 |
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ:
где заканчивается измерение?
 Аркадий Гуртовцев, к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БЕЛТЭИ»,
член-корреспондент Академии метрологии «Белая Русь», г. Минск
Современные измерительные системы (ИС), используемые в электроэнергетике, в
частности цифровые АСКУЭ, содержат множество различных технических средств
измерений (СИ). Соответственно они подлежат государственной регистрации и метрологическому контролю. Между тем сам процесс измерения занимает в таких системах
лишь незначительную часть.
Насколько целесообразно распространять метрологические требования на все элементы ИС и систему в целом? Где заканчивается в ИС измерение и начинаются процессы
неизмерительного характера, не требующие метрологического контроля?
Наш постоянный автор из Беларуси Аркадий Лазаревич Гуртовцев считает, что законодательной и прикладной метрологии еще предстоит дать ответы на эти острые вопросы с учетом
современных цифровых технологий. При этом он убежден, что проблему в первую очередь
должны решать российские метрологи, поскольку многие страны постсоветского пространства
принимают свои решения с оглядкой на Россию.
Статья носит постановочный, дискуссионный характер, и мы приглашаем к разговору
метрологов, производителей средств учета электроэнергии и специалистов, занимающихся
эксплуатацией ИС.
НОРМАТИВНАЯ БАЗА
Общее понятие ИС определяется в межгосударственных рекомендациях РМГ 29-99 [1] как «совокупность функционально
объединенных мер, измерительных приборов, измерительных
преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п., с целью
измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов
в разных целях». В примечаниях к определению отмечается, что
в зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные
информационные (ИИС), измерительные контролирующие (ИКС),
измерительные управляющие (ИУС) и др. Заметим, что основной
целью этих систем является «измерение» и «выработка измерительных сигналов».
Документом, регламентирующим основные положения метрологического обеспечения ИС, является российский ГОСТ Р 8.596-2002
[2]. Этот стандарт распространяется на ИС двух видов:
1) ИC-1 – системы, выпускаемые изготовителем как законченные
укомплектованные изделия с эксплуатационной документацией,
содержащей нормированные метрологические характеристики
измерительных каналов;
2) ИС-2 – системы, проектируемые для конкретных объектов из
компонентов разных ИС различных изготовителей с приемкой
системы в целом как законченного изделия непосредственно
на объекте эксплуатации, причем нормирование ее метрологических характеристик должно производиться в соответствии
с проектной документацией на систему и эксплуатационной
документацией на ее компоненты.
Данный стандарт дает более детальное определение ИС:
«ИС – совокупность измерительных, связующих, вычислительных
компонентов, образующих измерительные каналы (ИК), и вспомогательных устройств (компонентов измерительных систем),
функционирующих как единое целое, предназначенная для: получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных
преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризу-
ющих это состояние; машинной обработки результатов измерений;
регистрации и индикации результатов измерений и результатов их
машинной обработки; преобразования этих данных в выходные
сигналы системы в разных целях».
Таким образом, в ИС выделяются, во-первых, измерительные
и неизмерительные (связующие, вычислительные) компоненты,
входящие в ИК, и, во-вторых, две различные группы компонентов:
первые входят в ИК, а вторые, вспомогательные (например, блоки
питания), не входят в ИК, хотя и образуют совместно с первыми
«единое целое».
Сам измерительный канал ИС определяется в документе как
«конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины
до получения результата ее измерений, выражаемого числом или
соответствующим кодом, или до получения аналогового сигнала,
один из параметров которого – функция измеряемой величины».
В примечаниях указывается, что «ИК каналы могут быть простыми
и сложными. В простом ИК реализуется прямой метод измерений путем последовательных измерительных преобразований.
Сложный ИК в первичной части представляет собой совокупность
нескольких простых ИК, сигналы с выхода которых используются
для получения результата косвенных, совокупных или совместных
измерений...».
Примечательно, что в данном определении ИК не делается различий между формой выражения результата измерений: числом,
кодом или сигналом. Но, как показано ниже, форма представления
результата измерений весьма существенна для метрологии ИС.
