/
Автор: Тарбеев Ю.В. Асташенков А.И.
Теги: метрология техника измерений контроль качества энциклопедия стандартизация измерительные приборы
ISBN: 5-87417-134-7
Год: 2001
Текст
Российская
Метрологическая
Энциклопедия
ББК 30.10Я20
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ РФ
РОССИЙСКАЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
Главный редактор — Ю.В. Тарбеев,
заслуженный деятель науки и техники РФ,
доктор технических наук, профессор.
Зам. главного редактора — А.И. Асташенков,
заслуженный метролог РФ,
доктор технических наук, профессор.
Редакторы разделов:
Ю.И. Александров — доктор химических наук;
В.Н. Горобей — кандидат технических наук;
В.С. Иванов — доктор технических наук, профессор;
Е.Д. Колтик — заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор;
Л.А. Конопелько — заслуженный метролог РФ, доктор технических наук, профессор;
Г.П. Сафаров — заслуженный метролог РФ, кандидат технических наук;
А.Е. Синельников — заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор;
И.А. Харитонов
Н.С. Чаленко — кандидат технических наук;
В.Я. Шифрин — доктор технических наук, профессор.
Технический секретарь — Н.В. Гриценко,
Технический редактор — ТА. Перекалина.
Издание Энциклопедии стало возможным благодаря целевой поддержке организаций, возглавляемых
А.И. Асташенковым, Р.Д. Гркичем, Н.А. Жагорой, Л.А. Конопелько, Б.С. Мигачевым, В.П. Прядиловым,
В.В. Вагиным, В.И. Волковым.
Выражаем им за это признательность и благодарность.
Редактор — А.В. Кузьменко.
Макет, верстка — А.В. Илларионов.
© Метрологическая академия РФ: 2001
© Лики России: 2001
ISBN 5-87417-134-7
Уважаемый читатель!
Вы открываете книгу, в задачу которой входит стать Вашим постоянным партнером на долгие
годы практической работы, где бы Вы ни трудились: в науке или промышленности, в аграрном
деле или строительстве, в медицине или космонавтике, наконец, посягаете ли Вы на вершины
фундаментальной науки или только еще осваиваете учебный курс вуза.
Это очень нелегко — суметь быть одинаково полезным представителям всех названных облас-
тей деятельности. Поэтому редактор включил в Энциклопедию:
а) данные, которые нужны всем без исключения;
б) материалы, которые нужны большинству, обратившему на них внимание;
в) справочные данные по специальным разделам знания, которые в совокупности с а) и б) де-
лают книгу и полезной, и нужной, ученым и метрологам-практикам, специалистам промышлен-
ности и бизнесменам, студентам, изучающим измерительное дело, метрологию, физику и т.д.
И я считаю такой подход обоснованным, ибо как от каждого современного горожанина требу-
ется обязательное знание правил дорожного движения, так окружающий современный Метриче-
ский мир требует от каждого из нас знания и умения использовать единый язык измерений —
систему физических величин и их единиц. Культура современного человека немыслима также и
без представлений об эталонах, на которых зиждется вся международная система измерений и ее
национальные составляющие, спаянные воедино принципами Метрической Конвенции.
Что касается единиц физических величин, то здесь авторы исходили из побуждений в очеред-
ной раз содействовать продолжению дела пропаганды и практического внедрения Международ
ной системы единиц (СИ) — в котором достойный пример нам дали наши соотечественники —
горячие поборники внедрения СИ - профессора Г.Д. Бурдун, Л.А. Сена, Е.М. Аристов, К.П. Ши-
роков и многие другие известные российские и зарубежные метрологи и физики.
Непрерывный процесс увеличения потребности в т очности измерении обусловливает посто-
янное совершенствование эталонов. Сегодня магистральный путь этого совершенствования лежит
через использование фундаментальных физических констант. Это, в свою очередь, определило
целесообразность предоставления в распоряжение читателя исчерпывающе полного перечня важ-
нейших физических констант (универсальных, электромагнитных, атомных, физико-химических),
согласованных в 1998 г.
Повседневная практика и исследования в различных областях науки и техники помимо фунда-
ментальных констант требуют также обширного массива других справочных данных о свойствах
веществ, материалов, их агрегатных состояниях и т.п.
Все сказанное и определило принципы отбора материалов, которые были положены в основу
этой книги.
В Энциклопедию включено значительное число данных, полученных международными орга-
низациями с участием российских ученых, а также из отечественной и зарубежной физической и
метрологической литературы последних лет. Особый раздел посвящен характеристикам Государ-
ственных эталонов ГФ.
В пелом можно признать, чго Энциклопедия явилась первым и достаточно удачным опытом
обобщения научных и практических достижений школ крупнейших русских и советских ученых
метрологов.
Приветствуя появление этого уникального научного труда, я поздравляю всех его авторов и
создателей с успешным завершением большого, важного и общественно полезного дела.
Председатель Госстандарта России
Почетный член Метрологической академии
д.э.н., профессор
Г.П. Воронин
Предисловие
Современное общество последних лет XX и первых XXI вв. обладает и оперирует огромным мас-
сивом научно-технических знаний, основанных на законах естествознания. Подавляющая часть ин-
формации, лежащей в основе этих знаний, основана на результатах измерений физических величин
и параметров, качество и достоверность которых, в свою очередь, базируется на научной, техниче-
ской и законодательно-правовой основах, составляющих суть современной метрологии — науки об
измерениях.
Чтобы помочь максимально эффективно выбрать из арсенала метрологии необходимый „инст-
румент" для практических действий в той или иной области, нам представилось целесообразным
подготовить и издать Российскую Метрологическую Энциклопедию. Эта Энциклопедия задумана на-
ми, учеными Метрологической академии, как философски обобщенный, логически систематизиро-
ванный свод наиболее существенных знаний, законов, фактов, явлений, свойственных современ-
ной теоретической, фундаментальной и прикладной метрологии как науке об измерениях, методах
и способах обеспечения их единства и достоверности.
В Энциклопедии детально представлены Российская национальная и Международная системы
обеспечения единства измерений, Государственные эталоны единиц физических величин, основ-
ные направления и результаты фундаментальных и прикладных исследований по дальнейшему со-
вершенствованию Эталонной базы Российской Федерации в интересах науки, промышленности, тор-
говли, обороны, экологии, медицины, здравоохранения и др.
Основу авторского коллектива Энциклопедии составили крупные российские ученые-метроло-
ги, ученые-хранители Государственных эталонов ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, ВНИИМС и ряда дру-
гих метрологических инсти тутов, известные ученые и специалисты Физико-технического институ-
та им. А.Ф. Иоффе, Государственного оптического института им. С.И. Вавилова и др.
В ней выступает также ряд крупнейших отечественных и зарубежных ученых и специалистов.
Здесь вы найдете статьи Президента Международного комитета мер и весов проф. И.И. Ковалевско-
го, директора Международного бюро мер и весов доктора Т.Дж. Квинна, Лауреата Нобелевской пре-
мии академика Почетного члена Метрологической академии А.М. Прохорова, Почетного члена Мет-
рологической академии д.т.н. Е.Н. Юстовой, директора ГОИ им. С.И. Вавилова академика РАН
Г.Т. Петровского, чл.-корр. РАН проф. Б.А. Мамырина и др.
Конкретное содержание современной деятельности Государственной Метрологической службы
и, в частности, головных метрологических институтов и крупных центров метрологии и стандарти-
зации раскрывается в статьях действительных членов Метрологической Академии (МА) А.И. Аста-
шенкова — директора ВНИИМС, Н.И. Ханова — директора ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, Н.А. Жа-
горы — директора Белорусского Государственного института метрологии, члена корреспондента РАН,
проф. В.В. Окрепилова — генерального директора ТЕСТ-Санкт-Петербург, В.И. Волкова — директо-
ра Ростовского центра метрологии и стандартизации и др.
Заметный вклад в содержание Энциклопедии внесен статьями представителей крупнейших тех-
нических университетов России: проф. П.В. Новицкого, проф. Г.Н. Солопченко (Санкт-Петербург-
ский Государственный Технический Университет); проф. Э.И. Цветкова (Санкт-Петербургский Элек-
тротехнический Университет) и др.
В целом, можно утверждать, что авторами Энциклопедии являются виднейшие представители
создателей и хранителей современной метрологической культуры России, а сама она являет собой
концентрат накопленных метрологических знаний и в этом смысле есть мерило, индикатор уровня
современной метрологической культуры нашей страны.
Энциклопедия адресована широкому кругу читателей: ученым, промышленникам, специалистам
энергетического, машиностроительного, аграрного и строительного комплексов, специалистам здра-
воохранения, экологии, космонавтики, аспирантам, студентам физических и приборостроительных
специальностей.
Мы лишены претензий считать свою работу безупречной, полагая, что любое дело всегда можно
сделать еще лучше, и, исходя из этого, остаемся открытыми для диалога идей о ее дальнейшем
совершенствовании.
Главный редактор Энциклопедии,
Президент Метрологической академии,
Заслуженный деятель науки и техники РФ
проф. Ю. Тарбеев
Структура и содержание энциклопедии
Энциклопедия представляет собой собрание
— исторических обзорных статей, раскрывающих становление, ход развития и современное со-
стояние общих и частных вопросов метрологии;
— статей-толкований, излагающих суть фундаментальных физических законов, используемых уче-
ными-метрологами для решения стоящих перед ними теоретических и экспериментальных задач и
раскрывающих содержание понятий, терминов и определений, используемых в современной прак-
тической деятельности;
— статей-биографий выдающихся ученых, внесших вклад в развитие метрологии;
— статей-справок, отражающих современное состояние научных, технических, правовых и орга-
низационных основ, направленных на обеспечение необходимых национальной экономике качест-
ва и эффективности всех проводимых измерений и др.
Все статьи сгруппированы в Энциклопедии по десяти тематическим разделам.
Первым из них является введение, которое раскрывает роль метрологии в жизни современного
общества и ее влияние на научно-технический прогресс.
Второй раздел посвящается историческим аспектам метрологии. Здесь показана Метрология ВЧЕ-
РА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА, роль Метрической конвенции 1875 г. — первого международного межправи-
тельственного соглашения на пути к достижению единства измерений в мировом обществе, 125-ле-
тие со дня подписания которого праздновалось в мае 2000 г. Представлен календарь важнейших со-
бытий в истории метрологии; отдельный параграф посвящается выдающимся русским ученым и
государственным деятелям, внесшим большой вклад в становление и развитие отечественной и ми-
ровой метрологии.
Третий раздел представляет основные положения теоретической метрологии. Проблема раскры-
вается в блоках статей, посвященных фундаментальным проблемам теоретической метрологии, ос-
новным понятиям, терминам и определениям, метрологическим характеристикам средств измере-
ний, международной системе единиц, погрешностям и неопределенностям измерений, надежности
результатов измерений и др.
Четвертый раздел содержит фундаментальные законы физики и фундаментальные физические
постоянные, используемые в теоретической и прикладной метрологии. Этот раздел открывается
статьей „Фундаментальные физико-метрологические проблемы современной метрологии". В разде-
ле представлены статьи: „Квантовая метрология", „Квантовая электродинамика, фундаментальные
физические константы", „Макроскопические квантовые эффекты в сверхпроводниках и их исполь-
зование для воспроизведения единиц электрических и магнитных величин и уточнения фундамен-
тальных физических констант", „Периодическая система элементов Д.И. Менделеева (как интеграль-
ный источник физической и метрологической информации"; „Фундаментальные физические кон-
станты") — статья на эту тему сопровождена наиболее полным перечнем значений фундаментальных
констант для физики и химии, согласованным в 1998 г. и др.
Один из самых обширных разделов Энциклопедии — пятый, посвященный методам измерений и
эталонам единиц по областям измерений — геометрических, механических, физико-химических, те-
плофизических и температурных, электрических и магнитных, радиотехнических и радиоэлектрон-
ных, акустических, оптических и оптико-физических, ионизирующих излучений и других величин.
В каждом подразделе по областям измерений даны статьи-обзоры, история развития и современ-
ное положение дел в данной области, статьи-справки по методам измерений и эталонам единиц ве-
личин, поверочным схемам, статьи-биографии ученых, внесших вклад в развитие данной области
измерений.
Не менее емкий раздел — шестой, посвященный Госстандарту РФ и его функциям, Государствен-
ной системе обеспечения единства измерений, Метрологической службе РФ, метрологическим ор-
ганизациям нашей страны.
Седьмой раздел содержит статьи по испытаниям, сертификации и аккредитации в области мет-
рологии. Его открывает обзорная статья „Современное состояние испытаний и сертификации
средств измерений в общем прогрессе повышения качества и конкурентоспособности отечествен-
ной продукции", здесь же представлены статьи „Испытания с целью утверждения типа средств изме-
рений", „Государственный испытательный центр средств измерений", обзорная статья „Междуна-
8
родная зарубежная и отечественная практика сертификации средств измерений*1, обзорная статья
„Аккредитация измерительных и испытательных организаций на право проведения сертификации,
испытаний, поверки и калибровки средств измерений**, статья-справка „Основные понятия, терми-
ны, определения, используемые в области поверки, калибровки, испытаний и сертификации**, ста-
тьи-биографии ученых и специалистов, внесших вклад в развитие данной области деятельности.
Важной частью Энциклопедии является раздел восьмой, посвященный правовым основам обеспе-
чения единства измерений. Здесь представлены статьи-справки, текст закона „Обеспечение единства
измерений" и ряд нормативных документов, посвященных метрологическому контролю и надзору.
Девятый раздел посвящен международному сотрудничеству в области метрологии.
Завершает текст Энциклопедии раздел десятый — посвященный Метрологической академии.
Создатели Энциклопедии надеются, что она будет интересна, полезна и необходима всем, кто
станет ее редким и счастливым обладателем как в России, так и за рубежом.
9
Введение
Роль метрологии в жизни современного общества и ее влияние на научно-
технический прогресс
Мир, окружающий нас — это, прежде всего, мир
физических величин, реально существующих в широ-
чайшем диапазоне их значений от микромира до мак-
ромира в масштабе Вселенной (рис. 1). Физические
величины являются характеристиками объектов ма-
териального мира и процессов, характеризующих раз-
личные взаимодействия этих объектов между собой
или их изменения во времени.
Это логически вытекает из материальности окру-
жающего мира в целом и его отдельных категорий:
пространства, времени, взаимодействия, размеров,
развитие, теплового состояния, перемещений и др.
Человек видит свое предназначение в познании
мира. На пути к нему опыт привел его к количествен-
ному сравнению физических величин, привел к вы-
воду: чтобы знать, надо измерять. Логика вела даль-
ше: чтобы измерять, надо выбрать меру, установить
единичное значение величины — единицу. А отсюда
возникала необходимость эталона — материального,
предельно точного и стабильного воплощения этой
единицы.
Вся история человеческой цивилизации — это ис-
тория становления и развития измерительной куль-
туры, это процесс непрерывного совершенствования
методов и средств измерения и систем обеспечения
единства измерений на основе повышения их необ-
ходимой точности, единообразия мер, постоянного
укрепления положения служб образцовых измерений
как необходимого базиса не только экономики, но и
государственной власти.
Иначе говоря, вся история человечества — это
путь, пройденный им от измерений на основе орга-
нов чувств до научных основ измерений, которые явля-
ются важнейшей составной частью современной мет-
рологии — науки об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения тре-
буемой точности.
Обращение к сегодняшней практике современно-
го общества в самом широком смысле и оценка в свя-
зи с этим роли метрологии и измерений в ускорении
научно-технического прогресса раскрывает широкую
панараму их возможностей и проблем.
Научные исследования и изыскания, поиск новых
закономерностей природы, исследования микромира
и космоса, океана и околоземного пространства, изу-
чение свойств веществ и материалов, исследования в
медицине, биологии, экологический мониторинг и
др. — все это сегодня немыслимо без измерений, с по-
мощью которых определяются количественные соот-
ношения в изучаемых явлениях. Возможности учено-
го исследовать, анализировать, контролировать и ис-
пользовать явления природы полностью зависят от
имеющихся в его распоряжении средств и методов из-
мерений. Равным образом без измерений не обходит-
ся ни один технологический процесс. Серийное про-
изводство — основа современной промышленности —
полностью базируется на использовании измеренных
с высокой точностью взаимозаменяемых деталей. Для
выполнения всех подобных измерений современное
человечество располагает огромным парком средств
измерений различного назначения: приборов, изме-
рительных систем, информационно-вычислительных
комплексов и т.п.
В основе измерения лежат два разных определе-
ния.
Измерение в узком смысле есть эксперименталь-
ное сравнение одной измеряемой величины с другой
известной величиной того же рода (качества), уста-
новленной в качестве единицы. Типичным примером
является измерение физических величин и примене-
ние пропорциональных шкал.
Измерение в широком смысле есть нахождение со-
ответствий между числами и объектами, их состояния-
ми или процессами по какому-то правилу. Типичным
является шкалирование технических и нетехнических
обстоятельств на низком уровне знаний и примене-
ние шкал пониженной валентности.
Как уже сказано, измерения служат как получению
научных знаний, так и получению информации в об-
щем смысле. Если в исследовательском процессе пу-
тем измерений могут обнаруживаться совершенно но-
вые физические и математические зависимости, то,
например, измерение характеристик продукции и тех-
нологических процессов дают измерительную инфор-
мацию, необходимую для управления этими процес-
сами, качеством продукции, обеспечения надежности
процессов и организации производства.
Количество приборов и выполняемых с их помо-
щью измерений в развитых странах характеризуется
ныне огромной цифрой. Так, например, по проводив-
шимся оценкам, стоимость измерений и связанных
с ними операций составляют в промышленно-разви-
тых странах от 4 до 6 % от валового национального
продукта. Это составляет несколько сот миллиардов
1* Зах. 450
Длина
Время
1 2 1 Н 9,4 Тм один световой год , 6 Г
ю Г 10 г
k 1 г 0,15 Тм среднее расстояние Земля-Солнце и 1 1
i m 1 Аг S 1
1- 1,4 Гм диаметр Солнца L z млн. лет возраст человечества
10 Г 0,38 Гм среднее расстояние Земля-Луна 1 2 II
10 1 |- 24410 лет период полураспада плутония-zjy
L 3690 км длина Волги 1 ° 1 Г 2001 г. время, прошедшее с начала
10 Г к 8848 м высота Эвереста ю Г J 65 лег хронологии христианства средняя продолжительность
человеческой жизни
10 Г 2 1 J- 524 м высота Останкинской телебашни в Москве 10 1 « 1 Ь 8760 ч один год (1 г.)
10 1 ° 1 к- 1,7 м средний рост людей 10 I к 24 ч один день
10 [ к- 30 см диаметр долгоиграющей пластинки 10 1 1- 60 мин один час (1 ч)
2 1 10 8 мм диаметр карандаша 10 1 1" 60 с одна минута (1 мин)
1 . 100 мкм диаметр человеческого волоса 0 1 1 1 с время между двумя сердечными
10 ' J- 10 мкм 10 сокращениями
диаметр макромолекулы Г 0,2 с время человеческой реакции
10 1 '* 1 1 600 нм Т~ 10 нм длина волны видимого света 10 i 1 1 мс время переключения электронных реле
10 погрешность измерения длины волны излучения 10 1
- 1 0 Г 0,26 нм -6 L 1 1 мкс период колебаний средних волн
1 П диаметр молекулы пара 10 I
- 1 2 L 1 пм средняя длина волны у-излучения 1U -8 L 0,3 мкс период полураспада полония-212
10 1 10 фм диаметр ядра атома 10 - 1 0 1
10 1 фм диаметр электрона 10
Температура
2046,15-' - 1773 точка плавления платины Pt
j А
к °C
1812,15” - 1539 точка плавления железа Fe
1723,15“ - 1450 точка плавления стали
1.373,15- 1337,58 1235,08 - 1100 - 1064,43 - 961.93 точка плавления стекла температура застывания золота Ан температура застывания серебра Ag
933,25 - - 660,10 точка плавления алюминия А1
717,75 _ 444,60 точка плавления серы S
692,73 - " 419,58 температура застывания цинка Zn
505,1181. 231,9681 температура застывания олова Sn
408,15 _ 135 точка плавления полимеров
373,15 " - 100 точка кипения воды О
273,16 - " 0,01 тройная точка воды Н О
90,188 -182,962 точка кипения кислорода О
54,361 Z = -218,789 тройная точка кислорода О
20,28 “ -252,87 точка кипения водорода Н
0 -273,15 абсолютный ноль
Рис. 1. Пределы измерений физических величин в науке и технике
11
долларов США только для Евросоюза. Другой пример:
в России в настоящее время используется несколько
сот миллионов приборов различного назначения. Это
означает, что этими приборами ежедневно выполня-
ются десятки миллиардов измерений.
Обширная область работ в области измерений сви-
детельствует об их значительной роли в науке и тех-
нике, в жизни современного общества. По состоянию
и возможности измерительной службы и ее метроло-
гического обеспечения можно судить об общем уров-
не развития общества. Однако весь тот огромный мас-
сив измерительной информации, который мы получа-
ем в результате измерений, будет общественно
значимым и полезным только при обязательном усло-
вии обеспечения их единства и требуемой точности
независимо от места, времени и условий, в которых
они проведены. Обеспечение единства измерений яв-
ляется одной из важнейших задач метрологии.
Многие великие ученые, высоко оценивая значе-
ние измерений, писали об этом так:
— „Считай то, что считаемо, измеряй то, что изме-
ряемо, а то, что не измеряемо, делай измеряемым1'
(Г. Галилей).
— „Наука начинается с тех пор, как начинают изме-
рять, точная наука немыслима без меры" (Д.И. Менде-
леев).
— „Каждая вещь известна лишь в той степени, в ка-
кой ее можно измерить" (У. Кельвин).
Значение измерений в философском аспекте опре-
деляется прежде всего тем, что измерения являются
важным методом исследования физических явлений
и процессов. В этом смысле метрология занимает осо-
бое место среди других наук, обслуживая каждую из них
и тесно переплетаясь с ними.
Значимость измерений в техническом аспекте оп-
ределяется тем, что измерения обеспечивают получе-
ние информации об объекте управления или контро-
ля, необходимой для ведения технологического про-
цесса, обеспечения высокого качества изделий и
управления объектом.
Обратимся к роли измерений в науке. Измерения
развивались на протяжении многих десятилетий, при
преобладании в науке и технике тенденции дифферен-
циации отраслей. Это означало ускоренное развитие
отдельных отраслей измерений в измерительной тех-
нике, которое будет, безусловно, продолжаться. Одна-
ко в связи с созданием сложных систем начали разви-
ваться также и тенденции интеграции различных от-
раслей метрологии и измерительной техники. Эти
тенденции нашли отражение в создании теории ин-
формационно-измерительных систем, предназначен-
ных для исследований разнородных устройств, в раз-
витии методов обработки результатов измерений и
теории научного эксперимента.
Развитие измерений и науки об измерениях приве-
ло также к созданию новых учебных специальностей в
университетах, например, по информационно-измери-
тельной технике и технологиям, по механическим и
оптическим приборам, приборам измерения времени,
измерениям радиоактивности, по автоматизации на-
учных исследований, по теоретической метрологии.
С переходом от использования отдельных измеритель-
ных приборов к сложным информационно-измери-
тельным системам становится также необходимым
улучшение метрологического образования молодых
инженеров всех специальностей.
В связи с тем, что сравнительно маломощные, мед-
ленные, но хорошо обозримые измерительные прибо-
ры в сегодняшних условиях постепенно заменяются вы-
сокопроизводительными, скоростными, но плохо обо-
зримыми приборами, меняется деятельность лиц,
проводящих измерения и соответственно возрастают
образовательные требования к ним. При этом, как ре-
шающий образовательный фактор все больше проявля-
ет себя теория измерений. Она концентрирует знания
о состоянии техники, уменьшает необозримое количе-
ство метрологических явлений до обозримого количе-
ства основополагающих методов, принципов и спосо-
бов и делает измерение постижимым. Путем система-
тического, планомерного решения измерительных
задач с помощью теории измерения можно оптимизи-
ровать решения, ограничив возможные неверные дей-
ствия и затраты и предсказать требования будущего.
До сих пор образовательная подготовка и совер-
шенствование специалистов были ориентированы на
аппаратуру. Однако эффективной автоматизации и
компьютеризации измерений и использования совре-
менной технологии в сегодняшних условиях можно до-
биться только при ориентировании и на системы про-
граммирования. Все важнее становится нужным пони-
мать не только приборы, но и измерительные
процессы.
Накопление новых научных знаний и опыта в облас-
ти измерений величин, определения зависимостей и
генерирования сигналов с заданными характеристика-
ми приводят к тому, что современная метрология ста-
новится наукой не только об измерении величин, но и
об определении зависимостей. Современная метроло-
гия, развиваясь, использует сложные эмпирические ме-
тоды познания, а также различные методы других на-
ук. Теоретическая метрология — научная основа метро-
логии — является общей базой многочисленных и
сложных „отраслевых" измерений.
В научном эксперименте или на производстве для
того, чтобы выполнить измерения для достижения по-
ставленной цели, прежде всего необходимо опреде-
лить, что измерять, т.е. что представляет собой объ-
ект измерения, какими физическими величинами он
характеризуется; чем измерять, т.е. какие средства из-
мерений будут оптимальны для достижения требуемо-
го результата и, наконец, с какой точностью измерять.
Иначе говоря, прежде всего должна быть сформули-
рована измерительная задача.
Если мысленно представить себе в качестве заказ-
чиков различных измерительных задач ведущие отрас-
ли современной промышленности, такие как атомная,
тепловая и электроэнергетика, машиностроение, при-
боростроение. космические исследования, электрони-
ка, транспорт, а также сельское хозяйство, охрана ок-
ружающей среды, медицина, научные исследования в
областях электромагнетизма, термодинамики, механи-
ки, оптики и т.п., то совокупность их наивысших тре-
бований к точности измерений физических величин
можно обобщенно охарактеризовать данными, кото-
рые приведены на рис. 2 и 3.
Выполнение всей совокупности этих измеритель-
ных задач возможно лишь путем создания широко раз-
ветвленной, хорошо организованной и оснащенной
12
современными приборами инфраструктуры, называе-
мой национальной системой измерений, а обществен-
ная значимость и польза необъятного массива резуль-
татов измерений будет достигнута только при условии
обеспечения их единства, достоверности и точности.
Какие здесь проблемы и как их решают современ-
ные ученые и практики — будет раскрыто в статьях
„Фундаментальные проблемы теоретической метроло-
гии" и „Современные физико-метрологические про-
блемы".
Ю. Тарбеев
СОВРЕМЕННЫЕ ПОТРЕБНОСТИ
В МЕТРОЛОГИЧЕСКОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ
Измерение
длины
Измерение
времени
Измерение
силы
Измерение
электрических
величин
Измерение
температуры
Ионизирующие
излучения
2
£
U
о
а
а
U
&
о
в
« о
и
В
О
й
5
в
в
а
<и
&
о
в
>s J5
о а
2 «
” ч «
’IS 2
В« ।
Н'о
о в
ч й
о 2
± (D
за
S §
я и о
" В .
g Q -
ч = ।
(V с «
В О 7
5 я °
Г 1
S2
и
г 2
о о
в &
В с
&
О
В
37
U
&
я
о
й
§
J.
2
S
§
и
I
St
В В
to
о
в
в
и
В
В
2
£
U
о
В
I
&
в
в
н
S2
в
о
й
S
в
а
5
О
в
а
о
&
о
Б
5
й
о
в
в
X
3
в
в *
и
а
н о
ГЗ в
“ й Т Е
Ь m « й 5
JJ Е & & ®
< а § °
s 5
В I
о „
& °
о
К
в
а
§
в
QO
«Г §
§ &
° Я
В
5
i
I
3
к
2
2
в
2
I
§
й
сЗ
о
в
£
а
м
о« -
й
в
2
й
2
в •
в
I
5 «
в
й
в
й
я
S
в
В
о
В
и
4
S °
е-
о
в
Й
м
о
°° а
8 S
и
h
й О
В
в
Е
2
В й
* g
Рис. 2
Рис. 3
Исторические аспекты
метрологии
14
Из истории Российской метрологии
(с древнейших времен до начала XX века)
В повседневной жизни древнему человеку было не-
обходимо измерять длину, вес, объем и время. Пона-
добились меры, с которыми можно было сравнивать,
в которых можно выразить результаты измерений.
Наиболее удачные результаты отбирались и фикси-
ровались с целью повторного их использования. Так
появились первые образцы мер.
Для измерения длины практически у всех народов
использовались размеры человеческого тела. На Ру-
си это — вершок, пядь, кулак, ладонь, локоть, сажень
и т.д. Для определения больших расстояний и площа-
дей применялись меры, обусловленные физическими
возможностями человека или связанные с его кон-
кретными занятиями — рыболовством, охотой, зем-
леделием, строительством. Это нашло отражение в
некоторых названиях местных мер: косье — полоса
земли, равная по ширине одному взмаху косы (мера
площади, применявшаяся при покосе и разделе зем-
ли в Вологодской, Ярославской и Московской губер-
ниях), день пути — в зависимости от образа жизни на-
рода день пути мог быть пешим (25 км), конным (50-
70 км), судовым, „бычий рев“ — мера для определения
расстояния, на котором человек слышит крик быка.
Меры веса (массы) определялись путем сравнения
с весом различных плодов или зерен. Так, например
гран — единица аптекарского веса, в переводе с ла-
тинского, французского, английского и испанского
языков означает „зерно".
Меры вместимости, определялись объемом пло-
дов (тыквы, кокоса и др.). С помощью мер объема оп-
ределялся также примерный вес.
Представления о времени наши далекие предки
получали, наблюдая за положением Солнца, Луны и
других небесных тел относительно горизонта. Древ-
нейший способ определения времени — по длине соб-
ственной тени, измеряемой ступнями. В Китае, на-
пример, солнечные часы были известны еще в треть-
ем тысячелетии до нашей эры, применялись также в
древности песочные и водяные часы. Древнейшим из-
мерительным прибором являются весы, их первые
изображения на египетских пирамидах относятся к
третьему тысячелетию до нашей эры.
Развитие практики ремесел, торговли и строи-
тельства, образование устойчивых объединений (кня-
жеств, государств), создание внутренних и внешних
рынков — все это способствовало формированию на-
циональной системы мер и организации надзора за
правильностью их применения и отсутствием зло-
употреблений. В древней Руси надзор за мерами и ве-
сами был возложен на духовенство и сводился только
к наблюдению за тем, чтобы при торговых сделках не
происходило преднамеренного обмана, а весы и ме-
ры соответствовали образцам, находящимся на хра-
нении в монастырях и церквах. Практически надзор
осуществляли староста церкви и выборные от купе-
чества. Первый дошедший до нас документ, свидетель-
ствующий о существовании надзора за мерами и веса-
ми и стремлении к использованию единых образцов
мер на Руси уже в X в. — Устав князя Владимира 996 г.,
где говорится: „...поручено святым епископам город-
ские и торговые всяческие мерила и спуды (меры объ-
ема), звесы (весы), ставила (гири)... блюсти без пако-
сти, ни умаливати, ни умноживати". В „Уставе князя
Всеволода о церковных судах и о людях и о мерилах
торговых", 1134-1135 гг., впервые упоминается о про-
ведении ежегодной периодической поверки мер и ве-
сов. За нарушения законных мер установлены были
жестокие наказания, вплоть до лишения виновных
имущества и смертной казни.
На территории разных княжеств контроль над ме-
рами осуществляли русские князья, хранившие собст-
венные образцовые меры в своих подворьях („Золотой
пояс" князя Святослава). В период феодальной раз-
дробленности и татаро-монгольского нашествия в XII-
XV вв. на Руси имели хождение разнообразные систе-
мы мер, а также большое количество местных мер.
Уточнению русских мер длины способствовало
строительство храмов: строительные материалы
должны быть единых размеров. Девизом древнерус-
ских зодчих было „Рубить высотою, как мера и красо-
та скажет".
С образованием русского централизованного госу-
дарства в конце XV в., сопровождавшимся переходом
от натурального хозяйства к денежному, и формиро-
ванием всероссийского рынка, наметилась тенденция
к упорядочению и использованию единой системы
мер. Важнейшими в метрологическом отношении до-
кументами той эпохи являются: Двинская грамота
Ивана Грозного (1550 г.), Соборное уложение (1649 г.),
Таможенный устав (1653 г.) и Новоторговый устав
(1667 г.), которые установили новые печатные меры
сыпучих тел — осьмины, определили размеры фунта
и сажени, равной трем аршинам (216 см). Разрабаты-
ваются особые правила торговли, позволяющие орга-
низовать контроль за качеством товаров. Общий кон-
троль за состоянием мер в торговле начали осуществ-
лять приказы и хорошо для того времени оснащенные
учреждения — Померная изба и Большая таможня.
15
Так, например, в Наказе Померной избе 1681 г. го-
ворилось: „Те меры, что есть в Померной избе, и так-
же из житного и мучного рядов и изо всех уличных
торжков... все собрать в Померную избу и ... досмот-
ри и переписав, припустить (т.е. поверить) при себе,
все ли те меры против государевых указных орленых
мер прямы (правильны) и нет ли в них воровских пе-
чатных мер... Те воровские меры собрать в одно ме-
сто и запечатать, а вместо тех непрямых, воровских
мер велеть сделать новые меры против государевых
орленых мер... А как год минет: и те меры имать у тех
людей для припуску (поверки) в Померную избу... и
те меры припущати в Померной избе по часту, чтобы
по уличным торжкам воровских непрямых мер ни у
кого не было".
Технико-экономические преобразования Петра I,
направленные на создание отечественной промышлен-
ности и флота, расширение культурных, научных, про-
изводственных и торговых связей с европейскими стра-
нами вызвали необходимость увеличения количества
и точности измерений, что стало возможным при по-
становке производства в России и закупке на Западе но-
вых измерительных приборов. Это, в свою очередь,
привело к введению новых единиц измерений (меха-
нических, электрических, тепловых, магнитных и др.).
Произошло сближение русской системы с передовой
английской. Все это способствовало усовершенствова-
нию общенациональной системы единиц измерений и
поверочного дела в России. Надзор за мерами и изме-
рительными приборами начинают осуществлять новые
государственные учреждения — коллегии, ведавшие от-
дельными отраслями народного хозяйства. В стране
создается приборостроительная база. В центральных
городах и в провинции открываются государственные
и частные мастерские для изготовления измеритель-
ных приборов: ремонтно-юстировочные мастерские и
контрольно-измерительные лаборатории на заводах,
при Академии наук — „барометренная" и „инструмен-
тальная" палаты. Значительно увеличилось количест-
во законоположений, направленных на упорядочение
метрологической и поверочной деятельности. С име-
нем Петра I связано и введение стандартов в промыш-
ленность и, в частности, в кораблестроение и в оружей-
ное производство.
При Петре I существовало две системы мер дли-
ны: сажень-аршин-вершок (согласно Соборному уло-
жению 1649 г.) и сажень-фут-дюйм. Обе системы при-
менялись в России вплоть до XIX в. Сферы их дейст-
вия были разграничены: футы и дюймы
использовались в основном в кораблестроении, арши-
ны и вершки — в текстильной промышленности.
В 1736 г. в России была организована первая пра-
вительственная Комиссия по мерам и весам, которую
возглавил директор Монетного правления граф
М.Г. Головкин. В процессе работы Комиссии были оп-
ределены размеры исходных образцов мер длины, ве-
са и объема, и установлена связь между их геометри-
ческими параметрами, выдвинуты идеи по созданию
эталонов, основанных на физических постоянных, и
применению десятичного принципа построения мер,
которые были воплощены в жизнь лишь через 60 лет
создателями метрической системы. „Регламент" Ко-
миссии определил порядок хранения образцовых
мер, правила изготовления, поверки и клеймения
рабочих мер, а также наметил организацию сети по-
верочных учреждений, установил штаты и расценки
за проведение поверки. Однако в начале 1742 г. Ко-
миссия была распущена, а важнейший в метрологи-
ческом отношении документ „Регламент" не был ут-
вержден. Работы по упрочению метрологической и
поверочной базы продолжались, что нашло отраже-
ние в дальнейших законоположениях (Указ 1748 г.,
Указ 1773 г., Закон 1797 г. и др.).
В мастерских Сестрорецкого оружейного завода
выполнялись также заказы по изготовлению точных
измерительных приборов и инструментов. Во испол-
нение указаний Комиссии по мерам и весам 1736 г.
здесь в 1747 г. были изготовлены мастерами Д. Дудо-
ровым и Г. Григорьевым по чертежам П.Н. Крекши-
на образцовые весы для С.-Петербургского Монетно-
го двора, на которых, в частности, производились точ-
ные взвешивания членами Комиссии по мерам и весам
1827-1828 гг.
На Петербургском монетном дворе, основанном
Петром I в 1724 г., был изготовлен первичный обра-
зец мер веса российской системы единиц — бронзо-
вый золоченый фунт (1771 г.).
В 1797 г. был издан Указ с приложением. Указ уста-
новил новую шаровидную форму гирь, как менее под-
верженную стиранию, и новый, уменьшенный набор
гирь в целях избежания обмана при взвешивании. В
качестве материала рекомендовалось использовать
чугун. За основу единицы массы был принят „пример-
ный" фунт Монетного двора. Запрещалось употреб-
ление старых безменов с переменной точкой опоры,
разрешалось использовать безмены с передвижной
гирей. Согласно Указу рекомендовалось установить
связь между мерами объема и длины: „казенную ны-
нешнюю печатную кружку и четверик выразить в ку-
бических дюймах" и по ним отливать чугунные круж-
ки, ведра, гарнцы и четверики. Автором и основным
исполнителем Указа 1797 г. являлся статский совет-
ник, управляющий Александровским литейным заво-
дом Карл Карлович Гасконий.
В 1805 г. Министерство внутренних дел поручило
механику Р. Гайнаму изготовить три образцовых арши-
на четырехгранной формы (хрустальный, стальной
и медный) и установить кратные соотношения меж-
ду русскими и английскими мерами длины (в продол-
жение работ, начатых при Петре I). По ним были из-
готовлены копии — 52 медных аршина для рассылки
в губернии.
Согласно Мнению Государственного Совета от 28
июня 1810 г. „Об изготовлении нужного числа арши-
нов для всеобщего употребления" запрещалось поль-
зоваться старыми аршинами и повсеместно вводились
аршины нового образца. Для снабжения страны но-
выми мерами длины в С.-Петербурге учреждалась фаб-
рика аршинов под руководством Р. Гайнама, где было
изготовлено более одного миллиона аршинов.
В конце XVIII — первой половине XIX вв. в России
создаются предпосылки для перехода к фабричному
производству; мануфактура сменяется фабрикой, на
которой происходит разделение труда уже между ма-
шинами. С развитием машинного производства воз-
растает потребность в точных измерениях, а стало
быть, и в точных мерах. Меры теперь применяются
не только для измерения средств потребления, но и в
16
процессе производства средств производства. Кроме
того, в стране увеличилось число учреждений, зани-
мающихся научными исследованиями (Академия на-
ук, Военно-ученый комитет Главного штаба, универ-
ситеты, лаборатории при различных ведомствах). Все
это вызвало необходимость создания единой научно
обоснованной системы мер, опирающейся на этало-
ны, и организации централизованной регулярной по-
верки мер, которую могло осуществить постоянно
действующее поверочное учреждение. Особое влия-
ние на развитие метрологии в России оказали Англия
и Франция, которые уже создали научно обоснован-
ные системы мер. В ряде стран открываются специ-
альные поверочные учреждения, наблюдавшие за точ-
ностью и состоянием мер.
„Для постановления на неизменных началах сис-
темы Российских мер и весов“ с 1827 по 1842 гг. рабо-
тали две правительственные Комиссии: первая (1827-
1828 гг.) была создана при Министерстве внутренних
дел под научным руководством известного ученого-
метролога Андрея Ивановича Ламберти и профессо-
раГ.П. Соболевского; вторая (1832-1842 гг.) —при Ми-
нистерстве финансов, организатором и главным ис-
полнителем ее работ был академик Адольф Яковлевич
Купфер. В работе второй Комиссии принимали уча-
стие астроном и будущий директор Пулковской обсер-
ватории В.Я. Струве, начальник Корпуса военных то-
пографов генерал Ф.Ф. Шуберт и др. Деятельность
Комиссий курировала Академия наук (академики
В.К. Вишневский и Э.А. Коллинз).
В задачу Комиссий входило определение связи ме-
жду мерами длины, веса и вместимости. Поэтому свою
главную цель они видели в определении веса воды в
заданном объеме. Исходной величиной для мер объе-
ма (вместимости) был принят английский кубический
дюйм. Отправной мерой веса стал фунт 1771 г. Петер-
бургского монетного двора. За исходную единицу дли-
ны предполагалось принять аршин, так как он был
сличен с английским ярдом, который в свою очередь
сличен с французским метром. Для научного обосно-
вания Российской системы необходимо было сопос-
тавить русские меры с иностранными.
По инициативе Министра финансов Е.Ф. Канкри-
на для проведения сличений были выписаны образцо-
вые меры из главнейших государств, в том числе из Анг-
лии и Франции. Комиссия 1832 г. связала Российскую
систему мер с унифицированной английской путем
сравнения основных русских мер — сажени с образцо-
вым английским ярдом, основанным на естественной
природной величине (длине секундного маятника на
широте Лондона), и фунта — с английским фунтом. Ре-
зультаты многочисленных сличений русских и ино-
странных мер нашли отражение в 190 изданных срав-
нительных таблицах, разосланных в различные ве-
домства и учреждения Российской империи, в том
числе и таможни. Важнейшим практическим резуль-
татом деятельности Комиссий явилось создание основ-
ных образцов (эталонов) единиц массы и длины — фун-
та и сажени из кованой платины и их копий, а также
установление исходных образцов мер объема жидких
и сыпучих тел — ведра и четверика из латуни.
А.Я. Купфер подготовил издание двухтомного на-
учного отчета на французском языке о деятельности
Комиссии 1832-1842 гг. Свои выводы и предложения
он обобщил в докладной записке, представленной в
Министерство финансов, которая была положена в
основу правительственного Указа 1835 г. „О системе
Российских мер и весов". Указ утвердил научно обос-
нованную Российскую систему мер и предусмотрел
создание государственного учреждения для хранения
национальных эталонов, наметил принципы органи-
зации поверочного дела в стране. За основание сис-
темы были приняты:
— линейная мера — сажень в 7 английских футов с
разделением на 3 аршина, каждый в 28 дюймов, или
16 вершков;
— мера веса — фунт, равный весу перегнанной во-
ды в объеме 25,019 куб. дюймов;
— мера жидких тел — ведро в 30 фунтов перегнан-
ной воды или 750,57 куб. дюймов;
— мера сыпучих тел — четверик в 64 фунта или в
1601,22 куб. дюйма при температуре 13 1/3° Реомюра.
А.Я. Купфер предложил план постепенного введе-
ния научно обоснованной системы мер на всей тер-
ритории многонациональной Российской империи.
Комиссия собрала образцы мер и весов, употребляв-
шихся во всех регионах страны, провела сличения ме-
стных мер с образцовыми и подготовила к изданию
сравнительные таблицы. Изучение Российской сис-
темы мер предусматривалось в гимназиях и школах.
Основы государственной службы мер и весов были
установлены Именным указом, данным Сенату, и По-
ложением о весах и мерах от 4 июня 1842 г. Впервые в
истории отечественной метрологии была введена еди-
ная система мер на всей территории России, учрежде-
но первое государственное метрологическое и пове-
рочное учреждение — Депо образцовых мер и весов,
разработана система организации надзора и поверки
мер и весов. Положение сформулировало функции Де-
по и обязанности ученого хранителя, назначаемого из
членов Академии наук; указало министерства и учреж-
дения, которые обязаны были заниматься единообра-
зием мер и весов в государстве; определило порядок
хранения, правила применения, производства, клейме-
ния и поверки от эталонов до рабочих и торговых мер.
За использование неверных и неклейменых мер пре-
дусматривались денежный штраф, лишение права тор-
говли, привлечение к судебной ответственности.
Согласно Положению платиновые эталоны — фунт
и сажень и их основные копии — железная сажень,
медный золоченый фунт надлежало хранить в несго-
раемом здании Депо в С.-Петербургской крепости.
Две другие точнейшие копии эталонов — железная
сажень и медный фунт передавались для хранения
в московскую Оружейную палату. Положение обяза-
ло Депо изготовить на казенный счет комплекты об-
разцовых мер и клейма и разослать их в губернские
Казенные палаты и Экспедиции для организации
поверки и клеймения мер на местах. Заводы-изго-
товители мер и весов обязаны были иметь свои об-
разцы мер, выверенные в Казенных палатах с на-
несением на них клейм палаты. В свою очередь, за-
воды должны были изготавливать по этим образцам
и поверять новые меры, налагая на них заводские
клейма. Частные же мастерские и отдельные мастера
обязаны были, кроме своих собственных клейм, ста-
вить клейма на вновь изготовленные меры и выверять
их в Казенных палатах.
...— — 17 ======^=======
Выверка и клеймение в Казенных палатах долж-
ны были производиться в присутствии экспертов (ар-
хитекторов, землемеров и других специалистов). Уезд-
ным городам выверку и клеймение мер вменялось про-
изводить либо в губернских Казенных палатах, либо
в своих городских думах, магистратах, ратушах. Все
торговые заведения, харчевни, ярмарки, базары обя-
заны были пользоваться только клеймеными мерами
и весами. Денежный сбор за наложение клейм на
вновь изготовленные меры и весы, а также штраф за
пользование неверными средствами измерений, по-
ступали в пользу городов. Часть сбора использовалась
на наем мастеров и другие надобности при поверке и
клеймении.
Положение предусматривало проведение только
внезапных поверок мер и весов в гостиных дворах,
рынках, лавках, мастерских специально назначаемы-
ми представителями городских дум, магистратов, ра-
туш и разработало процедуру поверок, правила и та-
рифы. Во исполнение Положения 1842 г. было приня-
то Высочайше утвержденное положение Комитета
министров от 21 марта 1845 г. „О производстве в С.-Пе-
тербурге поверки и клеймения весов и мер в Городской
думе с распространением сего и на другие города4'. Так,
в С.-Петербурге было создано Отделение для клейме-
ния мер и весов при Городской думе, которое функцио-
нировало до 1900 г.
В конце 1841 г. по инициативе Министра финан-
сов Е.Ф. Канкрина на территории Петропавловской
крепости было построено „особое несгораемое зда-
ние" — Депо образцовых мер и весов (архитектор
А.М. Куци). В этом здании разместили эталоны основ-
ных единиц Российской системы и их копии, метро-
логическое оборудование Комиссии 1827-1828 гг., а
также собрания образцов мер российских губерний
и главнейших иностранных государств. Ученым хра-
нителем Депо был назначен Адольф Яковлевич Куп-
фер (1842-1865 гг.) — известный физико-химик, член
Академии наук, человек, обладавший специальными
знаниями в области метрологии. В обязанности уче-
ного хранителя Депо входили: надзор за сохранени-
ем российских нормальных мер и весов (эталонов) и
их копий; поверка мер и измерительных приборов,
доставляемых из Казенных палат, городских дум и ра-
туш, с образцовыми мерами и эталонами; исправле-
ние мер и весов, „утративших свою точность"; изго-
товление, в случае необходимости, точнейших копий
эталонов; проведение научных метрологических ис-
следований.
С Депо сотрудничали в разные годы известные фи-
зико-механики Академии наук Т. Гиргенсон и
Г.Я. Краузе, которые изготавливали точнейшие образ-
цовые средства измерений. Им же было предоставле-
но монопольное право поверять и клеймить меры и
приборы других мастеров, что привело в дальнейшем
к прекращению выпуска в стране образцовых мер и
весов из-за ограниченных возможностей Депо. Так, в
1847 г., как показала ревизия, у 39 городов полностью
отсутствовали образцовые меры. Поверку мер и ве-
сов в торговле и промышленности проводили служа-
щие Казенных палат и городских дум, которые не бы-
ли подчинены Депо, и в большинстве случаев не вла-
дели навыками проведения поверочных работ. В
результате поверка во многих местах была сведена
лишь к формальному клеймению. Кроме того, как вы-
яснилось в процессе работы, здание Депо не отвеча-
ло метрологическим требованиям: в нем невозможно
было поддерживать стабильными температуру, влаж-
ность, давление, необходимые для хранения эталонов
и проведения научных и поверочных работ. Поэтому
А.Я. Купфер был вынужден перенести часть измери-
тельных приборов и оборудования в Главную физи-
ческую обсерваторию, основанную им в 1849 г.
Академик А.Я. Купфер разработал два проекта,
предусматривающие развитие метрологической и
поверочной деятельности в стране. Он предложил
организовать в С.-Петербурге Главное управление
мер и весов с приборостроительным заводом при
нем и отделениями в разных городах, рекомендовал
также создать сеть специальных поверочных учреж-
дений — поверительных палаток со штатом разъезд-
ных инспекторов. Однако из-за необходимости зна-
чительных финансовых затрат оба проекта были от-
клонены.
Второй ученый хранитель Депо образцовых мер
и весов — профессор Института инженеров путей со-
общения, член Совета торговли и мануфактур, Вла-
димир Семенович Глухов (1865-1892 гг.), предложил
свою систему преобразования государственной служ-
бы мер и весов. Согласно его проекту все дела по ме-
рам и весам рекомендовалось сосредоточить в Мини-
стерстве финансов при непосредственном контроле
за ними Депо образцовых мер и весов после его пре-
образования. В.С. Глухов считал, что в ведении Депо
как единого государственного метрологического и по-
верочного учреждения должны находиться все изме-
рительные приборы, используемые для поверки мер
и весов, а также изготовление и оценка новых прибо-
ров. Одним из основных мероприятий он считал ор-
ганизацию периодической поверки, которая не про-
водилась в России более 25 лет. Ученый предлагал так-
же возобновить прототипы (эталоны) единиц длины
и массы, изготовить их из платиново-иридиевого
сплава, как метр и килограмм. За единицу длины он
рекомендовал принять вместо сажени более распро-
страненный в практике аршин, а фунт определить пу-
тем сравнения его с килограммом. Проект предусмат-
ривал факультативное введение в России метриче-
ской системы.
Так как здание Депо в Петропавловской крепости
оказалось неприспособленным для проведения мет-
рологических и поверочных работ, В.С. Глухов пред-
ложил построить новое, специально оборудованное
здание с различными лабораториями, оснащенными
новейшими средствами измерений. По ходатайству
В.С. Глухова в 1869 г. была создана правительственная
комиссия, в состав которой вошли директор Депар-
тамента торговли и мануфактур А. Бутовский, пред-
ставитель Генерального штаба — генерал Д. Обломи-
евский, академик Г. Вильд и др. Комиссия одобрила
предложение В.С. Глухова о необходимости строи-
тельства нового здания для Депо, посчитав, что все
остальные мероприятия, и, прежде всего, проведение
периодической поверки в России могут быть выпол-
нены лишь после того, как начнет функционировать
новое здание Депо.
Предварительно В.С. Глухов ознакомился с устрой-
ством метрологических и поверочных учреждений в
18
Германии, Франции и Англии, тщательно выбрал ме-
сто для строительства — на одной из центральных
улиц С.-Петербурга (Забалканский пр., 19), в глубине
двора, чтобы избежать воздействия на точные меры
и приборы сотрясений грунта, вызываемых проездом
городского транспорта. Для проведения метрологи-
ческих исследований В.С. Глухов предусмотрел уст-
ройство массивного фундамента (свыше 600 тонн),
термостатированных хранилищ эталонов в центре
здания, окруженных со всех сторон коридорами для
свободной циркуляции воздуха. Наружные стены бы-
ли оборудованы водяным отоплением. Такая плани-
ровка позволяет сохранять в центральных помещени-
ях постоянными температуру, влажность, давление и
в настоящее время.
Строительство здания по проекту архитектора
Ф.Ф. Бекмана было начато в 1875 г. и завершено в де-
кабре 1879 г. В начале 1880 г. сюда было переведено
Депо образцовых мер и весов. Много усилий В.С. Глу-
хов приложил для оснащения лабораторий Депо но-
вейшим метрологическим оборудованием: точнейши-
ми весами, барометрами, манометрами, термометра-
ми и пр. Штат Депо увеличился до 6 человек.
Проект В.С. Глухова оказал значительное влияние
на дальнейшее развитие метрологии и поверочного
дела в России, хотя и не был полностью осуществлен
при жизни автора.
Идеи А.Я. Купфера и В.С. Глухова были развиты и
претворены в жизнь Дмитрием Ивановичем Менде-
леевым — всемирно известным естествоиспытателем,
государственным деятелем, ученым энциклопедиче-
ского склада. 19 ноября 1892 г. он становится ученым-
хранителем Депо образцовых мер и весов. Обладая
большим опытом и являясь сторонником быстрого
промышленного подъема России, Д.И. Менделеев
первым определил ведущую роль метрологии в раз-
витии научно-технического прогресса и разработал
систему переустройства (реформу) всей метрологи-
ческой и поверочной службы страны. Претворение
в жизнь этой реформы стало одной из первоочеред-
ных государственных задач в период бурного разви-
тия капитализма и технического перевооружения
промышленности России на рубеже XIX-XX вв. Ре-
форма началась с преобразования Депо в Главную па-
лату мер и весов — первый научно-метрологический
и поверочный центр страны, с создания первокласс-
но оборудованной лабораторной базы. Значение
нового учреждения в жизни общества и его основную
задачу — обеспечение в государстве „единообразия,
верности и взаимного соответствия мер и весов"
определило Положение о Главной палате от 8 июня
1893 г. Для осуществления поставленной задачи
Д.И. Менделеев пригласил на работу высококвалифи-
цированных специалистов, которые основали в Глав-
ной палате школу метрологов.
Под руководством Д.И. Менделеева в Главной па-
лате была создана система национальных эталонов,
соответствующих мировому уровню науки и техники.
Работы начались с возобновления прототипов основ-
ных единиц — длины и массы — и установления точ-
ных соотношений между российскими и метрически-
ми эталонами. Это дало возможность подготовить
страну к постепенному переходу на международную
систему единиц.
Д.И. Менделеев сформулировал обширную про-
грамму работ в области фундаментальной физики,
предусматривающую определение ускорения (напря-
жения) силы тяжести, влияния формы и компактно-
сти тел на их вес, проверку закона сохранения мате-
рии и др.
Развитие новых областей науки и промышленно-
сти потребовало создания расширенной номенклату-
ры эталонов, а, значит, и организации специальных
лабораторий, таких как: термометрическая, маномет-
рическая, астрономическая, фотометрическая, хими-
ческая, газомерная и водомерная, магнитная, радио-
активная и др. Новые эталоны позволили впервые в
метрологической практике приступить в Главной па-
лате к испытаниям и поверке широкого спектра кон-
трольно-измерительных приборов: термометров,
электро-, водо-, газосчетчиков, манометров, динамо-
метров, калибров, пурок (хлебных весов) и др.
Важным этапом реформы явилась организация
производства образцовых и рабочих средств измере-
ний как в мастерских Главной палаты, так и на фабри-
ках и заводах страны. Их деятельность курировал сам
Д.И. Менделеев через Министерство финансов. Часть
оборудования и средств измерений для Главной пала-
ты ученый заказывал в лучших иностранных фирмах
(„Эртлинг", „Траутон и Симмс", „Сименс и Гальске",
„Рифлер"), с которыми он поддерживал творческие
контакты многие годы.
С целью изучения состояния поверочного дела в
стране по заданию Д.И. Менделеева в 1893-1897 гг. ин-
спекторы Главной палаты произвели внезапные реви-
зии в поверочных учреждениях, а также на почтамтах,
фабриках, заводах, в таможнях, кустарных мастерских
и в различных торговых заведениях. Как показали ре-
визии, в 15 губерниях поверка мер и весов вообще не
производилась, а в 56 хотя и производилась, но на край-
не низком уровне. Образцовые меры, как правило, бы-
ли неисправны, вместо них часто употреблялись обыч-
ные торговые меры и весы. Повсеместно практикова-
лось уравновешивание весов песком, камнями и т.п.
Поверка и клеймение зачастую имели случайный ха-
рактер и зависели от распоряжения полиции, торго-
вых смотрителей, покупателей.
Особую тревогу Главной палаты вызывало отсут-
ствие правильной организации контроля и низкий
уровень технических требований в учреждениях, про-
изводящих меры и измерительную технику. В резуль-
тате выпускаемые приборы, „продолжая быть това-
ром, почти перестали представлять из себя измери-
тельные приборы".
Все это подтверждало мысль Д.И. Менделеева о не-
обходимости создания поверочных учреждений ново-
го типа, находящихся в ведении Главной палаты. Ин-
спекторы Главной палаты провели большую работу,
связанную с определением городов, в которых пред-
полагалось открыть новые поверочные палатки в пер-
вую очередь. Они занимались также подбором кадров,
поисками специальных помещений, приобретением
необходимого оборудования и т.п. Результаты ревизий,
выводы и предложения Д.И. Менделеева, представлен-
ные им в докладных записках Министру финансов, по-
служили основанием для создания в 1897 г. Государст-
венной Комиссии при Департаменте торговли и ману-
фактур. В Комиссию вошли ученые, представители
19
общественных организаций и различных министерств:
Внутренних дел, Юстиции, Путей сообщения, Воен-
ного, Морского, Земледелия, Государственных иму-
ществ и др. Комиссия пришла к заключению о необхо-
димости принятия нового закона, отражающего про-
грамму мероприятий Д.И. Менделеева по созданию
научных основ метрологии и организации поверочно-
го дела в стране на новых началах. Положение о ме-
рах и весах, проект которого разработал Д.И. Менде-
леев, было Высочайше утверждено 4(16) июня 1899 г.
Так реформа Д.И. Менделеева получила свое законо-
дательное оформление.
Первая глава Положения — „О системе Российских
мер и весов“ характеризует воспроизведенные под ру-
ководством Д.И. Менделеева эталоны основных еди-
ниц — массы и длины (фунт и аршин), вводит новую
основную единицу — времени (сутки), утверждает пра-
вила их хранения и применения. Положение рассмат-
ривает также образцовые меры объема жидкостей и сы-
пучих веществ с их подразделениями и другие меры,
применяемые в практике (квадранты, десятины, кубы).
Согласно статье 11 впервые в России разрешается при-
менять наряду с основными российскими мерами мет-
рические — международные литр и килограмм.
Глава вторая — „Об учреждениях для поверки мер
и весов" определяет функции Главной палаты и воз-
лагает на нее обязанность обеспечения единства мер
и весов в стране, значительно расширяя сферу ее
влияния на местные поверочные учреждения. Уве-
личивается штат Главной палаты. В помощь управ-
ляющему назначаются: его помощник, механик, пять
старших и пять младших инспекторов, делопроизво-
дитель и по мере необходимости — нужное количест-
во сверхштатных инспекторов, а также вольнонаем-
ных лаборантов, писцов, мастеровых и рабочих. Впер-
вые в метрологической практике Главной палате
вменяется в обязанность подготовка специалис-
товметрологов и поверителей и разработка правил и
инструкций поверки для местных поверочных учре-
ждений. Также впервые Главной палате поручается
проводить испытания и поверку специальных изме-
рительных приборов, применяемых в торговле и про-
мышленности.
Важным нововведением в законодательство яви-
лось учреждение Положением поверочных палаток в
стране. Поверители, возглавившие палатки, обязаны
были выдержать особые испытания в знании метро-
логических приемов по программе Главной палаты.
Они же, как свидетельствовало Положение, пользо-
вались правами государственных служащих. Ежегод-
но поверочные палатки обязаны были представлять
в Главную палату отчеты о поверенных и забракован-
ных ими мерах.
Положение установило новые правила „о выдел-
ке, проверке и клеймении торговых мер и весов", ко-
торые приводились в главе третьей.
Последняя (четвертая) глава — „О надзоре за упот-
реблением торговых мер и весов" четко определила
права и обязанности государственных учреждений, ко-
торым поручен надзор за находящимися в обращении
мерами и измерительными приборами. Для осуществ-
ления контрольных функций Главная палата обязана
командировать раз в три года своих инспекторов в по-
верочные палатки для проведения внезапных ревизий
в казенных учреждениях, на почтовых железнодорож-
ных станциях, фабриках, заводах, в торговых и про-
мышленных заведениях. Результаты ревизий, как ука-
зывалось в Положении, должны публиковаться в изда-
ниях Главной палаты в виде отчетов.
Впервые законодательно были установлены и по-
вторные поверки (раз в три года), которые обязаны
были проводить поверители, командируемые в рай-
оны поверочных палаток. Им дано было право бес-
препятственного входа во все ревизуемые учрежде-
ния; чины полиции обязаны оказывать „...необходи-
мое содействие..." — гласила статья 49. „Виновные в
нарушении постановления о мерах и весах" подвер-
гаются уголовным наказаниям (ст. 51).
Новое положение предусматривало совершенст-
вование лабораторной и производственной базы как
Главной палаты мер и весов, так и местных повероч-
ных палаток, расширение номенклатуры поверяемых
ими средств измерений, установление тесных контак-
тов с промышленными предприятиями своих регио-
нов. Таким образом, создается единая государствен
ная система метрологических и поверочных органов,
которые стали играть важнейшую роль в развитии на-
учно-технического прогресса, обеспечивая единство
и верность измерений во всех сферах деятельности
страны — науке, промышленности, торговле.
Во исполнение Положения о мерах и весах 1899 г.
Министру финансов в виде опыта было предоставле-
но право открыть в 1900-1901 гг. по пяти поверочных
палаток в местностях по его усмотрению.
Вся подготовительная работа была поручена уп-
равляющему Главной палатой Д.И. Менделееву. По его
заданию инспектора Главной палаты определили го-
рода и учреждения, при которых предполагалось от-
крыть первые поверочные палатки, занялись поиском
помещений, техническим оснащением и подбором
кадров для палаток. Согласно требованиям Главной
палаты заведующие палатками должны были иметь
высшее образование, а поверители — среднее техни-
ческое, нередко приглашались в качестве заведующих
и отставные профессора.
Главная палата разработала и изготовила комплек-
ты образцовых средств измерений для местных пове-
рочных учреждений, а также всю научно-техническую
и методическую документацию, необходимую для их
деятельности.
По распоряжению Министра финансов С.Ю. Вит’-
те первые поверочные палатки были открыты в сен-
тябре-ноябре 1900 г. в городах: С.-Петербурге (2), Мо-
скве, Варшаве, с. Павлово с отделением в Нижнем
Новгороде. В 1901 г. открылись еще четыре повероч-
ные палатки — в Харькове, Туле, Нахичевани-на-До-
ну, Муроме, а также было преобразовано в самостоя-
тельную палатку Нижегородское отделение. Следую-
щие десять палаток открылись в 1902 г.: в Киеве,
Одессе, Вильно, Екатеринодаре, Риге, Казани, Сара-
тове, Екатеринославле, Екатеринбурге, Уфе. Всего
при жизни Д.И. Менделеева было создано 25 повероч-
ных палаток, последние пять (1905-1906 гг.) — в Яро-
славле, Курске, Астрахани, Тифлисе и Баку.
Однако не все планы удалось реализовать Д.И. Мен-
делееву — помешала Русско-японская война, а затем
смерть ученого. Так, он предполагал открыть на тер-
ритории России 150 поверочных палаток в районах,
20
где было развито фабричное и кустарное производст-
во мер и весов, и 12 так называемых „окружных лабо-
раторий", подобных Главной палате, для проведения
более сложных и точных испытаний новейших средств
измерений в пунктах, где было сосредоточено их про-
изводство (манометров, электрических, фотометриче-
ских, магнитных и других приборов).
Первая мировая война выявила слабые места оте-
чественной военной техники, что было связано с не-
достаточной ее унификацией. Дальнейшее развитие
как военной, так и других отраслей промышленности
потребовало от Главной палаты и поверочных учре-
ждений решения новых задач — разработки и внедре-
ния в промышленность нормативных документов,
стандартов и контроля за их соблюдением.
Итак, намеченный еще в дореволюционный пери-
од путь развития поверочного дела и стандартизации
доказал свою состоятельность и жизнеспособность
уже в новых политических и экономических услови-
ях послереволюционной России. Главная палата и по-
верочные палатки вступили в этот период, имея цен-
ное метрологическое оборудование и опытных высо-
коквалифицированных сотрудников, прошедших
серьезную школу в области теории метрологии, точ-
ного эксперимента и разработки нормативно-техни-
ческой документации, стандартов.
Реформа Д.И. Менделеева предначертала путь раз-
вития метрологии и поверочного дела на многие го-
ды и была претворена в жизнь усилиями его учени-
ков и последователей в 1920-1930-е гг.
Е.Б. Гинак
21
Календарь важнейших событий в истории
Российской метрологии
996 г. Устав князя Владимира о десятинах, судах и
о людях церковных
Поручение верховного надзора за мерами и весами епи-
скопам с обязательством „городские и торговые всякие
мерила...блюсти без пакости, ниумалити, ни множити..."
1134-1135 гг. Устав князя Всеволода Мстиславови-
ча о церковных судах, людях и мерилах торговых
Впервые упоминается о проведении ежегодной перио-
дической поверки мер и весов, находящихся под надзо-
ром епископа. За нарушения законных мер устанавлива-
лись жестокие наказания вплоть до смертной казни и
конфискация имущества.
21 декабря 1550 г. Грамота на Двину о новых печат-
ных мерах и осьминах (Двинская грамота)
Предписывала создание первых образцовых печатных
(орленых) мер объема для сыпучих тел — медных осьмин,
которые следовало хранить централизованно в приказах
Московского государства. С них надлежало изготовить
деревянные копии и, заклеймив их, разослать по уездам
для городских померщиков и торговцев „всякое жито ме-
рити“.
1649 г. Уложение царя Алексея Михайловича
Устанавливается сажень в 3 аршина, а верста 1000 сажен.
Землю повелевается измерять четвертями и десятинами.
22 апреля 1664 г. Новоторговый Устав
Предписывал русским людям держать в домах весы до
10 пудов, а безмены до 3 пудов, но не для продажи, а для
своего употребления; иноземцам никаких весов не дер-
жать, товары взвешивать только в таможнях, за приме-
нение ими незаконных весов налагались пени.
2 сентября 1679 г. Именной с боярским приговором
указ царя Федора Алексеевича
О сборе стрелецкого хлеба в клейменые меры с верхом и под
гребло
Предписывал изготавливать все меры равными; хлеб
принимать только на таможенных орленых мерах с вер-
хом под гребло. За употребление неуказанных и неклей-
меных мер определена смертная казнь.
1681 г. Наказ царя Федора Алексеевича
Большой Московской таможне о сборе таможенных пошлин
Все весы должны быть сходны с таможенными, заорле-
ными весами. Обязывал таможенного голову при вступ-
лении в должность поверять контари, терези, гири и фун-
ты. За найденные у торговцев воровские весы определя-
лась конфискация товаров и ссылка с семьей.
Иногородним торговым людям давали из таможни на вре-
мя торговли печатные железные аршины за пошлину;
при отъезде брали их обратно.
26 августа 1681 г. Наказ царя Федора Алексеевича
...о сборе померных пошлин
Предусматривал проведение как ежегодной поверки
торговых мер и весов в Померной избе, так и выбороч-
ной, устанавливал размеры померных пошлин. Осьми-
ны, полуосьмины и четверики у торговых людей долж-
ны быть верны против казенных заорленых медных мер,
хранящихся в Померной избе. Контроль за верностью
мер при проведении торговых операций обязаны были
осуществлять голова Померной избы, ларечный и цело-
вальники.
29 августа 1698 г. Наказ царя Петра Алексеевича
О сборе в Московской Большой таможне пошлин
С аршинов, выдаваемых из таможни, предписывалось
взимать аршинные сборы; незаконные аршины отби-
рать. Весы, контари и гири „приверить“ против новых
медных гирь, выданных из приказа Большой казны. Ста-
ростам наблюдать, чтобы у них в рядах весы и гири бы-
ли правильные. За найденные непрямые, воровские ве-
сы — жестокое наказание, лавки опечатать, товары ото-
брать и ссылка с семьей.
30 марта 1716 г. Устав Воинский царя Петра I
Устав воинских артикулов
Наказание за обмер и обвес — возвратить добро втрое
(которым обманул), взимать штраф и подвергнуть телес-
ному наказанию.
18 июня 1719 г. Указ Сенатский
О наблюдении порядка и чистоты по городу Санкт-Петер-
бургу
Запрещается продавцам иметь незаорленые весы и ме-
ры; за фальшивые меры и весы устанавливается штраф.
январь 1719 г. Инструкция или наказ Воеводам
Воеводам надзирать, чтобы в провинции весы и меры бы-
ли правдивые.
5 апреля 1722 г. Регламент об управлении Ад-
миралтейства и верфи и часть вторая регламента
Морского
В Адмиралтейской коллегии иметь правдивые весы и
аршины с клеймами, которые применять только для по-
верки остальных весов и мер длины каждые полгода, что
вменялось в обязанность контролеру. Учреждается долж-
ность вагмейстера и унтервагмейстеров; устанавливают-
ся правила для взвешивания разных материалов.
11 ноября 1744 г. Указ Сенатский
О поставке через каждые пятьсот сажен верстовых столбов
по Санкт-Петербургскому тракту.
Установлена верста в 500 сажен.
22
9 декабря 1745 г. Указ Сенатский
О рассылке из Камер-коллегии во все города заклейменных мед-
ных мер для хлеба и о взыскании штрафа с того, у кого ока-
жутся неуказные меры
Установлена четверть в 8 четвериков.
9 апреля 1773 г. Указ Сенатский
О рассылке из Камер-коллегии во все губернии, провинции и
города новых ведер в указанную меру
Изготовить новые ведра, выверить их указанным ведром
и, заклеймив, разослать в губернские канцелярии; кото-
рые, приведя старые ведра в указанную меру, разошлют
их в провинции, а те — в городские канцелярии.
16 сентября 1774 г. Указ Сенатский
О делании бутылок на стеклянных заводах
Из каждого ведра должно выходить 13 1/3 бутылок, на
которых необходимо ставить название фабрики, ее со-
держателя и год изготовления, и делать их по пробным
бутылкам. Бутылок в неуказанную пробу из-за моря не
ввозить, для чего пробные бутылки послать в Главную
над таможенными сборами канцелярию.
16 июня 1781 г. Именной указ, данный Сенату
Устав о соли
В каждый соляной магазин предписано было послать за-
свидетельствованные и клейменные медные весы. Учре-
дить в магистрате или ратуше контрольные весы, чтобы
покупщик соли мог на них поверить вес купленного то-
вара. Назначить специальных людей для разрешения спо-
ров между продавцом и покупщиком.
17 сентября 1781 г. Именной указ, данный Сенату
Устав о вине
Установить в каждом винном магазине засвидетельство-
ванные и клейменные в Казенной палате меры. Учредить
в магистрате или ратуше контрольные меры, чтобы по-
купщик вина мог той мерою поверить объем купленного
товара. Назначить специальных людей для разрешения
споров между продавцом и покупщиком. Подтверждает-
ся запрещение обмера или обмана в приеме или отпуске
при продаже вина.
29 апреля 1797 г. Именной указ, объявленный
Сенату генерал-прокурором
О высочайшем утверждении проекта об учреждении повсе-
местно верных весов, питейных и хлебных мер
Запрещается употребление обыкновенного российско-
го безмена (с переменной точкой опоры), вводится без-
мен с постоянной точкой опоры. Гири устанавливаются
шарообразные. За образец взят примерный фунт Монет-
ного двора, содержащий 96 золотников. Гири изготовить
в 1, 3, 9 и 27 фунтов и 1, 3, 9, 27 и 81 золотников; при
применении этих гирь пользоваться особой таблицей,
которую купцы и разносчики должны иметь при себе.
11 января 1798 г. Указ Сенатский
О предоставлении лития весов и мер одному Александровско-
му пушечному заводу
25 мая 1799 г. Указ Сенатский
О клеймении отливаемых на Александровском, Кронштад-
ском и Луганском заводах весовых гирь при тех заводах под
надзором тамошних начальников
28 июня 1810 г. Мнение Государственного Совета
Об изготовлении нужного числа аршинов для всеобщего упот-
ребления
Запрещалось применение старых аршинов и повсемест-
но вводились аршины нового образца. Для их изготов-
ления учреждалась фабрика аршинов под руководством
Р. Гайнама.
17 августа 1810 г. Разделение государственных дел по ми-
нистерствам
Устройство новых весов и мер составляет предмет ми-
нистерства внутренних дел, а клеймение и продажа их —
предмет министерства финансов.
18 декабря 1814 г. Указ Сенатский
О дозволении содержателям питейных сборов учредить для
употребления при продаже вина единообразные меры и о за-
клеймении оных в Казенной палате
21 мая 1823 г. Указ Сенатский, по мнению Госу-
дарственного Совета
О дозволении отливать весы и гири на казенных заводах Хреб
та Уральского
Правила отливки и клеймение весов и гирь. Клейма из-
готовлять на С.-Петербургском Монетном дворе.
13 декабря 1829 г. Высочайше утвержденная запис-
ка министра финансов
Об учреждении при С.-Петербургском Монетном дворе соб
ранил образцовых мер и весов главнейших иностранных госу-
дарств
2 августа 1832 г. О введении в Грузии и Закавказском
крае Российских мер и весов
11 октября 1835 г. Именной указ, данный Сенату
О системе Российских мер и весов
Установил основания Российской системы мер, утвердил
первые эталоны. Предусмотрел создание государствен-
ного учреждения для хранения основных образцов мер
и организацию централизованной регулярной поверки
мер и весов.
4 июня 1842 г. Именной указ, данный Сенату
Положение о весах и мерах
Впервые в истории отечественной метрологии установ-
лены основы государственной службы мер и весов. Вво-
дилась единая система мер на всей территории России
(с 1 января 1845 г.); учреждено первое государственное
метрологическое и поверочное учреждение России — Де-
по образцовых мер и весов, сформулированы функции
Депо и обязанности ученого хранителя, назначаемого из
членов Академии наук. Разработана система организации
надзора и поверки мер и весов; указаны министерства и
учреждения, которые обязаны были заниматься едино-
образием мер и весов в государстве, определены поря-
док хранения, правила применения, производства и по-
верки от эталонов до рабочих и торговых мер.
22 июня 1842 г. Распоряжение Министра финан-
сов графа Е.Ф. Канкрина
Назначение ученым-хранителем Депо образцовых мер и весов
академика АЛ. Купфера
20 февраля 1845 г. Положение Комитета министров
О производстве в С.-Петербурге поверки и клеймения весов и
гирь в Городской Думе, с распространением сего и на другие
города
15 августа 1845 г. Именной указ, данный Сенату
Уложение о наказаниях уголовных и исправительных
23
Вводятся наказания за употребление весов и мер, не
имеющих установленных клейм, или неверных, а также
за обмер или обвес.
12 июня 1860 г. Мнение Государственного Совета
О введении в употребление десятичных весов
1865 г. Назначение ученым-хранителем
Депо образцовых мер и весов профессора В.С. Глухова
28 февраля 1866 г. Мнение Государственного Совета
О введении в употребление в России весов Фербенкса
6 января 1869 г. Положение Комитета министров
О передаче дел о весах и мерах в ведение департамента тор-
говли и мануфактур с подчинением ему и Депо образцовых
мер и весов
21 апреля 1869 г. Мнение Государственного Совета
О разрешении изготовления аршинов частным лицам
1870-1872 гг. Деятельность Международной
метрической комиссии, разработавшей предложения
по заключению Метрической конвенции
9 февраля 1873 г. Положение Комитета министров
О передаче выверки и клеймения питейных мер и весов из Де-
по образцовых мер и весов в Поверочную экспедицию для ак-
цизных снарядов и губернские акцизные управления
20 мая 1875 г. Подписание Метрической кон-
венции полномочными представителями прави-
тельств 17 государств, в том числе России, на специ-
ально созванной дипломатической конференции
Создание Международной организации по мерам и весам
(МОМВ) и Международного бюро мер и весов (МБМВ)
январь 1880 г. Депо образцовых мер и весов пе-
реведено в новое здание (Забалканский пр., 19, ныне
Московский пр.), построенное по инициативе
В.С. Глухова в целях улучшения условий хранения эта-
лонов и научной постановки метрологических работ
сентябрь 1889 г. Первая Генеральная конферен-
ция по мерам и весам (ГКМВ). Распределение копий эта-
лонов метрической системы между государствами путем же-
ребьевки
19 ноября 1892 г. Назначение Д.И. Менделеева
Ученым хранителем Депо образцовых мер и весов
8 июня 1893 г. Мнение Государственного Сове-
та — Положение о Главной палате мер и весов
Реорганизация Депо образцовых мер и весов в Главную
палату мер и весов — первый научный метрологический
центр страны. Определены основные функции Главной
палаты и штаты.
3 июня 1894 г. Мнение Государственного Совета
Об обязательном употреблении в Туркестанском крае россий-
ских клейменых мер и весов
4 июня 1899 г. Мнение Государственного Сове-
та — Положение о мерах и весах
Определило основные направления проведения метро-
логической и поверочной реформы в России, представ-
ленные в четырех главах: „О системе Российских мер и
весов", „Об учреждениях для поверки мер и весов".
„О выделке, проверке и клеймении мер и весов", „О над-
зоре за употреблением торговых мер и весов". Учрежден
новый тип государственных поверочных учреждений —
поверочные палатки. Предусматривалось совершенство-
вание эталонной, лабораторной и производственной ба-
зы Главной палаты мер и весов, расширение номенкла-
туры поверяемых средств измерений, проведение испы-
таний новых типов измерительных приборов.
Разрешено факультативное применение метрических
мер в стране.
1900 г. Открытие поверочных палаток в го-
родах: Санкт-Петербурге (2), Москве, Варшаве, с. Пав-
лово
1901 г. Открытие поверочных палаток в го-
родах: Нижнем Новгороде, Туле, Нихичевани-на-До-
ну, Муроме
18 марта 1902 г. Мнение Государственного Совета
Об учреждении новых поверочных палаток и об изменениях в
действующих узаконениях о мерах и весах
Введены новые таксы. Клейма изготовляются Главной па-
латой. Расширяются права Главной палаты.
1902 г. Открытие поверочных палаток в го-
родах: Киеве, Одессе, Вильно, Владикавказе, Риге, Ка-
зани, Саратове, Екатеринославле, Екатеринбурге, Уфе
27 октября 1904 г. Именной указ Правительства
Сенату
Об учреждении министерства торговли и промышленности
Дела о мерах и весах переданы в ведение этого министер-
ства.
30 мая 1905 г. Мнение Государственного Совета
Обустройстве новых пяти поверочных палаток
1905-1906 гг. Открытие поверочных палаток в
городах: Ярославле, Курске, Астрахани, Тифлисе,
Баку
8 июля 1916 г. Закон Государственного Совета и Го-
сударственной Думы
Об изменении действующих узаконений о мерах и весах и об
установлении новых штатов Главной палаты мер и весов и
местных поверочных палаток
Новое положение о мерах и весах, Положение о Главной
палате мер и весов, штаты ее и местных поверочных па
латок.
14 сентября 1918 г. Декрет Совета Народных Комис-
саров РСФСР
О введении международной метрической десятичной систе-
мы мер и весов
Создание Межведомственной комиссии для повсемест-
ного внедрения в России метрической системы мер.
19 октября 1920 г. Декрет Совета Народных Комис-
саров РСФСР
О передаче Главной палаты мер и весов в ведение Научно-тех-
нического отдела ВСНХ РСФСР
6 октября 1921 г. Международное соглашение о
внесении изменений в Метрическую конвенцию и Рег-
ламент
Действие Метрической конвенции распространилось на
область электрических измерений.
' —....-...... - 24 - - ~ -
26 января 1922 г. Постановление СТО
Положение о Главной палате мер и весов
Создание в Главной Палате мер и весов двух институтов —
Метрологического и Поверочного — под единым руко-
водством Президента, избираемого Метрологическим
советом на 4 года.
27 января 1922 г. Постановление СТО
Положение о местных поверочных палатах мер и весов
28 сентября 1922 г. Декрет СПК РСФСР
О создании Комитета эталонов и стандартов при Главной
палате мер и весов
6 июня 1924 г. Постановление ЦИК и СНК СССР
Положение о мерах и весах
Заложило основы государственной службы мер и весов
на всей территории СССР и установило основные эта-
лоны страны — международный метр и килограмм. Обя-
зательной поверке и клеймению подлежали все меры и
весы, применяемые в торговле и промышленности.
21 июля 1925 г. Постановление СНК СССР
О признании Международной метрической конвенции, заклю-
ченной в Париже 20 мая 1875 г., имеющей силу для СССР
15 сентября 1925 г. Постановление СНК СССР
Об утверждении Положения о Комитете по стандар-
тизации при СТО - первом центральном органе по стандар-
тизации
1 января 1927 г. Завершение перехода России на
метрическую систему мер
6 августа 1930 г. Постановление СНК СССР
Об утверждении Положения о Всесоюзном комитете по стан-
дартизации при СТО
22 августа 1930 г. Постановление ЦИК и СНК
СССР
Передача Главной палаты мер и весов в ведение Всесоюз-
ного комитета по стандартизации при Совете Труда и
Обороны
11 июля 1931 г. Постановление СНК СССР
Реорганизация Главной палаты мер и весов во Всесоюзный
научно-исследовательский институт метрологии и стандар-
тизации — ВИМС
17 октября 1934 г. Постановление СНК СССР
Положение о Центральном управлении мер и весов при Все-
союзном комитете стандартизации. — Переименование
ВИМС во Всесоюзный научно-исследовательский институт
метрологии (ВНИИМ)
15 января 1935 г. Приказ Центрального управле-
ния мер и весов Всесоюзного комитета стандартиза-
ции при Совете Труда и Обороны СССР
Создание при ВНИИМ экспериментального завода “Эталон"
на базе мастерских по изготовлению и ремонту тачных из-
мерительных и контрольных приборов
26 июня 1936 г. Постановление СНК СССР
О реорганизации дела стандартизации.
Передача ЦУМВ со всеми учреждениями в систему НКВД
СССР. Образование Главного управления мер и весов
НКВД СССР.
5 сентября 1938 г. Постановление СНК СССР
Об упорядочении измерительного хозяйства СССР.
Образование Комитета по делам мер и измерительных
приборов при СНК СССР. Ликвидация Главного управ-
ления мер и весов
10 января 1945 г. Постановление СНК СССР
Присвоение Всесоюзному научно-исследовательскому инсти-
туту метрологии (ВНИИМ) имени основателя научной мет-
рологии Д.И. Менделеева
1960 г. Принятие XI Генеральной конфе-
ренцией по мерам и весам Международной системы
единиц (СИ) и утверждение ГОСТ 9867-71 “Междуна-
родная система единиц11
12 июля 1977 г. Приказ Госстандарта № 210
Преобразование ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Научно-про-
изводственное объединение „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева"
Создание первого в системе Госстандарта научно-произ-
водственного объединения — НПО „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева".
4 апреля 1983 г. Постановление СМ СССР
Об обеспечении единства измерений в стране
27 апреля 1993 г. Закон РФ „Об обеспечении един-
ства измерений11
Установил правовые основы обеспечения единства изме-
рений в РФ, регламентировал отношения государственных
органов управления РФ с юридическими и физическими
лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации,
ремонта, продажи и импорта средств измерений; защищал
права и законные интересы граждан от отрицательных по-
следствий недостоверных результатов измерений.
Государственные эталоны единиц измерений являются „ис-
ключительной федеральной собственностью, подлежат ут-
верждению Госстандартом России и находятся в его веде-
нии". Ответственность за „создание, совершенствование,
хранение и применение государственных эталонов" возло-
жена на государственные научные метрологические цен-
тры — научно-исследовательские метрологические инсти-
туты Госстандарта России.
10 июня 1993 г. Закон РФ „О сертификации продук-
ции и услуг"
Установил правовые основы обязательной добровольной
сертификации продукции и услуг, а также права, обязан-
ности и ответственность участников сертификации.
10 июня 1993 г. Закон РФ „О стандартизации"
Установил правовые основы стандартизации в РФ, обя-
зательные для всех государственных органов управления,
предприятий, предпринимателей, общественных объе-
динений. Определил меры государственной защиты ин-
тересов потребителей и государства посредством разра-
ботки и применения нормативных документов по стан-
дартизации.
12 февраля 1994 г. Постановление правительства
РФ „Об организации работ по стандартизации, обес-
печению единства измерений, сертификации продук-
ции и услуг"
7 мая 1999 г. Постановление правительства
РФ „Об утверждении Положения о Государственном
комитете РФ по стандартизации и метрологии"
25
Метрическая конвенция — основа мировой
системы обеспечения единства измерений
Измерения почти так же стары, как сама матери-
альная культура. В XIX в. прогресс естественных и тех-
нических наук, развитие экономики, производства,
торговых и культурных связей стран мирового сооб-
щества потребовали ликвидации существовавшего
разнобоя в применении единиц не только в пределах
одной страны, но и на межгосударственном уровне.
Идея унификации единиц и создания на их основе еди-
ной и общей для всех стран системы мер была под-
держана правительствами 17 стран, в том числе и Рос-
сии, ученые которой были в числе инициаторов ее
создания.
Метрическая конвенция оказала несомненное и су-
щественное влияние на научно-технический прогресс
во всех странах, так как благодаря ей была введена
метрическая система мер, азатем Международная сис-
тема единиц, что способствует успешному развитию
торговых, экономических и научно-технических свя-
зей между странами.
Разработка и применение метрической системы
мер сыграли выдающуюся роль не только в обеспече-
нии единства измерений между странами, но и спо-
собствовали становлению и развитию национальных
метрологических центров, да и в целом метрологии
как науки и одной из важнейших частей инфраструк-
туры любого современного государства.
Все аспекты жизни и деятельности современного
общества в определяющей степени зависят от точно-
сти, единства и достоверности измерений, будь то раз-
витие и внедрение новейших наукоемких технологий,
энергетика, здравоохранение, проблемы экологии,
торговля и т.п.
Выбор единиц, необходимых для измерения физи-
ческих величин, долгое время был произволен, что
привело к огромному их разнообразию. Так, например,
на рубеже XVIII-XIX в. в разных странах существова-
ло около 390 единиц массы (веса), называемых „фун-
том", и десятки различных единиц длины, называемых
„футом". Каждый немецкий город, каждая провинция
Италии, каждый швейцарский кантон, как и многие
губернии России, имели свои собственные меры. С раз-
витием торговли и промышленности различия в еди-
ницах, применяемых для практических измерений,
стали создавать большие неудобства, что привело к
идее создания единой для всех системы мер.
Такая система под девизом „На все времена, для
всех народов" была разработана в конце XVIII в. фран-
цузскими учеными. 8 мая 1790 г. Национальное собра-
ние Франции приняло декрет о реформе системы мер
и поручило Парижской Академии наук выполнить не-
обходимые подготовительные работы. Так было поло-
жено начало разработке метрической системы мер.
„Для создания истинно философской системы мер, ко-
торая была бы достойна просвещенного века, нельзя
допускать ничего, что не покоилось бы на прочных ос-
нованиях, что не связано теснейшим образом с пред-
метами неизменными, ничего, что могло бы впослед-
ствии зависеть от людей и от событий, надо обратить-
ся к самой природе, почерпнув основу системы мер в
ее недрах, и суметь найти в ней же способы поверки"
— так определил программу создания новой системы
член международной комиссии ван Свинден, которая
в 1799 г. утвердила прототипы метрических мер.
В 1975 г. — в столетний юбилей Метрической кон-
венции, мы говорили о необходимости создания но-
вых эталонов: метра — на основе высокостабилизиро-
ванных лазеров, вольта — на эффекте Джозефсона,
ома — на эффекте Холла и др.
Прошло 25 лет, и мы имеем разительные итоги
фундаментальных исследований и их реализации.
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были разработа-
ны, одобрены Президиумом Академии наук и реализо-
ваны в течение этих лет Программа фундаментальных
исследований по метрологии, Программа развития
эталонной базы страны, созданы вышеупомянутые эта-
лоны, а также единый эталон времени, частоты и дли-
ны, эталон кельвина и др. Введен в действие уникаль-
ный метрологический комплекс ВНИИМ в г. Ломоно-
сове (Ленинградская обл.).
Волей ученых-метрологов и профессуры крупных
Технических Университетов России была создана Рос-
сийская Метрологическая академия. Созданы новые
инженерные комплексы в Москве, Казани, Новоси-
бирске, Екатеринбурге и других городах России.
В 1999 г. мы отмечали столетие Менделеевской ре-
формы в России, а 20 мая 2000 г. исполнилось 125 лет
со дня подписания первого межправительственного
соглашения в области метрологии — Метрической
конвенции.
Специальная комиссия Парижской Академии наук
в составе Жана Борда, Жозефа Лагранжа, Пьера Лап-
ласа и других известных ученых предложила принять
за единицу длины одну сорокамиллионную часть ме-
ридиана, проходящего через Париж. Для практическо-
го определения единицы длины была выбрана длина
дуги меридиана между Дюнкерком — приморским го-
родом Северной Франции — и Барселоной — испан-
ским городом на берегу Средиземного моря. С самого
26
начала разработки системы мер Комиссия Парижской
Академии наук установила десятичное основание сис-
темы мер, оказавшееся чрезвычайно удобным, по-
скольку оно совпадает с основанием широко распро-
страненной десятичной системы счисления. Она по-
лучила название метрической, от греческого слова
„метрон", что означает мера.
