: ВИНИТИ, 1957. – С. 3–13.
5. Кондратов В.Т. Теория избыточных измерений /В сб. докл. межд.
науч.-техн. конф. „Метрологическое обеспечение измери-тельных систем”. – Пенза, 2005. – С. 191-210.
6. Кондратов В.Т. Спосіб визначення доз ультрафіолетового випромінювання. Патент України № 75509 G01J 1/00, G01T 1/00, G01N 1/00/
Бюл. № 4, 2006. – 14 с.
7. Кондратов В.Т., Каламеец О.А. Цифровий вимірювач доз ультрафіолетового опромінення. Патент України № 755014 G01J 1/00,
G01T 1/00, G01N 1/00/ Бюл. № 4, 2006. – 14 с.
Автор
Кондратов Владислав Тимофеевич – ведущий научный сотрудник Института кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, д.т.н.
Тел.: +38 (044) 526-24-69, +38 (044) 452-95-37. E-mail: vladikon@voliacable.com
185
Кондратов В.Т., Редько В.В.
Информативно-избыточный сенсор давления
на основе волоконно-оптического преобразователя
Разработка высокоточных волоконно-оптических сенсоров давления (ВОСД), инвариантных к воздействию дестабилизирующих факторов,
является актуальной задачей волоконно-оптического приборостроения.
Составными частями ВОСД, имеющего электрический аналоговый
интерфейс, являются волоконно-оптический преобразователь давления (ВОПД), волоконно-оптический кабель (ВОК) и оптикоэлектронный преобразователь (ОЭП) [1].
Среди амплитудных ВОПД обширную группу образуют ВОПД рефлексометрического типа. В них модуляция потока оптического излучения осуществляется за счёт перемещения относительно торцов передающих и приёмных волоконных световодов (ВС), расположенных в
одной плоскости зеркальной поверхности мембраны при её прогибе
под действием измеряемого давления [1].
Разновидностью ВОПД рефлексометрического типа является
ВОПД с бинарным выходом по оптическому сигналу [1–3]. Для ВОСД,
в состав которых входят данные ВОПД, характерным является то, что
в них отражённый от зеркальной поверхности мембраны поток оптического излучения Фм разделяется на два потока Фм1 и Фм2. Последние
принимаются торцами приёмных ВС, разделённых на две группы, и
по ВОК передаются на вход ОЭП. В ОЭП потоки оптического излучения Фм1 и Фм2 при помощи двух фотодиодов (ФД) преобразуются
в электрические сигналы и подвергаются дальнейшей обработке.
Важнейшим преимуществом ВОСД, построенных на основе ВОПД
с бинарным выходом, является то, что они позволяют реализовать
дифференциальный метод линеаризации функции преобразования (ФП)
ВОПД и исключить составляющую систематической погрешности результата измерения, обусловленную температурной нестабильностью
ампер-ваттной характеристики светодиода (СД).
Анализ научных публикаций [1–3] показал, что дифференциальный
метод линеаризации ФП ВОПД эффективен только при малых значениях погрешности от нелинейности и нестабильности ФП ФД, с помощью которых осуществляется оптико-электронное преобразование.
Более перспективными по сравнению с известными ВОСД являются информативно-избыточные ВОСД. Например, в работе [4] описан
информативно-избыточный ВОСД с управляемыми параметрами,
обеспечивающий автоматическую коррекцию погрешности от нестабильности ФП ФД. Однако при этом предполагается, что ФП ФД на
заданном рабочем участке носит линейный характер.
186
Постановка задачи
В связи с вышесказанным задачей исследования является создание
информативно-избыточного ВОСД, обеспечивающего одновременное
исключение погрешностей от: а) нелинейности ФП ВОПД; б) нелинейности и температурной нестабильности ФП ФД; в) температурной
нестабильности ампер-ваттной характеристики СД.
Решение поставленной задачи и полученные результаты
Для решения поставленной задачи была разработана конструкция
информативно-избыточного ВОСД, изучен процесс модуляции мощности потока оптического излучения, выведена ФП ВОПД и формализовано описаны режимы работы информативно-избыточного ВОСД.
Графическое изображение конструкции информативно-избыточного
ВОСД представлено на рис. 1, где 1 – ВОПД; 2 – ВОК; 3 – ОЭП; 4 – приёмные ВС первой группы; 5 – приёмные ВС второй группы; 6 – передающий ВС; 7 – корпус; 8 – наконечник; 9 и 17 – разъёмные световодные
соединители типа вилка; 10 и 18 – разъёмные световодные соединители типа розетка; 11 – прокладка; 12 – мембрана; 13 – штуцер; 14 – кожух;
15 – стакан; 16 и 26 – функциональные держатели; 19 – ограничительный
цилиндр; 20, 25 и 28 – линзы; 21 и 27 – составные призмы; 22 – прямоугольная призма с двумя зеркальными гранями; 23 и 29 – ФД; 24 – электрический разъём типа вилка; 30 и 31 – СД.
Чувствительным элементом ВОПД 1 является мембрана 12, имеющая зеркальную внутреннюю поверхность и выполненная за одно целое
со штуцером 13. ВОПД 1 содержит также волоконно-оптический жгут,
один из концов которого закреплён в наконечнике 8 напротив центра
зеркальной поверхности мембраны 12, а второй – в разъёмном световодном соединителе 10.
Волоконно-оптический жгут состоит из одного передающего ВС и
восьми приёмных ВС, разделённых на две группы.
Первую группу приёмных ВС образуют четыре ВС 4, центры сердцевин которых отдалены от центра сердцевины передающего ВС 6 на
расстояние D1 , равное диаметру оболочки Dоб ВС, т. е. {D1}  {Dоб } .
Вторую группу приёмных ВС образуют четыре ВС 5, центры сердцевин которых отдалены от центра сердцевины передающего ВС на расстояние D2 равное сумме диаметров оболочки Dоб и сердцевины Dс
ВС, т. е. {D2 }  {Dоб }  {Dс } .
Для исключения выпадения росы или конденсата на зеркальной
поверхности мембраны 12 внутренняя полость ВОПД 1 заполняется
инертным газом, например, аргоном. Давление аргона во внутренней
полости ВОПД 1 устанавливается равным { p0 } .
187
Рис. 1. Конструкция информативно-избыточного
волоконно-оптического сенсора давления
188
Рис. 1. Конструкция информативно-избыточного
волоконно-оптического сенсора давления (Окончание)
189
ОЭП 3 содержит кожух 14, в середину которого установлен стакан 15.
В его полости размещены функциональные держатели 16 и 26, а также
ограничительный цилиндр 19. Ко дну стакана 15 прикреплён разъёмный световодный соединитель 18. ФД 23 и 29, СД 30 и 31 и линза 28
закреплены в функциональном держателе 16. Электрические выводы
СД и ФД припаяны к соответствующим контактам электрического
разъёма 24. Линзы 20 и 25, составные призмы 21 и 27 и прямоугольная
призма 22 с двумя зеркальными гранями закреплены в функциональном держателе 26.
Первой особенностью предложенной конструкции ВОСД является то,
что в ней впервые используется волоконно-оптический жгут с матричным
расположением ВС. Торцы девяти ВС 4, 5 и 6, закреплённые в наконечнике 8, располагаются один относительно другого по правилу размещения
элементов в квадратной матрице (см. сечение А-А на рис. 1). Центральным элементом квадратной матрицы выступает торец передающего ВС 6.
Необходимо отметить, что соотношение значений диаметров оболочки Dоб и сердцевины Dс волоконных световодов 4, 5 и 6 должно
удовлетворять следующему условию: {Dс }  {Dоб } 2  {Dоб } . При выполнении этого условия и матричном расположении торцов ВС вышеуказанные значения расстояний D1 и D2 выдерживаются автоматически.
Второй особенностью конструкции ВОСТ является то, что она
обеспечивает получение информативной избыточности (дополнительной информации). Последняя достигается за счёт формирования и
преобразования в напряжения не только мощностей модулированных
потоков излучения Фм1 и Фм2, но и мощностей ряда дополнительных
потоков излучения, несущих информацию о параметрах ФД 23 и 29,
СД 30 и 31, а также о температуре окружающей среды.
Рассмотрим процесс модуляции потока оптического излучения измеряемым давлением px . Как было сказано выше, модуляция потока
оптического излучения в информативно-избыточном ВОСД осуществляется путём изменения расстояния d i между центром зеркальной поверхности мембраны 12 и плоскостью, в которой расположены торцы
приёмных ВС 4 и 5, под действием измеряемого давления px .
Поток оптического излучения Ф н0 , генерируемый СД 31, по передающему ВС 6 поступает на выход ОЭП 3 и через ВОК 2 передаётся на
вход ВОПД 1. Поток оптического излучения Ф н0 поступает на зеркальную поверхность мембраны 12, отражается от неё и формирует в плоскости торцов приёмных ВС 4 и 5 освещённую кольцевую зону (рис. 2).
190
а) при { px }  { p0 } , {di }  {d 0 } , {S1}  {S2 }
2
б) при { px }  { pmax } , {di }  {d min } , {S1 }   {rс } , {S2 }  0
Рис. 2. Графические построения, иллюстрирующие процессы взаимодействия
потока оптического излучения с зеркальной поверхностью мембраны
Площадь освещённой кольцевой зоны Sк связана с расстоянием d i
следующим уравнением величин:
2
Sк   ( Rнар
 Rвн2 )  k23 di rс tgNA ,
где Rвн и Rнар – внутренний и наружный радиусы освещённой кольцевой зоны, причём Rвн  k2 di tg NA  rс и Rнар  k2 di tg NA  rс ; NA и rс –
апертурный угол и радиус сердцевин ВС 4–6, причём rс  Dс / k2 ; k2  2 .
В начальном положении мембраны 12 (при равенстве значений давления p0 во внутренней полости ВОПД 1 и измеряемого давления px )
площади S1 и S 2 освещённых частей сердцевин ВС 4 и 5 равны по значению (рис. 2, а). При увеличении давления px ({ px }  { p0 }) , расстояние d i уменьшается (рис. 2, б).
191
ФП давления px в расстояние d i для закреплённой по контуру
плоской мембраны в области малых перемещений описывается линейным уравнением величин [7]:
di  d 0  d x  d 0  S дп ( px  p0 ) ,
где d 0 – начальное расстояние между центром мембраны 12 и
плоскостью, в которой расположены торцы приёмных ВС 4 и 5; d x –
прогиб центра мембраны, причём {d x }  {S дп }({ px }  { p0 }) ; S дп – коэффициент преобразования давления в прогиб мембраны, причём
{Sдп }  [3{Rм }4 (1  μм2 )] (16{Eм }{hм }3 ) ; {Rм } и {hм } – значения радиуса
и толщины мембраны; {Eм } – значение модуля Юнга материала мембраны; μ м – коэффициент Пуассона материала мембраны.
Изменение расстояния d i приводит к изменению площадей освещённых частей сердцевин ВС 4 и 5 (рис. 2, б). На основе графических
построений и теоретических исследований [1, 5] получены зависимости
площадей S1 и S 2 от расстояния d i :
S1   rс2 

