王清，王劍，趙寧，李延創(chuàng)，淡楊超

（1.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，云南 昆明 650217；2.上海交通大學(xué)云南（大理）研究院，云南 大理 671006；3.河北大學(xué)，河北 保定 071000）

0 前言

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)就是利用信息網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，如Internet、光纖網(wǎng)和全球定位系統(tǒng)（GPS）來進(jìn)行遠(yuǎn)距離校準(zhǔn)操作，它是多學(xué)科的綜合交叉，涉及儀器制造、計(jì)量檢測、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)等[1]。目前，國際上已有若干個校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在開展與遠(yuǎn)程校準(zhǔn)有關(guān)的研究，比如美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）開展電量多功能校準(zhǔn)儀的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)研究；日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）開展約瑟夫森電壓、光學(xué)頻率、壓力、長度、溫度等遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)研究；英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）開展電壓電阻測量系統(tǒng)研究[2]。國內(nèi)關(guān)于遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的研究應(yīng)用項(xiàng)目主要以時間頻率為主，中國計(jì)量科學(xué)研究院通過提出了時間頻率連續(xù)對比的方法成功的開發(fā)出了時間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)，通過國家授時中心保持的UTC 和GPS 共視時間實(shí)時傳遞的方法，完成了時間頻率的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)及其高精度溯源過程[2]。天津大學(xué)的郭景濤和金志剛進(jìn)行了基于互聯(lián)網(wǎng)的通用遠(yuǎn)程校準(zhǔn)平臺的研究，通過提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)的通用遠(yuǎn)程校準(zhǔn)平臺，給出此類平臺的設(shè)計(jì)原則[3]。校準(zhǔn)現(xiàn)場計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通信與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室主機(jī)通信，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)校準(zhǔn)現(xiàn)場完成校準(zhǔn)操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)過程。該系統(tǒng)核心部分為互聯(lián)網(wǎng)通信模塊，通過該模塊能夠?qū)⑦h(yuǎn)程校準(zhǔn)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時通信，進(jìn)而傳輸指令、數(shù)據(jù)和音/視頻并指導(dǎo)操作。國內(nèi)各高校、科研機(jī)構(gòu)在遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方面均取得了一定成效，但國內(nèi)除時間頻率的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)應(yīng)用比較普及外，其它項(xiàng)目的遠(yuǎn)程校準(zhǔn)應(yīng)用有待推廣。本文從交流電壓量值傳遞與溯源理論出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，提出切實(shí)可行的數(shù)字多用表交流電壓參數(shù)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)方案，旨在現(xiàn)有遠(yuǎn)程校準(zhǔn)理論基礎(chǔ)上，各計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)間實(shí)施交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。

1 交流電壓量值傳遞與溯源

交流電壓基準(zhǔn)裝置是國家交流電壓量值傳遞中的基準(zhǔn)計(jì)量器具，它擔(dān)負(fù)著各計(jì)量機(jī)構(gòu)建立的交流電壓標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具的量值傳遞程序。交流電壓計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖如圖1所示[4]。

圖1 交流電壓計(jì)量器具檢定系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)小于被檢不確定度的1/3，以保證量值傳遞的可靠性。傳統(tǒng)的量值傳遞與溯源參照國家計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)，大都需要以離線方式進(jìn)行，檢定或校準(zhǔn)時把工作用計(jì)量器具定期拆下來，送到相應(yīng)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)測試，其缺點(diǎn)是耗時較長，且離線方式把計(jì)量器具定期拆下來還會耽誤工作造成利益損失。此外，這種方式只能得到計(jì)量儀器的基本誤差，而現(xiàn)場應(yīng)用中的附加誤差則不可獲知[2]。遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，解決傳統(tǒng)量值傳遞與溯源中存在的諸多問題，讓計(jì)量校準(zhǔn)更加準(zhǔn)確、高效、便捷。

2 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的基本條件

實(shí)現(xiàn)交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)應(yīng)具備以下基本條件：