В апреле 1795 г. Национальный Конвент Франции
принял Закон о новых мерах и весах, который устано-
вил основную единицу длины — метр как одну десяти-
миллионную часть четверти земного меридиана и про-
изводные единицы, в том числе литр как меру объема
для жидкостей и сыпучих тел, равную кубу с ребром
0,1 м, грамм как вес чистой воды в объеме куба с реб-
ром 0,01 м. Был введен временный эталон метра, из-
готовленный из латуни учеными Борда и Бриссоном.
Через четыре года был изготовлен платиновый
прототип метра в виде бруска прямоугольного сече-
ния. Единица массы была определена как масса куби-
ческого дециметра чистой воды при температуре 4 °C,
и был изготовлен прототип килограмма из платины,
представляющий собой цилиндрическую гирю, диа-
метр основания которой равен высоте. Оба прототи-
па были переданы на хранение в Националвный Ар-
хив Франции и получили название „архивный метр'1
и „архивный килограмм".
Метрическая система с самого начала была заду-
мана как международная, ее единицы по размеру и на
именованию не совпадали с национальными едини-
цами какой-либо страны, поэтому ее принятие не ста-
вило ни одну страну в привилегированное положение.
Несмотря на очевидные преимущества Метриче-
ской системы, потребовалось почти столетие для ее
официального международного признания. Причину
этого положения можно почерпнуть из замечатель-
ной мыс ли: „Пока жизнь народов оставалась замкну-
той в оамки местных интересов, пока единство чело-
веческого рода, провозглашенное деятелями Француз-
ской революции, оставалось лишь философским
понятием, нс имевшим прочной опоры в условиях ре-
альной жизни, до тех пор ни у одной нации не было
достаточного основания для того, чтобы сменить при-
вычные меры на новые".
Необходимость международной унификации еди
ниц наглядно продемонстрировали Всемирные про-
мышленные выставки, где разнообразие мер загрудня
ло сравнение характеристик экспонатов. В 1867 г. на
Парижской выставке был образован Международный
Комитет мер, весов и монет. В состав Комитета вошел
российский академик Б.С. Якоби, занимавшийся раз-
работкой вопросов единообразия мер и весов. Он под-
готовил доклад о пользе Метрической системы.
В 1869 г. Б.С. Якоби выступил на съезде Британско-
го научного общества в Экзетере с инициативой Рос-
сийской Академии наук о создании международной ко-
миссии для обсуждения всех вопросов, касающихся
метрической системы. Это предложение поддержали
ученые Германии и Франции, и оно было принято Па-
рижской Академией наук.
Французское правительство обратилось ко всем го-
сударствам с просьбой направить ученых для работы
в Международной метрической комиссии. От России
в состав Комиссии, кроме Б.С. Якоби, вошли акаде-
мики О.В. Струве и Г.И. Вильд.
Комиссия собиралась дважды, в 1870 и 1872 гг. Она
определила порядок изготовления метрических этало-
нов и подготовила предложения по заключению меж-
дународной конвенции. В ознаменование успешной ра-
боты комиссии по заказу правительства Франции в
1872 г. на Севрском фарфоровом заводе были изготов-
лены именные вазы с дарственными надписями. Они
были преподнесены в дар членам Международной мет-
рической комиссии за большой вклад в подготовку под-
писания Метрической конвенции. Ваза, врученная
Б.С. Якоби, занимает ныне почетное место в экспози-
ции Метрологического музея Госстандарта России при
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге.
20 мая 1875 г. в Париже на специально созванной
дипломатической конференции состоялось подписа-
ние Метрической конвенции, целью которой было
обеспечение единства измерений длины и массы и
дальнейшее совершенствование метрической системы
мер. Конвенцию подписали полномочные представи-
тели правительств 17 государств: Германии, Австро-
Венгрии, Бельгии, Аргентины, Дании, США, Испании,
Франции, Италии, Перу, Португалии, России, Швеции,
Норвегии, Швейцарии, Турции и Венесуэлы. От Рос-
сии конвенцию подписал советник Посольства России
в Париже Григорий Окунев, кавалер Орденов России
Святой Анны 1 й степени, Святого Станислава 1 -й сте-
пени, Святого Владимира 3-й степени, Командор Ор
дена Почетного Легиона Франции и Т.д. В состав Рос-
сийской делегации входил академик ГИ. Вильд. кото-
рый затем в течение 20 лет представлял нашу страну в
Международном Комитете мер и весов.
К настоящему времени Конвенцию подписали
48 стран, в которых сосредоточено 95 % мирового
промышленного капитала.
В соответствии с Метрической конвенцией в
1875 г. впервые была создана Международная органи-
зация по мерам и весам и действующее под ее эгидой
научное учреждение — Международное бюро мер и ве-
сов (МБМВ), для которого в предместье Парижа, в
Севре, Правительство Франции предоставило павиль-
он Бретсйль.
МБМВ было первым международным научно-ис-
следовательским учреждением, существующим при
поддержке стран, подписавших Конвенцию, и веду-
щим исследования по совместно вырабатываемым
программам в области метрологии.
Высшим международным органом по вопросам ус-
тановления единиц, их определений и методов воспро-
изведения была определена Генеральная Конферен-
ция по мерам и весам, которая избирает Международ-
ный Комитет мер и весов (МКМВ), руководящий
работой всей организации в промежутках между Гене-
ральными конференциями.
Первоначально основной задачей МБМВ являлось
изготовление и распределение между странами-уча-
стницами Метрической конвенции идентичных эта-
лонов метра и килограмма, хранение международных
прототипов п сличение эталонов. При этом предпо-
лагалось, что эти эталоны будут изготовлены на ос-
нове „архивных" метра и килограмма 1799 г. Изготов-
ление эталонов и их сличение с „архивными" прото-
типами было закончено к 1889 г. В качестве материала
был использован платино-иридиевый сплав, получен-
ный Сен-Клер-Девиллем. Было изготовлено 34 копии
метра и 43 копии килограмма. В 1889 г. на первой
Генеральной конференции по мерам и весам они бы-
ли распределены между государствами путем жеребь-
евки. Академик Г.И. Вильд и профессор О.А. Баклунд
получили для России по два экземпляра копий между-
народных эталонов метра (№ 11 и 28) и килограмма
(№ 12 и 26), которые ныне хранятся во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева.
К этому времени в России уже был проведен ряд
мероприятий по пропаганде метрической системы.
В 1867 г. великий русский ученый Д.И. Менделеев вы-
ступил с „Заявлением о метрической системе" на Пер-
вом съезде русских естествоиспытателей, в котором
подчеркнул ее преимущества и призвал к широкому
изучению и применению, считая, что „введение мет-
рической системы должно относить к разряду эконо-
мических мер, потому что допущение ее сберегает
время работы материальной и умственной". Вопрос
о введении метрической системы обсуждался и на
съезде русских фабрикантов и заводчиков в 1870 г., где
была принята резолюция о необходимости постепен-
ного введения в России метрической системы. Для
распространения сведений о метрической системе в
1872 г. в Москве была устроена специальная метриче-
ская выставка. В 1876 г. Людвиг Нобель, родной брат
учредителя Нобелевской премии Альфреда Нобеля,
представил в совет Русского Императорского техни-
ческого общества докладную записку о введении мет-
рической системы и внес крупное пожертвование на
проведение мероприятий, необходимых для перехо-
да на новую систему единиц. Часть средств была из-
расходована на издание книги профессора
О.Д. Хвольсона „О метрической системе мер и весов
и ее введении в России".
Огромное значение для практического перехода
России на метрическую систему мер имели работы,
проведенные Д.И. Менделеевым в возглавляемой им
Главной палате мер и весов. Изготовленные новые об-
разцы мер длины и массы (аршина и фунта) были тща-
тельно сличены с копиями международных прототи-
пов метра и килограмма, и их значения были выраже-
ны в метрических мерах с высокой точностью.
В новом законе „Положение о мерах и весах" от
4 июня 1899 г., подготовленном Д.И. Менделеевым,
впервые в России разрешалось применение в торго-
вых и иных операциях наравне с российскими мера-
ми международных метрических мер, однако факуль-
тативно, по соглашению договаривающихся сторон.
О результатах метрологических исследований
Д.И. Менделеев дважды докладывал в МКМВ — в
1897 г. о соотношении русских, английских и метри-
ческих мер (на основании своих работ по возобнов-
лению прототипов) и в 1900 г. о факультативном вве-
дении метрической системы в России.
Российские ученые А.Я. Купфер, Г.И. Вильд,
Б.С. Якоби, О.В. Струве, В.С. Глухов, Д.И. Менделеев
внесли значительный вклад в пропаганду и развитие
метрической системы в международном масштабе и
создали прочный фундамент для дальнейшего полно-
го перехода России на новую систему единиц физиче-
ских величин.
14 сентября 1918 г. Совет Народных Комиссаров
РСФСР издал Декрет „О введении международной
метрической системы мер и весов". Для проведения
мероприятий, связанных с переходом на метриче-
скую систему единиц, была создана Межведомствен-
ная комиссия во главе с управляющим Главной пала-
той мер и весов профессором Н.Г. Егоровым. Ведущая
роль в разработке научно-технической документации
и внедрении метрической системы в практику при-
надлежала сотрудникам Главной палаты мер и весов
и поверочных учреждений. Переход России на мет-
рическую систему мер был завершен к 1927 г.
В новых условиях научного и промышленного раз-
вития Метрическая конвенция была уточнена между-
народным соглашением, подписанным в Севре 6 ок-
тября 1921 г. Это было сделано для того, чтобы рас-
пространить действие Метрической конвенции на
область электрических измерений, в связи с чем
МБМВ поручалось установление и хранение эталонов
единиц электрических величин, а также сличение с
этими эталонами национальных эталонов. Одновре-
менно МБМВ были поручены работы и по определе-
нию физических констант, более точное знание ко-
торых могло бы послужить повышению точности из-
мерений длины, массы, температуры, электрических
и других величин.
Дальнейшее развитие метрологии привело к созда-
нию Международной системы единиц SI (СИ), кото-
рая была принята ГКМВ в 1960 г. как современная фор-
ма развития метрической системы мер в соответствии
с требованиями научно-технического прогресса.
Участие ученых и специалистов-метрологов Рос-
сии в подготовке материалов для Генеральных Кон-
ференций по мерам и весам, в работе Консультатив-
ных Комитетов МКМВ (и их рабочих групп), в обсуж-
дении и формировании программ международного
сотрудничества, а также в проведении ключевых сли-
чений эталонов крайне необходимо. В настоящее вре-
мя образовано десять Консультативных Комитетов
МКМВ: по электричеству и магнетизму, фотометрии
и радиометрии, термометрии, по измерению длины,
определению времени и частоты, измерению иони-
зирующих излучений, по единицам, по массе и связан-
ным с ней величинам, по количеству вещества, по аку-
стике, вибрации и ультразвуку.
Работа в рамках Консультативных Комитетов про-
водится силами специалистов ведущих метрологиче-
ских лабораторий мира при осуществлении коорди-
нации со стороны МКМВ. Членами Консультативных
Комитетов МКМВ от Российской Федерации являют-
ся специалисты ВНИИМ им. Д.И. Менделеева,
ВНИИФТРИ и ВНИИОФИ.
Это позволяет отстаивать интересы нашей стра-
ны при подготовке проектов документов к ГКМВ, под-
держивать эталонную базу России и проводимые из-
мерения, калибровку, испытания и сертификацию на
соответствующем мировом уровне, который обеспе-
чивает доверие зарубежных партнеров в торговых
операциях и при научно-техническом сотрудничест-
ве. Российские ученые принимали активное участие
в работе Международной организации по мерам и ве-
сам со дня ее основания.
За прошедшие 125 лет было выполнено много ра-
бот по повышению точности измерений, использова-
нию новых достижений физики для воспроизведения
единиц, обеспечению международного единства из-
мерений, унификации терминологии и символики.
28
Дальнейшее развитие принципов и правил Мет-
рической конвенции получило в резолюциях 21-й Ге-
неральной конференции по мерам и весам, состояв-
шейся в октябре 1999 г. Международным комитетом
по мерам и весам была подготовлена „Договоренность
о взаимном признании национальных измерительных
эталонов и сертификатов калибровки и измерений,
выдаваемых национальными метрологическими ин-
ститутами", которая была подписана на Генеральной
конференции директорами 37 Национальных метро-
логичегких институтов государств — членов Метри-
ческой конвенции, от России — заместителем Пред-
седателя Госстандарта России В.Н. Крутиковым.
Необходимость решения многочисленных вопро-
сов, представляющих интерес и предмет озабоченно-
сти национальных правительств, продолжает усили-
вать требования к обеспечению международного
единства измерений и повышает значимость аккре-
дитации и международного признания услуг по изме-
рениям и испытаниям К таким вопросам относятся:
явные тенденции в сторону глобализации мировой
торговли, международного совместного производст-
ва товаров; увеличение технической сложности боль
шинства товаров и услуг, возросшая забота о здоро-
вье, безопасности и проблемы охраны окружающей
среды. Последние торговые соглашения между стра-
нами и регионами фактически требуют от всех под-
писавших Договоренность сторон признания резуль-
татов измерений и испытаний, проводимых любой
другой стороной. Такое возросшее внимание к важ-
ности степени эквивалентности измерений и услуг ис-
пытательных служб для торговли имеют далеко иду-
щие последствия в отношении национальных и меж-
дународных измерительных систем. Это и является
предпосылкой, определяющей будущие националь-
ные потребности, относящиеся к метрологии, и буду
щие потребности в международном сотрудничестве.
К аспектам метрологии, которые требуют непрерыв-
ного, зачастую усиленного международного сотрудни-
чества, относятся: соглашения по определению и реа-
лизации единиц измерения, создание национальных
измерительных эталонов, обладающих такой стене
нью эквивалентности, которая подтверждается на ме-
ждународном уровне, аккредитация лабораторий, за
конодательная метрология и нормативная документа-
ция. Существенно важно, чтобы многостороннее
сотрудничество в этих областях исследований осуще-
ствлялось как в глобальном масштабе, так и на регио-
нальных уровнях.
Доверие к измерениям является существенной
предпосылкой для международной торговли и облег-
чает выполнение почти любой задачи, стоящей перед
промышленно развитым миром. В большой степени
это доверие уже существует и основывается на систе-
ме СИ, которая является краеугольным камнем меж-
дународной системы измерений в том виде, в каком
она реализуется Национальными метрологическими
институтами.
Цели Договоренности—установить степень экви-
валентности национальных измерительных эталонов,
поддерживаемых Национальными метрологически-
ми институтами (НМИ); обеспечить взаимное призна-
ние сертификатов калибровки и измерений, выдавае-
мых НМИ; тем самым обеспечить правительства и
другие авторитетные органы надежной технической
базой для заключения более широких Договоренно-
стей в отношении международной торговли, коммер-
ческой деятельности и делах, связанных с составле-
нием нормативной документации.
В качестве процесса реализации Договоренности
предлагается проведение международных сличений
национальных эталонов, называемых ключевыми сли-
чениями, а также демонстрирование компетентности
НМИ и их систем качества. Результатом должны слу-
жить сведения об измерительных возможностях каж-
дого НМИ, вводимые в базу данных, поддерживаемую
в МБМВ и общедоступную через сеть Интернет.
Подписание Договоренности ставит перед Госу-
дарственными научными метрологическими центра-
ми Госстандарта России новую важную и крупную за-
дачу успешного участия в проведении ключевых сли-
чений национальных эталонов по всей номенклатуре
сличений, намеченной Консультативными Комитета-
ми МКМВ.
Как известно, национальная система обеспечения
единства измерений в любой промышленно развитой
стране основывается на принятой в ней в законода-
тельном порядке национальной системе единиц из-
мерений и национальных (государственных) этало-
нах, воспроизводящих эти единицы, размеры кото-
рых передаются рабочим средствам измерений,
используемым в промышленности, торговле, науке,
медицине и т.д. Государственные эталоны являются
национальным достоянием и их состояние определя-
ет уровень научного, технического и культурного раз-
вития страны.
В настоящее время в соответствии с Законом Рос-
сийской Федерации „Об обеспечении единства изме-
рений", принятым в 1993 г., „Государственные этало-
ны единиц величин являютс я исключительной феде-
ральной собственностью, подлежат утверждению
Госстандартом России и находятся в его ведении". От-
ветственность за „создание, совершенствование, хра-
нение и применение государственных эталонов еди-
ниц величин" возложена на государственные научные
мет рологичеекие центры - - научно-исслсдоватсльские
метрологические институты Госстандарта России.
Эталонная база России ьа данный момент имеет в
своем составе 118 государственных эталонов и более
300 вторичных эталонов, обеспечивающих единство
и требуемую точность не только в нашей стране, но и
в большинстве стран ближнего зарубежья, исходные
эталоны которых поверяются по государственным эта-
лонам Российской Федерации. Эталонная база России
является, с одной стороны, самостоятельной и неза-
висимой, а с другой — адаптированной в европейскую
и мировую системы обеспечения единства измерений.
Полученные за последнее время результаты сличений
) 1ациональных эталонов России с лучшими зарубежны-
ми эталонами подтверждают их высокую точность и
правильность воспроизведения единиц и позволяют
утверждать, что, несмотря на имеющиеся в стране
трудности переходного периода, эталонная база Рос-
сии остается одной из самых развитых в мире.
Государственные эталоны России служат для вос-
произведения единиц физических величин, поэтому
структура эталонной базы России отражает структуру
системы единиц физических величин СИ, принятой
29
и применяемой в международной практике. Основу
эталонной базы России составляют государственные
первичные эталоны основных единиц СИ: метра, ки-
лограмма, секунды, ампера, кельвина и канделы.
Дальнейшее совершенствование эталонной базы
России должно отвечать потребностям народного хо-
зяйства страны и осуществляться на основе послед-
них достижений науки и техники по трем основным
направлениям:
— обоснованное увеличение числа эталонов еди-
ниц физических величин;
— расширение диапазонов измерений;
— повышение точности воспроизведения единиц,
в том числе за счет использования макроскопических
квантовых эффектов и наиболее устойчивых природ-
ных явлений, а также передачи их размеров нижестоя-
щим по точности средствам измерений.
Эталонная база России является центральным зве-
ном сист емы метрологического обеспечения при ре-
шении важнейших хозяйственных и научно-техниче-
ских задач в областях энергоресурсосберегающих тех-
нологий межотраслевого применения, обеспечения
безопасности продукции, производств, населения и
объектов, экологии, рационального природопользо-
вания и здравоохранения.
Важной задачей в области обеспечения единства
измерений ь стране является не только дальнейшее
совершенствование и оптимизация эталонной базы
страны, но и техническое переоснащение территори-
альных органов Государственной метрологической
службы Госстандарта России — Центров стандартиза-
ции, метрологии и сертификации — современными
эталонными средствами измерений.
Следует отметить также необходимость активиза-
ции деятельности Российской Федерации не только
в органах международных организаций по метроло-
гии, но и в рамках СНГ, а также Региональной метро-
логической организации КООМЕТ.
Таким образом, можно придти к выводу, что Мет-
рическая конвенция как основа мировой системы
обеспечения единства измерений развивается с уче-
том потребностей мирового сообщества, не является
догмой и успешно будет выполнять свои функции и в
будущем.
Г.П. Воронин
30 ----
Вклад российских ученых-метрологов в
деятельность органов Метрической конвенции
Оценивая подписание первого в международной
практике глобального межправительственного Согла-
шения и создание первой международной организа-
ции — организации Метрической конвенции, мы пре-
жде всего воздаем дань благодарной памяти тем, кто
стоял у истоков ее создания, и тем, кто на протяже-
нии 125-летнего периода существования нашего мет-
рологического сообщества вносил, внес и вносит
вклад в ее развитие в соответствии с требованиями
научной, технологической и гуманитарной практики
мирового сообщества.
Здесь в кратком историческом экскурсе показана
деятельность российских ученых по созданию и уча-
стию в реализации Международной системы единст-
ва измерений.
Начать необходимо с того, что в России еще за-
долго до возникновения промышленного производ-
ства и неразрывно связанного с ним развития произ-
водительных сил и производственных отношений по-
степенно, к концу XVII в., складывалась единая
общерусская система мер, изготовлялось оборудова-
ние в виде образцовых мер с оттиском царского ор-
ла, возникли и попытки метрологического надзора.
Появляются книги с довольно полным описанием дей-
ствующей метрологической системы.
На базе этого Сенат в 1736 г. образовал Комиссию
мер и весов с целью создания образцовых мер, опи-
рающихся на твердое основание, заданное самой при-
родой в виде некоторой единицы, а затем выражения
через нее единицы других величин. И, кроме того,
предполагалось ввести десятичный принцип деления
единиц системы. Это — не оговорка! Речь шла имен-
но о том самом принципе, который 60 лет спустя бу-
дет провозглашен французским Конвентом и ляжет в
основу метрической системы. Документы об этом хра-
нятся в деле Правительственного Сената (ф. 248,
кн. 1/1656, лист 578). Основную единицу — сажень —
задумано было привести к градусной мере земного ша-
ра, т.е. сделать то, что позднее стало основанием ус-
тановления метра. Эту работу должна была выпол-
нить Академия наук. Она ее не сделала. К сожалению,
характерно было для старой России: блестящий взлет
замысла окончился ничем.
Только через 100 лет после комиссии, „замыслив-
шей великое1*, но сделавшей „малое", был издан Указ
Сената, узаконивший Положение о мерах и весах
1842 г. В соответствии с ним было создано первое го-
сударственное учреждение России — Депо образцо-
вых мер и весов.
В статье Т.П. Воронина показаны шаги и действия
крупных российских ученых, явившихся одними из
инициаторов разработки и подписания Метрической
Конвенции, — Б.С. Якоби, О.В. Струве, Г.И. Вильда,
практическая деятельность Д.И. Менделеева по под-
готовке перехода к метрической системе, учеников и
продолжателей его дела на посту руководителей Глав-
ной палаты мер и весов. Интенсивность метрологи-
ческих работ, обусловленных научно-техническим
прогрессом, потребовала расширения органов МК.
С первых шагов деятельности МКМВ представи-
тели России оказываются в числе тех 18 иерархов ми-
ровой метрологии, которым доверяется принимать
решения по кардинальным проблемам ее развития.
Последовательно нашу страну представляли:
1875-1895 гг. — Г.И. Вильд
1895-1901 гг. — Д.И. Менделеев (с 1901 по 1907 гг. —
Почетный член)
1901-1919 гг. — Н.Г. Егоров
1927-1929 гг. — Д.П. Коновалов
1929-1948 гг. - М.А. Шателен
1951-1954 гг. — А.П. Кузнецов
1954-1966 гг. — Г.Д. Бурдун
1966-1969 гг. — И.И. Новиков
1969-1978 гг. — Б.М. Исаев
1978-1986 гг. — В.И. Кипаренко
1986-1990 гг. — А.И. Механников
1990-1994 гг. — В.И. Пустовойт
1994-1998 гг. - Ю.В. Тарбеев
1998 г. — по настоящее время — Л.К. Исаев.
Все они активно и плодотворно трудились в МКМВ,
используя свое членство в руководящем органе Конвен-
ции для развития и укрепления международного со-
трудничества, постановки и реализации актуальных на-
учных проблем.
31
В целом глубока история и широка география
международного сотрудничества российских ученых
от его истоков — Главной Палаты мер и весов — до
настоящего времени. История Главной Палаты,
ВНИИМ, других метрологических институтов — это
125-летняя история контактов людей, рождения и
совместного взращивания научных идей, это история
сотрудничества видных и выдающихся русских уче-
ных с крупнейшими физиками и метрологами
Франции, Германии, Англии, Италии, Америки, Ки-
тая, научных центров многих европейских и других
стран.
Особенно интенсивно ведутся международные ра-
боты в последние годы. Историков метрологии хоте
лось бы просить систематизировать одни только Со-
общения ВНИИМ Консультативным Комитетам
МКМВ. Их можно будет насчитать не один десяток в
моменты подготовки важнейших решений МКМВ и
Генеральных ассамблей. Так было в 30-е гг., когда
ВНИИМ предложил создать ККЭ, в тридцатые и со-
роковые годы — при подготовке МПТШ, подготовке
и переходу на новое определение метра, в пятидеся-
тые и восьмидесятые — опять-таки по МТ Ш, по мет-
ру, по вольту, ому, по единицам величин и т.п.
Вот факты: первая сессия Консультативного Коми-
тета по электричеству (Париж, 1928 г.) вынесла Поста-
новление об установлении единой абсолютной систе-
мы электрических сди; шц и выразила пожелание, что-
бы национальные метрологические институты
продолжали работы по определению соотношений ме-
жду абсолютными и международными единицами, про-
водя при этом систематические сличения эталонов,
воспроизводимых в различных странах. Принимая ак-
тивное участие в работе международных метрологи-
ческих органов, Главная Палата еще в 1926 г. начала
сличения своих эталонов с эталонами метрологиче-
ских учреждений Англии, Германии, США. Франции
и Японии. Эти работы продолжались до 1930 г., когда
Главная Палата была в числе четырех национальных
институтов, представивших в Консультативный Коми-
тет по электричеству доклады о результатах сличений
и соображения о дальнейшей работе.
В 1930-1932 гг., в порядке выполнения междуна-
родных обязательств, А.К. Колосов произвел новое
определение электродвижущей силы основной груп-
пы нормальных элементов Вестона при помощи се-
ребряного вольтаметра.
Аналогичные работы были проведены и в других
странах, причем они привели к значительному умень-
шению расхождений между значениями международ-
ного вольта в разных странах. Эти работы, а также ра-
боты по измерению международных ома и ампера в
абсолютных единицах, проводившиеся в некоторых
национальных метрологических лабораториях, по-
зволили третьей сессии Консультативного Комитета
по электричеству (1933 г.) принять решение о пере-
ходе к абсолютным практическим единицам с 1935 г.
В последующем ККЭ будет играть одну из ведущих
ролей в связи с совершенствованием электрических и
магнитных единиц. В послевоенные годы это работы
по новому определению и воспроизведению ампера,
ФФК и воспроизведению электрических и магнитных
величин. Эти работы были выполнены Б.М. Яновским,
Н.В. Студенцовым, Г.К. Яголой. Методика расчета и
согласования ФФК — С.В. Горбацевич, К.А. Краснов,
В.С. Тунинский, В.Я. Шифрин, В.Н. Хорев.
Серьезные работы в области метрологии темпе-
ратурных измерений относятся к 20-м гг., когда была
создана термометрическая лаборатория. В 1925 г. соз-
дана лаборатория высоких температур, а в начале
30-х гг. — лаборатория низких температур. Активный
вклад ВНИИМ в развитие международной шкалы тем-
ператур начался после Великой Отечественной вой-
ны При подготовке новой шкалы МПТШ-68 во
ВИИИМ были получены важные результаты с помо-
щью газового термометра в интервале темпера тур 232-
1064 °C (И.И. Киренков, А.Н. Гордов, К.С. Израилов,
УВ. Дейков--ККТ, 1962 г.). Эти результаты измерения
термодинамических температур были учтены 11ри при-
нятии шкалы МПТШ 68.
Наряду с этими классическими работами, во
ВНИИМ были предложены и реализованы такие но-
вые методы измерения термодинамических темпера-
тур, как акустический и шумовой термометры
(А.Д. Бродский, П.П. Кремлевский, А.В. Саватеев —
ККТ, 1962 г.). Эти методы и в настоящее время явля-
ются одними из основных для уточнения термодина-
мических температур.
В 50-е гг. во ВНИИМ был создан высокотемпера-
турный платиновый термометр сопротивления (ВТС)
и впервые предложено интерполяционное уравнение
для построения шкалы выше 630 °C (Г.М. Кондрать-
ев, Б.И. Пилипчук —ККТ, 1954 г.). Высокотемператур-
ный платиновый термометр сопротивления конструк-
ции ВНИИМ и сегодня признан самым стабильным
термометром.
Работа ВНИИМ по исследованию ампул тройной
точки воды (ТТВ) (Ф.З. Алиева. Тр. ВНИИМ, 1958 г.)
внесла вклад в создание системы СИ в части опре-
деления единицы температуры (Кельвина) как
1/273,16 температуры ТТВ (эта точка была принята
основной реперной точкой шкалы взамен точки тая-
ния льда).
ВНИИМ был одним из первых в части исследова-
ния новых реперных точек шкалы: плавления галлия
и затвердевания индия. Тем самым внес вклад в созда-
ние новой шкалы МТШ-90, в которой эти реперные
точки были приняты в качестве основных ВНИИМ
участвовал в международных исследованиях шкал
МПТШ-68 и МТШ-90, результаты которых были пред-
ставлены в докладах рабочих групп (документы ККТ-
87/38, ККТ-87/37). В настоящее время институт уча-
ствует в международных работах по совершенствова-
нию МТШ-90 и методов ее реализации. В частности,
в рамках ККТ проведены исследования по определе-
нию номинальных статических характеристик термо-
пар. Результатом работы явилось принятие нового
стандарта МЭК № 584-1 1995 г. В рамках деятельности
Рабочей группы № 1 ККТ подготовлен ВНИИМ ряд
документов, регламентирующих методику реализации
шкалы МТШ-90 и методику проведения ключевых ели
чений, кроме того был разработан принципиально но-
вый термометр, позволяющий сличать шкалы, по-
строенные контактным и бесконтактным методами.
Исследования с помощью такого термометра ведутся
в национальных метрологических институтах Италии
и Франции. Результаты исследований представлены
в документах ККТ 1994, 2000 гг.
32
ВНИИМ принимает активное участие в работах
Консультативных Комитетов по определению метра,
электричества, массы, единиц величин, в Междуна-
родных организациях МОЗМ, ИСО, ИМЕКО и др
История развития отечественной метрологии,
таким образом, подтверждает ее высокое место среди
мировых научных исследований как базы их постоян-
ного развития. Становление и развитие отечественной
метрологии непосредственно вытекало из направлен-
ной деятельности Главной Палаты — ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева, других метрологических инсти-
тутов Метрологическая наука наращивала свою мощь,
наполняясь из поколения в поколение трудами ученых,
профессионально ориентированных на метрологию.
ВНИИМ стал родоначальником не только 13 оте-
чественных метрологических институтов, но и базой
создания межрегиональной Метрологической акаде-
мии. Принцип международной консолидации усилий,
направленных на решение научных и практических
проблем современной метрологии, ныне находит
свое выражение в ее деятельности, в широком уча-
стии в ней крупнейших ученых и государственных дея-
телей разных стран.
И тем самым мы вновь и вновь подтверждаем
справедливость исторической мудрости Конвенции
1875 г. - обеспечивать единые меры для всех народов.
Российские метрологи верны этому девизу на все вре-
мена.
Ю. Гарбеев
33
Метрическая конвенция
Предисловие к изданию 1962 г.
Метрическая конвенция, подписанная в Париже 20 мая 1875 г., состоит из 14 статей. К ней приложен рег-
ламент, содержащий 22 статьи.
Статья 19 регламента изменена четвертой Генеральной конференцией по мерам и весам (1907 г.).
Конвенция и регламент были изменены международным соглашением, подписанным в Севре б октября
1921 г., которое состоит из четырех статей, нумерованных римскими цифрами:
статья I содержит новые положения, заменяющие статьи 7 и 8 Конвенции 1875 г.;
статья II содержит новый текст статей 6, 8, 9, 11, 12, 15, 17, 18 и 20 приложенного регламента;
статья III, содержащая условия присоединения к Метрической конвенций, помещена после статьи II, кото-
рую она дополняет;
статья IV относится к ратификации (статья представляет лишь специальный интерес и поэтому здесь не
приведена).
Для удобства пользования абзацы статей б и 20 регламента нумерованы.
Тексты действующих статей снабжены примечаниями на основании решений одиннадцатой Генеральной
конференции по мерам и весам, Париж, октябрь 1960 г.
Метрическая конвенция
подписанная в Париже 20 мая 1875 г., измененная соглашением,
подписанным в Севре 6 октября 1921 г., и приложенный к ней регламент1 2
Ст. 1 (1875 г.). Высокие Договаривающиеся Стороны обязуются основать и содержать на общие средства
Международное бюро мер и весов, постоянное научное учреждение, с местопребыванием в Париже.
Ст. 2 (1875 г.). Французское правительство примет необходимые меры, чтобы облегчить приобретение или,
в случае надобности, постройку специально предназначенного для этой цели здания на условиях, определяе-
мых приложенным к настоящей Конвенции регламентом.
Ст. 3 (1875 г.). Международное бюро будет действовать под исключительным руководством и наблюдением
Международного комитета мер и весов, который, в свою очередь, подчиняется Генеральной конференции по
мерам и весам, образуемой из представителей всех договаривающихся правительств.
Ст. 4 (1875 г.). Председательство на Генеральной конференции по мерам и весам поручается действующему
президенту Парижской академии наук.
Ст. 5 (1875 г.). Организация Бюро, как и состав и функции Международного комитета и Генеральной конфе-
ренции по мерам и весам, определяются прилагаемым к настоящей Конвенции регламентом.
Ст. 6 (1875 г.). На Международное бюро мер и весов возлагаются:
1. Все сличения и поверки новых прототипов метра и килограмма.
2. Хранение международных прототипов.
3. Периодические сличения: национальных эталонов с международными прототипами и с их свидетелями,
а также сличения эталонных термометров.
4. Сличения новых прототипов с основными эталонами неметрических мер и весов, применяемых в раз-
ных странах и в науке.
5. Поверка и сличение геодезических жезлов.
6. Сличение эталонов и Точных шкал, поверяемых по просьбе правительств, ученых обществ или же масте-
ров и ученых.
Ст. 7 (1921 г.). После того, как Комитет приступит к работе по согласованию мер, относящихся к электриче-
ским единицам, и Генеральная конференция вынесет по этому вопросу единогласное решение, на Бюро будет
возложено установление и хранение эталонов электрических единиц и их свидетелей, а также сличение с эти-
ми эталонами национальных эталонов или других точных эталонов.
Кроме того, Бюро будут поручены определения, касающиеся физических констант, более точное знание
которых может послужить к повышению точности и к лучшему обеспечению единообразия в тех областях, к
которым относятся вышеупомянутые единицы (ст. 6 и 1-й абзац ст. 7).
1 Перевод по изданию 1962 г.
2 Эмг 450
.... 34 ===^^==
Наконец, на Бюро возлагается работа по согласованию аналогичных определений, производимых в других
институтах.
Ст. 8 (1921 г.). Международные прототипы и эталоны, а также их свидетели будут храниться в Бюро; доступ
в хранилище предоставляется исключительно Международному комитету.
Ст. 9 (1875 г.). Все расходы по организации и оборудованию Международного бюро мер и весов, а также
ежегодные расходы по содержанию и расходы Комитета покрываются взносами договаривающихся государств,
устанавливаемыми по шкале, основанной на современной численности их населения.
Ст. 10 (1875 г.). Суммы взносов каждого из договаривающихся государств должны поступать в начале каждо-
го года через посредство Министерства иностранных дел Франции в кассу взносов и депозитов в Париже,
откуда они будут изыматься, по мере надобности, по мандатам директора Бюро.
Ст. 11 (1875 г.). Правительства, которые воспользуются принадлежащим каждому государству правом при-
соединиться к настоящей Конвенции, должны будут внести взнос, размер которого будет определен Комите-
том на основаниях, установленных ст. 9, этот взнос будет предназначен для усовершенствования научного обо-
рудования Бюро2.
Статья III
(Положения, добавленные соглашением 1921 г.)3
Каждое государство сможет присоединиться к настоящей Конвенции, известив о своем присоединении
французское правительство, которое сообщит об этом всем участвующим государствам и председателю Меж-
дународного комитета мер и весов.
Всякое новое присоединение к Конвенции от 20 мая 1875 г. повлечет за собой обязательное присоедине-
ние к настоящему соглашению.
Ст. 12 (1875 г.). Высокие Договаривающиеся Стороны оставляют за собой право вносить с общего согласия
в настоящую Конвенцию все изменения, польза которых будет признана на основании опыта.
Ст. 13 (1875 г.). По истечении двенадцатилетнего срока та или иная из Высоких Договаривающихся Сто-
рон может денонсировать настоящую Конвенцию.
Правительство, которое воспользуется правом прекратить для себя действие Конвенции, обязано заявить
о своем намерении за год вперед; тем самым это правительство отказывается от всех прав на совладение меж-
дународными прототипами и Бюро.
Ст. 14 (1875 г.). Настоящая Конвенция будет ратифицирована согласно конституционным законам каждого
государства; обмен ратификационными грамотами произойдет в Париже в течение шестимесячного срока или,
если окажется возможным, раньше. Конвенция вступит в силу с 1 января 1876 г.
В удостоверение чего полномочные представители государств подписали ее и скрепили гербовыми печа-
тями.
Регламент
Ст. 1 (1875 г.). Международное бюро мер и весов будет помещаться в специальном здании, вполне обеспечи-
вающем необходимые спокойствие и устойчивость.
Кроме помещения, приспособленного для хранения прототипов, в этом здании будут иметься залы для
установки компараторов и весов, лаборатория, библиотека, архив, рабочие кабинеты должностных лиц и квар-
тиры для сторожей и служителей.
Ст. 2 (1875 г.). На Международный комитет возложено приобретение и приспособление этого здания, а
также оснащение оборудованием, для которого оно предназначено.
В случае, если Комитету не удастся приобрести подходящего здания, таковое будет построено под его руко-
водством и по его планам.
Ст. 3 (1875 г.). По ходатайству Международного комитета французское правительство примет необходи-
мые меры, чтобы Бюро было признано общеполезным учреждением.
Ст. 4 (1875 г.). Международный комитет закажет необходимые приборы, как-то: компараторы для штрихо-
вых и концевых эталонов, прибор для определения абсолютного расширения, весы для взвешивания в воздухе
и в вакууме, компараторы для геодезических жезлов и т. д.
Ст. 5 (1875 г.). Расходы по приобретению или по постройке здания и издержки на установку и покупку при-
боров и аппаратов не должны превысить общей суммы 400000 франков.
Ст. 6 (1921 г.). 1. Ежегодная дотация Международного бюро состоит из двух частей: постоянной и дополни-
тельной.
2. Постоянная часть в принципе установлена в размере 250000 франков, но по единогласному решению
Комитета она может быть доведена до 300000 франков. Она вносится всеми государствами и автономными
колониями, примкнувшими к Метрической конвенции до шестой Генеральной конференции.
3. Дополнительная часть образуется из взносов государств и автономных колоний, вступивших в Конвен-
цию после упомянутой Генеральной конференции.
4. Комитету поручается установить, по предложению директора, годовой бюджет, не превышающий, одна-
ко, суммы, исчисленной согласно условиям двух предшествующих абзацев. Этот бюджет указывается ежегодно
в специальном финансовом отчете для сведения правительств Высоких Договаривающихся Сторон.
2 Международный комитет мер и весов на его 49-й сессии (октябрь 1960 г.) решил, что взнос, (вступительный взнос), о
котором сказано в ст. 11, с 1 января 1961 г. будет равен годовому взносу.
3 См. предисловие, п. 2.
35
5. В случае, если Комитет найдет нужным увеличить свыше 300000 франков постоянную часть ежегодной
дотации или изменить расчет взносов, определяемых ст. 20 настоящего регламента, он должен уведомить об
этом правительства для того, чтобы они могли своевременно дать необходимые указания своим делегатам на
последующую Генеральную конференцию, с тем чтобы на ней могли быть должным образом обсуждены эти
вопросы Решение будет иметь силу только в том случае, если ни одно из договаривающихся государств не
выразит заранее или на Конференции противного мнения4.
6. Если какое-либо государство в течение трех лет не будет вносить приходящиеся на его долю взносы, то
эта доля будет распределена между прочими государствами, пропорционально их собственным взносам. До-
полнительные суммы, вносимые таким образом государствами для пополнения общей суммы дотации Бюро,
рассматриваются как аванс, выдаваемый запаздывающему государству и подлежащий возмещению, если это
государство уплатит свои просроченные взносы.
7. Государства, за которыми имеется задолженность за три года, перестают пользоваться правами и преиму-
ществами, предоставляемыми участием в Метрической конвенции.
8. Через следующие три года государство, не производящее взносов, исключается из Конвенции, и расчет
взносов восстанавливается соответственно правилам ст. 20 настоящего регламента.
Ст. 7 (1875 г.). Генеральная конференция, упомянутая в ст. 3 Конвенции, будет собираться в Париже по со-
зыву Международного комитета не реже одного раза в шесть лет.
Она имеет задачей обсуждать и предлагать мероприятия, необходимые для распространения и усовершен
ствования метрической системы, а также утверждать новые основные метрологические определения, произ-
веденные за время между ее сессиями. Она принимает отчет Международного комитета о выполненных рабо-
тах и проводит закрытой баллотировкой обновление половины состава Международного комитета.
Голосования на Генеральной конференции производятся по государствам; каждое государство имеет право
на один голос. Члены Международного комитета участвуют по праву в заседаниях конференции; они могут
быть одновременно делегатами своих правительств.
Ст. 8 (1921 г.). Международный комитет, упомянутый ь ст. 3 Конвенции, состоит из восемнадцати членов,
каждый из которых представляет другое государст во.
При обновлении половины состава Международного комитета в первую очередь выбывают те члены, кото-
рые были избраны временно для замещения вакансий в период между двумя сессиями конференции; осталь-
ные выбывают по жребию.
Выбывающие члены могут быть переизбраны.
Ст. 9 (1921 г.). Международный комитет формируется, выбирая путем закрытой баллотировки своего пред-
седателя и секретаря. Эти назначения сообщаются правительствам Высоких Договаривающихся Сторон.
Председатель и секретарь Комитета, а также директор Бюро должны представлять различные страны.
После своего образования Комитет может приступить к новым выборам или назначениям лишь через три
месяца после того, как все члены будут извещены о вакансии, дающей повод к голосованию.
Ст. 10 (1921 г.). Международный коми тет руководит всеми метрологическими работами, которые Высокие
Договаривающиеся Стороны решаг производить совместно.
Кроме того, на него возлагается наблюдение за хранением прототипов и международных эталонов.
Наконец, он может организовать совместную работу специалистов по вопросам метрологии и согласовы-
вает результаты этих работ.
Ст. 11 (1921г.)- Комитет собирается не реже одного раза в два года.
Ст. 12 (1921 г.). Голосование в Комитете учитывают по большинству голосов; в случае разделения голосов
поровну голос председателя является решающим. Решения имеют силу лишь в том случае, если число присут-
ствующих членов равно не менее чем половине избранных членов, составляющих Комитет.
При соблюдении этого условия отсутствующие члены имеют право передавать право голоса присутствую-
щим членам, которые должны будут представить доказательство этой передачи. То же относится и к назначе-
ниям закрытой баллотировкой.
Директор Бюро имеет решающий голос в Комитете.
Ст. 13 (1875 г.). В период времени между сессиями Комитет имеет право совещаться путем переписки.
В этом случае для того, чтобы решение было законным, надо, чтобы все члены Комитета были призваны
высказать свое мнение.
Ст. 14 (J875 г.). Международный коми тет мер и весов замещает временно вакансии, могущие в нем образо-
ваться; Выборы происходят путем переписки, причем каждого из членов приглашают принять в них участие.
Ст. 15 (1921 г.). Международный комитет разработает подробный регламент относительно организации и
работ Бюро и определит таксы сборов, взимаемых за чрезвычайные работы, предусмотренные в ст. 6 и 7 Кон-
венции.
Эти сборы пойдут на усовершенствование научного оборудования Бюро. Из общей суммы взимаемых Бюро
сборов могут производиться ежегодные отчисления в пенсионную кассу.
Ст. 16 (1875 г.). Все сношения Международного комитета с правительствами Высоких Договаривающихся
Сторон будут происходить через посредство их дипломатических представителей в Париже.
По всем делам, решение которых относится к ведению французских властей, Комитет обращается в Мини-
стерство иностранных дел Франции.
Ст. 17 (1921 г.). Установленный Комитетом регламент определит максимальный численный состав каждой
категории персонала Бюро.
4 В соответствии с этой процедурой после тринадцатой Генеральной конференции по мерам и весам (октябрь 1968 г.)
годовые дотации принимаются каждой генеральной конференцией.
36
Директор и его помощники будут назначаться Международным комитетом путем закрытой баллотировки.
Их назначение должно быть доведено до сведения правительств Высоких Договаривающихся Сторон.
Директор назначает прочих членов персонала в пределах, установленных регламентом, упомянутым в пер-
вом абзаце настоящей статьи.
Ст. 18 (1921 г.). Директор Бюро имеет доступ в хранилище международных прототипов только по разреше-
нию Комитета и в присутствии не менее одного из его членов.
Место хранения прототипов можно открыть только с помощью трех ключей, из которых один будет нахо-
диться у директора Архива Франции, второй — у председателя Комитета, а третий — у директора Бюро.
Для обычных работ Бюро по сличениям будут служить только эталоны категории национальных прототи-
пов.
Ст. 19 (1907 г.). На каждой сессии директор Бюро представляет Комитету:
1. Финансовый отчет по операциям предыдущего бюджетного года; отчет принимают после проверки.
2. Отчет о состоянии оборудования.
3. Общий отчет о работах, выполненных со времени предыдущей сессии.
Бюро Международного комитета, в свою очередь, направляет всем правительствам Высоких Договариваю-
щихся Сторон годовой отчет об административном и финансовом положении учреждения, содержащий смету
расходов на следующий бюджетный год, а также таблицу взносов договаривающихся государств.
Председатель Комитета докладывает Генеральной конференции о работах, выполненных со времени ее
последней сессии.
Отчеты и издания Комитета и Бюро составляются на французском языке и передаются правительствам
Высоких Договаривающихся Сторон.
Ст. 20 (1921 г.). 1. Шкала взносов, о которой упомянуто в ст. 9 Конвенции, устанавливается для постоянной
части, исходя из суммы, указанной в ст. 6 настоящего регламента, и исходя из численности населения; какова
бы ни была численность населения, нормальный взнос каждого государства не может быть меньше 0,5 % и
больше 15 % общей дотации.
2. Для установления этой шкалы определяют вначале, какие государства соответствуют условиям для этого
минимума и этого максимума, а остальную часть суммы взносов распределяют между другими государствами
прямо пропорционально численности их населения3.
3. Вычисленные таким образом размеры взносов имеют силу на весь период между двумя последовательны-
ми генеральными конференциями и могут быть изменены в промежутке только в следующих случаях:
а) если одно из участвующих государств три года подряд не вносило своих взносов;
б) если, наоборот, в связи с внесением государством, не производившим платежей в течение более трех
лет, его просроченных взносов, нужно возвратить прочим правительствам внесенные ими авансы.
4. Дополнительные взносы исчисляются на том же основании численности населения и равны взносам,
вносимым в таких же условиях ранее вступившими в Конвенцию государствами.
5. Если какое-либо вступившее в Конвенцию государство заявит о своем желании распространить ее пре-
имущества на одну или несколько из его неавтономных колоний, то для вычисления шкалы взносов числен-
ность населения этих колоний прибавляется к численности населения данного государства.
6. Если какая-либо колония, признанная автономной, пожелает примкнуть к Конвенции, то колонию будут
рассматривать в отношении ее вступления в эту Конвенцию сообразно с решением метрополии или как зави-
симую от нее колонию, или как договаривающееся государство.
Ст. 21 (1875 г.). Расходы по изготовлению международных прототипов, равно как и эталонов и свидетелей,
которые должны быть при них, несут Высокие Договаривающиеся Стороны по шкале, установленной в пре-
дыдущей статье.
Стоимость сличения и поверки эталонов по требованию государств, не участвующих в настоящей Конвен-
ции, определяется Комитетом соответственно таксам, установленным на основании ст. 15 регламента.
Ст. 22 (1875 г.). Настоящий регламент имеет такую же силу и значение, как и Конвенция, к которой он
приложен.
5 На основании процедуры, предусмотренной в абзаце 5 ст. 6 регламента, одиннадцатая Генеральная конференция по
мерам и весам приняла новые положения, которые делают недействительными положения абзацев 1 и 2 данной ст. 20. В
основе этих новых положений лежат правила, применяемые Организацией Объединенных Наций для расчета взносов,
исходя из численности населения и др. элементов, связанных с платежной способностью государств.
Взносы, установленные одиннадцатой Генеральной конференцией по мерам и весам на ее заседании 20 октября I960 г. на
Г962 и последующие годы, пропорциональны коэффициентам шкалы Организации Объединенных Наций, но с тем, что
взнос не может быть выше 10 % и ниже 5 % общей дотации Международного бюро.
37
Об эквивалентности национальных эталонов
Вступление
Единство измерений на международном уровне яв-
ляется неотъемлемой частью базы, на которой зиждет-
ся мировая торговля и международное экономическое
сотрудничество. В1875 г., т.е. более чем 125 лет тому на-
зад, этот факт был признан, и имело место подписание
в Париже Метрической конвенции представителями
17 стран. В настоящее время под Метрической конвен-
цией 48 подписей, среди которых — подписи всех пред-
ставителей промышленно развитых государств мира.
Метрическая конвенция установила формальную
структуру, в рамках которой правительства-члены Кон-
венции сотрудничают в вопросах, связанных с еди-
ницами измерений и эталонами. Конвенция учредила
также МБМВ, международный центр метрологии, ко-
торый в настоящее время работает в тесном сотрудни-
честве с Национальными Метрологическими Инсти-
тутами (НМИ) государств-членов Конвенции.
Потребности в единообразных
и точных измерениях
За сто двадцать пять лет со времени подписания
Метрической конвенции чрезвычайно выросли объем
и сложность измерений, выполняемых в рамках между-
народной торговли. Эталоны и единицы измерения, ко-
торые ими воспроизводятся, претерпели соответствую-
щую трансформацию. За пятьдесят пять лет, прошед-
ших с конца второй мировой войны, мы увидели рост
деятельности, обусловленый использованием высоких
технологий в промышленности, тесно связанных с дос-
тижениями в физике и химии, что увеличивает требо-
вания к измерениям, выполняемым с такой точностью,
о которой нельзя было и мечтать сто лет назад. В неко-
торых случаях достижения в сфере потенциальных воз-
можностей измерений были неожиданными и захваты-
вающими, например, такие, как изобретение атомных
часов или открытие квантового эффекта Джозефсона
для эталонов напряжения; в других областях достиже-
ния случались более редко, но были не менее важны-
ми. Например, в механике можно считать достижени-
ем снижение допусков на производимые изделия на по-
рядок, равный 3, в течение каждого десятилетия. Такое
достижение зависит от соответствующих результатов в
метрологии для промышленности. Снижение производ-
ственных допусков является основным фактором того
огромного прогресса, который мы наблюдаем в послед-
ние годы в отношении эффективности и надежности
двигателей внутреннего сгорания для транспортных
средств, для авиационных газовых турбин и др. В неко-
торых производствах и высоких технологиях в полу-
проводниковой промышленности допуски на изготов-
ление таковы, что требуемая метрология находится на
пределе физических ограничений.
В ответ на давление со стороны общественности
правительства становятся все более и более чувстви-
тельными к проблеме, связанной с вредным влиянием
на окружающую среду тех видов деятельности, кото-
рые связаны с промышленностью, а также к тем опас-
ностям, угрожающим здоровью и безопасности чело-
века, которые связаны с пестицидами и остатками тя-
желых металлов в пище, которую мы потребляем.
Измерения, связанные с изменениями окружающей
среды и обеспечением безопасности пищи требуют,
чтобы метрология находилась на высочайшем уровне
точности, большая часть этих требований зачастую на-
ходится на границах или даже за пределами границ то-
го, что технически возможно в настоящее время.
Метрология в химии является одной из наиболее
сложных областей метрологии, и НМИ вносят боль-
шой вклад в то, чтобы соответствовать требованиям
хотя бы сегодняшнего дня, не говоря о тех требова-
ниях, которые мы можем предвидеть завтра.
Метрология во многих областях биологии нахо-
дится на достаточно примитивном уровне, в связи с
чем точное измерение биологических величин при-
обретает особенное значение и является предметом
внимания большого числа нормативных документов,
разрабатываемых правительствами и различными
регулирующими органами.
Международная торговля изделиями с примене-
нием высоких технологий требует, чтобы измерения
и испытания также проводились соответственно на
высоком уровне. Международная торговля сельско-
хозяйственными изделиями и продуктами питания
является объектом внимания строгих нормативных
документов, рассматривающих вопросы здоровья
и безопасности человека. Для испытаний на соот-
ветствие правилам перевозки таких изделий могут по-
требоваться значительные финансовые средства, а
результаты самих испытаний полностью определя-
ются точностью методов измерений. Расхождения
в эталонных измерениях в странах, экспортирующих
и импортирующих товары, могут привести к дорого-
стоящим дискуссиям и к экономическим потерям.
38
Отсутствие признаваемых средств измерений и ис-
пытаний в странах, экспортирующих продукцию, мо-
жет привести к закрытию некоторых мировых рын-
ков, т к. в развитых странах импортные товары не до-
пускаются к продаже, если они не имеют сертификатов
о признаваемых измерениях и испытаниях. Это осо-
бая проблема для развивающихся стран и стран, нахо-
дящихся на переходной стадии развития.
Международный товарообмен требует обеспече-
ния единства измерений на мировом уровне, которое
простирается на все сферы экономики и науки. Он же
требует не только наличия в каждой стране средств из-
мерений и испытаний, но также и того, чтобы эти сред-
ства были признаны на международном уровне. Зада-
чей НМИ является обеспечение того, чтобы требуе-
мые средства измерения не только имелись в наличии,
но и того, чтобы все те, кто имеет в них потребность,
имели бы доступ и к эталонам единиц физических ве-
личин на уровне точности, соответствующей цели, для
которой они предназначены. Задачей МБМВ, который
работает совместно с НМИ, является обеспечение то-
го, чтобы каждый отдельный эталон НМИ был при-
знан на мировом уровне
Все вместе взятые требования к единообразным,
стабильным и доступным эталонам множества различ-
ных применений, привели к созданию СИ — Меж-
дународной системы единиц. СИ - это система единиц,
жестко привязанная к фундаментальным и атомным
константам. Это единственный способ обеспечить дол-
говременную стабильность и универсальность приме-
нения единиц измерения во всех сферах науки. Изме-
рения, прослеживаемые по отношению к единицам
СИ, которые имеют точно оцененные неопределенно-
сти, могут претендовать на точность и, следователь-
но, надежность. В конечном счете, потребитель дол-
жен быть уверен в результатах измерений независимо
от того, предназначены ли они для повседневных прак-
тических целей, или же являются решающими изме-
рениями тех величин, которые влияют на изменения
окружающей среды, или создют основу для действий
правительств в мировом масштабе.
Соглашения о взаимном признании
для международной торговли
Соглашения о международной торговле требуют
вес большего обеспечения взаимно! о признания изме-
рений и испытаний среди стран, участвующих в тор-
говле. Отсутствие такого взаимного признания рас-
сматривается как технический барьер в торговле. В по-
следние годы разработаны соглашения о взаимном
признании как в отношении услуг по испытанию и ка-
либровке, так п в отношении тех органов, которые ак-
кредитуют такие виды деятельности. Все они опира-
ются на предположение о наличии эквивалентности
национальных эталонов измерения и о надежности
связи между национальными эталонными измерения-
ми и соответствующими услугами по калибровке и ис-
пытанию, предоставляемыми в каждой стране.
Считается, что эквивалентность в значительной
степени уже существует между национальными этало-
нами тех стран, НМИ которых систематически участ-
вуют во многих международных сличениях, организуе-
мых как под эгидой МБМВ, так и под эгидой Региональ-
ных метрологических организаций. Однако недавно
стало ясно, что такая эквивалентность не является дос-
таточно систематической. Международных сличений
было проведено много, но выбор их осуществлялся не
таким образом, чтобы можно было охватить все об-
ласти метрологии; не являлось обязательным и го, что
результаты международных сличений должны публи-
коваться в доступных источниках, а интерпретация ре
зультатов часто требует специально профессионально-
го знания предмета. Такое знание, будучи абсолютно
адекватным для многих целей, не соответствует ино-
гда тем открытым и прозрачным процедурам, которые
требуются сейчас как основа для взаимного признания.
Службы калибровки и испытания, органы аккредита-
ции и пользователи услуг по калибровке и испытанию
должны иметь уверенность в том, что национальные
эталоны измерения, на которых базируется вся их ра-
бота, действительно эквивалентны, и что между эти-
ми эталонами и национальными службами калибровки
существует надежная связь. По этой причине в октяб-
ре 1949 г. директора НМИ подписали, составленную
Международным Комитетом Мер и Весов (МКМВ), до-
говоренность о взаимном признании (ДВП), касаю-
щуюся национальных эталонов и сертификатов калиб-
ровки, выдаваемых НМИ.
Технической основой ДВП является ряд ключевых
сличений национальных эталонов, подлинность кото-
рых устанавливается Консультативными комитетами
МКМВ, а осуществляется МБМВ, Консультативными
комитетами и Региональными Метрологическими Ор-
ганизациями. Выбор сделан почти по 80-ти ключевым
сличениям, которые были инициированы и допол-
нены: а) небольшим числом дополнительных сличе-
ний, предназначенных для проверки служб калибров-
ки. б) работой системы качества в НМИ. Ключевые
сличения проводятся для проверки принципиальных
мегодик в каждой области ме1рологии. Отсутствует
предложение о том, чтобы сличению подвергался ка-
ждый эталон и каждое средство, воспроизводящее
кратные и дольные значения единиц: в этом нет необ-
ходимости, и в любом случае это привело бы к непо-
сильным рабочим нагрузкам. Ключевые сличения вы-
полняют также и другую существенную функцию меж-
дународных сличений, а именно, функцию проверки
оцененной точности независимых первичных реали-
заций единиц в том смысле, являются ли они единица-
ми СП или нет.
Ключевые сличения проводятся в соответствии с
рядом технических руководств, предназначенных для
обеспечения того, чтобы результаты были правильны-
ми, ясными и правдиво сопоставленными с другими
сличениями одной и той же величины. Публикуются
результаты в журнале МБМВ »Metrologia“, доступ к ним
возможен и на страничке базы данных МБМВ: http:/
/www.bipm.fr.
В заключение этой статьи представляется возмож-
ным утверждать, что договоренность об эквивалент-
ности эталонов безусловно сыграет важную роль в раз-
витии международной системы единства измерений на
современном этапе научно-технического прогресса.
Т.Дж. Квинн
39
Текст Договоренности
Взаимное признание национальных измеритель-
ных эталонов и сертификатов калибровки и измере-
ния, выдаваемых национальными метрологическими
институтами
Важные вопросы
Документ, Договоренность о взаимном признании,
составлен Международным комитетом по мерам и ве-
сам при полномочиях, данных ему Метрической кон-
венцией, для подписания директорами НМИ госу-
дарств-членов Конвенции.
Цели:
— установить степень эквивалентности националь-
ных измерительных эталонов, поддерживаемых
НМИ;
— обеспечить взаимное признание сертификатов
калибровки и измерений, выдаваемых НМИ;
— тем самым обеспечить правительства и другие
органы надежной технической базой для более широ-
ких Договоренностей в отношении международной
торговли, коммерческой деятельности и делах, связан-
ных с составлением нормативной документации.
Процесс:
— международные сличения эталонов, называемые
ключевыми сличениями;
— дополнительные международные сличения эта-
лонов;
— системы качества и демонстрирование компе-
тентности НМИ.
Результаты:
— заявления об измерительных возможностях ка-
ждого НМИ, вводимые в базу данных, поддерживае-
мую в МБМВ и общедоступную через сеть Интернет.
Обязательство:
Директора НМИ, которые подписывают Догово-
ренность о взаимном признании (MRA) с одобрения
соответствующих властей в своей собственной стра-
не тем самым.
— принимают процесс, указанный в MRA, для соз-
дания базы данных;
— признают результаты ключевых сличений и до-
полнительных сличений, как указано в базе данных;
— признают калибровочные и измерительные воз-
можности других участвующих ИМИ, как об этом ука-
зано в базе данных. Исключения:
— подписание MRA обязывают НМИ, но не обяза-
тельно какой-либо иной орган в его стране;
— ответственность за результаты калибровок и из-
мерений полностью ложится на НМИ, который их вы
полняет, но не распространяется, через MRA, на лю-
бые иные участвующие НМИ.
Организационная структура:
— вся координация осуществляется МБМВ с пол-
номочиями от МКМВ, который сам имеет полномо-
чия от государств-членов Метрической конвенции;
— Консультативные комитеты МКМВ, Региональ-
ные метрологические органы и МБМВ несут ответст-
венность за ключевые и дополнительные сличения;
— Объединенный комитет региональных метроло-
гических организаций и МБМВ несут ответственность
за анализ и введение данных в базу данных по калиб-
ровочным и измерительным возможностям, деклари-
руемых НМИ.
Преамбула
Национальные органы аккредитации и регулиро-
вания нуждаются в многосторонних Договоренно-
стях, определяющих условия, при которых они мо-
гут признавать сертификаты калибровки, измерений
и испытаний, выдаваемые лабораториями, аккреди-
тованными в других странах. Такие договоренности,
благодаря их законности, зависят от точности нацио-
нальных измерительных эталонов и от сертификатов
калибровки и измерения, выдаваемых национальны-
ми метрологическими институтами (НМИ).
Настоящая договоренность обеспечивает взаимное
признание национальных измерительных эталонов и
сертификатов калибровки и измерения, выдаваемых
национальными метрологическими институтами и
опирается на усилия каждого отдельного националь-
ного метрологического института использовать едини-
цы СИ в качестве основы для своих измерений и для
выражения неопределенностей измерений.
Чтобы поставить критерии взаимного признания
на объективную основу, настоящий документ, назы-
ваемый „Договоренность" требует выполнения сле-
дующих условий.
а) наличия результатов ряда ключевых сличений,
проводимых по четко установленным методикам, ко-
торые ведут к количественному выражению степени
эквивалентности национальных измерительных эта-
лонов;
б) функционирования соответствующего способа
обеспечения качества в каждом НМИ;
в) успешного участия каждого НМИ в соответст-
вующих дополнительных сличениях.
Выполнение этих трех условий, взятых вместе, по-
казывает участвующим институтам ту степень дове-
рия, которую каждый институт может иметь к резуль-
татам. сообщаемым другими институтами, и, таким
образом, содействовать взаимному доверию между
ними.
Для целей, которым служит настоящая Договорен-
ность, степень эквивалентности измерительных эта-
лонов означает ту степень, с которой эти эталоны со-
гласуются с опорными значениями, определяемыми в
ходе ключевых сличений, и, следовательно, согласу
ются друг с другом. Каждое опорное значение рассмат-
ривается как „опорное значение, полученное при клю
чевом сличении", и в большинстве случаев его можно
рассматривать как близкое, но не обязательно лучшее
приближение к значению единицы СИ. Степень экви-
валентности национального измерительного эталона
выражается количественно в значениях его отклоне-
ния от опорного значения, полученного при ключе-
вом сличении, и неопределенности этого отклонения.
Настоящий документ состоит из двух частей: в
части первой — подписывающие стороны признают
степень эквивалентности национальных измеритель-
ных эталонов участвующих национальных метроло-
гических институтов, а в части второй -подписываю-
щие стороны признают законность сертификатов ка-
либровок и измерений, выдаваемых участвующими
институтами.
40
Формально этот документ является технической до-
говоренностью между директорами национальных
метрологических институтов государств-членов Мет-
рической конвенции, а не дипломатическим догово-
ром. Он составлен МКМВ в соответствии с Метриче-
ской конвенцией и не является ни расширением Кон-
венции, ни заменой какой-либо из Статей Конвенции.
Директора, которые своевременно решают подписать
Договоренность, поступают так с одобрения соответ-
ствующего правительства или других официальных
властей в своей собственной стране. Предполагается,
что участие в такой договоренности откроет путь и
обеспечит техническую основу для более широких со-
глашений, связанных с торговлей, коммерцией и во-
просами правового регулирования, а именно соглаше-
ний, подписываемых компетентными органами в ка-
ждой стране или регионе.
Участие в настоящей Договоренности через свою
региональную метрологическую организацию откры-
то также и для НМИ государств и экономических со-
обществ, имеющих статус присоединившихся к ГКМВ.
1. Договоренность
1.1. Настоящий документ является договоренно-
стью между национальными метрологическими ин-
ститутами, которая устанавливает условия взаимно-
го признания национальных измерительных этало-
нов и признания законности сертификатов
калибровки и измерений, выдаваемых национальны-
ми метрологическими институтами. Документ состав-
лен МКМВ на основании полномочий, данных ему
Статьей 10 (1921) Правил, изложенных в Приложе-
нии к Метрической конвенции.
1.2. Договоренность состоит из 2-х частей, как ука-
зано ниже в п. 2: часть первая касается национальных
измерительных эталонов, часть вторая — сертифика-
тов калибровки и измерений.
1.3. Участвующие национальные метрологические
институты, т.е. стороны, подписавшие настоящую До-
говоренность, могут сделать выбор и ограничить свое
участие только первой частью — признанием нацио-
нальных измерительных эталонов.
1.4. Стороной, подписавшей эту Договоренность,
является национальный метрологический институт,
назначаемый соответствующим национальным прави-
тельством или иным официальным органом власти го-
сударства-члена Метрической конвенции нести ответ-
ственность за национальные измерительные эталоны.
Для любого государства, у которого имеется более чем
один такой назначаемый институт, настоящую Дого-
воренность подписывает один институт от имени всех
остальных, при этом названия других институтов при-
лагаются к настоящему документу.
1.5. Назначаемые НМИ государств или экономи-
ческих сообществ, имеющих статус присоединивших-
ся к ГКМВ, могут участвовать в настоящей Договорен-
ности только через свои региональные метрологиче-
ские организации путем подписания декларации,
прилагаемой как дополнение к настоящей Договорен-
ности.
1.6. Межправительственные и международные ор-
ганизации, назначаемые МКМВ, также могут участво-
вать в настоящей Договоренности.
2. Сфера действия Договоренности
2.1. Участвующие национальные метрологические
институты, указанные в Приложении А, признают сте-
пень эквивалентности национальных измерительных
эталонов по результатам ключевых сличений для ве-
личин и значений, указанных в Приложении В. Это
составляет первую часть Договоренности.
2.2. Участвующие институты признают законность
сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых
участвующими институтами для величин и диапазо-
нов, указанных в Приложении С. Это составляет вто-
рую часть Договоренности.
3. Техническая основа Договоренности
3.1 Технической основой настоящей Договорен-
ности является ряд результатов, получаемых в ходе
ключевых сличений, проводимых Консультативными
комитетами МКМВ, МБМВ и региональными метро-
логическими организациями (РМО), публикуемыми
МБМВ и сохраняемыми в базе данных ключевых сли-
чений. Подробные технические условия даны в Тех-
ническом приложении к настоящему документу.
3.2. Ключевые сличения, проводимые Консульта-
тивными комитетами или МБМВ, считаются ключе-
выми сличениями МКМВ; ключевые сличения, про-
водимые региональными метрологическими органи-
зациями, считаются ключевыми сличениями РМО;
ключевые сличения РМО должны быть связаны с клю-
чевыми сличениями МКМВ через представителей,
участвующих в работах на совместной основе.
Степень эквивалентности, установленная в ходе
ключевого сличения РМО, имеет такой же статус, что
и эквивалентность, определенная при ключевом сли-
чении МКМВ.
3.3. Объединенный комитет РМО и МБМВ (Объе-
диненный комитет или ОКРБ), созданный МКМВ, не-
сет ответственность за согласование данных, предос-
тавляемых РМО, и за другие действия, предпринимае-
мые ими с целью обеспечения доверия к сертификатам
калибровки и измерений (см. параграф 9.3).
4. Ответственность Консультативных комите-
тов МКМВ
Консультативные комитеты несут ответствен-
ность за выбор ключевых сличений, перечисленных
в Приложении Д, и за подтверждение обоснованно-
сти результатов. Конкретные обязательства Консуль-
тативных комитетов подробно изложены в Техниче-
ском дополнении.
5. Ответственность региональных метрологиче-
ских организаций
Национальные метрологические институты, под-
писавшие настоящую Договоренность, берут на себя
ответственность упорядочить в рамках своих Регио-
нальных метрологических организаций деятельность
соответствующих структур, с тем чтобы РМО имела
(и) возможность:
а) вносить предложения в Консультативные коми-
теты по вопросу о выборе ключевых сличений;
б) проводить ключевые сличения РМО, описан-
ные в Техническом дополнении, в соответствии с клю-
чевыми сличениями МКМВ;
41
в) участвовать в Объединенном комитете регио-
нальных метрологических организаций и МБМВ (см.
ниже параграфы 9.3 и 9.4);
г) проводить дополнительные сличения и выпол-
нять другие действия, направленные на поддержание
взаимного доверия к законности сертификатов калиб-
ровки и измерений, выдаваемых участвующими ин-
ститутами (см. ниже параграф 7.3).
6. Участие в ключевых и дополнительных сли-
чениях
6.1. Участие в ключевом сличении МКМВ откры-
то для тех лабораторий, которые обладают наивыс-
шей технической компетентностью и опытом; т.е. для
тех, которые являются членами соответствующего
Консультативного комитета. Те лаборатории, кото-
рые не являются членами Консультативного комите-
та и не представляют какие-либо НМИ, должны вы-
двигаться назначенным НМИ (со ссылкой на пара-
граф 1.4) в качестве лабораторий, несущих
ответственность за соответствующие национальные
измерительные эталоны. При выборе участников
Консультативным комитетам следует обязательно учи-
тывать интересы региональных представителей. Чис-
ло лабораторий, участвующих в ключевых сличени-
ях МКМВ, может быть ограничено из-за причин тех-
нического характера.
6.2. Участие в ключевых сличениях, организуемых
РМО, открыто для всех членов РМО и для других ин-
ститутов, подчиняющихся правилам региональной
организации, (включая институты, приглашаемые из-
вне региона), и тех, обладающих технической компе-
тенцией в отношении каждого конкретного сличения.
6.3. Участие в дополнительных сличениях РМО от-
крыто для тех институтов, которые соответствуют
требованиям, указанным в параграфе 6.2.
7. Доверие к измерениям
7.1. Доверие к измерениям является существенной
предпосылкой для международной торговли и облег-
чает выполнение почти любой задачи, стоящей перед
промышленно развитым миром. В большой степени
это доверие уже существует и основывается на систе-
ме СИ, которая является краеугольным камнем меж-
дународной системы измерений в том виде, в каком
она реализуется национальными метрологическими
институтами. Назначение настоящей Договоренно-
сти о взаимном признании состоит в расширении и
укреплении доверия к измерениям, уже существовав-
шего ранее на мировом уровне.
7.2. Предполагается, что институты, участвующие
в настоящей Договоренности, расширят существую-
щее на международном уровне доверие к своей дея-
тельности в результате публикования регулярных от-
четов о работе своих лабораторий и передачи их в
МБМВ, в результате участия в соответствующих кон-
ференциях, а также участия в деятельности, органи-
зуемой МБМВ.
7.3. Дополнительно к участию в ключевых и допол-
нительных сличениях, указанных в параграфе 6, для
создания требуемого взаимного доверия процесс при-
знания сертификатов калибровки и измерений нужда-
ется в применении одной из нижеследующих процедур:
(а) НМИ, который для своих служб калибровки и
измерений выбирает такую систему качества, которая
отвечает требованиям Руководства ИСО 25 (ISO Guide
25) или равноценную систему для НМИ, оцениваемую
каким-либо органом аккредитации в соответствии с
требованиями Руководства ИСО 58 (ISO Guide 58), дек-
ларирует свои потенциальные возможности в облас-
ти калибровки и измерений (см. параграф Т7) и на-
правляет сведения о них в локальную РМО для всесто-
роннего изучения и передачи в Объединенный
комитет для анализа и включения в Приложение С;
(б) НМИ, который выбирает для своих служб ка-
либровки и измерений некий иной путь обеспечения
или иную систему качества, или Руководство ИСО 25
без вмешательства и оценки третьей стороны, заяв-
ляет о своих потенциальных возможностях в облас-
ти калибровки и измерений (см. параграф Т7) и на-
правляет сведения о них в местную РМО для подроб-
ного изучения и передачи в Объединенный комитет
для одобрения и включения в Приложении С.
Для демонстрации компетентности и потенциаль-
ных возможностей может потребоваться прибегнуть
к визитам и проверке методик со стороны НМИ
и/или специалистов, равных по рангу, отбираемых
местной РМО.
7.4. Ничто в этом документе не имеет своей целью
ограничивать свободу одного или более институтов-
подписантов в части взаимного обеспечения призна-
ния вне сферы действия настоящего документа, как
указано в параграфах 2.1 и 2.2
8. Разногласия, возникающие в ходе введения в
действие настоящей Договоренности
Настоящая Договоренность вводится в действие
МБМВ путем тесных контактов и консультаций с Кон-
сультативными комитетами и РМО, в сферу ответст-
венности которых входит в соответствии с парагра-
фами 4 и 5, изложенными выше, проведение и оцен-
ка результатов ключевых сличений. Разногласия,
которые возникают в ходе введения в действие на-
стоящей Договоренности, обсуждаются сначала в со-
ответствующем Консультативном комитете, в РМО
или в Объединенном комитете, и, если они не полу-
чают там разрешения, отсылаются в МКМВ.
9. Координация
9.1. Всеобъемлющая координация сфер деятельно-
сти, относящихся к настоящей Договоренности, ос-
тается за МКМВ.
9.2. Координация ключевых сличений осуществ-
ляется в результате проведения консультаций между
Консультативными комитетами и РМО.
9.3. Координация дополнительных сличений и дру-
гих действий, относящихся к доверию к сертификатам
калибровки и измерений, предпринимаемая регио-
нальными метрологическими организациями, осуще-
ствляется Объединенным комитетом (ОКРБ). Послед-
ний создается МКМВ, включает представителей от
РМО, а заседания проводятся под председательством
директора МБМВ. В Приложении Е указаны сроки пол-
номочий данного Комитета.
9.4. При полной ответственности, которая
лежит на МКМВ, Объединенный комитет несет
2» Зак. 450
42
ответственность за анализ и поддержание того, что
содержится в Приложении С.
10. Ответственность и обязательства по изме-
рениям
10.1. Каждой подписавшей стороной признается
и принимается, что настоящая Договоренность не
создает каких-либо дополнительных прав, обяза-
тельств или обязанностей, которые будут оказывать
обязательные влияния в национальном или междуна-
родном праве.
10.2. Признается и принимается каждой подписав-
шей стороной, что настоящая Договоренность в ка-
ждой стране охватывает только подписавшийся ин-
ститут и другие институты, представляемые им. Оно
не обязательно распространяется на другие метроло-
гические организации или регулирующие органы в
этой стране.
10.3. Ответственность за все измерения, выпол-
няемые в соответствии с настоящей Договорен-
ностью, целиком и полностью лежит на институте,
проводящем измерения. МКМВ, МБМВ, Консульта-
тивные комитеты или РМО не несут никакой ответ-
ственности за декларированные неопределенности
измерений или за сведения о качестве.
11. Подписание и введение в силу настоящей
Договоренности о взаимном признании
11.1 Процедура введения в силу настоящей Дого-
воренности заключается в следующем:
— на заседании директоров национальных метро-
логических институтов, состоявшемся 23-25 февраля
1998 г., директорам было предложено парафировать
проект этой Договоренности;
— на заседании директоров НИМ, которое состоя-
лось одновременно с проведением 21-й ГКМВ в октяб-
ре 1999 г., директорами подписан настоящий доку-
мент на начальный период, равный четырем годам.
Новые подписанты могут присоединиться к на-
стоящей Договоренности в любое время, подав заявку
на имя директора МБМВ.
11.2. При выходе из настоящей Договоренности
директор института, подписавший документ, должен
уведомить директора МБМВ за шесть месяцев до даты
вступления в силу выхода из Договоренности. Дирек-
тор МБМВ уведомит все другие подписавшие сторо-
ны об этом заявлении о выходе не позднее одного ме-
сяца после его получения.
11.3. Настоящая Договоренность будет действо-
вать в переходном режиме в течение периода с ок-
тября 1999 г. до того времени, пока не будет завершен
первый раунд ключевых и дополнительных сличений
и пока не будут упорядочены системы качества, ука-
занные в параграфах 7.3. Временные степени эквива-
лентности (Приложение В) будут основываться на ре-
зультатах сличений, проводимых примерно с 1988 г.,
пересматриваемых и утверждаемых Консультатив-
ным комитетом для каждой области исследования и
вводимых в базу данных ключевых сличений, о кото-
рой упоминалось в параграфе 3.1. Временные потен-
циальные возможности в сфере калибровки и изме-
рений (Приложение С) будут основываться на соот-
ветствующих данных, пересматриваемых РМО и
анализируемых в ОКРБ (JCRB), с учетом процедур,
изложенных в параграфе 7.3 и включенных в базу дан-
ных ключевых сличений.
11.4. После окончания начального четырехлет-
него периода директора, с одобрения соответствую-
щего правительства или других официальных власт-
ных органов, могут вносить изменения в данную До-
говоренность на заседаниях, организуемых МКМВ и
представляемых директорами НМИ, подписавшими
настоящую Договоренность.
12. Статус национальных измерительных эта-
лонов, калибруемых в МБМВ или в национальном
метрологическом институте
Настоящая Договоренность никоим образом не
ограничивает прав участвующих национальных мет-
рологических институтов в соответствии с Метриче-
ской конвенцией проводить калибровку своих нацио-
нальных эталонов в МБМВ или в каком-либо другом
национальном метрологическом институте. Взаимное
признание таких эталонов зависит от последующего
участия в ключевых или дополнительных сличениях
(см. параграфы 3 и 6 выше).
13. НМИ, не являющиеся членами РМО
Те НМИ, которые пожелают участвовать в настоя-
щей Договоренности, но не являются членами РМО,
должны либо создать новую РМО, либо, отвечая це-
лям настоящей Договоренности, присоединиться к
уже существующей РМО любым наиболее удобным для
себя образом. Если ни один из этих подходов не явля-
ется осуществимым, они должны искать какие-либо
иные особые возможности.
14. НМИ, являющиеся членами более чем одной
РМО
Те НМИ, которые являются членами более чем од-
ной РМО, должны заявить о том, с какой именно РМО
они будут участвовать в части 2 настоящей Договорен-
ности.
15. Вхождение новых РМО в Объединенный
комитет
Вхождение новой РМО в Объединенный комитет
подлежит одобрению МКМВ.
Техническое дополнение к Договоренности
Технической основой для настоящей Договорен-
ности является ряд результатов, полученных во вре-
мя ключевых сличений, проводимых Консультатив-
ными комитетами, МБМВ и РМО (параграф 3.1). Ни-
же указываются условия и обязательства, касающиеся
ключевых сличений.
Т.1. Ключевые сличения МКМВ ведут к получению
опорных значений, известных как опорные значения
ключевого сличения.
Т.2. Отвечая целям настоящей Договоренности,
термин „степень эквивалентности измерительных
эталонов" должен означать ту степень, до которой
эталон соответствует опорному значению ключевого
сличения. Степень эквивалентности каждого нацио-
нального измерительного эталона выражается количе-
ственно двумя терминами: его отклонением от опор-
ного значения ключевого сличения и неопределенно-
стью этого отклонения (при доверительном уровне
43
95 %). Степень эквивалентности между парами нацио-
нальных измерительных эталонов выражается разно-
стью их отклонений от опорного значения и неопре-
деленностью этой разности (при доверительном уров-
не 95 %).
Т.З. Хотя опорное значение ключевого сличения
является обычно близким приближением соответст-
вующему значению единицы СИ, возможно, что не-
которые из значений, представленных отдельными
участниками, могут быть даже ближе. В некоторых
случаях, например, в некоторых измерениях в химии,
может оказаться затруднительным связывать резуль-
таты с единицами СИ. Тем не менее, опорное значе-
ние ключевого сличения и отклонения от него явля-
ются хорошими индикаторами значения единиц СИ.
По этой причине эти значения используются для вы-
ражения степени эквивалентности между участвую-
щими лабораториями.
В некоторых исключительных случаях Консульта-
тивный комитет может решить, что по техническим
причинам опорное значение для какого-либо частно-
го ключевого сличения не является соответствующим;
результаты тогда выражаются непосредственно в зна-
чениях степеней эквивалентности между парами эта-
лонов.
Т.4. Результаты ключевых сличений РМО соотно-
сятся с опорными значениями ключевых сличений,
устанавливаемыми при ключевых сличениях в МКМВ,
в ходе общего участия некоторых институтов как в
сличениях МКМВ, так и в РМО. Неопределенность, с
которой распространяются данные сличений, зави-
сит как от числа институтов, принимающих участие
в обоих сличениях, так и от качества результатов, со-
общаемых этими институтами.
Т.5. Результаты ключевых сличений МКМВ и
РМО, опорные значения ключевых сличений, откло-
нения от опорных значений и их неопределенности,
вместе с любой другой информацией, необходимой
для их толкования, публикуются МБМВ и вводятся в
базу данных ключевых сличений.
Т.6. Ключевые сличения МКМВ и РМО проводят-
ся в соответствии с „Руководством по ключевым сли-
чениям, проводимым МКМВ", опубликованным
МБМВ, доступ к которому возможен на страничке се-
ти Интернет МБМВ.
Т.7. Для сертификатов калибровки и измерений ве-
личины, диапазоны и потенциальные калибровочные
возможности, выражаемые как неопределенность
(обычно при доверительном уровне 95 %, но в неко-
торых случаях это значение может быть на более вы-
соком, особом, уровне), перечислены по каждому уча-
ствующему институту в Приложении С. Они должны
совпадать с результатами, приведенными в Дополне-
нии Б, полученными в ходе ключевых сличений. Если
в результате какого-либо ключевого сличения для ка-
кого-либо участвующего института сохраняется значи-
тельное неразрешенное отклонение от опорного зна-
чения ключевого сличения, то наличие этого откло-
нения отмечается в Приложении С. В таком случае
институт имеет право выбора: либо изъять из Прило-
жения С одну (или более) неопределенность измере-
ния, полученной соответствующей калибровочной и
измерительной службой, либо увеличить соответст-
вующую неопределенность, указанную в Приложе-
нии С. Потенциальные возможности по калибровке и
измерениям, перечисленные в Приложении С, анали-
зируются Объединенным комитетом в соответствии с
методиками, указанными в параграфе 7.3 выше. Потен-
циальные возможности калибровки и измерений,
ссылка на которые дается в этом параграфе, это такие
потенциальные возможности, которые обычно стано-
вятся доступны заказчикам института через его калиб-
ровочные и измерительные службы, и которые ино-
гда называются термином „лучшие потенциальные воз-
можности измерения".
Т.8. Сферы ответственности Консультативных
комитетов
Консультативные комитеты играют первостепен-
ную роль в выборе и реализации ключевых сличений,
а также в утверждении законности результатов. Сфе-
ры ответственности в частности охватывают:
а) идентификацию ключевых сличений в каждой
области и поддержание текущего списка (Приложе-
ние Д);
б) учреждение и организацию (совместно с
МБМВ) выполнения ключевых сличений с интерва-
лами времени, которые должны определяться инди-
видуально для каждого сличения;
в) проверку результатов ключевых сличений
МКМВ и определение опорных значений и степеней
эквивалентности на основании предложений соответ-
ствующих рабочих групп;
г) одобрение заключительного отчета по ключе-
вым сличениям МКМВ для опубликования МБМВ;
д) проверку и подтверждение результатов ключе-
вых сличений и дополнительных сличений РМО, их
включение в Приложение В и введение в базу данных
ключевых сличений;
е) проверку и подтверждение результатов двусто-
ронних ключевых сличений для включения в Прило-
жение В и введения в базу данных ключевых сличе-
ний.
Т.9. Ключевые сличения РМО
Ключевые сличения РМО распространяют метро-
логическую эквивалентность, устанавливаемую в хо-
де ключевых сличениями МКМВ, на большее число
национальных метрологических институтов, включая
те институты государств и экономических сообществ,
которые имеют статус присоединившихся к ГКМВ.
Избыточность, согласованность и своевременность
являются важными аспектами региональных сличе-
ний, так как они гарантируют то, что всеобъемлющая
система сличений является сильной системой. Регио-
нальные организации поэтому несут особую ответст-
венность за обеспечение того, чтобы:
а) связи с ключевыми сличениями МКМВ га-
рантировали адекватную избыточность через уча-
стие достаточного количества лабораторий в обеих
группах сличений, с тем чтобы гарантировать, что свя-
зи с опорными значениями ключевых сличений уста-
навливаются с приемлемо низкой неопределенностью;
б) методики, используемые в ходе региональных
сличений, и оценка результатов и неопределенностей
были совместимы с теми методиками, которые исполь-
зуются в ключевых сличениях МКМВ;
в) выбор времени проведения ключевых сличений
согласовывался со временем ключевых сличений
МКМВ (по крайней мере, их частота);
44
г) результаты ключевых сличений РМО тщательно
оценивались в РМО, которая также несет ответствен-
ность за обеспечение того, чтобы были использованы
надлежащие методики, а результаты затем представля-
лись для публикования в соответствующий КК для
включения в Приложение В и введения в базу данных
ключевых сличений;
д) результаты двусторонних сличений, проводи-
мых соответствующим образом, рассматривались и за-
тем отсылались в соответствующий Консультативный
комитет для включения в Приложении В и для введе-
ния в базу данных ключевых сличений;
е) ь том случае, когда ключевые сличения РМО про-
водятся до начала соответствующего ключевого сли-
чения МКМВ, связь с последующим опорным значени-
ем ключевого сличения по срокам откладывалась до
тех пор, пока не будут завершены оба ключевых сли-
чения.
Т.10. Дополнительные сличения РМО
Дополнительно к ключевым сличениям Консульта-
тивные комитеты, РМО и МБМВ могут проводить до-
полнительные сличения, чтобы удовлетворять особые
потребности, не охватываемые ключевыми сличениями,
включая и те сличения, которые проводятся в поддерж-
ку доверия к сертификатам калибровки и измерений.
Объединенный комитет РМО и МБМВ (смотри вы-
ше параграф 9.3) проводят форум для координации
(среди регионов) дополнительных сличений, прово-
димых РМО, с тем чтобы поддержать доверие к серти-
фикатам калибровки и измерения.
Приложения к Договоренности
Приложения А, В, С и Д хранятся в памяти компь-
ютера в базе данных ключевых сличений в МБМВ. В
течение начального периода, равного четырем годам,
база данных (которая была составлена НИС1ом) будет
поддерживаться совместно МБМВ и НИСТом.
Приложение А. I Теречень национальных метроло-
гических институтов, подписавших Договоренность,
а также их логотипы.
Приложение В:
В1. Результатов ключевых сличений МКМВ.
В2. Результатов ключевых сличений РМО.
ВЗ. Результатов дополнительных сличений.
Для каждого ключевого сличения перечни вклю-
чают:
— индивидуальные значения для каждого институ-
та вместе с указанием их заявленных неопределенно-
стей;
— опорное значение ключевого сличения с его со-
ответствующей неопределенностью:
— для каждого института отклонение от опорного
значения ключевого сличения и неопределенность
этого отклонения (при доверительном уровне 95 %),
т.е. его степень эквивалентности;
— степени эквивалентности между каждым из уча-
ствующих институтов.
Приложение С. Величины, для которых серти-
фикаты калибровки и измерений признаются инсти-
тутами, участвующими в части 2 настоящей Догово-
ренности. Величины, диапазоны и потенциальные
возможности в сфере калибровки и измерений, вы-
раженные как неопределенность (обычно при дове-
рительном уровне 95 %, см. Т7) приведены для каж-
дого участвующего института.
Приложение Д. Перечень ключевых сличений.
Приложение Е. Круг полномочий Объединенно-
го комитета РМО и МБМВ (ОКРБ).
Глоссарий терминов, использованных в этом до-
кументе
CGPM: Генеральная конференция по мерам и ве-
сам (ГКМВ)
С1РМ: Международный комитет мер и весов
(МКМВ)
BIPM: Международное бюро мер и весов (МБМВ).
Эквивалентность: условие быть эквивалентным,
т.е. равным для практических целей по значению или
ценности. Примечание: эквивалентность не подразу-
мевает идентичность.
Степень эквивалентности измерительного эта
лона: степень, до которой значение эталона измере-
ния соответствует опорному значению ключевого сли-
чения. Она выражается количественно как отклоне-
ние от опорного значения ключевого сличения и как
неопределенность этого отклонения. Степень экви-
валентности между двумя эталонами измерения выра-
жается как разность между их соответствующими от-
клонениями от опорного значения ключевого сличе-
ния и как неопределенность этой разности.
Ключевое сличение: одно из ряда сличений, вы-
бранное Консультативным комитетом для проверки
принципиальных приемов и методов в данной облас-
ти (отметим, что ключевые сличения могут включать
сличения кратных и дольных основных и производ-
ных единиц СИ, а также сличения артефактов).
Ключевое сличение МКМВ: ключевое сличение,
выполняемое Консультативным комитетом или
МБМВ, приводящее к опорному значению ключево-
го сличения
Ключевое сличение РМО: ключевое сличение,
выполняемое региональной метрологической органи-
зацией. Примечание: Только ключевые сличения, вы-
полняемые Консультативным комитетом или МБМВ,
дают опорное значение ключевого сличения. Для клю-
чевого сличения, выполняемого региональной мет-
рологической организацией, связь с опорным значе-
нием ключевого сличения получают путем ссылки на
результаты от тех институтов, которые также прини-
мали участие в ключевом сличении МКМВ.