rс2
k2

 a 
 a
Rвн2 
 k arcsin  1   sin  k2 arcsin  1
k2 

 k2 Rвн 
 k2 Rвн


 a 
 a
 k arcsin  1   sin  k2 arcsin  1


 k2 rс 
 k2 rс
 
  ,
  
2 

 a 
 a
Rнар
 k arcsin  2   sin  k2 arcsin  2
S2 
k R
k2 

 k2 Rнар 
 2 нар


 a 
 a  
r2 
 с  k arcsin  2   sin  k2 arcsin  2    ,
k2 
 k2 rс 
 k2 rс   

(1)
 
   
  
(2)
2
2
 D2 rс2  Rнар

 D r 2  Rвн2 
2
a

k
r


;
r  1  с

 ; k   / 90 .

2
2
с

k2 D2 
k2 D1 
 k2
 k2
2
где a1  k2
 
  
  
2
с
Исследования показали, что для обеспечения корректной работы
ВОПД с бинарным выходом должно выполняться следующее условие:
{di }  {Dоб }/(2tg{NA }) . Это обусловлено тем, что в случаях, когда
{di }  {Dоб }/(2tg{NA }) , освещённой кольцевой зоной перекрываются
торцы только первой группы ВС 4 (рис. 2, б). При этом торцы второй
группы ВС 5 остаются неосвещёнными.
192
Для определения оптимального значения начального расстояния d 0
рассмотрим приведенные на рис. 3 графики зависимостей S1 (di ) (1) и
S2 (di ) (2). Указанные графики получены для ВОПД, в котором используются ВС с диаметром сердцевины Dс  50 мкм , диаметром оболочки
Dоб  125 мкм и апертурным углом NA  11,5 .
Рис. 3. Графики зависимостей S1 ( d i ) и S2 (di )
Анализ графиков зависимостей S1 (di ) (1) и S2 (di ) (2) показал, что
при строгом подходе:
– начальное расстояние d 0 между центром зеркальной поверхности
мембраны 12 и плоскостью, в которой расположены торцы приёмных
ВС 4 и 5, необходимо уставить равным 376,8 мкм;
– минимальное допустимое расстояние dmin между центром зеркальной поверхности мембраны 12 и плоскостью, в которой расположены торцы приёмных ВС 4 и 5, должно составлять не менее
312,5 мкм . Это означает, что максимальный прогиб d x центра мембраны 12 не должен превышать 64,3 мкм .
В результате изменения площадей S1 и S 2 (при изменении давления px ) изменяются и мощности потоков оптического излучения Ф м1
и Фм2 , принимаемых торцами первой и второй групп приёмных ВС 4
и 5, соответственно:
Фм1  Фн0  n1S1 Sк ,
(3)
Фм2  Фн0  n2 S2 Sк ,
(4)
193
где  – коэффициент отражения зеркальной поверхности мембраны 12;
n1 – количество приёмных ВС 4 первой группы; n2 – количество приёмных ВС 5 второй группы.
Графики зависимостей Фм1 (d x ) (3) и Фм2 (d x ) (4), полученные для
случая, когда Фн0  10 мВт ,   1 , n1  n2  4 , Dс  50 мкм , Dоб  125 мкм
и NA  11,5 , представлены на рис. 4.
Рис. 4. Графики зависимостей Фм1 (d x ) и Ф м2 ( d x )
В результате анализа графиков зависимостей Фм1 (d x ) (3) и Фм2 (d x ) (4)
установлено, что:
– графики зависимостей Фм1 (d x ) и Фм2 (d x ) являются взаимноинверсными, т. е. график зависимости Фм2 (d x ) является зеркальным отражением графика зависимости Фм1 (d x ) ;
– разностная функция Ф р ( d x ) ( {Ф р (d x )}  {Ф м1 (d x )}  {Ф м2 ( d x )} ) при
изменении прогиба d x центра мембраны в диапазоне (0 64,3) мкм
имеет линейный характер;
– для обеспечения малых значений погрешности от нелинейности
максимальный прогиб d x центра мембраны не должен превышать 50 мкм .
Поскольку прогиб d x центра мембраны линейно зависит от давления
px , то функция Ф р ( px ) ( {Ф р ( px )}  {Ф м1 ( px )}  {Ф м2 ( px )} ) также носит
линейный характер и может быть аппроксимирована функцией вида
Ф р ( px )  Ф м1 ( px )  Ф м2 ( px )  Sпр ( px  p0 ) ,
где S пр – крутизна преобразования давления в мощность потока оптического излучения, причём {Sпр }  {S px }{Фн0 } ; S px – постоянный коэффициент, значение которого определяется в процессе калибровки ВОПД.
194
График зависимости Ф р ( px ) при d x  (0
50,0) мкм представлен на
рис. 5. Как видно из графика зависимости Ф р ( px ) , ФП ВОПД имеет линейный характер в диапазоне измеряемого давления px  (0 10,0) МПа .
Рис. 5. График зависимости Ф р ( p x )
Таким образом, использование волоконно-оптического жгута с матричным расположением ВС позволило создать ВОПД с бинарным выходом по оптическому сигналу, обеспечивающий получение линейной (разностной) ФП давления в мощность потока оптического излучения.
Описание режимов работы информативно-избыточного ВОСД
Предложенный информативно-избыточный ВОСД позволяет осуществить четыре режима работы. В первых трёх режимах работы дополнительные потоки оптического излучения, формируемые СД 30
преобразуются в напряжения. В четвёртом режиме в напряжения преобразуются модулированные потоки излучения Ф м1 и Фм2, формирующиеся на бинарном выходе ВОПД 1.
Необходимо отметить, что в качестве СД 30 и 31 следует подбирать
СД, имеющие равные по значению характеристические температуры
{Tхр1}  {Tхр2 }  {Tхр } .
Преобразование потоков оптического излучения в напряжения
осуществляется с помощью полупроводниковых ФД 23 и 29 (рис. 1).
ФП указанных ФД описываются известными уравнениями величин [8]:
U1 