1）校準(zhǔn)現(xiàn)場的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、被檢儀表具有被計(jì)算機(jī)控制的功能；

2）校準(zhǔn)現(xiàn)場的計(jì)算機(jī)與遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)之間可以進(jìn)行信息傳遞；

3）校準(zhǔn)現(xiàn)場滿足相關(guān)檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范對環(huán)境溫度、濕度及供電電壓等的要求。

2.2 交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)原理

目前，遠(yuǎn)程量值傳遞與溯源的實(shí)現(xiàn)方法主要有3 種途徑：一是采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)表/源的方式進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)；二是將標(biāo)準(zhǔn)表/源放置于現(xiàn)場；三是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器在實(shí)驗(yàn)室通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。本文采用第一種途徑，采用傳遞標(biāo)準(zhǔn)表/源的方式實(shí)現(xiàn)交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。

交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)就是在傳統(tǒng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程操控校準(zhǔn)現(xiàn)場計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及被檢儀表進(jìn)行校準(zhǔn)的目的，實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)通過與校準(zhǔn)現(xiàn)場計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊就可以實(shí)時接收校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，同時利用視頻監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)時確保校準(zhǔn)現(xiàn)場的操作規(guī)范。實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評定校準(zhǔn)結(jié)果并給出校準(zhǔn)證書，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的目的。交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)計(jì)量儀器傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三相交直流標(biāo)準(zhǔn)源、被檢表無線通信模塊與校準(zhǔn)現(xiàn)場計(jì)算機(jī)信息交互，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、被檢表與計(jì)算機(jī)間不再使用GPIB 接口卡連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室wifi 局域網(wǎng)內(nèi)的“遠(yuǎn)程控制”。

3 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)通信技術(shù)及數(shù)據(jù)加密

采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）的功能，在公用網(wǎng)絡(luò)上建立專用網(wǎng)絡(luò)。虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)通過對傳輸數(shù)據(jù)包的加密和數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP 地址的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在多臺客戶端PC間進(jìn)行遠(yuǎn)程加密通訊，如圖3所示。

圖3 虛擬專用網(wǎng)絡(luò)

3.1 工作原理

1）通常情況下，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)采取內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，外網(wǎng)使用公網(wǎng)IP 接入互聯(lián)網(wǎng)。

2）公網(wǎng)的終端A 訪問內(nèi)網(wǎng)的終端B，其發(fā)出的訪問數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址為終端B 的內(nèi)部IP地址。

3）公網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)在接收到終端A 發(fā)出的訪問數(shù)據(jù)包時對其目標(biāo)地址進(jìn)行檢查，如果目標(biāo)地址屬于內(nèi)網(wǎng)的地址，則將該數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，封裝的方式根據(jù)所采用的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同而不同，同時虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)會構(gòu)造一個新虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并將封裝后的原數(shù)據(jù)包作為虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的負(fù)載，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址為內(nèi)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的外部地址。

4）公網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)將虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送到Internet，由于虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址是內(nèi)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的外部地址，所以該數(shù)據(jù)包將被Internet 中的路由正確地發(fā)送到內(nèi)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。

5）內(nèi)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)包是從公網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)發(fā)出的，即可判定該數(shù)據(jù)包為虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包處理。解包的過程主要是先將虛擬專用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的包頭剝離，再將數(shù)據(jù)包反向處理還原成原始的數(shù)據(jù)包。

6）內(nèi)網(wǎng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)將還原后的原始數(shù)據(jù)包發(fā)送至目標(biāo)終端B，由于原始數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址是終端B 的IP，所以該數(shù)據(jù)包能夠被正確地發(fā)送到終端B。在終端B 看來，它收到的數(shù)據(jù)包就和從終端A 直接發(fā)過來的一樣。

7）從終端B 返回終端A 的數(shù)據(jù)包處理過程和上述過程一樣，這樣兩個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端就可以相互通訊。

3.2 實(shí)際應(yīng)用搭建

軟件：虛擬專用網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)一套、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理軟件一套、校準(zhǔn)軟件一套。