Опорное значение ключевого сличения: опор-
ное значение и его неопределенность, получающие-
ся в результате ключевого сличения, проводимого
МКМВ.
База данных ключевых сличений: база данных,
хранящаяся в МБМВ, которая содержит Приложе-
ния А, В. С и Д настоящей Договоренности о взаимном
признании.
Сертификат калибровки или измерения: серти-
фикат, выдаваемый национальным метрологическим
институтом, относящийся к испытанию или калибров-
ке и измерениям на приборе или по отношению к
стандартному образцу (принадлежащий к измерени-
ям либо физических, либо химических величин).
Дополнительное сличение: сличения, проводи-
мые Консультативными комитетами, региональными
метрологическими организациями и МБМВ с целью
45
удовлетворения специфических потребностей, не ох-
ватываемых ключевыми сличениями, включая сличе-
ния с целью поддержки доверия к сертификатам ка-
либровки.
Потенциальная возможность в сфере калибровки
и измерений: наивысший уровень измерения или ка-
либровки, обычно предлагаемый клиентам, выражен-
ный в значениях доверительной вероятности, равной
95 %, причем иногда называемый как лучшая потен
циальная возможность измерения.
Национальный метрологический институт:
НМИ, подписавший настоящую Договоренность, т.е.
метрологический институт, назначаемый соответст-
вующим национальным правительством или офици-
альной властью как институт, ответственный за на-
циональные измерительные эталоны.
Приложение Е
Круг полномочий Объединенного комитета Регио-
нальных метрологических организаций и МБМВ
1 Объединенному комитету вверяется:
а) согласование действий среди РМО по созданию
доверия к признанию сертификатов калибровки и из-
мерения в соответствии с положениями Договоренно-
сти о взаимном признании (ДВП);
б) внесение „политических" предложений для РМО
и для МКМВ по работе с ДВП;
в) анализ критериев ДВП применения в каждой
РМО;
г) анализ и внесение в Приложение С предложе-
ний от каждой РМО по поводу потенциальных возмож-
ностей при проведении калибровки и измерения в ка
ждом НМИ-члене и передача отчета в МКМВ.
д) содействие в проведении соответствующих меж-
региональных дополнительных сличений;
е) подготовка ежегодного отчета о деятельности
Объединенного комитета для МКМВ и для подписан-
тов СВП.
2 . Членство и заседания Объединенного комитета:
а) каждая РМО сообщает Директору МБМВ фами-
лию ее официального представителя в Объединенном
комитете;
б) на каждом заседании Объединенного комитета
представители могут появляться в сопровождении сво-
их советников по соответствующим вопросам;
в) Объединенный комите т работает на основе кон-
сенсуса;
г) Объединенный комитет должен созываться по
крайней мере один раз в год
" 46 -.
Руководители Депо образцовых мер
и весов — Главной палаты мер и весов —-
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
(1842-2001 гг.)
1842-1865 гг. Купфер Адольф Яковлевич
1865-1892 гг. 1892-1907 гг. Глухов Владимир Семенович Менделеев Дмитрий Иванович
1907-1919 гг. Егоров Николай Григорьевич
1919-1921 гг. Блумбах Федор Иванович
1921-1922 гг. Доброхотов Александр Николаевич
1922-1929 гг. Коновалов Дмитрий Петрович
1929-1981 гг. Шателен Михаил Андреевич
1931-1932 гг. Семенов А.М.
1932-1933 гг. Залуцкий Леонид Васильевич
1933-1938 гг. Снарский Сергей Зиновьевич
1938-1941 гг. Круницкий Григорий Моисеевич
1941-1945 гг. Гаркуша Николай Феодосьевич
1945-1946 гг. Тиходеев Павел Михайлович
1946- 1948 гг. Яновский Борис Михайлович
1948-1950 гг. Колосов Александр Константинович
1950-1953 гг. Павлов Михаил Петрович
1953-1956 гг. Юдин Михаил Федорович
1956-1975 гг. 1975-1997 гг. Арутюнов Валентин Осипович Тарбеев Юрий Васильевич
С 1 ноября 1997 г. Ханов Николай Иванович
47
КУПФЕР Адольф Яковлевич (6(17).01.1799,
Митава — 23.05.(4.06) 1865). Академик, крупнейший
физико-химик, метролог, основатель первого метро-
логического и поверочного учреждения—Депо образ-
цовых мер и весов и Главной физической обсервато-
рии России.
Закончил Дерптский университет, продолжил об-
разование в Берлинском и Геттингенском универси-
тетах (1815-1821 гг.). С 1824 г. он возглавил кафедру
химии и физики в Казанском университете. Одновре-
менно проводил работы по земному магнетизму, ру-
ководил геологической и магнитной экспедициями в
окрестностях Эльбруса.
В 1828 г. А.Я. Купфер был избран ординарным ака-
демиком по минералогии Петербургской Академии
наук, где возглавил Минералогический музей, а в
1841 г. академиком физики.
А.Я. Купфер — главный исполнитель работ Комис-
сии по мерам и весам 1832-1842 гг. Под его руково-
дством была разработана научно обоснованная сис-
тема Российских мер и созданы первые эталоны еди-
ниц массы и длины — платиновые фунт и сажень, а
также образцовые меры объема — ведро и четверик.
Предложил план введения единой системы мер на
всей территории России.
Первый ученый-хранитель Депо образцовых мер
и весов (1842-1865 гг.). А.Я. Купфер осуществлял хра-
нение эталонов, сличение с ними образцовых и рабо-
чих мер, организовал поверку мер, провел ряд метро-
логических исследований.
В 1849 г. по инициативе и проекту А.Я. Купфера
была основана Главная физическая обсерватория, ко-
торую он возглавил.
В 1859 г. А.Я. Купфер представлял Россию на съез-
де Международной ассоциации по введению едино-
образной системы мер, весов, монет в Брэдфорде.
Автор более 150 научных трудов в области кристал-
лографии, минералогии, металловедения, метроло-
гии, земного магнетизма, метеорологии.
ГЛУХОВ Владимир Семенович (16.02.1813,
Санкт-Петербург — 12.02.1894). Профессор, физик,
выдающийся метролог. Ученый хранитель Депо образ-
цовых мер и весов в 1865-1892 гг.
Закончил Институт инженеров путей сообщения
(1830), где более 30 лет преподавал математику, физи-
ку, физическую географию и высшую геодезию. Рабо-
тал в Горном институте, во Втором кадетском корпу-
се. В 1840-х гг. возглавлял Комиссию по устройству в
России электромагнитного телеграфа, по его настоя-
нию в России была принята азбука Морзе. В 1860-х гг.
работал в Департаменте неокладных сборов, возглав-
лял Экспедицию для поверки ввозимых в Россию
спиртометров.
Разработал программу развития отечественной
метрологии и поверочного дела. Инициатор создания
в 1869 г. правительственной комиссии для преобра-
зования Депо образцовых мер и весов. В.С. Глухов оп-
ределил функции Депо как государственного повероч-
ного органа, в ведении которого должны находиться
все измерительные приборы, используемые для по-
верки мер и весов. Проект закона о мерах и весах пре-
дусматривал применение в качестве основной едини-
цы длины — аршина, вместо сажени, а также более точ-
ное определение основной единицы массы — фунта.
Предполагалось возобновление прототипов (этало-
нов) длины и массы и факультативное применение в
России метрической системы мер наряду с русской
системой.
В целях улучшения условий хранения эталонов и
научной постановки метрологических работ, по его
инициативе было построено в 1879 г. специальное зда-
ние с термостатированными хранилищами — ныне
главное здание ВНИИМ. Депо было оснащено новей-
шим для того времени оборудованием.
Многие идеи В.С. Глухова получили дальнейшее
развитие и были осуществлены Д.И. Менделеевым в
Главной палате мер и весов.
МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович (27.01 (8.02)
1834, г. Тобольск — 20.01 (2.02) 1907, С.-Петербург).
Великий русский ученый, всемирно известный есте-
ствоиспытатель. Почетный и действительный член
отечественных и иностранных Академий наук, уни-
верситетов, научных обществ. Открыл Периодиче-
ский закон химических элементов (1869).
Выпускник Главного педагогического института в
Петербурге (1855), чл.-корр. АН (1876). Начал трудо-
вую деятельность учителем симферопольской гимна-
зии (1855), затем перевелся в Одессу. Приват-доцент
Петербургского университета (1857). Командирован
в Германию, работал в лабораториях Бунзена и Кирх-
гофа, участвовал в Международном конгрессе химиков
в Карлсруэ (1860). Профессор Петербургского техно-
логического института (1864-1866 гг.), профессор не-
органической химии Петербургского университета
(1867-1890 гг.). Будучи консультантом при морском ми-
нистре по делам научно-технической лаборатории, по-
лучил высокий чин тайного советника (соответство-
вал званию генерал-лейтенанта) (1891).
Ученый хранитель Депо образцовых мер и весов
(1892-1893 гг.), Управляющий Главной палатой мер и
весов (1893-1907 гг.). На базе Депо в 1893 г. основал
Главную палату мер и весов — первый научный мет-
рологический центр России. Возобновил отечествен-
ные эталоны единиц массы — фунта и длины — арши-
на, сличив их с международными метром и килограм-
мом. Воспроизвел национальную систему эталонов,
соответствующую мировому уровню развития науки
и техники; разработал и осуществил программу науч-
ных исследований в области метрологии, открыв в
Главной палате мер и весов 10 новых научных лабо-
раторий по различным видам измерений. Разработал
основы теории измерений, теории точного взвеши-
вания, теории погрешностей, физическую теорию ве-
сов. Автор и основной исполнитель реформы государ-
ственной службы мер и весов России (1899). По его
инициативе в 1900-1905 гг. были открыты 25 повероч-
ных учреждений нового типа — поверочные палатки.
Провел значительные работы, связанные с практиче-
ским переходом России на метрическую систему мер.
Член МКМВ (1895-1901 гг.), почетный член МКМВ
(1901-1907 гг.). Автор более 500 печатных работ, в том
числе 60 — по метрологии.
УЧЕНЫЙ ТИТУЛ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА
Доктор Университетов:
1. С.-Петербургского (доктор химии; заслуженный
профессор)
48
2. Эдинбургского (доктор прав)
3.1еттингенского (доктор философии)
4. Оксфордского (доктор гражданского права)
5. Кембриджского (доктор прав)
6. Принсетонского (доктор прав)
7. Глазговского (доктор прав)
8. Йельского в США (доктор прав)
Почетный член Академии наук и научных Обществ:
1. Дублинского Королевского Общества
2. Югославской Академии (Загреб)
3. Ирландской Академии (Дублин)
4. Американской Академии (Бостон)
5. Королевского Великобританского Института
Член Академий Наук:
1. Королевского Общества в Эдинбурге
2. Королевского Общества в Лондоне
3. Датской Академии Наук (Копенгаген)
4. Чешской Академии Наук (Прага)
5. Краковской Академии Наук
6. Римской Академии Наук
7. Бельгийской Академии Наук
8. Национальной Академии Наук США (Нью-Йорк)
9. Парижской Академии Наук
10. Шведской Академии Наук (Стокгольм)
11. Сербской Королевской Академии (Белград)
Член-корреспондент Академий Наук:
1. Российской Академии Наук
2. Туринской Академии Наук
3. Венгерской Академии Наук (Будапешт)
4. Академии Наук в Болонье
5. Прусской Академии Наук
Почетный член Университетов:
1. Московского Университета
2. С.-Петербургского Университета
3. Казанского Университета
4. Харьковского университета
5. Киевского Университета
6. Одесского Университета
7. Юрьевского Университета
Почетный член Академий и Институтов:
1. Медико-Хирургической Академии (С.-Петербург)
2. Петровской Земледельческой Академии
3. Академии Художеств (и член Совета) в С.-Петербурге
4. Московского Технического Училища
5. Института сельского хозяйства в Новой Александ-
рии
6. Технологического Института (С.-Петербург)
Почетный член научных Обществ:
1. Русского Физико-Химического (С.-Петербург)
2. Американского Химического Общества (Нью-Йорк)
3. Лондонского Химического Общества
4. Немецкого Химического Общества
5. С.-Петербургского Минералогического Общества
6. Московского Общества испытателей природы
7. Общества любителей естествознания при Москов-
ском Университете
8. Общества естествоиспытателей при Казанском
Университете
9. Киевского Общества естествоиспытателей
10. Рижского Общества естествоиспытателей
11. Уральского Общества естествоиспытателей
(Екатеринбург)
12. Кембриджского общества естествоиспытателей
(Англия)
13. Франкфуртского-на-Майне Общества естествоис-
пытателей
14. Гетеборгского Общества естествоиспытателей
15. Брауншвейгского Общества естествоиспытателей
16. Манчестерского Общества естествоиспытателей
17. Русского Технического Общества (С.-Петербург)
18. Политехнического общества (Москва)
19. Московского сельскохозяйственного Общества
20. Полтавского сельскохозяйственного Общества
21. С.-Петербургского Собрания сельских хозяев
22- Русского общества охранения народного здравия
(С.-Петербург)
23. Русского Астрономического общества
24. Общества русских врачей в С.-Петербурге
25. Виленского Медицинского Общества
26. Кавказского Медицинского Общества
27. Вятского Медицинского общества
28. Иркутского Медицинского общества
29. Архангельского Медицинского Общества
30. С.-Петербургского Медицинского общества
31. Симбирского Медицинского Общества
32. Екатеринославского медицинского общества
33. С.-Петербургского Фармацевтического Общества
34. Киевского Фармацевтического общества
35. Лондонского Фармацевтического Общества
36. Филадельфийского Фармацевтического общества
37. Совета торговли и мануфактур
38. Павловского Ремесленного Училища
39. Общества Физических наук (Бухарест)
40. Полтавского кружка любителей физико-математи-
ческих наук
41. Королевского Философского Общества в Глазго
(Англия)
Член Научных Обществ:
1. Королевского Общества Великобритании (Лондон)
2. Международного общества биологической химии
(Англия)
3. Американского Философского Общества.
4. Вольного Экономического Общества (С.-Петер-
бург)
5. Итальянского научного Общества (Рим)
6. Центрального Общества спасания на водах (Париж)
Член-корреспондент Научных Обществ:
1. Общества поощрения национальной индустрии
(Париж)
2. Роттердамского Ученого Общества
3. Научного Общества в Геттингене
4. Общества поощрения мануфактур и торговли
(Лондон)
Почетные дипломы и медали:
1. Международной Выставки в Лондоне (диплом за
научное изобретение)
2. Международной Выставки в Филадельфии (диплом
за изобретение дифференциального барометра)
3. Международного Географического Конгресса
(медаль)
4. Академии Аэростат, и метеорологии в Париже (по-
четный диплом за полет на воздушном шаре в 1887 г.)
5. Лондонского Королевского Общества (медаль Дэви)
6. Лондонского Королевского общества (медаль
Фарадея)
7. Лондонского Королевского Общества (медаль Коп-
лея)
8. Почетный гражданин города Тобольска
49
ЕГОРОВ Николай Григорьевич (7.09.1849, С.-Пе-
тербург — 22.07.1919). Профессор, доктор физики, за-
служенный академик, видный метролог, специалист
в области электрических и оптических измерений,
Почетный инженер-электрик (1899), сподвижник
Д.И. Менделеева.
Закончил физико-математический факультет С.-
Петербургского университета (1870). Преподавал в С.-
Петербургском и Варшавском университетах, Военно-
медицинской академии, Технологическом институте,
Михайловском артиллерийском училище, Николаев-
ской инженерной академии. В Военно-медицинской
академии создал одну из лучших в России физическую
лабораторию и организовал первую в стране рентге-
новскую лабораторию при Военном клиническом гос-
питале.
Работал в Главной палате мер и весов с 1894 по
1919 гг., был приглашен Д.И. Менделеевым для органи-
зации термометрического и электрического отделе-
ний. В 1894 г. назначен помощником управляющего, а
с 1907 по 1919 гг. — управляющий Главной палатой.
По инициативе Н.Г. Егорова были изготовлены на-
циональные эталоны электрических единиц в 1909-
1913 гг. и заложены основы радиотелеграфной, опти-
ческой, радиологической и магнитной лабораторий.
Участвовал в разработке нормативных документов
(правил, инструкций и т.п.) для устройства поверки
мер и измерительных приборов, содействовал расши-
рению номенклатуры поверяемых приборов в стра-
не (электрических счетчиков, водомеров и др.).
Н.Г. Егоров возглавил работу по подготовке про-
екта декрета о введении Международной метрической
системы мер и весов, который был утвержден СНК
РСФСР 14 сентября 1918 г., и всемерно способство-
вал проведению в жизнь метрической реформы в
стране, являясь главой Межведомственной метриче-
ской комиссии. Член Международного комитета мер
и весов с 1901 по 1919 гг., принимал активное участие
в работе Лондонской Международной конференции
по электрическим единицам и эталонам (1908).
С 1908 г — член комиссии Русского физико-хими-
ческого общества, которая подтвердила приоритет
А.С. Попова на изобретение радио.
Н.Г. Егоров автор более 50 научных трудов, в том
числе учебника физики для студентов-медиков.
БЛУМБАХ Федор Иванович (Фрицис Янович)
(1864-1949 гг.). Профессор, почетный член АН Лат-
вийской ССР, заслуженный деятель науки Латвии, вид-
ный специалист в области астрономии, измерений
времени и длины, сподвижник Д.И. Менделеева.
Выпускник Дерптского университета. Работал в
Главной палате мер и весов в качестве механика, стар-
шего инспектора со дня ее основания (1893-1921 гг.),
а в 1919-1921 гг. исполнял обязанности ее управляю-
щего.
Под руководством Д.И. Менделеева в 1894-1899 гг.
Ф.И. Блумбах выполнял работы по возобновлению
русских прототипов мер длины (аршина и полусаже-
ни) и установлению точных соотношений их с мет-
рическими мерами. Он организовал и оснастил совер-
шенным для того времени оборудованием астрономи-
ческое отделение в Главной палате, что позволило
приступить к работам по измерению точного време-
ни и осуществить впервые в практике метрологиче-
ских учреждений мира хранение единицы времени —
секунды.
Ф.И. Блумбах руководил рядом экспедиций по на-
блюдению полных солнечных затмений. Активно уча-
ствовал в подготовке к переходу на метрическую сис-
тему в стране.
ДОБРОХОТОВ Александр Николаевич
(1(14).12.1868, д. Межеречье, Гродненская губ. —
15.04.1942, Свердловск). Профессор, доктор техни-
ческих наук, физик, известный метролог, крупный
специалист в области измерений массы, сподвижник
Д.И. Менделеева.
Выпускник физико-математического факультета
Петербургского университета, работал в Главной пала-
те мер и весов (ВНИИМ) с 1894 по 1942 гг. Участник
проводимых под руководством Д.И. Менделеева фун
даментальных исследований по возобновлению прото-
типа меры массы — фунта. Исследовал пурки и весы.
Занимался определением плотности и объема порош
кообразных тел , для чего сконструировал специальные
измерительные приборы (объемомсры, нормальные
пурки, изохронные и метрологические весы).
Управляющий Главной палатой мер и весов (1921—
1922 гг.), директор Поверочного института Главной
палаты (1922-1929 гг.). Его деятельность была на-
правлена на введение метрической системы единиц
в стране, развитие и совершенствование поверочного
дела, подготовку кадров метрологов для поверочных
учреждений.
Неоднократно был делегатом на Международных
конференциях по мерам и весам (1927). Являясь чле-
ном Метрологического бюро, в функции которого вхо-
дило оформление документов на эталоны СССР, при-
нимал активное участие в разработке и утверждении
поверочных схем. Руководил поиском новых, более
дешевых сплавов (по качеству не уступающих сплаву
платины и иридия) для изготовления эталонных гирь.
С 1902 по 1923 гг. занимался педагогической дея-
тельностью. Автор 50 печатных работ.
КОНОВАЛОВ Дмитрий Петрович
(10(22).03.1856, с. Ивановцы, ныке Днепропетров-
ской обл. —16.01.1929, Ленинград). Выдающийся фи-
зико-химик. академик Академии наук СССР (1923, чл.-
корр.с 1921 г), крупный метролог, специалист в облас-
ти термохимии и калориметрии, ученик и преемник
Д.И. Менделеева. По окончании 1орного института
(1878) бы л вольнослушателем Петербургского универ-
ситета, где изучал химию у Бутлерова и Менделеева.
С 1882 г. — ассистент, в 1886- 1907 гг. профессор Пе-
тербургского университета. В 1903-1905 гг. директор
Петербургского Горного института. В 1908-1915 гг.
был товарищем (т.е. заместителем) министра торгов-
ли и промышленности. Профессор Петроградского
технологического института, Горного института
(1916-1922 гг.), директор научно-исследовательского
химико-энергетического института в Днепропетров-
ске (1919-1922 гг.); участвовал в восстановлении
химической промышленности Украины. Президент
Главной палаты мер и весов (1922-1929 гг.). Неодно-
кратно избирался председателем Русского физико-хи-
мического общества.
============================ 50 .......... -
Являясь президентом Главной палаты, он рас-
ширил сферу ее деятельности, изменил структуру, соз-
дав Метрологический и Поверочный институты для
обеспечения единства измерений и улучшения пове-
рочной деятельности на местах.. Под его руково-
дством в Главной палате были созданы эталоны све-
товых, электрических единиц, платиновые термомет-
ры сопротивления и платино-родиевые термопары,
эталонная пурка, первая эталонная калориметриче-
ская установка и др., в химической лаборатории бы-
ло начато изготовление и проведены испытания пер-
вых отечественных стандартных образцов бензойной
оислоты, один из которых был принят в качестве эта-
лона СССР.
Д.П. Коновалов был первым председателем Коми-
тета эталонов и стандартов (с 1922 г.), осуществляв-
шего научное руководство стандартизацией в стране.
Возглавив Метрическую комиссию в Главной па-
лате, он объединил усилия многих других государст-
венных учреждений для реализации важнейшей зада-
чи — практического перехода на метрическую систе-
му единиц.
Большое внимание уделял Д.П. Коновалов вопро-
сам подготовки кадров школы метрологов и повери
телей.
Научная и практическая деятельность Д.П. Коно-
валова способствовала укреплению международного
престижа отечественной метрологии. Член МКМВ с
1926 по 1929 гг. Автор свыше 150 печатных работ.
ШАТЕЛЕН Михаил Андреевич (1(13).01.1866,
Анапа, Краснодарский край — 31.01.1957, Ленин-
град). Чл.-корр. АН СССР (1931), заслуженный дея-
тель науки и техники СССР, Герой социалистическо-
го труда (1956), виднейший теоретик, один из осно-
вателей отечественной электротехники и
энергетики, член государе геенной комиссии по элек
трификации России (ГОЭЛРО).
Окончил Петербургский университет (1888). пре
подавал там же с 1891 г., а также в Горном институте.
С 1893 г. профессор Петербургского электрот ехниче-
ского института. Активный организатор Петербург-
ского политехнического института, в котором препо-
давал в 1901 -1957 гг.
В 1929 -1931 гг.. являясь президентом Главной па-
латы мер и весов, наметил пути создания эталонов
электрических и световых единиц.
Участник Комитета эталонов и стандартов при
Главной палате мер и весов. М.А. Шателен был с
1929 г. членом, а с 1948 г. почетным членом МКМВ.
По его предложению был создан Консультативный ко-
митет по фотометрии при МКМВ.
МА Шателен — лауреат Государственной премии
СССР (1949), награжден тремя орденами Ленина, ор-
денами Красного Знамени и медалями. Он автор мно-
гочисленных научных трудов по общим вопросам
электротехники, светотехники, метрологии и исто-
рии техники.
ЗАЛУЦКИЙ Леонид Васильевич (1877-1942 гг.).
Профессор, доктор технических наук, известный
физик-метролог, специалист в области электриче-
ских, магнитных, температурных и механических
измерений.
Работал в Главной палате мер и весов — ВНИИМ с
1917 по 1942 гг. Основатель и руководитель магнит-
ной лаборатории (1918-1927 гг.); с 1922 по 1929 гг. —
директор Метрологического института Главной пала-
ты, а затем заместитель начальника Главного управ-
ления мер и весов.
Л.В. Залуцкий был одним из организаторов про-
мышленного производства электротехнической ста-
ли, инициатором постановки исследований по созда-
нию магнитных материалов, специальных сплавов
(технологии изготовления инварной проволоки); уча-
ствовал в разработке многих приборов-пермеаметров,
баллистических гальванометров и др.
Возглавил работы по созданию государственных
эталонов электрических единиц. Им были заложены
основы теории ампер-весов для воспроизведения аб-
солютного ампера, созданы первые модели этих ве-
сов, а также модели катушек взаимоиндукции для вос-
произведения эталона единицы напряженности маг-
нитного поля.
Принимал активное участие в практическом осу-
ществлении перехода на метрическую систему мер в
стране, на стоградусную температурную шкалу. Разра-
ботал ряд проектов стандартов.
Л.В. Залуцкий положил начало развитию в стране
калибрового дела, постановки точных измерений в ма-
шиностроении, участвовал в организации измери-
тельных лабораторий на многих промышленных
предприятиях. Он один из основоположников совет-
ского приборостроения, организаторов в деле подго-
товки- кадров метрологов. Л.В. Залуцкий всемерно
способствовал внедрению метрологических знаний в
инженерно-техническую и научно-исследовательскую
практику. Принимал активное участие в организации
международных метрологических работ.
Автор многих печатных статей, в том числе пер-
вой отечественной книги „Магнитные измерения".
ТИХОДЕЕВ Павел Михайлович (1893-1978 гг.).
Профессор, доктор технических наук, лауреат Госу-
дарственной премии, крупнейший специалист в об-
ласти светотехнических измерений.
В 1943-1946 гг. являлся заместителем директора и
директором ВНИИМ и его филиалов с середины 1945
до 11.07.1946 гг.
За период работы во ВНИИМ (1923-1957 гг.) ор-
ганизовал эталонную фотометрическую лаборато-
рию, одну из лучших национальных лабораторий то-
го времени, установил впервые в стране световые и
групповые эталоны и единицы, лампы накаливания,
разработав сист ему их воспроизведения, хранения и
передачи.
В 19-11-1956 гт. создал и усовершенствовал новый
световой эталон абсолютно черного тела при темпе-
ратуре затвердевания платины, разработал ряд новых
приборов и методов световых измерений. Все это
обеспечило единство световых измерений в стране.
Награжден орденом Ленина и медалями.
Автор свыше 100 работ, в том числе книг „Свето-
вые измерения в светотехнике" и „Очерки об исход-
ных (метрологических) измерениях".
ЯНОВСКИЙ Борис Михайлович (15.11.1894,
с. Кувшиново, Вологодской губ. — 1967). Доктор
51
физико-математических наук, профессор (1937),
заслуженный деятель науки и техники, глава россий-
ской школы геомагнетизма.
С 1913 по 1916 гг. учился в Петроградском универ-
ситете. Ассистент кафедры физики Психоневрологи-
ческого института (1916-1917 гг.). Служил в Волжской
военной флотилии (1917-1918 гг.). Начальник экспе-
диции в Комиссии по исследованиям Курской магни т-
ной аномалии (1918-1926 гг.). С 1926 г начал работать
старшим лаборантом в Главной Палате мер и весов, а
также сотрудничал с Гидрографическим институтом.
Участник Генеральной магнитной съемки всей терри-
тории СССР (1930) Заместитель директора по науч-
ной работе Гидрографического института (1937-
1941 гг). В годы Великой Отечественной войны в
Свердловске организовал электромагнитную лабора-
торию. Директор ВНИИМ (1946-1948 гг )
Возглавлял во ВНИИМ работы по абсолютному
воспроизведению единиц магнитных величин. Поста-
вил первые в нашей стране работы по использованию
внутриатомных явлений ь области магнитных изме-
рений, в частности, исследования по определению од-
ной из важнейших фундамента льных физических кон-
стант — гиромагнитного отношения протона в слабых
магнитных полях.
Б.М. Яновский успешно совмещал научную дея-
тельность с педагогической, возглавлял кафедру Зем-
ной коры (Физики Земли) в Ленинградском государ-
ственном университете (1944-1967 гг.). Определил и
возглавил важнейшие научные направления кафедры:
исследование электрических свойств Земли, сейсмо-
логические, физика околоземного пространства.
Автор более 100 печатных работ, в том числе ка-
питальной монографии „Земной магнетизм", выдер-
жавшей четыре издания. В книге освещены вопросы
теории геомагнетизма и основы геомагнитных изме-
рений, она до сих пор является одним из основных
учебных и научных пособий для специалистов и сту-
дентов вузов.
Б.М. Яновский награжден орденами Ленина, Тру-
дового Красного Знамени, „Знаком почета", медаля
ми. Память Ь.М. Яновского увековечена присвоени-
ем имени „Нунатаки Яновского" географической точ-
ке в Антарктиде, имеющей координаты 69°15' ю.ш. и
39"25' в.д.
КОЛОСОВ Александр Константинович
(22.03.1886, г. Курск — 14.09.1976). Профессор, кан-
дидат химических наук, крупный специалист в облас
ти электрохимии и электрических измерений.
Выпускник металлургического факультета (элек
трохимическое отделение) Петроградского политех-
нического института (1915).С1919по 1970 гг. — руко-
водитель лаборатории нормальных элементов (позд-
нее — электрических единиц) Главной палаты мер и
весов (ВНИИМ). Директор ВНИИМ (1948 -1950 гг.).
Уст ановил новый Государственный эталон между-
народного вольта в виде группы из 25 нормальных эле-
ментов Вестона, произвел новое определение э.д.с.
при помощи созданного им серебряного вольтамет-
ра (1932). Разработал новую технологию изготовле-
ния рабочих нормальных элементов и организовал их
промышленное производство (1939). Впервые разра-
ботал нормативную документацию на эталоны и
образцовые меры э.д.с. В годы блокады Ленинграда
участвовал в разработке метода получения светящих-
ся красок во ВНИИМ.
Неоднократно представлял Россию на заседаниях
ГКМВ и сессиях Консультативных комитетов по элек-
тричеству и термометрии, систематически участвовал
в международных сличениях мер ЭДС. Его предложе-
ние о замене в МПТШ реперной точки кипения серы
точкой затвердевания цинка получило международ-
ное признание на Консультативном комитете по тер-
мометрии (1958).
С 1932 г. преподавал в Ленинградском корабле-
строительном институте, где заведовал кафедрой об-
щей химии (1937-1970 гг.).
Автор более 50 научных работ, в том числе моно-
графии „Международный нормальный элемент Вес-
тона".
Награжден орденом Трудового Красного Знамени
и медалями.
ЮДИН Михаил Федорович (16.11.1916, Петро-
град — 28.09.200У). Доктор технических наук (1968),
профессор (1971), крупный специалист в области до-
зиметрии и радиометрии ионизирующих излучений
и метрологии, лауреат Премии Правительства России
(1997).
Вьшускник инженерно-физического факультета
Ленинградского политехнического института (1939).
В годы Великой Отечественной войны служил
рентгенотехником при главном рентгенологе Ленин-
града (1941), участвовал в монтаже и настройке рент-
геновских аппаратов для военно-полевых госпиталей.
Принимал участие в боях на Ленинградском фронте
(1942-1945 гг.): солдат, командир взвода, роты.
Работал во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1939-
1994 гг.), занимая последовательно должности аспи-
ранта, старшего научного сотрудника, руководителя
лаборатории, заместителя директора по науке, дирек-
тора института (1953-1956 гг.). руководителя лабора-
тории, начальника отдела, ведущего научного сотруд-
ника. Руководил работами по запуску первого в стра-
не бетатрона на 50 МэВ (1960). Участвовал в
коллективном научном руководстве работами по соз-
данию и постоянному совершенствованию эталонной
базы страны в области дозиметрии и радиометрии ио-
низирующих излучений (1969,1975,1994 гг.). Руково-
дил разработкой комплекса нормативных документов
для обеспечения единства и правильности измерений
ионизирующих излучений. Принимал активное уча-
стие в создании и внедрении аппаратуры нового по-
коления в составе Государственных первичных этало-
нов единиц активности радионуклидов и поглощен-
ной дозы фотонного и электронного излучения для
метрологического обеспечения радиоэкологического
мониторинга, радиационной защиты и лучевой тера
пии (1997).
Участвовал в работе Консультативного комитета
по эталонам ИИ МКМВ.
Преподавал в Ленинградском педиатрическом ме-
дицинском институте (1955-1960 гг.).
Автор более 300 научных работ.
Академик Метрологической академии (1992).
Награжден: орденами Отечественной войны 1-й
степени, Александра Невского и многими медалями.
52
АРУТЮНОВ Валентин Осипович (23.03.1908,
г. Ашхабад — 19.02.1976). Профессор, доктор техни-
ческих наук, крупный специалист в области электро-
приборостроения, электрических и магнитных изме-
рений, телеизмерений, по теоретическим основам
электроизмерительной техники, талантливый конст-
руктор и педагог.
Выпускник Ленинградского политехнического ин-
ститута (1931 г.), работал на заводе „Вибратор" (1931-
1934 гг.). Одновременно занимался преподавательской
деятельностью в ЛПИ (1932-1934 гг.), в том числе на
кафедре телеизмерений (1934-1941 гг.). С 1941 по
1944 гг. — начальник технического отдела, заместитель
главного конструктора на Краснодарском заводе изме-
рительных приборов, доцент кафедры математики Ом-
ского машиностроительного института (1943-1944 гг.).
В 1944-1946 гг. — начальник производства, главный ин-
женер завода „Вибратор", доцент (1948-1953 гг.), затем
профессор Ленинградского политехнического инсти-
тута (1954-1956 гг.). В 1956-1975 гг. —директор Всесо-
юзного научно-исследовательского института метроло-
гии им. Д.И. Менделеева.
В.О. Арутюнов — инициатор создания и развития
системы эталонов электрических и магнитных вели-
чин, основанных на фундаментальных физических
константах, а также ряда других новых направлений
в метрологии (физико-химические измерения, изме-
рения параметров движения, параметров физических
полей, гидродинамические измерения, определение
и уточнение физических констант). Активно способ-
ствовал развитию работ по созданию средств переда-
чи размеров единиц от эталонов через образцовые
средства измерений рабочим мерам. В.О. Арутюнов
неоднократно представлял отечественную метроло-
гию во многих международных организациях: участ-
вовал в работе XI и XII Генеральных конференций по
мерам и весам в Париже, входил в состав делегации
по изучению опыта работы Национального бюро
стандартов США, был одним из организаторов Меж-
дународной конфедерации по измерительной техни-
ке и приборостроению (ИМЕКО) (1958), представлял
СССР в комитетах Международной электротехниче-
ской комиссии (МЭК). Велики его заслуги в развитии
двустороннего сотрудничества с национальными мет-
рологическими центрами мира.
В.О. Арутюнов лауреат Государственной премии
(1948 г.), награжден орденами Ленина, Октябрьской
революции и медалями. Автор 12 изобретений и 108
печатных работ, в том числе 10 монографий и учеб-
ников.
ТАРБЕЕВ Юрий Васильевич. Доктор техниче-
ских наук (1981), профессор (1982), академик и Пре-
зидент Метрологической академии (1992), заслужен-
ный деятель науки и техники РФ (1994).
Родился 9.08.1931 г. в г. Чусовом, Пермской обл.
Окончил электротехнический факультет Высшего во-
енно-морского инженерного училища им. Ф.Э. Дзер-
жинского в Ленинграде (1955). Служил в ВМФ (1949-
1960 гг.). Работал в ЦНИИ морского флота (1960-
1967 гг.). Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева с 1967 по
1997 гг. прошел трудовой путь от старшего научного
сотрудника до директора государственного научного
центра „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". Председатель
Совета директоров МНИИ (1985-1992 гг.). Замести-
тель Председателя Госстандарта (1991), член колле-
гии Госстандарта РФ (1991-1994 гг.). С ноября 1997 г.
научный руководитель ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Организатор, руководитель и участник фундамен-
тальных исследований в области метрологии и осно-
вополагающих работ по созданию государственных
эталонов.
Провел исследования в области методов и средств
точных измерений параметров электрических и маг-
нитных полей, гидрофизической аппаратуры. Разра-
ботал измерительно-информационные системы для
уникальных исследований Мирового океана (1967-
1975 гг.). Создал основы метрологического обеспече-
ния электрополеметрии.
Под его руководством был введен в строй уникаль-
ный исследовательский метрологический комплекс —
Ломоносовское отделение ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева (1976-1979 гг.).
Создал первое в системе Нестандарта научно-про-
изводственное объединение, что способствовало ус-
пешной реализации единой научно-технической поли-
тики метрологического обеспечения: от фундаменталь-
ных исследований до практических поверочных работ.
В 1977-1989 гг. руководил разработкой и реали-
зацией Ленинградской территориальной системы
управления качеством продукции.
Преподавал (курс физической метрологии) в
Ленинградском государственном университете и Се-
веро-Западном заочном политехническом институте,
где организовал базовую кафедру метрологии. Автор
оригинальных учебно-методических исследований по
проблемам метрологии в инженерном деле.
Заведующий кафедрой „Информационные систе-
мы экологической безопасности" Санкт-Петербург-
ского государственного технического университета.
Член Международного комитета по мерам и весам
(1994-1998 гг.). Глава делегации России на XX Гене-
ральной конференции по мерам и весам. Принимал
активное участие в разработке решений Консульта-
тивных комитетов, связанных с принятием новых оп-
ределений метра и электрических единиц. Председа-
тель Технического комитета „Метрология" ИМЕКО
(1978-1991 гг.). Находясь на этих постах, существен-
но расширил масштаб международной деятельности
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и повысил в ней авто-
ритет института как одного из признанных научных
метрологических центров мира.
Член редколлегий журналов „Measurement" и „Из-
мерительная техника", главный редактор журнала
„Известия Метрологической академии".
Действительный член Нью-Йоркской академии на-
ук (1994). Действительный член Российской инженер-
ной академии (1995).
Лауреат премии Правительства России в области
науки и техники (1997). Награжден орденом Трудово-
го Красного Знамени и шестью медалями.
Международным биографическим центром в Кем-
бридже Ю.В. Тарбеев назван одним из выдающихся
ученых XX столетия.
ХАНОВ Николай Иванович (родился 3.12.1945 г.
в с. Михайловское, Михайловского района, Алтай-
ского края). Кандидат экономических наук (1985),
53
действительный член и член президиума Метрологи-
ческой академии.
После службы в Советской Армии с 1967 по
1973 гг. — инструктор Ленинского РК ВЛКСМ.
Окончил экономический факультет Ленинградско-
го финансово-экономического института им. Н.А. Воз-
несенского по специальности экономика и планиро-
вание материально-технического снабжения (1974).
С 1973 г. работает во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева:
начальник отдела кадров, заместитель директора по
экономике и управлению, директор института (с
1997 г.). За этот период им проведена большая работа
по реструктуризации и переводу предприятия на но-
вые условия хозяйствования, что обеспечило эффек-
тивное использование имущественного комплекса
предприятия и расширение рынка метрологических
услуг. Возглавляет научное направление по разработ-
ке научных основ метрологического обеспечения
энергосберегающих измерительных технологий.
Преподавал экономику в Ленинградском филиале
Всероссийского института сертификации и метроло-
гии (1986-1989 гг.).
Автор более 25 печатных работ, в том числе 3 мо-
нографий и учебника. Заместитель председателя Уче-
ного совета ВНИИМ.
Награжден медалью „Ветеран труда" и знаком „За
заслуги в стандартизации".
Область научных интересов — экономика метро-
логических аспектов измерительных технологий,
характерных для ТЭК: энергетического аудита, мет-
рологического обеспечения коммерческого учета
количества и качества энергоносителей.
54
Российские ученые — члены МКМВ
1875-1895 гг. Г.И. Вильд
1895-1901 гг. Д.И. Менделеев
(с 1901 по 1907 гг. — почетный член)
1901-1919 гг. Н.Г. Егоров
1927-1929 гг. Д.П. Коновалов
1929-1948 гг. М.А. Шателен
1951-1954 гг. А.П. Кузнецов
1954-1966 гг. Г.Д. Бурдун
1966-1969 гг. И.И. Новиков
1969-1978 гг. Б.М. Исаев
1978-1986 гг. В.И. Кипаренко
1986-1990 гг. А.И. Механников
1990-1994 гг. В.И. Пустовойт
1994-1998 гг. Ю.В. Тарбеев
С 1998 г. по настоящее время Л.К. Исаев.
55
ВИЛЬД Генрих Иванович (17.12.1833, Устер,
Цюрихский кантон — 23.08.1902, Цюрих). Физик и
геофизик. Образование получил в Цюрихе, Кенигс-
берге и Гейдельберге. В 1858-1868 гг. профессор фи-
зики и директор астрономической обсерватории в
Берне. В 1868 г. избран экстраординарным академи-
ком Петербургской Академии наук и директором Цен-
тральной физической обсерватории. Основал сеть
метеорологических станций в Швейцарии и России.
Сконструировал ряд метеорологических приборов,
организовал обработку и проверку метеорологиче-
ских наблюдений. Президент Международного метео-
рологического комитета (с 1879 г.), председатель ме-
ждународной полярной комиссии (с 1880 г.). В 1894 г.
вернулся в Швейцарию.
Был членом правительственной комиссии 1869 г.
по преобразованию Депо образцовых мер и весов. В
1870 г был избран от России в члены Международной
метрической комиссии, принимал активное участие
ь ее работе.
Являлся делегатом от России на подписании Мет-
рической конвенции 20 мая 1875 г., вошел в состав Ме-
ждународной приготовительной комиссии по изго-
товлению эталонов.
С 1875 по J895 гг. — член Международного коми-
тета мер и весов.
На первой Генеральной конференции по мерам и
весам (1889 г.) он получил для России копии междуна-
родных эталонов единиц длины и массы.
Был членом Международной электрической ко-
миссии. Предложил определение единицы сопротив-
ления — ома.
Предложил оптический метод сравнения линей-
ных мер и явился автором нескольких новых компа-
раторов. Провел исследования по электролизу, от-
крыл существование термоэлектрических токов в
жидкостях.
БУРДУН Григорий Дмитриевич (1907-1980 гг.).
Доктор технических наук, профессор, заслуженный
деятель науки и техники РСФСР, крупный специалист
в области радиотехнических измерений.
Выпускник физико математического факультета
Харьковского университета (1927). Его первые науч-
ные работы были посвящены как общим вопросам ра-
диоизмерений , так и методам и образцовым средствам
параметров материалов на высоких и сверхвысоких
частотах, исследованию дисперсии и поглощения элек-
тромагнитных воли, созданию и использованию в мет-
рологических целях квантовых генераторов. В 1953-
1962 гг. Г.Д. Бурдун — заместитель Председателя Коми-
тета стандартов, мер и измерительных приборов
(ныне Госстандарт РФ). Активно участвовал в создании
ряда институтов, в том числе Всесоюзного научно-ис-
следовательского института физико-технических и ра-
диотехнических измерений (ВНИИФТРИ).
С 1954 по 1966 гг. представлял Россию в Междуна-
родном комитете мер и весов. Являлся вице-президен-
том Международной организации по законодательной
метрологии (МОЗМ), председателем Международной
комиссии по установлению единой международной
системы единиц физических величин (СИ).
С 1957 г. был заведующим кафедрой метрологии
Московского станкостроительного института.
Автор свыше 150 научных работ, в том числе 14 мо-
нографий и учебников. Общеизвестна его моногра-
фия „Основы метрологии".
НОВИКОВ Иван Иванович (родился
15(28).01.1916 г. в пос. Побединка, Рязанской облас-
ти). Академик РАН, крупный ученый в области тепло-
физики.
Выпускник Московского государственного универ-
ситета (1939), работал в научных учреждениях ВМФ.
В 1948-1950 гг. заведовал кафедрой теплофизики
Московского энергетического института, начальник
Научно-технического управления министерства сред-
него машиностроения (1950-1956), директор Москов-
ского инженерно-физического института (1956-
1958), директор института теплофизики Новосибир-
ского государственного университета (1961-1964 гг.),
Первый заместитель председателя Государственного
комитета стандартов (1964-1967 гг.), зав. кафедрой
физико-технических измерений Московского физико-
технического института (1966-1970 гг.). С 1970 г. за-
ведовал лабораторией электронной микроскопии и
физических методов исследований в институте метал-
лургии им. А.А. Байкова.
Член МКМВ (1966-1969 гг) Основные труды по
термодинамике газов и твердых тел, теории подобия
в теплофизике, по исследованию теплофизических
свойств теплоносителей и разработке ряда вопросов,
связанных с атомной энергией.
Лауреат Государственных премий (1951, 1953 гг.),
награжден орденом Трудового Красного Знамени и
медалями.
ИСАЕВ Борис Михайлович (19.05.1913-
15.06.1989). Доктор технических наук, крупный уче-
ный в области дозиметрии ионизирующих излучений,
организатор науки, дважды лауреат Государственной
премии.
Выпускник физического факультета Московского
государственного университета,
закончил аспирантуру Всесок >зн< >го института экс
периментальной медицины (ВИЭМ). С 1939 г. заве-
дующий физической лабораторией ВИЭМ, с 1946 г. —
заместитель директора по научной работе Институ-
та биофизики Академии медицинских наук СССР, ор-
ганизованного при его участии.
Под руководством Б. М. Исаева был выполнен ком-
плекс работ, послуживший основой развития дозимет-
рии ионизирующих излучений и ядерного приборо-
строения. Были разработаны первые дозиметры мас-
сового применения, созданы научно обоснованные
общесоюзные нормы радиационной безопасности
при работе с источниками ионизирующей радиации.
Заслуги Б.М. Исаева в разработке этого комплекса
проблем, а также его работы по обоснованию приме-
нения радиоактивного кобальта в дефектоскопии и
медицинской радиологии были от мечены Государст-
венными премиями СССР (1949, 1951 гг.).
В 1950-х гг. являлся заместителем директора, а
затем директором Сухумского физико-технического
института, где организовал проведение работ по раз-
витию экспериментальных методов ядерной физики.
С 1965 г. Б.М. Исаев — заместитель директора и ру-
ководитель отдела ионизирующих излучений
56
ВНИИФТРИ. С 1968 г. — заместитель председателя
Госстандарта. При его активном участии были выпол-
нены работы по модернизации и переутверждению
существовавших государственных эталонов единиц
измерений физических величин, развитию системы
стандартов ГСИ (1969-1978 гг.).
Б.М. Исаев являлся советником по науке Советско-
го представительства при МАГАТЭ. В 1969-1978 гг.
представлял Россию в МКМВ, возглавлял делегации
нашей страны на ГКМВ (1971,1975 гг.). Председатель
секции метрологии Постоянной комиссии СЭВ по
стандартизации. Член редакционной коллегии, глав-
ный редактор журнала „Измерительная техника"
(1969-1979 гг.).
Награжден двумя орденами Трудового Красного
Знамени и медалями.
Автор многих научных трудов, в том числе моно-
графии „Ионизационные методы исследования излу-
чений, ставшей настольной книгой нескольких поко-
лений физиков-ядерщиков.
КИПАРЕНКО Владимир Иванович (18.02.1930-
13.10.1985). Талантливый организатор науки, внес-
ший значительный вклад в развитие отечественной
метрологии, измерительной техники и стандартиза-
ции.
Окончил Государственный университет в Ростове-
на-Дону. Через год после окончания университета воз-
главил Ростовскую государственную контрольную
лабораторию измерительной техники. Заведующий
лабораторией, заместитель директора по научной
работе во Всесоюзном научно-исследовательском ин-
ституте Комитета стандартов, мер и измерительных
приборов при СМ СССР (1956-1972 гг.). В 1972 г. яв-
лялся заместителем начальника Управления государ-
ственного надзора. Заместитель, а затем начальник
Управления метрологии (с 1973 по 1979 гг.). В это же
время он становится членом Комитата Госстандарта.
С 1979 г. — первый заместитель Председателя Госстан-
дарта. На основе идей и концепций, выдвинутых им,
была осуществлена коренная перестройка структуры,
форм и методов деятельности органов метрологиче-
ской службы страны, осуществлен планомерный пе-
реход от обеспечения единства мер к обеспечению
единства измерений.
В 1978-1986 гг. — представлял Россию в МКМВ.
В течение многих лет являлся главным редактором
журнала „Измерительная техника".
Награжден орденами Трудового Красного Знаме-
ни и „Знак Почета" и многими медалями.
МЕХАННИКОВ Анатолий Иванович (родился
15.09.1937 г. в г. Красноярске). Кандидат техниче-
ских наук. Специалист в области прикладной электро-
динамики, микроволновой техники, прецизионных
измерений.
В 1959 г. окончил Киевское Высшее инженерное
радиотехническое училище войск ПВО страны. В пе-
риод с 1959 по 1964 гг. — инженер-испытатель систем
ПВО на полигоне.
С 1965 г. работает во ВНИИФТРИ: старший ин-
женер, заместитель директора института по научной
работе. В период с 1986 по 1989 гг. — заместитель
председателя Госстандарта по метрологии. С 1991 г.
работает ведущим научным сотрудником в отделе ра-
диотехнических измерений ВНИИФТРИ.
В 1987-1989 гг. - член МКМВ.
Автор 80 научных работ; из них 2 изобретения и
3 монографии, 2 из которых написаны в соавторст-
ве, разработчик государственных эталонов в области
параметров высокочастотных цепей.
ПУСТОВОЙТ Владислав Иванович (родился в
1936 г.). Доктор физ.-мат. наук, профессор, специа-
лист в области научного приборостроения, акусто-
электроники, акустооптики, физики полупроводни-
ков, метрологии, теоретической физики, информати-
ки, чл.-корр. РАН, трижды лауреат Государственных
премий СССР и России, член МКМВ (1990-1994 гг.).
Окончил физико-математический факультет Днеп-
ропетровского университета (1959), аспирантуру Фи-
зического института им. П.Н. Лебедева (1964). С 1964
по 1989 гг. руководитель отделения во ВНИИФТРИ,
с 1989 по 1991 гг. — зам. председателя Госстандарта
СССР, с 1991 по 1997 гг. — зам. директора ИРЭ РАН, с
1995 г. по настоящее время — директор НТЦ УП РАН.
Впервые выдвинул идею и доказал возможность
усиления акустических волн в полупроводниках (1963).
Впервые, совместно с акад. Ю.В. Гуляевым, предложил
использовать поверхностные акустические волны в
электронике (1964), что послужило импульсом для соз-
дания мощного научно-технического направления —
акустоэлектроники. Его фундаментальные исследова-
ния в этой области привели к созданию и широкому
использованию на практике акустоэлектронных при-
боров для сверхбыстрой обработки информации.
Исследования В.И. Пустовойта по акустооптике,
в основе которых лежат явления взаимодействия све-
тового излучения с акустическими волнами в кри-
сталлах, привели к созданию пилотного производст-
ва оригинального поколения акустооптических спек-
трометров видимого, ультрафиолетового (УФ) и ИК
диапазонов оптического излучения, с рекордными в
мире характеристиками по спектральному разреше-
нию и светосиле. Эти приборы сегодня широко ис-
пользуются в Космосе, экологии, в технологии про-
изводства изделий микроэлектроники, в медицине,
научных исследованиях, промышленности и обороне.
Эти исследования доказали также возможность соз-
дания принципиально новых спектрально-адаптив-
ных систем видения и распознавания объектов.
Выдвинул идею использования интерферометра
Майкельсона для обнаружения гравитационных волн
(1962), что легло в основу большого проекта, реали-
зуемого в США, в Калифорнийском технологическом
институте, строительства подземного 4-х километро-
вого интерферометра.
В последние годы были выполнены следующие ра-
боты:
— в области научного приборостроения: создание
впервые в мире целого семейства портативных аку-
стооптических спектрометров видимого, УФ и ИК
диапазона (от 0,25 до 4,5 мкм с разрешением от 0,4 до
50 Ангстрем). Один из таких спектрометров установ-
лен на космическом аппарате Океан-О, который был
запущен в Космос 29 июля 1999 г.;
Исследования по адаптивным акустооптическим
системам видения, которые позволяют распознать
—................................. 57 -
объекты, невидимые человеческим глазом, например,
газовые образования в атмосфере или минные поля
под покровом растительности;
— цикл работ по так называемому фотозарядово-
му эффекту, впервые предложенному и исследованно-
му совместно с учеными Болгарии, США и Белорус-
сии, и заключающемуся в том, что в полупроводнике
или металле под действием оптического излучения
возникает перераспределение поверхностных заря-
дов;
— построение теории неравновесных флуктуаций
в полупроводниках в условиях звуковой неустойчиво-
сти и создание теории так называемых акустоэлектри-
ческих доменов. Тем самым решена задача, которая
стояла перед исследователями более 30 лет;
— исследования состояний типа хаоса и самоорга-
низации в системах, описываемых двузначными функ-
циями состояний и указание на то, что эти математи-
ческие модели могут быть использованы для записи
и считывания больших массивов информации с весь-
ма низкой тактовой частотой опроса;
— исследования по новым методам измерения абсо-
лютной чувствительности фотоприемников, по ди-
фракции света неоднородной звуковой волне в кри-
сталле, а также решение ряда электродинамических
и дифракционных задач для сверхпроводников слож-
ной формы, нелинейных систем, феррожидкости.
Наиболее важные работы в области метрологии: оп-
ределение предельных точностей воспроизведения фи-
зических величин, связанных с физической сущностью
процесса измерения, условиями среды, флуктуациями.
Благодаря его усилиям активно осуществляется сотруд-
ничество между РАН и институтами Госстандарта Рос-
сии, примером может служить ГОСТ Р В 51560-2000
„Топлива жидкие. Экспресс метод идентификации и
контроля качества". Согласно этому ГОСТу инструмен-
тальный контроль качества топлив осуществляется с
помощью инфракрасного фурье-спектрометра, разра-
ботанного и созданного в НТЦ УП РАН.
Преподает в Московском физико-техническом ин-
ституте, руководит аспирантами. Под его руково-
дством защитилось 23 кандидата и три доктора наук.
Зам. председателя Научного совета „Научное при-
боростроение РАН“, Зам. председателя Совета „Науч-
ное приборостроение при Миннауки РФ“.
Автор свыше 250 научных работ и патентов.
Тарбеев Юрий Васильевич (см. статью Руководи-
тели Депо образцовых мер и весов — Главной палаты
мер и весов — ВНИИМ им. Д.И. Менделеева).
Выдающиеся ученые и Государственные
деятели России, внесшие вклад в развитие
метрологии
АЛЕКСАНДРОВ Анатолий Петрович (31.01
(13.02) 1903, г. Таращи, Киевской обл. — 1994, Моск-
ва). Выдающийся физик, академик АН СССР (с
1953 г.), академик РАН (1991), президент АН СССР
(1975-1986 гг.), один из основателей отечественной
ядерной энергетики.
Выпускник Киевского университета (1930), рабо-
тал в Физико-техническом институте АН СССР. 1946-
1955 гг. — директор института физических проблем
АН СССР, с 1960 г. директор института атомной энер-
гии им. И.В. Курчатова.
Труды посвящены физике диэлектриков, изучению
свойств высокомолекулярных соединений. Предло-
жил статистическую теорию прочности твердых тел.
Разработал (1936) метод противоминной защиты ко-
раблей, примененный во время Великой Отечествен-
ной войны. С 1946 г. работал над созданием ядерных
реакторов, в т.ч. для атомной энергетики.
Сыграл решающую роль в создании Ломоно-
совского исследовательского комплекса ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева.
Почетный сотрудник ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Трижды Герой Социалистического Труда (1954,
1960, 1973 гг.), Лауреат Ленинской Премии (1959) и
Государственных премий СССР (1942, 1949, 1951,
1953 гг.); награжден 6 орденами Ленина и другими ор-
денами и медалями, в т.ч. Золотой медалью им. Ломо-
носова АН СССР (1978).
АЛФЕРОВ Жорес Иванович (родился 15 марта
1930 г. в г. Витебске). Академик, доктор физико-мате-
матических наук, профессор, выдающийся физик и
организатор науки, Почетный и Действительный
член отечественных и иностранных академий наук,
университетов, научных обществ, лауреат Нобелев-
ской премии (2000).
Окончил Ленинградский электротехнический ин-
ститут им. В.И. Ульянова (Ленина) (1952), факультет
электроники, специальность — электровакуумная тех-
ника.
С 1953 г. работает в Физико-техническом институ-
те им. А.Ф. Иоффе РАН: 1953 г. — 1964-1967 гг. — на-
учный сотрудник, 1967-1987 гг. — заведующий лабора-
торией, с 1987 г. по настоящее время — директор. С
1990 по 1991 гг. — вице-президент АН СССР, предсе-
датель Президиума Ленинградского научного центра,
с 1991 г. по настоящее время — вице-президент РАН,
председатель Президиума Санкт-Петербургского на-
учного центра РАН.
Принимал участие в создании первых отечествен-
ных транзисторов, фотодиодов, мощных германие-
вых выпрямителей. Открыл явление сверхинжекции
в гетероструктурах и показал, что в полупроводнико-
вых гетероструктурах можно принципиально по-но-
вому управлять электронными и световыми потока-
ми. Открыл первые „идеальные" гетероструктуры ар-
сенид алюминия — арсенид галлия. Предложил и соз-
дал полупроводниковые лазеры на основе двойных
гетероструктур и реализовал непрерывный режим ге-
нерации при комнатной температуре. Предложил
впервые гетероструктуры на основе четверных полу-
проводниковых твердых растворов InGaAsP, создал
первые биполярные гетеротранзисторы, солнечные
батареи на гетероструктурах. В последние годы под
его руководством успешно развивается физика и оп-
тоэлектроника на основе „квантовых точек" в гетеро-
структурах. Исследованиями Ж.И. Алферова факти-
чески создано новое направление — физика гетерост-
руктур, электроника и оптоэлектроника на их основе.
С 1972 г. — профессор, с 1973 г. — заведующий базо-
вой кафедрой оптоэлектроники Ленинградского элек-
тротехнического института (ныне С.-Петербургского
Электротехнического Университета), с 1988 г,—декан
физико-технического факультета Ленинградского по-
литехнического института (ныне С.-Петербургского
государственного технического университета).
Считает себя учеником академика В.М. Тучкевича
и академика А.М. Прохорова. Является основополож-
ником научной школы „Физика полупроводниковых
гетероструктур и их применение".
Важнейшими научными достижениями, получен-
ными под непосредственным руководством Ж.И. Ал-
ферова за последние годы являются:
— разработка технологии и создание научных ос-
нов нового поколения квантоворазмерных лазеров на
короткопериодных сверхрешетках с рекордно низкой
величиной пороговой плотности тока,
— разработка концепции и технологии получения
полупроводниковых нано-структур с размерным кван-
тованием в двух и трех измерениях (квантовые про-
волоки и квантовые точки) за счет использования эф-
фектов самоорганизации на поверхности кристаллов
в процессе роста; экспериментальная демонстрация
уникальных физических свойств структур на основе
квантовых точек и создание инжекционных лазеров
на основе квантовых точек.
Заслугой Ж.И. Алферова является сохранение в
сложный период перестройки экономики страны
высокого научного потенциала Физико-технического
института им. А.Ф. Иоффе РАН. Так, под его ру-
ководством был создан и введен в строй (1999) один
из первых в мире и в России сферический тока-
мак „Глобус-М“. Успешно развивалась система сквоз-
ной подготовки научных кадров (лицей „Физико-
техническая школа" — базовая кафедра и базовый
факультет ФТИ — аспирантура), которая в настоящее
59
время сконцентрирована в научно-образовательном
центре ФТИ.
Почетные звания:
1. Действительный член (академик) Российской ака-
демии наук (АН СССР, 1979).
2. Пожизненный член Франклиновского институ-
та (США, 1971).
3. Иностранный член АН ГДР (1987).
4. Почетный профессор Гаванского университета
(Куба, 1987).
5. Иностранный член Польской АН (Польша, 1988).
6. Иностранный член Национальной инженерной
Академии (США, 1990).
7. Иностранный член Национальной Академии На-
ук (США, 1990).
8. Почетный член Метрологической Академии наук
(С.-Петербург, 1994).
9. Иностранный член Академии наук Республики Бе-
ларусь (1995).
10. Иностранный почетный член Академии Науки
и Технологии Кореи (1995).
11. Почетный член Общества физики и технологии
полупроводников Пакистана (1996).
12. Заслуженный энергетик Российской Федерации
(1996).
13. Почетный академик Международной Академии
холода (1997).
14. Иностранный член Оптического общества США
(1997).
15. Действительный член Международной Акаде-
мии наук экологии, безопасности человека и природы
(1998).
16. Почетный доктор Института общей и ядерной
физики Российского научного центра „Курчатовский
институт11 (1998).
17. Почетный доктор Санкт-Петербургского Гума-
нитарного университета (1998).
18. Почетный доктор Санкт-Петербургского Госу-
дарственного электротехнического университета
(2001).
Научные награды и премии:
1. Медаль Балантайна института Франклина
(США, 1971) — „За теоретические и эксперименталь-
ные исследования двойных лазерных гетероструктур,
благодаря которым были созданы источники лазер-
ного излучения малых размеров, работающие в непре-
рывном режиме при комнатной температуре11.
2. Ленинская премия (СССР, 1972) — „За фундамен-
тальные исследования гетеропереходов в полупровод-
никах и создание новых приборов на их основе".
3. Хьюллет-Паккардовская премия Европейского
физического общества — „За новые работы в области
гетеропереходов".
4. Государственная премия (СССР, 1984) — „За раз-
работку изопериодических гетероструктур на основе
четверных твердых растворов полупроводниковых
соединений АЗВ5".
5. Награда Симпозиума по GaAs (1987) — „За пио-
нерские работы в области полупроводниковых ге-
тероструктур на основе соединений Ш-V групп и раз-
работку инжекционных лазеров и фотодиодов"; и
медаль X. Велькера (1987) — „За пионерские работы
по теории и технологии приборов на основе соеди-
нений III—V групп".
6. Премия А.П. Карпинского (ФРГ, 1989) — „За
вклад в развитие физики и техники гетероструктур".
7. Премия им. А.Ф. Иоффе РАН (1996) — За цикл
работ „Фотоэлектрические преобразователи солнеч-
ного излучения на основе гетероструктур".
8. Общенациональная неправительственная Деми-
довская премия (Российская Федерация, 1999) — „За
выдающийся вклад в развитие физики полупроводни-
ков и квантовой полупроводниковой электроники".
9. Золотая медаль РАН им. А.С. Попова (2000).
10. Нобелевская премия по физике (2000) — „За соз-
дание и развитие полупроводниковых гетероструктур
для высокоскоростной и оптоэлектроники" (совмест-
но с американским ученым Гербертом Кремером).
С 1989 по 1992 гг. являлся народным депутатом
СССР. С 1995 г. по настоящее время — депутат Государ-
ственной Думы Федерального Собрания Российской
Федерации. Председатель подкомитета по науке Коми-
тета по науке и образованию Государственной Думы.
Автор более 500 научных работ и более 50 изобре-
тений.
Подготовил 48 кандидатов наук, 15 докторов наук.
Главный редактор журнала „Письма в Журнал тех-
нической физики".
Награжден орденами Ленина, Октябрьской Рево-
люции, Трудового Красного Знамени, „Знак Почета",
„За заслуги перед Отечеством" III и II степени, мно-
гими медалями.
БАСОВ Николай Геннадиевич (14.12.1922 -
01.07.2001, Москва). Академик РАН (1966), основопо-
ложник фундаментального научного направления в
физике — квантовой электроники. Лауреат Ленинской
премии (1959), лауреат Нобелевской премии (1964),
дважды Герой Социалистического Труда (1969,
1982 гг.), лауреат Государственной Премии (1989), По-
четный член Германской академии наук (1967), Почет-
ный член Метрологической академии (1992).
Выпускник Московского инженерно-физического
института (1950), после окончания которого работа-
ет в ФИАН: с 1958 г. — зам. директора, с 1962 г. — зав.
лабораторией, директор института (с 1973 г.).
Автор принципов усиления и генерации электро-
магнитного излучения квантовыми системами и эф-
фективного метода селективной накачки электромаг-
нитным излучением трехуровневых систем. Созда-
тель (совместно с А.М. Прохоровым) принципиально
новых малошумящих квантовых усилителей и генера-
торов радиочастотного диапазона — мазеров, оптиче-
ских квантовых генераторов — лазеров и первых ла-
зеров инжекционного типа, быстродействующих
оптических логических элементов, проекционного
телевидения и адресных коммутаторов. Основопола-
гающие работы посвящены лазерному термоядерно-
му синтезу, разработке лазерных реакторов и реакто-
ров-производителей химического топлива. Провел
цикл исследований по химическим лазерам, которые
завершились созданием мощных фторводородных
лазеров импульсного и непрерывного действия, а так-
же йодных и газовых лазеров высокого давления.
Огромный научно-технический вклад внес в обшир-
ный цикл исследований по стабилизации частоты
60
лазеров, стандартам частоты, совершенствованию го-
сударственного эталона времени и частоты, по лазер-
ному и электроионизационному методам стимулиро-
вания химических реакций, упрочению поверхности
металлов и нанесению покрытий. Особое место в его
работах занимают исследования взрывных фотохими-
ческих лазеров, использующих для возбуждения актив-
ных сред ударную волну.
Многогранна педагогическая деятельность учено-
го, его многочисленные ученики удостоены самых вы-
соких премий, а их работы — мирового признания. С
1963 г. — профессор Московского инженерно-физиче-
ского института (МИФИ).
Член Президиума АН, Председатель общества „Зна-
ние", главный редактор журнала „Природа" (с 1967 г.),
основатель журнала „Квантовая электроника".
БОЙЦОВ Василий Васильевич (1908, деревня
Алабино, Московской области — 1997). Доктор тех-
нический наук, профессор, председатель Госстандар-
та СССР (1963-1984 гг.).
Трудовой путь начал штамповщиком промысловой
артели, окончил техникум, затем МВТУ им. В И. Бау-
мана. 27 лет проработал в авиационной промышлен-
ности - инженер, начальник цеха, директор Научно-
исследовательского института технологии и организа-
ции авиационного производства (НИИАТ). С 1963 г.
возглавил Государственный комитет СССР по стандар-
там (Госстандарт). Под его руководством была созда-
на мощная система Комитета: несколько научно-иссле-
довательских институтов по стандартизации и метро-
логии (ВНИИС, ВНИИКИ, Казанский и Иркутский
филиалы ВНИИФТРИ, Тбилисский филиал ВНИИМ,
Ереванский и Хабаровский институты метрологии),
конструкторские бюро, предприятия, Всесоюзное про-
мышленное объединение „Эталон", значительно рас-
ширена сеть территориальных органов; развернута
крупномасштабная работа в отраслях народного хозяй-
ства и союзных республиках; разработаны крупные
межотраслевые системы стандартов, началось созда-
ние комплексных систем управления качеством, была
введена аттестация продукции на государственный
Знак качества, высокого уровня достигла метрологи-
ческая служба страны. По его инициативе были под-
готовла 1ы и приняты основополагающие иостан селе-
ния, направленные на развитие работ по стандартиза-
ции и системному управлению качеством.
Принимал участие в деятельности различных ме-
ждународных организаций по метрологии и стандар-
тизации, являлся Президентом ИСО (1977-1979 гг.).
Автор более 150 печатных работ. Вел активную пе-
дагогическую деятельность, преподавая в МАИ,
МАТИ. МВТУ им. В.И. Баумана. Инициатор создания
Академии проблем качества, Почетный член Метро-
логической академии.
Удостоен трех орденов Ленина, орденов Октябрь-
ской Революции, Трудового Красного Знамени, Крас-
ной звезды, Отечественной войны 2-й степени, „Знак
Почета" и медалей.
ВИТТЕ Сергей Юльевич (17(29).06.1849, Тбили-
си— 28.02 (13.03) 1915, Петроград). Российский госу-
дарственный деятель, почетный член Петербургской
Академии наук (1893). Родился в семье крупного чи-
новника. Окончил в 1870 г. физико-математический
факультет Новороссийского университета (Одесса).
В том же году назначен начальником движения Одес-
ской железной дороги, в дальнейшем (около 20 лет)
работал в частных железнодорожных обществах.
В 1883 г. вышла его книга „Принципы железнодо-
рожных тарифов по перевозке грузов", принесшая
ему широкую известность.
С 1889 г. — директор департамента железных до-
рог Министерства финансов С февраля 1892 г. — ми-
нистр путей сообщений, а с августа 1892 г., в связи с
отставкой 11.А. Вышнеградского — министр финан-
сов.
Оказывал значительное влияние на внутреннюю
и внешнюю политику русского правительства. Актив-
но содействовал развитию капитализма и пытался со-
четать этот процесс с укреплением царской монархии.
По его инициативе осуществлены крупные экономи-
ческие мероприятия: введена винная монополия
(1894), сооружена Сибирская железнодорожная маги-
страль и развернуто железнодорожное строительство
(90-е гг.), осуществлена денежная реформа (1897)
Будучи Министром Финансов С.Ю. Витт е оказывал
значительную поддержку деятельности Д.И. Менделее-
ва по созданию и развитию научного метрологическо-
го центра России — Главной палаты мер и весов, со-
действовал претворению в жизнь Менделеевской ре-
формы государственной метрологической службы.
С.Ю. Витте возглавлял делегацию, подписавшую
Портсмутский мирный договор 1905 г. с Японией, за
что получил графский титул.
Во время Октябрьской Всероссийской политиче-
ской стачки 1905 г. он настоял на программе уступок
буржуазии, нашедшей свое выражение в Манифесте
17 октября 1905 г. 16 апреля 1906 г. — подал в отставку.
ВОРОНИН Геннадий Петрович (родился
26.11.1941 г. в с. Кустанаевка, Хабаровского края).
Доктор экономических наук (1993), профессор, доктор
электротехники, лауреат Государственных премий
(1980, 1994 гг.) и премии Министерства оборонной
промышленности. Председатель Госстандарта РФ с
1997 г.
Окончил Рязанский радиотехнический институт
(1966).
Работал инженером-отладчиком на Ульяновском
машиностроительном заводе; начальником цеха, глав-
ным инженером приборостроительного завода ..Коме-
та". С 1977 г. работал в Министерстве судостроитель-
ной промышленности СССР главным инженером, за-
тем начальником Главного управления, заместителем
министра (1986-1991 гг.). Заместитель председателя
Госкомоборонпрома (1992-1996 гт.). Заместитель ми-
нистра какой оборонной промышленности (1996-
1997 гг.).
Преподает в вузах Москвы, заведует кафедрой.
Автор ряда научных монографий, статей, изобре-
тений.
Почетный член Метрологической академии.
Академик Академии проблем качества, Российской
инженерной академии, Международной инженерной
академии, Международной академии электротехниче-
ских наук, Академии военных наук, Международной
академии информации, информационных процессов
61
и технологий, Академии изучения проблем националь-
ной безопасности.
Академик Нью-Йоркской академии наук. Член Ев-
ропейского инженерного совета, Королевского Ин-
ститута морских инженеров Великобритании. Пред-
седатель Ученого совета Академии оборонных отрас-
лей. Член Экспертного совета ВАК. Заслуженный
машиностроитель РФ (1993). Почетный радист СССР.
Премия Андрея Первозванного за укрепление обо-
ронной мощи страны (1998). Премия „Человек года"
за выдающийся вклад в повышение качества в России
(2000).
ГИРГЕНСОН Теодор (Федор) Христофорович
(20.11.1802-3.08.1849, Лифляндия). Известный мас-
тер научных инструментов первой половины XIX в.,
физико-механик Инструментальной палаты Петер-
бургской Академии наук.
Изготавливал точные меры и измерительные при-
боры для Комиссии по мерам и весам 1832-1842 гг. и
для Депо образцовых мер и весов — платиновую са-
жень и платиновый фунт, а также полное собрание
нормальных образцовых российских мер длины, ем-
кости, веса. Изготавливал также приборы и научные
инструменты для Горного корпуса, Казанского и Ки-
евского университетов, Педагогического института,
Института путей сообщения, Артиллерийского депар-
тамента, Главной астрономической обсерватории.
КАНКРИН Егор Францевич (16(27). 1774, Ханау,
Германия —9 (21).О9.1845, Павловск). Российский го-
сударственный деятель, граф с 1829 г., выходец из Гер-
мании, с 1797 г. на русской службе.
Выпускник Гессенского и Марбургского универси-
тетов, в 1797 г. приезжает в Россию. В1809 г. — инспек-
тор немецких колоний в Петербургской губернии,
1812 г. — генерал-интендант армии Барклая- де Толли.
В 1813 г. — генерал-интендант всей русской действую-
щей армии. Канкрин очень „экономно" провел Оте-
чественную войну 1812 г. С 1822 г. член Государствен-
ного совета. 1823-1844 гг. — министр финансов. „Не
ломать, а постепенно улучшать" — таково было основ-
ное правило, которым руководствовался Е.Ф. Кан-
крин. В 1839-1843 гг. провел денежную реформу в Рос-
сии, основной денежной единицей стал серебряный
рубль.
Одно из важнейших направлений деятельности
Канкрина — протекционизм. 1826 г. — установлен но-
вый таможенный тариф. Добился бездефицитных го-
сударственных бюджетов путем жесткого сокращения
расходов на хозяйство и развития питейно-откупной
системы, улучшения государственной финансовой от-
четности.
Е.Ф. Канкрин способствовал развитию горного де-
ла, золотопромышленности, поощрял геологические
изыскания.
При нем созданы Лесной, Горный, Технологиче-
ский институты, высшие сельскохозяйственные шко-
лы и многие другие учебные заведения. Построена Та-
можня в Петербурге, биржа в Москве, казенные зда-
ния в Архангельске, Одессе, Риге, Таганроге. В 1829 г.
за заслуги получил титул графа.
Организатор Комиссии по мерам и весам (1832-
1842 гг.). Учредил в 1829 г. при Санкт-Петербургском
Монетном дворе „Собрание образцовых мер и весов
главнейших иностранных государств". При его содей-
ствии в 1842 г. было основано первое государственное
метрологическое и поверочное учреждение России —
Депо образцовых мер и весов.
КРУТИКОВ Владимир Николаевич (родился
15.08.1946 г. в г. Львове).
В 1970 г. окончил Московский физико-химический
институт, по специальности радиофизика и электро-
ника (инженер-физик).
Кандидат физико-математических наук (1976).
С 1970 по 1981 гг. работал инженером, младшим
научным сотрудником, старшим научным сотрудни-
ком НИИ физических проблем, Министерства элек-
тронной промышленности в г. Зеленограде.
С 1981 по 1988 гг. — начальник КТБ, начальник
врем. Научно-производственного комплекса, зам. на-
чальника производства по техническим вопросам
ПО „МЭЛЗ" Министерства электронной промышлен-
ности (г. Москва).
С 1988 по 1996 гг. — заместитель директора ВНИИ
оптико-физических измерений Госстандарта России
(г. Москва).
С 1996 по 1999 гг. — директор Научного центра оп-
тико-физических исследований Госстандарта России
(г. Москва).
С 1991 г. по настоящее время — заместитель Пред-
седателя Госстандарта России (г. Москва).
ЛАМБЕРТИ Андрей Иванович (1770-1831 гг.).
Известный русский метролог, доктор философии.
Окончил академический курс в Геттингенском уни-
верситете, занимался там математикой, физикой, хи-
мией, астрономией и политэкономией. Работал в
Дерптском университете, где возглавлял собственную
обсерваторию. Издает несколько „полезных сочине-
ний по части практической механики и химии", изо-
бретает „весьма удобный телеметр". Диплом доктора
философии получил в Кенигсбергском университете.
Правитель Военно-ученого комитета Главного штаба,
его исследования по определению связи мер длины,
веса и вместимости положили начало работе комиссии
по научному обоснованию Российской системы мер.
Научный руководитель Комиссии образцовых мер
и весов 1827-1828 гг.
Труды А.И. Ламберти по метрологии:
1. Вновь объясненная гидрометрическая система
мер и весов. — СПб, 1828,19 с.
2. О неизменном определении веса российского
фунта и о гидрометрической системе Российских мер
объятности". — СПб, 1828, 16 с.
3.0 первоначальном происхождении и нынешнем
состоянии Российской линейной меры и веса. — СПб,
1827, 26 с.
4. Пятое продолжение о нынешней отличной сис-
теме Российских неизменных мер и весов. — СПб, 1830,
22 с.
А.И. Ламберти — член различных научных обществ:
Императорского московского естествоиспытательско-
го общества, СПб императорского минералогическо-
го общества, ученого комитета при горном корпусе,
Лифляндского экономического и общеполезного обще-
ства и многих других.
62
НАРТОВ Андрей Константинович (1693 —
16(27).04.1756). Русский ученый, механик, изобрета-
тель, конструктор, сподвижник Петра I. В токарне
Московской школы математических и навигацких на-
ук прошел путь от рабочего до ее руководителя (1705-
1712 гг.). С 1712 г., работая в Петербургских придвор-
ных мастерских, становится личным токарем Петра I,
а в 1723 г. — руководителем токарни. В 1718-1720 гг.
был в 1ермании, Англии, Франции, учился у П. Варинь-
она в Париже. Научная и общественная деятельность
многогранна: начиная с 1712 г. разработал и постро-
ил рлд механизированных станков для получения ко-
пированием барельефов и произведений прикладно-
го искусстьа, а также другие станки, в том числе пер-
вый в мире токарно-випторезный станок с
механизированным суппортом и набором сменных
зубчатых колес (1738); с 1723 г. участвовал в создании
Триумфального столба (в честь Петра I и побед в Се-
верной войне) в Петербурге.
В 1724 г. представил проект создания „Академии
разных художеств", в которой предлагал обучать не
только рисованию, скульптуре, архитектуре, но и раз-
личным техническим наукам: строительству, обработ-
ке металлов, конструированию и др.
В 1733 г. создал механизм для подъема „Царь-коло-
кола"; в 1742-1743 гг. руководил Академией наук и ху-
дожеств. Написал книги: „Достоверные повествова-
ния и речи Петра Великого" (1727) и „Театрум махи-
нарум" (1737-1756 п:), в которой описал конструкции
многих станков (сохранена в рукописи).
Член первой Комиссии по мерам и весам 1736-
1742 гг. Автор системы упорядочения российских мер
и весов. Изготовил образцовые весы, меры массы и
длины.
НОВИЦКИЙ 11етр Васильевич (12.06.1922. То-
больск — 21.12.2000). Профессор, доктор техниче-
ских наук, заслуженный деятель науки и техники Вы-
дающийся ученый метролог, педагог, специалист в об-
ласти информационно-измерительной техники,
основатель и руководитель научной школы в области
измерительной техники и приборостроения
В годы Великой Отечественной войны воевал на За-
падном, Брянском, Центральном и Первом Украинском
фронтах. Участвовал в боях на Курской дуге, в освобо
ждении Украины, Полыни, Чехословакии и Германии.
Выпускник Ленинградского политехнического ин
статута (1950), в стенах которого прошла вся его науч-
ная и педагогическая деятельность. На протяжении
40 лет являлся признанным научным руководителем ка-
федры, которая в разные годы называлась: „Электро
измерительная техника", „Информационно-измери-
тельная техника", „Измерительно-информационные
технологии". Первые научные работы, в том числе кан-
дидатская диссертация (1953), были посвящены разра-
ботке датчиков и измерительных цепей для них. В по-
следующие годы занимался разработкой электронных
измерительных цепей виброизмерительных устройств.
Одним из результатов этой работы стало создание пер-
вого в нашей стране экспериментального образца из-
мерительной аппаратуры на отечественных плоскост-
ных транзисторах. Ассистент кафедры (1953-1954 гг.),
доцент (1954—1967 гг.), профессор (1967-1989 гг.). С
1989 г. — профессор-консультант.
В 1959 г. организовал коллектив молодых ученых
для решения проблемы создания частотно-цифровых
устройств для измерения различных неэлектрических
и электрических величин, затем занимался пробле-
мой применения теории информации к измеритель-
ным устройствам (1965-1970 гг.). В 1970-1980 гг. зани-
мался квалиметрией средств измерений.
В 1965 г. была защищена докторская диссертация. С
этого времени он, вместе со своими многочисленными
учениками, исследовал вопросы описания погрешно-
стей реальных средств измерений, оценивая их качест-
ва, изучал метрологические проблемы автоматизиро-
ванных измерительных устройств, методы планирова-
ния измерительного эксперимента. С 1986 г. занимался
разработкой теории изменения погрешности средств
измерений во время их эксплуатации (динамика).
Долгие годы принимал активное участие в реализа-
ции научных программ ВНИИМ им. Д.И. Менделеева,
ьходил в состав Ученого совета института.
Преподавал теоретические основы информацион-
но-измерительной техники во многих вузах 11 городов
России, Болгарии, ГДР.
Авт ор более 150 научных работ.
Действительный член Метрологической академии
(1992).
Награжден орденом Красной Звезды (1945), меда-
лью „За от вагу" и многими другими медалями и почет-
ными знаками Министерства высшего образования, в
том числе знаком „Изобретатель СССР".
ПЕТРУШЕВСКИЙ Фома Иванович (1785-
1848 гг.). Метролог, переводчик.
Выпускник Санкт-Петербургского педагогическо-
го института, с 1825 г. — директор дома воспитания
бедных детей в СПб, с 1834 г — директор института
слепых.
Автор многочисленных трудов по метрологии:
„Метрология или описание мер, весов, монет и вре-
мясчисления нынешних и древних народов" (СПб.
1831), „Польская метрология" (СПб, 1831), „Краткое
описание медицинского весу" (1841), „Краткая евро-
пейская метрология или описание главных мер, весов
и монет, в Европе ныне употребляемых" (1842). Ему
принадлежат все метрологические статьи в „Энцик-
лопедическом Лексиконе" Илюшара.
Главный труд Ф.И. Петрушевского „Общая метро-
логия" (1849), удостоенный Демидовской премии,
был первым на русском языке, полным для своего вре-
мени, сборником по метрологии.
Автор перевода „Начальных оснований арифмети-
ки" Лакроа (1817).
За перевод Евклида и Архимеда Петрушевский в
1835 г. был награжден Демидовской премией.
ПРОХОРОВ Александр Михайлович. Родился в
28.06.(11.07) 1916 г. в г. Атертон (Австралия) в семье
русского рабочего, сосланного за революционную
деятельность в Сибирь, и уехавшего затем в Авст-
ралию.
Академик РАН (1966), один из основоположников
и создателей лазерной физики, принадлежащей к чис-
лу самых выдающихся достижений науки XX в. Лау-
реат Нобелевской премии по физике, 1964 г (вместе
с Н.Г. Басовым и Ч. Таунсом), лауреат Ленинской и 13
Государственных премий.
63
Окончил ЛГУ (1939). Аспирант Физического ин-
ститута им. П.Н. Лебедева АН СССР. (1939-1941 гг.,
1944-1946 гг.).
В годы Великой Отечественной войны служил в
полковой разведке. Награжден медалью „За отвагу".
В 1944 г. после демобилизации возвратился в ФИАН,
где проработал более 50 лет. С 1968 — зам. директора
ФИАН.
В 1954 г. он становится заведующим лаборатори-
ей колебаний ФИАНа, защитив кандидатскую диссер-
тацию по теории колебаний и докторскую, уже по фи-
зике ускорителей. В начале 1950-х гг. он провел цикл
исследований по радиоспектроскопии молекул, до-
полненных затем исследованиями по радиоспектро-
скопии кристаллов с использованием метода элек-
тронного парамагнитного резонанса.
В 1955-1965 гг. на основе эффекта вынужденного
излучения был создан новый тип генератора электро-
магнитных колебаний — СВЧ-мазер на пучке молекул
аммиака. Предложено использовать накачку вспомо-
гательным излучением для получения инверсной на-
селенности уровней в квантовых системах (работы
выполнены совместно с Н.Г. Басовым). Высказана
идея открытого резонатора субмиллиметрового диа-
пазона, распространенная позже и на оптический диа-
пазон. Выполнен цикл работ по исследованию спек-
тра магнитного резонанса рубина и на основе полу-
ченных результатов создан один из первых квантовых
парамагнитных усилителей, отличающихся исключи-
тельно низкой шумовой температурой. Полученные
им в это время классические результаты легли в осно-
ву лазерной физики.
Под руководством А.М. Прохорова выполнен ши-
рокий круг работ, из которых в дальнейшем склады-
ваются целые научные направления как лазерной фи-
зики, так и других областей современной науки. Сре-
ди них — мощные твердотельные лазеры на
кристаллах и стеклах, мощные СО2-лазеры непрерыв-
ного действия, в том числе газодинамические, взаи-
модействие оптического излучения с веществом, в
том числе распространение мощных световых пучков
в нелинейных средах. В последнее время в круг его
интересов вошли рентгеновские лазеры, лазеры с пря-
мой ядерной накачкой, физика поверхности, микро-
электроника, высокотемпературная сверхпроводи-
мость. Неоценим его вклад в развитие таких областей
физики как нелинейная оптика, волоконная и ин-
тегральная оптика, физика магнитных явлений, суб-
миллиметровая спектроскопия. Большое внимание он
уделяет и многочисленным применениям лазеров,
особенно волоконно-оптической связи, лазерным тех-
нологиям и использованию лазеров в медицине и эко-
логии.
Научная школа, связанная с его именем, широко
известна во всем мире. В 1983 г основал Институт об-
щей физики Российской академии наук (ИОФАН).
Профессор МГУ (с 1959 г.). Заведующий кафедрой
в МФТИ (с 1971 г.). Главный редактор Большой рос-
сийской энциклопедии. Член президиума, академик-
секретарь Отделения общей физики и астрономии АН
(1973), Президент Академии инженерных наук РФ.
Дважды Герой Социалистического Труда, награж-
ден многими орденами и медалями, в 1996 г. — орде-
ном „За заслуги перед Отечеством". Член Американ-
ской академии наук и искусств, Почетный член Метро-
логической академии.
СОБОЛЕВСКИЙ Петр Григорьевич
(4(15).02.1782, Петербург - 24.10(5.11) 1841, Петер-
бург). Русский инженер и ученый, чл.-корр. Петер-
бургской Академии наук (1830). Окончил Петербург-
ский сухопутный кадетский корпус (1798). В 1811 г.
сконструировал прибор для газового освещения („тер-
моламп"). С 1815 г. служил на Камско-Воткинском за-
воде механиком, затем управляющим.
Внедрил на Уральских металлургических заводах
усовершенствованный способ пудлингования (1815).
В 1817 г. на Волге и Каме появились первые парохо-
ды, сооруженные по его проекту. С 1824 г. руководил
строительством, а с 1826 г. был управляющим соеди-
ненной лабораторией Горного кадетского корпуса и
департамента горных и соляных дел в Петербурге. В
1826 г. при участии В.В. Любарского разработал тех-
нологию получения ковкой платины и изготовил пла-
тиновые изделия, положив начало порошковой метал-
лургии. В 1828 г. под руководством Соболевского впер-
вые в истории монетного дела была осуществлена
чеканка платиновых монет. Разработал и внедрил на
Монетном дворе оригинальный способ аффинажа „зо-
лотистого серебра" (1829). В 1830 г. усовершенство-
вал технологию горячего дутья в доменных печах. Со-
вместно с другими учеными участвовал в разработке
новой русской химической номенклатуры („Краткий
обзор химического именословия"), утвержденной в
1835 г. Академией наук. В 1832-1841 гг. состоял непре-
менным секретарем Вольного экономического обще-
ства. Участник комиссии по мерам и весам 1827-
1828 гг.
ШУБЕРТ Федор Федорович (1789-1865 гг.). Рус-
ский ученый, генерал от инфантерии. Служа в Гене-
ральном штабе, в составе миссии гр. Головкина был в
Китае, принял участие в кампании 1807 г. против На-
полеона. В 1808 г. Шуберт находился в армии, дейст-
вующей в Финляндии, а с февраля 1809 г. с колонною
генерала Сазонова перешел по льду на Аландские ост-
рова. Летом того же года участвовал в дипломатиче-
ских переговорах со шведским правительством, со-
стоя при канцлере гр. Румянцеве. В последующие го-
ды Шуберт принимал участие в войнах турецкой,
Отечественной и 1813-1415 гг. При вторичном заня-
тии Парижа он был обер-квартирмейстером оккупа-
ционного корпуса гр. Воронцова. В 1818 г. по возвра-
щении в Россию был назначен начальником триангу-
ляции С.-Петербургской губернии, а в 1822 г. —
начальником корпуса военных топографов. Он не
только организовал это учреждение, но и лично уча-
ствовал во многих астрономических и геодезических
работах. Занимался исследованием образцовых мер
длины, провел сличения российской сажени с англий-
ским ярдом. Участник Комиссии по мерам и весам
1832-1842 гг.
Организовал издание записок военно-топографи-
ческого и гидрографического депо. В 1844 г. Шуберт
был назначен членом военного совета, но не остав-
лял своих научных занятий. Занимался также нумиз-
матикой и оставил ценное сочинение о русских мо-
нетах.
64
ЭЙЛЕР Леонард (4(15).04.1707, Базель, Швейца-
рия — 7(18).09.1783, Петербург). Математик, меха-
ник, физик и астроном. По происхождению швей-
царец. В 1726 г. был приглашен в Петербургскую
Академию наук и переехал в 1727 г. в Россию. Был адъ-
юнктом (1726), а в 1731-1741 гг. и с 1766 г. академи-
ком Петербургской Академии наук (в 1742-1766 гг. —
иностранным почетным членом). Участник первой
Комиссии по мерам и весам 1736-1742 гг. (.формули-
рованный им впервые в работе „Исследование о ве-
сах” математический принцип строения весов был ис-
пользован при создании образцовых весов Монетно-
го двора (1747) и применялся в весостроении до конца
XIX в.