kTx  S I 1
ln 
Ф x1  k1  ,
q
I
 s1

U2 

kTx  S I 2
ln 
Ф x 2  k1  ,
q
I
 s2

195
где Tx – абсолютная температура окружающей среды; k – постоянная
Больцмана; q – заряд электрона; S I 1 и I s1 – токовая чувствительность и
темновой ток ФД 23; SI 2 и I s 2 – токовая чувствительность и темновой
ток ФД 29; Ф x1 и Ф x 2 – потоки оптического излучения, поступающие
на входы ФД 23 и 29, соответственно; k1  1 .
Если мощности потоков Ф x1 и Ф x 2 устанавливаются такими, что
выполняются неравенства {SI 1}{Ф x1}/{I s1} 1 и {SI 2 }{Ф x 2 }/{I s 2 } 1 ,
то ФП ФД 23 и 29 могут быть представлены в следующем виде:
U1 

kTx  S I 1
ln 
Ф x1  ,
q
I
 s1

U2 

kTx  S I 2
ln 
Фx2  .
q
I
 s2

В первом режиме работы на вход СД 31 ток питания не подаётся.
На вход СД 30 через электрический разъём 24 подаётся первый нормированный по значению ток I н1 . Причём значение тока I н1 устанавливается таким, чтобы исключить дополнительный нагрев p-n-перехода
СД 30 относительно текущей температуры окружающей среды Tx .
В результате протекания тока I н1 через p-n-переход СД 30 последний
генерирует поток оптического излучения
Ф1  Ф н1 exp (Tx  T0 ) / Tхр  ,
где Ф н1 – первый нормированный по значению мощности поток
оптического излучения, генерируемый СД 30 при нормальной температуре окружающей среды T0  298 K .
Указанный поток через линзу 28 поступает на две зеркальные грани прямоугольной призмы 22, отражается от них и разделяется на два
равные по мощности потока оптического излучения Ф11 и Ф12 .
Отражённый от первой зеркальной грани прямоугольной призмы 22 поток оптического излучения Ф11 , через составную призму 21 поступает на
вход ФД 23. В результате на выходе последнего образуется напряжение
U11 
S Ф
 T T
 kT
kTx  S I 1
ln 
Ф11   x ln  I 1 н1 exp  x 0
 T
q
q
 I s1 k2
 I s1

 хр
196

  .
 
(5)
В свою очередь, поток оптического излучения Ф12 , отражённый от
второй зеркальной грани прямоугольной призмы 22, через составную
призму 27 поступает на вход ФД 29. В результате на выходе последнего образуется напряжение
U12 
S Ф
 T T
 kT
kTx  S I 2
ln 
Ф12   x ln  I 2 н1 exp  x 0
 T
q
q
 I s 2 k2
 Is2

 хр

  .
 
(6)
Далее напряжения U11 (5) и U12 (6) измеряются, а полученные значения запоминаются. Полученные в данном режиме работы напряжения
U11 (5) и U12 (6) несут информацию о: 1) первом нормированном по значению мощности потоке оптического излучения Ф н1 ; 2) температуре
окружающей среды Tx ; 3) параметрах S I 1 , SI 2 , I s1 и I s 2 ФП ФД 23 и 29.
Во втором режиме работы на вход СД 31 ток питания также не
подаётся. Через электрический разъём 24 на вход СД 30 подаётся второй нормированный по значению ток I н2 . Значение тока I н2 устанавливается большим, чем значение тока I н1 , но таким, которое исключает дополнительный нагрев p-n-перехода СД 30 относительно текущей температуры окружающей среды Tx .
Вследствие протекания тока I н2 через p-n-переход СД 30 последний генерирует поток оптического излучения
Ф 2  Ф н2 exp (Tx  T0 ) / Tхр  ,
где Ф н2 – второй нормированный по значению мощности поток
оптического излучения, генерируемый СД 30 при нормальной температуре.
Аналогично первому режиму работы, поток оптического излучения Ф 2 через линзу 28 поступает на прямоугольную призму 22 и с её помощью разделяется на два равные по мощности потока оптического излучения Ф 21 и Ф 22 . Отражённый от первой зеркальной грани прямоугольной призмы 22 поток оптического излучения Ф 21 через составную призму 21 поступает на вход ФД 23 и преобразуется в напряжение
U 21 
S Ф
 T T
 kT
kTx  S I 1
ln 
Ф 21   x ln  I 1 н2 exp  x 0
 T
q
q
 I s1 k2
 I s1

 хр
197

  .
 
(7)
В тоже время поток оптического излучения Ф 22 , отражённый от
второй зеркальной грани прямоугольной призмы 22, через составную
призму 27 поступает на вход ФД 29 и преобразуется в напряжение
U 22 
S Ф
 T T
 kT
kTx  S I 2
ln 
Ф 22   x ln  I 2 н2 exp  x 0
 T
q
q
 I s 2 k2
 Is2

 хр

  .
 
(8)
Напряжения U 21 (7) и U 22 (8) измеряются, а полученные значения
запоминаются. В отличие от напряжений U11 (5) и U12 (6), полученных
в первом режиме работы, напряжения U 21 (7) и U 22 (8) несут информацию о: 1) втором нормированном по значению мощности потоке
оптического излучения Ф н2 ; 2) температуре окружающей среды Tx ;
3) параметрах S I 1 , SI 2 , I s1 и I s 2 ФП ФД 23 и 29.
В третьем режиме работы, как и в двух предыдущих режимах,
на вход СД 31 ток питания не подаётся. На вход СД 30 через электрический разъём 24 подаётся третий нормированный по значению ток I н3 .
Значение тока I н3 устанавливается таким, чтобы, с одной стороны,
обеспечить нагрев p-n-перехода СД 30 на нормированный по значению
прирост температуры T0 , а с другой – обеспечить генерацию потока
оптического излучения
Ф3  Ф н3 exp (Tx  T0  T0 ) / Tхр  ,
где Ф н3 – третий нормированный по значению мощности поток оптического излучения, генерируемый СД 30 при нормальной температуре.
Аналогично предыдущим двум режимам работы, поток оптического излучения Ф 3 через линзу 28 поступает на две зеркальные грани
прямоугольной призмы 22 и разделяется на два равные по мощности
потока оптического излучения Ф 31 и Ф32 .
Отражённый от первой зеркальной грани прямоугольной призмы 22
поток оптического излучения Ф 31 через составную призму 21 поступает на вход ФД 23. На выходе последнего образуется напряжение
U 31 
S Ф
 T  T  T0
 kT
kTx  S I 1
ln 
Ф31   x ln  I 1 н3 exp  x 0

q
q
Tхр
 I s1 k2
 I s1



  .
 