Кроме того, в данной трактовке, отличной от определения ИК в
РМГ 29-99: «Измерительная цепь (измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом) – совокупность элементов СИ, образующих непрерывный путь прохождения
измерительного сигнала одной физической величины от входа до
выхода», вводится дополнительно понятие сложного ИК, выполняющего групповую обработку сигналов с выходов простых ИК.
И еще отметим, что сложный ИК используется для получения
результатов не прямых, а косвенных, совокупных и совместных
измерений.
Из определений компонентов ИС (измерительного, связующего,
вычислительного, комплексного, вспомогательного), приведенных
в документе, следует, что практически все эти компоненты (за исключением вспомогательных) так или иначе участвуют в процессе
измерения, даже если они просто передают «информацию об измеряемой величине» или выполняют «вычисления результатов прямых,
косвенных, совместных или совокупных измерений по результатам
первичных измерительных преобразований в ИС».
Таким образом, практически все технические средства ИС, независимо от своего назначения, входят в состав простых или сложных
ИК и признаются СИ. Иными словами, ИС не содержит ничего иного,
кроме простых или сложных ИК и вспомогательных компонентов.
Каналы связи, модемы, кодеры и декодеры, коммутаторы, запоминающие устройства, базы данных, компьютеры – всё это считается
составной частью того или иного ИК.
Более того, стандарт устанавливает, что ИС в целом являются
разновидностью СИ и на них распространяются все общие требования к СИ [3, 4]. Метрологическое обеспечение ИС включает в
себя, в частности, следующие виды деятельности: нормирование
и расчет метрологических характеристик (МХ) ИК, испытания ИС
с целью утверждения типа, утверждение типа ИС и испытания на
соответствие утвержденному типу, сертификация ИС, поверка и
калибровка ИС. Нормирование МХ всех компонентов ИС порождает
с неизбежностью все остальные высокозатратные виды метрологической деятельности: испытания, поверку, калибровку, утверждение
типа (или аттестацию), сертификацию.
В последние годы в российской метрологии для электроэнергетики разработаны десятки новых метрологических документов,
касающихся ИС и их разновидностей (ИИС, АСКУЭ, АИИС КУЭ), но
все они исповедуют тот же подход: «ИС=СИ». Проверим обоснованность и всеобщность этой формулы.
НЕЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ИС
Все действующие метрологические российские документы в
области ИС и их подвидов неявно исходят в своих положениях из
технологии реализации нецифровых ИС, сформированной 30-40
лет назад и основанной на глобальной обработке измерительной
информации в виде унифицированных аналоговых и дискретных
сигналов. Даже в новые документы последних лет некритически,
без учета достижений современных информационных цифровых
технологий перенесены явно устаревшие представления и положения метрологии 70-80-х годов прошлого столетия.
Что же характерно для постепенно уходящих в прошлое нецифровых ИС? Четкое представление об этом дано, например, в
метрологических документах [5 6], в которых приведены типовые
структурные схемы ИС, содержащие датчики с аналоговым или
дискретным выходом, одноканальные и многоканальные измерительные преобразователи, коммутаторы, аналого-цифровые
преобразователи (АЦП) и цифровой вычислительный компонент
(ЦВК) на выходе ИС. Из схем следует, что большая часть системы
осуществляет аналоговые преобразования измерительных сигналов
и только на ее выходе (на выходе АЦП) появляются промежуточные
значения физических величин, представленных в виде цифрового
кода. Получение числовых результатов измерений происходит
только в конечном компоненте ИС – в ЦВК в процессе приема им
в реальном времени кодов АЦП и их обработки.
В такой структуре ИС преобразования измерительной информации распределены пространственно между компонентами
системы, но жестко связаны во времени: информация на выходе
одного компонента должна в реальном времени и с минимальными задержками быть обработана следующим компонентом ИК.
Длительное хранение информации, представленной в аналоговом
или дискретном виде, невозможно. Такую структуру можно назвать
слабосвязанной в пространстве (компоненты конструктивно и
пространственно обособлены друг от друга), но сильносвязанной во времени (связь между функционирующими компонентами
нельзя прервать во времени). Для этих ИС все операции, производимые теми или иными компонентами, являются составной
частью процесса измерения и не могут быть из него вычленены.