В 1741-1766 гг. работал в Берлине, член Берлин-
ской Академии наук. Эйлер — ученый необычайной
широты интересов и творческой продуктивности. Ав-
тор свыше 800 работ по математическому анализу,
дифференц. геометрии, теории чисел, приближен
ным вычислениям, небесной механике, математиче-
ской физике, оптике, баллистике, кораблестроению,
теории музыки и др , оказавших значительное влия-
ние на развитие науки.
ЯКОБИ Борис Семенович (Мориц Герман)
(9.09.1801, г. Потсдам (Хёрмания) —27.02.1874).
Окончил Геттингенский университет, занимался
архитектурой и строительством. 11од влиянием работ
Эре теда, Ампера и Фарадея занялся электромагнетиз-
мом. В 1834 г. приезжает в Россию, которая становит
ся его второй родиной. В России проходит вся его
творческая жизнь всемирно известного ученого элек-
тротехника.
В 1867 г. он принял участие в работе Международ-
ного комитета мер весов и монет, созданного на Все-
мирной промышленной выставке в Париже и возгла-
вил работу подкомиссии, занимавшейся вопросами
единообразия мер и весов. Под его руководством был
подготовлен доклад о преимуществах метрической
системы. 8 марта 1869 г. на заседании Физико-мате-
матического отделения Российский академии наук
Б.С. Якоби внес предложение о создании международ-
ной комиссии по вопросам, связанным с изготовле-
нием прототипов основных мер, и предложил при-
нять за основные единицы длины и массы — архив
ный метр и архивный килограмм, изготовленные ь
1799 г. во Франции. Его инициативу поддержали рос-
сийские академики О.В. Струве и Г.И. Бильд, а затем
ученые других стран и Парижская академия наук. Во-
шел в состав Международной метрической комиссии
(1870 1872 гг.), которая определила порядок изготов-
ления метрических эталонов и подготовила предло-
жения по заключению международной конвенции.
С его именем связано развитие таких разделов
технической физики и техники как телеграфия, галь-
ванопластика, теория и техника изготовления элек-
тродвигателей, электроаппаратуры и электроизмери-
тельных приборов, научное и техническое приборо-
строение и метрология.
65
Ученые ВНИИМ — лауреаты
Государственных премий
Лебедев Александр Алексеевич
1947 г. — за создание отечественного образца электрон-
ного микроскопа; 1949 г. — за разработку новой конст-
рукции съемочной камеры.
Арутюнов Валентин Осипович
1948 г. — за разработку и освоение в производстве но-
вых осциллографов (совместно с группой сотрудников
завода „Вибратор").
Кондратьев Георгий Михаилович
1948 г. — за создание теории регулярного теплового ре-
жима.
Тихидеев Павел Михайлович
Сабуренков Александр Матвеевич
Карташевская Вера Евгеньевна
1948 г. — за создание нового светового эталона в виде
абсолютно черного тела при температуре затвердевания
платины
Шателен Михаил Андреевич
1949 г. — за книгу „Русские электротехники второй по-
ловины XIX в.".
Агалецкий Павел Николаевич
Шембель Борис Константинович
Ткоржевский Олег Алексеевич
Макашев Махмуд Хазиевич
1950 г.—за разработку новой конструкции государствен-
ного эталона для воспроизведения единицы частоты.
Зубрилин Павел Петрович
1951 г. — за разработку, освоение и внедрение в про-
мышленность оптико-механических измерительных
приборов.
Индрик Павел Владимирович
Григорьев Николай Алексеевич
Жоховский Михаил Константинович
1952 г.—за создание и внедрение образцовых приборов
и установок для измерения усилий и давлений.
Бржезинский Мечеслав Леонтьевич
Каяк Леонид Карлович
1975 г. - за участие в создании методов и средств атте-
стации точных штриховых мер длин совместно с работа
никами станкостроительной промышленности.
Тарбеев Юрий Васильевич
Кармалицын Николай Иванович
Харитонов Игорь Аристархович
Юдин Михаил Федорович
Кичин Авали л ий Евгеньевич
Хольнова Е.А.
Сазонова Т.Е.
1997 г. — Премия Правительства России за работу „Соз-
дание и внедрение аппаратуры нового поколения в со-
ставе Государственных первичных эталонов единиц ак-
тивности радионуклидов и поглощенной дозы фотонно-
го и электронного излучения для метрологического
обеспечения радиоэкологического мониторинга, радиа-
ционной защиты и лучевой терапии".
СинедЬшков Аркадий Евсеевич
Ильин Юрий Александрович
Кривцов Евгений Петрович
Кудрявцев Виктор Николаевич
Янковский Александр Анатольевич
1998 г. — Премия Правительства Российской Федерации
за создание и внедрение в России системы метрологиче-
ского обеспечения в сейсмометрии на основе эталонной
аппаратуры нового поколения — Государственного и ра-
бочих эталонов единиц длины, скорости и ускорения.
Коноислько Леонид Алексеевич
Суворов Владимир Иванович
2000 г.—Премия Правительства Российской Федерации
за создание и внедрение нового поколения государствен-
ных эталонов для метрологического обеспечения элек-
трохимических измерений.
Ученые ВНИИМ, удостоенные звания
«Заслуженный деятель науки и техники»
Маликов Михаил Федосеевич
Шателен Михаил Андреевич
Яновский Борис Михайлович
Колтик Евгений Дмитриевич
Тарбеев Юрий Васильевич
Синельников Аркадий Евсеевич
3 Зак. 450
66
Выдающиеся ученые — метрологи ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева
АГАЛЕЦКИЙ Павел Николаевич (16.01.1909-
19.05.1988). Доктор технических наук, профессор,
крупный специалист в области гравиметрии, вибро-
метрии, радиотехнических и динамических измере-
ний, лауреат Государственной премии.
Выпускник физического факультета Киевского го-
сударственного университета (1934). Его научная дея-
тельность началась в аспирантуре ВНИИМ, куда он
пришел после окончания университета. В 1939 г. воз-
главил созданную им во ВНИИМ лабораторию скоро-
стей и ускорений, где была разработана первая цен-
трифуга и дифференциальный метод поверки акселе-
рометров, на который П.Н. Агалецким было получено
авторское свидетельство, затем (до 1942 г.) возглавлял
лабораторию радиотехнических и динамических из-
мерений. Во время Великой Отечественной войны —
один из организаторов и первый руководитель Госу-
дарственного института мер и измерительных прибо-
ров в Томске (СНИИМ), который стал одним из мет-
рологических центров по обслуживанию оборонной
промышленности Сибири, Средней Азии и Дальнего
Востока (1942-1945 гг.). В 1945-1946 гг. руководил Мо-
сковским государственным институтом мер и измери-
тельных приборов и являлся членом Коллегии Коми-
тета по делам мер и измерительных приборов при СМ
СССР. Заместитель директора ВНИИМ по научной ра-
боте (1949-1951 гг.). Принимал участие в создании но-
вой конструкции Государственного эталона для вос-
произведения единицы частоты.
В 1952-1953 гг. — участвовал в создании Централь-
ного научно-исследовательского института радиоиз-
мерений (ныне ВНИИФТРИ), и с 1953-1955 г. являл-
ся его директором. Затем до 1966 г. — руководитель
лаборатории динамических измерений во ВНИИК
(ныне ВНИИМС).
Под его руководством и при непосредственном
участии во ВНИИМ были выполнены фундаменталь-
ные исследования в области радиотехнических, дина-
мических измерений и виброметрии. Были проведе-
ны работы по измерению абсолютного значения ус-
корения свободного падения тремя независимыми
методами (метод несвободного падения тел, маятни-
ковый метод, метод падения жезла, 1946-1956 гг.).
С 1966 г. возглавлял научно-метрологический от-
дел ВНИИФТРИ.
Много внимания уделял вопросам роста научных
кадров, подготовил 22 кандидата технических наук.
В 1963 г. по его инициативе и при непосредствен-
ном участии был создан реферативный журнал „Мет-
рология и измерительная техника", редактором кото-
рого он являлся долгие годы.
Был членом Ученого совета ВНИИМ по защите
диссертаций на соискание ученой степени доктора
технических наук.
Награжден многими медалями.
ГОРБАЦЕВИЧ Степан Вячеславович (9.01.1906,
с. Скородное, Минской губ. — 1979, Ленинград).
Профессор доктор технических наук, крупный спе-
циалист в области электрических измерений, осново-
положник новой области в метрологии — измерение
и уточнение фундаментальных физических констант.
В1923 г. поступил на физико-механический факуль-
тет Политехнического института им. М.И. Калинина
в Ленинграде, а в 1927 г., еще будучи студентом, начал
работать стажером в Главной палате мер и весов.
В первые годы работы его научная деятельность
была связана с электрическими измерениями: мощно-
сти, энергии, высоких напряжений и больших токов.
Провел большую работу по отбору типов электриче-
ских счетчиков на основе анализа их характеристик
с целью организации серийного производства лучших
из них. В 1930 г., окончив институт, поступил в аспи-
рантуру ВНИИМ, в 1936 г. — защитил диссертацию на
соискание ученой степени кандидата технических на-
ук. В этот же период начинается его педагогическая
деятельность. С 1950 по 1960 гг. заведовал кафедрой
физики в Северо-Западном политехническом инсти-
туте. С 1930-х гг. принимал активное участие в рабо-
тах, связанных с установлением единой абсолютной
системы электрических единиц.
В годы Великой Отечественной войны на С.В. Ibp-
бацевича была возложена ответственность за сохран-
ность эталонов единиц электрических величин, эва-
куированных в Свердловск (1942-1944 гг.). В 1947 г.
возглавил во ВНИИМ лабораторию эталонов электри-
ческих единиц и принимал непосредственное участие
как в разработке теории, так и в исследовательских
работах по созданию эталонов ома, ампера и вольта в
абсолютной системе единиц.
В 1954 г. защитил докторскую диссертацию, а в
1959 г. ему было присвоено ученое звание профессо-
ра по специальности „электрические измерения".
В 1963 г. принимал участие в работе Международ-
ного Консультативного комитета по электричеству в
Лондоне, в 1966 г. — Международной электротехниче-
ской комиссии в Праге. В 1960-1963 гг. являлся замес-
тителем директора по научной работе.
67
В 1964 г. во ВНИИМ под его руководством была соз-
дана лаборатория фундаментальных физических кон-
стант, где были разработаны теоретические и экспе-
риментальные основы для перехода на эталоны, бази-
рующиеся на фундаментальных физических
константах и стабильных физических процессах. Ре-
зультатом осуществления программы работ по повы-
шению точности воспроизведения вольта на 1,5-2 по-
рядка на основе эффекта Джозефсона стало создание
нового эталона вольта, утвержденного в 1980 г.
Автор свыше 50 научных трудов, более 30 лет был
активным членом Ученого совета ВНИИМ. Награж-
ден: орденом Ленина, орденом Знак почета, медаля-
ми „За доблестный труд в Великой Отечественной вой-
не", „За оборону Ленинграда", знаком „За заслуги в
стандартизации".
ГОРЮНОВ Павел Николаевич (1902-14.12.1984).
Доктор технических наук, профессор, крупный уче-
ный в области электрических измерений.
Руководитель лаборатории электрических измере-
ний ВНИИМ.
Награжден орденами: „Знак Почета", Трудового
Красного Знамени и медалями.
Ветеран Великой Отечественной войны.
ДЖЕЛЕПОВ Борис Сергеевич (12.12.1910, Одес-
са - 24.04.1998). Член-корреспондент РАН по отделе-
нию физико-математических наук (с 1953), лауреат
Государственной премии в области науки и техники,
один из основоположников ядерной спектроскопии в
нашей стране, создатель научной школы по ядерной
спектроскопии.
Выпускник Ленинградского государственного уни-
верситета (1931).
Научную деятельность начал в Физико-техниче-
ском институте АН СССР (1931-1943). С 1945 г. возглав-
лял лабораторию ядерной спектроскопии Радиевого
института АН СССР, где были созданы уникальные при-
боры для ядерно-спектроскопических исследований:
ритрон, кэтрон, эготрон, альфатрон, обладавшие луч-
шими для своего времени характеристиками.
Руководил созданием установок для ядерно-спек-
троскопических измерений во ВНИИМ им. Д.И.Мен-
делеева и в Научно-исследовательском институте фи-
зики ЛГУ. При его участии создан ряд приборов в от-
деле ядерной спектроскопии Объединенного
института ядерных исследований в г. Дубне. Основал
лаборатории ядерной спектроскопии и нейтронных
исследований во ВНИИМ (1953).
С 1957 по 1994 г. возглавлял Научный совет по ядер-
ной спектроскопии РАН. Основал кафедру ядерной
спектроскопии в ЛГУ, где руководил научными иссле-
дованиями и преподавал более 40 лет. Организовал
проведение ежегодных научных совещаний по ядер-
ной спектроскопии. Являлся главным редактором жур-
нала „Известия АН СССР" (серия физическая), входил
в состав редколлегии международного журнала “Atomik
Data and Nuclea Data Tables”.
Автор около 700 научных работ, в том числе широ-
ко распространенного справочника „Схемы распада
радиоактивных ядер" (1957, 1963).
Награжден двумя орденами Трудового Красного
Знамени, орденом „Знак Почета".
ДОЛИНСКИЙ Евгений Флорович (Федорович)
(30.06.1898, г. Псков — 18.02.1981, Ленинград). Кан-
дидат технических наук (1946), специалист в области
механических измерений, теоретической метрологии.
Выпускник Ленинградского политехнического ин-
ститута (1930). Работал в Главной палате мер и весов —
ВНИИМ с 1930 по 1980 гг., являясь руководителем аэ-
рогидрометрической лаборатории, заместителем ди-
ректора по научной работе (1948-1950 гг.), руководи-
телем отдела механических измерений (1956-1980 гг.).
В годы Великой Отечественной войны, в период
эвакуации ряда подразделений ВНИИМ в Томск, воз-
главлял расходомерную лабораторию (1941-1942 гг.),
был заместителем директора по научной работе ГИ-
МИП (1943-1944 гг.). Один из организаторов Новоси-
бирского института мер и измерительных приборов,
где занимал должности начальника отделения и руко-
водителя расходомерной лаборатории (1944-1948 гг.),
старшего научного сотрудника, заместителя директо-
ра по научной работе (1950-1953 гг.).
Руководил и непосредственно участвовал в созда-
нии и исследовании первых типов образцовых микро-
манометров, образцовых средств для измерения ско-
ростей потоков, расходов, перепадов давления, водо-
мерных установок, образцового поршневого
барометра и др. приборов и установок. На основе его
исследований, проведенных совместно с П.В. Индри-
ком, был создан государственный первичный эталон
единицы давления (в области избыточного давления)
(1960).
Внес большой вклад в развитие теоретических ос-
нов метрологии и теории погрешностей, законода-
тельной метрологии и прикладной математической
статистики, общей метрологии.
Читал курс теоретической механики и гидравлики
в институтах Ленинграда: Водного транспорта, Кораб-
лестроительном, Политехническом.
Автор более 50 научных работ, в том числе моно-
графий: „Измерение скоростей и давления в воздуш-
ном потоке" (1935), „Погрешности измерений и обра-
ботка результатов измерений" (1967), „Обработка ре-
зультатов измерений" (1973).
Награжден орденом Трудового Красного Знамени
и медалями.
КАРТАШЕВСКАЯ Вера Евгеньевна (10.10.1912 г.,
Санкт-Петербурге — 7.06.2001 г.). Кандидат техниче-
ских наук, специалист в области световых измерений,
лауреат Пэсударственной премии.
Выпускница Ленинградского электротехнического
института им. Ульянова (Ленина) (1937). В 1931 г. по-
ступила на работу во ВНИИМ, совмещая занятия в ву-
зе. После окончания института работала младшим на-
учным сотрудником фотометрической лаборатории. В
годы Великой Отечественной войны работала на око-
пах под Ленинградом, а зимой 1941-1942 гг. на метео-
станции ВНИИМ и в штабе МПВО. В августе 1942 г.
была эвакуирована от ВНИИМа в Томский государст-
венный институт мер и измерительных приборов (ГИ-
МИП), в 1943 г. была переведена в Свердловский фи-
лиал ВНИИМ. В мае 1944 г. вернулась в Ленинград и
возобновила работу в фотометрической лаборатории.
В апреле 1947 г. защитила диссертацию на соискание
ученой степени кандидата технических наук и была
68
утверждена в должности старшего научного сотрудни-
ка лаборатории. Руководитель фотометрической лабо-
ратории (1957-1971 гг.), затем старший научный со-
трудник (до 1982 г.). Являлась основным исполнителем
всех работ по обеспечению единства измерений фо-
тометрических величин. За участие в работе по созда-
нию и внедрению государственного светового этало-
на единицы кандела, удостоена Государственной пре-
мии (1948).
Автор около 80 научных работ.
Принимала активное участие в международной дея-
тельности, являясь председателем Международного
комитета экспертов по фотометрии (с 1963 г.). Много-
кратно участвовала в работе сессий Консультативно-
го комитета по фотометрии МКМВ.
Награждена орденом „Знак Почета" и многими ме-
далями Почетный член Метрологической Академии
КИТЕНКОВ Иван Иванович (1914-1979 гг.). Док-
тор технических наук, специалист в области темпера-
турных и тепловых измерений, ученый хранитель го-
сударственного первичного эталона единицы темпе-
ратуры.
Работал во ВНИИМ с 1946 ио 1979 гг. В 1949 г. воз-
главил лабораторию высоких температур, а затем
отдел температурных измерений. Предложил и иссле-
довал метод измерения температуры пламени, на
основе которого в ФИАН СССР был создан обобщен
ный метод обращения спектральных линий, широко
применяемых в СССР и за рубежом. Мировое при-
знание получили его работы по развитию газовой
термометрии. Под его руководством создан газовый
термометр постоянного объема, результаты измере-
ний на котором положены в основу МПТШ-68, а так-
же новый газо-термометрический метод—„метод двух
резервуаров"
Им разработаны теоретические основы и впервые
в мире осуществлено построение температурной
шкалы выше точки затвердевания золота фотоэлектри-
ческим методом, что позволило резко увеличить точ-
ность воспроизведения МПТШ. Под его руководством
проводились работы в области метрологии плазмы —
был создан метод и аппаратура для измерения темпе-
ратуры.
Автор 45 печатных работ,
КРЕМЛЕВСКИЙ Пантелеймон Петрович
(9.07.1906, Сестрорецк - 29.06.1999, Санкт-Петер-
бург).
Доктор технических наук (1965), профессор (1973),
специалист в области метрологии, измерительной тех-
ники и автоматики.
Выпускник Ленинградского технологического ин-
ститута (1929). Инженер, старший инженер, консуль-
тант в организациях „Оргэнерго" и „Оргхим" (1930-
1940 гт.). Руководитель отдела контрольно-измеритель-
ных приборов и автоматики в институте
„Гипрогидролиз" (1940-1944 гг.). Заведующий газомер-
ной лабораторией во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
(1959-1970 гг.). Выполнил исследования в области из-
мерения расхода, массы и объема жидкости, газа и па-
ра. Разработал динамометрический метод измерения
массы жидкости в гидролиз-аппаратах и др. производ-
ственных емкостях и создал конструкцию соответст-
вующего прибора — весомер КГП (1948). Совместно с
Н.Ф. Ганеком разработал рычажно-импульсный редук-
тор, на основе которого был создан (1956) электриче-
ский исполнительный механизм ИМП-П, обладавший
значительными преимуществами перед используемым
ранее. Разработал теорию колокольных дифманомет-
ров, учитывающих профиль стенок колокола (1955),
теорию многоступенчатых фильтров-успокоителей
пульсирующих потоков газов и жидкостей, на основе
которой вывел универсальный критерий успокоения
этих потоков (1961). Разработал совместно с Н.Ф. Га-
неком метод автоматизации работы колокольных об-
разцовых мерников, позволивших увеличить в 15 раз
максимальный расход при проверке газосчетчиков и
расходомеров (1963). Теоретически доказал и экспери-
ментально подтвердил возможность измерения расхо-
да двухфазной смеси насыщенною пара с помощью
диафрагмы (1972). Руководил исследованиями износа
диафрагм, позволившими разработать т.н. износо-
устойчивую диафрагму, повысившую точность измере-
ния расхода в трубах диаметром менее 300 мм (1970-
1983 гг.). Предложил рациональную классификацию
средств измерения расхода массы и объема жидкостей
и газов, а также средств измерения уровней жидкости.
Автор ряда государственных стандартов и других нор-
мативных документов. Обеспечил внедрение получен-
ных научных и экспериментальных результатов на про-
мышленных предприятиях. Организатор и председа-
тель оргкомитетов всесоюзных, а с 1992 г.
международных конференций в области измерения
расхода жидкостей.
Заведующий кафедрой в Ленинградском филиале
Всесоюзного института стандартизации и метрологии
(1970-1986 гг.).
Один из организаторов НТО Приборпром. Орга-
низатор выпуска и научный редактор трудов членов
секции приборов теплоэнергетического контроля.
Академик Метрологической академии (1992)
КРОТКОВ Игорь Николаевич (26-10.1907, г- Ли-
бава — 3.01.1990. Санкт-Петербург). Доктор техниче-
ских наук, профессор (1962), специалист в области точ-
ных измерений сопротивления, электрической емко-
сти, индуктивности.
Выпускник Ленинградского электротехнического
института (1929). Работал во ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева (1930-198(1 гг.): лаборант, старший научный со-
трудник, руководитель лаборатории. В годы Великой
Отечественной войны руководил лабораторией элек-
трических мер, при его участии была разработана элек-
троизмерительная аппаратура по заказам воинских
частей и оборонных предприятий- В блокадные годы
был руководителем подсобного рыболовецкого хозяй-
ства ВНИИМ. С 1942 г. входил в состав Ученого сове-
та института.
Разработал метод теоретического анализа чувстви-
тельности мостов переменного тока. Руководил рабо-
тами по созданию национальных эталонов единиц ин-
дуктивности и электрической емкости, получивших ме-
ждународное признание. Многолетние исследования
ученого обобщены в монографии „Точные измерения
электрических емкости и индуктивности".
Участник ряда важных для отрасли международных
симпозиумов по верификации средств измерений.
69
Награжден орденом „Знак Почета" (1979), медалью
„За доблестный труд в Великой Отечественной вой-
не" (1944), знаком „За заслуги в стандартизации".
ЛАССАН Вячеслав Леонович (29.10.1913, С.-Пе-
тербург — 19.07.1992). Кандидат технических наук,
крупный специалист в области динамических и радио-
технических измерений.
Выпускник Ленинградского электротехнического
института (194U). В 1933 г. поступил на работу в лабо-
раторию времени ВНИИМ. Участвовал в создании
первых эталонных кварцевых часов.
В годы Великой Отечественной войны возглавил
лабораторию времени и организовал работу службы
времени в блокадном Ленинграде. Были разработаны
для Северного и Балтийского флотов автономные ис-
точники сигналов точного времени с кодирующими
устройствами, в которых очень нуждались как воен-
ные корабли, так и гражданские суда Эти источники
были установлены в Кронштадте (в Кронштадтском
соборе) и ь пос. Полярное под Мурманском. Боец от-
ряда МПВО ВНИИМ. Награжден медалями „За обо
pony Ленинграда" и „За доблестный труд в годы Вели-
кой Отечественной войны".
В 1930-1950 гг. принимал творческое участие в вы-
полнении ряда научно- исследовательских работ: соз-
дал специальный приемник сигналов точного време-
ни; разработал установку для массовой поверки тахо-
метров. которая в начале 1950-х гг. широко
применялась в поверочном деле и послужила прооб-
разом будущих образцовых тахометрических устано-
вок; разработал свободный маятник и цилиндриче-
ский хронограф; участвовал в создании, вводе в экс-
плуатацию государственного эталона частоты.
С 1953 г- руководил лабораторией измерений ско-
ростей и ускорений В 1967 г под его руководством
был создан отдел измерения параметров движения,
который стал основным метрологическим центром
страны в этой области. Высокие достижения отдела в
виброметрии, в области измерений линейных и угло-
вых с корост ей и ускорений, параметров удара во mi ю-
гом определялись организаторскими способностями
В .Л. Лассана. Ряд важнейших работ отдела выполнял-
ся непосредственно под его научным руководством.
Много сил вложил в создание Ломоносовского отде-
ления института.
В 1983-1987 гг. был научным консультантом Мет-
рологического музея и оказал неоценимую помощь в
создании новой экспозиции.
Являлся членом Ученого совета ВНИИМ и пред-
седателем комиссии научно-технического совета Гос-
комитета стандартов СМ СССР по измерению пара-
метров движения.
МАЛИКОВ Михаил Федосеевич (23.02.1882,
хутор Татарка, Воронежской губ. —16.02.1960). Док-
тор технических наук, профессор, заслуженный дея-
тель науки и техники РСФСР, выдающийся теоретик
метрологии, крупный специалист в области электри-
ческих измерений, талантливый экспериментатор и
изобретатель.
Выпускник С.-Петербургского университета
(1910). Лаборант, младший инспектор, научный со-
трудник, руководитель отдела, заместитель директо-
ра, руководитель Метрологического бюро Главной па-
латы мер и весов — ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
(1910-1960 гг.).
Совместно с профессором А.Н. Георгиевским соз-
дал первые ртутные образцы международного ома
(1918), первые в России государственные эталоны ома
и вольта (1925). Его исследования в области точной
электрометрии, а также созданная им первая повероч-
ная схема обеспечили возможность измерений элск
трических величин с предельной для того времени
точностью. Разработал оригинальные катушки элек-
трического сопротивления, нормальные элементы
новой конструкции, приборы для механического оп-
ределения тел вращения и др. Стоял у истоков отече-
ственной стандартизации. Автор важнейших общесо-
юзных стандартов на основные термины и определе-
ния, охватывающие различные системы единиц
измерений, на образцовые меры и приборы. Прини-
мал активное участие в международной метрологиче-
ской деятельности. По его инициативе были осуще-
ствлены первые международные сличения электриче
ских эталонов. Впервые претворил в международную
практику идею о групповых эталонах. Ряд трудов
МФ. Маликова посвящен анализу систем единиц и
средств измерений разных физических величин.
Преподавал в аспирантуре ВНИИМ, Ленинград-
ском политехническом институте, Ленинградском ин-
сти гуте точной механики и оптики.
Автор более 60 печатных работ, в том числе капи-
тального труда „Основы метрологии" (1949).
Награжден орденом Ленина и медалями.
ОЛЕЙНИК Борис Николаевич (6.01.1925, ст. Ра-
евская Краснодарского края -16.12.1995, Санкт-Пе-
тербург). Доктор технических наук (1970), профес-
сор (1986), специалист в области метрологии темпе-
ратурных и теплофизических измерений.
Окончил Днепропетровское артиллерийское учи-
лище (1944) и Ленинградский институт точной меха-
ники и оптики (1951). В годы Великой Отечествен-
ной войны воевал на Прибалтийском фронте, был ко-
мандиром взвода.
Аспирант ЛИТМО (1945-1954 гг.). Во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева (1954-1995 гг.): старший науч-
ный сотрудник, руководитель лаборатории, замести-
тель директора по научной работе, начальник отдела
термодинамики. Под его руководством и при непо-
средственном участии разработаны и созданы 8 госу-
дарственных первичных и специальных эталонов еди-
ниц темпера гуры, количества теплоты и теплофизи
ческих величин, рабочие эталоны и образцовые
средства измерений.
Член научного совета АН СССР по проблеме „Те-
плофизика и теплоэнергетика"; член научного сове-
та ГКНТ „Массо-, теплообмен в технологических про-
цессах"; Председатель Комиссии по теплофизиче-
ским и температурным измерениям Госстандарта
СССР.
Член международных метрологических организа-
ций.
Автор 150 печатных работ, в том числе двух моно-
графий.
Награжден медалями. Действительный член мет-
рологической академии (1992).
70
ПЕЛЛИНЕЦ Вильям Семенович (11.08.1921,
с. Лемболово, Ленинградской обл. - 13.01.1983,
Ленинград). Кандидат технических наук (1961), спе-
циалист в области динамических измерений.
Выпускник Ленинградского политехнического ин-
ститута (1948). В годы Великой Отечественной вой-
ны воевал на 2 и 3-м Украинских фронтах (1942-
1945 гг.). Работал зав. лабораторией в НИИ Минобо-
ронпрома (1948-1965 гг.), принимал участие в
разработке и испытаниях (приборной части) ракет.
Начальник лаборатории, отделения во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева (1965-1983 гг.).
Создал новое научное направление - метрологи-
ческое обеспечение средств измерений ускорений
при вибрации и ударе. Организатор, руководитель и
исполнитель работ по созданию специального госу-
дарственного эталона единицы ускорения при удар-
ном движении и образцовых средств измерений. Внес
большой вклад в развитие теоретической метрологии.
Разработал ряд измерительных преобразователей и
приборов для ракетостроения.
Автор 87 научных трудов. Имеег 19 авторских сви-
детельств нэ изобретения.
Награжден орденом „Знак Почета", двумя медаля-
ми „За боевые заслуги" и двумя „За отвагу'.
ПРЕНИИ Ч Николай Христофорович (1896, Ре-
жице, Витебской губ. — 1946, Ленинград). Профес
сор, доктор технических наук, крупный специалист в
области астрономии, измерений точного времени.
Учился в Петроградском и Саратовском университе-
тах (1916-1921 гг.). В 1917 г., будучи студентом Петро-
градского университета, начал работать лаборантом
в отделении измерения времени и длины Главной па-
латы мер и весов. Возглавлял лабораторию точного
времени с 1922 по 1946 гг. В предвоенные годы служ-
ба времени под его руководством вышла на уровень
лучших иностранных обсерваторий, принимавших
участие в Международной службе времени.
В период Великой Отечественной войны орга-
низовал резервную службу времени в ГИМИП в г. Том-
ске.
Разработанные Н.Х. Прейпичем методики хране-
ния времени, астрономических наблюдений, состав-
ления сводных моментов и определения долгот нашли
широкое применение в практике отечественных и
иностранных обсерваторий.
Создал научно обоснованную методику поверки
приборов времени, угловых скоростей и уровней, по-
ложил начало поверке секундомеров, хронометров,
тахометров и уровней.
Автор более 40 печатных работ и 12 изобретений.
РОЖДЕСТВЕНСКАЯ Татьяна Борисовна
(22.11.1915, Петербург — 27.07.1989, Ленинград).
Доктор технических наук, профессор (1967), специа-
лист в области измерений электрических величин,
метрологии, стандартизации.
Выпускница Ленинградского политехнического
института (1938). Работала инженером в „Ленэнерго"
(1938-1942 гг.). В годы Великой Отечественной вой-
ны - главный энергетик на Машиностроительном за-
воде в прифронтовом районе (г. Усмань, Воронежской
обл.). С 1945 по 1986 гг. во ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева: аспирант, старший научный сотрудник, руко-
водитель лаборатории, отдела. Создала и развила но-
вое научное направление - метрологию электромет-
рии весьма малых значений постоянного тока, напря-
жения, зарядов, больших сопротивлений. Научно
обосновала, разработала теорию, исследовала и прак-
тически реализовала точные методы компарирования
величин переменного и постоянного тока. Создала
впервые в стране и внедрила в метрологическую прак-
тику комплексы эталонов переменного напряжения
на основе методов термоэлектрического компариро-
вания. Разработала новые методы и образцовую по-
верочную аппаратуру для точных измерений посто-
янного и переменного тока, напряжения, мощности,
энергии,сопротивления.
Создала научную школу по метрологии электриче-
ских измерений. Подготовила 15 кандидатов техни-
ческих наук.
Член редколлегии Ленинградского отделения из-
дательства „Энергоатомиздат".
Автор более 150 научных трудов, в том числе че-
тырех книг.
ШИРОКОВ Константин Павлович (28 10 1901,
г. Цеханов, Плоцкой губ. —27.09.1979). Профессор,
доктор технических наук, крупный специалист в об-
ласти электрических измерений и теоретической мет-
рологии.
Служил в Рабоче-крестьянской Красной армии
(1920-1924 гг.), окончил электромеханический фа-
культет Ленинградского политехнического институ-
та (1931). Будучи студентом занимался разработкой
электроизмерительных приборов. В 1930-1935 гг. в
Ленинградском электрофизическом институте разра-
ботал электромагнитный ваттметр, фазометр для ра-
диопеленгатора, различные типы вектомс-тров.
В конце 1930 начале 1940-х гг. совмещал научную
деятельность с преподавательской, сначала в Ленин-
градском институте связи (ЛЭИС), затем Ленинград-
ском институте точной механики и оптики (ЛИТМО).
Присуждена ученая степень кандидата технических
наук (1938).
Поступил на работу во ВНИИМ на должность ру-
ководителя электроизмерительной лаборатории
(1941). В годы Великой Отечественной войны орга-
низовал мастерские по ремонту, юстировке и пове|>-
ке электроизмерительных приборов, где выполня-
лись заказы для Ленинградского фронта. Продолжал
заниматься разработкой новых видов аппаратуры, ко-
торая испытывалась непосредственно на военных
объектах. Являлся активным бойцом отряда МПВО
ВНИИМ. Был среди первых сотрудников института,
награжденых медалью „Зя оборону Ленинграда" По-
сле прорыва блокады Ленинграда возглавил работы
по восстановлению нормальной деятельности лабо-
ратории.
Работы послевоенного периода (1953-1954 гт.) по-
священы вопросам передачи электрических единиц.
Был проведен анализ метрологических свойств ком-
пенсаторов и мостов постоянного тока и разработа-
ны методы их поверки, а также разработаны компен-
саторы и мосты для особо точных измерений, в том
числе для поверочных работ. Разработаны методы
передачи единиц электрических величин в области
71
переменного тока повышенной частоты и соответст-
вующая аппаратура, исследованы источники погреш-
ностей. Опубликованы 12 научных работ, 2 авторских
свидетельства на изобретения.
В 1953-1956 гг. являлся заместителем директора
ВНИИМ по научной работе. С этого времени его дея-
тельность была связана с общими вопросами метро-
логии. В 1958 г. возглавил Метрологический отдел.
Способствовал созданию лабораторий теоретической
метрологии, нормативной документации, развитию
международных работ по метрологии.
В 1964 г. — присуждена ученая степень доктора тех-
нических наук по совокупности научных трудов. Зна-
чителен вклад ученого в разработку учения о физиче-
ских величинах, развитие метрологической термино-
логии, создание поверочных схем для различных
областей измерений. Он автор основополагающих
стандартов в области метрологии — ГОСТ 16263-70.
„Метрология. Термины и определения", руководитель
и один из основных исполнителей ГОСТа „Эталоны
и образцовые средства измерений" и ряда рекомен-
даций, связанных с введением Международной систе-
мы единиц СИ.
Принимал активное участие в работе международ-
ных метрологических организаций: ИСО, МЭК,
МОЗМ, руководил Национальным техническим коми-
тетом ТК-25 МЭК по „Величинам, единицам и буквен-
ным обозначениям".
Более 35 лет (с 1942 г.) являлся бессменным чле-
ном Ученого совета института.
Автор 145 научных работ по проблемам элек-
трических измерений и теоретической метрологии,
а также серии статей в Большой Советской Энцикло-
педии.
ШРАМКОВ Евгений Георгиевич (1894-1991 гг.).
Профессор, доктор технических наук, крупный спе-
циалист в области электрических и магнитных изме-
рений, талантливый педагог и организатор. Заслужен-
ный деятель науки и техники РСФСР.
Работал в Главной палате мер и весов — ВНИИМ с
1922 г. Организовал и возглавил (1927) лабораторию
магнитных измерений. Под его руководством и при
непосредственном участии были созданы отечествен-
ные эталоны магнитных единиц, разработаны образ-
цовые средства для испытаний магнитных материа-
лов и методические основы магнитных измерений.
В 1946 г. создал во ВНИИМ отдел электромагнит-
ных измерений и руководил всеми работами в области
электрических и магнитных измерений до 1960 г. Ини-
циатор проведения регулярных научно-технических-
конференций по проблемам электроприборостроения
и магнитных измерений. Участвовал в разработке воп-
росов терминологии в области измерительной техники.
Являлся членом Бюро Научного совета АН СССР по про-
блеме „Электрические и информационные системы".
По его инициативе в Ленинградском политехни-
ческом институте была создана (1930) первая в СССР
кафедра электрических измерений, которую он воз-
главлял долгие годы.
Работал в Международном консультативном коми-
тете по электричеству. Внес большой вклад в органи-
зацию международного научно-технического сотруд-
ничества инженеров и ученых различных стран.
Автор более 100 печатных работ, в том числе фун-
даментальных курсов „Электрические и магнитные из-
мерения" (1937), „Электрические измерения" (1972).
Награжден двумя орденами Ленина и многими ме-
далями.
3* Зак. 450
Некоторые положения
теоретической метрологии
74
Фундаментальные проблемы
теоретической метрологии
В крупнейших национальных метрологических
институтах, таких как Институт метрологии им.
Д.И. Менделеева (Россия), РТВ (Германия), NPL (Анг-
лия), NIST (США), ETL (Япония), институт
им. Дж. Колонетти (Италия), CSIRO (Австралия),
BNM (Франция), NMi — Van Svinden Lab (Голландия)
и др. ведутся исследования проблем общеметрологи-
ческого характера, работы в области теоретической
метрологии и общей теории измерений. Значимость
этих исследований обусловлена особой ролью метро-
логии в системе научного знания, а также ее практи-
ческой направленностью. Метрология как наука об из-
мерениях разрабатывает теоретические и методоло-
гические аспекты одного из важнейших методов
познания; в этом проявляется ее свойство как фунда-
ментальной науки. Понятия и методы теоретической
метрологии имеют общенаучную значимость; иссле-
дования в этой области непосредственно связаны с
естественными и социальными науками — математи-
кой, физикой, философией. С другой стороны, явля-
ясь научной основой метрологического обеспечения
национальной экономики, метрология направлена на
решение прикладных задач в различных областях из-
мерений. Поэтому необходимо разрабатывать основ-
ные принципы и методы, которые в равной степени
применимы ко всем областям измерений, и в целом
обеспечивают научную основу развития и совершен-
ствования национальных систем измерений.
В настоящее время сохраняют свою значимость
все классические разделы теоретической метрологии,
однако они существенно расширяются и приобрета-
ют новое, современное содержание. Кроме того, вви-
ду существенного расширения областей измерений
постоянно появляются новые важные области теоре-
тических исследований (рис. 1).
Как и в любой науке, в метрологии выделяется раз-
дел „основные представления", который включает в се-
бя разработку системы основных понятий и терминов,
принципы, аксиомы и постулаты метрологии, методо-
логию метрологических исследований и учение о фи-
зических величинах. Эти вопросы особенно важны для
метрологии, поскольку она объединяет различные об-
ласти измерений, которые могли бы развиваться само-
стоятельно на основе специфических представлений.
В связи с интенсивным использованием в метро-
логии методов, разработанных в математике, физике
75
и в технических науках, происходит широкое заимст-
вование понятий из этих дисциплин.
В процессе развития метрологии как науки законо-
мерно возникает потребность в аксиоматическом по-
строении ее теоретических основ: необходимо выде-
лить те аксиомы и постулаты, на основе которых чис-
то дедуктивными методами можно было бы построить
достаточно содержательную и полную теорию измере-
ний, а также вывести полезные практические следст-
вия. Эта тенденция соответствует современному по-
строению точных наук. Разработка системы аксиом
способствует укреплению связей метрологии с други-
ми науками и выработке единой методологии.
На современном уровне развития метрологии уче-
ные все чаще обращаются к методологическим иссле-
дованиям. Возможны различные формы методологи-
ческого анализа: общий — философский и частный —
более конкретный, естественнонаучный. Поскольку
измерение — один из методов научного исследования,
то и метрология, в целом, как наука об измерениях, но-
сит методологический характер, представляет собой
науку об одном из методов научных исследований. От-
метим, что методология важна и для внутреннего раз-
вития метрологии в связи с тем, что она объединяет
различные области измерений, которые существенно
отличаются друг от друга природой объектов и мето-
дами исследований.
Не менее важным разделом метрологии является
учение о физических величинах как о фундаменталь-
ном понятии метрологии. На развитие метрологиче-
ской концепции физической величины оказывают су-
щественное влияние понятия и методы современной
физики.
В учении о физических величинах выделяются два
аспекта: физическая величина, как качественно общее
свойство различных объектов и конкретная физиче-
ская величина, как свойство определенного объекта
исследования. Измерения физических величин осуще-
ствляется по разным правилам для трех групп величин.
В первую группу входят физические величины, харак-
теризующие свойства объектов: длина, масса, электри-
ческое сопротивление и т.п. Во вторую — физические
величины, характеризующие состояние системы, —
давление, температура, магнитная индукция и т.п. В
третью — физические величины, характеризующие
процессы, — скорость, ускорение, мощность и др.
Учение о физических величинах, включая связи ме-
жду ними и их размерности, всегда развивалось в тес-
ной связи с соответствующими разделами физики, а в
настоящее время — с квантовой физикой. Вопросы оп-
ределения конкретных физических величин становят-
ся особенно актуальными в связи с усложнением изме-
рительных задач и повышением требований к точно-
сти измерений. Разработка этих вопросов ведется в
теории измерительных процедур.
Одним из центральных разделов теоретической
метрологии является теория воспроизведения единиц
физических величин, теория эталонов и теория пере-
дачи размеров единиц, теория шкал.
Характерной чертой современного этапа развития
метрологии является переход на систему естественных
эталонов, основанных на стабильных физических яв-
лениях и фундаментальных физических константах.
Поэтому в настоящее время большое внимание уделя-
ется разработке систем взаимосвязанных естествен-
ных эталонов. Физическими предпосылками перехо-
да на естественные эталоны являются принцип нераз-
личимости тождественных частиц (гарантирующий
воспроизведение единиц физических величин незави-
симо от времени и места) и связывающие физические
величины фундаментальные константы. Поскольку
точность, принципиально достижимая естественными
эталонами, лимитируется лишь физическими закона-
ми, то перед метрологией открываются широкие пер-
спективы повышения точности воспроизведения еди-
ниц.
Для создания естественных эталонов используют-
ся различные сравнительно недавно открытые мак-
роскопические квантовые эффекты. Макроскопиче-
ские квантовые эффекты позволяют опираться на
свойства атомных систем, наименее подверженных
влиянию внешних условий и имеющих характеристи-
ки, непосредственно связанные с фундаментальными
константами. При этом квантовая природа явлений
проявляется в этих эффектах (вследствие когерент-
ности) в практически используемых масштабах. К мак-
роскопическим квантовым эффектам, имеющим важ-
ное метрологическое значение, относятся: квантован-
ные вихревые нити в сверхтекучем гелии,
незатухающие токи в сверхпроводниках, квантование
магнитного потока в многосвязанном сверхпроводни-
ке, замораживание потока в сверхпроводящем коль-
це — эффекты Мейснера и Джозефсона, квантовые эф-
фекты в двумерных системах, например, квантование
холловского сопротивления в сильных магнитных по-
лях при низких температурах, эффект Казимира и др.
Кроме естественных эталонов, макроскопические
квантовые явления используются также и при созда-
нии устройств для поддержания единиц физических
величин и передачи их размеров, при уточнении зна-
чений фундаментальных физических констант. Следу-
ет подчеркнуть, что внедрение макроскопических
квантовых эффектов в метрологии ведется быстрыми
темпами. Только за истекшие два десятилетия внедре-
ние этих эффектов осуществлено для решения много-
численных задач механики, электричества и др. прак-
тических задач. При этом потребности практики кое-
где опережают возможности высшего эталонного
уровня. То, что еще недавно метрологи считали лишь
перспективой, сейчас уже внедрено на практике: мак-
роскопические квантовые эффекты используются да-
же для создания рабочих средств измерений.
Исследование и практическое решение проблем
применения макроскопических квантовых явлений со-
ставляет основное содержание большого раздела со-
временной метрологии — квантовой метрологии.
Сущность проблем квантовой метрологии, разно-
образие нерешенных в ней теоретических вопросов,
количество требующих углубленного осмысления ре-
зультатов экспериментов наглядно показывают, что
квантовая метрология сегодня — это и принципиаль-
но важное направление современного естествознания.
Она являет собой закономерный продукт опережаю-
щего развития метрологии. Она наглядно показывает,
что метрология обрела сегодня небывалые темпы
развития, что она в целом ряде случаев объективно
задает темп развития и в естествознании и в филосо-
фии. Зачастую последние уже не успевают: философы
^=====^^=^ 76 ..=
— осмыслить очередной этап развития метрологии, а
физики, химики и технологи — обеспечить потребно-
сти метрологии необходимыми новыми открытиями
и разработками.
И все это потому, что сегодня, как никогда ранее,
очевидно, что метрология существует и развивается
не ради внутренних самоцелей, а ради высокого слу-
жения и фундаментальному научному поиску, и стре-
мительному развитию техники, реализующей новей-
шие программы научно-технологического прогресса.
В этих условиях остро не хватает еще многих зна-
ний, и все шире и чаще нужна вся лаборатория приро-
ды, чтобы сделать очередной шаг в развитии метроло-
гии, в совершенствовании эталонов единиц физиче-
ских величин — верхнего звена инструментального
цеха науки и практики. И здесь не обойтись без заин-
тересованного и сплоченного участия сообщества фи-
зиков, метрологов, приборостроителей.
Говоря конкретно о проблемах сегодняшней мет-
рологии в этом аспекте, необходимо выделить, преж-
де всего:
— разработку основ квантовой теории измерений.
Перенесение на случай реального эксперимента ана-
лиза различных форм соотношения неопределенно-
стей для энергии и времени. Изучение ограничений,
налагаемых квантовой теорией, на возможность реги-
страции слабых сигналов. Определение предельной
чувствительности регистрирующих устройств;
— разработку теории измерения сверхмалых сме-
щений макроскопических тел лазерно-интерферомет-
рическим методом;
— в части метрологических приложений квантовой
теории твердого тела—дальнейшее исследование мет-
рологических приложений эффекта Джозефсона,
квантовых эффектов в двумерных структурах, кванто-
вых кристаллов и критических явлений в аморфных
телах. Исследование макроскопических квантовых яв
лений, в том числе сильноточной сверхпроводимости
и сверхтекучести НеЗ. с целью усовершенствования
эталонов единиц механических, электрических и маг
нитных величин и уточнения значений фундаменталь-
ных физических констант. Углубленное теоретическое
изучение взаимодействия излучения с монокристалла-
ми различных изотопных составов;
— расширс ние метро логических приложений кван-
товой электродинамики и теории атома. Изучение
ква) 1ТОВЫХ яв лений в атомных структурах с целью при-
менения полученных результатов в метрологии при
создании новых методов измерения и согласования
значений фундаментальных констант.
— расширение метрологических приложений кван-
товой теории поля. Теоретическое исследование эф-
фектов квантовой теории поля (в частности, эффекта
Казимира) и возможностей их использования в мет-
рологии. Развитие микроскопической теории молеку-
лярных взаимодействий и ван-дер-ваальсовых сил, в ча-
стности, в применении к разработке вопросов термо-
динамических, теплофизических и
физико-химических измерений. Изучение нулевых ко-
лебаний физического вакуума и квантовых процессов
в интенсивных внешних полях. Участие в разработке
аппарата единых калибровочных теорий электромаг-
нитных, слабых, сильных и гравитационных взаимо-
действий с целью установления новых связей между
фундаментальными физическими константами и др.
Принципиальные изменения в структуре эталонов
и усложнение процедур передачи размеров единиц
обусловливают возникновение новых проблем в тео-
рии обеспечения единства измерений. В частности,
по-новому могут рассматриваться проблемы центра-
лизации и децентрализации воспроизведения еди-
ниц, вследствие чего эти проблемы уже не являются
чисто теоретико-метрологическими, а тесно связан-
ными с потребностями и перспективами развития
экономики той или иной страны в целом.
Относительно новым и быстро развивающимся
разделом теоретической метрологии является общая
теория измерительных процедур, ь которой обобще-
ны методы конкретных областей измерений и широ-
ко используются методы прикладной математики и
смежных технических дисциплин, таких, например,
как теория автоматического управления. Этот раздел
приобретает особую важность в связи с существенным
ус люжнением измерительных систем, автоматизацией
и компьютеризацией измерений.
В соответствии с основными этапами измерения
теория измерительных процедур включает общую тео-
рию методов измерений, теорию планирования изме-
рения, методы обработки экспериментальных данных
при измерениях (включая оценивание погрешностей),
анализ предельных возможностей измерений. Наи-
большее внимание уделяется теории методов измере-
ний. Необходимость развития этого раздела связана с
усложнением измерений и средств измерений; совре-
менные средства измерений реализуют сложные сово-
купности классических методов измерений. Поэтому
остается актуальным совершенствование классифика-
ции методов измерений и исследований их потенци-
альных возможностей с учетом условий реализации.
Эти вопросы тесно связаны с планированием измере-
ний.
Сравнительно недавно выделилась в самостоятель-
ный раздел теория обработки экспериментальных дан-
ных при измерениях, включая оценивание погрешно-
стей измерений- Методы обработки данных при изме-
рениях основаны па современных статистических
методах, однако они развиваются и модифицируются
с учетом специфики метрологических задач.
Традиционная метрологическая задача оценивания
погрешностей измерений вновь стала одной из наибо-
лее актуальных. Это обусловлено, прежде всего, по-
требностями измерительной практики (повышением
требований к точности измерений и необходимостью
унификации оценивания погрешностей в международ-
ном масштабе). а также предложениями Рабочей груп-
пы по вопросам представления и оценивания погреш-
ностей при МБМВ. Как показали исследования совре-
менных подходов к оцениванию погрешностей, во
внутренней поверочной практике в России в настоя
щее время нет необходимости в радикальной пере-
стройке принципов оценивания погрешностей. С це-
лью достижения большего единообразия оценивания
погрешностей измерений прежние методологические
принципы могут быть развиты с учетом современных
математических методов и новых предложений. Что
касается международной практики, связанной прежде
всего, с ключевыми сличениями, то здесь на ближай-
ший период, очевидно, будет нормативно закреплено
....-.....—............~ 77 -----
использование понятий и инструмента выражения не-
определенностей результатов измерений.
Важный и перспективный раздел теории измере-
ний — анализ предельных возможностей измерений —
имеет несколько аспектов. Во-первых, исследование
технических пределов точности измерений примени-
тельно к конкретным типам или экземплярам средств
измерений. Расширения технических пределов точно-
сти можно добиваться за счет построения оптималь-
ного плана измерения и выбора оптимальных методов
обработки экспериментальных данных.
Во-вторых, анализ практических пределов точно-
сти, которые зависят от современного уровня разви-
тия науки, техники и технологии точных измерений.
Это необходимо для создания и совершенствования
эталонов и образцовых средств измерений.
В-третьих, исследование абсолютных (принципи-
ально достижимых) пределов точности, обусловлен-
ных свойствами стабильности исследуемых физиче-
ских объектов и фундаментальными физическими за-
конами. Это объединяет многие теоретические
проблемы, в частности, связанные с учением о физи-
ческих величинах и единицах, а также с теорией эта-
лонов. На современном этапе развития метрологии
данная проблема может конкретизироваться при раз-
работке теории систем взаимосвязанных естествен-
ных эталонов.
Таким образом, фундаментальные исследования в
теоретической метрологии ведутся по широкому кру-
гу проблем. При этом сохраняется актуальность мно-
гих традиционных проблем, однако и они приобрета-
ют новое содержание. Определяющими чертами со-
временного этапа развития теоретической
метрологии являются усиление влияния понятий и ме-
тодов современной физики, а также тенденция к фор-
мализации и алгоритмизации процедуры измерения.
Но вес это — сегодняшний день метрологии. А лю-
бой пауке свойственна забота об обновлении своего
„ресурса", стремление заглянуть за границы ясно ви-
димого, Не является в этом смысле исключением и мет-
рология. Наиболее интересные возможности здесь
возникают при расширении „исходной системы", т.е.
на стыке наук. Изменение требований к метрологии и
используемых ею средств привело к тому, что измени-
лось отношение к ней как к науке, призванной обслу-
живать непосредственные практические пол ребности;
изменился и стиль мышления самих ученых-метроло-
гов. Прежде всего, это опять-таки касается осознания
ими глубокой внутренней связи проблем метрологии
с проблемами современного естествознания, соответ-
ствующей гносеологической роли измерений, стрем-
ление рассматривать метрологию как одну из важней-
ших составляющих естественнонаучного цикла. Общ-
ность методов и задач метрологии и естественных
наук, особенно при современном высоком уровне точ
ности исследований и подтверждается появлением та-
ких новых направлений, как упомянутая квантовая мет-
рология, а также проблем физико-метрологического
характера, одинаково значимых как для метрологии,
так и для естественных наук. Назрела в настоящее вре-
мя и необходимость перестройки теоретического ба-
зиса метрологии, пересмотра, расширения ее концеп-
туальной основы как науки об измерении в широком
смысле, одном из наиболее точных и общих методов
познания в целом. В этой связи одной из фундаменталь-
ных проблем метрологии является разработка теоре-
тических и методологических аспектов процедуры дос-
тижения точного знания об объектах и процессах ок-
ружающего мира, связанных с повышением точности
измерений в целом.
Задача эта может быть решена на базе обобщения
результатов теории измерений (как на микро- так и на
макроуровне), достигнутых в отдельных областях ес-
тественных и технических наук. Результаты реализа-
ции отдельных ее этапов существенно влияют на всю
систему естественнонаучных знаний и фундаменталь-
ных исследований.
Метрология, как концентрированная и наиболее
универсальная форма организующего, целенаправлен-
ного опыта, дает возможность проверки достоверно-
сти наиболее общих и абстрактных моделей реально-
го мира (в силу того, что измерение — пожалуй, един-
ственная процедура, реализующая принцип
наблюдаемости).
Сложилась в известном смысле парадоксальная си-
туация — существование своего рода „научного вакуу-
ма". С одной стороны, различный науки используют
понятие „измерение": метрология, например, опери-
рует в силу сложившейся традиции понятием измере-
ния на физическом и техническом уровне (определя-
ет его через технические, частные понятия); филосо-
фия рассматривает понятие измерения на уровне
взаимодействия объекта и субъекта познания, т.е. в
плане взаимодействия физического и психического.
Аналогичные примеры разработки этого понятия мы
имеем в физике, математике и технических науках. С
другой стороны, ни одна из наук не занимается обоб-
щением результатов теории измерений, полученных
в различных областях знания. В этом нас убеждает так-
же и изучение планов и программ исследований по
естественным и общественным наукам, в которых
практически не затрагиваются вопросы общего опи-
сания и построения измерительных процедур. В
настоящее время существует целый ряд подходов в тео-
рии измерений, базирующихся на использовании раз-
личных методологических принципов (информацион-
ный, энергетический, алгоритмический, репрезента-
тивный, квантовый и т.д.) и имеющих разрозненный,
частный характер. Однако задача состоит в обобщении
указанных теорий и преодолении разобщенности по-
нятия „измерение", используемого (и изучаемого) раз-
личными науками.
В этой связи следует выделить еще одну проблему,
близкую к предыдущей. Речь идет о распространении
понятий и методов метрологии на общественные, по-
веденческие и экономические науки, т.е. их использо-
вание при решении таких задач, где функции измери-
тельного прибора выполняет субъект (человек). Воз-
никает проблема применимости понятия „измерение"
к оценке эффективности различных форм человече-
ской деятельности (в частности, и самой науки), про-
блема разработки общей методологии определения ее
эффективности.
Еще одной ключевой проблемой метрологии, сбли-
жающей ее с философскими проблемами современно-
го естествознания, является проблема „физической ре-
альности" (особенно важная в связи со становлением
квантовой метрологии). Ее решение, как известно,
------------- — 78
затрагивает глубинную природу физических процес-
сов, вопросы причинности в микромире и т.д- (в свете
продолжающейся дискуссии вокруг парадокса ЭПР
(Эйнштейна-Подольского-Розена), неравенств Белла и
их экспериментальной проверки.
Метрология занимается этой проблемой, во-пер-
вых, в связи с названными выше исследованиями пре-
дельно достижимых границ точности измерений и оп-
ределением пределов, до которых справедливы поня-
тия физических величин, используемых в различных
видах измерений (т.е. в конкретно-научном аспекте).
Во-вторых, метрология рассматривает понятие „физи-
ческая реальность" как совокупность физических ве-
личин, описывающих свойства объективно-реального
мира. Метрология поэтому может и должна, на наш
взгляд, участвовать в раскрытии взаимосвязи физиче-
ской величины как измеримого качества объекта ис-
следования (т.е. как общенаучного понятия) с объек-
тивно-истинным свойством этого объекта.
Решение многих из этих проблем требует тесного
взаимодействия метрологии в XXI в. с физикой и фи-
лософией.
Ю. Тарбеев
Литература:
1. Тарбеев Ю.В., Довбета Л.И. Содержание метрологии
и ее место в системе наук. Фундаментальные проблемы мет-
рологии // Сборник научных трудов НПО „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева". — 1981. — С. 4-12.
2. Капица П.Л. Эксперименты, теория, практика. — М.:
Наука, 1974.
3. Тарбеев Ю.В., Александров В.С., Довбета Л.И.,
Сирая Т.Н. Современные проблемы теоретической метро-
логии // Итоги науки и техники. Том 8. Метрология и изм.
техника. ГКНИТ, АН СССР, 1991.
4. Широков К.П. О некоторых положениях теории из-
мерений // Труды метрологических институтов СССР.
Вып. 237. Под ред. Ю.В. Тарбеева.
5. Тарбеев Ю.В., Романов В.Н. Метрология как предмет
системных исследований // Сборник научных трудов. НПО
„ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". — Л., 1985.
6. Тарбеев Ю.В., Сирая Т.Н. Методы обработки резуль-
татов измерений. Погрешности измерений. — М.: ВНТО
им. С.И. Вавилова, 1990.
7. Тарбеев Ю.В., Челпанов И.Б., Сирая Т.Н. Развитие ра-
бот по метрологической аттестации алгоритмов обработки
данных при измерениях // Измерительная техника. — 1985.
— №5. — С. 13-14.
8. Стахов А.А. Введение в алгоритмическую теорию из-
мерений. — М.: Сов. радио, 1977. — 288 с.
9. Земелъман М.А. О классификации погрешностей из-
мерений // Измерительная техника. — 1985. — № 6. — С. 3-
5.
10. Кузнецов В.А., Ялунина Г.В. Основы метрологии. —
М.: Изд. стандартов, 1995.
11. Квантовая метрология и фундаментальные констан-
ты. Перев. с англ, под ред. Р. Фаустова и В. Шелеста. — М.:
Мир, 1987.
12. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей
результатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1985.
13. ГутнерЛ.М. Методологические проблемы измерений.
— Л.: Изд. Ленинградского университета, 1972.
14. Отчет МКМВ для правительств стран-членов Метриче-
ской Конвенции. Материалы XXI Генеральной конференции
по мерам и весам. Париж, 1999.
15. Романов В.Н. Прогнозирование развития метрологии.
— М.: Изд. стандартов, 1989.
16. Тарбеев Ю.В. Пути дальнейшего развития теоретиче-
ских основ метрологии // Труды метрологических институтов
СССР. -1979. - вып. 237 - 6 с.
17. Tarbeyev Y.V. The role of metrology for improving scientific
and technical progress. Interregional training course on ensuring
measurements accuracy. TC-8 Technical Comittee on Metrology,
Austria, vol. 1,1984.19 p.
18. Hoffman D. Theoretical physical and metrological problems
of further development of measurement techniques and
instrumentation in science and technology. Acta IMEKO. 1979.5 p.
19. Tarbeyev Y.V. Theoretical and practical limits of
measurement accuracy. 2-nd Symp. of the IMEKO Technical
Committee on Metrologie TC-8, Budapest. 4 p.
20. Тарбеев Ю.В., Балалаев B.A. Состояние и перспективы
развития теории обеспечения единства измерений //II Все-
союзное совещание по теоретической метрологии. Тезисы
докл. Л. 1983. — 2 с.
21. Тарбеев Ю.В., Широков К.П., Селиванов П.Н.,
Ерюхина Н.А. Единицы физических величин ГОСТ 8.417-81
(СТ СЭВ 1052-78). — М.: Изд-во стандартов, 1981. —40 с.
22. Эталоны единиц основных физических величин. Учеб-
ное пособие. — Л.: СЗПИ, 1983. — 79 с.
23. Грановский В.А. Системная метрология. — СПб.: ГНЦ
„Электроприбор", 1999.
24. Мельников О.А. О роли измерений в процессе позна-
ния. — Новосибирск, 1965.
25. Petli B.W. Metrology, the key to progress: in the past and
the future // PhysicaScripta. — 1990. —vol. 41. — P. 701-711.
79
Формирование системы основных
понятий метрологии
Формирование системы основных понятий метро-
логии (как и любой другой науки или вида деятельно-
сти) является одним из важных, но и одновременно
труднейших направлений исследований, требующих вы-
сокой квалификации и большого опыта исполнителей.
Важность иметь именно систему понятий, а не
простую совокупность (или набор) понятий обуслов-
лена тем, что только на основе системы понятий, где
каждое понятие имеет строго определенное место, по-
является возможность упорядочения знаний, а также
создания научно обоснованной системы терминов.
Трудность заключается в том,, что у каждого спе-
циалиста, услышавшего или прочитавшего какой-ли-
бо термин, возникает свое, сугубо личное представ-
ление о факте, присущем той или иной науке. (Напри-
мер, такими фактами в метрологии являются эталоны
единиц измерений, средства измерений, измерения,
погрешности измерений и многие другие).
На это обращал внимание широко известный оте-
чественный терминолог Д.С. Лотте, приводя достаточ-
но емкие слова о том, что любая наука состоит из „ря-
да фактов, образующих науку, представлений, их вы-
зывающих, и слов, их выражающих". Однако из-за
различного опыта или восприятия один и тот же тер-
мин может вызвать различные представления о фак-
тах. Вследствие этого часто возникают излишне дли-
тельные дискуссии при обсуждении понятий и их тер-
минов, которые далеко не спос обствуют продвижению
вперед. Иногда возникают кризисные ситуации. Веро-
ятно, стремлением сэкономить время можно объяс-
нить объединение единомышленников в отдельные
группы, нередко известные как школ!я видных ученых.
Поэтому в научных спорах важно оперировать не
представлениями. а более высокой степенью отраже-
ния — понятиями (как отражениями в сознании об-
щих, существенных сторон предметов). С этой целью
и создаются и периодически пересматриваются сис-
темы понятий и их определений.
Система понятий любой науки, в том числе и мет-
рологии:
— является средством упорядочения знаний;
— объясняет и уточняет отношения между поня-
тиями;
— позволяет выработать оптимальную унифициро-
ванную и стандартизированную терминологию;
— позволяет установить эквивалентность между
терминологиями различных языков.
Именно систематизация понятий в сочетании с их
классификацией определяет качество системы поня-
тий.
Для однозначного понимания содержания понятий
метрологии, которые обычно необходимы в большин-
стве областей науки и техники, в практике России при-
нято разрабатывать нормативные документы, устанав-
ливающие систему понятий, являющуюся современ-
ной на момент разработки стандарта. Система понятий
находится в непрерывном развитии, зависящем как от
общего уровня развития науки и техники, так и уров-
ня развития данной науки Происходит непрерывный
процесс, направленный на совершенствование суще-
ствующей системы понятий. В этом процессе участву-
ют многие видные ученые и опытные специалисты, ко-
торые пишут научные статьи, монографии, выступа-
ют с лекциями, участвуют в дискуссиях, вносят новые
и критикуют отжившие понятия. Рассматриваются
предложения по совершенствованию тех или иных по-
нятий и их определений. Этот процесс длится до тех
пор, пока число замечаний и предложений по совер-
шенствованию понятий не достигнет своего разумно-
го предела. После этого, как правило, пересматрива-
ется прежний (уже устаревший) нормативный доку-
мент и устанавливается обновленная система noi 1ятий,
соответствующая современному на новый момент вре-
мени уровню развития науки и техники. После онуб
ликования обновленной системы понятий ее совер-
шенствование вступает в новый цикл. '1акова диалек
тика понятий науки.
Начало систематизации понятий метрологии в
России хорошо прослеживается с деятельности
М.А. Шателепа, когда он, будучи Президентом Глав-
ной Палаты мер и весов (1929-1931 гг.), в целях уста-
новления единства понятий метрологии подготовил
проект документа, устанавливающего классификацию
образцовых мер и образцовых приборов. Проект не-
сколько раз обсуждался и перерабатывался.
Эту работу продолжил и развил М.Ф. Маликов, до-
ведя ее до выхода в свет двух общесоюзных стандар-
тов: „Образцовые меры и образцовые приборы"
(1933 г.), установивший классификацию эталонов (по
нынешней терминологии), и „Меры и измерительные
приборы. Основные метрологические термины и оп-
ределения" (1934 г.). В дальнейшем оба документа бы-
ли переведены в категорию государственных стандар-
тов: в 1942 и 1947 гг. соответственно без изменения
их наименований.
В 1949 г. вышла книга М.Ф. Маликова „Основы мет-
рологии, часть первая: Учение об измерении", в ко-
торой раскрываются многие основные понятия мет-
рологии. Книга стала классическим трудом, не утра-
тившим своей ценности до настоящего времени.
=_========^===== go -
В дальнейшем работу по упорядочению системы
понятий метрологии возглавил К.П. Широков
(1959 г.). В 1970 г. вышел ГОСТ 16263-70 „ГСИ. Мет-
рология. Термины и определения", разработанный
под его руководством. Стандарт установил современ-
ную для своего времени систему понятий и терминов
общеметрологической направленности. Он стал ос-
новополагающим в метрологии и широко применял-
ся при разработке проектов стандартов и других нор-
мативных документов ГСИ, технической и справоч-
ной литературы, в учебниках и учебных пособиях.
Тем не менее, при введении этого стандарта в прак-
тику постепенно стали обнаруживаться и его недос-
татки. Во-первых, это неполнота систематизации и
классификации понятий, во-вторых, нерешенные
проблемы, касающиеся соотношений ряда близких
друг другу понятий, в-третьих, это отсутствие многих
понятий, применяемых на практике. Недостатки об-
суждались, публиковались статьи, направленные на их
устранение.
Существуют неизбежные объективные причины,
приводящие к периодическому пересмотру системы
понятий и терминов, сложившейся в той или иной нау-
ке. Одной из причин является развитие науки, когда
появляются новые понятия и соответствующие им тер-
мины, часть понятий и терминов устаревает или же
возникает противоречие между содержанием понятия
и буквальным значением термина. Другой причиной
является неполнота определения понятий и стремле-
ние к устранению недостатков. Это приводит к необ-
ходимости периодического обновления системы поня
тий.
И действительно, в метрологической практике зна-
чительное число работ содержало предложения по
уточнению таких основных понятий как „метрология",
„величина", „физическая величина", „наблюдение",
„измерение", „погрешность", „обеспечение единства
измерений", „метрологическое обеспечение", „метро-
логическая служба" и др. По ряду понятий были дли-
тельные дискуссии в журнале „Измерительная техни-
ка" (понятие „измерение"), журнале „Приборы и сис-
темы управления" (понятия „датчик", „измерение",
„физическая величина", „нефизическая величина" и
др.). Среди специалистов России, а также на совеща-
ниях метрологов стран-членов СЭВ нередко возника-
ли дискуссии, направленные на отказ от понятия „об-
разцовое средство измерений". Все же большинство
предложений не содержало системного подхода к по-
нятиям и их классификации, затрагивало совершенст-
вование только отдельных понятий метрологии.
В международной практике закрепление системы
понятий метрологии произошло в 1968 г., когда Меж-
дународным бюро МОЗМ был издан Словарь законо-
дательной метрологии. — VLM. В 1978 г. он издан с до-
полнениями [1].
Ряд понятий и их определений нашел отражение
в отечественной терминологии — при разработке тер-
минологического стандарта [2].
Выход в свет „Международного словаря основных
и общих терминов метрологии" — VIM-84 и его переиз-
дание — VIM-93 [3] способствовали сближению отече-
ственной терминологии с международной. В частно-
сти, это ускорило замену термина „образцовое средст-
во измерений" на термин „рабочий эталон".
Относительно понятия „неопределенность результата
измерений" (кратко — „неопределенность"), включен-
ного в VIM-93, в отечественных метрологических кру-
гах возникла дискуссия. По существу это понятие не бы-
ло вписано в существующую систему понятий метроло-
гии VIM, связанной с оценкой погрешности
измерений, а введено туда искусственно на основании
вышедшего „Руководства по выражению неопределен-
ности измерений" [4]. Об этом свидетельствуют слова
примечания, данного к определению понятия „неоп-
ределенность" (это „параметр,... который характери-
зует рассеяние значений..."), а именно: „этим парамет-
ром может быть “стандартное отклонение” или “поло-
вина ширины доверительного интервала”".
Учитывая, что как „стандартное отклонение" (S),
так и „половина ширины доверительного интервала"
(±tS) давно применяются в метрологической практи-
ке, спрашивается, зачем было „огород городить"? На
этот вопрос, к сожалению, в VIM-93 ответа нет.
В результате, специалисты России внутри страны
применяют одну терминологию, а при выходе за ру-
беж вынуждены применять другую.
Наряду с этим, в 1993 г. вышел Закон РФ „Об обес-
печении единства измерений", в котором имеется ряд
новых понятий, что потребовало принципиальных
уточнений в системе понятий метрологии. В первую
очередь это коснулось необходимости введения по-
нятий „величина", „измеримая величина", „обеспече-
ние единства измерений", переосмысления определе-
ния понятия „единство измерений" и введения ряда
других новых понятий, связанных с деятельностью по
обеспечению единства измерений в современных ус-
ловиях.
Появление за последние годы различных публика-
ций, секций и советов с наименованиями „отраслевая
метрология", „квантовая метрология", „релятивистско-
гравитационная метрология", „метрология качества"
и многими другими наименованиями метрологии, про-
извольно появляющимися на свет, свидетельствует об
актуальности работы по упорядочению системы поня-
тий метрологии.
Автор данной статьи, работая рядом с профессо-
ром К.П. Широковым в метрологическом отделе ВНИ-
ИМ им. Д.И. Менделеева и являясь после его смерти
продолжателем начатого им дела совершенствования
системы основных понятий метрологии, за 30 лет ра-
боты в этом направлении внес свою лепту в развитие
системы основных понятий метрологии, результаты
которой нашли отражение в монографиях и норматив-
ных документах, связанных с основными понятиями
метрологии [5-11].
Наряду с этим, в ГУП „ВНИИМ им. Д.И. Менделее-
ва" выполнена работа, по которой защищена диссер-
тация, посвященная созданию научных и методиче-
ских основ современной системы основных понятий
метрологии [12], в которой впервые в метрологиче-
ской практике исследовалась совокупность понятий
„метрология" — „величина" — „измерение" — „единст-
во измерений" — с целью установления предметных
границ метрологии.
При этом удалось прийти к следующим выводам:
1. Определяющей (исходной) основой современ-
ной системы основных понятий метрологии являет-
ся содержание логически связанных ее основопола-
1 81 ..... - ------
гающих понятий: „метрология", „величина", „измере-
ние", „единство измерений", позволяющее уточнить
границы предметной области метрологии.
2. Метрология является единой наукой для различ-
ных областей деятельности. В ней выделяются (как
ее разделы): фундаментальная, законодательная и
прикладная (практическая) метрология.
3. По содержанию метрология является наукой об
измерениях величин, основанных на их сопоставле-
нии с размером единицы измерений (мерой), о един-
стве мер и измерений, а также деятельностью по обес-
печению единства измерений при требуемой точно-
сти.
4. Рассматриваемые в метрологии величины долж-
ны быть измеримыми в принципе, т.е. иметь единицу
измерений (меру) для сопоставления. Носителем
(хранителем) единиц измерений являются средства
измерений, благодаря чему выполняются измерения
величин. При этом, если нет единицы измерений (ме-
ры), то не может быть и измерения. Измеримость ве-
личин — это краеугольный камень (основа) метроло-
гии, что необходимо учитывать при создании совре-
менной системы основных понятий метрологии.
5. Измеримость величин — это та принципиальная
основа метрологии как науки об измерениях, которая
дает возможность внести необходимую строгость в
систему ее основных понятий и отстаивать их чисто-
ту. С этой целью введены понятия „величина" (как ро-
довое) и „измеримая величина". А также сформули
рованы условия измеримости величин (аксиомы или
постулаты измеримости):
Аксиома 1. Измерение возможно, если возможно
выделение данной величины среди других величин.
Аксиома 2- Измерение возможно, если возможно
установление единицы измерений выделенной вели-
чины.
Аксиома 3. Измерение возможно при создании тех-
нического средства, воспроизводящего установлен-
ную единицу измерений и хранящего ее размер (ме-
РУ)-
Аксиома 4. Измерение возможно при сохранении
неизменным размера единицы (меры) в пределах ус-
тановленной погрешности как минимум на срок, не-
обходимый для одного измерения или одной серии
измерений.
Наряду с этим, введено понятие „оцениваемая ве-
личина" для тех величин, которые не имеют единиц
измерений, но уже применяются в метрологической
практике. Это дает возможность отличать измеримые
величины от оцениваемых величин, что имеет прин-
ципиальное значение при совершенствовании систе-
мы основных понятий метрологии.
1. Важной научной основой в работе по созданию
современной системы понятий метрологии является
их систематизация и классификация.
Систематизация основных понятий метрологии
дает возможность выделить логически связанные ро-
довые понятия, на основе которых создавать группы
подчиненных (производных) понятий. В результате
чего, при закреплении системы понятий каким-либо
нормативным документом, излагаемый материал бу-
дет состоять из разделов, последовательность и на-
именования которых будут соответствовать системе
родовых понятий. В таком виде материал легче усваи-
вается. И нельзя допустить, чтобы понятия метроло-
гии располагались в алфавитном порядке.
Классификация понятий дает возможность устано-
вить существенные связи данного понятия с прочи-
ми в данной группе понятий, что способствует каче-
ству их определений и делает устойчивой эту группу
к „проникновению" в нее чужеродных понятий.
2. Устранение существовавшего десятки лет дуализ-
ма в понятиях „наблюдение" и „измерение", „этало-
ны" и „образцовые средства измерений", „обеспече-
ние единства измерений" и „метрологическое обес-
печение" и признание приоритета за понятиями
„измерение", „эталоны" и „обеспечение единства из-
мерений" приводит к существенному упорядочению
и обновлению системы основных понятий метроло-
гии.
3. Исходя из исторически сложившейся в метро-
логии двойственной направленности деятельности,
получившей отражение в определении понятия „мет-
рология", могут быть выделены две логически связан-
ных совокупности основных понятий метрологии:
— понятия, тяготеющие к понятию „измерение";
— понятия, тяготеющие к понятию „обеспечение
единства измерений".
Их целесообразно рассматривать как две подсис-
темы в системе основных понятий метрологии.
4. Понятия „измеримая величина", „единица изме-
рений", „измерение", „средство измерений" в опреде-
лении которых содержится мера, являются родовы-
ми понятиями в подсистеме понятий, тяготеющих к
понятию „измерение".
5. Понятие „единство измерений" и вытекающие
из его определения понятия „узаконенные единицы",
„первичные эталоны", а также логически связанные
с ним понятия „обеспечение единства измерений" и
„система обеспечения единства измерений" являют-
ся родовыми в подсистеме понятий, связанных с обес-
печением единства измерений.
6. Система основных понятий метрологии являет-
ся основой для разработки систем понятий метроло-
гии в различных видах измерений.
7. Разработка основ системы понятий метрологии
дает возможность ввести элементы объективности в
состав и содержание этой системы и тем самым про-
длить ее „жизнеспособность", что имеет не только на-
учное, но и большое практическое значение.
82
Литература
1. Vocubulaire de metrologie legale, OIML, 1978.
2. ГОСТ 16263-70 ГСИ. Метрология. Термины и опреде-
ления.
3. Vocubulaire international des terrnes fondamentaux et
generaux de metrologia, ISO, 1993.
4. Guide to the expression of uncertainty in measurement,
ISO, 1993.
5. Селиванов M H., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Ка-
чество измерений // Метрологическая справочная книга.
— Л.: Лениздат, 1985. — 295 с.
6. Юдин М.Ф., Селиванов М.Н., Тищенко О.Ф.,
Скороходов А.И. Основные термины в области метрологии
// Словарь-справочник — под редакцией Тарбеева Ю.В. —
М.: Издательство стандартов, 1989. — 113 с.
7. МИ 2247-93. Рекомендация. „ГСИ. Метрология Основ-
ные понятия и термины" — СПб.: ГП „ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева", 1994. — 62 с.
8. МИ 2020-89. Рекомендация „ГСИ. Терминологические
документы. Совокупность, виды, основные требования и
правила разработки". — Л .: ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менделее-
ва", 1989. -19 с.
9. Сафаров Г.П., Селиванов М.Н. Эталоны и обеспечение
единства измерений: Обзор, инф. (Серия „Образцовые и вы-
сокоточные средства измерений", вып.1). — М.: Тосстандарт,
ВНИИКИ, 1982.-40 с.
10. МИ 2147-91. Рекомендация. ГСИ. Воспроизведение
единиц физических величин и передача их размера. — СПб.:
ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева", 1991. - 13 с.
11. Селиванов М.Н., Фридман А.Э. Организационные и
метрологические аспекты качества продукции (новый
взгляд на проблему) // Информационный материал. — Л.:
ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева", 1990. - 69 с.
12. Селиванов М.Н. Разработ ка научных и методических
основ современной системы основных понятий метрологии
// Докторская диссертация. — СПб.: ГП „ВНИИМ
им. Д.И Менделеева", 1998.
13. Лотте Д.С. Как работать над терминологией. — М.:
Наука, 1968.
14. Стандарт ИСО 704 „Принципы и методы термино-
логии".
М.Н. Селиванов
83
Международная система единиц (СИ)
„СИ" — это сокращенное название Международной
системы единиц в русской транскрипции. В междуна-
родной транскрипции используется сокращенное на-
звание „SI", образованное из начальных букв француз-
ского названия этой системы „Systeme International".
СИ основана на старых метрических системах и раз-
работана для удобного применения как в торговле, так
и в науке и технике. СИ пог гроена таким < юразом, что
для каждой физической величины используется толь-
ко одна единица. Поэтому общее количество единиц
уменьшается, а система становится более простой для
изучения и применения.
Структура системы делает вычисления более про-
стыми. Преимущества от использования СИ наиболее
очевидны, если ее правила применяются последова-
тельно.
Исторический обзор
Старые единицы величин не являлись частью ка-
кой-либо системы. Они создавались для каждой облас-
ти применения произвольно и независимо.
Фут-фунтовая система — результат непрерывного
развития старых единиц, берущих свое начало с рим-
ских времен. Несмот ря на некоторые упрощения, фут-
фунтовая система сегодня все еще содержит несколь-
ко единиц для каждой физической величины (напри
мер, для длины: дюйм, фут, ярд и миля).
Первой успешной системой единиц величин ста-
ла метрическая система, разработанная во Франции
в 90-е гг. XVIII в. Метрическая система была принята
на международном уровне через Метрическую Кон-
венцию, подписанную 17 государствами в 1875 г. в Па
риже. Ныне это соглашение подписано 48 странами.
С развитием техники количество единиц метри
ческой системы для различных областей увеличива-
лось. Фактически метрическая система объединила в
себе несколько различных систем.
В 1901 г. итальянский инженер —электрик Джован-
ни Джорджи предложил систему механических вели-
чин, построенную ня трех основных единицах: едини-
це длины — метр (т; м), единице массы — килограмм
(kg; кг) и единице времени — секунда (s; с). Эта систе-
ма получила название „МКС". Чтобы связать электри-
ческие и механические единицы по предложению
Д. Джорджи была введена новая основная единица в
области электричества—единица силы электрическо-
го тока — ампер (А; А). Это привело к созданию систе-
мы МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер).
В 1938 г. к системе МКСА была добавлена произ-
водная единица силы ньютон (N; Н), для того чтобы
заменить некогерентную метрическую единицу кило-
грамм-сила (kgf; кге), называемую также во многих
странах килопонд (кр).
В 1948 г. на IX Генеральной Конференции по Ме-
рам и Весам (ГКМВ) по предложению Международ
ного союза чистой и прикладной физики было при-
нято решение о создании практической международ-
ной системы единиц. Эта работа была поручена
Международному Комитету Мер и Весов (МКМВ) В
основу проекта новой системы были положены четы-
ре основные единицы системы МКСА, а затем добав-
лены две новые основные единицы: для термодина-
мической температуры — кельвин (К; К) и силы света
— кандела (cd; кд).
В I960 г. проект Международной системы единиц,
основанной на шести основных единицах, был утвер-
жден ГКМВ.
В 1971 г. к СИ была добавлена седьмая основная
единица — количества вещества — моль (mol; моль).
Международная организация по стандартизации
(ИСО) издала международные стандарты ИСО 31:
1992 „Величины и единицы" в 14 частях и ИСО 1000:
1992 „Единицы СИ и рекомендации по использова-
нию их кратных и некоторых других единиц".
Переход к СИ
Метрические единицы используются в больший
стве европейских стран, начиная с 19-го столетия. В
этих странах переход к СИ означает, что некоторые
старые единицы, такие как килопонд, калория, мет-
рическая лошадиная сила и бар, исключены из поль-
зования, а несколько новых единиц, например, нью-
тон и паскаль, добавлены.
В странах, которые использовали фут-фунтовую
сисл ему переход выполнить намного сложнее, так как
практически все единицы, за исключением используе-
мых для измерения времени, подлежат замене. Веду-
щие отрасли промышленности в Великобритании и
США уже перешли к СИ. При продаже многих това
ров народного потребления в этих странах уже ис-
пользуются метрические единицы. Однако значения
длины и скорости на дорожных знаках все еще выра-
жаются в милях или в милях в час.
Принципы построения СИ
1 СИ базируется на семи основных единицах, кото-
рые устанавливаются независимо друг от друга.
2 Производные единицы образуются с помощью
простейших уравнений связи между величинами опре-
деляющих уравнений, в которых величины приняты
равными единицам СИ. Для величины каждого вида
имеется только одна единица СИ.
. —= 84 —. --
3 Производные единицы вместе с основными еди-
ницами формируют когерентную систему. Когерент-
ность системы заключается в том, что во всех форму-
лах, определяющих производные единицы, коэффи-
циент пропорциональности всегда равен единице.
4 Наряду с единицами СИ допущено к применению
ограниченное число единиц вне СИ (внесистемных)
из-за их практической важности и повсеместного при-
менения в различных областях деятельности.
5 Единицы СИ или внесистемные единицы (напри-
мер, литр или электронвольт), могут применяться с
приставкой, что означает умножение единицы на де-
сять, возведенное в определенную степень. Единицы,
содержащие приставку, называются десятичными
кратными или дольными, в зависимости от того, яв-
ляется ли показатель степени положительным или от-
рицательным:
Основные единицы СИ
Семь основных единиц были отобраны по истори-
ческим и практическим причинам. Основная едини-
ца массы — килограмм определена как масса междуна-
родного прототипа килограмма, который представля-
ет собой цилиндр, сделанный из сплава платины
(массовая доля 0,90 или 90 %) и иридия (массовая до-
ля 0,10 или 10%). Он хранится в Международном Бю-
ро Мер и Весов (МБМВ).
Другие шесть основных единиц определены с по-
мощью физических экспериментов. Некоторые из оп-
ределений были изменены в связи с введением СИ.
Все определения основных единиц указаны в ИСО
31:1992. Основные единицы и их определения пред-
ставлены в таблице 1.
Производные единицы СИ
Производные единицы образуются из основных
единиц на основании законов, устанавливающих связь
между физическими величинами, или математических
формул.
Пример: Единица объема определена по формуле
для объема куба:, где — объем и — длина стороны куба
(ш; м). Следовательно, единица объема СИ — 1 ш
(1 м3).
Чтобы избегать переводных множителей, рекомен-
дуется использовать только когерентные единицы.
При образовании производных единиц СИ, как
правило, полученная единица имеет наименование, со-
стоящее из наименований соответствующих основных
единиц.
Пример: метр в секунду (m/s; м/с), метр на секун-
ду в квадрате (m/s ; м/с’).
Из практических соображений 21 производной
единице дали специальные наименования и обозначе-
ния по именам ученых. Производные единицы СИ со
специальными наименованиями и обозначениями
представлены в таблице 2. Рекомендуется использо-
вать именно эти специальные наименования и обозна-
чения.
Примеры: Следует использовать обозначения:
Ра (Па), а не N/m2 (Н/м’) и V(B), а не W/A
(Вт/А).
При вычислениях для избежания ошибок необхо-
димо производные единицы выражать через основные
единицы.
Таблица 1
Наименова- ние величины Основная единица СИ
Наимено- вание Обозначение Определение
междунар. русское
Длина метр m м Метр есть длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 секунды [17 ГКМВ (1983 г.), Резолюция 1]
Масса килограмм kg кг Килограмм есть единица массы, равная массе международного про- тотипа килограмма [3 ГКМВ (1901 г.), Резолюция 3]
Время секунда s с Секунда есть время, равное 9192631770 периодам излучения, соответ- ствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 [13 ГКМВ (1967 г.). Резолюция 1]
Сила электричес- кого тока ампер А А Ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположен- ным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2-10"7 нью- тона [МКМВ (1946 г.), Резолюция 2, одобренная 9 ГКМВ (1948г.)]
Термодина- мическая температура кельвин К К Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1 /273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды [13 ГКМВ (1967 г.), Резолюция 4]
Количество вещества моль mol моль Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структур ных элементов, сколько содержится атомов в углеродс-12 массой 0,012 ки- лограмма. При применении моля структурные элементы должны быть спе цифицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц [14 ГКМВ (1971 г.), Резолюция 3]
Сила света кандела cd кд Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540-10 1ерц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1 /683 ватт на стерадиан [16 ГКМВ (1979 г.). Резолюция 3]
85
Таблица 2.
Наименование производной величины СИ Наименование и обозначение производной единицы СИ Выражение через основные и производ- ные единицы СИ
междунар. русское
Плоский угол radian, rad радиан, рад 1 rad=l m/m
Телесный угол steradian, sr стерадиан, ср 1 sr=l m2/m2
Частота herz, Hz герц, Гц lHz=ls1
Сила newton, N нью гон, 11 1 N=1 kg-m/s2
Давление pascal, Pa паскаль, Па 1 Pa=l N/m2
Энергия, работа, количество теплоты joule,J джоуль, Дж 1 J=1 N-m
Мощность watt, W вате, Вт i w-ij/i
Количество электричества, электрический заряд coulomb, C кулон, Кл 1 C=1 As
Электрический потенциал, разность электри- ческих потенциалов, электрическое напряжение, электродвижущая сила Volt, V вольт, В 1 V=1 W/A
Электрическая емкость tarad,F фарад, Ф 1 F=1 C/V
Электрическое сопротивление ohm, £1 ом. Ом 1 £2=1 V/A
Электрическая проводимость siemens, S сименс, См 1 S=1£?
Магнитный поток, поток магнитной индукции weber. Wb вебер,Вб 1 Wb=l V-s
Плотность магнитного потока, магнитная индукция tesla, T тесла, Тл 1 T=1 Wb/m2
Индуктивность, взаимная индукция henry, II генри, Гн 1 H-l Wb/A
Температура Цельсия degree Celsius, °C градус 11ельсия,"С ’1 1°С=1К
Сьетовой поток lumen, Im люмен, лм 1 lm=l cd sr
Освещенность lux,lx люкс, лк 1 lx— 1 lm/m2
Активность(радионуклида) becquerel. Bq беккерель, Бк 1 Bq-1 s'1
Поглощенная доза ионизирующего излучения, показатель поглощенной дозы, керма gray,Gy грей, Гр l=lj/kg
Эквивалентная доза ионизирующего излучения, показатель эквивалентной дозы, амбиентная доза sievert, Sv зиверт, Зв l=lj/kg
*> Градус Цельсия — это специальное наименование единицы температуры, используемое при выражении
числовых значений температуры по шкале Цельсия.
Кратные и дольные единицы
Приставка, объединенная с единицей, означает, что
единица умножена на десять в целой степени. Новая
единица называется десятичной кратной или дольной.
Пример: Приставка кило (к; к) вместе с единицей
ватт (W; Вт), дает кратную единицу киловатт (kW: кВт),
то есть 1000 W (1000 Вт).
По решению ГКМВ в СИ используется 20 приставок
и множителей, которые приведены в таблице 8.
I Триставки используются, чтобы избежать больших
или маленьких числовых значений, но следует обра-
щать внимание на то, что дольные и кратные едини-
цы не являются когерентными единицами СИ. Чтобы
использовать только когерентные единицы, в процес-
се вычислений все величины необходимо выражать в
единицах СИ, а кратные и дольные единицы рекомен-
дуется подставлять т олько в конечный результат, заме-
няя приставки соответствующими множителями.
Из многообразия кратных и дольных единиц, ко-
торые могут быть образованы при помощи приставок,
выбирают единицу, приводящую к числовым значени-
ям величины, приемлемым на практике. Кратные и
дольные единицы выбирают таким образом, чтобы
числовые значения величины находились в диапазо-
не 0,1-1000.