(9)
Одновременно поток оптического излучения Ф32 , отражённый от
второй зеркальной грани прямоугольной призмы 22, через составную
198
призму 27 поступает на вход ФД 29. В результате на выходе последнего образуется напряжение
U 32 
S Ф
 T  T  T0
 kT
kTx  S I 2
ln 
Ф32   x ln  I 2 н3 exp  x 0

q
q
Tхр
 I s 2 k2
 Is2



  .
 
(10)
Напряжения U 31 (9) и U 32 (10) измеряются, а полученные значения
запоминаются. По сравнению с напряжениями, полученными в двух
предыдущих режимах работы, напряжения U 31 (9) и U 32 (10) несут
информацию о: 1) третьем нормированном по значению мощности потоке
оптического излучения Ф н3 ; 2) нормированном по значению приросте
T0 температуры p-n-перехода СД 30; 3) температуре окружающей среды Tx ; 4) параметрах S I 1 , SI 2 , I s1 и I s 2 ФП ФД 23 и 29.
В четвёртом режиме работы ток питания не подаётся на вход
СД 30. В то же время на вход СД 31 через электрический разъём 24
подаётся четвёртый нормированный по значению ток I н4 . Значение
тока I н4 устанавливается таким, чтобы, с одной стороны, обеспечить
нагрев p-n-перехода СД 31 на нормированный по значению прирост
температуры T0 , а с другой – обеспечить генерацию потока оптического излучения
Ф 0  Ф н0 exp (Tx  T0  T0 ) / Tхр  ,
где Ф н0 – нормированный по значению мощности поток оптического
излучения, генерируемый СД 31 при нормальной температуре.
Поток оптического излучения Ф 0 через передающий ВС 6 и ВОК 2
поступает на зеркальную поверхность мембраны 12. Поток оптического
излучения Фм , отражённый от зеркальной поверхности мембраны 12,
падает на плоскость, в которой расположены торцы приёмных ВС 4 и 5.
Одна часть потока оптического излучения Ф м1 принимается торцами
ВС 4 и по ВОК 2 через линзу 20 и составную призму 21 поступает на вход
ФД 23. Поток оптического излучения Ф м1 преобразуется в напряжение
U 41 
 T  T  T0
kTx  S I 1
ln  Ф м1 exp  x 0

q
Tхр
 I s1


  .
 
(11)
Другая часть потока оптического излучения Фм2 принимается торцами
ВС 5 и по ВОК 2 через линзу 25 и составную призму 27 поступает на вход
ФД 29. Поток оптического излучения Фм2 преобразуется в напряжение
199
U 42 
 T  T  T0
kTx  S I 2
ln 
Ф м2 exp  x 0

q
Tхр

 I s 2

  .
 
(12)
Напряжения U 41 (11) и U 42 (12) измеряются. Полученные значения
запоминаются. В отличие от напряжений, полученных в трёх предыдущих режимах работы, напряжения U 41 (11) и U 42 (12) содержат информацию о: 1) модулированных потоках оптического излучения Ф м1 и
Фм2 ; 2) нормированном по значению приросте T0 температуры p-nперехода СД 31; 3) температуре окружающей среды Tx ; 4) параметрах
S I 1 , SI 2 , I s1 и I s 2 ФП ФД 23 и 29.
Если с помощью предложенного информативно-избыточного
ВОСД реализовать все четыре режима работы, то действительное значение давления px можно определить согласно уравнению измерения
px 
Ф н3
k2 Sпр
k1
U  U 41  Ф н2  
exp  31
ln 