硬件：待檢表一臺、標(biāo)準(zhǔn)源一臺、云服務(wù)器一臺。實(shí)際架構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)際架構(gòu)圖

圖4中，A 計(jì)算機(jī)為設(shè)備管理計(jì)算機(jī)，B 為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，A、B 兩臺計(jì)算機(jī)通過VPN 服務(wù)組建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)。A 計(jì)算機(jī)鏈接并管理待檢表與標(biāo)準(zhǔn)源，B 計(jì)算機(jī)安裝校準(zhǔn)軟件。實(shí)驗(yàn)室計(jì)量人員用B 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。

3.3 數(shù)據(jù)加密

1）對需要加密的數(shù)據(jù)，VPN 設(shè)備將其整個數(shù)據(jù)包（包括要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、源IP 地址和目的IP 地址）進(jìn)行加密并附上數(shù)據(jù)簽名，加上新的數(shù)據(jù)報(bào)頭（包括目的地VPN 設(shè)備需要的安全信息和一些初始化參數(shù)）重新封裝。

2）將封裝后的數(shù)據(jù)包通過隧道在公共網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

3）數(shù)據(jù)包到達(dá)目的VPN 設(shè)備后，將其解封，核對數(shù)字簽名無誤后，對數(shù)據(jù)包解密。

數(shù)據(jù)加密賦予計(jì)量儀器物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可追溯、不可篡改等特性，為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩?、保密性提供保障?/p>

4 交流數(shù)字電壓表遠(yuǎn)程校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 校準(zhǔn)條件、依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)選擇

1）校準(zhǔn)條件

溫度：(20±2)℃，相對濕度：(35%～75%)，交流供電電壓：220 V±22 V。

2）校準(zhǔn)依據(jù)

JJF1587-2016《數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》。

3）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)選擇

依照J(rèn)JG 2086《交流電壓計(jì)量器具》，選擇0.01 級標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)六位半交流數(shù)字電壓表，標(biāo)準(zhǔn)源最大允許誤差小于被檢最大允許誤差的1/3。

4.2 交流數(shù)字電壓表校準(zhǔn)

將標(biāo)準(zhǔn)源與被檢表按圖5連接，根據(jù)校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)源的輸出值，記錄被校數(shù)字表的示值。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源的輸出標(biāo)準(zhǔn)值為ZN，被校數(shù)字表的示值為Zx，被校數(shù)字表的示值誤差按公式（1）計(jì)算：

圖5 標(biāo)準(zhǔn)電壓源法接線圖

式中：D為示值誤差；Zx為被校數(shù)字表的示值；ZN為標(biāo)準(zhǔn)源的輸出標(biāo)準(zhǔn)值。

被校數(shù)字表的相對示值誤差按公式（2）計(jì)算：

式中：γ為相對示值誤差。

4.3 校準(zhǔn)點(diǎn)選擇

校準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)覆蓋所有量程并兼顧各量程之間的覆蓋性及量程內(nèi)的均勻性，同時應(yīng)參考被檢表使用說明書中對校準(zhǔn)點(diǎn)的建議，并可根據(jù)實(shí)際情況或送檢單位的要求選取校準(zhǔn)點(diǎn)。交流電壓校準(zhǔn)點(diǎn)選取原則如下[5]：

1）頻率點(diǎn)的選取可參照被檢表使用說明書中交流電壓的技術(shù)指標(biāo)，選取3 ～6個頻率點(diǎn)（一般應(yīng)包含1 kHz)，并兼顧低頻率點(diǎn)和高頻率點(diǎn)。建議在10 Hz、60 Hz（50 Hz）、400 Hz、1 kHz、20 kHz、50 kHz、100 kHz、300 kHz、500 kHz、1 MHz 中優(yōu)先選取。

2）在1 kHz 頻率點(diǎn)，每個電壓量程選取2 ～3個電壓校準(zhǔn)點(diǎn)；在其他頻率點(diǎn)，可只選取量程值（接近量程值）點(diǎn)。