Приставки „гекто“, „деци“, „дека“, „санти“ долж-
ны использоваться, когда применение других приста-
вок неудобно.
Пример: Следует использовать 4 dm2, а не 0,04 пг
или 40000 mm2.
В некоторых случаях целесообразно применять од-
ну и ту же кратную или дольную единицу, даже если
числовые значения выходят за пределы диапазона 0-
1000. Например, в таблицах числовых значений для
одной величины или при сравнении этих значений в
одном тексте. В некоторых областях всегда применя-
ют одну и ту же кратную или дольную единицу (напри-
мер. в чертежах линейные размеры всегда выражают
в миллиметрах).
Присоединение к наименованию единицы двух
или более приставок подряд не допускается.
Пример: Следует писать GW-h, а не MkW-h.
Приставок в знаменателе необходимо избегать.
Пример: Пишите m/in. а не /кт.
Дольные и кратные единицы от основной едини-
цы СИ килограмм (kg; кг), содержащей приставку по
историческим причинам, необходимо образовывать
добавлением приставки к дольной единице СИ грамм
(g; г).
Пример: Следует писать mg, а не ц kg.
Степень, в которую возведены кратные и дольные
единицы, распространяется также на приставку (мно-
житель, которым обозначается приставка).
Примеры: 1 km2=l km-1 km=106 m2, а не 103 m2;
1 ms’1=(10‘3s)'1=103s'1.
86
Следует использовать приставки в таблицах, диа-
граммах и пр. — везде, где это является подходящим.
Приставки могут быть использованы также для еди-
ниц нефизических величин, например, для денежно-
кредитных единиц (кодексы валют).
Примеры: 21 kCBP=21000 GBP (фунтов стерлин-
гов);
31 MUSD=31000000 USD (долларив США).
Следует избегать национальных обозначений ти-
па! (фунт), $ (доллар США), кг (крона) и fr (франк);
недопустимо их использование в международном кон-
тексте (там существует много типов различных фун-
тов, долларов, крон и франков).
Приставки СИ всегда обозначают определенный
множитель кратный десяти. Они никогда не должны
использоваться, чтобы обозначить степень числа 2,
так как 2lo=1024-103, 22М04857б-106 и т.д.
Пример: 1 kbic=l 000 bit, а нс 1024 bit.
Внесистемные единицы, допускаемые к приме-
нению нараьнс с единицами СИ
Единицы СИ охватывают практически все облас-
ти науки и техники. Однако ГКМВ было признано ис-
пользование некоторых внесистемных единиц нарав-
не с единицами СИ из-за их практической важности.
МКМВ разделил внесистемные единицы, приме-
няемые наравне с единицами СИ, на три категории:
1) единицы, которые используются в повседнев-
ной жизни (например, традиционные единицы вре-
мени и угла), а также некоторые другие единицы,
имеющие важное техническое значение. Эти едини-
цы представлены в таблице 4;
2) единицы, чьи значения определены экспери-
ментально. Эти значения точно не определены, и по-
этому их соотношения с единицами СИ приводятся
только примерно. Эти единицы в основном приме-
няются в специальных областях и представлены в
таблице 5;
Представленные внесистемные единицы могут
использоваться в повседневной жизни при необхо-
димости, но их следует избегать в технических или
научных ггубликациях.
Рекомендуется избегать использования состав-
ных единиц, содержащих внесистемные едини-
цы.Тем не менее, некоторые такие составные едини-
цы широко используются. Наиболее известные: ки-
лометр в час (km/h; км/ч), ватт-час (W-h; Вт-ч) и их
кратные единицы, ампер-час (A-h, А-ч); моль на литр
(шо1/1; моль/л); грамм на литр (g/1; г/п).
Единицы относительных величин
Когерентной единицей СИ для любых относи-
тельных величин является единица (число 1), обо-
значение „1“. Оно, как правило, не пишется, когда
указывается числовое значение относительной вели-
чины
Пример: коэффициент преломления
=1,53-1=1,53.
Таблица 3
Множитель Приставка СИ
Наименование Обозначение
русское междунар. русское междунар.
1 оооооооопооооооооооооооо= ю24 йотта yotta и Y
1000000000000000000000=1021 зетта zetta 3 Z
1000000000000000000=1018 экса еха э Е
1000000000000000= ю15 пета peta п Р
1000000000000=1012 тера tera т Т
1000000000=10° гига giga г G
1000000=10° мега mega м М
1000=10” кило kilo к к
100=1 о2 гекто hecto г h
10-ю1 дека deca да da
0,1*10’ деци deci Д d
0,01=10-2 санти centi с С
0,00] =10” милли milli м m
0,000001=10-б микро micro мк ]'
0,000000001=10-9 нано nano н n
0,000000000001=10’2 ПИКО pico п p
0,000000000000001=10’» фемто femto ф f
0,000000000000000001=ю18 атто atto а a
0,000000000000000000001=10-21 зепто zepto 3 z
0,000000000000000000000001=1024 йо кто yocto И У
87
Десятичные кратные и дольные единицы от еди-
ницы (числа 1) следует выражать числами кратными
десяти; недопустимо использование комбинации обо-
значения 1 и приставки.
В некоторых случаях для обозначения числа 0,01
используется единица — процент (%).
Пример: коэффициент отражения =0,8=80 % Еди-
ницы промилле (%о) и миллионная доля (ppm; млн1)
используется для обозначения чисел 0,001 и 0,000 001
соответственно.
В соответствии с ГОСТ 8.417-81 эти единицы до-
пущены к применению наравне с единицами СИ (од-
нако, ИСО 31-0:1992 не рекомендует применять эти
обозначения)
Величины и единицы
Физическая величина (величина) — характеристи-
ка одного из свойств физического объекта (физиче-
ской системы, явления или процесса), общая в каче-
ственном отношении многим физическим объектам,
но в количественном отношении индивидуальная для
каждого объекта.
Единица физической величины (единица) — фи-
зическая величина, фиксированного размера, кото-
рой условно присвоено числовое значение, равное 1,
и применяемая для количественного выражения од-
нородных физических величин.
Значение величины получают путем умножения
числового значения на соответствующую единицу. Чи-
словое значение величины зависит от выбранной еди-
ницы, а сама величина и ее значение независимы от
этого выбора. Поэтому использование уравнений с ве-
личинами является предпочтительным по сравнению
с уравнениями с числовыми значениями.
Пример:
Правила написания
Обозначения величины состоят из одной или, в
крайнем случае, из двух букв латинского или грече-
ского алфавита, которые следует печатать наклонным
стилем, иногда с нижними индексами или другими
знаками.
Примеры: (масса), (плоскийугол).
Числовые значения величины следует печатать
прямыми арабскими цифрами.
Для разделения десятичной части от целой ис-
пользуется запятая на линии. Если числовое значение
величины меньше единицы, то перед запятой, отде-
ляющей десятичную часть, необходимо обязательно
писать ноль.
Чтобы облегчить чтение чисел с большим коли-
чеством цифр, эти цифры могут быть объединены в
группы по три, начиная от десятичного знака слева и
справа. Такие группы должны быть отделены друг от
друга только пробелом и никакими другими символа-
ми.
Названия единиц пишутся с маленькой буквы за
исключением случая, когда они стоят в начале пред-
ложения.
Пример: единица силы — ньютон.
Единственное исключение — единица градус Цель-
сия, в котором „Цельсий" пишется с прописной бук-
вы.
Несмотря на то, что названия единиц в разных
языках различны, их обозначения являются междуна-
Таблица 4
Наименова Единица
ние Наимен Обозначение Соотношение с единицей
величины ование междунар. русское СИ
Время минута час день min h d МИН ч сут 1 min=60 s 1 h=60 min=3600 s 1 d=24 h=86400 s
Плоский угол градус минута секунда I w о 1 II 1°=(д/180)рад Г=(1/60)°=( д- /10800)rad Г’=(1/60)'=( я/648000) rad
Объем литр LL’) л 11=1 dm3=10’3 m3
Масса тонна t т 11=103 kg
Уровень непер бел Np В Нп Б 1 Np=l 1 B=(l/2)lnlONp
Таблица 5
Наименова ние величины Единица
Наименование Обозначение Определение и соотношение с единицей СИ
междунар. русское
Энергия электронвольт eV эВ Электронвольт есть кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении через разность потенциалов 1 вольт в вакууме: 1 eV » 1,60217733-10’J
Масса атомная единица массы U а.е.м. Атомная единица массы равна 1/12 массы атома изотопа углерода 12С: 1 us 1.6605402-10’27 kg
Длина астрономическа я единица ua а.е. Астрономическая единица — это условное значение расстояния между Землей и Солнцем: 1 паи 1,49597870691-Ю11 ш
88
Таблица 6
Н аименов анис величины Единица
Наименование Обозначение Соотношение с единицей СИ
междунар. русское
Расстояние морская миля ангстрем А миля л 1 nautical mile=1852 m 1 A=10lom=0,l nm
Скорость] узел — УЗ 1 nautical mile per hour=(1852/3600) m/s v 0,514 m/s
Площадь ар гектар барн а ha b а га б 1 a=100m2 1 ha=104 m2 1 b=10-28 m2
Давление bar bar бар 1 bar=0,l MPa-100 kPa=105 Pa=1000 hPa
родными, и по рекомендациям ИС0 31-0:1992 ника-
кие другие обозначения единиц, кроме международ-
ных, использовать не следует.
Тем не менее, ГОСТ 8.417-81 устанавливает два ви-
да буквенных обозначений величин: международное
(с использованием букв латинского или греческого ал-
фавита) и русское (с использованием букв русского
алфавита). Но при договорно-правовых отношениях
по сотрудничеству с зарубежными странами, при уча-
стии в деятельности международных организаций, а
также в поставляемой за границу вместе с экспортной
продукцией (включая транспортную и потребитель-
скую тару) технической и другой документации, при-
меняют международные обозначения единиц. В нор-
мативной, конструкторской, технологической и тех-
нической документации на разные виды продукции,
используемой на территории РФ, предпочтительно
применять русские обозначения единиц. При этом на
табличках, шкалах и щитках средств измерений не-
обходимо применять только международные обозна-
чения единиц.
Для обозначения единиц величин следует исполь-
зовать символы, приведенные в ИСО 31; 1992 и ГОСТ
8.417-81; не допускается использование поясняющих
слов и сокращений.
Пример: Следует писать m (м"), а не sq. m (кв. м).
Обозначения единиц следует применять после чи-
словых значений величин и помещать в строку с ни-
ми (без переноса на следующую строку).
Буквенные обозначения единиц, входящих в про-
изведение, следует отделять точками на средней ли-
нии как знаками умножения или пробелами, если это
не приводит к недоразумению. Между буквенными
обозначениями единиц как знак умножения не следу-
ет использовать символ „х “•
Пример: Следует писать N-m (Н-м) или N m (Нм),
а не Nm (Нм).
Однако геометрические размеры обозначаются
знаком „ х “
Пример: 24 mm х 36 mm при обозначении форма-
та кадра, но 31,5 mma — обозначение электрического
кабеля с 3 проводниками, каждый с поперечным се-
чением 1,5 mm2.
В буквенных обозначениях отношений единиц
следует использовать горизонтальную или косую чер-
ту. В вычислениях и сложных выражениях рекомен-
дуется использовать отрицательные степени.
Пример:; m/s; m s1
Произведение обозначений единиц в знаменате-
ле после применения косой черты следует заключать
в скобки, чтобы избежать двусмысленности. Выраже-
ние не должно содержать больше, чем од: iy косую чер-
ту.
Пример: Следует писать W/(m?-K) или , а не W/
т2-К или XV/т2/К.
Между последней цифрой числа и обозначением
единицы следует оставлять пробел.
Пример: 230 V, (25+2) mm; 15 °C.
Цдипствепным исключением из этого правила яв-
ляются обозначения единиц плоского у: ла (градус, ми-
нута, и секунда). В этом случае не ставится пробел ме-
жду числовым значением величины и обозначением
единицы.
Пример: 30°; 45’; 20".
II. А. Жагора
89
Величина Единица Переводные множит ли Примечание
Наименов иие Обозначен ие Наименов аше Обозначение
междунар. русское
1 2 3 4 5 6 7
Пространство и время
плоский угол, а, /3, У (2 Д’) =57,3° угол поворота и, <р градус минута секунда град (гон) оборот телесный угол Q стерадиан квадратный градус длина /, L метр ширина Ь астрономическая единица высота h световой год толщина d, д парсек радиус г, Л морская миля диаметр d. D ангстрем Длина пути s икс-единица расстояние d, г дюйм координаты х,у,: фут ярд миля площадь A, (S) квадратный метр гектар барн ар квадратный дюйм квадратный фут квадратный ярд квадратная миля акр объем V кубический метр литр кубический дюйм кубический фут кубический ярд галлон (англ.) галлон (амер.) пинта (англ.) бушель (англ.) бушель (амер.) баррель (амер.) время / секунда минута час сутки угловая скорость со радиан в секунду скорость v, с, и метр в секунду w узел ускорение а метр на секунду в квадрате гал Gal радиан rad О О с с « it gon град г об sr ср о о m м иа ае. 1у св. год рс ПК - миля Е Е X икс-ед. in ft yd mile m2 m2 ha ra b 6 a a in’ - ft2 yd2 mile2 - acre - m3 m3 1, L л in3 - ft3 yd3 - gal (UK) - gal (US) - pt (UK) - bu (US) - s c min мин h ч d cyr rad/s рад/с m/s м/с kn уз m/s2 м/с2 Гал 1 Gal=0, рад 1°=( Л-/180) rad = 0,0174533 rad 1=(1/60)°=( Л-/10800) rad Г’=(1/60)’=( Ж/648000) rad 1 gon=( Л7200) rad=0,9° I r=2 я rad = 6,28 rad 1 sr=l m2/m’=65°32' (плоский угол) 1_° = 3,0462-1 O'4 sr 1 m=1010 E 1 ua = 1,49598-1011 m 1 ly = 9,4605- 10l5m 1 pc = 3,0857-10“ m 1 nautical mile=1852 m lE=10,0m 1 X = 1,00206-Ю-1’ m 1 in=25,4 mm 1 ft=0,3048 m=12 in 1 yd=0,9144 m 1 mile=l 609,344 m=5280 ft 1 ha=104 m2 1 b=10-28m2 1 a=100 m2 1 in2=645,16 mm2~6,4516 cm2 1 ft’=0,09290304 m2 1 yd2=0,83612736 m2 1 mile2=2,589988 km2 1 acre=4046,856 m2=4840 yd2 I 1=Ю3 m’=l dm3 1 in’=l 6,387064 cm3 1 ft3=28,31685 dm3 1 yd’=O,7645549 m3 1 gal (UK)=4,546092 dm3 1 gal (US)=3,785412 dm3 1 pt (UK)=0,56826125 dm3 1 bushel (UK)=8 gal (UK)=36,36872 dm3 1 bushel (US)=35,23907 dm3 1 barrel (US)=158,9873 dm3 1 s 1 min=60 s 1 h=60 min=3600 s 1 d=24 h=1440 min=86400 s 1 m/c=3,6 km/h=3600 m/h 1 kn=( 1852/3600) m/s=O,514 (4) m/s 01 m/s2 1 rad=l m/m=l/ следует избегать подразделения градуса на минуты и секунды, его лучше подразделять десятично. Лучше 22,5°, а не 22°30' применяется в геодезии, при съемке в астрономии в астрономии в астрономии в морской навигации для нефти в морской навигации в гравиметрии
90
1 I 2 | 3 | 4 1 5 | 6 | 7
Периодические явления
частота /V герц Hz Гц 1 Hz=l s’1
частота вращения угловая частота вращения п СО секунда в минус первой степени радиан в секунду S’1 rad/s C4 рад/с 1 s '=l r/s 1 min'=60 s’1 (мин1) и s'1 (c1), соответственно 1 rad/s=l s’1 применение специальных единиц г/min (об/мин) и r/s (об/с) является приемлемым вместо надлежащих единиц min'1
Механика масса плотность линейная плотность импульс момент инерции сила вес оптическая сила момент силы давление нормальное напряжение поперечное напряжение кинематическая вязкость т Р Р Р I,J F FAG), (А). W м р а Т V килограмм kg карат метрический - тонна t центнер q фунт 1b килограмм на кубический метр kg/m3 килограмм на метр kg/m текс tex килограмм-метр kg-m/s в секунду килограмм-метр kg-m2 в квадрате ньютон N дина dyn килограмм-сила kgf килопонд кр понд Р грамм-сила gf тонна-сила tf диоптрия ньютон-метр N-m паскаль Ра бар bar килограмм-сила на kgf/cm2 квадратный сантиметр килопонд на квадрат- kp/cm2 ный сантиметр миллиметр водяного mmH,O столба миллиметр ртутного mmHg столба торр Топ- атмосфера физичес- atm кая (нормальная) атмосфера техничес- at кая килограмм-сила kgf/mm на миллиметр квадратный килопонд на квадратный милли- метр kp/mm2 квадратный метр m2/s в секунду кг кар 1 metric karat=2-104 kg=200 mg т 1t=103 kg ц 1 q=100 kg 1 lb=0,45359237 kg кг/м3 кг/м текс 1 tex-IO4’ kg/m кг-м/с кг-м2 H 1 N-l kg-m/s2 дин 1 dyn=10"’N кгс 1 kgf=9,80665 N 1 kp=9,80665 N 1 p=9,80665-10-3 N=10’3 kgf rc 1 gf-9,80665 10-1 N=10-3 kgf тс 1 tf=9806,65 N=1O3 kgf дптр 1 дптр=1 m’1 H-м 1 N-m=l kg-m2/s2 Па 1 Pa=l N/m2=l kg/(m-s2) бар 1 bat=105 Pa=100 kPa кгс/см2 1 kgf/cm2=98066,5 Pa=l kp/cm2=l at - 1 kp/cm2=98066,5 PaH kgf/cm2 мм вод. ст.1 mmH2O=9,80665 Pa=104 at ммрт. ст 1 mmHg=133,3224 Pa=13,5951 mmH20 1 Torr=133,322 Pa=l mmHg атм 1 atm=101325 Pa=760 mmHg=l,01325 bar= 1,033233 at ат 1 at=98066,5 Pa=l kgf/cm2=0,967841 atm кгс/мм2 1 kgf7mm2=9,80665-106 Pa 1 kp/mm2=9,80665-106 Pa=l kgf/mm2 m2/c для драгоценных камней и жемчуга в текстильной промышленности применяется в Австралии и Германии срок действия до 2005 г. Применяется в Австралии и Германии срок действия до 2005 г. срок действия до 2005 г. для напряжения для напряжения
динамическая 7, (А) стокс паскаль-секунда St Pa-s Ct Pa-c 1 St= 104 m2/s=100 tnm2/s 1 Pa-s=l kg/(m-s)
91
1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7
вязкость пуаз Р пуаз 1 Р=0,1 Pas
энергия Е джоуль J Дж 1 J=1 N-m=l kg-m2/s2
работа (Г, (А) киловатт-час kWh кВтч 1 kWh=3,6106 J для счетчиков электрической энергии
потенциальная энергия кинетическая энергия Ер, Е, Ф Еет эрг erg эрг 1 erg=10; J=1 dyn cm
мощность Теплота термодинамичес- кая температура Р тле) ватт лошадиная сила кельвин W К Bi л. с. К 1 W=1 J/s—1 kg-m2/s2 1 л. c.=75 kgf m/s=735,49875 W
температура Цельсия t, в градус Цельсия °C °C 1 °C-1 к /=7-Г0, где Г =273,15 К
температура Фаренгейта ч градус Фаренгейта °F °F 1 °F=(5/9) °О(5/9) К = 0,556 К rf/°C=(9/5)-tf/°C+32= (9/5)ГЖ-459.67
теплота, коли- чество теплоты Q джоуль J Дж 1 J=1 N-m=l kgm2/s2
энергия Е калория (международная) cal кал 1 cal=4,1868 J
термодинами- ческая энергия и калория 15-градусная cal,5 кал,5 1 cal=4,l855 J
энтальпия свободная шергия 1 емгольца свободная энергия Гиббса Электричество и сила электричес- кого тока Н калория термохимическая G магнетизм I ампер «4, A кал А 1 callh=4,184 J в химии, термодинамике, определения энергетичес кой ценности пищевых продуктов
количество элек- тричества, элек- трический заряд 0 кулон C Кл 1 C=1 A'S
напряженность электрического поля Е вольт на метр V/m В/м 1 V/m=l N/C
электрический потенциал электрическое напряжение, раз- ность электричес- ких потенциалов электродвижущая сила Г, 17, (Ю Е вольт V В 1 V=1 W/A
емкость С фарад F Ф 1 F=1 C/V
магнитный поток Ф л, вебер максвелл Wh Mx Вб Мкс 1 Wb-1 Vs 1 Mx=1f)-8Wb
плотность магнит- ного потока, В тесла T Тл 1 T=1 N/(Am)
магнитна индукция в S гаусс Gs Ге 1 Gs=104T
разность магнит- ных потенциалов магнитодвижу- щая сила напряженность магнитного поля (U) F,F 1 m н ампер гильберт ампервиток ампер на метр эрстед A Gb At A/m Oe А Гб ав А/м Э 1 Gb=(10/4 A« 0,795757 A 1 At=l A 1 Ое=(Ю74 ЛГ) A/m = 79,5775 A/m
индуктивность взаимная L м, генри H Гн 1 H=1 Wb/A=l V s/A
92
1 1 2 1 з | 4 1 5 | 6 , 7
индуктивность сопротивление (активное) импеданс реактивное сопротивление электрическая проводимость удельное электри- ческое сопротив- ление активная мощность полная мощность реактивная мощность L тп R Z X G Р Р SAP,) Q>p, ОМ сименс ом-метр ом-квадратный миллиметр на метр ватт вольт-ампер вар £2 S Q-m Q -mm2/m W VA var Ом Cm Om-m Om-mm’/m Br BA Bap 1 Q =1 V/A 1S-1 Q 1 mm’/m-lO-6 Q -m 1 W-l J/s 1 var=l VA Международная электротехническая комиссия использует это обозначение для единицы вольт-ампер для реактив ной мощности
Свет сила света световой поток освещенность световая экспози- ция яркость UJ,) ФЛ<р,) eaej н ди? кандела люмен люкс люкс-секунда канделла на квадратный метр нит cd Im lx Ix-s cd/m2 nt кд ЛМ ЛК ЛКС кд/м2 нит 1 lm=l cd-si 1 lx=l lm/m? 1 nt=l cd/m2
Акустика уровень звуюэвого давления уровень звуко- вой энергии бел непер В Np Б Нп 1 В это - уровень звукового давления, когда 2-lg(p/p0)=l 1 В - это уровень звуковой энергии, когда lg(p/po)-l(p-20 рРа) 1 В-1.151293 Np 1 Np - уровень звукового давления, когда 1п(р/ро)“1 1 Np - это уровень звуковой энергии, когда '/гЧпф/р?-! рг1 pW наиболее широко при- меняется единица dB когерентная с СИ единица, но пока еше не принятая ГКМВ
Фазическая химия и молекулярная физика «ппичостяо П, (v) МОЛЬ вешества малярная М килограмм масса на моль молярный К, кубический метр объем на моль молярная п моль на метр концентрация кубический ионный эквива- Сд лент концентра- ции компонента mol kg/mol m’/mol mol/m3 мать кг/моль м’/моль маяы'м ’
Атомная и молекулярная физика масса атома та, т(Х} атомная единица массы масса электрона те масса протона тр масса нейтрона тр ширина уровня Г джоуль энергия а-распада Q6 электронвольт максимальная u J eV а.е.м. Дж эВ 1 u= 1,660540-10 2’kg 1 J=1N-m 1 eV= 1,60218-10-” J
93
“i 1 ~ 1 3 1 4 1 5 1 6 7
энергия (3-частицы энергия |3-распада активность А беккерель Bq Бк 1 Вч=1 s'1
удельная массо- а, Ат кюри беккерель Ci Bq/kg Ки Бк/кг 1 Ci=3,710'°Bq 1 Bq/kg=l s'kkg';
вая активность объемная сА, Ау на килограмм беккерель Bq/m3 Бк/м3 1 Bq/m3=l s '-nr3
активность на кубический концентрация метр Ядерные реакции и ионизирующие излучения поглощенная D грэй Gy гр 1 Gy=l J/kg
доза излучения керма К рад rad рад 1 rad-=0,01 Gy
эквивалентная Н зиверт Sv Зв I Sv= 1 J/kg
доза, показатель бэр rem бзр 1 rem^O.Ol Sv
эквивалентной Дозы, амбиентная доза мощность погло- D грэй в секунду Gy/s Гр/с Gy/s=l W/kg-1 m2/s3
щенной дозы излучения мощность кермы мощность эквива- Н зиверт в секунду Sv/s Зв/с 1 Sv/s=l W/kg=l m’/s3
лентной дозы излучения экспозиционная X кулон на килограмм C/kg Кл/кг 1 C/kg
доза рентген R Р 1 R-2,58-10J C/kg
94
Метрологическая характеристика средств из-
мерений — характеристика свойства средства изме-
рений (СИ), которая оказывает влияние на результа-
ты и, следовательно, погрешности измерений. Разли-
чают характеристики, предназначенные для
определения результатов измерений, и характеристи-
ки погрешностей средств измерений. Метрологиче-
ские характеристики, регламентированные в норма-
тивной документации, называют нормированными.
Система нормированных метрологических характе-
ристик (НМХ), сложившаяся к началу 70-х гг. XX в. от-
ражала подходы к нормированию мер и измеритель-
ных приборов, рассчитанных на применение в каче-
стве самостоятельных средств измерений, для
которых назначение класса точности однозначно оп-
ределяло комплекс НМХ. Это направление научных
работ возглавлялось К.П. Широковым. Развитие изме-
рительной техники, в частности измерительных сис-
тем, используемых в составе автоматических систем
управления технологическими процессами, усложне-
ние измерительных задач и условий эксплуатации СИ
выдвинуло новые требования к описанию свойств СИ,
прежде всего, системного применения. В 1969 г. в (1)
были впервые сформулированы общие требования и
общие принципы нормирования метрологических ха-
рактеристик. Основоположником этого научного на-
правления был М.А. Земельман. В настоящее время
эти общие требования стандартизованы в ГОСТ 8.009
(2). Требования к метрологическим характеристикам,
прежде всего, определяются теми задачами, которые
должны решаться с их помощью. Основная задача, ре-
шаемая с помощью НМХ — расчет по ним погрешно-
стей технических измерений до проведения самих из-
мерений. Вторая задача — выбор СИ по заданным ха-
рактеристикам погрешности измерений или
показателям качества операций (контроля, испыта-
ния и т.п.), при выполнении которых используют ре-
зультаты измерений. Третья задача—расчет погреш-
ностей измерительных каналов систем, представляю-
щих собой некоторую совокупность соединенных
между собой СИ (первичных и промежуточных изме-
рительных преобразователей, измерительных и реги-
стрирующих приборов и т.п.), средств вычислитель-
ной техники и других вычислительных устройств. Эти
задачи приходится решать тем, кто применяет СИ. На-
ряду с этим НМХ СИ выполняют также функцию, от-
носящуюся к сфере производства и подготовки к вы-
пуску в обращение СИ. Они являются одновременно
критериями качества СИ и в соответствии с этой сво-
ей функцией подвергаются контролю как при выпус-
ке СИ из производства, так и при их периодической
поверке. Комплекс НМХ СИ должен выбираться так,
чтобы была известна связь между ним и характеристи-
ками погрешности измерений и чтобы характеристи-
ки, входящие в комплекс, можно было сравнительно
просто и эффективно оценить по экспериментальным
данным. К характеристикам, предназначенным для
определения результатов измерений, относят: функ-
цию преобразования измерительного преобразовате-
ля, а также измерительного прибора с неименованной
шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах,
отличных от единиц входной величины; значение од-
нозначной или значения многозначной меры; цену де-
ления шкалы измерительного прибора или многознач-
ной меры; вид выходного кода, число разрядов кода,
цену единицы наименьшего разряда кода средств из-
мерений, предназначенных для выдачи результатов в
цифровом коде. При использовании СИ отличие его
реальной функции преобразования от номинальной
определяется двумя группами факторов: внутренни-
ми источниками погрешностей и внешними возмуще-
ниями.
Типичными для общего случая являются четыре
составляющие погрешности измерений, обусловлен-
ные свойствами СИ, т.е. четыре составляющие инст-
рументальной составляющей погрешности измере-
ний:
1) погрешность, обусловленная неидеальностью
собственных свойств СИ, т.е. отличием действитель-
ной функции преобразования СИ в нормальных усло-
виях от номинальной функции преобразования или
для меры, обусловленная отличием действительного
значения выходной величины меры в нормальных ус-
ловиях от номинального значения этой величины.
Эта составляющая называется основной погрешно-
стью СИ;
2) погрешность, обусловленная реакцией СИ на из-
менения внешних влияющих величин и неинформа-
тивных параметров входного сигнала относительно
их нормальных значений. Эта составляющая зависит
как от свойств СИ, так и от изменений влияющих ве-
личин, опа называется дополнительной погрешно-
стью СИ;
3) погрешность, обусловленная реакцией СИ на
скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта
составляющая, определяющая динамическую погреш-
ность измерений, зависит как от динамических
свойств СИ, так и от частотного спектра входного сиг-
нала, она называется динамической погрешностью
СИ. Режим измерений (статический или динамиче-
ский) определяется соотношением между скоростью
изменения входного сигнала и динамическими свой-
ствами СИ;
4) погрешность, обусловленная взаимодействием
СИ и объекта измерений. Подключение СИ к объек-
ту измерений во многих случаях приводит к измене-
нию значения измеряемой величины относительно
того значения, которое имела измеряемая величина
до подключения СИ к объекту измерений и определе-
ние которого является целью измерений. Эта состав-
ляющая зависит от свойств как СИ, так и объекта из-
мерений.
Первые две составляющие представляют собой
статическую погрешность СИ. Третья составляющая
представляют собой динамическую погрешность СИ.
Выделение статической и динамической погрешно-
стей СИ как суммируемых составляющих допустимо
не всегда. В общем случае при измерениях изменяю-
щейся величины погрешность СИ зависит от скоро-
сти (частоты) составляющей погрешности СИ как сум-
мируемой составляющей; допустимо только СИ — в ог-
раниченной части спектра частот входного сигнала
и только для СИ, которые могут быть представлены
как линейное динамическое звено. Можно показать,
что при данных условиях, а также учитывая, что по-
грешности обычно достаточно малы, погрешность
СИ допустимо приближенно представлять как сумму
двух независимых составляющих — статической и ди-
95
намической. При измерениях постоянной или весь-
ма медленно меняющейся величины погрешность СИ
равна только одной из составляющих — статической,
динамическая погрешность при этом равна нулю. Ес-
ли погрешность СИ является суммой двух независи-
мых составляющих, то удобнее нормировать эти со-
ставляющие раздельно. При этом упрощаются мето-
ды контроля характеристик погрешностей на
соответствие нормам. Модель инструментальной со-
ставляющей погрешности измерений может быть
представлена в виде:
t
Д = Дл * У А * Л , * д..
си О dyn mt ,
i=l
где * — символ объединения (суммирования) со-
ставляющих погрешности средства измерений; Ло —
/
основная погрешность СИ; — объединение до-
полнительных погрешностей Дп СИ, обусловленных
действием влияющих величин и неинформативных
параметров входного сигнала СИ (далее — влияющих
величин). Число I составляющих Д„ должно быть
равно числу всех величин, существенно влияющих на
погрешность СИ в реальных условиях применения;
Д аул динамическая погрешность СИ, обусловленная
влиянием скорости (частоты) изменения входного
сигнала СИ. В зависимости от свойств СИ данного ти-
па и реальных условий его применения некоторые
или все составляющие Да и (или) могут отсутст-
вовать; Aint — погрешность, обусловленная взаимо-
действием СИ с объектом измерений. Поскольку НМХ
СИ используются при оценках инструментальной со-
ставляющей погрешности измерений, проводимых
при различных условиях, обычно характеристики вы-
бирают так, чтобы каждая из них быта связана толь-
ко с одной из составляющих инструментальной по-
грешности и отражала свойства только самого СИ. т е.
чтобы она была инвариан гна к условиям применения
и режиму работы СИ.
ГОСТ 8.009 предусматривает возможность норми-
рования одного из двух комплексов Т ТМХ. Один из них
ориентирован на статистическое суммирование со-
ставляющих инструментальной погрешности и пред-
назначен для СИ системного применения либо для
СИ, используемых при косвенных, совместных и т.п.
измерениях, когда результаты измерений, получен-
ные посредством различных СИ, подвергаются совме-
стной обработке. Этот комплекс включает в себя: ха-
рактеристики систематической и случайной состав-
ляющих основной погрешности СИ, спектральную
плотность (нормализованная автокорреляционная
функция) случайной составляющей погрешности и ха-
рактеристики погрешности от гистерезиса (допускае-
мая вариация выходного сигнала (показания) СИ;
функции влияния влияющих величин на НМХ СИ и
(в случае необходимости) функции совместного влия-
ния нескольких влияющих величин; полные динами-
ческие характеристики СИ - вид оператора и его ко-
эффициенты; характеристики СИ, отражающие их
потенциальную способность к взаимодействию с лю-
бым из подключенных к их входу или выходу компо-
нентов, таких как объект измерений, СИ и т.п., когда
такое взаимодействие влияет на инструментальную
составляющую погрешности измерений, например,
входные и выходные импедансы линейных измери-
тельных преобразователей. Второй, упрощенный
комплекс ориентирован на более грубое, арифмети-
ческое суммирование составляющих инструменталь
ной погрешности и предназначен для СИ несистем
ного применения, используемых, в основном, для пря-
мых измерений. Этот комплекс включает в себя:
пределы допускаемых значений основной погрешно-
сти СИ без выделения систематической и случайной
составляющих и характеристики погрешности от гис-
терезиса; пределы допускаемых изменений погрешно-
сти СИ, вызванных изменениями влияющих величин
в установленных пределах; частные динамические ха-
рактеристики (время реакции, постоянная времени,
амплитудно-частотная характеристика и т.п ); харак-
теристики, отражающие влияние действия СИ на ин-
струментальную погрешность.
Литература:
1 Земельмап МА., Кнюпфер АП.. Кузнецов В.П. // Из-
мерительная техника. — 1969. — N-N1 1, 2, 3.
2. Земельман М.А, Кузнецов В.П., Солопченко Г.Н. Нор-
мирование и определение метрологических характеристик
средств измерений. 2-ое издание. — М : Машиностроение,
1986.
3. ГОСТ 8.009-84 Нормируемые метрологические харак
теристики средств измерений.
В.П. Кузнецов
96
Погрешности средств и результатов измерений
и их классификация
Погрешность (математическоеопределение), раз-
ность х-а , где х — данное числи, которое рассматри-
вается как приближенное значение некоторой вели-
чины, точное значение которой равно а. Для харак-
теристики средств и результатов измерений
используется около 30 разновидностей погрешностей
(П ), за каждой из которых закреплено определенное
наименование. (См. П. Абсолютная, относительная, при
веденная, статическая, динамическая, случайная, система-
тических., прогрессирующая, П.квантования, П. аддитив-
ная, П.прибора, Цмеры, 11. поверки и т.д.)
Исторически наибольшая часть наименований раз-
новидностей погрешностей разрабатывалась приме-
нительно к средствам измерений, другая меньшая
часть — применительно к процессам и результ атам из-
мерений, а некоторые из них целесообразно приме-
нять и к тем, и к другим.
Погрешность абсолютная, оценка размера откло-
нения результата измерений от действительного зна-
чения измеряемой величины, выраженная в единицах
этой величины.
Область неопределенности результата единично-
го измерения
Есть отрезок на оси X с границами х ± ДХ > гЛе X ~
результат измерения, дх — абсолютная погрешность
измерения. 2ЛХ — протяженность интервала неопре-
деленности результата измерения.
Область неопределенности определения однп-
факторвой функциональной зависимости У = F(x)
(например, вильтамперной характерист ики диода, гра-
дуировочной характеристики измерительного прибо
ра или любой другой однофакторной функциональной
зависимости) представляет собой не отрезок на оси X
или У, а полосу неопределенности в двухмерном про-
странстве (на плоскости X-Y) по обе стороны найден-
ной зависимости.
Ширина этой полосы (по оси X или 2Д У по оси Y)
может быть как постоянной (рис. 1а), так и изменять-
ся с изменением значений X и У как ДХ = /(Х) и
ДУ = /(У) (рис. 16 и в).
В этом случае для описания характера изменения
прямолинейных границ полосы неопределенности ис-
пользуются понятия аддитивной и мультипликатив-
ной составляющих погрешности. (См. погрешность ад-
дитивная. Погрешности мультипликативная).
Область неопределенности определения много-
факторной функциональной зависимости
У = е(х1,х2,...хй), которая описывает некоторую по-
верхность в пространстве с размерностью (k +1), пред-
ставляет собой не отрезок на какой-то оси и нс полосу
неопределенности в двухмерном пространстве, а
(k + 1)-мерный слой по обе стороны найденной по-
верхности с переменной толщиной 2Д, где
Д = /(«1,х2, - к*) рис. 2.
Погрешность аддитивная (более строго — Адди-
тивная составляющая погрешности) соответствует та-
Рис. 16
Рис. 1в
Рис. 1а
97
кой форме полосы погрешностей, когда абсолютная
погрешность СИ ьо всем диапазоне измерений огра-
ничена постоянным (не зависящим от текущего зна-
чения измеряемой величины х ) пределом ±Д0 . Это
понятие одинаково применимо как для случайных, так
и для систематических погрешностей. Примерами сис-
тематических аддитивных погрешностей являются по-
грешности от постоянного груза на чашке весов, от не
точной установки прибора на нуль перед измерением,
от термо-ЭДС в цепях постоянного тока и т.п. Для кор
рекции таких систематических погрешностей в СИ
предусматривают механическое или электрическое
устройство установки нуля (корректор нуля). Приме-
рами случайных аддитивных погрешностей являются
погрешности от наводки переменных ЭДС, погрешно-
сти от тепловых шумов, от трения в опорах измери-
тельного механизма, от ненадежного контакта при из-
мерении сопротивлений и т.п.
Погрешность мультипликативная (более строго
— Мультипликативная составляющая погрешности) со-
ответствует такой форме полосы погрешностей, когда
ширина полосы погрешности СИ во всем диапазоне
измерений ограничена пределом, изменяющимся про
порпионал! >но текущему значению самой измеряемой
величины, и. следовательно, равна нулю при х =0. СИ
с такой погрешностью обладало бы одинаковой отно-
сительной погрешностью как для больших, так и для
сколь угодно малых измеряемых величин, т.е. имело
бы бесконечно большой диапазон измерений. Однако
реально СИ только с чисто мультипликативной по-
грешностью не существует, так как у всех Си всегда при-
сутствует какая-то аддитивная погрешность, которая
ограничивает их рабочий диапазон в области малых
значений измеряемой величины.
Мультипликативные погрешности могут быть как
случайными, так и систематическими. Причинами воз-
никновения мультипликативных погрешностей, на-
пример, могут быть: изменение коэффициента усиле-
ния усилителей, изменение жесткости мембраны дат-
чика или пружинки измерительного механизма
прибора, изменение опорного напряжения цифрово-
го вольтметра и т.п.
При одновременном присутствии аддитивной и
мульти11ликативной составляющих полоса погрешно-
сти СИ получает трапециидальную форму и согласно
ГОСТ 8 401-80 класс таких СИ указывается двумя чис-
лами, записанными через косую черт/ в виде Д / д, где
Д — приведенная погрешность в конце диапазона,
равная сумме аддитивной и мультипликативной состав-
ляющих, а Д - приведенна я погрешность в нуле, рав-
ная приведенному значению аддитивной составляю-
щей погрешности.
При расчетном суммировании аддитивной и муль-
типликативных составляющих следует иметь в виду,
что при суммировании аддитивных составляющих по-
лучается суммарная аддитивная погрешность, а при
суммировании мультипликативных составляющих по-
лучается суммарная мультипликативная погрешность.
Суммарная полоса погрешности трапециидальной
формы получается путем арифметического суммиро-
вания полученных суммарных аддитивной и мультип-
ликативной составляющих.
Погрешность квантования (более строго — П.
квантования по уровню, в отличие от П. дискрети-
зации во времени), специфическая разновидность
погрешности, возникающая в цифровых приборах
и дискретных преобразователях. Номинальная
4 Зак. 450
98
характеристика такого преобразователя показана на
рис. 3 в виде прямой 1, реальная же его характеристи-
ка — ступенчатая кривая 2. При плавном возрастании
входной величины х . например, от 0 до 4, выходная
величина у может иметь только дискретные значе-
ния 0-1-2-3-4. Поэтому при возрастании х от 0 до
0,5, выходное показание остается равным у =0. При
превышении значение х -0,5, выходное показание
становится у =1 и сохраняе тся до % =1,5- Текущая раз-
ность номинальной 1 и реальной 2 характеристик и
составляет П. квантования Так как измеряемая вели-
чина случайным образом может принимать любые
промежуточные значения, то погрешность квантова-
ния получает то отрицательные, то положительные
значения в границах интервала ±0,5 кварта. В итоге
II. квантования есть инструментальная случайная ад-
дитивная статическая погрешность, так как не зави-
сит ни от текущего значения измеряемой величины
X , ни от скорости ее изменения во времени.
Полоса погрешности, номинальная и индивиду-
альная характеристики измерительного прибора
или преобразователя. Градуировочные характеристи-
ки ряда однотипных приборов или преобразователей,
нанесенные на общий график, образуют полосу по-
грешностей приборов этого типа. Детерминирован-
ная средняя линия этой полосы принимается за номи-
нальную характеристику приборов или преобразова-
телей данного типа, указывается в паспорте и
используется для определения результатов измерений.
Характеристика данного экземпляра прибора или пре-
образователя согласно ГОСТ 8.009 называется инди-
видуальной характеристикой данного экземпляра
прибора. Отсюда индивидуальная погрешность дан-
ного прибора, датчика или измерительного канала
ИИС ест ь разность между индивидуальной и номиналь-
ной характеристиками, то есть представляет' собой не
число, а функцию от текущих значений измеряемой
величины, и может быть описана лишь аппроксими-
рующей формулой.
П.В. Новицкий
99
Теория и математический аппарат,
используемые при обработке результатов
измерений
I. На заключительном этапе измерения выполня-
ется математическая обработка данных (ОД), полу-
ченных в результате экспериментальных операций.
Цель ОД — нахождение результата измерения и пока-
зателей его погрешности.
ОД включает следующие операции:
1. Анализ экспериментальных и априорных дан-
ных, включая оценки составляющих погрешностей;
2. Вычисление и внесение возможных поправок па
систематические погрешности;
3. Анализ математической задачи обработки дан-
ных;
4. Нахождение алгоритма ОД или выбор одного
из возможных на основе анализа данных и сведений
об алгоритмах ОД;
5. Вычисление результата измерения и показате-
лей его погрешности согласно выбранному алгоритм
му;
6. Анализ и интерпретация полученных результа-
тов, включая:
а) проверку исходных требований к результатам
(по диапазонам, точности и т.д.);
б) проверку согласованности результатов с приня-
той моделью измерения;
7. Запись результата измерения и показателей по-
грешности в соответствии с установленной формой
представления.
На практике некоторые операции выполняются в
сокращенном виде или лаже отсутствуют. В узком
смысле слова ОД сводится к вычислению результата
измерения (п. 5), однако остальные операции также
существенны для его корректного выполнения и мо-
гут быть проведены заранее, при разработке методи-
ки выполнения измерений или обработки данных.
П. При формировании уравнений для ОД прини-
мают за основу уравнения измерений — зависимости
между измеряемой величиной и непосредственно на-
блюдаемыми величинами. Согласно их видам измере-
ния традиционно разбивают на категории — прямые,
косвенные, совместные и совокупные.
При прямых измерениях искомая величина Q и
наблюдаемая х совпадают или пропорциональны;
уравнение измерения: Q = cX .
При косвенном измерении искомая величина Q
связана с непосредственно измеряемыми аргумента-
ми известной функциональной зависимо-
стью е=/(х1...xj.
Совместные измерения выполняют с целью нахо-
ждения функциональной зависимости между физиче-
скими величинами (переменными) х и У ' ¥ ~ /00 •
Для нахождения зависимости измеряют ряд одно-
именных величин Х1,...,Х„ и соответствующих им ве-
личин Г],...,УЯ , где Yf = /(xj.
Совокупные измерения выполняют с целью нахо-
ждения значений набора одноименных величин
> ПРИ этом непосредственным измерениям
подвергают!- я суммы или разности этих величин в раз-
личных сочетаниях:
т
где ctj=O или ±1.
Приведенные уравнения — это зависимости меж-
ду истинными значениями величин. При формирова-
нии полной системы уравнений для ОД необходимо
ввести в них выражения, отражающие погрешности.
Например, когда для измерения величины X,. исполь-
зуется показывающий прибор, уравнение принимает
вид:
^ = X, + 4ty).
Формирование уравнений для ОД применит ельно
к разным этапам измерений и различным категори-
ям измерений кратко представлено в таблице 1. Что-
бы конкретизировать решение полученных уравне-
ний, необходимо ввести:
а) модели для описания данных и их погрешно-
стей:
б) критерий качества, отражающий степень бли-
зости полученного результата измерения к истинно-
му значению измеряемой величины.
Для описания данных и их погрешностей чаше все-
го используют вероятностные модели; соответствен-
но, принимают статистические критерии качества,
обычно — дисперсию погрешности результата изме-
рения DQ_ = D^Q}. Поэтому при ОД используют ста-
тистические методы оценивания.
Ш. Важнейшую роль при ОД играет оценивание
погрешностей измерений, которые характеризуют ка-
чество полученных результатов измерений. Погреш-
ность измерения определяется как отклонение полу-
ченного результата измерения Q от истинного зна-
чения измеряемой величины Q, и представляется в
абсолютной форме: ^(Q)= Q-Qq , либо в относитель-
ной форме: <Хй)=^2-<2оУ<2о •
100
Таблица 1
Формирование системы уравнений для обработки данных при измерении
Этап измерения Категории измерений
прямые косвенные совместные совокупные
Постановка измерения Q = /(X,r) f — известна / У = /(Х) — неизвестна т 1 с7=0,±1
Планирование измерения п Ху...,Хт n, m, 71 Ут Wfr) m: xp...,xm , n: Уу,-,У1щ п , г' = 1...п : т 1 ^ = 0,±1
Измерительный эксперимент xi =Q+ <%xi) Xj = Xj + б)(х; ) 7> =/(*.)+ Жу) у. II be -Ма II Р + х, = X, + <%х, )
Критерий
Обработка экспериментальных данных 2)^2-q)= min EGi-Zc!/Q^=min
<2=* Q=/fcy) МНК-оценки МНК-оценки
Задача оценивания погрешности измерения — по-
лучение количественных оценок характеристик по-
грешности в рамках определенных моделей.
Ниже представлена общая схема оценивания по-
казателей погрешности:
Принципы анализа и оценивания погрешностей
заключаются в следующем:
1. Для погрешностей оценивают показатели (па-
раметры или функционалы), установленные в рамках
определенных моделей.
2. Показатели погрешностей оценивают прибли-
женно; точность оценивания обусловлена целью из-
мерения, объемом априорной информации и требуе-
мой точностью измерения.
3. Показатели погрешностей оценивают сверху.
4. Желательны реалистические, не очень завышен-
ные оценки показателей погрешности.
Таким образом, основными задачами при оцени-
вании погрешностей являются:
1. Описание погрешностей и выделение состав-
ляющих;
2. Формирование моделей погрешностей;
3. Определение показателей погрешностей;
4. Оценивание показателей составляющих погреш-
ностей;
5. Оценивание показателей суммарной погрешно-
сти („суммирование" оценок составляющих).
Составляющие погрешности могут выделяться по
различным признакам:
1) По причинам возникновения:
^)=Гм+Ги+<л
где & — методическая погрешность, обусловлен-
ная несовершенством метода измерений; — инст-
рументальная, обусловленная несовершенством ис-
пользуемых средств измерений; —личная, обуслов-
ленная индивидуальными свойствами операторов.
2) Согласно элементам измерения:
где — обусловлена несоответствием свойств объ-
екта исследований и его модели; £ — взаимодействи-
ем средства измерений с объектом исследований; £
— помехой на входе средства измерений; — неточ-
101
ным соответствием свойств реального средства изме-
рений и его модели; 4 ~ неточной реализацией мето-
дики измерений; — отсчитыванием показаний, по-
мехами па выходе СИ; 4 ~ неидеальностью алгорит-
ма обработки данных; — несовершенством
вычислительного устройства.
При этом составляющие: , 4 > S ~ относят-
ся к методическим, — к инструменталь-
ным, — также к личным погрешностям.
3) По свойствам составляющих:
И+ е,
где v — систематическая погрешность, которая
при повторных измерениях остается постоянной или
закономерно изменяется; е — случайная составляю-
щая, которая при повторных измерениях изменяет-
ся нерегулярным образом.
Последнее разложение наиболее важно для ОД,
поскольку обусловливает выбор моделей и методов
для оценивания погрешностей.
IV. При анализе погрешностей принимаются мо-
дели, в рамках которых определяют показатели, под-
лежащие оцениванию. Обычно случайные погрешно-
сти описывают случайными величинами. В рамках
этой модели основными характеристиками случайной
погрешности являются дисперсия De и среднее квад-
ратическое отклонение (CKO): Jde • Чаще всего
предполагают, что случайные погрешности имеют га-
уссовские распределения, то есть им соответствует
плотность распределения
<г(х)= ехр{- (x-af .
Именно для гауссовского распределения наиболее
полно разработан статистический аппарат оценива-
ния. В частности, если имеется выборка х1,...хп из га-
уссовского распределения, то СКО выборки оценива-
ется по формуле:
/С”-1).
V i=i
В качестве результата измерения обычно прини-
1 *
мают среднее арифметическое х, тогда СКО
п 1=1
результата измерения имеет вид S(jc)=s/Jn .
Выборочное СКО — оптимальная оценка при гаус-
совском распределении; при других видах распреде-
лений можно использовать другие оценки СКО (ко-
торые являются устойчивыми):
1) усеченное выборочное СКО — при удалении из
выборки доли а (5 %) крайних членов;
2) медианная оценка СКО:
=med{x, -med|p0,67;
3) оценка по абсолютным отклонениям:
$„=0,8£|х;-х|/п.
1=1
СКО является наиболее компактной и удобной для
преобразований характеристикой погрешности. В ча-
стности, с его помощью легко выполняется суммиро-
п
вание случайных составляющих: /=£# . При некор-
релированных слагаемых СКО суммы имеет вид:
В случае коррелированных составляющих:
$ , где — коэффи-
V 1 <<z
циент корреляции между £ и .
Хотя СКО наиболее удобно, но более наглядное
представление о возможных значениях погрешностей
дает доверительный интервал, который содержит по-
грешность с заданной доверительной вероятностью
Р. Поэтому для случайных погрешностей также неред-
ко используют доверительные интервалы. При гаус-
совском распределении доверительные границы слу-
чайной погрешность результата измерения:
где tP — коэффициент Стьюдента.
V. Для описания и оценивания систематических
погрешностей используют различные детерминиро-
ванные модели. Прежде всего, выделяется задача изу-
чения и аппроксимации регулярно изменяющихся
систематических погрешностей. Во многих случаях
после этого удается внести поправки на соответствую-
щие систематические составляющие, следовательно,
подлежат оцениванию неисключенные остатки сис-
тематических погрешностей (НСП).
При оценивании НСП принимаются интерваль-
ные (детерминированные) или квазистатистические
модели и используются различные эвристические ме-
тоды. Основными показателями НСП являются гра-
ницы, которые вычисляют в предположении, что
НСП представлена в виде суммы элементарных со-
ставляющих, для которых заданы границы 0, ,
г = 1,...т
а) Арифметическая граница НСП является надеж-
ной, но обычно завышена:
т
0О=Е0..
i=i
б) Доверительная граница НСП оценивается в
предположении о нерегулярных изменениях элемен-
тарных НСП. Тогда для них условно принимается мо-
дель случайных величин с равномерными распреде-
лениями в заданных границах, и для суммарной НСП
получается приближенная доверительная граница:
0р=^Е©?,
V 1=1
где kp =kp(P,m).
При доверительной вероятности Р=0,95 коэффи-
циент й(0,95)=1,1; при Р=0,90 fc(0,90)=0,95. При
102
Р=0,99 и т > 4 можно использовать Л(0,99)= 1,4 , одна-
ко при Р=0,99 и т<4 значение А(0,99) уточняют из
графика или таблиц [3].
VI . При суммировании случайной и систематиче-
ской составляющих, то есть оценивании суммарной
погрешности по характеристикам составляющих, так-
же используют эвристические методы.
1) Арифметическая граница суммарной погрешно-
сти надежна, но обычно завышена:
да = £р + •
2) При статистическом суммировании решение о
пренебрежимой малости одной из составляющих (слу-
чайной или систематической) основано на отноше-
нии r = Q/S.
Если г < 0,8 , то систематическая погрешность ма-
ла, и принимают Д = ДР(£).
Если г > 8 , то случайная погрешность мала, и при-
нимают Д = 0Р.
3) Если 0,8 < г < 8 , то суммируют составляющие, и
приближенная доверительная граница суммарной по-
грешности вычисляется но эмпирическим формулам:
а) Д = ^[©Р + £р], где при Р=0,95 А = 0,8; при Р=0,99
k = 0,85.
б)Д = Мх-где SI=7^ + S2„,
^Х = (^> + ®р)/(‘$г + ‘$и).
VII. Приведенные выше способы оценивания со-
ставляющих позволяют получить соотношения для
оценивания погрешностей измерений. Если резуль-
тат измерения оценивается согласно
то погрешность результата измерения:
&+£ к &.)+ &)],
i=i
где — методическая погрешность алгоритма;
% =Э/г/Эх; , ^,—ЭЕ/Эу,- — коэффициенты влияния.
1. Если для исходных данных оценены границы:
|&|<дм , то границы погреш-
ности измерения:
а) детерминированные:
д(е)= дм++д,Ек|;
б) приближенные доверительные границы:
до(йМм+*рХ£|%| +д2,£к . 2.
I 1 1
Если заданы: ( Sxi, Syi) CKO случайных, (0И , ®,,) —
границы систематических погрешностей данных, то
СКО случайной погрешности результата измерения:
I П а п I |2
s(*)=JMkl +5Xk >
V i i
то границы систематической погрешности:
а) детерминированные:
0=Дм+£®х.|%|+£е?1к.|
1 1
б) приближенные доверительные границы:
Ор = дм + .
V 1 ।
VIII. При прямых измерениях с многократными
наблюдениями данные имеют вид:
х,=Q+ q+ гУ, г = 1,...,п,
где 4 — случайные погрешности; О — системати-
ческая, п > 4 • Методы ОД различаются в зависимости
от информации о распределениях случайных погреш-
ностей.
1) Если известно, что случайные погрешности име-
ют гауссовское распределение, то в качестве резуль-
тата измерения принимают среднее арифметическое
выборки:
1 п
п i=l
Тогда СКО случайной погрешности измерения
оценивают по формулам п. IV, а доверительные гра-
ницы случайной погрешности оценивают по форму-
ле:
£р = tpSIfl ,
где tp — коэффициент Стьюдента, соответствую-
щий доверительной вероятности Р с числом степеней
свободы п -1 •
Границы НСП вычисляют в предположении, что
она представлена в виде суммы элементарных состав-
ляющих, для которых заданы границы (см. п. V).
Арифметическая граница НСП является надежной,
но обычно завышена. Доверительная граница НСП
оценивается в предположении о возможных измене-
ниях составляющих в заданных границах (согласно
равномерному закону распределения).
Суммирование границ случайной и систематиче-
ской составляющих выполняется, если отношение их
параметров удовлетворяет условию: 0,8 < г = 0/S < 8
(см. п. VI). Тогда используется или эвристическая фор-
мула, которая дает доверительную границу суммарной
погрешности:
О + у j=l
или арифметическое суммирование, которое дает
надежную, но завышенную границу.
2) Если известно, что случайные погрешности име-
ют распределение Лапласа (двойное экспоненциаль-
ное) с плотностью
Р(х)=е-^/л/2Л,
то в качестве результата измерения принимают вы-
борочную медиану, т.е. среднее значение в упорядо-
ченной по возрастанию выборке:
103
где
**+1 ПРИ « = 2А+1;
Q_=med=\ 1, , , ч
2^* +«*+1) ПРИ «=2Л.
Тогда доверительные границы случайной погреш-
ности определяются и -й и и-й элементами упорядо-
ченной выборки: (x'-Q, x'y-Q), 1
ы = |(и+1-2р7’гУ2], w = ^n + l + ZpVn)/2^ .причем zp —
процентная точка гауссовского распределения.
3) Если известно, что случайные погрешности име-
ют равномерное распределение на интервале (-/, I),
то в качестве результата измерения принимают сере-
дину размаха, т.е. полусумму наибольшего и наимень-
шего значений выборки:
Тогда доверительная граница случайной погреш-
ности определяется через экстремальные значения
выборки
при этом СКО случайной погрешности
)= (< - *1)/V2(n + 1X« + 2) -
4) Если известно, что случайные погрешности име-
ют засоренное гауссовское распределение с плотно-
стью
Л(ж)=(1~ №)+ ^(*).
где у(х) — гауссовская и h(x) — произвольная плот-
ность распределения, то в качестве результата изме-
рения принимают усеченное среднее:
1 n~k
х(а)~------Ух'
IX. Построение функциональных зависимостей
(ФЗ) — одна из важных задач ОД в метрологической
практике, например, при построении градуировоч-
ных характеристик средств измерений. Чаще всего
встречаются следующие виды ФЗ:
— линейные Y = a + ftX=a0 + ft(x-x);
— нелинейные, приводимые к линейным преобра-
зованием переменных:
• линейные комбинации известных функций
Y = YajSj(.x\
Методы построения ФЗ подразделяются на опти-
мальные, основанные на известных вычислительных
схемах, и эвристические. Краткая классификация ал-
горитмов представлена в таблице 2. При построении
оптимальных алгоритмов предполагается, что по-
грешности данных — случайные величины с извест-
ными распределениями, а критерий оптимальности —
минимум дисперсии погрешностей оценок коэффи-
циентов. Для оценивания коэффициентов aj , наибо-
лее часто используется метод наименьших квадратов
(МНК):
“|2]
k
п
<4
Оценки МНК получаются решением системы ли-
нейных уравнений
k
Yajbfi=hi, z = 1>
k.
где коэффициенты
п
1
i
При построении линейной функции при извест-
ных X,., оценки МНК имеют явный вид:
1 w т , _к /in / -
«о =—-х)/£пДх( -X
Л 1 1 /1
Таблица 2.
Основные методы обработки данных при измерениях
Измерения Методы обработки данных
классические оптимальные устойчивые высокоэффективные непараметрические и упрощенные
Прямые среднее арифметическое; метод максимального правдоподобия (МПП) усеченные средние; М-оценки, Lp-оценки, 1 < п < 2 медианные; основанные на порядковых статистиках
Косвенные методы обработки для прямых измерений аргументов и методы вычисления и аппроксимации функций
Совместные
А) регрессионная модель метод наименьших квадратов (МНК); МПП метод наименьших модулей; МНК с отбрасыванием точек, М-оценки, Х-’оценки, 1 < п < 2 медианные; графические
Б) конфлюентная модель модификации МНК с учетом оценок дисперсий; метод орто- гональной регрессии; МПП М-оценки с конфлюентной модификацией основанные на группиров- ке; дробно-линейные
Совокупные МНК — упрощенный МНК
104
МНК-оценки несмещены, некоррелированы меж-
ду собой и имеют дисперсии
= J/N , Db= .
MHK является статистически оптимальным в рам-
ках классической регрессионной модели, когда дан-
ные ( X,, у;), г=1,...,т , удовлетворяют условиям:
1) значения аргументов X, известны точно (по-
грешности пренебрежимо малы);
2) результаты измерений выходных величин у,- со-
держат случайные погрешности, независимые, имею-
щие нулевые средние и одинаковые дисперсии ;
3) погрешности у, имеют гауссовские распределе-
ния.
Литература:
1. Бахвалов И.С., Жидков Н.П. Численные методы. — М.:
Наука, 1987.
2. Вучков Н., Бояджиева Л., Салаков Е. Прикладной ли-
нейный регрессионный анализ. — М.: Финансы и статисти-
ка, 1987.
3. ГОСТ 8.207-76. ГСОЕИ. Прямые измерения с много-
кратными наблюдениями. Методы обработки результатов
наблюдений. Основные положения. — М.: Изд-во стандартов,
1977.
4. Грановский В.А, Сирая Т.Н. Методы обработки экспе-
риментальных данных при измерениях. — Л.: Энергоатом-
издат, 1990.
5. Гусев ЛА., Смирнова И.М. Развитие теории размытых
множеств // Измерение, контроль, автоматизация. — 1978.
- № 3. - С. 39-47.
6. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессии. —
М.: Финансы и статистика, 1981,
7. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. —
М.: Изд-во стандартов, 1973.
8. Крамер Г. Математические методы статистики. — М.:
Мир, 1975.
9. Кузнецов В А., Якунина ГВ. Основы метрологии: Учеб,
пособие. — М.: Изд-во стандартов, 1995.
10. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и осно-
вы теории обработки наблюдений. — М.: Физматгиз, 1958.
11. МИ 1317-86. ГСИ. Результаты и характеристики по-
грешности измерений. Формы представления. Способы ис-
пользования при испытаниях образцов продукции и контро-
ля их параметров. — М.: Изд-во стандартов, 1986.
12. МИ 1552-86. ГСОЕИ. Измерения прямые однократ-
ные. Оценивание погрешностей результатов измерений. —
М.: Изд-во стандартов, 1987.
13. МИ 2083-90. ГСОЕИ. Измерения косвенные. Опреде-
ление результатов измерений и оценивание их погрешно-
стей. — М.: Изд-во стандартов, 1990.
14. МИ 2174-91. ГСИ. Аттестация алгоритмов и программ
обработки данных при измерениях. Основные положения.
- СПб.: НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева", 1992.
15. МИ 2175-91 ГСИ. Градуировочные характеристики
средств измерений. Методы построения и оценивания по-
грешностей. — СПб.: НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева",
1992.
16. Михлин С.Г. Некоторые вопросы теории погрешно-
стей. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1988.
17. Мостеллер Ф., Тьюки Дж. Анализ данных и регрес-
сия. — М.: Финансы и статистика, 1984. — Вып. 1, 2.
18. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измере-
ний. — М.: Сов. радио, 1976.
19. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешности ре-
зультатов измерений. — Л.: Энергоатомиздат, 1991.
20. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. — Л.: Энер-
гия, 1978.
21. Румшиский Л.З. Математическая обработка резуль-
татов эксперимента. — М.: Наука, 1971.
22. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Ка-
чество измерений: Метрол. справ, кн. — Л. Лениздат, 1987.
23. Семенов ЛА., Сирая Т.Н. Методы построения градуи-
ровочных характеристик средств измерений. — М.: Изд-во
стандартов, 1986.
24. Тарбеев Ю.В., Александров В.С., Довбета Л.И.,
Сирая Т.Н. Современные проблемы теоретической метро-
логии // Итоги науки и техники. Сер. Метрология и изме-
рительная техника. — М.: ВИНИТИ, 1991. — Т. 8.
25. Тарбеев Ю.В., Челпанов И.Б., Сирая Т.Н. Аттестация
алгоритмов обработки данных при измерениях // Измере-
ния, контроль, автоматизация. — 1991. — № 2 (78). — С. 3-13.
26. Тарбеев Ю.В., Сирая Т.Н. Методы обработки резуль-
татов измерений. Погрешности измерений. - М.: Заоч. ин-т
ЦПВНТО приборостр. им. С.И. Вавилова, 1990.
27. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. — М.:
Мир, 1981.
28. Хальд А. Математическая статистика с технически-
ми приложениями. — М.: Изд-во иностр, лит., 1956.
29. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими
методами. — М.: Мир, 1973.
30. Худсон Д. Статистика для физиков. — М.: Мир, 1967.
31. Цветков Э.И. Основы теории статистических изме-
рений. — Л.: Энергоатомиздат, 1986.
32. Handbook of Measurement Science / Ed.
P.H. Svdenham. — N.Y.: J. Wilev&Sons, 1982.
33. Guide to the expression of uncertainty in measurement.
-ISO, 1993.
Т.Н. Сирая
105
Неопределенность измерений
Задача обеспечения международного единства в
подходе к представлению и оцениванию погрешностей
результата измерений является актуальной. Известно,
что с учетом этого Международный Комитет Мер и Ве-
сов (МКМВ) в 1978 г. поручил рассмотреть эту пробле-
му Международному Бюро Мер и Весов (МБМВ) совме-
стно с национальными метрологическими лаборато-
риями.
В результате проделанной работы Рабочая группа
МБМВ по составлению отчета о неопределенностях из-
мерений подготовила Рекомендацию INC-1 (1980) „Вы-
ражение экспериментальных неопределенностей^, кото-
рая была одобрена и утверждена МКМВ.
Поскольку в результатах измерений специалисты
заинтересованы повсеместно и повседневно, МКМВ
передал разработку подробного Руководства Междуна-
родной Организации по Стандартизации (ИСО), ко-
торая могла лучше выразить потребности, возникаю-
щие из широких интересов науки, техники, промыш-
ленности, торговли,здравоохранения, обеспечения
безопасности, а также подготовки регулирующих нор-
мативных актов.
Техническая Консультативная Группа ИСО по мет-
рологии создала Рабочую группу (ISO/TAG 4/WG3) из
экспертов, представляющих наиболее авторитетные
в мире организации по метрологии: МБМВ и Междуна-
родную Организацию по Законодательной метрологии
(МОЗМ), а также по стандартизации: ИСО и Между-
народную Электротехническую Комиссию (МЭК).
Итогом работы этой группы было составление Ру-
ководства по выражению неопределенности измере-
ния [1], которое в 1993 г. было издано в Швейцарии
под эгидой семи международных организаций: МБМВ,
МЭК, ИСО, МОЗМ, Международного Союза по Чис-
той и Прикладной Химии, Международного Союза по
Чистой и Прикладной Физике и Международной Фе-
дерации Клинической Химии.
Заявленной целью Руководства являлись: обеспе-
чить полную информацию о том, как составлять отче-
ты о неопределенностях измерений; предоставить осно-
ву для международного сличения результатов измере-
ний; предоставить универсальный метод для
выражения и оценивания неопределенности результата
измерения, применимый ко всем видам измерений и
всем типам данных, используемых при измерениях.
Величина, непосредственно используемая для вы-
ражения неопределенности, должна быть: внутренне со-
гласующейся, т.е. должна непосредственно выводить-
ся из компонентов, составляющих ее, а также быть не-
зависимой от того, как эти компоненты группируются,
или от деления компонентов на подкомпоненты; до-
пускающей передачу, т.е. должна существовать возмож-
ность непосредственного использования неопределенно-
сти. оцененной для одного результата как составляю-
щей при оценивании неопределенности другого измере-
ния, в котором используется первый результат.
Руководство, основанное на Рекомендации INC-1
(1980), дает правила выражения и оценивания неопре-
деленности измерения для использования службами
метрологии, стандартизации, калибровки и аккреди-
тации лабораторий.
Принципы этого Руководства предназначены для
использования в широком спектре измерений, вклю-
чая те, которые требуются для: поддержания контро-
ля качества и обеспечения качества в процессе произ-
водства; согласованности и усиления законов и регу-
лирующих актов; проведения фундаментальных и
прикладных исследований и разработок в науке и тех-
нике; эталонов и приборов для калибровки и проведе-
ния испытаний по всей национальной системе изме-
рений для обеспечения единства измерений и связи с
национальными эталонами; разработки, поддержания
и сличения международных и национальных эталонов
единиц физических величин, включая стандартные об-
разцы состава и свойств веществ и материалов.
Следует отметить, что в Рекомендации 1
(CI-1981) МКМВ предлагается, в частности, исполь-
зовать принципы, заложенные в Руководстве, и при-
менять их при проведении международных сличений
под эгидой МБМВ. Тем самым, в определенном смыс-
ле, Руководство приобрело статус неформального ме-
ждународного стандарта, по крайней мере — в облас-
ти международных сличений эталонов. В последнее
время усилился процесс интеграции России в между-
народное сообщество, который требует гармониза-
ции стандартов и других нормативных документов, в
том числе в области метрологии, калибровки средств
измерений, сертификации продукции — для устране-
ния барьеров в торговом, промышленном, научном и
культурном обмене и сотрудничестве.
Однако отечественные нормативные документы
практически не используют понятия „неопределенность
измерения" и ориентированы на традиционный и ус-
тоявшийся подход, основанный на понятиях „погреш:
ностъ,, и „характеристики погрешности?. Достаточно упо-
мянуть стандарты и технические условия на общие тех-
нические требования к средствам измерений, на ме-
тоды поверки, методики выполнения измерений,
методы испытаний, государственные стандарты Госу-
дарственной системы обеспечения единства измере-
ний и др.
Таким образом, существует противоречие между Ру-
ководством и системой отечественных нормативных
документов. Вместе с тем, в Рекомендации 1 (CI-1981)
4* Зак. 450
106
МКМВ предлагается „...заинтересованным организа-
циям рассмотреть и опробовать предложения Реко-
мендации и дать свои комментарии в МБМВ", а в [1] —
„...пользователей Руководства приглашают присылать
свои комментарии и вопросы для разъяснения в лю-
бую из семи поддерживающих организаций".
Среди возникающих вопросов можно выделить сле-
дующие: насколько совпадает отечественная норма-
тивная база с Руководством и в чем заключается несов-
падение; каковы достоинства и недостатки того и дру-
гого; стоит ли брать Руководство в качестве основы для
переработки существующей отечественной норматив-
ной базы; насколько подход, положенный в основу Ру-
ководства, научно обоснован и практически целесооб-
разен; соответствует ли он национальным интересам
страны; на что распространяется Руководство: только
на высшие звенья поверочных схем — эталоны, или на
все средства измерений; кто должен применять поло-
жения Руководства на практике в России; что делать
поверителям Государственной метрологической служ-
бы, которые повседневно осуществляют проверку со-
ответствия параметров средств измерений значениям,
приведенным в стандартах, ТУ, паспортах и т.д., где
используются характеристики погрешности, а не неоп-
ределенность, и др. (2).
„Краеугольным камнем" Руководства [1], является:
во-первых, отказ, по возможности, при изложении от
использования понятий „погрешность" и „истинное зна-
чение измеряемой величины" в пользу понятий „неопреде-
ленность" и „оцененное значение измеряемой величи-
ны"; во-вторых, переход от деления (классификации)
погрешностей по природе их проявления на „случай-
ные" и „систематические" к другому делению: по спо-
собу оценивания неопределенностей измерений (по
типу А — методами математической статистики, и по
типу В — другими методами).
Идейной основой замены термина „погрешность"
на „неопределенность" является, по существу, философ-
ская посылка агностицизма о том, что „истинное зна-
чение" непознаваемо и погрешность, как базирующаяся
на использовании истинного значения измеряемой вели-
чины, теряет смысл. Поскольку Руководство имеет су-
губо практическую направленность, то отказ от ис-
пользования понятия „погрешность результата измере-
ния" при изложении материала мотивируют тем, что
оно опирается на понятие истинного значения, кото-
рое принципиально не может быть получено.
Основным понятием, используемым в Руководстве,
является понятие „неопределенность измерения". Неоп-
ределенность измерения трактуется в двух смыслах: ши-
роком и узком. В широком смысле „неопределенность!'
трактуется как „сомнение": например: „...когда все из-
вестные или предполагаемые составляющие погрешно-
сти оценены и внесены соответствующие поправки,
все еще остается неопределенность относительно истин-
ности указанного результата, т.е. сомнение в том, на-
сколько точно результат измерения представляет значе-
ние измеряемой величины". В узком смысле „неопределен-
ность измерения есть параметр, связанный с
результатом измерения, который характеризует раз-
брос значений, которые могли бы быть обоснован-
но приписаны измеряемой величине". Последняя
трактовка в точности соответствует определению не-
определенности измерения, приводимому в международ-
ном словаре VIM [3]. В качестве этого параметра в Ру-
ководстве используют стандартную неопределенность,
суммарную неопределенность и расширенную неопределен-
ность.
Оценки перечисленных неопределенностей получают
на основе ряда экспериментальных данных (оценки не-
определенностей по типу А) и на основе дополнительной,
в том числе экспертной, информации (оценки неопре-
деленностей по типу В). К описанию неопределенностей
применяется статистический подход независимо от
способа их оценивания (при этом считается, что все
поправки на систематические погрешности уже введе-
ны). В качестве неопределенности измерения обычно
оценивают расширенную неопределенность, а для проме-
жуточных величин, на основе которых получают ре-
зультат измерения, вычисляют стандартные неопределен-
ности.
Основные положения Руководства (1) сводятся к
следующему.
Понятие "неопределенность измерения” вводится
для описания точности измерения как степени дове-
рия к полученному результату.
Основным количественным выражением неопреде-
ленности измерения является стандартная неопределен-
ность (м ) и суммарная стандартная неопределенность
(ис).
В тех случаях, когда это необходимо, вычисляют
расширенную неопределенность U по формуле:
U=kuc,
где k — коэффициент охвата (числовой коэффи-
циент, используемый как множитель суммарной
стандартной неопределенности для получения расши-
ренной неопределенности).
В Руководстве принято уравнение измерения в ви-
де:
У = /(Х1,...,ХИ),
где у — измеряемая величина; X,....Хт — входные
величины: непосредственно измеряемые или другие
величины, влияющие на результат измерения; т —
число входных величин; f — вид функциональной за-
висимости.
Оценку измеряемой величины У вычисляют как
функцию оценок входных величин х1,...,хп после вне-
сения поправок на все известные систематические эф-
фекты:
у = /(х1,...,хи).
На следующем этапе вычисляют стандартные не-
определенности входных величин м(х;) (i = l,...,m ) и
возможные коэффициенты корреляции........оце-
нок i -ой и j-ой входных величин ( 7=1...т ).
Различают два типа оценивания стандартной неоп-
ределенности:
— оценивание по типу А — получение статистиче-
ских оценок дисперсий распределения вероятностей
на основе результатов ряда измерений;
— оценивание по типу В — получение дисперсий
на основе априорной нестатистической информации.
Оценивание стандартной неопределенности и вклю-
107
чает в себя как оценивание по типу А, так и оценива-
ние по типу В.
Исходными данными для оценивания оценивание
стандартной неопределенности по типу А являются ре-
зультаты многократных измерений: xH,...,xiB;
г = 1,...,т .
Стандартная неопределенность вычисляется по фор-
мулам:
и(хц )= иА (хц )= J—“xi У
у п 1 5=1
— для I -го единичного измерения, Z=l,...,n;
— для результата измерения х; = х;, вычисленного
как среднее арифметическое.
Исходными данными для оценивания стандартной
неопределенности по типу В является следующая апри-
орная информация:
— данные предшествовавших измерений величин,
входящих в уравнение измерения; сведения о виде рас-
пределения вероятностей;
— данные, основанные на опыте исследователя
или общих знаниях о поведении и свойствах соответ-
ствующих приборов и материалов;
— неопределенности констант и справочных данных;
— данные поверки, калибровки, сведения изготови-
теля о приборе и др.
Неопределенности данных для такой информации
обычно представляют в виде границ отклонения вход-
ной величины от ее оценки. В случае неизвестного
закона распределения вероятностей наиболее распро-
страненный способ формализации неполного знания
о входной величине базируется на постулировании
равномерного закона распределения в указанных
(нижней и верхней) границах (Z>,_, bi+ ) для i -ой вход-
ной величины. При этом стандартная неопределен-
ность, оцениваемая по типу В, определяется по фор-
муле:
В случае других законов распределения выраже-
ния для оценок неопределенности по типу В будут
иными.
Для симметричных границ ( +Ь, )
u(x, )=ue(xi)=Z>i/V3 .
Для оценки коэффициента корреляции использу-
ются согласованные пары измерений (xft,Xyt);
А = 1,...,п :
г(х,- ,Xj > 4=1
V *=i *=i
Далее вычисляют суммарную стандартную неопреде-
ленность ис В случае некоррелированных оценок
X],...,хт суммарная стандартная неопределенность вы-
числяется по формуле:
а при наличии корреляции:
где ,Xj) — коэффициент корреляции; и(х, ) —
стандартная неопределенность i -ой входной величины,
оцененная по типу А или по типу В.
Коэффициент охвата k при оценивании расширен-
ной неопределенности выбирают в соответствии со сле-
дующими рекомендациями.
В общем случае k где ) — квантиль
распределения Стьюдента с эффективным числом сте-
пеней свободы V/ff и уровнем доверия р . Значения ко-
эффициента Z?(n-1) приведены в [1]:
где -число степеней свободы при определении
оценки i -ой входной величины; = п -1 для оцени-
вания неопределенностей по типу А (п— число резуль-
татов измерений); для оценивания неопределен-
ностей по типу В.
Во многих практических случаях при вычислении
неопределенностей результатов измерений k полагают
равным:
й=2 при р = 0,95 и
k = 3 при р = 0,99 .
Здесь в неявном виде используется предположе-
ние о нормальности закона распределения вероятно-
стей.
При представлении результатов оценивания неоп-
реде/генности результата измерения Руководство требу-
ет привести достаточное количество информации для
обеспечения возможности повторить весь процесс
оценивания, а именно:
— алгоритм получения результата измерения;
— алгоритм расчета всех поправок и их неопределен-
ностей,
— оценки неопределенностей всех используемых дан-
ных и способы их получения;
— алгоритм вычисления суммарной неопределенности
и расширенной неопределенности (включая значение
коэффициента k )
Сравнительный анализ двух подходов показы-
вает, что в обоих подходах содержится единая схема
—.... 108 —------------- - - -"
оценивания характеристик погрешности и неопределенно-
сти измерения, а именно, оценивание начинается с
анализа измерительной задачи, выявления всевозмож-
ных источников погрешности (неопределенности), по-
строения модели погрешности (неопределенности) изме-
рения. Далее в результат измерениявносятся все извест-
ные поправки, с целью исключения систематических
погрешностей. Затем оцениваются характеристики со-
ставляющих погрешности (стандартные неопределенно-
сти) и вычисляется характеристика погрешности (неоп-
ределенность) измерения. При этом используется еди-
ный статистический подход к описанию
неисключенных систематических и случайных погреш-
ностей, а также к описанию неопределенностей по типу А
и В.
Между характеристиками погрешности измерения
и неопределенностями измерений существует опреде-
ленное соответствие: СКО соответствует стандартной
неопределенности, доверительные границы — расширен-
ной неопределенности. Способ оценивания доверитель-
ных границ погрешности результата измерения практи-
чески идентичен вычислению расширенной неопределен-
ности. Некоторое методологическое различие в
подходе к определению коэффициента охвата, соот-
ветствующего коэффициенту k , который традицион-
но используется в отечественной нормативной доку-
ментации, незначительно сказывается на результатах
оценивания характеристик погрешности (неопределенно-
сти) измерения в практических задачах.
Сравнивая оба подхода, можно отметить, что про-
цедура расчета коэффициента охвата в отечественных
нормативных документах формализована лучше, и, сле-
довательно, более удобна на практике. В Руководстве
удачным является единый принцип использования
стандартной неопределенности для всех составляющих
погрешности, в то время как в отечественных норматив-
ных документах неисключенные систематические по-
грешности обычно характеризуются границами, а слу-
чайные — СКО.
Использование термина „неопределенность* измере-
ния в соответствии с толкованием, данным в словаре
(3(, не противоречит сложившемуся в отечественной
практике подходу к представлению и оцениванию ха-
рактеристик погрешности измерения.
Трактовка в Руководстве неопределенности измере-
ния в широком смысле, как некоторой замены погреш-
ности измерения, вызывает основные вопросы о соот-
ветствии Руководства сложившемуся отечественному
подходу к описанию и оцениванию погрешностей. Если
обратиться к Толковому словарю В. Даля [4], то „неоп-
ределенный" — это: „в точности неизвестный; неиссле-
дованный, несосчитанный, неизмеренный, неописан-
ный по всем признакам своим; темный, гадательный и
сомнительный".
Использование термина „неопределенность* в широ-
ком смысле нецелесообразно, поскольку он плохо под-
дается формализации и не позволяет применить тра-
диционный математический аппарат для обработки
результатов измерений.
Попытку отказаться от понятия погрешность изме-
рения (а, следовательно, и от понятия истинного зна-
чения измеряемой величины) нельзя признать успешной
по целому ряду причин: в Руководстве не дано четко-
го и развернутого определения понятия „неопределен-
ность измерения" в широком смысле; сама идея вве-
дения нового понятия не дает ничего нового в подхо-
де к представлению и оцениванию неопределенности
измерения по сравнению с представлением и оцени-
ванием характеристик погрешности; формальный от-
ход от понятия истинного значения приводит к ряду не-
удачных, громоздких и нечетких определений.
Наконец, в Руководстве оговаривается тот случай,
когда все источники неопределенности учтены и коли-
чественно оценены, а также корректно поставлена из-
мерительная задача, но тогда неопределенность являет-
ся мерой возможной погрешности. Далее в Руководстве
отмечается, что такая ситуация как раз и является наи-
более распространенной в метрологической практи-
ке и, в частности, имеет место при передаче разме-
ров единиц физических величин.
Основные понятия, термины и определения
Неопределенность (измерения) — параметр, связан-
ный с результатом измерения, который характеризу-
ет разброс значений, которые могли бы быть обосно-
ванно приписаны измеряемой величине.
Стандартная неопределенность (и) — неопределен-
ность результата измерения, выраженная в виде сред-
него квадратического отклонения (СКО).
Суммарная стандартная неопределенность (ис) —
стандартная неопределенность результата измере-
ния, полученного через значения других величин, рав-
ная положительному квадратному корню из взвешен-
ной суммы дисперсий или ковариаций этих величин
в соответствии с тем, как результат измерения изме-
няется при изменении этих величин.
Расширенная неопределенность (U ) — величина, оп-
ределяющая интервал вокруг результата измерения,
в пределах которого, как можно ожидать, находится
большая часть распределения значений, которые с
достаточным основанием могли бы быть приписаны
измеряемой величине.
Литература:
1. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement:
First edition. — ISO, Switzerland, 1993. — 101 p.
2. Тарбеев Ю.В., Слаев B.A., Чуновкина А.Г. Проблемы
применения в России международного Руководства по вы-
ражению неопределенности измерения //Измерительная
техника. — 1997. — № 1. — С. 69-72.
3. International vocabulary of basic and general terms in
metrology: Second edition. — International Organization for
Standartization, Geneva, Switzerland.
4. Даль В. Толковый словарь живого великорусского язы-
ка. — М.: A/О Издательская группа „Прогресс", „Универе",
1994.-С. 1365.
В.А. Слаев
109
Метрологическая надежность
средств измерений
Проблема метрологический надежности средств
измерений (СИ) была сформулирована профессором
В.О. Арутюновым и группой его учеников в 1969 г. [1].
Ее поста! ювка была обусловлена тем, что методы клас-
сической теории надежности, как правило, оказались
неконструктивны при оценке надежности СИ. Доля
наиболее опасных для потребителей метрологиче-
ских отказов СИ, приводящих к искажению получае-
мой измерительной информации и измерительному
браку, составляет, по разным оценкам, от 30 до 100 %.
Эти отказы являются следствием закономерно проте-
кающих в элементах СИ процессов старения или из-
носа, накопления изменений параметров элементов.
Поэтому в принципе для них нельзя принимать фун-
даментальные допущения классической теории на-
дежности, заключающиеся во взаимной независимо-
сти отказов элементов и стационарности потоков от-
казов. Применение на практике методов, основанных
на этих допущениях, может привести к грубым про-
счетам (например, прогнозируемое в соответствии с
ними значение межповерочного интервала, как пра-
вило, оказывается на порядок меньше его реальных
значений). Эти обстоятельства убедили многих круп-
ных ученых-метрологов (Ю.В. Тарбеев, П.В. Новиц-
кий, С.М. Мендельштам, М.П. Цапенко, Л.К. Исаев,
Б.П. Филимонов и др.) и руководство Госстандарта в
необходимости разработки специальной теории на-
дежности, учитывающе й специфику метрологических
отказов СИ. Эти работы были развернуты в 70-х гг. в
метрологических институтах Госстандарта, научных
организациях и предприятиях приборостроительных
отраслей промышленности и Минобороны, многих
высших учебных заведениях. Значительный вклад в
ее решение внесли Ю В. Тарбеев, П.В. Новицкий,
Л.К. Исаев, П.И. Падерно, Ю.Н. Кофанов, Б.И. Коз-
лов, А.Б. Татиевский, Г.А. Кондрашкова, А.Э. Фрид-
ман, А.В. Екимов, Б.М. Беляев, А.В. Винокуров,
А.М. Звягинцев, А В. Чельцов и многие другие ученые
и специалисты.
Основное направление исследований метрологи-
ческой надежности СИ было определено в [2]. В ста-
тье отмечалось, что государственная и ведомственные
метрологические службы из года в год заполняют ты-
сячи журналов поверки, но их не обрабатывают, и эти
данные остаются недоступными. В статье предлага-
лось, чтобы результаты поверок накапливались в па-
мяти ЭВМ, что позволило бы обрабатывать данные
всех предыдущих поверок по каждому прибору, рас-
считывать не только среднюю скорость старения для
типа, но и индивидуально для каждого экземпляра
прибора, прогнозировать дату необходимой ему сле-
дующей поверки и т.п. Подчеркивалось, что для науч-
ного решения вопросов метрологической надежно-
сти СИ в процессе эксплуатации первостепенное зна-
чение имеет обстоятельное статистическое исследо-
вание фактических данных процесса изменения по-
грешности СИ за 10-15 лет.
Основные понятия и определения метрологиче-
ской надежности СИ были сформулированы в методи-
ческих указаниях СЭВ по стандартизации и вошли в
рекомендации Нестандарта [3 J. Их взаимосвязь иллю-
стрируется рис. 1, на котором показаны траектории
случайного процесса изменения метрологической ха-
рактеристики (MX) СИ одного типа, например, сис-
тематической составляющей основной погрешности,
СКО случайной составляющей основной погрешности
или другой MX. Пересечение траекторией пределов
„ 2_д “ допускаемых значений MX является метрологи-
ческим отказом, обрыв траектории — отказом функцио-
нирования. Показатели точности, стабильности и мет-
рологической надежности СИ соответствуют различ-
ным функционалам, построенным на этих
траекториях. Точность СИ оценивается значением MX
в рассматриваемый момент времени, а по совокупно-
сти СИ — распределением этих значений (показаны
распределения MX после градуировки и ь момент по-
верки). Стабильность СИ, отражающая неизменность
во времени его свойств, оценивается распределением
приращений MX за заданное время. Метро логическая
надежность СИ определяется как надежность СИ в час
ти сохранения метрологической исправности, т.е. та-
кого состояния, в котором все MX соответствуют уста
новленным нормам. Следовательно, она оценивается
распределением моментов наступления метрологиче-
ских отказов. Очевидно, что метрологическая надеж-
ность СИ зависит от его стабильности, но, кроме то-
го, от установленных нормативов и условий эксплуа-
тации СИ — пределов допускаемых значений MX.
параметров градуировки, межповерочного интервала
и других. Поэтому по сравнению со стабильностью она
является как бы „внешним" свойством СИ. Из этого вы-
текает следующее принципиальное положение: оцен-
ка метрологической i [адежности СИ возможна только
после исследования его стабильности.
Характер процесса возрастания погрешности во
время эксплуатации показан на рис. 2 на примере из-
менения кривых погрешностей измерительного при-
бора с нормированным пределом приведенной погреш-
ности 0,5 % за время его эксплуатации в течение 5 лет.
Из кривых видно, что у нового прибора (при t =0)
систематическая погрешность отсутствует, а полоса
случайной погрешности симметрична относительно
нуля в пределах менее +0,1 % и составляет менее 1/5
от нормируемого предела.
по
Рис. 1. Изменение MX СИ во времени
Изменение погрешности с возрастом t прибора
происходит в виде прогрессирующего смещения и по-
ворота полосы погрешностей, т.е. в результате изме-
нения систематических погрешностей, в то время как
размер случайной составляющей (ширина полосы по-
грешностей) остается практически неизменным.
С возрастом t прибора постепенно расходуется
запас погрешности на старение, обеспеченный при
изготовлении. Так, если при t =0 он составлял 0,4 %
(т.е. нормируемая погрешность 0,5 % была в 5 раз
больше действительной 0,1 %), то в возрасте I =2 го-
да погрешность на 120-м делении шкалы достигла
0,25 % (т.е. половины от нормированной). При
t =4 года запас на 100-м делении шкалы составлял все-
го лишь 0,07 % (т.е. 1/7 от нормированной), а при
t =5 лет запас был уже полностью израсходован и по-
грешность прибора на 140-м делении превысила до-
пустимую.
Накопление статистических данных показало, что
совершенно аналогичный характер имеют процессы
накопления прогрессирующих погрешностей и у мно-
гих других СИ, включая цифровые приборы и изме-
рительные каналы ИИС для измерения неэлектриче-
ских величин.