 U 21  U11  Ф н1  

k1
U  U 42  Ф н2  
exp  32
ln 

 U 22  U12  Ф н1  
 p0 .
(13)
Установлено, что при обработке результатов промежуточных измерений (5)–(12) по уравнению измерения (13) обеспечивается автоматическая коррекция следующих составляющих систематической погрешности результата измерений давления: 1) погрешности от нелинейности ФП ВОПД 1 и ФП ФД 23 и 29; 2) погрешности, обусловленной
технологическим разбросом параметров ФД 23 и 29; 3) погрешности,
обусловленной температурной нестабильностью параметров ФД 23 и 29;
4) погрешности, обусловленной температурной нестабильностью ампер-ваттных характеристик СД 30 и 31.
200
Выводы
Разработана конструкция ВОСД, которая обеспечивает получение:
а) линейной разностной ФП ВОПД; б) информативной избыточности
(дополнительной информации о параметрах СД и ФД, а также о температуре окружающей среды).
Установлено, что при обработке результатов промежуточных измерений согласно с предложенным уравнением измерения обеспечивается автоматическая коррекция указанных выше составляющих
систематической погрешности результата измерений давления.
Особенностью применения информативно-избыточного ВОСД является необходимость обеспечения временной стабильности параметров СД и высокоточного определения крутизны преобразования давления в мощность потока оптического излучения. Дальнейшие исследования будут направлены на решение этих задач.
Литература
1. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т. И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. – М.: МГУЛ, 2004. – 246 с.
2. Lowson C.M., Tekippe V.J. Fiber-optic diaphragm-curvature pressure
transducer // Optics Letters. 1983. Vol. 8, № 5. P. 286-288.
3. Cuomo F.W. A fiber optic sensor sensitive to normal pressure and
shear stress // Optical testing and metrology: Proceedings of SPIE, 3-6 June
1986. – Quebec City, 1986. Vol. 661. – P. 234-239.
4. Кондратов В.Т., Редько В.В. Цифровой измеритель давления с
управляемым волоконно-оптическим сенсором // В сб. докл. межд.
науч.-техн. конф. „Метрологическое обеспечение измерительных систем”. – Пенза, 2005. – С. 213–230.
5. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – М.: Машиностроение, 1981. – 329 с.
6. Соболева Н.А., Меламид А.Е. Фотоэлектронные приборы. Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1974. – 376 с.
Авторы
Кондратов Владислав Тимофеевич – ведущий научный сотрудник Института кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, д.т.н.
Тел.: +38 (044) 526-24-69, +38 (044) 452-95-37. E-mail: vladikon@voliacable.com
Редько Виталий Владимирович – младший научный сотрудник Научноисследовательского центра прикладной информатики НАН Украины, магистр.
Тел.: +38 (044) 457-23-40. E-mail: blist2002@mail.ru
201
Бабаян З.А.
Разработка и исследование
качества оценки полированности плит на конвейере
С созданием блескомера стала возможной разработка автоматического конвейера для полировки плит на базе шлифовальнополировального станка, позволяющая выполнять процесс шлифовкиполировки плит в автоматизированном режиме и контролировать степень полированности с помощью блескомера БМ-3.
В комплект оборудования шлифовально-полировального конвейера
в условиях непрерывно-конвейерной обработки входят: транспортер
с приводом, шлифовальные и полировальные рабочие головки с линией сжатого воздуха и системой для очистки поверхности плит, а также
приемник накопитель готовой продукции. Для того, чтобы получить
заданную шероховатость поверхности, размер зёрен в инструменте на
каждом последовательном этапе шлифования должен уменьшаться.
При шлифовании хрупких материалов происходит хрупкое скалывание их поверхностного слоя. Процесс гидроабразивной обработки заключается в направлении струи суспензии, состоящей из жидкости,
в частности воды и абразивных частиц на обрабатываемую поверхность. Эта струя обычно подвергается воздействию потока сжатого
воздуха, который увеличивает скорость истечения суспензии. Действие частиц абразива на обрабатываемую поверхность непродолжительно и имеет импульсный (ударный) характер. Кинетическая энергия
абразивных частиц достаточна для отделения от обрабатываемой поверхности небольших частиц. Скорость частиц достигается более чем
100 м/с. Учитывая большое количество ударов абразивных частиц
в единицу времени (2 – 25)106 м/с, происходит интенсивный съём
поверхности камня. Гидроабразивная обработка в 10-12 раз производительнее пескоструйной и дешевле её, разрушение абразивных частиц в процессе обработки в десятки раз медленнее, чем при воздушной разгонке частиц абразива. При бесконтактной гидроабразивной
обработке жидкость является средой, связывающей абразивные зерна
карбид кремния, твердость которого равна 9 и превышает твердость
кварца, который является самым твердым минералом, входящим в состав гранита. В случае мрамора можно применять электрокорунды.
Для повышения качества поверхности вязкости применяемых жидкостей, особенно при обработке поделочных камней (оникс, обсидиан,
другие самоцветы) можно применять разные эмульсии, масла. В качестве полируемых порошков можно применять как окись хрома, так и
полириты, окись олова, диоксид олова и т.д.
Исследованы и рекомендованы оптимальные значения основных
технологических параметров полировки мраморов окисью хрома на
202
войлочных полировальниках (d = 250-300 мм), обеспечивающие максимальную скорость процесса. Относительная полирующая способность порошков для мрамора, в отличие от стекла, составляет окись
хрома-1, крокус-1, окись алюминия-0,88, полирит-0,8, окись олова0,73, щавелевая кислота - 0,48, концентрация полирующей суспензии
(К: Г= 3) и ее расход (3,5 мл/мин), удельное давление полировальника
(100 г/см2), угловая скорость (200-300 об/мин), и скорость поступательного движения полировальника (4,0 м/мин), с применением нового
автоматизированного полировального устройства.
К основным технологическим параметрам, определяющим интенсивность бесконтактной обработки относятся: давление сжатого воздуха, угол отсеки струи, длина струи, зернистость абразива, концентрация абразива в жидкости, время обработки. Давление воздуха
до 0,7 МПа вполне обеспечивает разгонку абразивных частиц в суспензии (свыше 70 м/с), образованию кинетической энергии зерен и
частиц, которая достаточна как отделения от обрабатываемой поверхности небольших частиц, так и образованию полированной поверхности. Угол атаки струи обеспечивает как максимальную производительность, так и чистоту поверхности. Для природных камней оптимальным пределом является 45-70.
При гидроабразивной обработке жидкость уменьшает теплообразование при ударе, смягчает ударное действие зёрен, оказывает моющее
и разрушающее действие. Срок службы сопел при гидроабразивной
обработке в 5 раз выше, чем при пескоструйной. По схеме гидроабразивной обработки природного камня абразивная суспензия с помощью
насоса под давлением 0,2 МПа подаётся к монитору, где этот поток
ускоряется, под действием воздуха из системы с возможностью регулирования давления от 0 до 0,7 МПа. Обработанная суспензия через
сливной трубопровод возвращается в бак.
В таблице представлена классификация месторождений облицовочных камней по необходимому времени полировки (в стандартных
условиях) до предельного блеска. Как видно из таблицы, быстрее полируются полнокристаллические типичные мрамора (I группы), затем
следуют мраморизованные известняки и граниты (II группы), далее
базальты и некоторые граниты (III группы).
Автоматизированный контроль полированности поверхности плит
на конвейере целесообразно производить бесконтактным способом.
Это позволит не останавливать конвейер при полировании для производства контрольных измерений. Средством измерений в данном случае может служить блескомер БМ-3с гониофотометрическими датчиками, специально приспособленный для этой цели. Такой блескомер
позволит определить степень полированности поверхности по отражению рассеянного света. Над транспортером должны быть установлены
203
Таблица
№
Месторождение
Категория
полируемости
Отличная
I
Отличная
I
Отличная
I
Хорошая
II
Хорошая
II
Хорошая
II
Полируемость,
предельный блеск
в от.ед.
к эталону
170-200
в % от
эталона
№ месторождения
85-100
Изверженные
породы
-
Осадочные
породы
Мрамор
170-200
85-100
-
Мрамор
170-200
85-100
-
140-170
75-85
монцонит
Ониксов.
мрамор
-
140-170
75-85
140-170
75-85
нефелин.
сиснит
-
1
Агверанск
2
Маймехов.
3
Агамзалин.
4
Памбакское
5
Теж-Сарское
6
Иджеванск.
7
Хорвирап.
Хорошая
II
140-170
75-85
-
8
Вединское
140-170
75-85
-
9
Куйбишев.
Хорошая
II
Среднее
III
70-140
35-70
-
10
Норкское
70-140
35-70
базальт
11
Паракарск.
70-140
35-70
базальт
-
12
Саратовск.
Среднее
III
Среднее
III
Среднее
III
Мрамориз. известняк
Мрамориз. известняк
Травертин
мрамор.
конгломерат
-
70-140
35-70
Андезитобазальт
-
13
Шоржинск.
70-140
35-70
перидотит
-
14
Гарнииское
70-140
35-70
базальт
-
15
Гюмушское
Среднее
III
Среднее
III
Среднее
III
70-140
35-70
липарит
-
-
оптические датчики этого блескомера. Схема расположения оптических датчиков блескомера над транспортером “шахматная”, что позволяет полностью перекрыть максимальную ширину заготовки, обраба204
тываемой на конвейерной станке. После шлифовки и полировки очищенная лицевая поверхность плиты проходит под световыми окнами
оптических датчиком блескомера, управляющий сигнал от которого
проходит через усилитель, систему импульсного управления и тиристорный усилитель, поступает на регулируемый привод транспортера
для изменения скорости движения транспортера в зависимости от качества полированной поверхности плит, полученного при помощи
блескомера. Происходит это следующим образом. Сигнал от блескомера поступает на усилитель, пороговое устройство и реле времени,
которое подготавливает цепь и включает толкатель брака. Это происходит в то время, когда поступает сигнал датчик скорости через блок
управления, в результате чего срабатывает магнит с толкателем. После
передвижения бракованной плиты на дополнительный параллельный
транспортер толкатель брака отключается. Таким образом, плита поступает на дополнительную полировку. Характерной особенностью
описанного оборудования является то, что при обработке на нем автоматически регулируется качество лицевой поверхности плит. При этом
забракованное изделие на месте может быть переработано в качественное. Т.е. создается бездефектная технология полирования готовых плит (рис. 1).
Рис.1 Принципиальная блок схема автоматизированного конвейера
для полировки облицовочных плит
Можно найти зависимость между скоростью подачи плиты v на полированном конвейере длиной обрабатываемой плиты и временем полирования , т.е. v = f1 (l, ). При этом время полирования зависит от
205
зернистости абразивного круга А и числа оборотов n , т.е.  = f2 (А, n).
В общем виде можно записать
v = f (l,  (А, n).
Нетрудно убедится, что скорость v прямо пропорциональна l, и обратно пропорциональна времени полировки. В свою очередь,  обратно пропорциональна А и n при постоянном давлении полировального
круга. В строгом теоретическом решении для нахождения зависимости
 от зернистости и числа оборотов диска n нет необходимости, так как
зернистость каждого диска и рыхлость плит из разных пород камня
будут несколько отличными.
Для каждой породы камня будет свое время полирования, при этом