Неправильная работа какого-либо компонента, даже такого, как
линия связи, автоматически приведет к ошибочному результату,
т.е. к метрологическому отказу.
В итоге, хотя ИС содержит пространственно, конструктивно и
функционально обособленные компоненты различного назначения, система в целом должна рассматриваться как единое СИ с
вытекающими из этого соответствующими метрологическими последствиями. Рассмотренные ИС по своей метрологической сути
идентичны первичному СИ, реализованному в виде законченного
технического изделия – измерительного прибора, преобразователя
или датчика. Внутри такого изделия могут выполняться различные
операции измерительного и неизмерительного назначения, но в
целом оно должно рассматриваться как СИ. Именно такой исторически сложившийся подход проводится в [2] и в других документах,
касающихся ИС.
Но совсем иная картина складывается в случае цифровых ИС,
типичным представителем которых являются цифровые АСКУЭ [7]
(отмечу, что в странах СНГ в эксплуатации находится еще очень
много АСКУЭ с числоимпульсной обработкой). В современных цифровых ИС и АСКУЭ используются новейшие технологии обработки
измерительной информации, представленной в виде рациональных
чисел известной точности. В частности, в рамках цифровой АСКУЭ процессы аналоговых измерений сосредотачиваются только на ее
нижнем уровне – уровне масштабных преобразователей (измерительных ТТ и ТН) и электронных электросчетчиков с длительно хранимой в них цифровой базой данных (ЦБД) и с внешним доступом
к ней через цифровые интерфейсы и каналы связи.
Все иные процессы за пределами этого уровня представляют
собой исключительно процессы неизмерительного назначения – передачи, хранения, обработки, анализа, отображения,
документирования и распространения цифровой информации
известной точности. Точность ее обработки на много порядков
может быть выше точности результатов измерений. Указанные
процессы не относятся к измерениям, а только используют их
результаты. Причем сами результаты могут быть «сняты» для
дальнейшего использования вне систем учета (например, для довычислений с помощью калькулятора) как с уровня метрологически
аттестованных счетчиков, так и с других уровней АСКУЭ, которые
фактически заменяют собой калькулятор, бухгалтера и конторские
книги. Почему же в первом случае (калькуляторных вычислений)
метрология «безмолвствует», а во втором случае (машинных расчетов) предъявляет права?
Принципы цифровых АСКУЭ широко внедряются сегодня и в
других цифровых ИС, использующих на нижнем уровне первичные
измерительные преобразователи с цифровым выходом и длительно хранимой ЦБД. В результате ИС становятся слабосвязанными
системами в пространстве и времени: доступ к ЦБД возможен в
любое время. Новые технологии построения цифровых ИС и АСКУЭ
требуют пересмотра и переосмысления целого ряда метрологических понятий, сформировавшихся в эпоху аналоговых измерений
и преобладающих до сих пор в действующих метрологических
документах.
ИЗМЕРЕНИЯ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Согласно [1], метрология определяется как «наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах
достижения требуемой точности». Именно поэтому ее ключевым
понятием является «измерение». РМГ 29-99 так определяет этот
термин: «Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу
физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения
(в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей
и получение значения этой величины».
Здесь речь идет, во-первых, о физической величине (ФВ);
во-вторых, о совокупности операций по применению особого
технического средства, хранящего единицу ФВ; в-третьих, о совокупности операций, обеспечивающих нахождение соотношения
измеряемой величины с ее единицей; в-четвертых, о получении
значения этой величины. Важно примечание к этому определению:
«Приведенное определение понятия «измерение» удовлетворяет
общему уравнению измерений, что имеет существенное значение в деле упорядочения системы понятий в метрологии. В нем
учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта
метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины)».
Отметим, что согласно [1], под значением ФВ подразумевается
«выражение размера ФВ в виде некоторого числа принятых для
нее единиц», а под ее числовым значением – «отвлеченное число,
входящее в значение ФВ».