Первую теорию, базирующуюся на принципиаль-
но новых подходах к оценке метрологической надеж-
ности СИ, в 1990 г. опубликовали П.В. Новицкий,
И.А. Зограф и В.С. Лабунец в монографии [4].
——Ill
Главная идея предложенного подхода состоит в
том, что процесс возрастания прогрессирующей по-
грешности рассматривается как нестационарный слу-
чайный процесс, состоящий из пучка реализаций, со-
ответствующих траекториям возрастания погрешно-
стей на каждой из отметок шкалы прибора.
Так как заранее не известно, на каком делении шка-
лы погрешность прибора превысит нормируемое для
нее предельное значение (на 100, 120 или 140-м на
приведенном выше графике), то далее рассматрива-
лись текущие значения Х0 верхней границы этого
пучка траекторий в виде его верхней 95 %-ной кван-
тили, а достижение этой границей заданного классом
точности допуска Ли принималось за метрологиче-
ский отказ прибора.
Проведенный авторами анализ статистического
материала о нестабильности основной погрешности
аналоговых и цифровых электроизмерительных при-
боров и ИИС за 10-15 лет эксплуатации показал, что
процесс возрастания во времени текущего значения
Х<) приведенной погрешности (в %) описывается
функцией:
хо= я+(«" -1)- v0/«или хо= я+v0 • 4 -«(/ 0 -
(1)
где t — возраст прибора с момента его изготовле-
ния, лет; г — постоянная времени процесса метроло-
гической стабилизации прибора, лет; а. = —Х/ т — от-
рицательное ускорение процесса старения, 1/год;
и0 — начальная скорость возрастания приведенного
значения погрешности, %/год; % — значение при-
веденной погрешности прибора при выпуске из про-
изводства, %.
На рис. 3 эта зависимость погрешности от возрас-
та СИ в интервале от 0 до 30 лет представлена в виде
графика. При t =0 прибор имеет погрешность , по
мере старения скорость ее возрастания постепенно
замедляется с отрицательным ускорением а, и далее
с ростом t погрешность стремится к установившему-
ся значению Л» = vo' т- Это широко известный про-
цесс стабилизации характеристик СИ с их возрастом,
который протекает тем быстрее, чем меньше посто-
янная времени г= -1/ а.
Приведенная выше формула и построенный по
ней график изменения погрешности СИ в функции
их возраста, полученные по фактическим данным ис-
следованных СИ, позволяют получить наглядные ре-
шения ряда вопросов метрологической надежности.
Так как процесс метрологического старения идет
с замедлением, то текущее значение частоты метро-
логических отказов
(2)
где *Х0=1,о/(Ли- 7Ь)="о/Лз — частота метрологи-
ческих отказов на момент времени t =0; /3 3 — заво-
дской запас погрешности, обеспеченный при выпус-
ке из производства, %.
Значения параметров процесса метрологическо-
го старения, полученные для ряда аналоговых и циф-
ровых приборов, показывают конкретные пути и ши-
рокие возможности обеспечения метрологической
надежности СИ. Например, размер %, у аналоговых
приборов находится в пределах от 1,2 до 2,6 %, у циф-
ровых — от 0,7 до 0,06 %, а у одного из лучших прибо-
ров фирмы „Солартрон" типа 7071 Л, =0,0185 %. По-
этому значение наработки до первого метрологиче-
ский отказа прибора может быть изменено выбором
соответствующего заводского запаса на старение.
Если бы классы точности СИ назначались из усло-
вия Лс,= , то их погрешность /t) достигала бы зна-
чения класса Ли лишь при t = °° , и метрологические
отказы отсутствовали бы за весь срок службы прибо-
ра. Так, если военно-морскому прибору ПМ70 назна-
чить предел допускаемой погрешности 1,6 % вместо
1,5 %, то его срок до первого отказа вместо 7 лет
становится бесконечным, повышение предела до-
пускаемой погрешности микроамперметра М24 с 1 %
до 1,4 % повышает срок до первого отказа с 7 до 30 лет
и т.д.
Однако в погоне за повышением указываемой в пас-
порте точности СИ изготовители назначают Ли<
Из-за этого погрешность Х0 достигает назначенного
предела Ли > например, при =6 лет (см. рис. 3), при-
бор бракуется и направляется в ремонт. Если при ре-
монте его погрешность вновь доводится до заводско-
го значения , то ее дальнейшее возрастание до
112
предела допускаемой погрешности идет, согласно кри-
вой 2,12 лет, а при дальнейшей эксплуатации после ре-
монта метрологические отказы уже не возникают, так
как кривая 2 уже никогда не достигает уровня у^. Та-
ким образом, высокая метрологическая надежность
СИ обеспечивается двумя необходимыми условиями:
1 — достаточно большим заводским запасом погреш-
ности у, j на старение и 2 — качественным метрологи-
ческим обслуживанием при поверках и ремонтах при
эксплуатации.
Там, где ремонтные службы обеспечивают запасы
погрешности, равные заводским, погрешность при-
боров во время эксплуатации изменяется в соответ-
ствии с приведенной па рисунке кривой 2, когда за
весь срок эксплуатации прибора происходит лишь 1-
2 метрологических отказа. Так, наблюдения за двумя
тысячами электроизмерительных приборов, эксплуа-
тировавшихся в 1965-1975 гг. в цехах и лабораториях
ЛПЭО „Электросила", показали, что их межремонт-
ный период действительно составлял 6-18 лет, так как
ремонтные службы поддерживали запас погрешности
равным 0,5-0,6 от класса, когда начальная погреш-
ность % в 2-2,5 раза меньше, чем у..
Собранная статистика показала, что основной
причиной возрастания частоты метрологических от-
казов СИ является их некачественное метрологиче-
ское обслуживание во время эксплуатации. Действи-
тельно, большая часть ремонтных служб выпускает
приборы из ремонта с запасом погрешности, мень-
шим заводского в 2-3 раза, а иногда и в 6 раз. Это при-
водит к возрастанию в 2-3-6 раз частоты отказов, что
показано кривой 3. В результате этого измерительные
приборы имеют высокую метрологическую надеж-
ность только в течение первых 5-6 лет, когда они ра-
ботают с заводским запасом погрешности. После пер-
вого же ремонта или регулировки при поверке их мет-
рологическая надежность многократно падает.
На основании изложенного авторы сделали сле-
дующие выводы:
1. Метрологическая надежность СИ во время их
эксплуатации обеспечивается наличием достаточно-
го запаса нормируемого значения погрешности по от-
ношению к действительному значению погрешности.
2. Заводы изготовители СИ во избежание рекла-
маций выполняют начальный запас на старение
вплоть до 2,5-кратного, когда уп = 0.4 . Минимально
допустимым является 1,25-кратный запас, когда
<0,8^. Ряд иностранных производителей выпол-
няют соотношения уп < 0,7 .
3. Ремонтные и поверочные службы не придержи-
ваются этих требований, пользуясь тем, что эти по-
ложения не регламентированы каким-либо норматив-
ным документом Госстандарта. Но метрологи в инте-
ресах приборопользователя должны требовать от
ремонтных служб их выполнения, так как при полу-
чении из ремонта приборов с погрешностью, равной
(0,85-0,9)- , нет гарантии того, что такого малого за-
паса погрешности хватит даже на один год эксплуата-
ции.
Авторы предложили использовать приведенные
соотношения для прогнозирования метрологических
отказов путем расчета параметров процесса нараста-
ния прогрессирующей погрешности — текущего зна-
чения погрешности, запаса погрешности, момента
возникновения метрологического отказа и т.д.
Для этого необходимо знать значения следующих
трех параметров:
Уд — значение приведенной погрешности прибо-
ра при выпуске из производства, %;
Vg — начальную скорость возрастания приведен-
ного значения погрешности, %/год;
а = -1/ т — отрицательное ускорение процесса ста-
рения, 1/год.
Для каждого экземпляра прибора эти параметры
имеют индивидуальные значения. Особенно трудно
определить значения скорости и ускорения процес-
са старения, так как они определяются разностями
значений погрешности В [4] показано, что случай
ная относительная погрешность определения скоро-
сти старения по данным ежегодных поверок (с дове-
рительной вероятностью 0,9) составляет (в %)
7б,9(^)$830/ч1'5 , где и — число лет ежегодных пове-
рок (что при 3 поверках за 2 года дает 300 %, при ус-
реднении по 5 поверкам за 4 года — 100 %, за 8 лет на-
блюдений — 40 %, за 15 лет - 14 %).
Кроме того, в [4] найдены экспериментальные
кривые спектральной плотности мощности процес-
са старения, из которых ярко видно, что за время на-
блюдения менее 0,5 года в процессе старения нет све-
дений о его скорости и ускорении. Эти данные содер-
жит только интервал от 1 года до 4 и более лет.
Поэтому получить эти данные можно только путем на-
копления в памяти ЭВМ точных данных о размере по-
грешности при ежегодных поверках не менее чем за
3-4 гида и совершенно невозможно получить путем
проведения „специальных испытаний на надежность"
на продолжении 4-6 месяцев.
Эта теория явилась прекрасной стартовой пози
цией для решения проблемы метрологической надеж-
ности СИ. В то же время предложенная модель, явля
ясь по существу детерминистской, не обладает доста-
точной общностью, в недостаточной мере учитывая
стохастический характер процессов дрейфа погреш-
ности. В частности, она не допускает возможность из-
менения направления дрейфа погрешности, наблю-
даемого у многих СИ. Кроме того, она функциональ-
но не связана с внутренней структурой и
конструкцией СИ. Поэтому достоверные исходные
данные, необходимые для оценивания параметров
предложенной модели, можно получить только из экс-
плуатационной статистики, через 10-15 лет после вы-
пуска приборов в обращение. Поэтому весьма пробле-
матично применение этой теории для прогнозирова
ния метрологической надежности СИ и поиска
оптимальных технических решений на этапе проек-
тирования, особенно тогда, когда в создаваемом СИ
применяются принципиально новые физические
принципы или элементная база. Потребовалась более
общая разработка проблемы, учитывающая, помимо
описанной модели, стохастические представления о
процессах дрейфа MX СИ, развитые в работах других
авторов, а также основные положения теоретической
113
метрологии и теории точности измерительных при-
боров и механизмов.
Такая теория, получившая название „теория метро-
логической надежности средств измерений", была
опубликована А.Э. Фридманом в 1991-1993 гг. [5-9].
Общность этой теории была обеспечена тем, что в ее
основу было положено только одно допущение, заклю-
чающееся в том, что траектории дрейфа MX СИ в
любой момент времени t являются непрерывно диф-
ференцируемыми с вероятностью 1. Это означает, что
скачкообразные изменения скорости изменения MX
маловероятны1, т.е. почти каждая траектория процес-
са в любой момент времени t имеет конечную первую
производную причем £ Примером та
кого процесса является неслучайная функция случай-
ных аргументов, т е. где / — неслу-
чайная непрерывно дифференцируемая функция t ,
ц(< = 1,...п) — случайные величины, в общем случае
коррелированные. Это допущение аналогично сглажи-
ванию функций распределения долговечности изделий
и других экспериментальных зависимостей, применяе-
мому в технических приложениях. Оно полностью со-
ответствует современным феноменологическим описа-
ниям процессов старения и износа и способу представ
лспия исходных данных о дрейфе параметров элемен-
тов (математическое ожидание m(t) и СКО Дг) неста-
бильности параметров элементов задаются в виде
гладких функций времени). Кроме того, эта модель учи-
тывает возможности сбора экспериментального мате-
риала о нестабильности СИ, так как контроль значений
MX осуществляется через определенные промежутки
времени, и, следовательно, при проведении экснери
мента нельзя зафиксировать скачки скорости дрейфа.
На основании этого допущения получено основ-
ное уравнение нестабильности -дифференциальное
уравнение относительно неизвестной функции
P(f,x,y), равной вероятности того, что ДО находит-
ся между произвольными границами х и V:
ЭР(«,х,у) }dP(t,x,y) / ТЭР(к,х,у)
где Дг, — условное математическое ожидание
скорости дрейфа v(t) в момент t при условии, что
Д")= ь > или регрессия скорости дрейфа v(t) на Д<).
Решением этого уравнения является плотность
распределения нестабильности MX в произвольный
момент времени t
, (4)
где Д«, — функция регрессии, являющаяся ре-
шением дифференциального уравнения регрессии
<5>
Для понимания модели важно иметь в виду, что моделируется изме-
нение не погрешности СИ, которая является случайной величиной, а
всего лишь MX, т.е. ее статистической характеристики; погрешность
СИ, естественно, может скачкообразно изменяться в любой момент
времени.
в виде p(t, при начальном условии р(0, £)=
— начальная плотность распределения неста-
бильности.
Выражения (3)-(5) позволяют обосновать различ-
ные виды законов распределения нестабильности
MX. Для их конкретизации целесообразно учесть об
щие закономерности протекания физико-химических
процессов в материалах, деталях и узлах технических
устройств, лежащих в основе их старения и износа.
Современные представления об этих процессах за-
ключаются в существовании конечной скорости про-
цесса в любой момент времени, являющейся случай-
ной величиной В первом приближении уравнение
скорости v(t) любого процесса деградации может
быть представлено в виде неслучайной функции со
случайными аргументами
v(0=s'O)=Q[7;«j, ...,0j,]/(t)4 (6)
где s(t) — значение определяющего параметра про-
цесса в момент tр — показатель степени, различный
для разных процессов, но для каждого конкретного
процесса принимающий определенное значение;
Q[T,q„. ,ап] — коэффициент пропорциональности,
зависящий от темпера гуры у и п случайных парамет-
ров , г = 1,...,ю , характеризующих химический со-
став и свойства материалов, свойства поверхности ма-
териалов, конфигурацию деталей, окружающую среду,
приложенные нагрузки и другие подобные факторы.
Когда средняя скорость дрейфа MX в любой мо-
мент времени не зависит от нестабильности MX за
предыдущий период (F =0), регрессия скорости дрей-
фа MX на ее нестабильность является линейной:
Дг,^)=т,(г)+7*1(г)[/-т(()], где
При этом решение (4) и (5) дает нормальный за-
кон распределения:
ДО
___1 [ [/~^(0]2 (.
л/г^Д) П 2</ ;
Этому условию, как правило, соответствуют скоро-
сти коррозии, линейного изнашивания поверхности
и некоторых других процессов деградации, протекаю-
щих из-за воздействия механических нагрузок. Во всех
остальных случаях модель линейной средней квадра-
тической регрессии v(t) на s(t) будет отягощена до-
полнительной погрешностью аппроксимации Дг, .
Однако ее можно исключить простыми преобразова-
ниями. Например, целый ряд химических процессов
старения, таких как рекристаллизация, диффузия, хе-
мосорбция и другие гетерогенные реакции 1-го поряд-
ка, а также некоторые процессы механического раз-
рушения (например, развитие трещины) характеризу-
ются р =1. Для этого случая (6) преобразуется к виду:
[lnX«)]=Q£r, йу,..., <^]. Так как эта производная не
ДО)
ДО
....................... 114 —........... - --------
зависит от р > линейная модель будет точным описа-
нием ее регрессии на lns(z). Поэтому:
Д«,1п $=
г1(0=-^Т\ > ^(0= ]1п /•
0,5
qn(0=
J [In ^-rn,n
и при начальном ус-
На практике часто встречаются значения р , не
равные 0 или 1. Например, р <0 характерно для про-
цессов с внутренним сопротивлением деформации (уп-
ругие элементы, системы с обратной связью), р >1 —
для гетерогенных химических реакций п -го порядка.
Преобразуя (6) к виду: = (l-F)Q[T,q,...,aJ,
получим, по аналогии с предыдущим,
Л )= (0+ F
ловии {«(0, £)~ In С нестабильность подчиняется лога-
рифмически нормальному распределению:
где
4-f(0
»»i-r(0= J / Л
Lln^-^nQjJ2 I
2^г,(0 [
(8)
б —графики PMJf) и P(t)
1 Для понимания модели важно иметь в виду, что моделируется изменение не погрешности СИ, которая является
случайной величиной, а всего лишь MX, т.е., ее статистической характеристики: погрешность СИ, естественно,
может скачкообразно изменяться в любой момент времени.
115
Следовательно,
и при началь-
ном условии Др, £)= g~F:
(а 1 J
й(й-^Й7в‘Т Г<9>
Это распределение, впервые теоретически обос-
нованное и исследованное И.Г. Фридлендером, полу-
чило наименование „обобщенный нормальный закон
распределения случайных величин".
На основании изложенного подхода возможно
обоснование и других распределений гауссовского ти-
па. Так, целую гамму гауссовских распределений мож-
но получить, если заменить ./(г) на функцию f [s(f)J
различного вида (этохарактерно, например, для про-
цессов увлажнения материала и износа опор стрелоч-
ных измерительных приборов). Распределения, учи-
тывающие зависимость F(t) от времени, могут найти
практическое применение для оценки стабильности
изделий, имеющих длительный период приработки.
Применение распределений такого типа позволяет
исключить методическую погрешность от линеариза-
ции функции и, следовательно, уточнить дове-
рительные границы нестабильности MX. Помимо это-
го, их несомненным преимуществом является возмож-
ность применения развитого аппарата проверки
статистических гипотез для распределений, подчи-
няющихся нормальному закону.
Интегральными показателями метрологической
надежности являются вероятность метрологической
исправности СИ в заданный момент времени и веро-
ятность безотказной работы за заданное время. Веро-
ятность метрологической исправности СИ в момент
t выражается формулой
Л,м(0=Р(<-Д,Д)=Ф[С(«,Д)]-Ф[сО,-Д)],(1О)
фм=^. k04j4
где
— интегральная функция
нормального распределения.
G(t, £)= y(t, «Х0)+ m(0); y{t, 4) — решение уравнения
регрессии.
Обычно на основе этой формулы оценивают и ве-
роятность безотказной работы изделий Р(?) по мет-
рологическим отказам:
' Ф[С(ЛД)]-Ф[6(Л-Д)] или
Ф[С(О,Д)]-Ф[С(О,-Д)]’
ф[С(/,Д)| при одностороннем (11)
Ф[С(О,Д)] дрейфе MX
Однако очевидно, что данное выражение оцени-
вает не вероятность безотказной работы на интерва-
ле [О, Т ], а всего лишь исправность объекта в конеч-
ный момент этого интервала и поэтому может слу-
жить оценкой P(f) только для таких процессов
дрейфа, у которых все траектории являются монотон-
ными функциями. Оправданием такого подхода явля-
ется то, что задача оценивания вероятности отсутст-
вия выбросов нестационарных случайных процессов
за заданные границы (чем по существу является рас-
пределение Р(0) в общем случае не имеет аналити-
ческого решения, и, кроме того, как правило, для это-
го недостаточно знания функций распределения пер-
вых двух порядков, которые только и могут быть
статистически оценены в технических приложениях.
В то же время оказалось возможным найти реше-
ние этой задачи для случайных процессов с непрерыв-
но дифференцируемыми с вероятностью 1 траекто-
риями. Объяснить это, видимо, можно тем, что такие
процессы являются обобщением линейных случайных
функций, для которых формула (11) является коррект-
ной. Математически строго доказано, что для таких
процессов вероятность отсутствия выбросов равна
ф[В(0]-ф[А(р]
Ф[6(О,Д)]-Ф[С(О,-Д)] ’ (12)
А(г)=тах[б(г;-Д)]- с(0)+т(0)
e[0,i]
В(1)= тт[С(г;Д)]- о(0)+ т(0)
Пример: Пределы допускаемой систематической
погрешности СИ составляют+1 %. Погрешность гра-
дуировки характеризуется т(0)=0 и о(0)=0,3 %.
Дрейф систематической погрешности протекает с
т(г)=(о,25«-0,03г2) %/мес. и о(г)= о(0)г001' %. Опре-
делить и Р(г).
На рис. 4а представлены графики зависимостей
С(?,-Д), G(z,A) и их экстремумов А*(г) и В* (г). Они
отражают немонотонный характер дрейфа системати-
ческой погрешности СИ этого типа и показывают, что
в интервале [0; 5] мес. метрологические отказы про-
исходят только путем пересечения нижней границы
области допускаемых значений, в интервале [10;
15] мес. — путем пересечения верхней границы облас-
ти допускаемых значений, в интервале [5; 10] мес. мет-
рологических отказов нет вообще. Соответственно ве-
дут себя и графики PMU(t) и P(t) , показанные на рис. 46.
В частности, видно, что PMU(f) возрастает на интерва-
ле [4;8] мес., что является наиболее убедительным сви-
детельством того, что по формуле (11) нельзя оцени-
вать вероятность безотказной работы.
Таковы основные принципиальные результаты
теории метрологической надежности. На их основе
были найдены зависимости для определения показа-
телей метрологической надежности невосстанавли-
ваемых СИ — интенсивности метрологических отка-
зов и средней наработки СИ до первого метрологи-
ческого отказа. Теоретическое обоснование
стационарности процесса эксплуатации совокупно-
сти СИ одного типа позволило определить основные
показатели метрологической надежности восстанав-
ливаемых (подвергаемых периодическим поверкам)
СИ — вероятности метрологической исправности и
коэффициента метрологической исправности. Ме-
тодология прогнозирования метрологической надеж-
ности СИ заключается в оценивании показателей
11б ========^^==
нестабильности СИ по известным характеристикам
нестабильности и функциям чувствительности его
элементов известными методами теории точности и
теории электрических цепей и последующем опреде-
лении показателей метрологической надежности СИ
по этим показателям.
Большое значение для практики имеет раздел тео-
рии, посвященный обоснованию методов обеспечения
метрологической надежности СИ. К структурным ме-
тодам ее повышения в процессе разработки относят-
ся: оптимизация схемных решений (минимизация
функций чувствительности наименее стабильных эле-
ментов); взаимная компенсация скоростей дрейфа эле-
ментов путем их селективного подбора; метрологиче-
ское резервирование (структурная избыточность,
обеспечивающая повышение стабильности блоков
СИ); применение отрицательных обратных связей; ка-
либровка СИ по опорному высокостабильному элемен-
ту, встроенному в схему. Обеспечение метрологиче-
ской надежности СИ в процессе эксплуатации дости-
гается путем проведения их периодических поверок и
(или) калибровок. Разработаны методы определения
межповерочных (межкалибровочных) интервалов
вновь разработанных СИ и их корректировки в про-
цессе эксплуатации с учетом информации о результа-
тах предыдущих поверок.
Таким образом, сформированы основные разделы
и методы теории метрологической надежности. Одна-
ко до настоящего времени в системе разработки и по-
становки промышленной продукции на производство
в основном узаконены нормативные документы на ме-
тоды оценивания и обеспечения надежности техниче-
ских устройств, разработанные в соответствии с по-
стулатами классической теории надежности. Техниче-
ский прогресс в приборостроении обострил проблему
неадекватности методов оценки и обеспечения надеж-
ности СИ, регламентированных нормативными доку-
ментами, и современных способов ее обеспечения,
применяемых разработчиками. В связи с этим разра-
ботка комплекса нормативных документов на методы
оценивания и обеспечения метрологической надежно-
сти является весьма актуальной задачей.
Литература:
1. Арутюнов В О., Козлов Б.А., Татиевский А.Б.,
Фридман А.Э. Проблема и специфика надежности измери-
тельных устройств // Измерительная техника. — 1969. —
№3. — С. 9-13.
2. Тарбеев Ю В , Иванов В.И., Новицкий П.В. Научно-
технические перспективы обеспечения метрологической
надежности средств измерений // Измерительная техни-
ка. — 1982.—№ 5. - С 17-19.
3. Рекомендация Госстандарта МИ 2247-93. „ГСИ Мет-
рология. Основные термины и определения". — СПб.: ВНИ-
ИМ им. Д.И Менделеева, 1994. - 60 с.
4. Новицкий П.В , Зограф И.А.. Лабунец В.С. Динамика
погрешности средств измерений. — Л.: Энергоатомиздат,
1990 -192 с
5. Фридман А.Э. Теория метрологической надежности
средств измерений // Измерительная техника. — 1991. —
№11 -С. 3-10
6. Фридман А.Э. Метрологическая надежность средств
измерений и определение межповерочных интервалов //
Метрология. - 1991. — № 9. — С. 52-61.
7. Фридман А.Э. Приближенная оценка метрологиче-
ской надежности на этапе проектирования // Измеритель-
ная техника.— 1992. —№ 7. —С. 11-14.
8. Фридман А.Э. Пути повышения метрологической на-
дежности средств измерений // Измерительная техника.
-1992,-№11.-С. 14-19.
9. Фридман А.Э. Оценка метрологической надежности
измерительных приборов и многозначных мер //Измери-
тельная техника. — 1993. — № 5. — С. 7-10.
1LB. Новицкий, А.Э. Фридман
117
Надежность результата измерений
Надежность результата измерений не является уза-
коненным метрологическим термином. Более того,
регламентированное в системе научно-технических
терминов и определений понятие „надежность" явля-
ется характеристикой только технических изделий и
не распространяется на дискретные элементы некото-
рого потока информации, каковыми по существу яв-
ляются любые результаты измерений. В то же время
это понятие достаточно часто встречается в техниче-
ской литературе, устной речи. Для выяснения его
смысла обратимся к понятию „надежность". По Далю,
„надежность —свойство, качество надежного", „надеж-
ный — это верный, несомненный, прочный, твердый,
крепкий, на что и на кого можно положиться, что не
обманет". Из этого перечня синонимов видно, что в
соответствии с традициями русского языка под надеж-
ными результатами измерений следует понимать вер-
ные результаты измерений, или, что то же самое, ре-
зультаты измерений, которым можно доверять, или,
иначе, результаты измерений, на которые можно по-
ложиться в практической деятельности. Но это свой-
ство результата измерений почти совпадает со стан-
дартизованным понятием „точность результата изме-
рений" (близость результата измерений к истинному
значению измеряемой величины). В свою очередь, точ-
ность измерений обусловлена правильностью, сходи-
мостью и воспроизводимостью измерений.
Еще более близким к понятию „надежность резуль-
тата измерения" является понятие „достоверность ре-
зультата измерения", которое также не стандартизо-
вано в рамках метрологической терминологии, но
имеет четкий вероятностный смысл. Как известно,
достоверное событие — это событие, которое обяза-
тельно наступит. Следовательно, достоверность собы-
тия равна вероятности его наступления.
Соотнесем это определение со стандартной запи-
сью результата измерений. В соответствии с отечест-
венной метрологической традицией он записывается
в виде „ А + Д, гДе А ~ значение величины, полу-
ченное при измерении, +д — доверительные, либо то-
лерантные границы погрешности измерения, опреде-
ленные с вероятностью Р, либо, что то же самое, по-
средством указания доверительного или толерантного
интервала значений величины (А - Д, А + Д), соответ-
ствующего вероятности Р. В соответствии с докумен-
том ИСО 1993 „Руководство по выражению неопре-
деленности измерения" результат измерения запи-
сывается в виде A+U, где U — расширенная
неопределенность, определенная с коэффициентом
охвата 2. Отсюда видно, что при любом из существую-
щих подходов к оцениванию точности измерения под
целью измерений понимается определение интерва-
ла, в котором находится истинное значение величи-
ны, а под результатом измерения — границы этого ин-
тервала. Поэтому достоверность результата измерения
— это вероятность Р, с которой значение величины на-
ходится в найденном интервале значений. В метроло-
гической практике значение Р устанавливается норма-
тивными документами. Так, по ГОСТ 8.381 границы ха-
рактеристик погрешности первичных и вторичных
эталонов должны соответствовать Р=0,99, а по
ГОСТ 8.061 границы случайной погрешности повер-
ки или калибровки рабочих эталонов — значению из
ряда Р=0,9; 0,96; 0,99. Пределы допускаемой погреш-
ности измерений обычно трактуются как границы, со-
ответствующие Р-1.
В чем же разница между надежностью и достовер-
ностью измерений? Объективный расчет границ по-
грешности измерения, соответствующих заданной ве-
роятности Р, должен проводиться по статистическим
оценкам случайной погрешности и аналитическим
оценкам сверху всех неисключенных систематиче-
ских погрешностей с учетом законов распределения
этих составляющих. Однако эти законы распределе-
ния, как правило, неизвестны. Поэтому в отечествен-
ных метрологических документах регламентировано,
что случайные погрешности измерений распределе-
ны по нормальному закону, а неисключенные систе-
матические погрешности — по равномерному. Отли-
чие действительных распределений составляющих
погрешности измерения от этих регламентирован-
ных законов распределения обусловливает снижение
действительной вероятности, которым соответству-
ют границы погрешности измерений, по сравнению
с принятой доверительной вероятностью. Разность
этих вероятностей, видимо, можно трактовать как
разрыв между надежностью и достоверностью изме-
рений.
Отказ в концепции неопределенности от постули-
рования законов распределения погрешностей (с за-
меной его постоянным коэффициентом охвата 2), с
одной стороны, уменьшает субъективизм оценок по-
грешности, что важно при сравнительной оценке точ-
ности измерений разных лабораторий. Однако это,
очевидно, имеет и негативный эффект — уменьшение
надежности результата измерений.
В частном случае, когда измерения проводятся с це-
лью контроля соответствия заданных параметров ус-
тановленным для них нормам (контроль качества из-
готовления на производстве, контроль на соответст-
вие предельно допустимым нормам при экологическом
118
или радиационном контроле, поверка средств измере-
ний и т.д.), результатом измерения является утвержде-
ние о соответствии или несоответствии заданным тре-
бованиям контролируемого параметра. В этом случае
понятие „надежность результата измерений" имеет бо-
лее содержательную трактовку, существенно отличаю-
щуюся от смыслов понятий „точность" и „достовер-
ность". Это связано с таким объективным, но чрезвы-
чайно вредным для практики явлением, как
статистические ошибки измерительного контроля.
Впервые теорию статистических ошибок измери-
тельного контроля разработал академик А.Н. Борода-
чев, а применил ее для оценивания статистических
ошибок поверки средств измерений выдающийся оте-
чественный метролог Е.Ф. Долинский. В соответствии
с этой теорией, если разброс контролируемого пара-
метра характеризуется случайной величиной Дх, а по-
грешность его измерений — случайной величиной
Ах„ , то возможны ошибки контроля, обусловленные
неблагоприятным сочетанием этих значений. Стати-
стическая ошибка контроля 1-го рода заключается в
том, что фактически годный параметр при контроле
будет признан негодным. Пусть д — предел допускае-
мых значений контролируемого параметра. Тогда для
возникновения этой ошибки необходимо выполнение
следующих условий: -Д < Дх < Д (это означает, что па-
раметр находится в поле допуска) и Дх + Дхп > Д или
Дх + Дх„ < —Д (по результатам контроля он будет оши-
бочно признан негодным из-за погрешности измере-
ния). Статистическая ошибка контроля 2-го рода за-
ключается в том, что фактически негодный параметр
при контроле будет признан годным. Для этого необ-
ходимо выполнение следующий условий: Дх>Д или
Дх<-Д (параметр находится вне поля допуска) и
-Д < Дх + Дхп < Д (по результатам контроля параметр
ошибочно будет признан годным из-за погрешности из-
мерения).
Поскольку эти ошибки носят случайный характер,
их оценивают вероятностным способом. Вероятности
Р} и Р2 статистических ошибок контроля 1-го и 2-го
рода вычисляются по формулам
Д (—Д-х) Д со
J f(x')fn(xn/x)dxndX+\ jf(x)fn(x„/x)dxndx
-Д -оо —Д (Д-х)
Д (Д-х) оо Д-Дх
P2=J J f(x')fn(xn/x)dxndx+^ (x)f„(xn/x)dxndx,
-oo (—Д—x) Д (-Д-Дх)
в которых /(х) — плотность распределения кон-
тролируемого параметра х, /п(хи/х)—условнаяплот-
ность распределения погрешности измерений хп при
условии, что значение контролируемого параметра
равно х.
Иногда статистические ошибки измерительного
контроля оценивают условными вероятностями:
—условная вероятность того, что контролируемый
параметр будет признан негодным при условии, что
фактически он находится в поле допуска, равняется
д
где — безусловная вероятность того,
-д
что параметр находится в поле допуска;
—условная вероятность того, что контролируемый
параметр будет признан годным при условии, что фак-
тически он находится вне поля допуска, равняется
где ?б J f(x)dx+ J f(x)dx -1 Рг _ безусловная ве-
—оо Д
роятность того, что параметр находится вне поля до-
пуска.
Литература:
1. Бородачев Н.А. Основные вопросы теории прочности
производства. — М.: Изд-во АН СССР, 1950.
2. Долинский Е.Ф. Анализ результатов поверок мер и
приборов//Измерительнаятехника. —1958. — № 3. —С. 22-
28.
3. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Ка-
чество измерений. Метрологическая справочная книга. — Л.:
Лениздат, 1987. — 295 с.
А.Э. Фридман
119
Измерения векторных и тензорных величин
Многие измеряемые величины являются по сво-
ей физической природе векторными или тензорны-
ми (линейные и угчовые скорости и ускорения, силы,
напряженности электрического магнитного нолей,
градиенты различных полей, тензоры деформаций и
скоростей деформаций, механических напряжений и
др.) Хотя ь приборостроении, измерительной техни-
ке, метрологии при измерении и воспроизведении по-
добных величин в той или иной степени учитывают
их специфику, целесообразно рассмотреть проблему
измерения указанных величин с общих позиций. Се-
годня это представляется важным, поскольку в неко-
торых областях техники (например, в навигации) без
учета векторного характера измеряемых величин из
мерительные задачи не могут быть решены с требуе-
мой степенью точности и надежности.
Отметим, что выбор измеряемой векторной фи-
зической величины осуществляется в соответствии с
общеизвестным принципом: в процессе решения тех-
нической задачи формулируется измерительная зада-
ча, а затем выбираются физические величины, изме-
рение которых необходимо для ее решения.
Векторы и тензоры
Термин „вектор" в буквальном переводе с латыни
означает „везущий" или „несущий". Векторное исчис-
ление возникло из потребностей физики и приклад-
ных наук. До середины XIX в. интуитивное понима-
ние специфической природы векторов, конечно, су-
ществовало, но формальный математический аппарат
отсутствовал, необходимые преобразования векторов
осуществлялись только через проекции на оси прямо-
угольной системы координат Однако при решении
практических задач оказалось необходимым исполь-
зовать помимо прямоугольных также и другие систе-
мы координат, в частности, цилиндрические, сфери-
ческие, биполярные и пр. Векторная форма записи
инвариантна относительно выбора типа и ориента-
ции систем координат, она позволяет обеспечивать
единство математического описания, абстрагировать
ся от выбора систем координат. После введения в рас-
смотрение векторов и тензоров многие физические
законы стали записываться в векторно-тензорной
форме.
Принципиально важным и общим для всех вектор-
ных величин является свойство линейности большой
группы преобразований проекций векторов при по-
воротах систем координат (преобразование от одной
системы координат к другой определяется векторной
формулой W = А х V , где А ~ матрица направляющих
косинусов) и свойство суммируемости векторов и их
проекций. Принадлежность тех или иных величин к
категории векторов во всех разделах физики подроб-
но обосновывается. Это важно, поскольку в разных
прикладных науках без всяких обоснований и только
для сокращения записи уравнений взаимосвязи раз-
личных групп переменных вводятся якобы векторы,
просто как совокупности однородных или даже неод-
нородных величин, не подчиняющихся никаким
обычным законам линейного преобразования, а, мо-
жет быть, сами преобразования не имеют смысла (на-
пример, „вектор возмущающих параметров", „вектор
регулируемых параметров"). Такое обобщенное пред-
ставление не соответствует физическим представле-
ниям и математическому аппарату векторного исчис-
ления.
Кроме того, важно, что не все однородные скаляр-
ные величины, имеющие явно пространственную
природу, могут быть представлены в виде векторов.
Так не является вектором конечный угол поворота,
поскольку он не может быть представлен в виде век-
торной суммы последовательности углов поворота от-
носительно разных осей. Однако если углы поворота
малы, их можно приближенно рассматривать как век-
торы. В дальнейшем рассматриваются только вектор-
ные величины в строгом, классическом смысле.
В математике для описания свойств и преобразо-
ваний векторов и тензоров используется аппарат мат-
ричного исчисления. Вектор V, в общем случае, име-
ет начальную точку (в случае силы — точку приложе-
ния), характеризуется модулем V и направлением,
вектор однозначно определяется заданием трех ска-
лярных величин Vx , Ц , Vz в пространстве и двух Vx ,
Vy — на плоскости, а наглядно представляется в виде
направленного отрезка прямой, исходящей из указан-
ной начальной точки пространства. В матричном ис-
числении вектор обычно представляется в виде мат-
рицы-столбца У =
Существует несколько классификаций векторных
величин по разным признакам; для метрологии важен
признак изменчивости по пространству. Векторы мо-
гут быть постоянными по определению для заданной
области пространства (например, вектор угловой ско-
рости по всему объему твердого тела), и тогда средст-
во измерения (СИ), предназначенное для измерения
векторной величины, может быть расположено где
угодно в пределах этой области. Векторы могут оста-
ваться постоянными по модулю и направлению для
определенного класса переносов начальной точки
(например, вектор силы при перемещении точки
вдоль линии действия), и тогда измерительную ось
120
СИ следует располагать именно по этой линии. Но ча-
ще всего векторы изменяются при любых переносах
в пространстве, тогда необходимо вводить в рассмот-
рение понятие векторного поля. Для перечисленных
трех ситуаций различают соответственно свободные
векторы, постоянные для всех точек областей про-
странства, скользящие векторы, не изменяющиеся
вдоль их направлений, связанные векторы, началь-
ные точки которых вполне определенные.
Как наиболее распространенная может быть вы-
делена задача „измерения радиуса-вектора R ", эта за-
дача может быть или основной (как в навигации), или
вспомогательной (для установления, в какой точке
пространства произведено измерение другой физиче-
ской величины). Зависимости векторов от координат
V(X,F,Z) могут подчиняться определенным функцио-
нальным зависимостям (так для твердых тел поля ли-
нейных скоростей и ускорений являются линейными
функциями координат), или могут подчиняться неиз-
вестным закономерностям, которые при наличии дос-
товерной математической модели могут быть получе-
ны в результате интегрирования дифференциальных
уравнений в частных производных. Векторные поля
могут быть стационарными и переменными; в послед-
нем случае добавляется еще один аргумент — время
t , и тогда измерения векторной величины V(X,Y,Z,t)
являются динамическими.
Термин „тензор" происходит от латинского слова,
которое переводится как „напрягаю", „растягиваю"
(это связано с тем, что исторически первыми иссле-
довались тензоры механических напряжений и де-
формаций) . Тензорные величины или тензоры второ-
го ранга (в физике рассматриваются также тензоры
третьего ранга, но они в дальнейшем исключаются из
рассмотрения) в математике обычно представляют-
ся в виде квадратных матриц размерности 3 х 3 в про-
странственных задачах и размерности 2 х 2 — в пло-
ских. По физическому смыслу необходимо выделить
две группы тензоров:
— тензоры, описывающие анизотропные свойст-
ва или состояния сред (например, свойства электри-
ческой проводимости, механического напряженного
и деформированного состояния в материале);
— тензоры, которые описывают изменение вектор-
ной величины в малой окрестности по произвольно-
му направлению и математически представляются как
производные вектора по вектору направления (напри-
мер, градиент гравитационного ускорения). Если при
этом вектор является производной скалярной вели-
чины (потенциала), то компоненты тензора опреде-
ляются как вторые производные потенциала.
В общем случае тензор т второго ранга определя-
ется в пространстве девятью компонентами (все эле-
менты квадратной матрицы независимы), однако час-
то тензоры являются симметричными и независимы-
ми из них являются только шесть; встречаются также
антисимметричные тензоры, у антисимметричного
тензора независимыми являются три элемента. Геомет-
рическим образом симметричного тензора является
эллипсоид, особыми являются три направления его
главных осей, для двух из трех направлений главных
осей диагональные элементы тензора принимают экс-
тремальные (максимальное и минимальное) значения.
Многие общие положения, относящиеся к вектор-
ным величинам, справедливы и по отношению к тен-
зорным. Так для тензорных величин компоненты тен-
зоров зависят от выбора системы координат. Для тен-
зоров справедливы линейные преобразования,
описываемые на математическом языке матричных
преобразований (матрицы при этом являются квад-
ратными), а именно, операции перемножения мат-
риц. Так, преобразование тензора из одной системы
координат в другую задается матричным соотношени-
ем S = A~lTA , где А — квадратная матрица направляю-
щих косинусов.
Измерения векторных величин
В практической деятельности используют несколь-
ко полностью эквивалентных методов измерения век-
торной физической величины (ВФВ) V :
— измеряется ее модуль и определяется ее направ-
ление в пространстве;
— однако в большинстве случаев измерение ВФВ
сводится к измерению трех ее элементов (скалярных
величин), однозначно определяющих эту ВФВ. Эти
три элемента могут быть выбраны по-разному, при
этом каждому выбранному варианту соответствует вы-
бор определенной системы координат. При этом ча-
ще всего встречаются два варианта:
1). Измеряются модуль V и два угла направления
вектора в пространстве; этому соответствует задание
ВФВ в сферической системе координат. Такая ситуа-
ция чаще всего встречается при исследованиях, ко-
гда СИ можно по желанию как угодно ориентировать
и изменять ориентацию.
2). Измеряются составляющие Vx , Vy, VL ВФВ в
прямоугольной системе координат или проекции на
любые три оси, при этом направление этих осей долж-
но быть тем или иным образом определено. Затем рас-
четным путем определяется модуль ВФВ и углы ори-
ентации вектора (модуль как корень квадратный из
суммы квадратов проекций ВФВ, направление через
направляющие косинусы углов). Этот вариант, как
правило, реализуется тогда, когда измерения ВФВ
производятся с помощью трех одноосных СИ с вза-
имно ортогональными ИО, он типичен для рабочих
измерений на подвижных объектах, когда направле-
ние вектора изменяется во времени и практически не-
возможно направлять ИО по измеряемой ВФВ.
Существует известная специфика при измерении
ВФВ, определяемая поставленными измерительными
задачами, например, может быть важна задача опре-
деления только модуля вектора или только направле-
ния вектора в пространстве.
При изучении векторных полей также имеется своя
специфика. В общем случае при измерении ВФВ по
пространству поля необходимо знать координаты то-
чек измерения в пространстве, это требование отно-
сится к измерениям параметров полей любых величин
(как скалярных, так и векторных).
Необходимо выделить важный частный случай, ко-
гда векторное поле является потенциальным, а под-
лежащая измерению векторная величина V представ-
ляет собой градиент потенциала скалярной величи-
ны ф, т.е. V = rad0. При этом в принципе возможно
121
как прямое измерение ВФВ, так и косвенное (непо-
средственно измеряются разности потенциалов меж-
ду точками по нескольким направлениям из заданной
точки, а затем по этим приращениям вычисляются па-
раметры вектора). В зависимости от физической при-
роды ВФВ в одних случаях возможен только первый
путь, в других случаях — только второй.
Другая группа задач измерения возникает, когда
искомый вектор V определяется или как производ-
ная по времени, или как интеграл по времени от не-
посредственно измеряемого вектора U . Часто встре-
чаются задачи, когда искомые ВФВ связаны с непо-
средственно измеряемым ВФВ через
дифференциальные уравнения, это имеет место в
инерциальных навигационных системах (ИНС).
Операция определения направления ВФВ в про-
странстве достаточно глубоко не рассматривалась с
точки зрения классической метрологии. Действитель-
но, направление в пространстве не является физиче-
ской величиной с соответствующей размерностью, во-
просы „передачи направлений в пространстве" метро-
логией не изучались и т.п. В то же время точное
определение направления в пространстве для решения
большой группы измерительных задач (в первую оче-
редь, в ИНС) играет иногда не менее существенную (а
иногда и более важную) роль, чем точное измерение
модуля ВФВ.
Но, прежде чем рассмотреть вопросы определе-
ния направления ВФВ в пространстве, остановимся
на понятии „измерительная ось" (ИО) СИ ВФВ. При
установке СИ на объекте при выполнении рабочих из-
мерений осуществляется измерение составляющей
именно по направлению ИО.
Естественно желание таким образом установить
направление измерительной оси СИ, чтобы погреш-
ность измерения векторной величины (она будет рас-
смотрена далее) была минимальной. Углы, определяю-
щие направление измерительной оси СИ относитель-
но его базовых установочных элементов,
определяются в процессе калибровки СИ; тем самым
расширяется понятие калибровка для СИ ВФВ. Сред-
ство воспроизведения ВФВ при калибровке задает как
ее модуль, так и ее направление. Поскольку СИ уста-
навливается на платформе средства воспроизведения
своими базовыми установочными элементами, полу-
ченная в процессе калибровки характеристика жест-
ко связана с параметрами этих элементов.
В некоторых случаях в процессе калибровки СИ
путем регулировки положения базовых установочных
элементов можно задавать требуемое направление
ИО. Чаще всего в качестве ее направления выбирают
такое, при котором выходной сигнал максимален
(„ось максимальной чувствительности"), иногда вы-
бирают направление оси минимальной поперечной
чувствительности, в некоторых случаях (например,
для приборов маятникового типа, у которых направ-
ление оси максимальной чувствительности может за-
висеть от модуля воспроизводимой величины) выби-
рают некоторое „интегрально-оптимальное" по диа-
пазону воспроизводимой величины направление.
Часто базовые установочные элементы являются
нерегулируемыми, тогда измеряются параметры угло-
вого положения ИО и вносятся в паспорт СИ, чтобы
обеспечить возможность их учета при измерениях на
соответствующем объекте. Очевидно, что погрешность
установки СИ на платформе средства воспроизведения
ВФВ и погрешности изготовления базовых элементов
СИ входят в погрешность определения направления
ИО СИ, а, следовательно, и в погрешность СИ.
Рассмотрим методы определения направления
ВФВ при использовании соответствующих СИ. Это
направление должно быть связано с некоторой сис-
темой отсчета, выбор которой диктуется измеритель-
ной задачей. Пусть эта система физически и техниче-
ски определена, т.е. известны направления ее осей
(имеются некоторые установочные элементы, на ко-
торые в дальнейшем базируется СИ, определяющие
с заданной степенью точности направления указан-
ных осей). Совместив ИО трех СИ с направлением
осей, например, декартовой системы координат, по
трем измеренным составляющим ВФВ мы можем оп-
ределить ее модуль и направление. Существуют трех-
компонентные СИ, одновременно измеряющие все
три проекции ВФВ, при этом три ИО такого СИ не
обязательно ортогональны (трехкомпонентные сейс-
мометры, магнитометры и др.). Заметим, что неред-
ко измеряются не три, а большее число проекций ВФВ
на разные оси, при этом осуществляется совместная
обработка данных (например, по методу наименьших
квадратов) и достигается большая точность и, глав-
ное, большая надежность результатов измерений. Ана-
логичные процедуры применяются и тогда, когда вы-
ходные сигналы СИ не являются проекциями векто-
ра, а связаны с ними определенными соотношениями.
Используется также и прямое определение направ-
ления ВФВ, например, при т.н. угломерных методах из-
мерений в навигации, когда может быть использован
некоторый ориентир — источник оптического, радио-
технического или другого сигнала. В этом случае ИО
СИ направляют на него, а затем измеряют углы между
осями выбранной системы отсчета и ИО СИ. Как пра-
вило, в таких случаях модуль ВФВ интереса не пред-
ставляет и не измеряется.
Выбор методов построения систем отсчета (ино-
гда их называют методами аппаратурной реализации
систем координат) определяется конкретной измери-
тельной задачей. В простейшем случае, чаще всего
при относительных измерениях, система отсчета мо-
жет быть связана с подвижным объектом, на котором
устанавливаются соответствующие средства измере-
ния, например, при измерении параметров движения
элементов корабля относительно его корпуса, в част-
ности, при измерении параметров вибрации в различ-
ных точках корпуса корабля.
При построении системы отсчета необходимо
иметь опорную систему координат, по отношению к
которой определяется положение других систем коор-
динат, в которых измеряются соответствующие ВФВ.
Это не исключает измерение ВФВ непосредственно в
опорной системе координат. Для перехода от одной
системы к другой обычно используется аппарат мат-
ричных преобразований. Аппаратурно это выражает-
ся в применении средств измерения углов между вы-
бранными осями. Еще раз подчеркнем, что под осями
понимаются не математические понятия, а направ-
ления, определяемые соответствующими базовыми
материальными элементами.
122
Для реализации опорной системы координат ис-
пользуют разные методы, важно, чтобы выбранная
опорная система координат была оптимальна для ре-
шения поставленной измерительной задачи.
При измерении параметров полей ВФВ часто при
переводе от точки к точке в общем случае может из-
меняться также и ориентация измерительных осей
СИ, что необходимо учитывать.
По отношению к измерениям тензорных физиче-
ских величин (ТФВ) реализуются те же общие подхо-
ды, но с учетом более сложных свойств этих величин.
В общем случае под измерением ТФВ т понимается
измерение девяти ее компонентов (если тензор сим-
метричный, то шести). Как и при измерении ВФВ, эти
компоненты могут выбираться по-разному. Для ТФВ
существуют взаимно ортогональные главные оси, в
этих осях тензор в пространстве задается соответст-
вующими тремя главными значениями Тхх, Тда , Тп (на
плоскости—двумя: Тхх, Туу ). Основными являются два
варианта:
1. Измеряются главные значения Тхх, Тп , Та и оп-
ределяются направления главных осей в пространстве.
2. Измеряются все девять компонентов в выбран-
ной системе координат, при этом параметры углово-
го положения этой системы должны быть заданы или
измерены.
Для ТФВ существуют инварианты, первым инва-
риантом является сумма диагональных элементов
А = Тхх + Туу + Та , однако задачи определения инвари-
антов по результатам измерений встречаются доволь-
но редко.
3. Погрешности измерения векторных величин
Общий подход к погрешности (или неопределен-
ности) измерения векторных величин и методам ее
оценивания аналогичен тому, который имеет место
при измерении скалярных величин. Погрешность из-
мерения складывается из погрешности СИ, погрешно-
сти метода измерений и др. Также сохраняются и об-
щие подходы к оцениванию случайных и системати-
ческих составляющих погрешностей. В то же время
имеются и принципиальные отличия. Здесь будут рас-
смотрены лишь самые общие вопросы определения,
нормирования и расчета погрешностей измерения
ВФВ, детально этот вопрос в силу его широты выхо-
дит за рамки настоящей статьи.
Очевидно, что в общем случае погрешность изме-
рения ВФВ является вектором, представляющим со-
бой векторную разность измеренной ВФВ и „истин-
ного" вектора этой величины (как отмечалось выше,
понятие „значение" не применимо для ВФВ). При рас-
чете погрешностей измерения ВФВ исходными явля-
ются линеаризованные соотношения вида
Д V' = (ДУ)+ 0 V , где (Д V) — вектор погрешностей из-
мерения проекций на оси, а 0 -вектор малого угла по-
грешностей угловой ориентации системы координат.
Предполагается, что угловые погрешности ориента-
ции осей имеют место только вследствие поворота
всего измерительного трехгранника как жесткого це-
лого (в действительности направления осей могут
иметь независимые друг относительно друга угловые
погрешности).
В каждом конкретном случае эта погрешность за-
висит от измерительной задачи, метода использова-
ния результата измерения и метода измерения физи-
ческой величины. Принципиальным является то, что
в состав погрешности измерения векторной величи-
ны наряду с погрешностью средства измерения ее мо-
дуля и погрешностью установки входит и погреш-
ность средств аппаратурной реализации системы от-
счета (в последнюю входят погрешности средств
аппаратурной реализации базовой системы отсчета
и погрешности средств, обеспечивающих аппаратур-
ный переход от этой системы к системе, в которой
осуществляется измерение ВФВ). Рассмотрим неко-
торые примеры, поясняющие изложенное.
В случаях, когда ИО средства измерения представ-
ляется возможным совместить с направлением ВФВ,
погрешностью установки чаще всего можно пренеб-
речь, т.к. при малых углах между указанными направ-
лениями она имеет второй порядок малости (пропор-
циональна квадрату этого малого угла). Намного слож-
нее обстоит дело, когда направление ВФВ неизвестно,
может изменяться в широких пределах и определяет-
ся по результатам измерений проекций ВФВ на оси
системы отсчета. В этом случае приходится учитывать
несколько обстоятельств:
1) аппаратурные методы и средства задания на-
правлений разных осей системы отсчета могут быть
неравноточными;
2) в зависимости от условий измерения могут быть
неравноточными и средства измерения составляю-
щих ВФВ по осям системы отсчета (например, при
измерении параметров движения в условиях Земли
могут иногда существенно отличаться погрешности
измерения вертикальных и горизонтальных состав-
ляющих ускорений;
3) погрешности СИ в направлении той или иной
оси системы отсчета могут существенно зависеть от
углов между направлением ВФВ и направлениями
этих осей, что вызвано поперечной чувствительно-
стью (по этой причине к большинству СИ ВФВ предъ-
является требование низкой поперечной чувствитель-
ности);
4) специфические погрешности могут возникать
при измерении ВФВ в случае даже малых перемеще-
ний чувствительного элемента СИ в процессе изме-
рения, когда модуль ВФВ является функцией линей-
ного размера (например, на центрифуге, когда линей-
ное ускорение пропорционально расстоянию от оси
вращения до выбранной точки платформы, при из-
мерении ускорения с помощью акселерометра пере-
мещение чувствительного элемента приводит к появ-
лению погрешности, определяемой неоднородно-
стью поля ускорения,
5) для многих ВФВ встает задача их измерения на
фоне другой ВФВ, носящей характер измеряемой, на-
пример, измерение параметров электромагнитного
поля, создаваемого тем или иным устройством, на фо-
не электромагнитного поля Земли или измерение
инерционного ускорения движущегося тела на фоне
гравитационных ускорений, эквивалентных, как из-
вестно, инерционным.
6) изложенное в п. 2) распространяется и на слу-
чай динамических измерений. Приведенные приме-
ры, список которых может быть расширен, показы-
123
вают необходимость учета многих факторов в процес-
се решения измерительной задачи, нахождения и
оценки погрешностей измерения векторных величин.
Во многих случаях решение этих задач существенно
сложнее, чем в случае измерения скалярных величин.
Общие принципы нормирования погрешностей
ВФВ не отличаются от нормирования погрешностей
скалярных величин, хотя в ряде случаев имеется оп-
ределенная специфика, вытекающая из конкретной
измерительной задачи. Выделим некоторые достаточ-
но распространенные случаи:
— погрешности ДVx , AV,, ДVz проекций Vx , ,
V, нормируются независимо;
— учитываются корреляционные связи между ни-
ми, при этом параметрами случайной погрешности яв-
ляются все девять элементов ковариационной матри-
цы размерности 3x3;
— нормируются только модуль |ДУ| вектора по-
грешности, именно такой простейший способ наибо-
лее распространен на практике.
При определении погрешностей измерения ВФВ
по пространству поля (при измерении параметров
векторных полей) необходимо дополнительно учиты-
вать погрешности определения координат точек, в ко-
торых находятся измерительные преобразователи. В
первом приближении эта частная погрешность опре-
деляется через градиент измеряемой ВФВ, этот гра-
диент представляет собой тензор, имеющий девять
компонентов. Здесь проявляется взаимосвязь вектор-
ных и тензорных измерений.
Погрешность измерения дг тензорной физиче-
ской величины т представляет собой тензор того же
ранга и той же размерности. При расчете погрешно-
стей измерения ТФВ нужно учитывать погрешности
угловой ориентации системы координат, по осям ко-
торой измеряются компоненты тензора, исходными
являются линеаризованные соотношения вида
Д Т = (Д Т)+ 0-17©, где 0 -вектор малого угла погреш-
ностей угловой ориентации системы координат. При
нормировании погрешностей измерения ТФВ в ос-
новном применимы те же подходы, что и при изме-
рении ВФВ. Однако следует иметь в виду, что при уче-
те корреляционных зависимостей между компонен-
тами и при измерении параметров ТФВ по
пространству поля необходимо вводить в рассмотре-
ние тензоры третьего ранга или совокупности матриц
размерности 3x3.
4. Методы калибровки и поверки средств измере-
ний векторных физических величин Методы калиб-
ровки и поверки и используемые для этого средства
зависят как от ВФВ, воспроизводимой в процессе ка-
либровки, так и от условий ее проведения. Под послед-
ним понимается необходимость проведения калиб-
ровки в условиях, когда а) принципиально невозмож-
но экранировать воспроизводимую ВФВ от величины,
имеющей тот же характер, но являющейся, по-суще-
ству, влияющей величиной (например, при воспроиз-
ведении линейных ускорений в условиях гравитаци-
онного поля Земли) и б) в случае, когда подобная эк-
ранировка возможна, но не обеспечивает требуемой
точности калибровки.
Выделим специфические особенности калибров-
ки и поверки СИ ВФВ. Как уже отмечалось, в процес-
се калибровки определяется важная метрологическая
характеристика СИ ВФВ — направление его измери-
тельной оси относительно установочных элементов.
Желательно, чтобы направление ИО в процессе ка-
либровки совпадало с требуемой точностью с направ-
лением вектора воспроизводимой величины; тогда по-
грешности калибровки, вызванные поперечными со-
ставляющими минимизируются. Принципиально
возможно не регулировать угловое положение ИО в
процессе калибровки, а определять углы между на-
правлением ИО и плоскостями установочных элемен-
тов и выставлять соответствующим образом СИ на
платформе средства калибровки. Естественно, что
эти углы должны быть приведены в паспорте СИ.
В оптимальном варианте для средства воспроиз-
ведения ВФВ угол между направлением воспроизво-
димой величины и плоскостью платформы, на кото-
рой базируется СИ, должен быть строго фиксирован.
Тогда при соответствующей установке СИ могут быть
сведены к минимуму поперечные ИО составляющие
воспроизводимой ВФВ. Однако возможны случаи, ко-
гда выполнение этого условия не позволяет обеспе-
чить требуемую точность воспроизведения ВФВ, на-
пример, при воспроизведении постоянных линейных
ускорений и калибровке линейных акселерометров
методом поворота в гравитационном поле Земли. В
этом случае относительно поверхности установочной
площадки средства воспроизведения ускорения фик-
сируется направление составляющей ускорения сво-
бодного падения в данной точке Земли, вторая его со-
ставляющая перпендикулярна этому направлению и
является поперечной составляющей для калибруемо-
го прибора. При этом погрешность калибровки (по-
верки) СИ тем меньше, чем меньше его поперечная
чувствительность. Таким образом, здесь требование
малой поперечной чувствительности СИ являются об-
щим для режимов измерения и калибровки.
Калибровка СИ ВФВ путем изменения модуля вос-
производимой величины (после определения и вы-
ставки направления ИО) практически ничем не от-
личается от калибровки СИ скалярных величин. Это
же относится к определению функций влияния, за ис-
ключением присущей только СИ ВФВ поперечной
чувствительности. Для ее определения могут быть ис-
пользованы установки для воспроизведения ВФВ; СИ
устанавливается на них таким образом, чтобы ИО бы-
ла перпендикулярна направлению воспроизводимого
ускорения. Многокомпонентные СИ обычно калибру-
ются и поверяются по направлению каждой из ИО от-
дельно. Установки для задания ВФВ одновременно по
нескольким направлениям обычно используются
лишь как испытательные.
При определении динамических характеристик
СИ ВФВ с помощью соответствующих установках за-
дается требуемый закон изменения модуля величины
во времени. Общие подходы к методам калибровки
остаются теми же, что и при калибровке СИ скаляр-
ных величин, однако, как правило, существенно бо-
лее сложными являются установки для воспроизведе-
ния ВФВ. При этом возможно появление специфиче-
ских для конкретной установки погрешностей
калибровки. Во многих случаях важен правильный
124
выбор соотношений между динамическими характе-
ристиками СИ и характеристиками установки, ис-
пользуемой для его калибровки и ли поверки.
Реализация аппаратурной системы координат с
требуемыми точностными характеристиками в ряде
случаев играет важную роль в процессе калибровки.
В частности, при воспроизведении параметров дви-
жения методом линейно перемещающейся платфор-
мы отклонение от горизонтальной плоскости при ее
движении приводит к погрешности калибровки, вы-
званной появлением составляющей ускорения свобод-
ного падения по направлению ИО СИ (кроме погреш-
ности из-за поперечной чувствительности), что ведет
к повышению нижнего предела воспроизводимых па-
раметров. Аналогична ситуация имеет место при ка-
либровке акселерометров методом поворота в грави-
тационном поле Земли, когда подобный предел свя-
зан с точностью определения положения
горизонтальной плоскости.
На Земле в качестве опорной системы координат
предпочтительна система, в которой определена гори-
зонтальная плоскость и вертикаль места, рассматривае-
мая как направление, перпендикулярное горизонталь-
ной плоскости. Горизонтальная плоскость может вос-
производиться, как и эталоны основных единиц, в со-
ответствии со следующим, определением: „горизонталь-
ная плоскость—поверхность свободной жидкости". Вер-
тикаль места определяется с помощью средств задания
и измерения угла в 90°. Хотя для определения вертика-
ли часто используются различные приборы маятнико-
вого типа, этот путь вряд ли можно считать оптималь-
ным, т.к. переход от реализуемого с помощью маятника
вертикального направления к реальной вертикальной
плоскости, на которой базируется исследуемое СИ, мо-
жет быть сопряжен с относительно большими погреш-
ностями. Наиболее сложной является задача высокоточ-
ного однозначного определения двух фиксированных
направлений в горизонтальной плоскости.
Методы калибровки и поверки средств измерения
тензорных величин с полным учетом их специфики к
настоящему времени не проработаны, обычно калиб-
ровка осуществляется при таком задании ТФВ, когда в
главных осях она имеет только одну ненулевую компо-
ненту.
А.Е. Синельников, И.Б. Челпанов
125
Измерительная система (ИС)
Измерительная система (ИС) — совокупность оп-
ределенным образом соединенных между собой ли-
ниями связи средств измерений (СИ) (измеритель-
ных преобразователей, мер, измерительных коммута-
торов, измерительных приборов) и других
технических устройств (компонентов ИС), образую-
щих измерительные каналы (ИК), реализующая про-
цесс измерений и обеспечивающая автоматическое
(автоматизированное) получение результатов измере-
ний (выражаемых числом или кодом) в общем случае
изменяющихся во времени и распределенных в про-
странстве величин, характеризующих определенные
свойства (состояние) объекта измерений.
ИС обладают основными признаками СИ и явля-
ются их специфической разновидностью. Основны-
ми областями применения собственно ИС являются
научные исследования, испытания различных объек-
тов, учетные операции. В промышленно-технологи-
ческом применении ИС обычно являются составной
частью других более сложных структур — измеритель-
но-информационных систем, автоматизированных
систем управления технологическими процессами,
систем контроля диагностики, распознавания обра-
зов и др.
Наиболее крупной структурной единицей, для ко-
торой могут нормироваться метрологические харак-
теристики (MX), является ИК ИС. Он представляет
собой последовательное соединение СИ, образующих
ИС (некоторые из этих СИ сами могут быть многока-
нальными, в этом случае следует говорить о последо-
вательном соединении ИК указанных СИ). Такое со-
единение СИ, предусмотренное алгоритмом функцио-
нирования, выполняет законченную функцию от
восприятия измеряемой величины до индикации или
регистрации результата измерений включительно,
или преобразование его в сигнал, удобный для даль-
нейшего использования вне ИС, для ввода в цифро-
вое или аналоговое вычислительное устройство, вхо-
дящее в состав ИС, для совместного преобразования
с другими величинами, для воздействия на исполни-
тельные механизмы.
Типовая структура ИК включает в себя первичный
измерительный преобразователь, линии связи, про-
межуточный (унифицирующий) измерительный пре-
образователь, аналого-цифровой преобразователь,
процессор, цифро-аналоговый преобразователь. Раз-
личают простые ИК, реализующие прямые измере-
ния какой-либо величины, и сложные ИК, реализую-
щие косвенные, совокупные или совместные измере-
ния, начальная часть которых разделяется на
несколько простых ИК, например, при измерениях
мощности в электрических сетях начальная часть ИК
состоит из простых каналов измерений напряжения
и тока. Учитывая многоканальность систем, исполь-
зование одних и тех же устройств в составе различ-
ных ИК, последние можно выделить зачастую только
функционально и их конфигурация реализуется про-
граммным путем. Протяженность ИК может состав-
лять от десятков метров до нескольких сотен километ-
ров. Число ИК — от нескольких десятков до несколь-
ких тысяч. Информация от датчиков передается
обычно электрическими сигналами (реже — пневма-
тическими) — ток, напряжение, частота следования
импульсов. В некоторых областях измерений совре-
менные датчики имеют цифровой выход. При боль-
шой протяженности ИК используются радиосигналы.
Вторичную часть ИС после линий связи, соединяю-
щих ее с датчиками, обычно называют измерительно-
вычислительным (ИВК) или программно-техническим
(ПТК) комплексом. Значительная часть современных
ИВК (ПТК) строится на базе контроллеров, как пра-
вило, модульного исполнения, включающих в себя ана-
лого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи,
процессор, модули дискретной (бинарной) информа-
ции (входные и выходные), вспомогательные устрой-
ства. Промышленность выпускает достаточно универ-
сальные контроллеры, ИВК (ПТК), которые могут ис-
пользоваться для автоматизации работы различных
объектов. Состав, конфигурация, программное обес-
печение таких комплексов конкретизируется с учетом
специфики объекта. Выделение ИС в отдельный вид
СИ обусловлено рядом их особенностей, порождаю-
щих специфику их метрологического обеспечения. К
числу таких особенностей можно отнести:
а) комплектацию ИС как единого, законченного
изделия из частей, выпускаемых различными завода-
ми-изготовителями, только на месте эксплуатации. В
результате этого отсутствует заводская нормативная
и техническая документация (технические условия),
регламентирующая технические, в частности, метро-
логические требования к ИС как к единому изделию;
б) многоканальность систем, в результате чего
ГМКН может подлежать не вся ИС, а только часть ее
ИК;
в) разнесенность на значительные расстояния
(иногда на десятки, сотни километров) отдельных час-
тей ИС и, как следствие, различие внешних условий,
в которых они находятся;
г) возможность развития, наращивания ИС в про-
цессе эксплуатации или возможность изменения ее
состава (структуры) в зависимости от целей экспери-
мента, что по существу исключает или затрудняет
регламентацию требований к таким ИС в отличие от
обычных СИ (измерительных приборов и т.д.),
126
являющихся „завершенными" изделиями на момент
выпуска их заводом-изготовителем;
д) размещение отдельных частей ИС может быть
проведено на перемещающихся объектах. В результа-
те одна (передающая) часть ИС может работать с раз-
личными приемными частями в процессе одного и то-
го же цикла измерений по мере перемещения объек-
та. При выпуске и при эксплуатации таких ИС заранее
неизвестны конкретные экземпляры приемной и пе-
редающей частей, которые будут работать совместно,
тем самым отсутствует „стабильный" объект, для ко-
торого регламентируются метрологические требова-
ния;
е) использование первичных измерительных пре-
образователей, встроенных в технологическое обору-
дование, что затрудняет контроль ИС в целом;
ж) широкое использование в составе ИС вычис-
лительной техники, что выдвигает проблему аттеста-
ции алгоритмов обработки результатов измерений.
Особенности ИС делают особенно актуальной для них
проблему расчета MX ИК ИС по MX образующих их
компонентов. Метод расчета MX ИК ИС существен-
но зависит от того, относятся ли образующие его СИ
к линейным устройствам. Методы расчета нелиней-
ных систем зависят от вида нелинейности, возмож-
ности расчленения СИ на линейную инерционную и
нелинейную безынерционную часть и от других об-
стоятельств и отличаются большим разнообразием.
При расчете MX ИК ИС можно выделить следующие,
наиболее характерные этапы:
а) определение погрешности, обусловленной взаи-
модействием выходных и входных цепей последова-
тельно включенных СИ;
б) определение погрешности, вносимой линиями
связи;
в) определение погрешности, обусловленной вза-
имным влиянием ИК, если не приняты меры к исклю-
чению такого влияния;
г) приведение MX частей ИК, в том числе харак-
теристик погрешностей, указанных в а), б), в), к од-
ной точке ИК, как правило, к его выходу;
д) суммирование (объединение) MX составных
частей, в результате которого получают расчетные
значения MX ИК. Для расчета характеристик случай-
ной составляющей погрешности ИК, являющейся слу-
чайной функцией времени, в общем случае, необхо-
димо располагать данными о спектральном составе
погрешностей СИ, образующих ИК, и о динамических
характеристиках этих СИ, чтобы учесть эффект
фильтрации случайных погрешностей за счет инер-
ционности компонентов ИК. Если пренебречь эффек-
том фильтрации, то общее отношение между погреш-
ностью ИК и погрешностями образующих его компо-
нентов может быть представлено в виде
Jm-l( т
Z ГВ) •<?+<
<=v=i+1 J
где ~ среднее квадратическое отклонение по-
грешности ИК (все погрешности приведены к выхо-
ду); ст — среднее квадратическое отклонение погреш-
ности i -го элемента; ат — среднее квадратическое от-
клонение погрешности та-го элемента; Л, —
номинальный коэффициент преобразования j -го ком-
понента ИК; т — общее количество последовательно
соединенных компонентов, образующих ИК. Поверка
ИК ИС, как правило, осуществляется покомпонентно.
Литература:
1. Цапенко М.П. Измерительные информационные сис-
темы. — М.: Энергия, 1974.
2. Кузнецов В.П. Метрологические характеристики из-
мерительных систем. — М: Машиностроение, 1984.
3. Шенброт И.М., Гинзбург М.Я. Расчет точности систем
централизованного контроля. — М.: Энергия, 1970.
В.П. Кузнецов
127
Информационная технология в
метрологической деятельности
Информационная технология в метрологиче-
ской деятельности — последовательность действий,
операций, связанных со сбором, организацией, хра-
нением, обработкой, передачей и использованием ин-
формации для оценки результатов деятельности и
принятия решений. Цели развития информационных
технологий — сокращение затрат на получение фик-
сированных объемов информации или углубление со-
держательности, более полное использование полу-
ченной информации при фиксированных трудозатра-
тах. В метрологической деятельности местами
приложения информационных технологий являются
в первую очередь организация деятельности и управ-
ление ею на всех уровнях — учет, отчетность, плани-
рование, оценка состава и состояния ресурсов, веде-
ние массивов справочных и нормативных данных.
Применительно к метрологии можно выделить сле-
дующие этапы развития информационных техноло-
гий: стандартизация форм НД, регламентирующих по-
рядок передачи размеров единиц величин от первич-
ных эталонов рабочим эталонам и рабочим средствам
измерений (11Д на ГПС и НД на МП); разработка НД,
фиксирующих состав и форму представления отчет-
ных данных о результатах метрологической деятель-
ности, документов, оформляемых при проведении ти-
повых процедур в метрологии; разработка справоч-
ных баз данных, реестров объектов и субъектов
метрологической деятельности; классификация объ-
ектов и субъектов метрологической деятельности; ос-
воение персональных компьютеров, разработка авто-
матизированных баз данных, автоматизированных
систем для решения локальных информационных за-
дач отдельных пользователей; освоение средств теле-
коммуникации, создание корпоративной сети, корпо-
ративных информационных фондов и стандартных
автоматизированных систем. Метрологическая дея-
тельность в государственном устройстве является дея-
тельностью по управлению ОЕИ. Любая система
управления нуждается в двух разновидностях инфор-
мационного обеспечения: обеспечения информаци-
ей, регулирующей поведение объекта управления
(субъектов метрологической деятельности), и инфор-
мацией об объекте управления — его состоянии, ре-
зультатах деятельности, чувствительности к управ-
ляющим воздействиям.
Исходная целевая установка метрологической дея-
тельности — ОЕИ, предполагает установление единых
для всех субъектов деятельности правил поведения.
Технологическая связь всех средств измерений с эта-
лонами через систему передачи размеров единиц ве-
личин естественно обосновывает централизацию ус-
тановления этих правил. Высшей формой установле-
ния метрологических норм и правил является Закон
Российской Федерации „Об обеспечении единства из-
мерений". Закон в ст. 13 определил сферы государст-
венной ответственности за обеспечение единства из-
мерений как сферы распространения ГМ КН. Законом
определены субъекты и объекты метрологической дея-
тельности, установлены формы осуществления ГМКН.
Закон предопределил создание систем регистрации
объектов и субъектов деятельности в метрологии и ве-
дение соответствующих реестров. Объекты деятельно-
сти, они же объекты контроля и надзора, регистриру-
ют по результатам процедур утверждения (типы
средств измерений, НД по метрологии), аттестации
(МВИ), аккредитации (области аккредитации, пове-
рочно-технологическая база). Субъектов всех форм
деятельности в области метрологии регистрируют так-
же по результатам соответствующих процедур: аттеста-
ции (ГНМЦ); аккредитации на право поверки средств
измерений (ЦСМ, метрологические службы юридиче-
ских лиц); аккредитации на техническую компетент-
ность (по аттестации МВИ, по МЭ документации, ГЦИ
СИ, измерительные лаборатории разного профиля);
лицензирования юридических лиц на право метроло-
гической деятельности (производства, ремонта, про-
ката и продажи средств измерений). Организацию и
порядок проведения всех форм ГМКН регламентиру-
ют основополагающими НД. На уровне органов ГМС
информация об объекте управления формируется по
результатам процедур ГМКН. ГМН является постоян-
ной текущей деятельностью ЦСМ. Проверкам в по-
рядке ГМН подлежат все предприятия на территори-
ях, обслуживаемых ЦСМ. По результатам ГМН фор-
мируется характеристика состояния выполнения мет-
рологических норм и правил на всей территории
страны. В отчетных данных ЦСМ по результатам над-
зора фиксируют показатели, позволяющие оценить
представительность полученных результатов, харак-
тер и количество выявленных нарушений: выпуск не-
утвержденных типов СИ, применение неутвержден-
ных или неповеренных СИ, отсутствие или примене-
ние неаттестованных МВИ; характер и количество на-
рушений при определении количества отчуждаемых
товаров и требований к количеству фасованных това-
ров в упаковках. Там же представляются данные о санк-
циях, наложенных на нарушителей. Сопоставление ре-
зультатов надзора за несколько последовательных от-
четных периодов позволяет обнаружить положитель-
ную и отрицательную динамику нарушений
метрологических норм и правил. Сформированная по
результатам ГМН характеристика состояния выпол-
нения метрологических норм и правил в стране
детализирована по регионам, по отраслевой
128
принадлежности проверенных предприятий, по сфе-
рам государственного надзора (согласно статье 13 За-
кона РФ „Об обеспечении единства измерений"). Де-
тализация данных позволяет адресовать претензии
Госстандарта к руководителям соответствующих от-
раслей.
ГМК включает утверждение типа и поверку
средств измерений, лицензирование форм метроло-
гической деятельности. По результатам утверждения
типов средств измерений в Государственном реестре
средств измерений, допущенных к обращению на тер-
ритории России, накапливается информация о тем-
пах обновления средств измерений, поступающих в
обращение на территории России. Данные за несколь-
ко лет позволяют оценить тенденции прироста
средств измерений в разных видах и областях изме-
рений, строить прогнозы потребности в средствах их
поверки. Государственный реестр средств измерений
является базой данных, активно используемой метро-
логами, технологами предприятий при подборе
средств для решения своих измерительных задач, раз-
работчиками средств измерений при изучении кон-
курентоспособности своих разработок, для выбора
аналогов, оценки рынка. Поверка средств измерений
— самый массовый вид деятельности органов ГМС —
является наиболее оперативным и достоверным ис-
точником информации о текущем состоянии парка
средств измерений на всей территории страны, во
всех отраслях народного хозяйства, по всем сферам
ГМКН, по всем видам измерений. Отчетные данные
ЦСМ о результатах поверочной деятельности за не-
сколько лет дают характеристику соблюдения метро-
логической дисциплины, уровне метрологической
культуры на предприятиях отдельных регионов, от-
раслей, на предприятиях различных форм собствен-
ности. Один из характерных показателей — доля
средств измерений, забракованных по результатам по-
верки. По этому показателю оценивают степень защи-
щенности сфер государственной ответственности от
отрицательных последствий недостоверных резуль-
татов измерений. По изменению этого показателя во
времени можно судить о повышении или снижении
метрологической культуры конкретных субъектов
метрологической деятельности. Все метрологические
службы, проводящие поверку средств измерений,
включая органы ГМС, обязаны быть аккредитованны-
ми на право поверки. Реестры метрологических
служб, аккредитованных на право поверки, содержат
сведения об областях аккредитации, т.е. о тех видах
поверки, которые метрологической службе разреше-
но проводить. Данные о лицензировании метрологи-
ческой деятельности (изготовления, ремонта, прода-
жи и проката) позволяют оценить потенциал соответ-
ствующего вида деятельности, могут использоваться
при проведении маркетинга метрологических услуг.
Субъекты метрологической деятельности подлежат
инспекционному контролю со стороны организаций,
выдавших лицензии. Реестры субъектов метрологи-
ческой деятельности являются основой планирова-
ния инспекций. Все виды реестров постоянно актуа-
лизируются, что делает их мощными источниками
справочных данных. ГМС является субъектом хозяй-
ственной деятельности, располагающим материаль-
но-техническими, людскими, финансовыми ресурса-
ми, т.е. сама нуждается в управлении. Информацию о
метрологической службе как объекте управления со-
ставляют оценки состава, состояния и использования
ею своих ресурсов, эффективность ее деятельности.
В состав ГМС России входят более 100 ЦСМ и
9 ГНМЦ. ЦСМ выполняют функции органов ГМС Рос-
сии. Все субъекты ГМС после ликвидации системы
централизованного государственного управления ста-
ли хозяйственно самостоятельными. Однако за цен-
тральными органами управления сохранена ответст-
венность за соблюдение органами ГМС установлен-
ных метрологических норм и правил, финансовой
дисциплины, за обеспечение эффективности их дея-
тельности; ответственность за решение проблем, об-
щих для ГМС. В составе данных, периодически пред-
ставляемых в центральные органы управления, ЦСМ
и ГНМЦ представляют отчеты о финансово-экономи-
ческой деятельности, о результатах всех форм ГМКН.
В составе представляемых данных приводятся харак-
теристики используемых ресурсов — численность,
фонд заработной платы, стоимость основных средств.
При необходимости центральные органы управления
с привлечением метрологических институтов осуще-
ствляют разовые мероприятия по анализу отдельных
аспектов деятельности органов ГМС, информация о
которых не входит в состав периодической отчетно-
сти. К таким обследованиям можно отнести анализ
прейскурантов на оказание органами ГМС метроло-
гических услуг, анализ состояния поверочно-техноло-
гической базы ГМС, оценку метрологического обес-
печения решения крупных народно-хозяйственных
проектов. Все процедуры всех форм метрологической
деятельности обладают общей особенностью — они
многократно воспроизводятся во всех органах ГМС
по одним и тем же правилам. Это обстоятельство объ-
ясняет большое значение нормативной документации
как формы регулирования поведения органов ГМС.
Нормативная документация фиксирует устоявшиеся
отношения, нормативы, порядок выполнения проце-
дур, а также формы документов, составляемых при
проведении процедур и формы представления отчет-
ной информации. Система НД по метрологии — ха-
рактерный пример перехода количества в качество.
Структура ГМС развивалась и усложнялась по мере
развития народного хозяйства. С усложнением струк-
туры ГМС совершенствовалась система НД. В начале
70-х гг. XX в. большое распространение получили НД
на ГПС — документы, фиксирующие разрешенные от-
ношения между ГЭТ и рабочими эталонами, рабочи-
ми СИ. Поверочная схема естественным образом вы-
деляла из общей массы СИ только те, которые через
систему передачи размера единицы были связаны с
эталоном, стоящим во главе схемы. Разработка НД на
ГПС была первым шагом к классификации средств из-
мерений по принадлежности к областям измерений.
По мере разработки таких НД формировались более
крупные группировки — виды измерений. На первом
этапе (до 80-х гг.) разработка НД на ГПС не имела це-
лью классификацию. Разработчиками НД, как прави-
ло, были ученые хранители ГЭТ. Они просто фикси-
ровали сферы действия своих эталонов. В 1980 г. бы-
ли разработаны стандарты, устанавливавшие
требования к построению НД на ГПС и НД на МП:
ГОСТ 8.061-80 „ГСИ. Поверочные схемы. Построение
129
и содержание" и ГОСТ 8.042-83 „ГСИ. Нормативно-
технические документы на методики поверки средств
измерений. Требования к построению и содержа-
нию". Взамен последнего действует МИ 2526-99 „ГСИ.
Нормативные документы на методики поверки
средств измерений. Основные положения". МП так
же, как и ГПС определяет отношение между объек-
том и средством поверки. Это определение распро-
страняется только на два соседних поля поверочной
схемы, но более подробно. В частности, МП, кроме
основного средства поверки, определяет весь пере-
чень оборудования, необходимый для проведения по-
верки, включая вспомогательное оборудование, при-
способления. На основе совокупности указанных ви-
дов НД была построена классификация СИ по
группам. В основу классификации был положен Ком-
плект средств поверки (КСП) — минимальная совокуп-
ность оборудования, достаточная для поверки одно-
го экземпляра средств измерений. Совокупность ти-
пов СИ, которые могут быть поверены с применением
одного КСП, была определена как группа. Группы, ох-
ватываемые одной поверочной схемой, составили об-
ласти измерений Совокупности областей измерений,
сходные по физическим законам, используемым при
измерениях, были сгруппированы в 13 видов измере-
ний, которым в соответствии с рубрикатором инфор-
мационных изданий были присвоены двухразрядные
коды: 27 — 1ёометрические; 28 — Механические; 29 —
Расхода, вместимости, уровня; 30 -Давления и вакуу-
ма; 31 — Физико-химические; 32—Температурные и те-
плофизические; 33 — Времени и частоты; 34 — Элек-
трические и магнитные; 35 — Радиоэлектронные; 36 —
Виброакустические; 37 — Оптические; 38 — Параметр
ров ионизирующих излучений; 39 — Биомедицинские.
Последующее разьитис компьютерных технологий
стимулировало разработку классификации до уровня
групп. В 1994 г. была разработана рекомендация
МИ 2314-94 „ГСИ. Кодификатор групп средств изме-
рений". Реализованная в кодификаторе методика ко-
дирования групп связала в одном документе системы
НД на ГПС и НД на МП. Кодификатором были введе-
ны семиразрядные кодовые обозначения групп
средств измерений, описываемых наименованием
средств измерений, диапазоном измеряемой величи-
ны, характеристикой точности, ссылками на НД на
МП. Представление совокупности групп средств изме-
рений в форме перечня кодов удобно для системати-
зации перечней групп и позволяет формализовать, на-
пример, описание номенклатуры поверочных работ,
которые может выполнять конкретная поверочная ла-
боратория. Эта возможность была использована при
разработке образцов документов, представляемых при
аккредитации метрологической службы на право по-
верки или калибровки средств измерений. Кодирова-
ние перспективно для применения в компьютерных
технологиях. Структура кодов объектов классифика-
ции приведена на рис. 1.
До появления компьютерных технологий все де-
лопроизводство, учет и анализ состояния и исполь-
зования ресурсов ЦСМ, передачу в центральные ор
ганы управления информации о результатах метроло-
гической деятельности ЦСМ осуществляли на
бумажных носителях. В Госстандарте обработка отчет-
ных данных выполнялась в два этапа. В каждом из
12 регионов России был определен ЦСМ, в который
присылали свои данные ЦСМ, входящие в регион.
Обобщенные данные регионов стекались в один ЦСМ
(Ивановский), в котором был организован специаль-
ный отдел для обработки данных. Только после вто-
ричного обобщения данные передавались для приня-
тия решений. По этому пути проходили отчеты о ре-
зультатах деятельности ЦСМ, финансовая
отчетность, заявки на приобретение поверочного
оборудования, данные о составе и состоянии повероч-
но-технологической базы, об объемах вывоза средств
измерений на поверку за пределы обслуживаемых тер-
риторий, о средствах измерений, не обеспеченных
средствами поверки. В обратном направлении пере-
мещались данные о лимитах и выделенных фондах на
централизованно поставляемое поверочное оборудо-
вание. С принятием Закона РФ „Об обеспечении един-
ства измерений" были введены новые объекты учета
на уровне ЦСМ — лицензии предприятий на право
метрологической деятельности, аккредитация метро-
логических служб юридических лиц на право калиб-
ровки средств измерений. Трудоемкость ведения мас-
сивов данных, их обработки делапа актуальной любую
рационализацию в их представлении и обработке. На
начальных этапах распространения персональных
компьютеров органы ГМС и ГНМЦ создавали собст-
венные автоматизированные базы данных (АБД) для
обеспечения локальных задач — учет средств измере-
ний, составление и контроль соблюдения графиков
поверки, ведение прейскурантов метрологических ус-
луг и г.п. С ростом квалификации программистов бы-
ли созданы АБД государственных регистрационных
0000000
Код вила измерений_________
Код области измерений______
Код группы средств измерений
Разряд средства измерений по поверочной схеме
Рис. 1. Структура кода группы средств измерений
5 Зак 450
130
систем, такие как Государственный реестр средств из-
мерений; реестры метрологических служб юридиче-
ских лиц, аккредитованных на право поверки, реестр
ИД по ОЕИ, реестр МВИ, реестры субъектов метро-
логической деятельности. На этом этапе были созда-
ны профессиональные специализированные автома-
тизированные информационные системы (АИС),
представляющие общий интерес для метрологов. К
ним можно отнести несколько вариантов АРМ „Мет-
ролог („Автоматизированное рабочее место метроло-
га"), АИС „Указатель комплектов средств поверки",
АРМ „Метролог" — АИС, предназначенные для учета
состава и перемещения средств измерений на предпри-
ятии, планирования их мегрологичсского обслужива-
ния, оформления отчетных плановых., распорядитель-
ных документов главного метролога предприятия или
производственного объединения Отдельные АРМ
„Метролог" обеспечивают учег средств измерений, по-
ступающих на поверку из сторонних организаций, т.е.
могуг быть использованы в метрологических службах
юридических лиц, аккредитованных на право повер-
ки, в т.ч. ЦСМ. АИС „Указатель ком11лекгов средст в по-
верки" поддерживает классификацию видов, областей
и групп средств измерений, сведений о нормативных
комплектах поверочного оборудования, а также реша-
ет ряд актуальных для метрологов задач — комплекто-
вание поверочной лаборатории по заданной номенк-
латуре поверяемых средств измерений, оформление
документов для аккредитации метрол< >гических служб
юридических лиц на право поверки или калибровки
средств измерений, ведение реестров аккредитован-
ных метрологических служб юридических лиц.
Распространение компьютерных технологий обрат-
ной связью повлияло на разработку основополагаю-
щих ИД. устанавливающих формы документов, состав-
ляемых по результатам ГМКН, и при проведении ре-
гистрационных процедур, таких как лицензирование,
аккредитация, утверждение. В состав НД разработчи-
ки вводят машиноориентированные формы докумен-
тов. Заполнение и ведение реестров машиноориенти-
рованных документов потребовали дальнейшего раз-
вития классификаторов, предназначенных для
широкого использования. В этот период был создан
кодификатор типовых норм времени на поверку
средств измерений, распространяемый как в форме
АБД, так и в виде нормативного документа на бумаж-
ном носителе — МИ 2322-99 „ГСИ. Типовые нормы
времени на поверку средств измерений". Для исполь-
зования в автоматизированных системах учета
средств измерений, в реестрах лицензий на право из-
готовления, продажи и проката средств измерений
предназначен кодификатор типоразмеров средств из-
мерений. АБД и АИС распространяются на машинных
носителях и в форме справочников или отдельных
фрагментов на бумажных носителях. В 1998 г. в Гос-
стандарте России введена в рабочую эксплуатацию
корпоративная компьютерная сел ь. Сеть предназна-
чена для обслуживания Федерального фонда стандар-
тов (ФФС), организованного на базе информацион-
ных ресурсов научно-исследовательских институтов
Госстандарта России и информационных служб более
20 министерств и ведомств. Кроме задач ведения ФФС
ГНМЦ поручено организовать информационное взаи-
модействие с ТО. В каждом ЦСМ установлена рабочая
станция, связанная с сервером Госстандарта России.
Первая очередь сетевой АИС Дбснадзор" позволила
автоматизировать в ЦСМ оформление первичных до-
кументов по результатам проверок предприятий в по-
рядке Государственного надзора за соблюдением обя-
зательных требований государственных стандартов
(акт проверки, предписание, предупреждение). АИС.
реализована в среде Lotus Notes. Среда обеспечивает
возможность работы в режиме репликации, при ко-
тором первичные документы, оформляемые в ЦСМ,
одновременно формируются на сервере Госстандар-
та России. Внедрение сетевых технологий позволи-
ло системе государственного надзора за соблюдши
см обязательных требований Госстандарта России от-
казаться от бумажных форм отчетности. Вторая
очередь АИС „Госнадзор" обеспечивает сбор и об-
работку данных по результатам ГМКН, включая дея-
тельность ГЦИ СИ, поверку средств измерений в
ЦСМ и ГНМЦ. лицензирование метрологической дея-
тельности.
С. Б. Орлпи
131
Современные компьютерные измерительные
информационные технологии и их
теоретическая поддержка
Применение современных компьютеров и их про-
граммного обеспечения в измерительных процеду-
рах, интеллектуализация этих процедур ставит новые
теоретические проблемы, для решения которых тре-
буется соответствующее развитие теории измерений
за счет привлечения новых или совершенствования
применяемых инструментальных средств прикладной
математики. В статье рассматривается состав и струк-
тура этих средств.