можно учесть и различие в зернистости диска. Это означает, что в результате экспериментов целесообразно составить для каждой породы
камня график зависимости времени полирования от заданной зернистости диска. Имея также графики, скорость подачи конвейера легко
найти пo формуле
v  l/
где l – длина плиты, м;  – время полирования до минимального
допускаемого блеска, выбранное из графика, мин; v – скорость подачи
конвейера, м/мин.
Так, при длине полируемой плиты l =1 м и  = 12 мин (из графика)
v = 1/12 =0,08 м/мин.
Представим несколько графиков в зависимости времени полировки
от числа оборотов и давлении полировального круга при одной и той
же зернистости круга (рис. 2).
Анализируя характер кривых на рис. 2, видим, что при n = 200
об/мин повышение давления не дает существенного эффекта в сокращении времени полировки, как это имеет место при более низких оборотах. Как видно из рис. 2, при P=200 г/см2 и n = 25 об/мин время достижения максимального блеска равно 12 мин. С увеличением числа
оборотов до 100 об/мин, т.е. в 4 раза время  увеличивается в 3 раза .
Таким образом, такие графики, построенные на основании экспериментальных данных, дают возможность выбрать необходимый режим
полировки. Для производственных станков можно рекомендовать максимальное число оборотов при полировке не более 200 об/мин при
диаметре полировальника d = 200-300 мм и давлении не более
200 г/см2.
Самыми важными узлами полировального конвейера являются
устройство для полирования и блескомер, размещающийся с небольшим зазором над поверхностью контролируемой плитки, не контактирующий с ней. От качества работы этой модели блескомера зависит
206
качество оценки полированности плит на конвейере. Необходимо
знать реальные погрешности блескомера в динамическом режиме.
, мин
40
Продолжительность полировки
до предельного блеска
P=100 г/см2
32
150 г/см2
24
16
8
200 г/см2
0
0
50
100
150
200
n , об/мин
Рис. 2. Влияние числа оборотов диска полировального станка
на продолжительность полировки мрамора до предельного блеска
при различных давлениях и одной и той же зернистости диска
Резюмируя скорость движения блескомера по направляющим и
скорость подачи плиты, можно получить растянутую или сжатую траекторию движения, т.е. любую траекторию в зависимости от потребности производства и от технологии. При прохождении плиты блескомер выполняет непрерывное измерение. Результаты измерений передаются в компьютер, с помощью которого находится среднее арифметическое значение из 9 результатов. По горизонтали целесообразно
устанавливать 3 блескомера, т.е. один для верхней грани плиты, второй для середины и третий для нижней грани.
Автор
Бабаян Зиза Асатуровна, НПП ЗАО “Камень и силикаты”, заведующий лабораторией Стандартов и Метрологии, к.т.н.
Армения, Ереван, ул. Ачаряна 40а
Тел: +374 10 61 45 40 Факс: + 374 10 587382
E-mail: arm1@netsys.am
207
Ишков А.С.
Методика выбора точек
при определении петли гистерезиса
в системах измерений магнитных параметров стали
Электротехническая сталь является основным материалом для производства
магнитопровода
вакуумных
коммутирующих
устройств (ВКУ), которые широко используются в радиотехнических
объектах в качестве коммутирующих элементов. Эксплуатационные и
технические характеристики ВКУ в значительной степени определяются магнитными свойствами электротехнической стали. В связи с
этим, необходимым условием поддержания их технических характеристик на уровне лучших мировых образцов является повышение уровня
метрологического обеспечения производства. Наиболее полную информацию о магнитных свойствах стали можно получить на основе
анализа статической предельной петли магнитного гистерезиса, построенной в координатах “Н – Напряженность магнитного поля” (ось
абсцисс) и “ В – Магнитная индукция” (ось ординат). Функция В(Н)
является нелинейной, и её вид известен лишь приближенно, так как
функцией одного вида невозможно описать функциональную зависимость между входной и выходной величиной для всех марок электротехнической стали с учетом их магнитных свойств и физикохимических особенностей. Для определения петли гистерезиса, как
правило, используют средства автоматизации – измерительные системы. Взаимосвязь между измеряемой величиной и цифровым значением
выходного напряжения устанавливается на основе измерений в ограниченном числе точек и соответствующей математической обработки
полученных табличных данных.
Для нахождения функции В(Н) можно использовать различные методы интерполирования или аппроксимации функций. Методы интерполяции чаще всего предполагают использование интерполяционных
многочленов, представляемых в формах Лагранжа или Ньютона [1].
Другим подходом является сплайн-интерполяция функции [2]. Для
аппроксимации функции В(Н) наиболее часто используется метод
наименьших квадратов (МНК) [1], при котором данные аппроксимируются функцией, применимой во всем диапазоне табличных данных,
но необязательно проходящей через все точки. На этом этапе возникает проблема получения аналитического выражения, описывающего
вид аппроксимирующей линии для каждой марки электротехнической
стали. Для решения данной задачи предлагается воспользоваться методикой построения градуировочной характеристики, которая реко-
208
мендуется нормативными документами [3] на основе полиномиальной
аппроксимации.
Функциональную зависимость магнитной индукции от напряженности поля можно описать алгебраическим полиномом степени k.
В этом случае согласно [3] рекомендуется перейти к разложению по
ортогональным полиномам Чебышева, который обеспечивает наилучшее приближение на конечном интервале:
k
Y
 b P X  ,
j
j
j 0
где Y – выходная величина (магнитная индукция), Х – входная величина (напряженность поля), Рj – полином степени j, ортогональныq
относительно Хi, bj – коэффициенты.
По предельной петле гистерезиса конкретной марки электротехнической стали, определенной экспериментально, строится градуировочная характеристика полиномиального вида. Для электротехнической
стали характерна симметричная петля гистерезиса [2]. В этом случае
целесообразно петлю гистерезиса представить в виде двух симметричных частей: 1) (+Нs … 0 … – Нs); 2) (–Нs … 0 ... + Нs) и отдельно для
каждой из них построить градуировочную характеристику.
Как известно [4], степень полинома определяется количеством экстремумов кривой. Чаще всего петля гистерезиса содержит два экстремума, для описания такой петли гистерезиса достаточно рассмотреть
полином третьей степени (k = 3) [4].
Вышеописанная методика была использована для обработки экспериментальных данных по исследованию магнитных свойств электротехнической стали марки 20895. В результате получена функциональная зависимость следующего вида:
1) на участке (+Нs … 0 ... – Нs):
В = – 0,2·10-8 Н 3 – 0,7·10-6 Н 2 + 0,0039 Н + 0,6647;
2) на участке (–Нs … 0 ... + Нs):
В = – 0,2 10-8 Н 3 + 0,7 10-6 Н 2 + 0,0039 Н – 0,6632.
При полиномиальной аппроксимации количество измеряемых точек, необходимых для построения В(Н), на единицу больше показателя
степени аппроксимирующего полинома [4]. Таким образом, для полинома третьего порядка необходимо минимум четыре измеряемые точки. Однако для повышения степени достоверности полученной аппроксимирующей линии и снижения погрешности аппроксимации целесообразно увеличить число измеряемых точек. В любом случае при
209
построении петли гистерезиса будут проявляться два эффекта: эффект
“слишком малого объема измеряемых точек” и эффект “слишком
большого объема измеряемых точек”. Малое количество измеряемых
точек приводит к получению недостоверных результатов, а слишком
большое – к усложнению расчетов и неоправданным временным и аппаратурным затратам. Снижение трудоемкости измерений может быть
достигнуто за счет выбора такого количества точек измерений, которое будет достаточно для определения параметров петли гистерезиса.
Для этой цели предлагается способ поиска количества точек исходя
из заданных требований к погрешностям определения параметров петли гистерезиса.
Решение поставленной задачи включает в себя:
– анализ формы конкретной петли гистерезиса и выделение на ней
нескольких поддиапазонов;
– определения числа измеряемых точек в каждом поддиапазоне.
При дискретном изменении напряженности поля наблюдается изменение крутизны получаемой зависимости В(Н), а, следовательно,
изменяется влияние погрешности задания напряженности поля на погрешность измерений магнитной индукции εВ. Поэтому для определения достаточного числа точек измерений необходимо проводить исследование формы петли гистерезиса на различных её участках. Для
иллюстрации на рис. 1 приведена половина петли гистерезиса электротехнической стали марки 20895 на участке (+Нs … 0 ... – Нs).
Здесь: ∆Н – предел допускаемой абсолютной погрешности задания
напряженности поля, εВ1 и εВ2 – погрешности измерений магнитной
индукции, вызванные погрешностью задания напряженности поля ∆Н.
В соответствии с рис. 1, одинаковым приращениям напряженностей магнитного поля в различных точках диапазона соответствуют
различные приращения магнитной индукции.
На начальном этапе анализа петли гистерезиса определяется наличие точек перегиба. Для этого находятся все значения функции
В = f(Нi), для которых вторая производная f H i  равна нулю или не
существует. При переходе через эти точки функция f H i  будет менять знак.
Далее в каждом диапазоне (+Нs … 0 ... – Нs) и (–Нs … 0 ... + Нs)
определяется количество точек, в которых функция f H i  меняет
свой знак. Данное число показывает количество поддиапазонов, на
которые следует разбить петлю гистерезиса.
210
В
С
A
εВ 2
l
В
εВ1
Н
Н
Н
Рис. 1. Влияние погрешности задания напряженности поля
на погрешность измерений магнитной индукции
Для определения количества измеряемых точек предлагается использовать метод, основанный на получении устойчивых оценок
Вальда или Бартлетта. Согласно [3], для получения устойчивых оценок
Вальда или Бартлетта весь выбранный подддиапазон напряженностей
разбивают на 2 или 3 равных интервала (в порядке возрастания Нi) и
далее находят медианы значений Нi ( H i ) в каждом интервале. Затем
каждый интервал еще раз делится на 2 или 3 отрезка, и определяются
медианы значений ( H i ).
Процедура повторяется до тех пор, пока согласно заданному критерию не будет принято решение об окончании эксперимента.
Поскольку в ходе измерений петли гистерезиса определяются разноименные величины Н и В, то согласно [3], такие измерения можно
отнести к совместным, для которых рассматривают системы так называемых условных уравнений [5].
Исходя из погрешности задания напряженности поля и погрешности измерения магнитной индукции, определим достаточное количество точек для построения петли гистерезиса на основе принципа Лежандра – с точки зрения минимизации суммы квадратов невязок qi [5]:
Вi (Н1, … Нi, Н1 … Нi) – Вi+1(Н1, … Нi+1, Н1 … Нi+1) = qi,
211
где – Вi (Н1, … Нi, Н1 … Нi) – относительная погрешность измерений значения В в диапазоне Н1…Нi; Вi+1(Н1, … Нi+1, Н1 … Нi+1) –
относительная погрешность измерений значения В в диапазоне
Н1…Нi+1; i = 1…n.
Найдем В1 … Вi из условия
n
Q
q
2
i
 min .
i 1
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы
 Q
 B  0
 1
...
 Q  0
 B
 i
Поскольку Вi носит случайный характер, отклонение Вi от среднего  может характеризоваться как дисперсия погрешности Вi (Di).
Bi
Используя абсолютные погрешности εВi можно записать
n
Di 