Таким образом, результатом окончания процесса измерения
должно быть определенное число, выражающее количество
единиц измерения в измеряемой ФВ. Этим числом должно быть
рациональное число известной точности, поскольку множество
рациональных чисел замкнуто по отношению к арифметическим
действиям, упорядочено в отношениях порядка «больше» и
«меньше» и обладает свойством плотности. Именно эти свойства
и позволяют представлять при помощи данных чисел результаты
измерений и вычислений с любой степенью точности. Измерение
решает проблемы количественной идентификации непрерывных
(аналоговых) качеств физических объектов. Когда они дискретизируются и результат такого аналого-цифрового преобразования
(оцифровывания) может быть выражен совокупностью рациональных чисел известной точности, то процесс измерения следует считать оконченным. Последующие преобразования нужно относить к процессу вычисления, а не измерения.
Значение ФВ формируется путем измерения, т.е. экспериментально, а не путем вычислений вне СИ. Вместе с тем значения
многих вторичных ФВ являются результатом вычислений на основе
значений первичных ФВ. Метрология разделяет все измерения на
прямые и косвенные[1]: «Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно». Важно примечание: «Термин прямое измерение возник
как противоположный термину косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей». Соответственно «Косвенное измерение –
определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин,
функционально связанных с искомой величиной».
По линии глобального разделения всех измерений на прямые
и косвенные проходит наиболее спорная область метрологии, вызывающая различное понимание того, что является измерением,
а что нет, где кончается измерение, что является СИ, а что нет.
Следует понять, в каких случаях вычисления (и другие операции)
являются неразрывной составной частью процесса измерения, а в
каких случаях их можно (и нужно!) отделить от этого процесса и рассматривать автономно. В действующих же документах метрологии
под косвенные измерения и СИ, независимо от вида их реализации
и свойств, до сих пор подгоняются все технические средства, в которых имеется хотя бы одна операция над результатом измерения,
причем независимо от ее вида.
Числовое значение ФВ не является единственным способом
представления результата измерения. Более общий термин, отражающий как числовые значения ФВ, так и ее значения в иной
форме (сигнала, отсчета, кода), – измерительная информация,
или «информация о значениях ФВ» [1]. Разновидностью измерительной информации является сигнал и отсчет: «Измерительный
сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ, а отсчет показаний средства измерений – фиксация
значения величины или числа по показывающему устройству СИ в
заданный момент времени» [1]. Помимо представления значения
ФВ в виде числа, сигнала и нецифрового отсчета, возможно ее
представление и в виде некоего кода. То, что в большинстве СИ до
сих пор результат измерения представляется не в виде числа, а в
виде сигнала, отсчета или кода, является одной из причин того, что
любые операции над данными видами измерительной информации
трактуются как измерительные, а технические средства, в которых
реализуются эти операции, определяются как СИ.
Согласно РМГ 29-99, «СИ – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические
характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу ФВ,
размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени».
Важно примечание в документе к указанному определению:
«Приведенное определение вскрывает суть СИ, заключающуюся,
во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу
ФВ; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти
важнейшие факторы и обуславливают возможность выполнения
измерения (сопоставление с единицей), т.е. «делают» техническое
средство СИ».
Корректное, т.е. в соответствии с их содержанием, применение
понятий «измерение» и «средство измерений» приводит к противоречиям с другими метрологическими документами, в которых эти
понятия некритично и необоснованно распространяются на все
технические операции и средства неизмерительного назначения,
используемые совместно с «истинными» СИ. Выше это продемонстрировано для ИС, построенных на аналоговых или дискретных
технологиях. Используя технологии обработки сигналов и полностью игнорируя цифровые вычислительные технологии, метрологи
чрезвычайно широко, вопреки содержанию рассмотренных понятий,
расширили их объемы.
ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Исходным моментом в появлении цифровых технологий измерений следует признать 1971 год, когда был создан первый
микропроцессор. Но прошло более двадцати лет, прежде чем
микропроцессоры получили массовое внедрение в различных СИ.
В микропроцессорных СИ прямые измерения составляют лишь
незначительную часть всего процесса нахождения значения измеряемой ФВ, второй и главной частью которого являются операции
хранения, передачи и обработки результатов прямых измерений,
представленных в числовом (в цифровом) виде. Такие операции
до сих пор рассматриваются традиционной метрологией как косвенные измерения, хотя по существу к процессу измерения уже
никакого отношения не имеют.