1. Компьютерные измерительные информаци-
онные технологии
По-видимому, не требует специальных доказа-
тельств утверждение, что измерительные информа-
ционные технологии (ИИТ) являются разновидно-
стью информационных технологий [1] и выделяют-
ся из этого обширного множества тем, что носят
очевидный познавательный характер и реализуют
специфические процедуры, присущие только им:
— получение исходной измерительной информа-
ции в результате взаимодействия сенсоров с объектом
исследований (ОИ);
— преобразование измерительной информации с
заданной и гарантированной точностью;
— сопоставление сигналов измерительной инфор-
мации с размерами общепринятых единиц измере-
ния, оценка и представление характеристик погреш-
ности результатов измерения (остаточной неопреде-
ленности значений измеряемых величин).
Современные компьютерные измерительные ин-
формационные технологии (КИИТ) приобретают до-
полнительные новые свойства благодаря использова-
нию аппаратных и программных средств искусствен-
ного интеллекта [2, 3], в том числе, экспертных
систем, программ, реализующих нечеткую логику, не-
четкие вычисления, нейронные и генетические алго-
ритмы. Появляются реальные возможности хране-
ния, уточнения и оперативного использования мате-
матических моделей ОИ и измеряемых величин,
физических и метрологических моделей применяе-
мых средств измерений (СИ). Обеспечивается способ-
ность КИИТ к самообучению и адаптации к изменяю-
щимся условиям измерений. Оператор получает воз-
можность активно влиять на ход выполнения
методики измерений благодаря гибкому программи-
рованию и развитым средствам диалога, но в связи с
этим затрудняются возможности „опломбирования"
программ обработки данных с целью обеспечения их
сохранности и гарантий в отношении метрологиче-
ских свойств этих программ, как этого требуют нор-
мативные акты по вопросам обеспечения единства из-
мерений.
Любая самая совершенная и интеллектуальная КИ-
ИТ должна быть метрологически корректной и удов-
летворять требованиям системы обеспечения един-
ства измерений в соответствии с государственными
законодательными актами и международными норма-
тивными документами OIML, ISO, BIPM, EUROMET
и др.
Понятно, что для научной поддержки эффектив-
ного и метрологически корректного осуществления
новых возможностей КИИТ необходимо включение
в круг интересов теории измерений или развитие в
ее интересах разделов прикладной математики, адек-
ватных новым проблемам. Представляется естествен-
ным, что эти разделы математики должны быть адап-
тированы к специфическим особенностям теории и
практики измерений.
Тем не менее необходимо заметить здесь, что, не-
смотря на исключительную роль компьютерных тех-
нологий, которую они играют в развитии КИИТ, ком-
пьютеризация и интеллектуализация измерительных
технологий ит приводит и не может привести к расшире-
нию номенклатуры измеряемых физических величин, пока
отсутствуют соответствующие сенсоры, воспринимающие
первичную информацию от объекта в процессе непосредст-
венного взаимодействия с ним!
Расширение номенклатуры измеряемых величин
является важнейшей задачей развития ИИТ. Решение
этой задачи достигается путем разработки новых сен-
соров со стабильными и гарантируемыми свойствами.
Для научной поддержки этих работ соответствующие
разделы теории измерений должны впитывать в себя
в реальном времени по мере их появления все новей-
шие достижения фундаментальных наук физико-хими-
ческого и физико-математического профиля и всех со-
временных технологий в области создания и обработ-
ки материалов и сплавов, полупроводниковых и иных
микротехнологий, САПР-технологий. Эти проблемы
являются естественными и неизменными для теории
измерений на всех этапах ее развития. Обширность и
необозримое разнообразие этих проблем не позволя-
ет рассмотреть их в настоящей статье. Поэтому здесь
мы остановимся лишь на проблемах обеспечения КИ-
ИТ математическим инструментарием, совершенство-
вание которого происходит стремительными темпами.
С целью аргументации перечня новых проблем ма-
тематической поддержки современной теории изме-
рений ниже приводится структура КИИТ, раскрыва-
ется ее содержание, и некоторые из задач поясняют-
ся подробнее.
132
2. Структура и содержание КИИТ
Основные элементы структуры и укрупненного со-
держания КИИТ представлены на рис. 1. Компонен-
ты вектора x(t) суть изменяющиеся во времени вели-
чины, подлежащие измерению при исследованиях
или испытаниях природного или рукотворного ОИ
Через e(t), g(t) и Дх(/) обозначены векторы погреш-
ностей.
Первым элементом цепочки физических преобра-
зований каждой измеряемой величины является сен-
сор, который непосредственно взаимодействует с
ОИ. Компонентами вектора e(t) являются погрешно-
сти, действующие на входах сенсоров. Эти погрешно-
сти порождены взаимодействием сенсоров с ОИ, по-
мехами и пульсациями, однородными с измеряемыми
величинами, неадекватностью модели ОИ, принятой
при проектировании процедуры измерений, а также
возможной диффузностью измеряемых ыличин и не-
адекватной этой диффузности постановкой задачи из-
мерений.
Результатом последовательности физических пре-
образований сигналов измерительной информации в
сечении в схемы рис. 1 является вектор сигналов
y(f ), как правило, иного рода, нежели сигналы соот-
ветствующих измеряемых величин. Пусть АР — реаль-
ный многомерный оператор, описывающий всю це-
почку физических преобразований, вектор g(t) — век-
тор аддитивных погрешностей. Тогда
y^ApxCO+VW-*-^). (1)
Сопоставлению с размером единиц измерения
подлежат компоненты вектора х(<), поэтому следую-
щим этапом преобразования должно быть восстанов-
ление (реконструкция) сигналов измеряемых вели-
чин с помощью аппаратных или программных
средств. В общем случае это действие сводится к ре-
шению уравнения (1) относительно x(t) в условиях
действия погрешностей Ар e(f)+ g(t), и его желатель-
но выполнять в реальном масштабе времени с помо-
щью аналоговых или цифровых устройств.
В статическом режиме измерений оператор АР
вырождается в линейную или нелинейную функцию
— статическую характеристику преобразования. Тогда
восстановление (реконструкция) сигнала состоит в
фильтрации помех и пульсаций, в коррекции систе-
матических составляющих погрешностей, в масшта-
бировании или, если статическая характеристика пре-
образования нелинейна, — в ее линеаризации. В этом
режиме измерений линеаризация есть не что иное,
как решение уравнения, порожденного характеристи-
кой преобразования.
В динамическом режиме измерений оператор АР
искажает форму сигналов измеряемых величин, и для
их восстановления (реконструкции) приходится при-
менять специальные меры, которые будут описаны в
разделе 4 настоящей работы.
Для сопоставления восстановленных сигналов из-
меряемых величин с размером единиц их измерения
(то есть для выполнения собственно измерения) не-
обходимы шкалы, которые устанавливаются для каж-
дой измеряемой величины путем калибровки или по-
верки СИ в соответствии с поверочными схемами, на
вершине которых находится национальный (государ-
ственный или межгосударственный) эталон. Калиб-
ровка в статическом режиме обычно выполняется так,
чтобы шкалы измеряемых величин были равномер-
ными.
Для величин, подлежащих косвенным измерени-
ям, связь с государственными эталонами на рисунке
не показана, поскольку такая связь может быть уста-
новлена не всегда, и физическое воспроизведение об-
разцовых значений подобных величин в большинст-
ве случаев невозможно, как например, физическое
воспроизведение коэффициента полезного действия
с помощью эталона.
На финише описанных преобразований после со-
поставления со шкалами и выполненных вычислений
в сечении С схемы рис. 1 появляются результаты из-
мерений, отягощенные погрешностями, ь состав ко-
торых свой вклад внесли не только сенсор и другие
измерительные преобразователи, а также средства
вычислительной техники и их программное обеспе-
чение.
В КИИТ, предназначенных для испытания изде-
лий, обычно предусматривается возможность воздей-
ствия наОИ. Несомненно, эффективным является ис-
пользование априорных сведений о модели ОИ для
снижения погрешности результатов измерений и ди-
агностирования его состояния. Естественно, что эти
сведения могут быть уточнены в процессе штатных из-
мерений. Сведения о модели измерительных каналов
необходимы для оценки погрешности результатов из-
мерений, особенно, когда под воздействием средств
искусственного интеллекта структура измерительных
каналов может адаптивно перестраиваться примени-
тельно к изменяющейся ситуации. Таким же адаптив-
ным может быть управление вычислительными про-
цедурами.
В целях обеспечения сохранности метрологиче-
ских свойств СИ целесообразно предусмотреть в со-
ставе КИИТ программные средства метрологическо
го мониторинга и поручить им контроль графика пе-
риодической калибровки или поверки, а также
прогнозирование и диагностику деградации метроло-
гических свойств средств измерений.
Эти и многие другие новые обстоятельства, при-
шедшие в измерительные процедуры вместе с совре-
менными вычислительными и программными средст-
вами, ставят принципиально новые задачи перед тео-
рией измерений, для решения которых должны
привлекаться специфические разделы смежных об-
ластей знаний, в основном, из вычислительной и при
кладной математики, из области искусственного ин-
теллекта и теории программирования.
3. Развитие разделов теории измерений, поддер-
живающих КИИТ
Для эффективного использования современных и
перспективных возможностей КИИТ могли бы быть
полезными усилия по привлечению и разработке в ин-
тересах теории измерений задач из списка, который
133
приводится ниже. Даны ссылки на публикации, в ко-
торых упоминаются отдельные задачи или делались
попытки их решения с разной степенью подробности
и успеха. Некоторые из перечисленных задач пояс-
няются ниже в пп. 4-7.
• Решение некорректных и плохообусловленных
задач, к которым относятся:
— восстановление (реконструкция) сигнала изме-
ряемой величины в динамическом режиме по сигна-
лу на выходе СИ и известному оператору преобразо-
вания этого СИ [4-6] с оценкой характеристик по-
грешности результата; из-за плохой обусловленности
задачи ее решение оказывается гиперчувствительным
по отношению к погрешностям, с которыми известен
оператор СИ, и к погрешностям, накопленным на
всех этапах преобразования сигналов измерительной
информации;
— идентификация рукотворных или природных
О И, для испытаний или исследований которых при-
меняется КИИТ, с оценкой характеристик погрешно-
сти получаемых результатов;
— идентификация статических и динамических ха-
рактеристик преобразования СИ, подлежащих норми-
рованию и контролю при метрологических испытани-
ях с оценкой характ еристик погрешности результатов
этой идентификации в форме, регламентированной
мет рологическими нормативными документами [7,8].
• Разработка методов и приемов формализации и
использования математических моделей объекта из-
мерений (или) сигналов измеряемых величин с це-
лью:
— регуляризации решения перечисленных выше
некорректных или плохообусловленных задач [9-10];
— повышения точности результатов измерений
[П];
— диагностирования состояния объекта измере-
ний и адаптации измерительной процедуры к изме-
няющемуся состоянию;
— диагностирования состояния применяемых СИ.
• Разработка и адаптация к решению измеритель-
ных задач современных методов математической об-
работки данных, устойчивых по отношению к апри-
орной неопределенности свойств объекта измерений
и (или) сигналов измеряемых величин:
— не зависящих от распределения статистических
методов обработки данных (определение доверитель-
ных интервалов неопределенности для измеряемых
величин, метрологических характеристик СИ, пара-
метров и характеристик объекта измерений, провер-
ка сложных статистических гипотез об измеряемых
величинах, о метрологических характеристиках и об
их параметрах с гарантированными вероятностями
ошибок первого и второго рода) [12, 13];
— методов аналоговой и цифровой фильтрации
сигналов в реальном времени, в том числе, методов
обемечения устойчивости оптимальных фильтров по
отношению к неопределенности априорной инфор-
мации, методов проектирования и аппаратной реали-
зации обратных регуляризированных фильтров для
решения задачи восстановления (реконструкции) сиг-
нала измеряемой величины в темпе получения дан-
ных;
— методов, алгоритмов и программ, реализующих
так называемые „мягкие вычисления", то есть дейст-
вия с нечеткими переменными, нечеткую логику, ней-
ронные и генетические алгоритмы, а также вычисле-
ния с участием оператора в диалоговом режиме.
Разработка методов нормирования, представле-
ния, определения и контроля характеристик погреш-
ности результатов всех перечисленных выше видов
обработки данных, если эта обработка выполняется
с конечной целью получения результатов прямых, кос-
венных, совместных или совокупных измерений [14,
15].
• Разработка методов оценки гарантированного
риска ошибочных выводов, формулируемых в итоге
выполнения любого из перечисленных выше видов
математической обработки результатов прямых изме-
рений, если измерения и их обработка выполняются
с конечной контрольной целью (сертификационные
испытания, арбитражный надзор, экологический мо-
ниторинг, криминалистика и т.д.).
- В связи с тем. что в КИИТ вместе с компьютера-
ми и программным обеспечением проникают инстру-
ментальные средства интервальных, нейронных и
генетических вычислений, нечеткой логики, нечетких
ЭТАЛОНЫ
I ---------------------- ।
| Шкалы Единицы ।
Рис. 1. Последовательность операций в измерительной технологии
===============^== 134 -.
переменных, которые вносят определенную дисгармо-
нию в традиционную теоретико-вероятностную систе-
му метрологического анализа средств и методик изме-
рений, возникает задача разработки общей непроти-
воречивой теории прогнозирования, расчета,
экспериментального определения и контроля харак-
теристик погрешности СИ и результатов измерений,
которая должна гармонизировать различные формы
представления и обработки данных при проектирова-
нии и реализации современных КИИТ.
Возможны следующие пути такой гармонизации:
— разработка методов метрологического сопрово-
ждения современных программ обработки результа-
тов прямых измерений;
— разработка методов совместного согласованно-
го использования вероятностного подхода и форма-
лизма нечетких переменных на всех этапах метроло-
гического анализа КИИТ и обеспечения единства из-
мерений;
— разработка практически приемлемой теории по-
грешностей измерений и теории измерений в целом
в аксиоматике нечетких переменных.
Ниже в п. 7, данная проблема рассматривается
подробнее.
4. Задача восстановления (реконструкции) сиг-
нала измеряемой величины как основная задача
теории измерений
Впервые задачу решения операторного уравнения
(1) с целью „редукции к идеальному прибору" сфор-
мулировал Рэлей в 1871 г. В математической физике
эта задача называется „обратной задачей" и, по сути
дела, имеет целью восстановление причины по след-
ствию. Первым известным примером решения подоб-
ной задачи было довольно точное предсказание
Дж. Адамса и У. Леверье в 1845 г. положения еще не
обнаруженной планеты Нептун по отклонению орби-
ты Урана от расчетной. Через год ее обнаружил И. Гал-
ле в 52’ от предвычисленного места. Здесь фактиче-
ски был использован естественный измерительный
прибор размером с солнечную систему, а роль стрел-
ки, отклонение которой отметили Адамс и Леверье,
сыграла орбита Урана. Роль реального оператора Ар
этого „СИ" сыграла зависимость траектории орбиты
Урана от параметров орбиты и от массы Нептуна. За-
дача решалась в условиях неопределенности, вызван-
ной отсутствием информации о массе и радиусе ор-
биты неизвестной планеты. Понятно, что характери-
стики подобной неопределенности не могли, да и
сейчас не могут быть выражены в теоретико-вероят-
ностных терминах.
Формально вектор восстановленных сигналов из-
меряемых величин может быть записан с помощью
обратного оператора:
*(0= а;1 (АР • *(0+ АР' «(0+ g(0)- (2)
Известно, что физически реализуемый оператор
Ар вполне непрерывен. Обратный ему оператор А”1,
вообще говоря, не будет физически реализуемым и не-
прерывным. Поэтому задача решения уравнения (1)
является некорректной или плохообусловленной [5,
9]. Ситуация усугубляется еще и тем, что на практике
оператор Ар известен неточно. Вместо него придет-
ся обращать иной оператор а , который может быть
известен из следующих источников:
— из технической документации на СИ — номиналь-
ный оператор;
— экспериментально, как результат идентифика-
ции математической модели СИ;
— путем расчета или моделирования, как операто-
ра последовательного соединения измерительных
преобразователей, по известным номинальным опе-
раторам этих преобразователей.
В этих условиях для получения устойчивого физи-
чески осмысленного решения необходимо использо-
вать методы регуляризации, общие принципы кото-
рой разработаны А.Н. Тихоновым [9]. Эти принципы
заключаются в том, что в оператор исходного урав-
нения вносится незначительное искажение, такое, ко-
торое делает задачу корректной, но при этом получен-
ное устойчивое решение получает пренебрежимо ма-
лое смещение. Наиболее распространенными
приемами регуляризации уравнения (1) являются:
— конечномерная аппроксимация оператора и
(или) искомого решения — чаще всего применяется
при идентификации [7]; размерность аппроксимации
подбирается путем направленного перебора в сторо-
ну ее увеличения с остановкой по формализуемому
критерию; такое направление перебора соответству-
ет монотонному ухудшению обусловленности задачи;
— конструирование параметрического семейства
операторов А а д> 0 , сходящегося к оператору решае-
мого уравнения при а->0 > таким образом, чтобы ка-
ждый оператор семейства имел непрерывный обрат-
ный оператор; общие рецепты выбора подходящего
значения этого параметра, именуемого параметром ре-
гуляризации, отсутствуют;
— использование в качестве регуляризирующего
фактора априорной информации о характеристиках
погрешности (принцип минимального модуля [10])
и (или) о свойствах искомого решения;
— вовлечение в процесс решения человека-иссле-
дователя через средства обеспечения диалога с компь-
ютером; устойчивое решение находится путем пере-
бора размерности конечномерной аппроксимации или
значений параметра регуляризации по второму мето-
ду; перебор ведется в направлении монотонного ухуд-
шения обусловленности и прекращается исследовате-
лем на основе личного опыта и интуиции; этот прием
используется в случаях, когда априорная информация
о решении и критерий останова не могут быть форма-
лизованы [10, 16].
Любое из описанных действий может быть описа-
но как действие некоторого регуляризированного об-
ратного оператора на вектор сигналов у(0. В качест-
ве общего обозначения такого оператора будем ис-
пользовать А^1. Тогда
*(0= А’^Ар • х(г)+ Ар 4)+ g(t)),
и погрешность
Ax(t)=x(t)~ *(0= [А^Ар - Ejc(O+ A'IApe(t)+ A^g(z),
(3)
135
где е —оператор тождественного преобразования.
Из общих соображений понятно, что обратный ре-
гуляризирующий оператор должен обладать фильт-
рующими свойствами. В связи с этим устройство, реа-
лизующее этот обратный оператор, естественно назы-
вать в общем случае обратным фильтром.
Перечисленные выше приемы регуляризации занима-
ют большое время, поэтому для практического приме-
нения обратного фильтра желательно, чтобы он был
физически реализуемым и мог действовать в реальном
времени в темпе получения данных, как это происхо
дит, например, в его частном воплощении в стрелоч-
ных измерительных приборах.
Из выражения (3) следует, что в общем случае по-
грешность результатов прямых измерений есть сумма
составляющих:
— составляющая мультипликативного характера,
вызванная отличием реального оператора от номи-
нального (или иного, полученного экспериментально
или расчетным путем), а также погрешностями реали-
зации (аппаратной или программной) регуляризиро-
ванного обратного оператора;
— составляющая аддитивного характера, которая
есть сумма преобразованных погрешностей e(t) и g(f).
Оценка характеристик вектора погрешностей
Дх(/) (или остаточных неопределенностей значений
измеряемых величин) сильно затруднена двумя обстоя-
тельствами:
— практическим отсутствием способов оценки ха-
рактеристик погрешности, вносимой регуляризацией
исходного уравнения, особенно, в случаях, когда для
решения уравнения (1) привлекается человек—иссле-
дователь;
— возможной несогласованностью представления
необходимых для этого исходных данных (характери-
стики процессов x(t), y(t) и g(t), а также характери-
стики различия операторов д , Ар и А а могут быть
заданы в неодинаковой форме: детерминистской, не-
четкой или теоретико-вероятностной).
Как видно из существа задачи восстановления (ре-
конструкции) сигнала измеряемой величины или, по
Рэлею, ..редукции к идеальному прибору", ее цели и со-
держание имеют ярко выраженную познавательную на-
правленность.
Некорректность задачи и принципиальные трудно-
сти оценки остаточной неопределенности ее решения
есть отражение в математической форме тех извечных
препятствий, которые воздвигает Природа перед лю-
бознательным, но несовершенным человечеством в
его попытках овладеть ее тайнами, ибо все раскрытые
тайны Природы человек обращает против себя. Здесь
уместно привести мнение русского философа Вл. Со-
ловьева, выраженное им в стихотворной форме:
Природа с красоты своей
Покрова снять не позволяет.
И ты машинами не вынудишь у ней,
Чего твой дух не угадает!
Таким образом, математический формализм задачи
реконструкции сигнала измеряемой величины в самом
общем виде отражает философскую сущность и диалек-
тический характер познавательного процесса, две его
противоположные философские ипостаси: движение
к познанию и препятствия, которые нужно преодоле-
вать в этом движении. Это обстоятельство позволяет
считать, что задача реконструкции сигнала измеряе-
мой величины является исключительной особенно-
стью теории измерений. Именно эта особенность вы-
деляет теорию измерений среди других наук. Таким об-
разом можно утверждать, что теория измерений играет
значительную роль в общей теории познания. В част-
ности, теория измерительно-вычислительных ком-
плексов сверхвысокого разрешения, представленная в
работе [16], строится на основе проблематики рекон-
струкции сигналов измеряемых величин.
Здесь следует отме тить, что к решению уравнения
(1) сводится еще одна задача, заслуживающая включе-
ния в круг задач теории измерений [1]. Это задача
идентификации, которая состоит в эксперименталь-
ном определении параметров математической модели
объекта измерений или метрологических характери-
стик СИ. В этом случае предполагаются известными
входные сигналы *(<) и реакция на них, то есть вы-
ходные сигналы y(i). возмущенные погрешностями.
Искомым является оператор Ар. Эта задача также не-
корректна . Однако удовлетворительная устойчивость
решения может быть достигнута в тех случаях, когда
— идентификация объект а или СИ производи тся не
в режиме их штатной работы, но в специальных усло-
виях спланированного эксперимента,
— известна и формализована априорная информа-
ция о модели;
— имеется возможность синтезировать тестовые
сигналы x(t) специальной формы и подать их на соот-
ветствующие входы.
Наименее разработанными задачами современной
теории измерений, связанными с проблемой реконст-
рукции сигналов измеряемых величин, являются:
— проектирование физически реализуемых в ана-
логовом или цифровом виде регуляризированных об-
ратных филы ров, способных к решению уравнения (1)
в темпе получения данных;
— оценивание характеристик погрешности (неоп-
ределенности) решения уравнения (1), как того тре-
буют международные и национальные метрологиче-
ские нормативные документы и законодательные ак-
ты;
— формализация и эффективное использование ап-
риорной информации для регуляризации и решения
указанных задач [11].
Аналогичное заключение может быть в значитель-
ной степени отнесено и к задаче идентификации.
Если целью идентификации является текущая кор-
ректировка математической модели ОИ, содержащей -
ся в базе знаний, то ее придется выполнять в режиме
нормальной работы в реальном времени при имею-
щихся входных сигналах, форма которых обычно по-
рождает плохую устойчивость решения. Здесь, конеч
но, может помочь информация о модели объекта, ко-
торая постоянно обновляется в системах, снабженных
средствами самообучения.
Если целью идентификации является определение
или контроль метрологических характеристик СИ
(таких, как полные динамические характеристики
или статические характеристики преобразования), то
136
здесь актуальными являются вопросы определения ха-
рактеристик погрешности, поскольку это связано с
обеспечением требуемой достоверности передачи
размеров единиц измерения и с необходимостью уре-
гулирования взаимных претензий производителя и
потребителя.
Представляется перспективным формулировать
задачу измерений как задачу идентификации парамет-
ров математической модели ОИ. Такая постановка за-
дачи и ее решение в ряде случаев может привести к
практически полному устранению влияния неинфор-
мативных параметров объекта на результат измере-
ния других его параме тров. В этих ситуациях модель
объекта долж на быть известна, и устойчивость реше-
ния будет обеспечена фактической конечномерной
аппроксимацией исходной задачи, поскольку отыски-
ваются значения ограниченного количества парамет-
ров известной модели.
5. Математическая обработка измерительной
информации
В настоящем разделе мы рассмотрим лишь неко-
торые актуальные для теории измерений проблемы:
— статистическую обработку данных в условиях от-
сутствия априорной информации о плотности рас-
пределения измеряемых величин и погрешностей;
— эффективное использование при обработке дан-
ных априорной информации о взаимосвязи между из-
меряемыми величинами;
— определение характеристик погрешности ре-
зультатов вычислений.
Важные проблемы обработки данных с целью ре-
шения уравнения (1) рассмотрены в предыдущем раз-
деле. Математическая обработка нечетких перемен-
ных обсуждается ниже в разделе 7.
• Информация о плотности распределения изме-
ряемой величины или погрешности необходима для
вычисления эффективных точечных оценок парамет-
ров. для определения доверительных интервалов и
для проверки сложных статистических гипотез о зна-
чениях измеряемых величин или о метрологических
характеристиках СИ с обеспечением гарантирован-
ных значений вероятностей ошибок первого и вто-
рого рода.
Обычно такая информация отсутствует, и иссле-
дователи выдвигают мало обоснованные гипотезы о
виде плотности распределения. Поскольку объема вы-
борочных данных для корректной проверки этих ги-
потез бывает недостаточно, чаще всего выдвигают
предположения о нормальности или равномерности
распределения. Произвол в априорных предположе-
ниях частично смягчается путем применения робаст-
ных методов, которые предусматривают выдвижение
гипотез о принадлежнос ги плотности распределения
некоторому классу плотностей. Однако и такие пред-
положения проверить довольно трудно. Поэтому ра-
дикальным средством, которое можно рекомендовать
к применению в КИИТ, является использование ста-
тистических методов оценивания и проверки стати-
стических гипотез, свободных от вида плотности рас-
пределения (distribution-free — методы).
Для КИИТ наиболее информативными являются
интервальные оценки, поскольку в отличие от точеч-
ных они представляют собой характеристику неопре-
деленности результата. Поэтому ниже мы рассмотрим
методы определения границ доверительных интерва-
лов, не зависящие от вида плотности распределения.
Удобными для определения интервала неопреде-
ленности значения измеряемой величины или по-
грешности являются непараметрические толерант-
ные пределы, которые суть границы доверительного
интервала, накрывающего искомый интервал с задан-
ной вероятностью вне зависимости от вида закона
распределения. Доказано, что при достаточном объ-
еме выборки в качестве этих границ используются вы-
борочные значения, крайние или близкие к ним [12].
Единственное условие: непрерывность распределе-
ния. Недостаток: требуется значительный объем вы-
борки, исчисляемый десятками.
Bootstrap — метод позволяет строить доверитель-
ные интервалы с заданной доверительной вероятно-
стью для любых параметров плотности распределения
при ограниченных объемах выборки порядка десяти
и даже меньше [17]. Несмотря на критику и обвине-
ния в недостаточной корректности метода, проверка
его работоспособности на модельных примерах дает
положительный результат.
Если статистическая обработка данных выполня-
ется с целью проверки сложных гипотез, то есть гипо-
тез, формулируемых в виде неравенств, плотность рас-
пределения погрешностей и помех неизвестна, и при
этом необходимо обеспечить гарантированные уров-
ни рисков обоего рода, то эта проблема решается при-
менением последовательных методов [13], подобных
известному методу последовательного анализа, разра-
ботанному А. Вальдом для проверки сложной гипоте-
зы о вероятности. В работе [13] изложен пример под-
хода к проверке сложных гипотез, основанный на при-
менении фидуциальпых вероятностей, введенных
Р. Фишером на множестве доверительных интервалов
[18]. Если эти доверительные интервалы построены
методом, обеспечивающим их независимость от вида
плотности распределения, например, bootstrap [17],
то благодаря этому обеспечивается независимость от
распределения результатов проверки сложных гипо-
тез и декларированных гарантий.
• При измерении нескольких величин, представ-
ляющих параметры или свойства одного ОИ, инфор-
мация о функциональной или корреляционной связи
между ними может быть эффективно использована
для повышения точности измерений [11], поскольку
такая информация эквивалентна дополнительно вы-
полненным измерениям. Кроме того, эту информа-
цию удобно использовать на каждом цикле измерения
всех величин в качестве проверочного условия для об-
наружения неисправностей не только объекта, но и
измерительной системы.
Статическая взаимосвязь между измеряемыми ве-
личинами может быть представлена одним или не-
сколькими равенствами вида:
/(х1,х2,...,х4)-с = Д/, (4)
где XpXg.—.Xj —измеряемыевеличины,компонен-
ты вектора х; с — постоянное число; А/ — величина,
отражающая неопределенность информации.
Источником подобной априорной информации о
свойствах природного объекта является интуиция ис-
137
следователя и фундаментальные научные знания. Ин-
формация о параметрах и свойствах рукотворных объ-
ектов может быть получена от проектировщиков, по
расчетам и чертежам которых изготовлены эти объ-
екты. Степень неопределенности априорной инфор-
мации может быть различной и выражаться по-раз-
ному.
Так, если соотношения между величинами носят
фундаментальный характер, как например, соотноше-
ния между сторонами прямоугольного треугольника
или равенство, которому подчиняется сумма внутрен-
них углов многоугольника, то неопределенностью та-
кой информации в большинстве случаев можно пре-
небречь.
В других случаях причинами неопределенности
модели и равенств типа (2) могут быть:
— недостаточная подробность модели ОИ, выну-
жденное или преднамеренное пренебрежение отдель-
ными параметрами и связями между ними;
— трудности формализации;
— технологические отклонения от проекта, неиз-
бежно возникающие при изготовлении технических
объектов.
Для представления характеристик таких неопре-
деленностей традиционно применялись либо детер-
министские формы в виде неравенств |д/| < d, либо
вероятностные характеристики. Однако, строго гово-
ря, перечисленные причины неточного знания моде-
ли объекта не дают оснований к применению вероят-
ностных характеристик для описания неопределен-
ности, вызванной этими факторами. Подобную
информацию, как правило, получают путем опроса
экспертов, которые имеют возможность характери-
зовать свои интуитивные представления, основанные
на богатом опыте и знаниях, лишь в лингвистических
терминах, для формализации которых существует и
развивается теория нечетких множеств и нечетких пе-
ременных.
В работе [11] приводятся примеры использования
информации вида (2) в программах статистической
обработки данных с целью уменьшения погрешностей
результатов. Эти примеры выполнены для трех видов
представления информации и характеристик ее не-
определенности: фундаментальные равенства, равен-
ства с вероятностным представлением характеристик
их неопределенности, нечеткие равенства, представ-
ленные функциями принадлежности. В последнем слу-
чае возникают некоторые затруднения совместного
использования теоретико-вероятностного и статисти-
ческого формализма с нечетким. Эту несогласован-
ность придется преодолевать в рамках теории изме-
рений одним из путей, указанных выше в конце п. 3.
Представляются перспективными исследования и
разработка в рамках теории измерений методов, ал-
горитмов и программ использования в указанных це-
лях динамических взаимосвязей между изменяющими-
ся во времени измеряемыми величинами.
• Непременной составляющей средств метрологи-
ческой поддержки КИИТ должны быть методы и сред-
ства прогнозирования, нормирования, и определения
характеристик погрешности результатов всех вычис-
лений, выполняемых при реализации КИИТ с целью
получения результатов измерений независимо от ви-
да алгоритмов, по которым эти вычисления осуществ-
ляются. В частности, в число программ вычислений,
подлежащих метрологическому надзору, входят про-
граммы, которые реализуют такие алгоритмы обработ-
ки данных, как нейронные и генетические. Вопросы
их эффективного применения в КИИТ и метрологи-
ческого анализа должны обяза тельно войти в состав
проблем теории измерений.
Что касается методов определения характеристик
погрешности результатов традиционных вычисле-
ний, то наиболее подготовленными к дальнейшему
развитию являются методы, обеспечивающие сопро-
вождение результатов вычислений характеристиками
неопределенности. Такой подход рекомендован 1FIP
(International Federation of Information Processing), и
этот же подход в работах [14, 15] предлагается при-
менить к программам вычисления результатов косвен-
ных измерений. Автоматическое сопровождение ка-
ждого результата сообщением о его погрешности
обеспечивается при выполнении вычислений по пра-
вилам и программам интервальной арифметики. В на-
стоящее время разработка теории интервальных вы-
числений, их программной реализации и приложе-
ний продвинута достаточно далеко [19] и в полной
мере может использоваться в интересах теории и
практики измерений.
6. Теоретическая поддержка решения новых
метрологических проблем КИИТ
Актуальными вопросами теоретической поддерж-
ки решения новых проблем метрологического обес-
печения от КИИТ являются:
— принципы регламентации метрологических ха-
рактеристик СИ, методы экспериментального опре-
деления и контроля метрологических характеристик,
согласованные с требованиями обеспечения единст-
ва измерений, а также с требованиями документов
[20] к форме выражения неопределенности резуль-
татов измерений;
— расчетные методы прогнозирования метрологи-
ческих характеристик многоблочных СИ для стати-
ческого и динамического режима измерений в реаль-
ных условиях эксплуатации по метрологическим ха-
рактеристикам отдельных блоков на этапе
проектирования или при адаптивной рекомбинации
многоблочных СИ под управлением от средств искус-
ственного интеллекта;
— расчетные методы прогнозирования и опреде-
ления характеристик неопределенности измерений,
установленных в документе [20], в статическом и ди-
намическом режимах измерений с учетом искажений,
вызванных взаимодействием СИ с ОИ, помех, влия-
ния окружающей среды, возможной адаптивной ре-
комбинации структуры СИ, поправок и коррекции те-
кущих результатов;
— методы регламентации и определения характе-
ристик погрешности (неопределенности), вносимой
программами обработки данных [ 14], перечень кото-
рых приведен выше в пп. 3-5;
— методы, гарантирующие требуемый уровень до-
верия (degree of belief) к выводам, которые формиру-
ются при поверке и калибровке СИ, а также при вы-
полнении интеллектуальных измерений;
5* Зак. 450
138
— гармонизация всех перечисленных методов на
всех стадиях метрологического обеспечения КИИТ
с целью создания непротиворечивой, внутренне пол-
ной, преемственной и приспособленной к практиче-
ской реализации теории погрешностей как непремен-
ного раздела общей теории измерений; один из воз-
можных путей такой гармонизации рассматривается
ниже в п. 7.
7. Перспективы, возможности и проблемы фор-
мирования теории погрешностей измерений в ак-
сиоматике нечетких переменных
Предыдущий материал показывает, что, для того
чтобы с позиций теории измерений выполнить ана-
лиз современных КИИТ, снабженных средствами ин-
теллектуализации, должны использоваться разнооб-
разные формализмы: детерминистские, теоретико-ве-
роятностные и нечеткие. Теоретический анализ,
планирование и практическое выполнение экспери-
ментальной оценки и контроля метрологических ха-
рактеристик СИ при их метрологических испытани-
ях выполняется традиционно с позиций теории веро-
ятностей и математической статистики. Для
представления экспертной информации о модели из-
меряемых величин и ОИ теоретико-вероятностный
подход, строго говоря, некорректен. Для этих целей
более естественным представляется подход, основан-
ный на формализме нечетких множеств и нечетких пе-
ременных, который согласуется с инструментарием
большинства экспертных систем. Более того, можно
утверждать, что использование теоретико-вероятност-
ного формализма и даже консервативный детермини-
стский подход сопровождается нечеткостью в смысле
теории нечетких множеств.
В самом деле, строго говоря, понятие „истинное
значение измеряемой величины" является неопреде-
ленным в большей или меньшей степени. Математи-
ческие модели таких величин, как толщина слоя обла-
ков, или уровень воды в парогенераторе тепловой элек-
тростанции, диаметр ствола дерева, температура во-
ды в море, температура движущегося газа являются
явно размытыми. Модели иных величин могут быть ме-
нее размытыми, но абсолютно неразмытых моделей
величин, подлежащих измерениям, быть не может. Та-
кая размытость вызывает естественные затруднения
в трактовке стандартного определения абсолютной по-
грешности как отличия результата измерения от истин-
ного значения измеряемой величины.
Метрологические характеристики СИ в соответст-
вии с действующими стандартами и реальной практи-
кой представляются либо в детерминированной фор-
ме (пределов допускаемой погрешности), либо в виде
пределов допускаемых значений некоторых вероятно-
стных характеристик (математического ожидания,
дисперсии случайной составляющей, интерквантиль-
ного промежутка с заданной вероятностью — „довери-
тельной погрешности"). Как в первом, так и во втором
случае для потребителя остается неясным, насколько
далеко от установленных пределов допускаемых зна-
чений отстоят фактические значения перечисленных
характеристик. Мало того, в соответствии с действую-
щими стандартами указанные пределы допускаемых
значений следует устанавливать из определенного и
довольно редкого ряда, что приводит к округлению с
существенным превышением нормы сверх фактиче-
ских значений. Определение и (или) контроль харак-
теристик погрешности СИ при их поверке или калиб-
ровке, если даже проводится статистическими мето-
дами, то вожделенная объективность этих методов
оказывается, по сути дела, фикцией, поскольку значе-
ние контрольного допуска, равного 0,7-0,8, и вероят-
ностей (доверительной, уровня значимости, вероятно-
стей ошибок первого и второго рода) не могут быть
Рис. 2. Пример функции принадлежности и вложенных интервалов ( O'-срезов)
139
корректно обоснованы и выбираются по произволу ли-
ца, выполняющего испытания, или лиц — составите-
лей соответствующего нормативного документа. Все
это означает, что фактически в настоящее время све-
дения о характеристиках погрешности СИ также яв-
ляются нечеткими, но тем не менее пользователям на-
стоятельно рекомендуется действовать с этими харак-
теристиками как с вероятностными характеристиками
некоторых генеральных совокупностей, которым с не-
меньшим произволом приписываются те или иные
плотности распределения.
На фоне вышеизложенного предложение о том,
чтобы попытаться переформулировать теорию по-
грешности в терминах нечетких множеств, кажется
не слишком абсурдным. Тенденции к этому уже име-
ются, и даже сделаны некоторые первые шаги в этом
направлении.
С 1975 г. начали появляться публикации [21, 22], в
которых переосмысление теории погрешностей и тео-
рии измерений с позиций нечетких множеств и нечет-
ких переменных считается целесообразным. В между-
народном документе [20] понятие „погрешность изме-
рений" заменено на понятие „неопределенность",
которое хорошо согласуется с формализмом нечетких
переменных. Правда, следует отметить, что примени-
тельно к СИ такого изменения не произошло, и среди
метрологических характеристик продолжают свое су-
ществование характеристики погрешности. В работе
[23] приводится современная аргументация полезно-
сти и применимости теории нечетких переменных в
интересах теории погрешностей измерений.
Исчерпывающим описанием нечеткой перемен-
ной z , принадлежащей нечеткому множеству 7 , яв-
ляется функция принадлежности [24], каждая ор-
дината которой fa (z;) есть численное выражение
степени возможности (уверенности, доверия, пред-
почтения) того, что переменная z принимает значе-
ние z,- из некоторого отрезка вещественной оси Sz ,
называемого носителем переменной z . Функция принад-
лежности положительна и может принимать значе-
ния от 0 до 1. Функция принадлежности нечеткого числа
имеет вид, аналогичный виду одномодальной плотно-
сти распределения вероятностей, только в отличие
от последней максимальное значение функции при-
надлежности равно единице, а интеграл от нее по все-
му носителю, вообще говоря, единице не равен. Функ-
ция принадлежности нечеткого интервала имеет пло-
скую вершину с единичной ординатой и со склонами
на краях, крутизна которых зависит от степени раз-
мытости границ этого интервала, как это можно ви-
деть на рис. 2 [24]. Нечеткий вложенный интервал (nested
interval), введенный в [25], есть интервал j(a), содер-
жащий все значения нечеткой переменной, при ко-
торых функция принадлежности превышает заданное
значение а, называемое уровнем доверия (degree of belief).
Примеры вложенных интервалов показаны на рис. 2.
Для того чтобы использовать аппарат теории не-
четких переменных в теории и практике измерений
и метрологии, необходимо, но, конечно, недостаточ-
но, чтобы этот аппарат обеспечивал выполнение ма-
тематических действий с нечеткими переменными,
нечеткими интервалами и нечеткими функциями.
Из нескольких вариантов правил математических
операций с нечеткими переменными, по-видимому,
наиболее удобными для рассматриваемого примене-
ния являются правила, основанные на использовании
вложенных интервалов [25], называемых иначе а —
срезами [24]. В соответствии с этими правилами функ-
ция принадлежности нечеткой переменной задается
семейством вложенных интервалов, и функция при-
надлежности результата математического действия
отыскивается также в виде семейства вложенных ин-
тервалов, границы каждого из которых для каждого
значения уровня доверия а вычисляются по правилам
интервальной арифметики. Таким образом, если исход-
ные данные заданы как нечеткие переменные или не-
четкие функции, и если математическая обработка
этих данных производится по правилам действий с не-
четкими переменными, то результат такой обработки
представляется в виде функции принадлежности. В ча-
стных случаях, когда в соответствии с правилами мет-
рологии требуется традиционное представление ре-
зультата в виде числа и интервала неопределенности,
Рис. 3. Примеры усреднения значений нечетких переменных
140 =
то для этого достаточно выполнить дефаззификацию
(defuzzyfication), например, путем определения абсцис-
сы центра тяжести функции принадлежности [24], а
вкачестве интервала неопределенности использо-
вать один из вложенных интервалов ( а— срезов), на-
пример, при й'=0,05, чем обеспечивается уровень до-
верия 0,95.
Ниже приведены три примера, которые показыва-
ют потенциальные возможности аппарата теории
нечетких переменных применительно к теории изме-
рений.
В первом примере, приведенном на рис. 2, показа-
на функция принадлежности результата деления едини-
цы на нечеткую переменную, заданную функцией при-
надлежности с плоской вершиной, простирающейся от
1,8 до 2,2. Абсцисса центра тяжести равна 2,0, носите-
лем служит интервал с границами (1,5,2,5). Такой функ-
цией принадлежности может быть представлен, напри-
мер, результат, равный 2. Погрешность этого результа-
та содержит неисключенную систематическую
составляющую, находящуюся в интервале (1,8, 2,2), и
случайную составляющую, которая размывает границы
этого интервала. После выполнения указанного дейст-
вия получена несимметричная функция принадлежно-
сти, абсцисса центра тяжести которой равна 0,512.
Асимметрия функции принадлежности и смещение на
0,12 вызвано нелинейностью преобразования. Границы
интервала неопределенности результата на уровне до-
верия 0,05 суть (0,403, 0,65).
Во втором примере, который иллюстрируется
рис. За, было выполнено усреднение 36 значений нечет-
ких переменных. Эти значения имитируют выбороч-
ные значения погрешностей, которые не содержат сис-
тематической составляющей и представлены одномо-
дальной функцией принадлежности вида гауссианы
(кривая 1). Усреднение этих значений выполнено по
упомянутым правилам действий с нечеткими перемен-
ными. Результат усреднения представлен на этом же ри-
сунке кривой 2 и не противоречит нашим естественным
предположениям о возрастании точности результата,
в соответствии с которыми ширина функции принад-
лежности уменьшилась в б раз.
Третий пример иллюстрируется рис. 36. Он анало-
гичен предыдущему за исключением того, что здесь
имитировалось наличие неисключенной систематиче-
ской составляющей погрешности, которая в соответст-
вии с современными нормативными документами нор-
мируется интервалом возможных значений. В настоя-
щем примере этот интервал задан границами (-1,9,1,9),
что нашло отражение в границах плоской вершины
функции принадлежности исходных выборочных зна-
чений (кривая 1). Функция принадлежности результа-
та усреднения тридцати шести таких значений, вычис-
ленная по правилам действий с нечеткими переменны-
ми, представлена на рис. 36 кривой 2. И здесь результат
не противоречит привычным предположениям. Мы ви-
дим, что, как и следовало ожидать, усреднение не по-
влияло на систематическую составляющую погрешно-
сти, ибо протяженность вершины не изменилась, в то
время как склоны функции принадлежности результа-
та, представляющие случайную составляющую, стали
круче в шесть раз.
Два последних примера показывают работоспособ-
ность аппарата нечетких переменных в популярных
процедурах усреднения. Особенно отметим, что этот ап-
парат позволяет обойтись без раздельного вычисления
характеристик систематических и случайных состав-
ляющих. Их различная природа учитывается автомати-
чески при всех арифметических действиях, выполняе-
мых по правилам действий с нечеткими переменными.
Рис. 4. Содержание и структура средств теоретической поддержки КИИТ
141
Можно полагать, что вложенные интервалы окажут-
ся приемлемыми для установления норм на характери-
стики погрешности в привычном интервальном виде
с заданной степенью уверенности. Они же могут ис-
пользоваться при контроле характеристик погрешно-
сти с обеспечением заданной уверенности в исходе кон-
троля путем применения подхода, изложенного в ра-
боте [13], если доверительные интервалы заменить на
вложенные интервалы подходящего уровня доверия.
Наглядное представление об этом дает рис. 2, на кото-
ром изображены, в частности, вложенные интервалы,
отвечающие уровням доверия = 0,1 и = 0,05 .
Однако следует признать, что немедленный пере-
вод теории погрешностей и теории измерений на фор-
мализм нечетких переменных невозможен до тех пор,
пока в этом формализме не будут решены теоретиче-
ские и практические задачи, перечисленные выше в
п. 6 настоящей работы. Кроме того, этот же формализм
должен быть работоспособен и полезен для теорети-
ческой поддержки и практической реализации проце-
дур, предусмотренных государственными системами
обеспечения единства измерений.
Дальнейшие работы в обозначенном здесь направ-
лении, по-видимому, могут вскрыть новые возможно-
сти использования теории нечетких переменных для
построения на их основе непротиворечивой и практи-
чески полезной теории погрешности измерений, согла-
сованной между всеми этапами преобразования изме-
рительной информации в современных и будущих ин-
теллектуальных средствах измерений. Пока при
использовании теоретико-вероятностной и статисти-
ческой трактовки погрешностей зачастую приходится
идти на компромисс между стремлением к объектив-
ности и волюнтаризмом априорных предположений,
неоправданных назначений вероятностей (доверитель-
ной, рисков первого и второго рода), а также фактиче-
ских весьма значительных округлений нормируемых
характеристик погрешности.
В заключение отметим, что развитие КИИТ и ма-
тематического фундамента теории измерений суть два
взаимосвязанных непрерывных процесса. Актуальные
и перспективные задачи научной поддержки КИИТ по-
рождены развитием современных средств вычисли-
тельной техники и программного обеспечения. Состав
и содержание средств теоретической поддержки КИ-
ИТ представлены на рис. 4.
Литература:
1. Finkelstein L. Foundational Problems of Measurement
Science // Proc, of Intern. Workshop on Advances of
Measurement Science, June 20-21, 1999, Kyoto, Japan.
2. Stipanovich J. Intelligent Measurements //
Measurement, vol. 7, 1989, № 3.
3. Reznik L. What is Intelligent Measurement? // In:
Computing with Words in Information / Intelligent Systems,
L.A. Zadeh.J. Kacprzyk/ Eds. Physica Ferlag, Heidelberg, 1999.
4. Василенко В.И. Теория восстановления сигналов: о ре-
дукции к идеальному прибору в физике и технике. — М.. Сов.
радио, 1979.
5. Гласко В.Б. Обратные задачи математической физики.
— М.: Наука.
6. Солопченко Г.Н. Обратные задачи в измерительных
процедурах // Сб. Измерения, контроль, автоматизация. —
1983.— № 1.
7. Солопченко Г.Н. Минимальная дробно-рациональная
аппроксимация комплексной частотной характеристики
средств измерений // Измерительная техника. — 1982. —
№4.
8. Крейнович В.Я., Солопченко Г.Н. Оценка канониче-
ских параметров комплексных частотных характеристик
средств измерений // Измерительная техника. — 1993. —
№9.
9. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некор-
ректных задач. — М.: Наука, 1974.
10. Серегина Н.И., Солопченко Г.Н. Простой регуляри-
зирующий метод компенсации влияния аппаратной функ-
ции на результат измерения // Изв. АН СССР, сер. Техни-
ческая кибернетика. — 1984. — № 2.
11. Резник Л.К., Солопченко Г.Н. Использование апри-
орной информации о функциональных связях между изме-
ряемыми величинами для повышения точности измерений
// Сб. Измерения, контроль, автоматизация. —1984. — № 1.
12. Уилкс С. Математическая статистика. — М.: Наука,
1967.
13. Солопченко Г.Н. Проверка статистических гипотез
о характеристиках погрешности средств измерений вне за-
висимости от вида закона распределения // Измеритель-
ная техника. — 1997. — № 11.
14. Солопченко Г.Н. Принципы нормирования, опреде-
ления и контроля характеристик погрешности вычислений
в ИИС // Измерительная техника. — 1985. — № 3.
15. Солопченко Г.Н. Принципы метрологического авто-
сопровождения вычислений в компьютерных измеритель-
ных информационных технологиях // Proc, of Intern. Conf,
on Soft Computing and Measurements SCM’99, May 25-28, S.-
Petersbourg, Russia.
16. ПытьевЮ.П., ЧуличковА.И. Основы теории изме-
рительно-вычислительных систем сверхвысокого разреше-
ния // Измерительная техника. — 1998. — № 2
17. Эфрон Б. Нетрадиционные методы многомерного
статистического анализа. — М.: Финансы и статистика, 1988.
18. Fisher R.A. The fiducial argument in statistical inference
//Ann. Eugen., 1935, vol. 6.
19. Kearfott R.B., Kreinovich V. Application of interval
computations. — Dordrecht, Boston, London.: Kluwer Academic
Publishers, 1996.
20. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement.
— ISO, Geneva, Switzerland 1993.
21. Otto M., Bandemer H. Calibration with Imprecize
Signals and Concentrations based on Fuzzy Theory //
Chemometrics and Intellect. Laboratory Systems. — 1986. — № 1.
22. Solopchenko G.N., Reznik L.K., Johnson W.C. Fuzzy
intervals as a Basis for Measurement Theory // Proc, of the
NASA Conf. NAFIPS’94, Dec. 18-20, San-Antonio, Texas, USA.
23. Солопченко Г.Н., Резник Л.К. Предпосылки и функ-
циональные требования к применению аппарата нечетких
переменных для использования в практической метрологии
и в теории измерений // Сб. докладов Междунар. конфер.
по мягким вычислениям и измерениям SCM’98, Июнь 22-26,
1998, Санкт-Петербург, Россия.
24. Обработка нечеткой информации в системах приня-
тия решений // Борисов А.Н., Алексеев А.В.,
Меркурьева Г.В. и др. — М.: Радио и связь, 1989.
25. HungT. Nguyen, V. Kreinovich. Nested Intervals and
Sets: Concepts, Relations to Fuzzy Sets and Applications //in
R.B.Kearfott and V.Kreinovich „Applications of Interval
Computations", p. 245-290, Kluwer Academic Publishers,
Dordrecht, Boston, London, 1996.
Г.Н. Солопченко
142
Математическая метрология
Компьютеризация и интеллектуализация измере-
ний и измерительных средств потребовали исчерпы-
вающей формализации описания объектов, процедур,
условий и средств измерений, а также формирования
развитого алгоритмического обеспечения метрологи-
ческого анализа результатов измерений и метрологи-
ческого синтеза измерительных процедур и измери-
тельных цепей, удовлетворяющих предъявляемым тре-
бованиям. При этом математическое обеспечение
изме рений приобретает качественно новый характер
по сравнению с традиционным использованием мате-
матического аппарата в метрологии, выражающегося
в переходе от решения локальных задач метрологиче-
ского анализа и синтеза, опирающегося па автономные
математические модели объектов и средств измере-
ний, к формированию взаимоувязанных форм описа-
ния математических моделей объектов, условий, про-
цедур и средств измерений и математического обес-
печения метрологического анализа и синтеза. При
этом локальные математические модели и алгоритмы
анализа и синтеза строятся на основе общих.
Объект исследования в математической метрологии
— измерение квантифицируемых величин с верифика-
цией достоверности получаемых результатов с помо-
щью действующей системы обеспечения единства из-
мерений. Из этого следует, что математическая метро-
логия с неизбежностью должна сочетать
теоретико-множественный подход, предполагающий
наличие истинного значения измеряемой величины и
возможность его представления, с конструктивным,
исходящим из невозможности определения истинно-
го значения с помощью измерительного эксперимен-
та и, следовательно, наличия погрешности результата
измерения.
Истинное значение и результат измерения величины
представляются именованными числами, т.е. действи-
тельными числами, выражающими .значения с помо-
щью принятых единиц измерения. Таким образом, не
только результат измерения получается с помощью
преобразования формы информации — аналоговой в
числовую, — но и истинное значение получается по-
средством соответствующего гипотетического преоб-
разования формы информации.
Из изложенного следует, что в качестве аксиома-
тического базиса математической метрологии могут
быть приняты следующие две аксиомы:
1. Величины измерима, т.е. существует действитель-
ное число, представляющее отношение величины к
принятой единице измерений;
2. Процедура измерений, обеспечивающая установ-
ление истинного значения измеряемой величины, фи-
зически реализована быть не может.
Из первой аксиомы следует, что истинное значе-
ние измеряемой величины может быть представлено
математическими средствами. Для этой цели вводятся
так называемые гипотетические уравнения (см, ниже),
которые в силу своего назначения и предельного уров-
ня абс з ракции могут содержать физически нереализуе-
мые преобразования. Из второй аксиомы следует, ре-
альныеи идеальные (желаемые) процедуры измерений опи-
сываются соответствующими уравнениями,
объективно отличающимися от гипотетических, что
предопределяет появление погрешностей. При этом
уравнения, представляющие идеальные и реальные
процедуры измерений, включают в себя только физи-
чески реализуемые преобразования.
Излагаемые ниже обобщенные основы математи-
ческой метрологии исходят из следующего определе-
ния: математическая метрология — теория математиче-
ских моделей объектов, условий, процедур, средств и
результатов измерений.
В математической метрологии используются два
вида моделей — кортежи и алгоритмы. Кортежи пред-
ставляют рассматриваемые объекты, алгоритмы — рас-
сматриваемые процедуры.
Именно,
Л*о=(№) (1)
— кортеж, представляемый упорядоченной сово-
купностью элементов X,- — модель объекта:
~1т- 710 (2)
—алгоритм, представляемый последовательностью
операций 7) — модель процедуры ((.) — операнд).
Математическая модель, элементы которой пере-
менные, сама является переменной, область существо-
вания которой определяется областями существова-
ния элементов.
Если элементы модели представлены значениями
переменных, то ими представляется значение модели
(3)
— значение модели объекта;
Мп,=тт*...т1*(.) (4)
— значение модели процедуры.
Элементами модели объекта могут быть парамет-
ры, отношения и более простые модели. Элементами
модели процедуры могут быть конкретные функцио-
нальные, логические, теоретико-множественные и ре-
ляционные операции.
Базовая модель математической метрологии, с ви-
дом которой согласовываются остальные модели опи-
сания остальных моделей объектов, результатов и
средств измерений, а также алгоритмы метрологиче-
ского анализа и синтеза — математическая модель про-
цедуры (процесса) измерений. Ее вид определяется тем,
— —........— 143
что эта процедура — последовательность преобразова-
ния входного воздействия / — носителя информации
об измеряемой величине А- Обобщенное уравнение
измерений представляется следующим образом
4 = Rm...Rl (5)
где R, — оператор, представляющий i -ое элемен-
тарное измерительное преобразование; ;,г —аргумен-
ты входного воздействия (в общем случае многомер-
ного); j — номер измерительной процедуры в упоря-
доченном множестве процедур; — результат j-го
измерения — именованное действительное число.
Истинное значение измеряемой величины пред-
ставляется гипотетическим уравнением измерений
гу,г), (б)
где R[ — оператор, представляющий i -ое гипоте-
тическое элементарное преобразование, может быть
физически нереализуемым.
Модель желаемой (номинальной) измерительной
процедуры представляется т.н. идеальным уравнени-
ем измерений
(7)
где R^u — номинальное (идеальное) i -ое элемен-
тарное измерительное преобразование; — резуль-
тат измерений, который был бы получен при выпол-
нении (номинальной) идеальной измерительной про-
цедуры.
Форма представления уравнения измерений опре-
деляется характером ее использования. Основные
формы: операторная (обобщенная); аналитико-алгорит-
мическаяв виде переменной; аналитико-алгоритмическая
в виде значения.
Пример. Аналого-цифровое преобразование величины
U
• Операторная форма
U*=RMRKR^yt),
представляющая процедуру в виде последователь-
ности трех элементарных измерительных преобразо-
ваний входного воздействия дискретизации
Яд(.), квантования Лх(.), масштабирования 7?м(.);
- аналитико-алгоритмическая форма в виде переменней
Uj ~ k7 ikj +Д<д )1Да.п ’,
где
\и^Д^+МДл'}11', ;=^-ре-
ч
зультат дискретизации (йд fy'.tj ) — импульсная пере-
ходная характеристика дискретизатора, t, — момент
начала процедуры, А1Д — время установления при дис-
кретизации);
— результат
квантования ( £[.] — целая часть (.), AKU — интервал
равномерного квантования); Uj =(.)• AKU —результат
масштабирования (.) (результат аналого-цифрового
преобразования);
• аналитико-алгоритмическая форма в виде значения
где параметры А1Д , AK*U и характеристика
h*д выступают в виде значений.
С помощью операторной формы изучают наиболее
общие свойства процедуры и получаемых результатов;
с помощью аналитико-алгоритмической формы в ви-
де переменной исследуют зависимость процедуры и ре-
зультатов от переменных характеристик; с помощью
аналитико-алгоритмической формы в виде значений
проводятся количественные исследования.
Свойства результатов измерений представляются
его характеристиками, важнейшей из которых явля-
ется погрешность (мера точности)
= (8)
Аналитическое описание погрешностей может
быть выполнено на основе моделей процедур измере-
ний (5) и (6), представленных в аналитико-алгоритми-
ческой форме. Именно,
Д = Rm.. .Rt Rrm.. .R^/УУ )•
О)
Здесь вид /д (.) и состав аргументов {cgJsfi опреде-
ляется видом уравнений измерений и моделей входно-
го воздействия и составляющих измерительную про-
цедуру преобразований.
Пример. Аналого-цифровое преобразование величины с
использованием усиления входного воздействия.
Пусть
г7* = ки'у(/,+д^]
j Е*; -'Ч ан ,
— уравнение реализуемой процедуры измерений
(aj и ан — соответственно реализуемый и номиналь-
ный коэффициенты усиления); и
U*= lim [яД . (г. +Д/д)] •
— гипотетическое уравнение измерений.
Тогда погрешность имеет вид
и, если импульсная переходная характеристика дис-
кретизатора имеет вид экспоненты йД ае~^‘~‘ ,
то
AU'
иН аН аИ
144
где Аву = а}-ан и AK(a,U 7+ Д«д )*) — погрешность
квантования результата дискретизации a.U 7 (<; + Atд )
Соотношения вида (9) могут быть сформированы
и для рассматриваемых в метрологии видов погреш-
ностей — методических, инструментальных, статиче-
ских, динамических и других. Так, методическая по-
грешность представляется выражением
(Ю)
а инструментальная — выражением
Аи Я, ~Xj~ я;и~- RM.. .Rrffr)- R“.. .Rfy(t).
(П)
Полная погрешность может быть представлена в
виде суммы компонент, обусловленных отличием вы-
полняемых преобразований от гипотетических
т
(12)
t=]
= лГ+1К,.Л1^(г)-Л£...я£к,._1Я1/;(г) - г -ая
компонента, порожденная отличием реализуемого
преобразования К,(.) от гипотетического /?{(,).
Соотношения (9)-(12) составляют основу для ана-
литического описания полной погрешности и ее ком-
понент, а также различных видов погрешностей.
Оценивание погрешностей может быть также вы-
полнено с использованием имитационного моделиро-
вания (ИМ) и с помощью метрологического экспери-
мента (МЭ).
При использовании ИМ процедура измерений вос-
производится в числовой форме на основе аналити-
ко-алгоритмического ее представле! 1ия. При этом фор-
мируются оценки результата измерений /^м j и истин-
ного значения ^nMj Тогда оценка погрешности
результата измерений имеет вид
А/ш % j- ^им j ~ ^им j (13)
] 1ри выполнении метрологического эксперимента
результаты измерений coi (оставляются с дейез витель
ными значениями измеряемой величины , форми-
руемыми образцовыми измерительными средствами.
При этом
Д э ^-=. (14)
Возможно применение комбинированных методов
оценивания погрешностей.
Разработка аппарата описания объектов, процедур,
результатов и погрешностей составляет первую часть
математической метрологии.
Вторая часть связана с формированием алгоритми-
ческого обеспечения метрологического анализа,
имеющего целью установление характеристик свойств
результатов измерений. В силу подтвержденного опы-
том случайного характера результатов измерений и со-
ответственно их погрешностей целью метрологиче-
ского анализа становится установление вероятност-
ных характеристик.
Для вероятностной характеристики ^А/^] существу-
ет два определения
(15)
A V 7
( д — область существования погрешности; ^ |л ]
преобразование, лежащее в основе определения харак-
теристики 4а^]; w — плотность распределения
вероятности погрешности) и
(16)
Эти определения эквивалентны, но отличаются со-
ставом априорных знаний (АЗ), необходимых для их
использования.
Соответствующие оценки вероятностной характе-
ристики 4Ц] имеют вид
[л 41- kb Р [а 4 к 4 _ (17)
А
и
(18)
где д’, и ДЦ — соответственно оценки
д, Д^.
Для формирования оценки ^А^] с помощью (17)
необходимо знание д*, w* |д ], а при использовании
(18) — наличие массива {а i = 1, N .
Оценки основных характеристик погрешностей
имеют следующий вид
м|д/$]-фЛ>|л,$]^у-^УдЦ (19)
А
— математическое ожидание погрешности (систе-
матическая погрептность);
1V2
Л^[д^р J(a^-m[a.7;])?“''[a^}/A^ '
_д*
— корень квадратный из дисперсии погрешности
(среднее квадратическое отклонение погрешности);
Р’д [д„,Ав]-- р }i{a^')v ±Х^Ч/А« ’ А в]
Ап ™
т^Ц/д^д^
при А* е
при A Xjt
(21)
145
— вероятность принадлежности погрешности к ин-
тервалу |ДН,ДВ J (интервальная вероятность погреш-
ности).
Как и определение погрешностей, оценивание ха-
рактеристик погрешностей может быть выполнено на
аналитической основе, а также с помощью ИМ и МЭ.
В первом случае формируется оценка (17), а при ис-
пользовании ИМ и МЭ — оценка (18) с применением
соответственно оценок (13) или (14).
Таким образом, при использовании ИМ оценка ве-
роятностной характеристики имеет вид
41 (22)
i=l
а при использовании МЭ —
(23)
Отличие ^|Д4] от 6|Д Я] ] (ошибка оценивания)
определяется неадекватностью используемых моделей
объектов, условий, процедур и средств измерений, не-
идеальностью выполняемых при оценивании преоб-
разований, конечностью используемых выборочных
данных (оценок погрешностей) и отличием действи-
тельных значений измеряемых величин от истинных.
Если при использовании оценки (17) представить
ее с учетом (9) в виде
(24)
( fe Jsfi — совокупность неслучайных параметров,
влияющих на ^Д 4 Ь ’то для оши6ки имеем
<*^1= sHA ^4]+ 4^4]
(25)
где
4л lira Vfo».4
(29)
— ошибка из-за неадекватности используемых мо-
делей ( Д им а 4 — оценка погрешностей, получаемых
при использовании адекватных моделей);
4, V'k™41
(30)
— ошибка из-за конечности объема выборки (чис-
ла используемых оценок погрешностей);
IV /=| -** г=1
(31)
— ошибка из-за неидеальности выполняемых при
формировании оценки преобразований.
При использовании (23) ошибка составляется че-
тырьмя компонентами
^[д4-]= 4^1*4^ 4В ^4]+ Ъ
(32)
где
(33)
— ошибка из-за использования неадекватных моде-
лей (Дэ 4 — оценка погрешности при использова-
нии адекватных моделей и истинного значения Л\
£э ^4 — оценка погрешности при использовании не-
адекватной модели и истинного значения Л)',
4л М; ]= /?[{<* & ] - [Ыз ]
(26)
( — параметры адекватных моделей; ./#,(•)
— результат, получаемый с помощью адекватных моде-
лей; j'pt) — результат, получаемый с помощью идеаль-
ных преобразований);
— ошибка, обусловленная отличием используемых
моделей от адекватных;
(27)
— ошибка, обусловленная неидеальностью выпол-
няемых преобразований (допущениями, аппроксима-
циями и т.п.).
При использовании оценки (22) ошибка представ-
ляется в виде суммы трех компонент
(28)
где
(34)
— ошибка из-за отличия действительного значения
4?; от истинного Л ( Д*э 4 — °Ценка погрешности
при использовании действительного значения 4?j X
4. ^k4 »rk, 4-цц.Ц vk -?]
(35)
— ошибка из-за конечности объема выборки;
4„^[д4}:= Нш^ХИДэ 41“*/тТ7Х^Аэ 4]
J N-K*> ft “ J l\! J
(36)
— ошибка из-за неидеальности выполняемых при
формировании оценки преобразований.
146
Третья часть математической метрологии посвяще-
на проблемам метрологического синтеза, цель кото-
рого заключается в формировании измерительных
процедур, обеспечивающих потенциальную точность
измерений и удовлетворяющих предъявленным требо-
ваниям (наложенным ограничениям). Под потенци-
альной понимается предельно достижимая в данной
ситуации (ситуациях) точность измерений. Потенци-
альная точность определяется характеристиками си-
туации (ситуаций) и составом измерительного ресур-
са.
Если ^Л/Ег[/^),Мт ] — вероятностная харак-
теристика погрешности, принятая за критерий точно-
сти (LT (t)j — г -ый алгоритм измерений, Мсит — мо-
дель ситуации), то потенциальная точность измерений
определяется выражением
02 — отображение множества возможных алгоритмов
измерений в соответствующее множество оценок кри-
терия точности; 03 — отображение возможных алго-
ритмов измерений и множества оценок критерия точ-
ности в оптимальный алгоритм.
Установление и полный перебор возможных вари-
антов алгоритмов измерений обеспечивают коррект-
ное решение задачи метрологического синтеза. При
метрологическом синтезе могут быть использованы
процедуры ускоренного перебора и процедуры квази-
оптимизации. Примером процедур ускоренного пере-
бора служит процедура независимой оптимизации пре-
образований, составляющих алгоритм измерений, а
примером процедур квазиоптимизации—т.н. метод по-
давления доминирующих компонент полной погреш-
ности. Процедуры ускоренного перебора при опреде-
<^7ОГ[1^]= mr ]= /дух
Здесь LM — множество алгоритмов, которые мо-
гут быть сформированы на основе имеющегося изме-
рительного ресурса в данной ситуации; Ц,р, [}< («)] — оп-
тимальный алгоритм.
Из (37) следует, что метрологический синтез име-
ет целью оптимизацию измерительных процедур.
В общем случае процедура метрологического син-
теза составляется следующей последовательностью
отображений
ленных условиях позволяют получить оптимальный ал-
горитм. В общем же случае отступление от полного пе-
ребора не гарантирует синтез оптимального алгорит-
ма измерений.
Во всех случаях привлекаемый аппарат математи-
ческого программирования при метрологическом син-
тезе определяется характером, составом и достовер-
ностью используемых априорных знаний в виде мате-
матических моделей объектов, процедур, средств и
условий измерений.
А3-(мот ,{МИ,У=^)—гм —>Дрг[^(О], (38)
где О] — отображение априорных знаний (АЗ), со-
ставляемых моделью ситуации Л1СИТ и моделью изме-
рительного ресурса {/И ж}21 (— модель входяще-
го в измерительный ресурс i -го измерительного мо-
дуля), в множество возможных процедур (алгоритмов)
измерений (— множество индексов, характеризующих
возможные в ситуации Мсит алгоритмы измерений);
В целом математическая метрология обеспечива-
ет возможность с единых позиций корректно описы-
вать и анализировать процедуры и результаты изме-
рений, а также осуществлять метрологический синтез
измерительных процедур.
Развиваемое в рамках математической метрологии
общее измерительное математическое обеспечение со-
ставляет основу при формировании баз измеритель-
ных знаний и систем вывода для интеллектуальных из-
мерительных средств и САПР измерительных систем.
Э.И. Цветков
— 147
Экономика метрологии
Все виды человеческой деятельности немыслимы
без измерений, без ее количественной оценки. Во
многих отраслях промышленности объем затрат свя-
занных с измерениями составляет более 30 % ежегод-
ных капитальных вложений. Производство полупро-
водников в США потребовало инвестировать в 1990
г. только на метрологию от 650 до 780 млн. долларов.
В 1996 г. эти инвестиции достигли 2,4 млрд, долларов,
а в 2001 г. они составят 3,5-5,5 млрд, долларов. Про-
верка показателей технологических процессов, пара-
метров сырья и готовой продукции осуществляется
путем измерений, которые должны обеспечить соот-
ветствующий уровень достоверности измерительной
информации. Огромное значение приобретает мет-
рологическое обеспечение в решении задачи эконо-
мии материальных, энергетических и других ресур-
сов, т.к. правильный количественный учет является
основой экономии и сокращения потерь материаль-
ных ценностей, электрической и тепловой энергии,
нефти и нефтепродуктов, газа, водных ресурсов. Ра-
боты по снижению неопределенности измерений
природного газа диафрагменными счетчиками позво-
лили получить экономический эффект 150 млн. дол-
ларов в год. Метрология является основой для полу-
чения точного медицинского диагноза и разработки
мер по улучшению здоровья населения. По данным
Национального института эталонов и технологий
США (НИСТ), снижение неопределенности опреде-
ления холестерина с 18 % до (5,5-7,2) % позволило
значительно снизить число неверных результатов ана-
лиза, что дает потенциальную экономию свыше 100
млн. долларов в год. Современные требования к эко-
номике народного хозяйства значительно усиливают
роль внедрения в практическую деятельность научно-
обоснованных методов экономической эффективно-
сти работ по метрологическому обеспечению. Уста-
новление экономически оптимальных направлений
развития метрологического обеспечения -одна из важ-
нейших экономических проблем метрологии. Внедре-
ние метрологических разработок, как правило, свя-
зано с инвестициями. Поэтому определение эффек-
тивности метрологических работ подчиняется общим
правилам расчета эффективности капиталовложений
в соответствии с Методическими рекомендациями по
оценке инвестиционных проектов. Для оценки эф-
фективности метрологических работ, как и любых ин-
вестиционных проектов, применяют следующие по-
казатели: — коммерческая (финансовая) эффектив-
ность — определяет финансовые последствия для
непосредственных участников проекта; — бюджетная
эффективность—отражает финансовые последствия
осуществления проекта для федерального, региональ-
ного и местного бюджета; — экономическая эффектив-
ность — учитывает затраты и результаты, выходящие
за пределы прямых финансовых интересов инвесто-
ров. В условиях реформирования экономики и дефи-
цита финансирования проведение исследования и
разработок в области метрологического обеспечения
требует серьезного экономического обоснования,
проведения анализа различных вариантов принимае-
мых решений с целью выбора оптимального. Вопро-
сам экономической эффективности метрологических
работ всегда уделялось значительное место в работах
отечественных и зарубежных ученых. Экономическая
эффективность метрологических работ должна опре-
деляться комплексно с учетом системного подхода, ко-
торый предусматривает технико-экономический ана-
лиз состояния всех элементов метрологического обес-
печения на всех уровнях управления производством,
выявление экономических последствий их использо-
вания в различных отраслях народного хозяйства и
на всех его стадиях жизненного цикла продукции (раз-
работка, производство, обращение, потребление про-
дукции). Принцип системного подхода к анализу
экономической эффективности метрологического
обеспечения предполагает также оценку общего эко-
номического результата, во-первых, применительно к
конечной продукции, самостоятельно участвующей в
производственном процессе, и, во-вторых, во взаимо-
связи со всеми техническим устройствами, материаль-
ными и людскими ресурсами, обеспечивающими при-
менение и обслуживание данной продукции. Экономи-
ческая эффективность метрологических работ
определяется в комплексе с научно-технической, соци-
альной и другими видами эффективности. Следующим
методическим принципом оценки экономической эф-
фективности метрологических работ является также
учет динамики затрат и результатов от развития мет-
рологического обеспечения в течение длительного пе-
риода времени (от начала осуществления затрат до гра-
ницы морального старения предлагаемого мероприя-
тия). Данный период времени является расчетным для
оценки общего народнохозяйственного результата.
Важнейшим методическим принципом оценки эконо-
мической эффективности является принцип сопоста-
вимости экономического эффекта и производимых за-
трат по сравниваемым вариантам. Реализация этого
принципа требует соблюдения условий сопоставимо-
сти по следующим основным признакам сравниваемых
вариантов: по функциональному назначению; по вре-
мени осуществления затрат и получаемых экономиче-
ских результатов; по качественным параметрам; по ме-
тодам расчета основных техникоэкономических пока-
зателей и используемым нормативам, по социальному
—...............148----------
эффекту, включая влияние на окружающую среду.
Потери от погрешности измерений в общем случае
включают следующие составляющие: , где — потери
от фиктивного брака эталонов по метрологическим ха-
рактеристикам; — потери из-за фиктивного брака ра-
бочих средств измерений по метрологическим харак-
теристикам; — потери, возникающие в хозяйственной
системе от погрешности рабочих средств измерений
или применения методов измерений, не обеспечиваю-
щих требуемую точность и достоверность. В зависи-
мости от задачи, для решения которой используется
измерительная информация, потери от погрешности
измерений в хозяйственной системе классифициру-
ются следующим образом: — потери от погрешности
измерений при измерительном контроле парамет-
ровоборудования, входном контроле и контроле ка-
чества продукции; — потери, возникающие от погреш-
ности измерений при операциях расхода, учета, дози-
рования, что исключительно важно при работе с
дорогим материалом; — потери, возникающие при от-
клонении параметров технологического процесса от
оптимальных значений за счет погрешности изме-
рений. Экономия, получаемая от уменьшения погреш-
ности измерений при измерительном контроле пара-
метров оборудования, входном контроле и контроле
качества продукции, может возникать за счет: — сни-
жения потерь от пропуска бракованных средств изме-
рений и последующей эксплуатации; — снижения не-
производственных расходов при пропуске дефектных
изделий, материалов, полуфабрикатов и забракования
годных при выходном контроле;—уменьшения потерь
от забракования годной продукции при выходном кон-
троле, а также от штрафов и рекламаций за счет про-
пуска дефектной продукции в сферу потребления; —
сокращения затрат при пропуске дефектных деталей
и узлов в производственный цикл;—уменьшения ущер-
ба от эксплуатации дефектной продукции у потреби-
теля; — повышения качества продукции и уменьшения
расхода материалов при проведении аттестации тех-
нологического оборудования на точность; — уменьше-
ния времени простоя оборудования и потерь от ава-
рий и поломок; — уменьшения потерь от снижения ка-
чества выпускаемой продукции и т.д. При измерениях
расхода, учете, дозировании повышение точности
измерений может приводить к снижению: — норматив-
ных потерь при отпуске материалов, сырья, полу-
фабрикатов, энергии и готовой продукции; — размера
штрафных санкций за недопоставку указанных мате-
риальных ресурсов; — перерасхода материальных ре-
сурсов; — потерь от неправильного учета материаль-
ных ресурсов; — потерь от ухудшения качества и сни-
жения сортности выпускаемой продукции и т.д. При
управлении технологическими процессами повы-
шение точности измерений может приводить к сни-
жению: — расхода материальных ресурсов при при-
ближении измеряемых параметров процессов к опти-
мальным значениям; — потерь от поломок, аварий
оборудования и уменьшения его срока службы. Опре-
деление потерь от погрешности измерений проводят
экспериментальными или расчетными методами с уче-
том вида и параметров законов распределения изме-
ряемого (контролируемого) параметра и погрешности
измерений для конкретных организационно-техниче-
ских условий.
Литература:
1. Бесфамильная Л.В., Резчиков В.И., Соколова Л.Г., Иван-
дар В.А. Экономика стандартизации, метрологии и качества
продукции. — М.: Издательство стандартов, 1988.
2. В.В. Окрепилов. Всеобщее управление качеством. -
СПб.: Издательство С.-Петербургского Университета эконо-
мики и финансов, 1996.
3. В.В. Окрепилов. Управление качеством. — М.: Эконо-
мика, 1998.
4. Материалы семинара „Роль метрологии в экономиче-
ском и социальном развитии”, 1998. ФРГ.
5. МИ 2546-99 „ГСИ. Методы определения экономиче-
ской эффективности метрологических работ”.
В.В. Окрепилов
Фундаментальные законы,
фундаментальные физические
постоянные и макроскопические
квантовые эффекты, используемые
в теоретической и прикладной
метрологии
150
Современные физико-метрологические
проблемы
Фундаментальные физико-метрологические про-
блемы (ФМП) имеют отношение как к теоретической,
так и к прикладной области метрологических иссле-
дований. В теоретической области значительный ус-
пех достигнут при разработке алгоритмов для уточне-
ния фундаментальных физических постоянных и в ис-
следовании нового структурного закона, при изучении
расщепления в мюонии и др.
В прикладной области метрологии рассматривают-
ся усовершенствования электрических и температур-
ных эталонов. Особое внимание уделяется уникальной
аппаратуре и методам, позволяющим достигнуть зна-
чительных результатов при измерении параметров
движения как в сейсмометрии, гравиметрии, а также
в угловых и линейных измерениях.
Перечень вопросов, на которые надо ответить в
рамках научной дискуссии, определяющей в значитель-
ной степени пути развития метрологии и приборо-
строения на начало 2000-х гг., представляется следую-
щим:
1. Что такое современные физико-метрологиче-
ские проблемы?
2. Как сформулировать их основную суть?
3. Где они зарождаются?
4. Кто нуждается в их решении?
5. Каковы возможные пути их сегодняшнего реше-
ния?
В самом общем случае ФМП возникают при столк-
новении запросов научной, промышленной и техно-
логической практики с существующими уровнями на-
циональной (или международной в целом) системы из-
мерений и действующих международных и лучших
национальных эталонов. Необходимая точность прак-
тических измерений, как и прежде, остается законо-
мерной основой повышения точности исходных эта-
лонов.
Естественно, что все это происходит, прежде все-
го, в „зоне действия" эталонов основных и важнейших
производных единиц. Если метод, на основе которого
реализован эталон, а конкретнее реализовано воспро-
изведение единицы с помощью данного эталона, по-
зволяет дальнейшее повышение точности за счет но-
вейших технологических приемов, то ФМП как тако-
вые не возникают, и задача решается путем
совершенствования вспомогательных технических
средств. Иначе говоря, эту ситуацию мы называем про-
блемой предельной точности данного метода измере-
ний. Однако ситуация изменяется качественно, если
данный метод себя исчерпал. Тогда возникает необхо-
димость очередного обращения к арсеналу физики в
поисках такого физического явления, которое позво-
лит решить возникшие метрологические проблемы,
что в свою очередь ставит нас перед поиском устойчи-
вых физических эффектов и перед необходимостью
поиска путей их технической реализации с целью соз-
дания принципиально нового, ранее не существовав-
шего эталона.
Перечень наиболее важных ФМП раскрывается по
областям измерений с учетом следующих аспектов:
— ярко выражена проблемность дальнейшего повы-
шения точности измерения длины не только в освоен-
ном среднем, но и в субмикронном и нанометровом
диапазонах, в диапазоне больших и сверхбольших
длин;
— не ослабевает интерес к решению проблем в та-
кой технологически важной и бурно развивающейся
области, как динамические измерения;
— остро необходимы поиск и разработка методов
и средств высокоточных измерений и метрологическо-
го обеспечения в сейсмометрии;
— проблемы метрологии в гравиметрии;
— большой комплекс проблем, которые не только
не исчезли, а, напротив, осложнились в связи с приня-
тием МТШ-90;
— лишь как кратковременную передышку можно
рассматривать достигнутое усовершенствование эта-
лонов вольта и ома на основе соответствующих макро-
скопических квантовых эффектов, ибо стремительные
темпы развития электроники в наукоемких техноло-
гиях уже в ближайшее время предъявят к точности
электрических измерений новые жесткие требования;
— и, наконец, жизненно важные проблемы XXI в.
— экологические, решение которых потребует от мет-
рологии революционных изменений в большом чис-
ле видов измерений физико-химического направления
(газоаналитика, измерения состава и свойств веществ
и материалов и т.д.) и в измерении параметров иони-
зирующих излучений.
В заключение этого краткого вступления следует
отметить еще одно обстоятельство, важное с точки зре-
ния полноты перечня современных физико-метроло-
гических проблем: стремясь оставаться на позициях
раскрытия проблем, прежде всего, практических из-
мерений для науки и технологий, автор в то же время
не упускает из виду большой комплекс проблем из об-
ласти квантовой механики, физики твердого тела и
других разделов фундаментальной науки, где новые ре-
зультаты измерений, как правило, подтверждают или
опровергают претензии на открытие новых физиче-
ских законов, теорий и т.п.
151
В последнее время существенно возрос интерес к
прецизионным исследованиям в областях квантовой
электродинамики и квантовой метрологии. В связи с
этим проводится широкий комплекс фундаменталь-
ных исследований в метрологии.
Во ВНИИМ была поставлена и успешно решена за-
дача выхода на уровень XXI в. в области понимания,
анализа и применения Периодического закона
Д.И. Менделеева, содержащего в интегральном виде
значительную физико-метрологическую информа-
цию, во многом еще не востребованную [6]. Развитие
и совершенствование нового подхода, основанного на
совместном применении квазиклассического метода
и точных результатов ряда физических и математи-
ческих, теорий позволило выявить новое эффектив-
ное квантовое число [7], определяемое константой
нового типа, характеризующей Периодическую сис-
тему элементов как целостный объект [7, 8] и одно-
временно фиксирующей порядок появления оболочек
в атомах.
Помимо анализа функциональной роли фундамен-
тальных физических констант в процессе воспроиз-
ведения единиц Международной системы, во ВНИ-
ИМ постоянно ведется практическая работа по обра-
ботке данных по точным измерениям констант и
размеров поддерживаемых единиц, что позволяет оп-
ределять косвенные значения размеров поддерживае-
мых национальных единиц, используя результаты раз-
личных международных сличений.
В процессе этих исследований определились зна-
чения, принимавшиеся для поддержания националь-
ных единиц, например, напряжения. Недавно более
точные значения единицы сопротивления были рас-
считаны в связи с изменениями поддерживаемых раз-
меров единиц, принятыми в соответствии с рекомен-
дацией Консультативного комитета по электричест-
ву. В рамках данного направления проводятся
исследования по фундаментальным константам с це-
лью учета корреляций между исходными данными, ис-
пользуемыми при оценке размеров единиц, и данны-
ми, полученными в результате обработки.
За последние годы достигнут ряд впечатляющих
результатов в изучении спектра мюония, при котором
измерения сверхтонкого расщепления связаны с од-
ним из наиболее точных способов определения посто-
янной тонкой структуры. Были найдены в аналити-
ческом виде все двухпетлевые радиационные поправ-
ки к отдаче. Вклады в расщепление, индуцированные
электронной линией, составляют 4,05 кГц, радиаци-
онные вставки в мюонную линию приводят к поправ-
ке, равной 1,91 кГц. Эти результаты следует сравнить
с погрешностью измерения частоты расщепления, со-
ставляющей 0,16 кГц. Кроме этого, были вычислены
ведущие трехпетлевые поправки к отдаче, содержа-
щие куб и квадрат большого логарифма отношения
масс мюона и электрона. Величина логарифмических
поправок составляет 0,05 кГц.
До последнего времени основным источником
теоретической неопределенности являлись невычис-
ленные вклады относительного порядка c?(Zaf Не-
давно были получены все поправки этого порядка [9].
Были найдены также ведущие поправки, содержащие
логарифм постоянной тонкой структуры [10].
Во ВНИИМ проведен наиболее полный среди ми-
ровых исследований расчет и анализ вакуумных кван-
товых эффектов для уточнения значений фундамен-
тальных физических констант [11].
Точное прямое сравнение „механической11 и „элек-
трической" энергии (мощности) может стать, в част-
ности, определенным шагом на пути замены сущест-
вующего эталона килограмма. Электромеханическая
система, разработанная во ВНИИМ, является матери-
альным воплощением метода левитации сверхпрово-
дящей массы. Недавно предложена модификация это-
го метода [12]. Представляется, что этот вариант уп-
ростит процедуру измерения, поскольку он заменит
„механическое" воспроизведение джоуля в системе на
измерение периодов небольших вертикальных коле-
баний (осцилляции) массы только в одном положении
в режиме левитации. Криогенная электрическая мет-
рология будет способствовать реализации метода ле-
витирующей массы, если она позволит измерить энер-
гию магнитного поля с погрешностью меньшей 110-8.
Создание эталонов частоты (длины волны), имею-
щих высокую стабильность и воспроизводимость час-
тоты на новых длинах волн, является одной из задач
совершенствования систем воспроизведения едини-
цы длины. В настоящее время наиболее перспектив-
ным подходом к решению этой задачи представляет-
ся использование интеркомбинационных переходов
атомов щелочноземельных элементов, прежде всего,
кальция и стронция. Это обусловлено отсутствием
сверхтонкой структуры, попаданием переходов в ви-
димый диапазон, тем фактом, что нижний уровень пе-
рехода является основным, а также малой радиаци-
онной шириной линии (300 Гц у кальция и 5 кГц у
стронция). К числу рекомендованных Консультатив-
ным комитетом МКМВ по длине источников эталон-
ных длин волн относится инжекционный (полу-
проводниковый) лазер, стабилизированный по насы-
щенному поглощению в Са (в атомном пучке).
В настоящее время погрешность воспроизведения
длины волны сравнительно велика и составляет
ЗЛО10. В Физическом институте РАН им. П.А. Лебеде-
ва и в Институте метрологии им. Д.И. Менделеева,
наряду с исследованиями в США, Японии, Германии,
проводятся экспериментальные и теоретические ра-
боты, свидетельствующие о возможности значитель-
ного совершенствования данного лазера и получения
воспроизводимости частоты (длины волны) с погреш-
ностью не более 3-1012. В этой области также про-
водятся исследования в целях получения качествен-
ного волнового фронта лазерного излучения путем
пассивной и активной коррекции, а также в целях со-
вершенствования техники оптических резонансов
Рамси для исключения пролетного уширения и совер-
шенствования элементов селективного инжекционно-
го лазера.
Прогресс в нанотехнологии привел к необходимо-
сти обеспечения единства измерений в области изме-
рений длины в микрометровом (1-1000 мкм) и нано-
метровом (1-1000 нм) диапазонах на самом высоком
уровне точности. Эта задача решается с помощью оп-
тических, растровых электронных и сканирующих
туннельных микроскопов с высоким разрешением.
Для калибровки этих высокоточных средств измере-
ний используются периодические меры малой длины
152
на основе голографических дифракционных решеток.
Измерение периодов решеток, меньших одной дли-
ны волны, с высокой точностью (до нескольких нм)
представляет большую проблему. Серьезной задачей
является также исследование качества мер малой дли-
ны. К мерам субмикронного диапазона предъявляют-
ся высокие требования: отклонение от плоскостой
подложки не должно превышать 0,01 Л, неравномер-
ность штрихов не должна превышать 0,01 периода.
Во ВНИИМ разработан лазерный интерференци-
онный дифрактометр-компаратор, позволяющий из-
мерять период меры в диапазоне от /^2 (для одной
из линий генерации применяемого аргонового лазе-
ра, /2=0,44 Цм) и более с погрешностью до 1 нм. Рас-
ширение диапазона измерений в сторону меньших
значений периода решеток достигается применени-
ем оптической схемы с наклонным падением свето-
вых лучей на решетку и применением двух или трех
длин волн излучения аргонового лазера. Уменьшение
погрешности измерений по сравнению с известными
методами лазерной дифрактометрии достигается ис-
пользованием интерференционного метода измере-
ния параметров дифракционных полей от измеряе-
мой дифракционной решетки и от образцовой перио-
дической решетки с периодом более 1 Ц м. Были
разработаны голографические решетки с периодами
0,277-0,5 Ц ми интерференционный метод для иссле-
дования качества мер. Отклонения от плоскостности
подложек мер -0,01 Л и отклонения от периодично-
сти штрихов порядка 0,01 периода могут определять-
ся па малых участках с размерами 10 х 10 Ц м. Так ре-
шаются принципиально важные проблемы измере-
ния, исследования и калибровки периодических мер
в субмикрометровом диапазоне.
Анализ материалов, полученных более чем от ста
предприятий и научно-исследовательских организа-
ций России, показал, что требования к точности из-
мерения температуры возросли к началу нового сто-
летия в несколько раз по сравнению с уровнем 1990 г.