  Вi   Вi
i 1
n 1

2
.
Для определения достаточного количества точек измерений воспользуемся критерием Фишера [4]. Данный критерий позволяет сравнить две оценки дисперсии погрешностей измерений Di и Di-1, полученных при различном количестве измеряемых точек на i-м и (i–1)-м
шаге. Согласно [4], критерий Фишера F вычисляется по формуле:
Di2 .
Di21
Если вычисленные значения критерия F больше критического для
заданного уровня значимости, определенного по таблице, то различие
между εВi и εВi-1 можно считать несущественным, и измерения прекращают. Если значение F меньше критического, то целесообразно проведение дополнительных измерений.
Используя предложенную методику определения частоты измерений для уровня значимости p = 0,05 для определения петли гистерезиса электротехнической стали марки 20895 было достаточно провести
измерения в 25 точках.
F
212
Литература
1. Исмаилов Ш.Ю. Электрические измерения: Учеб. пособие. –
СПб, 2000. – 290 с.
2. Смирнов В.И. Методы и средства функциональной диагностики
и контроля диагностических процессов на основе электромагнитных
датчиков / Ульяновский государственный технический университет. –
Ульяновск: УлГТУ, 2001. – 190 с.
3. МИ 2175-91. “ГСИ. Градуировочные характеристики средств измерений. Методы построения, оценивание погрешностей”.
4. Никольский С.М. Курс математического анализа. Т.2 – М.:
Наука, 1983. – 464 с.
5. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. – Л.: Энергия, 1978. –
262 с.
Автор
Ишков Антон Сергеевич – аспирант кафедры “Информационно-измерительная техника” Пензенского государственного университета (ПензГУ), инженер-метролог ФГУП “НИИ электронно-механических приборов” (ФГУП
НИИЭМП), г. Пенза
Россия, 440035, г. Пенза, ул. Ленинградская, 3, кв. 11
Тел. (8412) 54-36-38, E-mail: ishkov@sura.ru
213
Ишков А.С.
Вопросы метрологического обеспечения
вакуумной термообработки электротехнической стали
Вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ), в частности, высокочастотные выключатели и переключатели, широко используются в
мощных (напряжение до 5 кВ, ток 12 А) и высокочастотных (1,5 – 80
МГц) радиотехнических системах.
Одним из важнейших узлов ВКУ является его магнитная система,
параметры которой практически полностью определяются характеристиками магнитопровода, изготавливаемого из электротехнической
стали. Магнитные свойства электротехнической стали определяются
её составом, структурой и магнитной текстурой [1]. Металлургическая
промышленность поставляет неотожженную сталь, у которой только
состав соответствует требованиям нормативной документации. Значения магнитных характеристик должны достигаться самим потребителем путем соответствующей вакуумной термообработки. Согласно
ГОСТ 11036-75 “Сталь сортовая нелегированная” вакуумная термообработка проходит по следующему режиму: отжиг без доступа воздуха
до температуры не выше 950 С (время отжига не более 3 ч), время
охлаждения до 600 С – не более 10 ч, далее на воздухе. Отжиг изменяет структуру стали (увеличивая размер зерен феррита), что приводит
к изменению магнитных свойств, в частности, к уменьшению коэрцитивной силы Нс до требуемых значений (65 А/м).
Практика показала, что термообработка заготовок из стали в стандартном режиме обеспечивает достижение заданного значения Нс
только у 50 % образцов, а среднее значение коэрцитивной силы составляет 80 А/м.
С целью увеличения выхода годных изделий проведены исследования по выявлению зависимости между параметрами отжига и коэрцитивной силой стали. В связи с этим в ФГУП “НИИЭМП” были разработаны информационно-измерительная система (ИИС) контроля температуры и измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) для исследования магнитных свойств электротехнической стали [2, 3].
Базовым элементом ИИС является микропроцессорный регулирующий термометр “МИРТ-1” с электронной памятью. Термометр в вариантах использования предназначен для работы с термоэлектрическими преобразователями типов ХА, ХК, ВР(А-1), ПП(S) и с термопреобразователем сопротивления 100П. “МИРТ-1” обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 200 до 1600 С (в зависимости от
типа датчика) с основной погрешностью, практически равной погреш214
ности первичного преобразователя (собственная погрешность вторичного преобразователя не более  1С).
“МИРТ-1” поддерживает температуру нагрева электропечи на
уровне заданного значения. Регулирование температуры осуществляется с помощью реле с гистерезисом, программируемым с дискретностью 1 С. Текущее значение температуры сохраняется 1 раз в минуту
во внутренней памяти прибора объемом 2 кБ (таким образом, сохраняется до 1000 значений температуры, что дает возможность регистрировать температурные режимы в течение 16 ч).
Обработка данных о ходе технологического процесса осуществляется на компьютере. Первичные данные в приборах, на носителях и в
программе имеют защиту от несанкционированного доступа, что дает
уверенность в достоверности данных. Имеется возможность создать
базу данных технологических операций, что позволит использовать
статистические методы управления качеством продукции. Интерфейс
пользователя автоматически формирует протокол выполнения технологической операции, который может быть распечатан.
Исследование магнитных свойств стали осуществляется путем построения статической предельной петли магнитного гистерезиса с помощью ИВК. ИВК реализует индукционно-импульсный метод, заключающийся в измерении приращений магнитного потока, вызванных
скачкообразными изменениями напряженности намагничивающего
поля.
С целью нахождения оптимального режима вакуумного отжига были измерены магнитные характеристики у 100 кольцевых образцов
электротехнической стали марки 20860 после их термической обработки. Каждому образцу соответствовал определённый режим термообработки, различающийся температурой отжига Тотж. и временем выдержки tвд. при температуре отжига. Магнитным параметром, характеризующим качество процесса термообработки, была выбрана коэрцитивная сила Нс.
В результате проведенных исследований были получены зависимости коэрцитивной силы от значений температуры отжига и от времени
выдержки при температуре отжига (рис. 1).
Как видно из рисунка, коэрцитивная сила увеличивается как при
уменьшении температуры отжига, так и при уменьшении времени выдержки при этой температуре.
В результате проведенных исследований был получен оптимальный режим отжига деталей ВКУ из электротехнической стали:
– температура отжига Тотж – 950 С;
– время выдержки tвд – 240 мин.
215
95,00
85,00
Нс, А/м 75,00
85,00-95,00
75,00-85,00
65,00-75,00
55,00-65,00
65,00
120,00
140,85
160,71
55,00
850
180,31
872
891
0
Тотж, С
200,78
908
924
tвд, мин
220,78
938
950
240,32
Рис. 1. Влияние параметров отжига
на значение коэрцитивной силы электротехнической стали
Литература
1. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 320 с.
2. Ишков А.С. Контроль магнитных параметров при изготовлении
высокочастотных вакуумных устройств / Ишков А.С., Чураков П.П. //
Контроль. Диагностика. – 2006, № 3. – С. 17 – 19.
3. Ишков А.С. Измерительно-вычислительный комплекс для исследования магнитных характеристик электротехнической стали / Ишков А.С., Литвинов Л.Н. // Датчики и системы, 2006, № 4. – С. 14 – 17.
Автор
Ишков Антон Сергеевич – аспирант кафедры “Информационно-измерительная техника” Пензенского государственного университета (ПензГУ), инженер-метролог ФГУП “НИИ электронно-механических приборов” (ФГУП
НИИЭМП), г. Пенза
Россия, 440035, г. Пенза, ул.Ленинградская д.3, кв. 11,
Тел. (841-2) 54-36-38 E-mail: ishkov@sura.ru
216
Бержинская М.В.
Методика определения требований
к точности средств измерений
при косвенных измерениях
Одной из возможных функций автоматизированных систем является определение обобщенных характеристик объекта по данным об отдельных параметрах этого объекта, т.е., по сути, осуществление косвенных измерений. Основные процедуры, выполняемые такой системой, можно представить в виде структуры, приведенной на рис. 1.
Источник
воздействия
(формирование
воздействия)
Z
z1
Объект
испытаний
Y 
y1
.
.
.
.
.
.
zm
(свойство х)
yn
Средства
измерения
реакции
(Прямые
измерения
параметров
реакции)
Y~