3）應(yīng)根據(jù)數(shù)字表的電壓頻率積（V·Hz）選取校準(zhǔn)點(diǎn)。

4）對于四位半及以下的數(shù)字表，可只選取各量程的量程值（接近量程值）點(diǎn)，并參照使用說明書中技術(shù)指標(biāo)選取1 ～2個頻率點(diǎn)。

4.4 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

選取60 Hz、1 kHz 交流電壓1 V、10 V、100 V、1000 V 點(diǎn)作為校準(zhǔn)點(diǎn)，校準(zhǔn)現(xiàn)場按照實(shí)驗(yàn)室計(jì)量人員要求接好測試線，實(shí)驗(yàn)室計(jì)量人員通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)接線正確、校準(zhǔn)現(xiàn)場環(huán)境條件滿足要求后，由實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制校準(zhǔn)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)六位半交流數(shù)字電壓表，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 遠(yuǎn)程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4.5 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

將被校交流數(shù)字電壓表送至實(shí)驗(yàn)室，由計(jì)量人員進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

4.6 數(shù)據(jù)比對分析

參照實(shí)驗(yàn)室間計(jì)量比對方法，對遠(yuǎn)程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判定交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠性。判定方法如下：

式中：y為遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)測量值；y0為實(shí)驗(yàn)室測量值；U為遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果不確定度；U0為實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果不確定度。當(dāng)∣En∣≤1 為滿意。

交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)各測量點(diǎn)計(jì)量比對數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 各測量點(diǎn)計(jì)量比對數(shù)據(jù)

綜上，交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)各測量點(diǎn)∣En∣值≤1，說明交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)測量值準(zhǔn)確、可靠。

5 結(jié)束語

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的推廣應(yīng)用，讓計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)送檢標(biāo)準(zhǔn)器更加靈活方便，不用再拆卸計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器長距離運(yùn)送至上級計(jì)量機(jī)構(gòu)，可以節(jié)省大量人力、物力。同時，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)“扁平化”計(jì)量，減少傳統(tǒng)方式逐級量值傳遞帶來的誤差。此外，國家計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室參與遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，可在短時間內(nèi)快速提高參加實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)能力，減小測量不確定度。

遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與傳統(tǒng)的計(jì)量檢定、校準(zhǔn)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）被校計(jì)量器具無需運(yùn)輸?shù)缴霞売?jì)量機(jī)構(gòu)即可開展校準(zhǔn)工作，減少了校準(zhǔn)所需時間和成本。

2）遠(yuǎn)程校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在正常工作環(huán)境下被校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)扁平化計(jì)量，與傳統(tǒng)的計(jì)量檢定、校準(zhǔn)相比減少逐級量值傳遞帶來的誤差及各實(shí)驗(yàn)室間環(huán)境差異帶來的附加誤差，讓校準(zhǔn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

3）遠(yuǎn)程校準(zhǔn)避免了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)因送檢過程造成的磨損，同時提高了校準(zhǔn)的便捷性。

4）上級計(jì)量機(jī)構(gòu)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技能及時得到推廣和交流，通過遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)的推廣，可在短期內(nèi)迅速提升基層單位實(shí)驗(yàn)室計(jì)量檢定、校準(zhǔn)能力，減小測量結(jié)果不確定度；總的來說，遠(yuǎn)程校準(zhǔn)是對傳統(tǒng)計(jì)量的技術(shù)革新，解決傳統(tǒng)量值傳遞與溯源中存在的諸多問題，讓計(jì)量校準(zhǔn)更加準(zhǔn)確、高效、便捷。

此外，參考時間頻率遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的GPS 共視法原理和方法，設(shè)計(jì)高精度的交流電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊，將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率脈沖信號，通過GPS 通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)交流電壓遠(yuǎn)程校準(zhǔn)。這一校準(zhǔn)方法可實(shí)現(xiàn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器在實(shí)驗(yàn)室通過互聯(lián)網(wǎng)對被校表進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)，將極大地提高計(jì)量校準(zhǔn)效率。