Когда неизмерительные операции реализуются в рамках конструктивно и функционально законченного СИ, то отделить их от
измерительных операций не представляется возможным: на выходе
СИ имеется числовой результат и внутренние операции его получения метролога не интересуют. Важна лишь точность и достоверность этого результата, которая обеспечивается метрологической
аттестацией СИ.
Ситуация меняется, когда в рамках сложных ИС используются
конструктивно, функционально и территориально обособленные
компоненты, часть из которых реализует прямые измерения с представлением их результатов в числовом виде, а другая часть – их
числовую обработку. Относить в этих новых цифровых системах все
компоненты к СИ нет разумных оснований. В цифровых ИС следует отделить измерительные компоненты от всех иных, рассматривать
первые как СИ, а все остальные – как средства неизмерительного
назначения. Соответственно нельзя рассматривать как СИ и ИС
в целом. Необходимо положить конец многолетней путанице и
назвать вещи своими именами: измерение – измерением, а вычисление – вычислением.
Возникает вопрос: поскольку конечный результат на выходе
цифровой ИС формируется в двух различных, но взаимосвязанных
процессах – процессе измерения, который имеет нормируемые
МХ, и процессе вычисления, который не должен иметь МХ (поскольку не является процессом измерения), то каким же образом
будет обеспечена точность и достоверность конечного результата?
Очевидно, что для достижения этого необходимо к средствам неизмерительного назначения предъявить определенные требования по
точности выполнения ими операций, связанных с преобразованием
чисел (операций хранения, передачи, обработки, отображения и
документирования). Эта точность должна быть такова, чтобы ее
вклад в понижение точности результатов измерений, полученных
в числовом виде на выходе СИ, входящих в состав цифровой ИС,
был пренебрежимо мал.
Казалось бы, заменяя метрологические требования к техническим средствам неизмерительного назначения вычислительными
требованиями по точности, ничего нового мы не получаем. В чем же
разница, в чем выигрыш? А разница в том же, в чем разница между
измерением и вычислением. Первое представляет собой сложный
процесс аналогового сравнения измеряемой величины с единицей
измерения, второе – элементарные арифметические действия над
рациональными числами. Для повышения точности аналоговых
операций необходимы серьезные технологические достижения,
а для повышения точности числовых операций достаточно всего
лишь увеличить разрядность чисел. Например, для двоичных чисел, в случае представления их в формате с плавающей запятой,
дополнительный байт мантиссы дает возможность увеличить точность представления числа в 28 = 256 раз. Такие темпы повышения
точности недостижимы для аналоговых измерений.
Так почему же необходимо принять новый, психологически непривычный для метрологов подход к цифровым ИС? Во-первых, по-
тому, что он имеет разумные основания и устраняет из метрологии
путаницу, связанную с понятиями прямых и косвенных измерений.
Во-вторых, потому, что метрология освобождается от несвойственных ей операций и поэтому сможет эффективнее развиваться
именно в тех направлениях, которые ей изначально свойственны:
в области эталонов, мер и аналого-дискретных измерений. В-третьих, потому, что цифровой подход существенно снижает людские,
материальные, финансовые и временные затраты на создание
цифровых ИС, поскольку не требует утверждать единичный тип ИС
в качестве СИ или производить их метрологическую аттестацию и
многочисленные поверки.
Грядет эра массовых цифровых технологий, что требует развития нового направления метрологии – метрологии цифровых
измерений. Метрологи должны быть к этому готовы!
ЛИТЕРАТУРА
1. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
2. ГОСТ Р 8.596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
3. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.
4. МИ 2439-97. Рекомендация. ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и контроля.
5. МИ-202-80. ГСИ. Методика. Метрологические характеристики измерительных систем. Принципы регламентации и контроля.
Основные положения.
6. МИ 222-80. ГСИ. Методика расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных
систем по метрологическим характеристикам компонентов.
7. Гуртовцев А.Л. О метрологии цифровых АСКУЭ и границах
метрологической экспансии // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2007. – № 5.
| 
|