Средства
измерения
воздействия
~
Z
~z
1
~
y1
. . . ~yn
Приемник
информации
.
.
(Прямые
измерения
параметров
воздействия)
.
~
zm
(вычисление
оценки
свойства х)
X~ k 
Рис. 1. Структура измерительной системы
Воздействие на объект может характеризоваться несколькими параметрами – множеством {Z}={z1, z2, …, zm}. Например, синусоидальное напряжение характеризуется амплитудой, частотой и фазой. Параметры воздействия должны быть измерены, в результате чего получают оценки параметров ~
z1 , ~
z2 ,... ~
zm . Реакция также может характеризоваться несколькими параметрами – множеством {Y}={y1, y2, …, ym}.
Их оценки, полученные в результате прямых измерений, обозначим
~
y1 , ~
y2 ,... ~
yn .
217
Расчетную оценку ~x каждой обобщенной характеристики х объекта испытаний получают решением уравнения вида:
~
x  F ~
z ,~
z ,...~
z ,~
y ,~
y ,...~
y .
k
1
2
m
1
2
n
Если воздействие характеризуется одним параметром z, а реакция –
одним параметром y, то реакция есть некоторая функция f, описывающая свойство х (измеряемый параметр) испытуемого объекта:
y=f (x, z).
~
На выходе системы – множество обобщающих параметров X k ,
которое получается из другого множества, т.е. множества отдельных
параметров объекта.
Если косвенное измерение выполняется в идеальных условиях (методическая и субъективная погрешности отсутствуют, погрешность
вычислений пренебрежимо мала, отсутствуют взаимодействия измерительных приборов с объектом испытаний), то погрешность косвенного
измерения обусловлена погрешностями применяемых средств измерений (инструментальной погрешностью). Такие средства измерений
выбираются, исходя из формулы для погрешности косвенного измерения так, чтобы полученная в результате расчетов погрешность не превышала предельно допускаемой.
Так как искомый параметр является ~
xi сложной функцией отдельных параметров объекта, то пределы абсолютной и относительной погрешности измерений ~
xi находят по формулам:
 
n
 x  1 x1   2  x 2  ...   n  xn   xi ,
i 1
 x   x x   bi xi ,
n
i 1
где  i  x
xi
– модули частных производных функции x по аргу-
ментам xi, вычисленные для измеренных значений ~
xi аргументов;
bi=  i
xi
x
– весовые коэффициенты, вычисленные для измеренных
значений аргументов ~
xi и функции ~x .
Для определения требований к точности измерений отдельных параметров применяют метод равных влияний.
Поясним сказанное на примере измерений температурного коэффициента сопротивления (ТКС).
218
Погрешность измерения ТКС складывается из погрешностей измерения разности сопротивлений и соответствующей разности температур. По определению:
R2  R1
,
ТКС 
R1 ( 2  1 )
где R1 – сопротивление резистора при температуре 1; R2 – сопротивление резистора при температуре 2.
Предел абсолютной погрешности измерения ТКС будет равна:
ТКС
ТКС
ТКС
ТКС
ТКС 
R1 
R2 
1 
2 ,
R1
R2
1
2
где R1 и R2 – пределы абсолютной погрешности измерений сопротивления; 1 и  2 – пределы абсолютной погрешности измерений температуры.
Проведя некоторые преобразования, получим:
R2
 R1

R2 
R2

R2  R1
R
R2
  1 
.
 ТКС 
 1
 2
R1 ( 2  1 )  R1 ( R2  R1 )
( 2  1 ) 


Примем одинаковыми пределы относительной погрешности измеR1 R2
рений R1 и R2, т.е.

 R . Также примем одинаковыми преR1
R2
делы абсолютной погрешности измерений 1 и 2, т.е. 2  1  .
Тогда предел абсолютной погрешности измерения ТКС определится
выражением:
R2  R1  R2
2 
ТКС 
2R 
,

R1 (2  1 )  R2  R1
(2  1) 
а предел относительной погрешности:

R2
2
ТКС  ТКС 
2R 
.
ТКС R2  R1
 2  1
Для определения требований к точности измерений отдельно сопротивлений и температуры воспользуемся методом равных влияний.
Предположим, что необходимо обеспечить предел относительной погрешности измерений ТКС ТКС =4%. Тогда, используя метод равных
влияний [1], получим:
2
R2
 0,02 .
и
2R  0,02
2  1
R2  R1
219
Откуда
R2  R1
и   0,01(2  1 ).
R2
Измерение разности сопротивлений может осуществляться методом прямого измерения каждого из сопротивлений омметром высокой
точности, соответствующей рассчитанному пределу погрешности R.
Эта погрешность должна быть достаточно мала, что приводит к удорожанию испытаний, тем более, если ориентироваться на перспективу
расширения функций испытательной установки на резисторы более
высокой точности и температурной стабильности. В этом случае применяют метод измерений приращения путем двух измерений одним и
тем же прибором, обладающим высокой чувствительностью и стабильностью за время между измерениями. При этом погрешность прибора может быть больше рассчитанной [2].
Требования к режимам измерений сопротивлений (предельное
напряжение или мощность), а также диапазон изменений температуры
определяется нормативными документами на данный тип резисторов.
Литература
1. Шлыков Г.П. Функциональный и метрологический анализ при
проектировании средств измерений и контроля. / Учеб. пособие. –
Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1977.
2. Данилов А.А. Погрешность измерения методом неполного замещения. – Законодательная и прикладная метрология, 2000, №3. –
С. 32–35.
R  0,01
Автор
Бержинская Марина Викторовна – старший преподаватель кафедры “Метрология и системы качества” Пензенского государственного университета
Россия, 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40
Тел. (8412)36-82-33, E-mail: mqs@diamond.stup.ac.ru
220