В ряде отраслей, например, электронике и микробио-
логии, требования погрешности измерений темпера-
туры в диапазоне от 0 °C до 100 °C могут составить не
более 0,0005 °C, что в настоящее время сопоставимо
с предельными возможностями точности воспроизве-
дения МТШ-90 в этом диапазоне температур. Для мет-
рологов наиболее ярким примером является необхо-
димость уже сегодня при воспроизведении единицы
длины измерять температуру материальной меры с
очень высокой точностью (погрешность измерения
температуры не должна превышать 0,0002 °C). Дости-
жение такой точности измерения температуры воз-
можно только при условии существенного (в десятки
и более раз) повышения точности воспроизведения
температурной шкалы. Это, в свою очередь, возмож-
но лишь на основе фундаментальных знаний физиче-
ских процессов, на которых основан метод построе-
ния шкалы. В частности, до последнего времени счи-
талось, что температура фазового превращения
(плавления, затвердевания) абсолютно чистого веще-
ства является константой. Поэтому температуры фа-
зовых превращений ряда веществ были использова-
ны в качестве реперных точек международных тем-
пературных шкал. Считалось, что не составляет про-
блемы достижение погрешности воспроизведения
температур реперных точек в пределах 0,0001-
0,0002 °C. Однако экспериментальные данные многих
метрологических лабораторий показывают, что на
практике эти погрешности существенно (почти на по-
рядок) больше. Последние результаты, полученные в
МБМВ, доказали, что даже температура тройной точ-
ки воды (основы всей термометрии) зависит от мето-
да ее реализации.
Исследования этой проблемы во ВНИИМ выяви-
ли влияние условий реализации реперной точки (пе-
регрева, переохлаждения) на ее воспроизводимость.
В частности, изучена возможность появления не-
скольких площадок затвердевания [19].
Еще более сложной является проблема повышения
точности интерполяционных приборов шкалы, в ча-
стности, платиновых термометров сопротивления.
Повышение точности интерполяции зависит от повы-
шения стабильности функции преобразования каждо-
го термометра, а также минимизации погрешности
воспроизведения шкалы между реперными точками за
счет минимизации различия этих функций у разных
термометров. Решение проблемы стабильности и
единственности функции преобразования платиновых
термометров сопротивления связано с необходимо-
стью совершенствования знаний в области электро-
проводности твердого тела. Это может быть достиг-
нуто на основе множества таких экспериментальных
исследований, как точный анализ состава веществ, из-
мерений кристаллической решетки платины при тер-
мическом воздействии и исследований изменения кон-
центрации вакансий в кристаллической решетке и их
закалка. Огромный объем работ, проводимых на гра-
ни возможностей современной аппаратуры, требует
кооперации ведущих академических и метрологиче-
ских институтов мира, так как обеспечение требуемой
точности измерения физических величин без участия
метрологических институтов невозможно.
О решении проблем исследования параметров ме-
ханических перемещений и для измерений в воздуш-
ных и водных потоках.
Недавно был разработан новый метод для абсолют-
ной калибровки высокочувствительных акселеромет-
ров и других гравиинерциальных приборов, основан-
ный на использовании гравитационного поля, созда-
ваемого телами с определенным распределением
массы (метод динамического гравитационного поля).
Принципиальной особенностью этого метода яв-
ляется использование однородного плоского грави-
тационного поля, создание которого требует приме-
нения источника, имеющего сложную форму. В этом
случае любая априорная информация о конструкции
чувствительного элемента калибруемого прибора ста-
новится ненужной. Неизменность параметров вос-
производимого ускорения по отношению к характе-
ристикам чувствительного элемента обеспечивает су-
щественное повышение точности калибровки.
Предложенный метод эквивалентен методу накло-
на калибруемого прибора в гравитационном поле Зем-
ли. Разница заключается в том, что, во-первых, в этом
случае вращается не прибор, а поле (вместе с источ-
ником), и, во-вторых, напряженность поля источни-
ка на 8-10 порядков меньше, чем у поля Земли. Метод
153
динамического гравитационного поля был успешно
применен для калибровки высокочувствительных ак-
селерометров, используемых в качестве сейсмомет-
ров и инклинометров. Один из вариантов метода мож-
но использовать и для калибровки гравитационных
градиентометров. Метод также можно использовать
для калибровки приборов негравитационного типа,
измеряющих малые значения длин и углов, а также для
калибровки лазерных интерферометров.
При измерениях углов используется зависимость
воспроизводимого ускорения и эквивалентного ему
ускорения при наклоне прибора в гравитационном по-
ле Земли Для перехода к перемещениям использует-
ся его связь с ускорением при гармоническом движе-
нии с заданной частотой.
Таким образом, указанный метод может быть при-
менен для калибровки приборов, измеряющих линей-
ные и угловые смещения, скорость, ускорение и его
градиенты, силу и т.д. Из-за небольших значений гра-
витационной постоянной значение параметров поля,
создаваемого искусственными источниками, позволя-
ет' обеспечивать высокую точность калибровки в диа-
пазоне малых значений, что нельзя сделать, исполь-
зуя другие методы.
Важной особенностью современного этапа метро-
логических исследований является осознание общно-
сти задач и методов естественных наук и метрологии.
Показательным в этом плане можно считать не толь-
ко возникновение квантовой метрологии, но и повы-
шение интереса к философским проблемам современ-
ного естествознания, таким, например, как пробле-
ма наблюдаемости, физической реальности, создания
общей теории измерений.
В заключение следует заметить, что Программа
фундаментальных исследований в метрологии, разра-
ботанная в Институте метрологии им. Д.И. Менделее-
ва, по сей день является богатейшим сводом конкурен-
тоспособных идей. Иначе говоря, в основу развития
Российской эталонной базы заложен систематизиро-
ванный банк физических и метрологических идей, ка-
кого нет ни в одной стране мира. Четкая формулиров-
ка каждой из этих идей, нацеленность планируемого
резулы ата ее реализации на совершенствование кон-
кретного эталона обеспечивают тесную связь решений
современных фундаментальных проблем метрологии
с развитием эталонной базы России и Государственной
системы единства измерений.
Литература:
1. Лазерный интерферометр с высокоразрешающим оп-
тическим микроскопом для измерения длины малых мер /
/ Абрамова Л.Ю., Федорин В Л., Баратов В.М .
Хавинсон Л.Ф. // Измерительная техника. — 1997. — № 9.
2. Sinelnikov А.Е. Lines of investigations for creation of new
means for metrological assurance in the fields of low frequency
motion parameters and gravimetry / XIV IMEKO World
Congress. Vol. XA, 1-6 June, Tampere, Finland.
3. Кривцов Е.П., Синельников A.E., Янковский A.A.
Обеспечение единства измерений в сейсмометрии // Из-
мерительная техника. — 1993. — №> Я.
4 On the International Temperature Scale of 1990 (ITS-90).
Mangum B.W., Blocmbcrgcn P., Chattie M.V., Fellmuth B.,
Marcarino P., Pokhodun AJ. // „Metrologia". 1997. Vol. 34.
5. Tarbeyev Yu. V. A conception of ensuring reliability of
complex environmental monitoring //First St.Petersburg
International Conference „International and National Aspects
of Ecological Monitoring", May 25-28, 1997.
6. Тарбеев Ю.В.. Трунов H.H., Лобашсв A.A.. Кухарь В.В.
Извлечение информации из Периодической системы эле-
ментов как обратная задача // ЖЭТФ. — 1997. — Т. 112. —
С. 1226,
7. Tarbeyev Yu.V., Trunov N.N., Lobashev A A., Knkhar V.V.
Effective Quantum Number for Centrally Symmetric Potentials
// Marcus Wallenberg Symposium in memory of S.Kovalcvski:
Differential equations & applications, June J 8-22, 2000,
Stockholm University. Sweden. Abstracts. P. 16.
8. Тарбеев Ю.В., Кухарь В.В,, Лобашев АЛ.. Трунов Н.Н.
Система констант, определяющая структуру Периодической
системы элементов. // Доклады IV Международной конфе-
ренции „Физмет-2000". СПб., 15-19 июня 2000 г., С. 7.
9. Eides М., Shelyuto V. Corrections of the Ordei c?(Zaf
to Hyperfine Splitting and Lamb Shift // Physical Review. —
1995.-Vol. A 52.
10. Karshenboim S. Leading logarithmic corrections and
uncertainty of Muonium hyperfine splitting calculations //
Zeitschrift fur Physik. — 1996. — Vol. D 36.
11. Мостепаненко B.M., Трунов Н.Н. Эффект Казимира
и его приложения. — М Энергоатомиздат, 1990.
(Mostepanenko V.M., Trunov N.N. The Casimir effect and its
applications Oxford, Clarendon Press, 1997).
12. A proposed superconducting magnetic levitation system
intended to monitor stability of the unit of mass / Frantsuz E.,
KhavinsonV, Geneves G. and Piquemal F. // Metrologia. —
1996.-Vol. S3.
13. Мостепаненко B.M., Эйдес М.И. Установление связей
между фундаментальными физическими константами и мет-
рологией. Квантовая мс грология и фундаментальные физи-
ческие константы. II Всесоюзное совещание. — Л., 1985. —
2 с.
14. Коробов В.К., Тарбеев Ю.В., Герасимов Н.,
Лушкин С В. Создание единого эталона единицы времени
частоты-длины // Измерительная техника. — 1984. — № 7.
-Зс.
15. Tarbeyev Yu V. The work done at the VNJIM to improve
the values of the fundamental constants. Precision Meas urement
and Fundamental Constants II. Proceedings of the Second
International Conference held at the NBS. Gaithersburg, june 8-
12, 1981. Washington, 1984, 6 p.
16. Горшков М.Б.. Неронов Ю.И., Николаев E.H. Систе-
матические погрешности при определении методом ИЦР
разности масс ионов трития и гелия-3 // Метрология. —
1986 -№8.
17. Тарбеев Ю.В., Степанов Б.И., Коробов В.К. Физиче-
ские проблемы метрологии // Метрология. —1981. — № 6.
-7 с.
18. KrotkovI.N., Galakhova О.Р., Roshdestvenskaya ТВ
New system of primary standards for electrical units and its
development at in D.I. Mendeleyev Research Institute of
Metrology (VNHM). Acta IMEKO, 1979, 7 p.
19. Кухарь B.B., Походун А.И., Рубашкина Л.Ю.,
Трунов Н.Н. Влияние условий реализации реперной точки
МТШ-90 на ее воспроизводимость // Измерительная тех-
ника. — 1993 — № 6. — С 46.
Ю.В. Тарбеев
154
Квантовая метрология
Квантовая метрология — это совокупность мето-
дов и подходов, базирующихся на единой основе —
квантовой физике, и использующих для решения мет-
рологических задач квантовые свойства макроскопи-
ческих тел и процессов, а также квантовые свойства
атомных систем.
Экспериментальные и теоретические исследова-
ния в области квантовой метрологии направлены на
создание средств измерений нового поколения и соз-
дания на их основе сист емы „ес гественных эталонов"
физических величин, т.е. таких эталонов, размер еди-
ниц которых определяется стабильными физически-
ми лвлениями и фундаментальными физическими
константами. Переход на естественные эталоны по-
зволит воспроизводить единицы физических величин
независимо от времени, места и внешних условий.
Принципиальная возможность такого воспроизведе-
ния базируется на неразличимости тождественных
частиц и универсальности и простоте законов, управ-
ляющих элементарными квантовыми явлениями. При
этом точность принципиально ограничивается лишь
соотношением неопределенностей. Применение в
метрологии квантовых макроскопических эффектов
позволяет „передать" (транслировать) эти преимуще-
ства в обычный макрос копический диапазон величин.
Изучаемые квантовые явления с точки зрения метро-
логических применений, равно как и принципиаль-
но, качественно различаются в нескольких отноше-
ниях.
Во всех квантовых явлениях фигурирует „квант
действия" — постоянная Планка h ж 2 . Кроме того,
для большинства (но нс всех) явлений существенна
дискретность (квантуемость) заряда е, которая про-
является совместно с дискретностью самой структу
ры вещества, т.е. соотнесением заряда отдельным час-
тицам с массой т (этому соответствует возможность
„пересчета" частиц, в конечном счете приводящая к
числу Авогадро). Основополагающие квантовые зако-
номерности — принцип Паули и статистики Ферми-
Дирака и Бозе-Эйнштейна могут быть с формулирова-
ны только для коллектива дискретных объектов.
Все три константы (h, е, т) проявляются как в фи-
зике каждого атома, например, в частотах излучений
(1), так и в построении Периодической системы эле-
ментов (ПСЭ). В то же время эффект Казимира (2)
является примером квантового макроскопического
эффекта, связанного лишь с нулевыми колебаниями
электромагнитного поля и потому не зависящего от
(е, т).
Квантовые эффекты могут включать как дополни-
тельный параметр скорость света, как в (2). Такие эф-
фекты являются существенно релятивистскими и ис-
чезают, если положить с —> .
Дискретность частот v излучения водородоподоб-
ного атома заряда Z с бесконечной массой ядра
2л2гле4/2 , ч 1 1
*=---------Ж*). , (1)
где п и k — целые; гл и е — масса и заряд электро-
на, является типичным проявлением свойств микро-
скопического объекта — атома (для реального атома
вводится поправка, учитывающая приведенную мас-
су). В общем случае количественные характеристики
микрообъектов, к сожалению, резко отличаются от
используемых на практике. В данном случае, однако,
частоты (1) попадают в хорошо изученный (оптиче-
ский) интервал. Принято говорить, что соотношение
hv=E устанавливает „мостик" между микроскопиче-
скими величинами (энергия атома £) и макроскопи-
ческими (частота, длина и т.д.).
Ярким примером релятивистского макроскопиче-
ского эффекта является казимировская сила притяже-
ния
действующая на единицу площади двух плоскопа-
раллельных проводящих пластин, расположенных в
пустоте на расстоянии а. Здесь нет зависимости от
(е. т), поскольку эффекг никак не связан с массивны-
ми или заряженными частицами, он обусловлен изме-
нением спектра нулевых колебаний электромагни тно-
го поля (с нулевым числом реальных фотонов) при
внесении в объем проводящих пластин (на которых
должны обращаться в ноль касательные составляю-
щие электрического поля). Сила F = 0,2-10-5 Н при
площади пластин 1 смг и а = 0,5 мкм. т.е. имеет впол
не макроскопический масштаб. Эта сила определяет
ся через разность полных энергий вакуумных колеба-
ний без и с учетом пластин. Поскольку оба значения
энергии бесконечны, для извлечения эксперимен-
тально наблюдаемой их разности необходимо приме-
нение специальных методов регуляризации. Таким об-
разом, здесь конечная легко наблюдаемая сила явля-
ется следствием оперирования с бесконечными
величинами [1].
В ряде других эффектов квантовые особенности
выходят на макроскопический уровень посредством
иного механизма — фазовой когерентности, т.е. фак-
тически тождественности (микроскопических) волно-
... 155 ^=^=====
вых функций для макроскопического числа частиц (ку-
перовских пар электронов в эффекте Джозефсона).
Как обсуждалось выше, все квантовые эффекты оп-
ределяются безразмерными комбинациями ФФК и
внешних воздействий. В квантовых явлениях такие
безразмерные величины f являются отношением
некоторой комбинации параметров и ФФК к кванту
действия h При изменении величины внешних воз-
действий априорино можно предполагать, что веро-
ятность появления W особенностей на эксперимен-
тальных зависимостях либо равна нулю (если эффект
не существует), либо пикообразна
W(f)=
где 8~ дельта-функция; fn — простая дискретная
последовательность (обычно п или ). Чрезвычай-
но существенно, что критические значения безраз-
мерного параметра f фактически определяются ап-
риорно или из элементарных соображений, причем
точность оказывается весьма высокой. Именно это об-
стоятельство позволяет метрологически применять
ряд квантовых эффектов фактически независимо от
разработки полной теории (например, квантовый эф-
фект Холла). Последняя же дает оценки малым по-
грешностям.
Примерами безразмерных параметров являются:
в нестационарном эффекте Джозефсона ступеньки на
вольт-амперной характеристике при
где V — напряжение, приложенное к контакту;
— частота облучения внешним электромагнитным по-
лем; удвоение е означает участие не отдельных элек-
тронов, а их пар. В квантовом эффекте Холла
f- h
где RH — холловское сопротивление.
В аналогичном, но несколько ином виде разделе-
ние информации на существенную и менее существен-
ную происходит при анализе ПСЭ. Априорное знание
о существовании атомов со всеми последовательны-
ми атомными номерами (до некоторого предела) вме-
сте с квазиклассическими условиями и оценками оп-
ределяет главное—структуру ПСЭ, причем без исполь-
зования явного вида самосогласованного атомного
потенциала. Подробные же расчеты с ним могут при-
вести лишь к уточнениям значений уровней энергии
[2, 3].
Не все эффекты обладают указанными выше свой-
ствами. Так, сила Казимира (2) непрерывно меняется
в зависимости от всех параметров; то же верно в явле-
ниях с участием постоянной тонкой структуры.
В настоящее время нерешенной остается пробле-
ма создания естественного эталона массы, остальные
эталоны единиц основных физических величин, в
принципе, уже сегодня можно строить как естествен-
ные (конечно, целесообразность этого в каждом слу-
чае должна определяться удобством и точностью вос-
произведения, поддержания и передачи).
Что касается массы, то значения масс элементарных
частиц слишком малы для того, чтобы послужить осно-
вой возможного эталона. Кроме того, эти массы — в от-
личие от зарядов — представляются нерегулярной по-
следовательностью, лишенной закономерности. Здесь
можно указать два исключения. Во-первых, построение
массовых формул, связывающих массы частиц мульти-
плета при нарушении унитарной симметрии. Во-вторых,
обнаружение при образовании металлических класте-
ров устойчивой дискретной последовательности чисел
атомов в них (102-104), что объясняется их самосогласо-
ванной оболочечной структурой, аналогичной ядерной
Таким образом, возникает принципиальная возмож-
ность создания и метрологического использования объ-
ектов со стабильными массами в промежуточном, мезо-
скопическом диапазоне [4]. Представляет интерес вы-
явление и других закономерных связей между массами
микро- и мезообъектов.
Помимо ФФК атомной физики, рассмотренных вы-
ше и относящихся к электромагнитному (электрон-фо-
тонному) взаимодействию, существуют другие кон-
станты, связанные с иными взаимодействиями. Окон-
чательное установление самих типов этих констант и
согласование их значений станут возможными лишь
по завершении соответствующих теорий. Так, построе-
ние теории квантовой гравитации установит связь ме-
жду h и гравитационной постоянной G • Отметим, что
совокупность периодичностей свойств атомных обо-
лочек и ядер, содержащаяся в ПСЭ, интегрально учи-
тывает несколько типов взаимодействий.
Литература:
1. Мостепанснко В.М., Трунов Н.Н. Эффект Казимира и
его приложения. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Тарбеев Ю.В., Трунов Н.Н., Лобашев А.А., Кухарь В.В.
ЖЭТФ. - 1997. - Т. 112. - С. 1226.
3. Трунов Н.Н., Лобашев А.А. Доклад на IV Международ-
ной конференции „ФИЗМЕТ 2000“ // сб. Физическая мет-
рология, ред. Городецкий А.Е., Курбанов В.Г. — СПб.: Изд.
СПбГТУ, 2000. - С. 29-31.
4. Александров В.С., Кухарь В.В., Лобашев А.А.,
Трунов Н.Н. Доклад на IV Международной конференции
„ФИЗМЕТ 2000“, сб. Физическая метрология, ред.
Городецкий А.Е., Курбанов В.Г. — СПб.: Изд. СПбГТУ, 2000.
-С. 108-110.
В.С. Александров, В.В. Кухарь, Н.Н. Трунов
156
Фундаментальные физические константы
Фундаментальные физические константы (ФФК)
являются численными коэффициентами в основопо-
лагающих уравнениях физики, которые отражают на-
ши знания о структурных элементах, их взаимодейст
вии и устройстве всего материального мира. К ФФК"
относятся: скорость света, гравитационная постоян-
ная, заряд электрона, массы, механические и магнит-
ные моменты элементарных частиц (электрона, про-
тона, нейтрона и др.), постоянная Авогадро, Фарадея,
Планка, Ридберга, Больцмана и т.д.
Малейшая несогласованность значений одних и
тех же ФФК, входящих в разные законы механики,
термодинамики, оптики, квантовой механики, атом-
ной, ядерной и молекулярной физики будет свиде-
тельствовать о несовершенстве наших представлений
об основных закономерностях в природе.
Например, значения постоянной Планка, получае-
мые из опытов по фотоэффекту, излучению абсолют-
но черного тела или из эффекта Джозефсона, кванто-
вого эффекта Холла должны быть строго одинаковы-
ми в пределах погрешности измерений. Обнаружение
расхождений потребовало бы пересмотра основопо-
лагающих физических законов и теорий.
Повышение точности ФФК требуют и более кон-
кретные задачи науки и техники. Главные из них: про-
верка теоретических выводов квантовой электроди-
намики (которая позволяет вычислить некоторые
константы с очень высокой точностью), точные из-
мерения длин, скоростей, магнитных полей, термо-
динамических постоянных и создание естественных
эталонов в метрологии.
Поэтому общий прогресс науки характеризуется
стремлением к непрерывному повышению точности
значений ФФК.
Развитие науки сопровождается появлением но-
вых открытий, эффектов, возникновением принци-
пиально новых понятий и объектов, что требует вве-
дения характерных постоянных, которые позволяют
количественно оценивать соответствующие явления
и эффекты. Поэтому число постоянных, включаемых
в таблицы ФФК, соответственно увеличивается. Таб-
лица согласования ФФК 1965 г. [1 ] включала около 40
констант, таблица 1986 г. [2] — около 130, а приводи-
мая ниже таблица ФФК [3] содержит более 170.
Характерным для ФФК является то, что их наибо-
лее точные значения могут быть получены не при пря-
мых измерениях параметров элементарных частиц
или постоянных, характеризующих поведение более
сложных систем, а при измерении некоторых комби-
наций ФФК. Так, например, не измеряют массы, за-
ряды или магнитные моменты элементарных частиц,
а измеряют отношения или другие комбинации ФФК,
которые современный уровень науки и эксперимен-
тальной техники позволяет измерять наиболее точ-
но. При этом стараются обходиться без измерений аб-
солютных величин (масс, объемов, энергии), а про-
водить измерение относительных величин (которые
обычно меряются точнее) и свести измерения к из-
мерению частот, времени. Далее, путем расчетов по
законам, связывающим ФФК, получают значения
ФФК, не поддающиеся прямым точным измерениям.
Работа по повышению точности ФФК включает
2 основных этапа:
а) проведение измерений и расчетов отдельных
констант;
б) анализ и согласование всех имеющихся данных
методом наименьших квадратов с получением наибо-
лее достоверных значений констант и их погрешно-
стей.
Следует оговорить, что т.к. число данных измере-
ний и расчетов, используемых в согласовании, много
больше числа согласуемых констант, то математиче-
ски эта система переопределена. Поэтому путем от-
брасывания некоторых входных данных можно полу-
чить несколько хорошо согласованных систем кон-
стант с малыми погрешностями. Однако выбранная
окончательно таким образом система ФФК с наимень-
шими погрешностями может обладать малой досто-
верностью и средних значений ФФК и их погрешно-
стей.
При использовании большего числа входных дан-
ных достоверность средних значений констант и осо-
бенно их погрешностей увеличивается. Конечно, при
этом несколько расширяются погрешности.
Эта ситуация требует при согласовании ФФК тща-
тельного анализа входных данных, методик измере-
ний и расчета погрешности.
К сожалению, практика проводившихся согласо-
ваний свидетельствует об излишнем стремлении к
уменьшению погрешностей в ущерб достоверности,
о чем свидетельствует рис. 1.
Разработанные новые принципы и алгоритмы со-
гласования [4, 5. 6) способствуют увеличению досто-
верности значений ФФК при минимальном расшире-
нии погрешностей.
Процедура согласования ФФК включает в себя
сбор всех имеющихся к определенному моменту вре-
мени экспериментальных и теоретических результа-
тов, относящихся к ФФК, критический анализ вход-
ных данных, разработку методики и алгоритма согла-
сования, проведение расчетов по составлению
таблицы значений ФФК.
157
Рис. 1. Изменения численных значений и погрешно-
стей элементарного заряда е(х) и постоянной Авогадро (о),
полученных в результате пяти последних согласований
ФФК.
Приводимая ниже таблица ФФК является резуль-
татом согласования, завершенного в 1998 г. [3]. Она
одобрена Международной организацией КО ДАТА
(Комитет по численным данным для науки и техни-
ки). Согласование проводили председатель рабочей
группы по ФФК КОДАТА доктор BJ. Mohr и член этой
группы доктор B.N. Taylor.
Входящие в таблицу величины ФФК разделены на
4 больших группы: универсальные; электромагнит-
ные, атомные и ядерные; физико-химические. В свою
очередь группа атомных и ядерных констант содер-
жит подгруппы величин, объединенных под рубрика-
ми: общая, связанная с электромагнитным и слабым
взаимодействием (electroweak), а также относящиеся
к характеристикам элементарных частиц и легких ато-
мов — электрона, мюона, r-частицы, протона, нейтро-
на, дейтрона (атом дейтерия), гелиона (атом гелия-
3) и цг-частицы (атом гелия-4).
В таблице указаны: названия фундаментальных фи-
зических констант; общепризнанные символы, кото-
рыми они обозначаются ь литературе; численные
значения, полученные в результате согласования; раз-
мерности величин в системе SI и относительные по-
грешности. Две цифры в значениях констант (стоящие
ь скобках) соответствуют значению абсолютной ве-
личины погрешности в двух последних значащих
цифрах.
Эти данные являются официальными, они утвер-
ждены Международными научными организациями и
будут действительны до следующего согласования
ФФК [7J.
Литература:
1. Cohen E.R., DuMond J.W.M. Rew. of Mod. Physics (1965),
v. 37. - № 4. - P. 537-594
2. Cohen E. R, Taylor B.N. Rev. of Mod. Physics, (1987). v. 59.
— №4. — P. 1121-1148.
8. MohrPJ., Taylor B.N. Rev. of Mod. Phys. (2000), to be
published.
4. Тунинский B.C., Холин B.M. Метрология (СССР). —
1975.-№8. С. 3-11.
5. Mamyrin В.А. The Proceedings of the V Biennal
International CO DATA Conf, at the University of Colorado
(June 25-July 1,1976). Pcrgamon Press. Oxford and New-York,
1977, Edited hy B. Dreyfus P. 25 26
6. Cohen E.R.. Tuninsky V.S. IEEE (1995), v. 44. - № 2. -
P. 475-478
7. Mohr BJ. and Taylor B.N CODATA Recommended Values
of the Fundamental Physical Constants: 1998 / / Rev.Mod.Fhys.
- 2000. - Vol. 72. - №2. - P. 351-495.
Б.А Мамырин. H.H. Apyee
1 1 1 ....... 158
Значения фундаментальных констант физики и химии, рекомендованные
CODATA на основе согласования 1998 г.
Quantity Symbol Numerical Unit Relative
value std.
uncert. ur
UNIVERSAL
speed of light in vacuum. C,co 299792458 m-s1 (exact)
magnetic constant Ho 4tt 1(I7= N-A*
=12.566370614...-10’ NA2 (exact)
electric constant I/BqC2 characteristic impedance of vacuum eo 8.854187817...-1012 F m1 (exact)
7/6M = 376.730313461 Q. (exact)
Newtonian constant of gravitation G 6 673(10) 1011 m’-kg’-s2 1.510’
G/Лс 6.707(10).10” (GeV/c2)'2 1.5 10’
Planck constant h 6.62606876(52) 10” J-s 7.810-8
in eV s 4.13566727(16) 1015 eV-s 3.9104
*/2p h 1 054571596(82)-1034 Js 7.8-10^
in eV s 6.58211889(26)-1016 eV-s 3 9-104
Planck mass (Лс/G)1/2 m 2.1767(16)-1O* kg 7.5104
Planck length A/tnpc=(ftG/c’)1/2 l.G160(12)-1035 m 7.5-104
Planck time lf/c=(hG/d‘)l/'i ‘p 5.3906(40) 10” s 7.5-104
ELECTROMAGNETIC
elementary charge e 1.602176462(63)-1049 C 3.9.10-8
e/h 2.417989491(95)-1014 A-J1 3.9-10-8
magnetic flux quantum h/2e фо 2.067833636(81)-10ls Wb 3.9-IO4
conductance quantum 2f/h Go 7.748091696(28)-10* s 3.7-1 O’9
inverse of conductance quantum G»1 12906.403786(47) fl 3.7-10*
Josephson constant* 2e/h 483597.898(19)-109 Hz-V1 3.9-10’8
von Klitzing constant11 Л/<г"=ц0с/2а 25812.807572(95) Q 3.7-10*
Bohr magneton 927.400 899(37)-10 26 JT> 4.0104
ineVT1 5.788381749(43)-105 eVT1 7.3-10*
тв./Л 13.99624624(56).10" HzT1 4.6 IO*
mB/fc 46.6864521(19) nr'-T1 4.0-10-8
mB/ft 06717131(12) K-T4 1.7-10*
nuclear magneton mx 5.05078317(20)-1027 J.T> 40-10-8
ineVT1 3.152451238(24). 10* eVT' 76-10*
mN/A 7.62259396(31) MHz-T4 4.0-10*
mN/*c 2.54262366(10)I0-2 m'T1 4.0-108
mN/4 3.6582638(64) -IO4 KT1 1.710*
ATOMIC AND NUCLEAR General fine-structure constant e2/4ре0Йс a 7.297352533(27) 10* 3.7-10*
inverse fine-structure constant a1 137 03599976(50) 3.7-10*
Rydberg constant а2тес/2Л РГ 10973731.568549(83) m1 7.6101’
M'c 3.289841960368(25) 1015 Hz 7.6-1012
HI'he 2.17987190(17)-1018 J 7.8-10*
Ki he in eV 13.60569172(53) eV 3.9-10*
Bohr radius а/4рЯГ=4репЙ'/т^ «0 05291772083(19) 1010 m 3.7-10*
Hartree energy ^/4ре0а0=2йГЛс=а2те<? 4 35974381(34)-1018 J 7.8-10*
in eV 27.2113834(11) eV 3.9-10*
quantum of circulation Л/2те 3.636947516(27)-104 m2.s4 7.3-10*
h/m^ 7.273895032(53)-104 m2.s4 7.3-10*
Electroweak
Fermi coupling constant' weak qw mixing angle'11 Gv/(hcy 1.16639(l)-10* GeV2 8.6-10*
sin2qw=l-(?nw/»iz)2 Electron, e’ sin2qw 0.2224(19) 8.7-10*
electron mass 4 9.10938188(72)-10*' kg 7.9-10*
in u 5.485799110(12) 10” u 2.1-10”
energy equivalent m <? e 8.18710414(64).10 й J 7.9-10”
in MeV 0.510998902(21) MeV 4.0-10”
electron-muon mass ratio me/nzm 4.83633210(15) 10’ 3.010”
electron-tau mass ratio m^/m. 2.87555(47)-10” i.6-io”
electron-proton mass ratio mc/mp 5.446170232(12)-10” 2.1-10”
electron-neutron mass ratio m./n. 5.438673462(12)-10” 2.2-10”
electron-deuteron mass ratio т„/тЛ 2.7244371170(58) 10” 2.1-10”
electron to alpha particle mass ratio mc/ma 1.3709335611(29) 10” 2.1-10”
electron charge to mass quotient •e/mc -1.758820174(71) 1011 Ckg” 4.0-10”
electron molar mass NAme M(e), M 5.485799110(12) 10’ kg-mol” 2.1-10”
Compton wavelength h/mcc ‘с 2.426310215(18)-1012 m 7.3-10”
1с/2р=аа0=а2/4рЛГ Xc 386.1592642(28)-1015 m 7.3-10”
classical electron radius a2a0 r e 2.817940285(31)-10” m 1.1-10”
Thomson cross section (8p/3)r2 S e 0.665245854(15)-10'28 m2 2.2-10”
electron magnetic moment m e -928.476362(37)-10'26 j.T' 4.0-10”
to Bohr magneton ratio mc/mB -1.0011596521869(41) 4.1-10”2
to nuclear magneton ratio me/mN -1838.2819660(39) 2.1-10”
electron magnetic moment anomaly зтсз/тв-1 “e 1.1596521869(41)40’ 3.5-10”
electron ^factor-2(l+a.) & -2.0023193043737(82) 4.1-10”2
electron-muon magnetic moment ratio me/mm 206.7669720(63) 3.010”
electron-proton magnetic moment ratio m/mP -658.2106875(66) 1.0-10”
electron to shielded proton magnetic moment ratio (H2O, sphere, 25 °C) me/m’p -658.2275954(71) 1.1-10”
electron-neutron magnetic moment ratio me/mn 960.92050(23) 2.4-107
electron-deuteron magnetic moment ratio moment ratio (gas, sphere, 25 °C) me/ma -2143.923498(23) 1.1-10”
electron to shielded helion' magnetic “Л’ь 864.058255(10) 1.2-10”
electron gyromagnetic ratio 21 me |/Л ge 1.76U859794(71) 1011 s”-T” 4.010”
Muon, m' g./2p 28024.9540(11) MHz-T” 4.010”
muon mass mm 1.88353109(16). 10“ kg 8.4-10”
in u 0.1334289168(34) u 3.010”
energy equivalent mm? 1.69283332(14) 1011 J 8.4-10”
in MeV 105.6583568(52) MeV 4.9-10”
muon-electron mass ratio тт/Ш' 206.7682657(63) 3.0-10”
muon-tau mass ratio mm/mt 5.94572(97)-10'2 i.6-io”
muon-protoo mass ratio mm/mp 0.1126095173(34) 3.0-10”
muon-neutron mass ratio mm/mn 0.1124545079(34) 3.0-10”
muon molar mass N^rnxn M(p), Mm 0.1134289168(34) 10’ kg-mol1 3.0-10”
muon Compton wavelength h/mmc lcm 11.73444197(35) 1015 m 2.9-10”
1.867594444(55)-IO” m 2.9-10”
muon magnetic moment mm -4.49044813(22)-1026 j.T1 4.9-10”
to Bohr magneton ratio mm/mB -4.84197085(15) 10’ 3.0-10”
to nuclear magneton ratio mm/mN -8.89059770(27) 3.0-10”
muon magnetic moment anomaly зттз/(гЙ/2тпт)-1 am 1.16591602(64) 10’ 5.5-10’
muon gfactor -2(l+em) gm -2.0023318320(13) 6.4-10”“
muon-proton magnetic moment ratio Tau,t' mm/mp -3.18334539(10) 3.2-10”
tau mass ml 3.16788(52)-10'27 kg 1.6-10”
in u 1.90774(31) u i.6-io”
energy equivalent mil? 2.84715(46)-10”° J 1.6-10”
in MeV 1777.05(29) MeV 1.6-10”
tau-electron mass ratio 3477.60(57) 1.6-10”
tau-muon mass ratio mt/mm 16.8188(27) 1.6-10”
tau-proton mass ratio mt/mp 1.89396(31) 1.6-10”
tau-neutron mass ratio mt/mn 1.89135(31) 1,6-10”
tau molar mass N^mt Af(t),M 1.90774(31) 10” kg-mol” 1.6-10”
tau Compton wavelength h/mtc V 0.69770(11). 1015 m 1.6-10”
lc.l^P Proton, p ^•C.r 0.111042(18) 10”’ m 1.6-10”
proton mass 1.67262158(13).IO27 kg 7.9-10”
in u 1.00727646688(13) u 1.3-10”°
energy equivalent m ? p 1.50327731(12) 10”° J 7.9-10”
160
in MeV 938.271998(38) MeV 4.0-10*
proton-electron mass ratio mp/mc 1836.1526675(39) 2.1-10*
proton-muon mass ratio mp/nan 8.88024408(27) 3.010*
proton-tau mass ratio mf/mt 0.527994(86) 1.6-10*
proton-neutron mass ratio 0.99862347855(58) 5.8-1010
proton charge to mass quotient e/mp 9.57883408(38)-107 C-kg1 4.0-10*
proton molar mass M(p), M 1.00727646688(13) 10* kg-mo!1 1.3-1010
proton Compton wavelength h/mfc 'c.p 1.321409847(10)-1015 m 7.6-10’9
'up^P 0.2103089089(16) 1015 m 7.6-109
pioton magnetic moment m p 1.410606633(58)-10« JT1 4.1-108
to Bohr magneton ratio тр/тв 1.521032203(15)-10* 1.0-10’8
to nuclear magneton ratio m /mN 2.792847337(29) 1.0 108
proton g-factor 2inp/mN 4 5.585694675(57) 1.0.10*
proion-neutron magnetic moment ratio шР/т„ -1.45989805(34) 2.4-107
shielded pr oton magnetic moment mP 1.410570399(59) 10“ JT1 4.210'8
(H2O, sphere, 25 sC)
to Bohr magneton ratio m’/mB ].520993132(16)-103 1.1-10*
to nuclear magneton ratio m /mN 2.792775597(31) 1.1-108
proton magnetic shielding correction s’p 25.687(15)-10* 5.7-10*
l-m‘ /in (H2O, sphere, 25 eC)
proton gyromagnetic ratio 2nip/lj gP 2 67522212(11) 10» s1 T1 4 1.10*
gp/^P 42.5774825(18) MHz-T1 4.1-10“
shielded proton gyromagnetic ratio g’₽ 2.67515341(11) 108 s’-T1 4.2-10*
2тр/Л (H2O, sphere, 25 eC)
g’p/^p 42.5763888(18) MHzT 4 2 10*
Neutron, n
neutron mass 1.67492716(13)-102' ke 7.9-10*
in u 1.00866491578(55) u 5.4-1010
energy equivalent m c2 n 1.50534946(12)-1010 J 7 9 10*
in MeV 939.565330(38) MeV 4.0-10*
neutron-electron mass ratio 1838.6836550(40) 2.2-10*
neutron-muon mass ratio я/ят 8.89248478(27) 3.0-10*
neutron-tau mass ratio mn/mt 0.528722(86) 1.610*
neutron-proton mass ratio 1.00137841887(58) 5.8-1010
neutron molar mass VAmn M(n), M 1.00866491578(55)-10* kg-rnol1 5.4-1010
neutron Compton wavelength h/mnc *C.n 1.319590898(10)-10’,s m 7.6-10*
1C,„/2P ^Сл 0.2100194142(16)-1015 m 7.6-10*
neutron magnetic moment -0.96623640(23)-1026 JT1 2.4-1O7
to Bohr magneton ratio т„/тв 1.04187563(25) 10* 2.4-10’
to nuclear magneton ratio 1.91304272(45) 2.4 IO7
neutron g-factor 2m„/mN & -3 82608545(90) 2.4-1 O’
neutron electron magi letic moment ral io m„/me 1.04066882(25) 10* 2.4-1 O’
neutron-proton magnetic moment ratio m /m n' p -0.68497934(16) 2.4-10-’
neutron to shielded proton magnetic mn/m p -0.68499694(16) 2.4-10’
moment ratio (H2O. sphere, 25 eC)
neutron gyromagnetic ratio 2зтпз/Й gn 1.83247188(44)-108 s-’-T1 2.4-107
g„/2P 29.1646958(70) MHz-T1 2.4-IO7
Deuteron, d
deuteron mass 3.34358309(26)-1027 kg 7.9-10*
in u 2.01355321271(35) u 1.7-1010
energy equivalent md(? 3.00506262(24)-10'10 J 7.9-10*
in MeV 1875.612762(75) MeV 4.0-10*
deuteron-electron mass ratio т./т dz e 3670.4829550(78) 2.1-10*
deuteron-proton mass ratio a' p 1.99900750083(41) 2.0-1010
deuteron molar mass VAmd M(d), Md 2.01355321271(35) 10* kg-mol1 1.7-1010
161
deuteron magnetic moment md 0.433073457(18)-10-6 j.T1 4.2-10®
to Bohr magneton ratio md/mB 0.4669754556(50)-103 1.1-10’
to nuclear magneton ratio md/mN 0.8574382284(94) 1.140-’
deuteron-electron magnetic moment ratio m./m a' e -4.664345537(50)40'4 1.1-10’
deuteron-proton magnetic moment ratio md/mp 0.3070122083(45) 1.5-10'8
deuteron-neutron to magnetic moment ratio Helion, h md/m„ -0.44820652(11) 2.4-IO'7
helion mass' “h 5.00641174(39)4027 kg 7.9-10-8
in u 3.01493223469(86) u 2.8-1010
energy equivalent "V* 4.49953848(35)-1010 J 7.9-10-’
in MeV 2808.39132(11) MeV 4.0-10’
deuteron-electron mass ratio Vя. 5495.885238(12) 2.1-10-9
deuteron-proton mass ratio 4/’«P 2.99315265850(93) 3.1-1010
deuteron molar mass M(h), Mh 3.01493223469(86) 10‘3 kg-mol1 J-T1 2.8-1010
shielded helion magnetic moment -1.074552967(45)-10’26 4.240’
(gas, sphere, 25 eC) to Bohr magneton ratio m h/mB -1 158671474(14)40’ 1.2-10"
to nuclear magneton ratio m 'h/mN -2.127497718(25) 1.2 10"
shielded helion to proton magnetic moment ratio (gas, sphere, 25 eC) m’/m h' p -0.761766563(12) 1.540’
shielded helion to shielded proton magnetic moment ratio m’/m ’ pz p -0.7617861313(33) 4.3-10-9
(gas/H2O, sphere, 25 eC) shielded helion gyromagnetic ratio 2зт ’Ьз/Й (gas, sphere, 25 eC) g’h 2.037894764(85)40’ s’-T* 4.2-10-8
g’h/2P 32.4341025(14) MHz-T1 4.2-10-8
Alpha particle, a alpha particle mass ma 6.64465598(52)4 O'27 kg 7.9-10-’
in u 4.0015061747(10) u 2.54010
energy equivalent ma? 5.97191897(47)-1010 J 7.9-10’
in MeV 3727.37904(15) MeV 4.0-10-"
alpha particle to electron mass ratio ma/me 7294.299508(16) 2.1-10’9
alpha particle to proton mass ratio ma/mp 3.9725996846(11) 2.8-10’10
alpha particle molar mass VAma PHYSICO-CHEMICAL M(a), Ma 4.0015061747(10)40’ kg-mo!1 2.5-1010
Avogadro constant atomic mass constant Aa,L 6.02214199(47)40“ mol’1 7.940*
m„ = p-nt(iyc)= 1 w = 10‘ 3kg mol '/Na m u 1 66053873(13)4027 kg 7.940’
energy equivalent m & u 1.49241778(12) 1010 J 7.9-10-8
in MeV 931.494013(37) MeV 4.0-10*
Faraday constant" N e F 96485.3415(39) C-moI1 4.040’
molar Planck constant N.h 3.990312689(30)-1010 J-s-mol1 7.6-10-9
NJic 0.11962656492(91) J-m-mol1 7.6-10-9
molar gas constant R 8.314472(15) J-mol'-K1 1.7-10*
Boltzmann constant R/NK k 1.3806503(24)40“ JK1 1.740*
in eV К1 8.617342(15)-10'5 eV-K1 1.740*
k/h 2.0836644(36)4 010 Hz-K1 1.7-10*
k/hc 69.50356(12) m'-K1 1.7-10*
molar volume of ideal gas RT/p Г=213ЛЬ К, p= 101.325 kPa V m 22.413996(39)40’ m’-mol-1 1.7-10*
Loschmidt constant N./V 2.6867775(47)-1025 nr’ 1.7-10*
7=273.15 K, />=100 kPa K, 22.710981(40)40-’ m’-mol1 1.7-10*
Sackur-Tetrode constant (absolute entropy constant)11 5/2+1п[(2рти/г7’1/Л2)я/2А7'|/Д] -1.1517048(44) 3.8-10*
T=1 K, Д=100 kPa Т=1 К, />, = 100.325 kPa -1.1648678(44) 3.740*
Stefan-Boltzmann constant (p2/60)A4/A3? s 5.670400(40)-10’8 W-m2-K4 7.0-10*
first radiation constant 2рЛ? C1 3.74177107(29)-10'16 W-m2 7.8-10-8
first radiation constant for spectral radiance 2Л? C1L 1.191042722(93) 1016 W-m’-sr1 7.8-10-8
second radiation constant hc/k Wien displacement law constant C2 1.4387752(25)-10’2 m-K 1.7-10*
^Lax^^/4’965114321- b 2.8977686(51)40-’ m-K 1.7-10*
6 Зак. 450
162
Квантовая электродинамика и
фундаментальные физические константы
Квантовая электродинамика:
основные принципы и место в
современной физике
Электромагнитное взаимодействие лежит в осно-
ве большинства процессов и явлений вокруг нас (фи-
зических, химических и биологических), поэтому оно
изучено гораздо лучше, чем остальные фундаменталь-
ные силы природы. Квантовая электродинамика
(КЭД), описывающая взаимодействие между электро-
нами и фотонами, является самой точной из всех фи-
зических теорий. КЭД возникла в результате синтеза
электродинамики Максвемап перелятиьистской кван-
товой механики. Фундаментальную константу — ско-
рость света с КЭД унаследовала от классической элек-
тродинамики и специальной теории относительно-
сти, а постоянную Планка ft внесла квантовая
механика. Основы КЭД заложены в конце 20-х гг. Ди-
раком и Гейзенбергом, практически сразу после создания
нерелятивистской квантовой механики. Современ-
ную форму КЭД приобрела во многом благодаря ра-
ботам Фейнмана, Швингера, Томонаги, Дайсона, опубли-
кованным на рубеже 40-х и 50-х гг. На примере КЭД
были открыты и сформулированы основные принци
пы квантовой теории поля. В настоящее время под
КЭД понимают ту часть квантовой теории поля, в ко-
торой рассматривается лишь взаимодействие кванте
ванных электромагнитного и заряженных лептонных
полей. Фундаментальные принципы КЭД (прежде все
го калибровочная инвариантность) положены в осно-
ву современной теории сильного и слабого взаимидей
ствий.
В рамках КЭД были открыты новые физические
явления, такие как поляризация вакуума, лэмбовский
сдвиг и аномальный магнитный момент электрона. Зна-
чения соответствующих физических величин были
вычислены в рамках КЭД с чрезвычайно высокой точ-
ностью благодаря использованию теории возмуще-
ний по малому безразмерному параметру — постоян-
ной тонкой структуры а= е‘) 4 л^гс ~ 1/137.
С момента своего открытия лэмбовский сдвиг и
сверхтонкое расщепление в атомах водорода и дей-
терия, как и аномальный магнитный момент электро-
на, нашли метрологическое применение, связанное
с уточнением значений фундаментальных физиче-
ских констант, сначала — постоянной тонкой струк-
туры, а затем — и постоянной Ридберга. Позднее мет-
рологическое значение приобрели исследования мюо-
ния, искусственного атома, состоящего из электрона
и мюона.
Теория ьодородоиодобных атомов
Атом водорода является фундаментальной атом-
ной системой, исследование спектра которой играло
и играет важную роль в развитии различных облас-
тей физики и метрологии. В первом приближении
уровни энергии в атоме описываются уравнением
Шредингера с кулоновским взаимодействием и при-
веденной массой. Энергия состояния с главным кван-
товым числом п равна
Спектр излучения отвечает переходам между раз-
личными уровнями и соответствующие частоты свя-
заны с разностью энергий
hVmn=En~Em-
Эти соотношения были впервые найдены Бором
на основе соотношений де Бройля между импульсом
и длиной волны и с учетом планетарной модели Ре-
зерфорда. Тем самым была создана так называемая
„старая квантовая теория". Однако подобная модель
обладала рядом недостатков, например, было трудно
объяснить сферическую симметрию атома. Ес тествен-
яым развитием этой теории явилась квантовая меха-
ника Шредингера.
Важной особенностью решений уравнения Шре-
дингера является то, что энергия состояния зависит
только от главного квантового числа и не зависит от
орбитального числа I и спина, что приводит к мно-
гочисленным вырождениям. Указанные вырождения
связаны с дополнительной симметрией атома водоро-
да и, в частности, с возможностью разделения пере-
менных в сферических и параболических координа-
тах. Последние активно изучались в пионерских ра-
ботах Фока и Паули.
Часть вырождений снимается релятивистскими
поправками. Как известно, Шредингер пытался сра-
зу построить релятивистское уравнение, однако ока-
залось, что возникает неправильная „тонкая структу-
ра" водорода Дело в том, что релятивисте кое уравне-
ние, рассмотренное Шредингером относилось к
бесспиновой частице. Введение спина электрона сни-
мает проблему. Полное релятивистское выражение
для энергии электрона (точечной частицы со спином
1/2) в кулоновском поле определяется уравнением
Дирака
163
или, после разложение в ряд по степеням (Zaf
имеет вид
„ 1_____________________
" 2п2 п j+%> 4п
Первое слагаемое в квадратных скобках соответ-
ствует шредингеровскому выражению для энергии,
второе — релятивистским поправкам. Энергия зави-
сит от главного квантового числа п и полного угло-
вого момента j (суммы орбитального момента и спи-
на). Расщепление уровней с разными значениями пол-
ного углового момента, в частности, расщепление
и или ’ вызванное релятивистскими
поправками называется тонкой структурой. Полное
выражение для энергии не содержит орбитального
момента, поэтому уровней и ~sy2 совпадают.
Из уравнения Дирака следует также выражение
для магнитного момента электрона
ей
А =7- = ^^ ,
2т
т.е. g — фактор электрона равен 2.
Протон и другие атомные ядра также обладают
собственными магнитными моментами, но в отличие
от электрона, значения моментов не следуют из урав-
нения Дирака. Взаимодействие электронных и ядер-
ных магнитных моментов приводит к малому (по срав-
нению с тонкой структурой) дополнительному расще-
плению уровней — сверхтонкому расщеплению (СТР). Это
расщепление невелико только из-за малости ядерных
магнитных моментов (из соображений размерности
следует, что магнитные моменты ядер обратно про-
порциональны их массам). В случае позитрония тон-
кая и сверхтонкая структуры имеют одинаковый по-
рядок величины.
Исследования, проведенные вскоре после войны,
показали, что дираковское описание атома водорода
(даже с учетом СТР) не является полным, при повы-
шении точности эксперимента следует учитывать ра-
диационные поправки.
Квантовоэлектродинамические поправки
В 1947 г. Лэмб и Резерфорд обнаружили сдвиг '~У)
и уровней в атоме водорода, которые согласно
теории Дирака должны были совпадать. Оказалось,
что уровень ~sy2 лежит приблизительно на 1000 МГц
выше уровня “fy Это смещение (лэмбовский сдвиг),
снимающее вырождение уровней с одинаковыми зна-
чениями j и гг, но с разными I, происходит благода-
ря взаимодействию электронов с флуктуациями кван-
тованного электромагнитного поля. Впервые лэмбов-
ский сдвиг в нерелятивистском приближении был
вычислен Бете в том же 1947 г.
Имеется еще одно важное проявление флуктуаций
электромагнитного поля — аномальный магнитный мо-
мент. В 1948 г. Швингер показал, что магнитный мо-
мент электрона отличается от значения, следующего
из уравнения Дирака, на величину, пропорциональ-
ную постоянной тонкой структуры О':
eh
п 2т
д ~----1+—
л 2т [ 2лг у
Вскоре в 1948 г. наличие аномального магнитного
момента было доказано экспериментально. В настоя-
щее время аномальный магнитный момент электро-
на является одной из наиболее точно измеренных ве-
личин и соответствующая величина имеет вид
g = 2 (1+а_ 2 (1+0,0011596521884(43)).
Аналогичный эксперимент для позитрона дает
ge+ = 2 (1+а + }= 2- (1+0,0011596521879(43)).
Из общих принципов квантовой теории поля сле-
дует, что магнитные моменты частицы и соответствую-
щей ей античастицы должны быть одинаковыми по ве-
личине, но противоположными по знаку. Приведен-
ные выше равенства это наглядно подтверждают.
Кроме флуктуаций электромагнитного поля следу-
ет также учитывать рождение виртуальных электрон-
но-позитронных пар (поляризация вакуума). Электрон
оказывается окруженным облаком зарядов, которое
поляризовано таким образом, что положительные за-
ряды (виртуальные позитроны) расположены ближе
к электрону. Это эквивалентно экранированию исход-
ного отрицательного заряда электрона. В атоме такое
изменение потенциала приводит к смещению энерге-
тических уровней.
Квантовая электродинамика позволяет провести
прецизионные расчеты лэмбовского сдвига, тонкой
и сверхтонкой структуры. Главным отличием кванто-
вой теории поля (и КЭД в частности) от квантовой
механики является несохранение числа частиц. Ока-
зываются возможными излучение и поглощение фо-
тонов и рождение и аннигиляция электрон-позитрон-
ной пары. При этом важным элементом является по-
нятие виртуальных частиц, для которых, в отличие от
реальных, не выполняется общее релятивистское со-
отношение между энергией, импульсом и массой. Эти
частицы могут рождаться и поглощаться, существуя
лишь ограниченное время, определяемое соотноше-
нием неопределенностей Гейзенберга. Удобным спо-
собом графического представления процессов взаи-
модействия частиц являются диаграммы Фейнмана.
Они лежат в основе релятивистски-инвариантной тео-
рии возмущений, широко используются при вычисле-
нии радиационных поправок, резко сокращая объем
рутинных вычислений.
Все поправки к атомным уровням и сечениям рас-
сеяния, связанные с виртуальными фотонами и элек-
тронно-позитронными парами, называются радиацион-
ными поправками. Последние различают по количест-
ву замкнутых петель в соответствующих
фейнмановских диаграммах. Однопетлевые диаграм-
мы приводят к поправкам первого порядка по постоян-
ной тонкой структуры а, многопетлевые — к поправ-
кам более высоких порядков по а (с небольшими ого-
ворками в случае связанных состояний).
164
Излучение фотонов делает возмущенные уровни
энергии в водороде нестабильными. Следует особо от-
метить двухфотонный распад метастабильного (дол-
гоживущего) уровня 2 5. Время жизни уровня (соглас-
но соотношению неопределенностей Гейзенберга) об-
ратно пропорционально радиационной ширине
уровня и поэтому метастабильный уровень является
чрезвычайно узким. Симметрия КЭД относительно
обращения во времени приводит к тому, что процес-
сы излучения и поглощения фотонов оказываются
связанными и возможно также двухфотонное возбу-
ждение 2 5 уровня из основного состояния. Такое воз-
буждение в лазерном поле не чувствительно к линей-
ному эффекту Допплера и является мощным средст-
вом прецизионных измерений. Результат для 1 s-2s
перехода в атоме водорода, найденный подобным ме-
тодом, равен
=2466061413187,34(84) кГц.
Быстрый прогресс прецизионной лазерной спек-
троскопии делает возможным создание в недалеком
будущем оптического стандарта времени.
Другим примером взаимодействия атомов и фото-
нов являются переходы между связанными состояния-
ми и непрерывным спектром. При поглощении свя-
занным электроном фотона с достаточно большой
энергией происходит ионизация атома, т.е. отрыв
электрона. Обратным процессом является захват
электрона ионом или атомом с излучением фотона.
Ионизация и захват могут происходить также и за
счет неупругих атомных столкновений.
Описанные выше процессы находят применение
в прецизионной физике простых атомных систем,
прежде всего как метод создания атомов, отсутствую-
щих в природе в нормальных условиях. Примером мо-
гут служить позитроний, мюонийи мюонные атомы, во-
дородоподобные ионы различных элементов — от лег-
ких (гелий, литий) до тяжелых (уран, висмут, свинец
и золото).
В настоящее время теоретические выражения для
аномальных магнитных моментов и уровней энергии
найдены в рамках КЭД с очень высокой точностью.
Так, в результате вычисления нескольких сотен фейн-
мановских диаграмм получено выражение для ано-
мального магнитного момента электрона
мы водорода и дейтерия содержат сильновзаимодей-
ствующее ядро и нужно учесть его структуру. Во-вто-
рых, необходимо принять во внимание эффекты ад-
ронной поляризации вакуума (т.е. рождение виртуаль-
ных промежуточных адронных состояний).
Лэмбовский сдвиг слабо чувствителен к деталям
структуры протона и достаточно знать лишь его заря-
довый радиус, который определяется из данных упру-
гого электрон-протонного рассеяния. В последнее вре-
мя рассматривается возможность измерения лэмбов-
ского сдвига в мюонном водороде и определения из
него зарядового радиуса протона. Сверхтонкое расще-
пление в водороде и дейтерии более чувствительно к
структуре ядра и необходимо знать электрический и
магнитный формфактор. Сверхтонкое расщепления в
водороде является одной из наиболее точно измерен-
ных величин, соответствующий результат равен
yHFS = 1 420 405,751 766 7(9) кГц.
Для реальных метрологических приложений сверх-
тонкого расщепления в водороде оказывается недос-
таточно имеющейся информации об электрическом и,
особенно, о магнитном формфакторе протона. Выход
был найден в результате создания атома, не имеющего
сильновзаимодействующего ядра. Атом мюония, со-
стоящий из электрона и положительно заряженного
мюона, не существует в природе и может быть полу-
чен искусственно при прохождении пучка мюонов че-
рез вещество. Мюоний нестабилен ввиду распада мюо-
на и живет 2,2 мкс. Тем не менее, этого оказывается
достаточно для проведения прецизионных экспери-
ментов. Наиболее точно измеряется сверхтонкое рас-
щепление основного состояния, однако проведение
только одного измерения недостаточно. Дело в том,
что формула Ферми включает магнитный момент мюо-
на, который также необходимо определить. Эта вели-
чина измеряется с несколько меньшей точностью.
Отметим еще один нестабильный атом — позитро-
ний. Его время жизни определяется аннигиляцией со-
ставляющих его электрона и позитрона. Несмотря на
отсутствие прямых метрологических приложений, ис-
следования позитрония позволяют проверить кван-
товоэлектродинамические методы расчетов и ряд по-
правок, актуальных для лэмбовского сдвига в водоро-
де и сверхтонкого расщепления в мюонии.
1 ( А1 2 ( А3 ( А4
аД1Л)=|-^-0,328478965... +1,181241456... -И -1,5098(3841 + 4,393(27) 10'12.
Следует отметить, что никакая теория не может
предсказать экспериментальные величины непосред-
ственно, она может лишь выразить их через значения
фундаментальных физических констант (таких как по-
стоянная Ридберга, постоянная тонкой структуры, от-
ношения масс электрона и протона).
Квантовоэлектродинамические расчеты являются
неполными в том смысле, что необходимо учесть сла-
бые и сильные взаимодействия. Учет слабых взаимо-
действий в ведущем порядке теории Салама-Вайнбер-
га обеспечивает удовлетворительную точность. На-
против, эффекты сильных взаимодействий часто
ограничивают точность теоретических расчетов.
Имеются два типа таких эффектов. Во-первых, ато-
Выше был упомянут мюонный водород — неста-
бильный атом, содержащий „обычное" ядро и отри-
цательно заряженный мюон вместо электрона. Мет-
рологическое приложение мюонного водорода связа-
но с тем, что мюонные орбиты расположены гораздо
ниже электронных и поэтому различные спектраль-
ные характеристики мюонных атомов очень чувстви-
тельны к структуре ядра. Исследование таких атомов
является важнейшим источником зарядовых радиусов
некоторых ядер.
До сих пор мы обсуждали изолированные одиноч-
ные атомы. В присутствии внешнего поля свойства
атомов изменяются. Важными примерами являются
эффекты Штарка и Зеемана — смещение и перестрой-
165
ка уровней в присутствии электрического и магнит-
ного полей соответственно. Остановимся на преци-
зионных приложениях этих эффектов. Эффект Штар-
ка смешивает различные уровни тонкой структуры, и
это используется при исследовании двухфотонного
возбуждения основного состояния как сигнал, по-
скольку в присутствии электрического поля становит-
ся возможным однофотонный переход уровня 2s в
основное состояние. Эффект Зеемана основного со-
стояния в атоме мюония является наиболее точным
способом определения магнитного момента мюона,
который является одной из ФФК. В обоих случаях про-
стой квантовомеханической теории недостаточно и
необходимо учесть радиационные поправки и эффек-
ты отдачи.
В последнее время наметился существенный про-
гресс в исследованиях водородоподобного иона гелия
и нейтрального гелия. Исследования тонкой структу-
ры последнего могут привести к уточнению значения
постоянной тонкой структуры. Расчет уровней энер-
гии трехчастичной связанной системы (электрон-
электрон-ядро) — достаточно сложная задача, однако
прогресс в этой области возможен. Динамичное раз-
витие эксперимента является мощным стимулом для
теоретических расчетов.
В исследованиях лэмбовского сдвига наметилась
тенденция увеличения разнообразия измеряемых ве-
личин. Если классический лэмбовский сдвиг, откры-
тый около 50 лет назад, мог быть измерен только для
уровней п =2, то сейчас, в связи с прогрессом в облас-
ти оптических переходов в атоме водорода, можно из-
мерять сдвиги различных уровней. Удобно исследо-
вать специальные разности лэмбовских сдвигов, так
как при этом сокращается часть невычисленных до
сих пор квантовозлектродинамических поправок. На-
пример, разность вида
^ELam/,(ls)-nS Л£1ат1>(™)
может быть найдена с более высокой точностью,
чем лэмбовский сдвиг уровней 1$ и ns по отдельно-
сти.
Выше мы коснулись двух важным разделов кван-
товой электродинамики, которые находят метроло-
гические приложения:
1) Свойства свободных лептонов (аномальный мац
нитный момент электрона и определение постоянной
тонкой структуры);
2) Свойства простых атомов (лэмбовский сдвиг в
водороде и дейтерии и уточнение постоянной Ридбер-
га; сверхтонкое расщепление в мюонии и тонкая
структура в нейтральном гелии и уточнение на их ос-
нове постоянной тонкой структуры).
Среди других разделов КЭД, имеющих метрологи-
ческие приложения, следует упомянуть упругое рас-
сеяние электрона на протоне и квантовую электроди-
намику частиц в полости.
Первая задача особенно актуальна для определе-
ния радиуса протона, значение которого необходимо
для вычисления лэмбовского сдвига. Для интерпре-
тации данных по сечению рассеяния необходимо
учесть радиационные поправки, которые существен-
но влияют на конечный результат.
Исследования квантовоэлектродинамических по-
правок к движению частиц в полости необходимы для
определения аномального магнитного момента элек-
трона, так как эффекты взаимодействия электрона со
стенками служат основным источником эксперимен-
тальной погрешности. Подбирая специальным образом
электрические и магнитные поля, можно локализовать
отдельные частицы, ионы и нейтральные атомы.
Развитие прецизионных исследований в области
простых атомных систем определило развитие кванто-
вой механики и квантовой теории поля, а КЭД водоро-
доподобных атомов является по сегодняшний день глав-
ным полигоном для создания и проверки методов вы-
числений, основанных на теории возмущений.
Экспериментальные методы, используемые в пре-
цизионных исследованиях простых атомов, относят-
ся к самым разным отраслям физики. Применяются
методы атомной физики (атомные интерферометры,
атомные пучки, ионизация атомов, многофотонные
эффекты взаимодействия атомов со светом, прецизи-
онные методы лазерной спектроскопии), ускоритель-
ной физики (использование мюонных и позитронных
пучков для создания искусственных атомов, исполь-
зование электронных пучков для ионизации атомов),
методы физики элементарных частиц (детектирова-
ние продуктов распада мюонов и позитрония, иссле-
дование рассеяния электронов и мюонов на протоне
или дейтроне). Таким образом, водород и подобные
ему атомы являются фундаментальными атомными
системами, а их исследования оказывают влияние на
самые разные области физики и метрологии.
Постоянная Ридберга и постоянная тонкой струк-
туры связаны с различными менее фундаментальны-
ми константами, входящими в различные уравнения
квантовой физики. Электрон является переносчиком
электрического заряда, следовательно его заряд и мас-
са определяют основные константы макроскопиче-
ских квантовых эффектов, таких как эффект Джозеф-
сона и квантовый эффект Холла. С другой стороны,
атомные уровни отвечают связанным состояниям
электрона, поэтому заряд и масса электрона входят в
постоянную Ридберга. Это обстоятельство делает по-
стоянную тонкой структуры как функцию заряда элек-
трона и постоянную Ридберга как комбинацию заря-
да и массы электрона константами, пронизывающи-
ми основные уравнения квантовой физики. Часть из
этих уравнений являются основой поддержания раз-
меров единиц и имеет исключительное значение для
метрологии.
Литература:
1. Фейнман Р. Теория фундаментальных процессов: Пер.
с англ. — М.: Мир, 1978.
2. Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий: Пер.
с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
3. Бете Г., Солпитер Э. Квантовая механика атомов с од-
ним и двумя электронами: Пер. с англ. — М.: Физматгиз, 1960.
4. Тейлор Б., Паркер В., Лангенбсрг Д. Фундаментальные
константы и квантовая электродинамика: Пер. с англ. — М.:
Атомиздат, 1972.
5. Квантовая метрология и фундаментальные констан-
ты: Сб. Статей под ред. Фаустова Р.Н. и Шелеста В.П., — М.:
Мир, 1981.
С.Г. Каршенбойм, В.А. Шелютпо
166
Системы единиц и фундаментальные
константы
Построение систем единиц в области электромаг-
нетизма сложнее, чем в других областях физики. Это
обусловлено различием понятий электрического и
магнитных полей в вакууме и средах. В этой связи при
обсуждении системы единиц СИ и ее внедрения в
практику в отечественной периодической печати был
опубликован ряд статей, в которых утверждалось сле-
дующее: система СИ имеет принципиальные и орга
пические недостатки; „она впадает в противоречие с
теорией вообще и с теорией относительности в част-
ности"; „система СИ ведет к неправильным представ-
лениям о сущности электрического и магнитного по-
лей" и тд [1-3J.
Чтобы показать несостоятельность этих утвержде-
ний и одновременно выявить связь СИ с фундаменталь-
ными константами, следует обратиться к известным
правилам построения систем единиц, т. е. связать по-
стулаты метрологии с константами [4].
Образование систем единиц базируется, с одной
стороны, на объективных закономерных связях меж-
ду физическими величинами, а с другой, — на произ-
вольной, но разумной воле людей и их соглашениях
(на различного рода ассоциациях специалистов и на
заключительном этапе — Генеральной Конференции
по мерам и весам). При построении систем единиц или
введении новой системы единит], руководствуются од-
ним единственным принципом - практической целе-
сообразностью, т.е. удобством применения единиц в
практической деятельное! и человека - пром ышленно-
сти, науке, торговле и т.д. В основу этого принципа по-
ложены следующие базовые критерии:
1. Простота образования производных физиче-
ских величин и их единиц (приравнивание единице
коэффициентов пропорциональности в уравнениях
связи).
2 Высокая точность материализации основных
единиц и передачи их размера нижестоящим этало-
нам.
3. Неуничтожаемость эталонов основных единиц,
т. е. возможность их воссоздания в случае утраты.
4. Преемственность единиц, сохранение их разме-
ров и наименований при введении новой системы еди-
ниц, что связано с исключением материальных и пси-
хологических затрат.
5. Высокая точность воспроизведения производ-
ных единиц.
6. Близость размеров основных и производных
единиц к размерам физических величин, наиболее
часто встречающихся в практике.
7. Долговременность хранения основных (и про-
изводных) единиц их эталонами.
8. Минимальное число основных единиц.
Приведенные критерии вступают в противоречия.
Поэтому путем соглашения выбирается наиболее вы-
годный для практики вариант.
Построение системы единиц сводится к решению
системы уравнений связи между физическими вели-
чинами, При этом не играет роли, каким образом ус-
тановлены эти связи: теоретически, эксперименталь-
но или как-то иначе. После того, как составлены урав-
нения, среди которых могут быть и фундаментальные
законы природы и просто определения, ни одна фи-
зическая или иная теория, ни одна философская нау-
ка не могут влиять на выбор той или иной системы
единиц. Теория и опыт уже сделали свое дело: ввели
понятия, дали определения физическим величинам,
объяснили физические процессы, даже проверили за-
ко1 пл природы, пользуясь своими лабораторными еди-
ницами измерений, т.е. разработали методы измере-
ний. Далее выбор системы определяется только вы-
ше перечисленными и аналогичными критериями.
Пусть имеется п уравнений связи между N физи-
ческими величинами. В каждом уравнении имеется
свой коэффициент пропорциональности, которому
можно придать любое численное значение (в частно-
сти, приравнять единице). Таким образом, в уравне-
ниях связи коэффициенты — известные числа, а не-
известные — физические величины. Реально N>n
Если для N - п физических величин выбрать свои не-
зависимые единицы, то эти N-n физических вели-
чин становятся известными числами, и п уравнений
решаются относительно оставшихся п физических
величин. Назовем такую систему оптимальной с тео-
ретической (но не практической) точки зрения. Эти
N-n физических величин (единиц) называют основ-
ными, остальные п — производными. Однако можно
выбрать не N-n физических величин, а больше, ска-
жем, N — п + р . В этом случае уже нельзя придавать
всем коэффициентам любые числен! 1ые значе! гия. так
как р коэффициентов становятся такими же неиз-
вестными, как и оставшиеся теперь п — р произвол
ных физических величин. В предельном случае мож-
но для каждой из всех физических величин выбрать
свою единицу. Но тогда вместо системы единиц полу-
чится набор единиц, все п коэффициентов станут
экспериментально определяемыми мировыми кон-
стантами, производные величины исчезнут, а законо-
мерные связи окажутся для практики малополезны-
ми. Поэтому по возможности стремятся к созданию
... 167
теоретически оптимально системе единиц или близ-
кой к ней.
Исторически сложилось так, что закономерные
связи были установлены вначале в области геометрии
и кинематики, затем динамики и, наконец, электро-
магнетизма. Последовательно строились и системы
единиц. Поэтому общего решения всей совокупности
уравнений связи можно избежать, а их решение све-
сти к последовательному установлению единиц в упо-
мянутых разделах физики. Например, для установле-
ния системы единиц в области геометрии и кинема-
тики достаточно одного из уравнений кинематики,
скажем
v = kl/t, (1)
где v — скорость; k — коэффициент пропорцио-
нальности; I — длина; t — время. Здесь А-п =2, т.е.
две любые физические величины — основные, а тре-
тья — производная.
В системе СИ до 1983 г. (даты введения нового оп-
ределения метра) в качестве основных физических ве-
личин были выбраны длина и время, а после 1983 г. —
скорость и время (тогда скорости света в вакууме бы-
ло придано точное, в принципе произвольное, чис-
ленное значение). При этом длина и ее единица по
существу стали производными, хотя формально в СИ
длина принята за основную физическую величину. Ес-
ли бы в 1983 г. был сохранен существующий крипто-
новый метр и одновременно постулировано значение
скорости света в вакууме, то в (1) уже нельзя было бы
приравнивать коэффициент пропорциональности
единице, он выступал бы как экспериментально оп-
ределяемая мировая константа. Заметим, что после
введения нового определения метра эксперимент по
измерению скорости света в вакууме стал невозможен
так же, как невозможно измерить массу парижского
килограмма или частоту генератора первичного эта-
лона времени и частоты.
Обратим внимание, что соотношения (1) вполне
достаточно для образования системы единиц в облас-
ти геометрии и кинематики. Действительно, добав-
ляя к (1) уравнения связи для площади, объема, уско-
рения и др., каждый раз добавляется одна новая фи-
зическая величина и одно новое уравнение связи.
Следовательно, разность А-«=2 сохраняется. Сис-
тема единиц оптимальна.
При переходе к динамике к соотношению (1) до-
бавляется два закона Ньютона — второй и всемирно-
го тяготения — и появляется две новых физических
величины — масса и сила, т.е. разность А - ц =2 не ме-
няется. При добавлении остальных уравнений меха-
ники (для давления, работы, мощности и др.) разность
N-n сохраняется. Оба коэффициента пропорцио-
нальности в законах Ньютона можно приравнять еди-
нице, при этом масса и сила становятся производны-
ми физическими величинами. Единица массы есть
масса, которая на единичном расстоянии создает еди-
ничное ускорение. Однако, принимая во внимание
второй критерий принципа построения систем еди-
ниц, по этому пути не пошли, поскольку точность вос-
произведения единицы массы была бы крайне низка,
тогда как масса с массой сравнивается чрезвычайно
точно. В связи с этим выбрали „лишнюю" основную
единицу —единицу массы. При этом в одном из зако-
нов Ньютон требовалось сохранить коэффициент
пропорциональности. Этот коэффициент остался в
законе всемирного тяготения, поскольку он менее ши-
роко применяется в практике, чем второй закон Нью-
тона. В результате появилась мировая константа — гра-
витационная постоянная. Система не оптимальна с
точки зрения первого критерия, но не практической,
т.е. второй критерий „перевесил" Первый. Таким об-
разом, первый тип констант — продукт выбора „лиш-
ней" единицы.
При рассмотрении электромагнитных явлений к
уравнениям механики добавляются три новых урав-
нения (уравнение связи между током и зарядом, зако-
ны Ампера и Кулона) и четыре новых физических ве-
личины (магнитная проницаемость ДА, диэлектри-
ческая проницаемость Е, электрический заряд 7 и
сила тока J ), т.е. N -п=4. Здесь Д и £ — проницае-
мости в единицах с размерами, равными размерам
проницаемости вакуума; Д и <) — значения прони-
цаемостей вакуума в выбранных для данной системы
единицах. Очевидно, для построения оптимальной
системы электромагнитных единиц достаточно вы-
брать в дополнение к трем механическим единицам
еще одну единицу для любой из четырех новых вели-
чин. В СГСМ и СГС Д выбрали единицу для магнит-
ной проницаемости с размером, равным размеру маг-
нитной проницаемости вакуума, т.е. Дм =1. Этой ос-
новной единице не дали наименования, а
следовательно, сделали магнитную проницаемость
безразмерной величиной. В такой системе опре-
деляется экспериментально из закона Кулона либо из
соотношения Е(}М = с~2 =с~г. В системах СГСЭ и
СГС $ в качестве основной выбрали единицу безраз-
мерной диэлектрической проницаемости с размером,
равным проницаемости вакуума, т.е. ^э=1. При этом
Дэ как производная размерная величина находится
экспериментально. В СИ (МКСАр) за основную еди-
ницу принята, как и в СГСМ, единица магнитной про-
ницаемости, но с размером, равным 107/4 д’ разме-
ров вакуума, т.е. ДП1 =4 д'-10 ’, хотя формально основ-
ной единицей считается ампер. По существу, систему
СИ следовало бы обозначать как МКС Ди , а после
нового определения метра — с0 КС Дщ .
Заметим, что при выборе основной единицы пу-
тем постулирования численного значения константы
оказывается невозможным материализовать эту еди-
ницу в виде эталона. Поэтому реализация такой ос-
новной единицы осуществляется через какую-либо
производную единицу. Так, в СИ единица скорости ма-
териализуется эталоном метра, а единица магнитной
проницаемости—эталоном ампера. То, что метр и ам-
пер по сути производные, а не основные единицы,
подтверждается тем, что их определение опирается
на закономерные связи, а это прерогатива только про-
изводных единиц. В гауссовой системе единиц СГС
168
за основные единицы принимаются единицы безраз-
мерных магнитной и диэлектрической проницаемо-
стей с размерами, равными проницаемости вакуума,
т.е. Дм = 4)э=1 В этой системе единиц, которую сле-
довало бы обозначать СГС Дм выбрана „лишняя"
единица. Система не оптимальна, и, следовательно,
в одном из уравнений электродинамики должна быть
мировая постоянная. Эту постоянную сохранили в за-
коне Ампера (электродинамическая постоянная). По
непонятным причинам принято считать, что СГС ос-
нована на трех механических единицах, и именно это
обстоятельство часто приводит к недоразумениям и
ошибкам. Даже в [5], где показано неверное понима-
ние построения тензора электромагнитного поля в
[1] и верно толкуется природа мировых постоянных
в термодинамике, имеется утверждение, что „СГС ба-
зируется на трех основных единицах, и в уравнения
электродинамики входит мировая константа — ско-
рость света". Это противоречие, так как мировая кон-
станта — продукт выбора „лишней", т.е. пятой едини-
цы. Далее: „В СИ введена дополнительно основная
единица для силы тока и по правилам размерности
здесь должны быть мировые константы с и /( . В СИ
(в разделе электродинамики) нет таких мировых кон-
стант, поскольку в электродинамике СИ — система оп-
тимальная, т.е. не содержит „лишней" единицы; в пей
есть гравитационная постоянная и постоянная План-
ка из механики. Правила же размерностей не имеют
отношения к образованию мировых констант. Невер-
но также отождествлять физико-метрологическое со-
держание /(, и постоянными Планка, Больцмана
и гравитационной.
Ошибочность утверждения о трех основных еди-
ницах в СГС базируется, видимо, на том, что в СГС
воспроизведение всех электромагнитных единиц осу-
ществляется по наблюдению только трех величин:
массы, длины и времени. В этом нет ничего удивитель-
ного. Например, в СИ после 1983 г., базирующейся на
четырех основных единицах, воспроизведение всех
производных единиц, в принципе, сводится к изме-
рению только массы и времени, что связано с исполь-
зованием двух констант как базы основных единиц.
Рассмотрим еще две возможные системы, базирую-
щиеся на тех же основных физических величинах, что
и СГС. Механические единицы примем равными еди-
ницам СИ, а форму уравнений — рационализованной.
В системах такого типа решение уравнений Максвел-
ла для скорости света в среде дает
где д — электродинамическая постоянная.
Для вакуума А = с^/^$ . В частности, для
СГС/6=^=1 и Л=с , см/с.
Рассмотрим систему МКС Д, , в которой выбе-
рем магнитную проницаемость /6? безразмерной и
равной 4 д'-10’, а диэлектрическую проницаемость
безразмерной и равной = (107/4 л)с~2 , где су —
произвольно выбираемое точное число. Выберем су
равным экспериментальному численному значению
скорости света в вакууме, т.е. су =2,9979264-Ю8. В этом
случае А = с/с^ ~1 м/с. Форма уравнений в этой сис-
теме и размерности величин будут такими же, как в
рационализованной системе СГС, а размеры единиц
— практически равными размерам единиц СИ.
Во второй системе — с0 КС /С, %„ — вместо основ-
ной единицы длины выбирается единица скорости пу-
тем постулирования скорости света в вакууме, равной
с0 . Здесь вместо числа су берется число сОм, равное
численному значению с0 . При этом оказывается
«O-J/би 4)к ^о/^Ок м/с.
В такой системе электродинамическая постоянная
имеет не менее ясный физико-метрологический
смысл, чем в СГС, а именно — единицы скорости. Эта
система принципиально отличается от предыдущей
тем, что в ней не требуется экспериментально опре-
делять электродинамическую постоянную, так как она
вычисляется по трем постулированным значениям си ,
/6н и $)н . Единицы этой системы точно равны еди-
ницам СИ, уравнения для электрических величин сов-
падают с уравнениями СИ, а для магнитных будут от-
личаться единичным размерным множителем Ан .
Как видим, физико-метрологический, смысл фун-
даментальных констант различен и зависит от выбо-
ра системы единиц. Первый тип констант — мировые
постоянные, образующиеся в результате выбора „лиш-
ней" единицы. Значения этих констант определяют
экспериментально. Однако, как оказалось, имеется ис-
ключительный случай, когда эксперимент не требует-
ся (да и невозможен). Второй тип констант — база ос-
новных единиц. Здесь численное значение какой-ли-
бо физической величины с неизменным размером
постулируется волевым путем. Третий тип — обычные
производные физические величины с фиксирован-
ным размером. Среди них имеется исключение для
в системе с0 КС Аги , которая выражается через
с0 и Ant . Предпринятая попытка систематизации
фундаментальных констант по их физико-метрологи-
ческому смыслу иллюстрирована в приведенной таб-
лице.
Коснемся, наконец, содержания работ [1-3], утвер-
ждающих, что СИ — „шаг назад", имеет „принципиаль-
ные недостатки", „непригодна для физики" и т.д. Из
принципа построения систем единиц очевидно, что
ни одна из логически построенных систем единиц не
может иметь каких-либо недостатков, кроме практи-
ческих. Выбор той или иной системы не влияет на от-
ражение в нашем сознании объективных законов при-
роды и их толкование. Автор работы [1] пишет: „СГС
построена на трех основных единицах", „магнитные
единицы вводятся, исходя из требования, чтобы на-
пряженности электрического и магнитного полей ока-
зались одинаковой размерности", „теория относитель-
ности усилила это требование". Во-первых, не на трех,
а на пяти основных единицах. Во-вторых, никто таких
требований не выдвигал, да их и невозможно выдви-
169
нуть. Размерности производных физических величин
определяются субъективными (волей человека) и объ-
ективными (закономерными связями) факторами.
Сколько и какие именно физические величины вы-
брать в качестве основных определяет человек, и тем
самым предопределяются размерности. Так, в СГСМ
и СГСЭ размерности напряженностей полей — разные,
а скажем, момента и работы — одинаковые. Поэтому
связывать размерности с сущностью физических явле-
ний по меньшей мере наивно. Это приводит, как отме-
чал Планк, к „бесплодным рассуждениям особенно в
области электромагнетизма". В-третьих, теория отно-
сительности не может „усилить" требований, тем бо-
лее не существующих, к размерностям физических ве-
личин: она занимается системами < /гсчета, а не единиц.
Компоненты любого тензора, как и вектора, всегда од-
нородны, т.е. имеют одинаковую размерность незави-
симо от системы единиц. Помимо этого, тензор элек-
тромагнитного поля формально можно составить без
привлечения теории относительности введением век-
торного и скалярного потенциалов и четвертой коор-
динаты — ct, где с — скорость (света) Поэтому утвер-
ждение, что в СИ тензор электромагнитного поля име-
ет разные размерности, несостоятельно [5]. По поводу
„ясного физического смысла" электродинамической
постоянной в системе СГС. В течение полувека ее
смысл был тот же, что и гравитационной постоянной.
Теория Максвелла придала ей второй смысл без утра-
ты первого. Кроме того, как мы видели, в зависимости
от воли человека смысл скорости света в вакууме утра-
чивается, как только произведение <?)/(, выбирается
не равным единице. Неверно также отождествлять со-
держание Д и в СИ (оно такое же, как в СГС) и
полагать, что они не имеют физического смысла. Ам-
пер, по мнению автора, выбран случайно и независи-
мо. Не случайно, а как 0,1 ед. СГСМ, и, чтобы сохра-
нить этот размер, в СИ приняли Д =4 уг-107. Сам же
размер ампера предопределяется размером механиче-
ских единиц и произвольно выбираемой единицей маг-
нитной проницаемости, т.е. зависим от основных еди-
ниц. Мнение, что стандарт на единицы СИ „увеличи-
вает разрыв между наукой и ее преподаванием"
(физикой и ее преподаванием?!), „теоретическими и
прикладными исследованиями" — нелогичная ритори-
ка. Эти примеры можно было бы приумножить. 11опыт-
ка теоретического обоснования непригодности СИ
Тип константы Наименование константы | Система единиц Метод определения значения константы
Мировая постоянная Электродинамическая постоянная А„ Ау А Гравитационная постоянная Постоянная Планка Постоянная Больцмана Wo. МКС^ СГС (СГСдм ^э) Все системы То же То же Эксперимент невозможен, АН=СО/ Сои=1 м/с Экспериментальный, через основные единицы, Ау= 1 м/с Экспериментальный, через основные единицы. А=с Экспериментальный, через основные единицы То же То же
Базис основной единицы Скорость света в вакууме, Со Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) Электрическая постоянная (диэлектрическая проница- емость вакуума) Только в СИ после 1983 г. и CgKQi^ СИ, СГС. СГСМ. СГСд„ СГСЭ,СГС , СГС Эксперимент невозможен То же 16 же
Производная физи- ческая величина с неизмененным размером Скорость света в вакууме; масс, заряд и магнитный момент микрочастиц; постоянная Джозефсона, Клитцинга и т.д. Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) Электрическая постоянная (диэлектрическая проница -емость вакуума) Во всех системах, кроме СИ после 1983 г. и CcKC<fio« для скорости света СГСЭ,СГС СГСЭ, СГСд0, СИ Экспериментальный То же То же
Производная неиз- меряемая величина с фиксированным значением Электрическая постоянная Только в СИ после 1983 г. Экспериментальное определение невозможно
6* Зак. 450
— 170
для физики в [1] базируется на ошибках. „Фейнманов-
ские лекции по физике" [6], изложенные в СИ, под-
тверждают это.
Комплекс логических ошибок в работе [3] и их раз-
бор делают ее полезным методическим пособием при
изучении систем единиц. В ней нет ни одной верной
фразы. Автор с целью получения одинаковых размер-
ностей Е, В, Н и D строит „теоретическую систему"
(СТ) с четырьмя основными единицами: тремя меха-
ническими (из СИ) и, как он полагает, силы тока, что
соответственно невозможно, поскольку в такой сис-
теме волевым порядком можно сделать безразмерной
только одну из проницаемостей: либо , либо .
Дается определение единицы силы тока, идентичное
СИ, но сила взаимодействия выбирается „равной 2/с2
ньютонов, где с =2,99810® м/с — скорость света в ва-
кууме". В этом определении имеются две ошибки. Оп-
ределение единицы не может содержать погрешно-
сти. В данном случае, во-первых, истинное значение
скорости света неизвестно, а известно лишь экспери-
ментальное значение, найденное с погрешностью. Во-
вторых, в системе с четырьмя основными единица-
ми числу с нельзя придавать размерность скорости.
Формула определения должна быть одинаковой с
СГСМ и СИ (нерационализованной), а именно:
F=2^I2L/d.
Автор должен был выбрать точное численное зна-
_9
чение ft , в частности и число = q , где q — точ-
ное число, которое может быть близко к численному
значению скорости света. При этом сила взаимодей-
ствия будет уже точной: 2/с2 , ньютона. Теперь имеют-
ся две возможности: выбрать безразмерной (си-
ла тока — производная величина), тогда размерности
совпадут с размерностями СГСМ, или формально за ос-
новную величину принять силу тока, тогда размерно-
сти совпадут с СИ. Однако в приведенной автором таб-
лице ни того, ни другого нет. Как же построил систе-
му СТ автор? Сам того не ведая, он просто заменил в
СГС механические единицы на единицы СИ и все. За-
чем? Ведь от изменения размеров единиц размерно-
сти величин не меняются. Такая замена привела к со-
отношению размеров единиц, которые даны им в таб-
лице. Если такой замены не делать, то единицы СТ
равны единицам СГС. А получилось это следующим об-
разом. Автор незаконно пользуется уравнениями СГС
для определения всех единиц и, в частности, единицы
силы тока по электродинамической постоянной. Фор-
ма уравнений СГС связана с тем, что = 1. По-
этому в СГС единица силы тока определяется из соот-
ношения I=q/t, где единица ? — из закона Кулона.
Второй раз единицу силы тока определять нельзя так
же, как, например, единицу массы из закона всемир-
ного тяготения по гравитационной постоянной. В раз-
мерности же СГС можно насильственно (формально)
ввести любую производную физическую величину (или
несколько). Поэтому размерности, приведенные авто-
ром в таблице, есть размерности СГС, в которых раз-
мерность силы тока в СГС l3/2 . м1/2 -Т2 = I заменена
на / . Такой бессмысленный прием, меняя формально
размерности физических величин, сохраняет размер-
ности тех величин, которые были и в СГС, т.е. Н. В, Е
и D.
Как видим, ошибки авторов в основном произош-
ли из-за непонимания физико-метрологического
смысла фундаментальных констант в конкретной сис-
теме единиц. По неизвестным причинам обойдены
молчанием системы СГСМ и СГСЭ, которые должны
быть так же „порочны", как и СИ.
Самое странное в том, что введение СИ в области
электромагнетизма проблем не создавало. Наоборот,
эта система узаконивает десятилетиями применяемые
в практике единицы: вольт, ампер, ом и т.д. Пробле-
мы были, есть и, видимо, не будут преодолены по вне-
дрению единиц давления и силы СИ. Тем не менее,
возражения по введению СИ в практику было только
в части электромагнетизма и только со стороны пре-
подавателей вузовского курса электродинамики и час-
тично теоретиков, которым действительно приходит-
ся переходить в лекциях на СИ (такие затраты труда
несоизмеримы с баснословными затратами предлагае-
мого перехода на СГС).
Поскольку теоретическая физика является базой
вузовского курса общей физики, а уравнения послед-
ней используются в инженерных расчетах, то из пре-
амбулы стандарта „Единицы физических величин" [7]
следует убрать часть текста, допускающего „в научных
исследованиях и публикациях теоретического харак-
тера" применение иных кроме СИ систем единиц. Это
исключит разрыв науки с ее практическим приложе-
нием.
В заключение отметим, что научно-технический
прогресс делает невозможным вводить новые разме-
ры и наименования единиц, во всяком случае, в элек-
тромагнетизме. Однако сущность системы, ее основ-
ные единицы, способы материализации единиц мо-
гут меняться. Так, в СИ в 1983 г. основная единица
длины заменена на единицу скорости, но размеры
всех единиц и их наименования сохранены, хотя сис-
тема МКС /беи заменена на новую систему с0 КС /беи-
Литература:
1. Сивухин Д.В. // УФН. - 1979. - Т. 129. - С. 335.
2. Кобзарев Ю.Б., Незлин М.В. // УФН. - 1979.- Т. 129.
-С. 351.
3. Трунов Г.М. // Измерительнаятехника. —1983.—№ 1.
- С. 25.
4. Исаев Л .К. // Измерительная техника. — 1993. — № 8.
-С. 10.
5. Пинский А.А. // Измерительная техника — 1981. —
№9.-С. 10.
6. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лек-
ции. Т. 6. — М.: Мир, 1977.
7. ГОСТ 8.417-81. ГСИ. Единицы физических величин.
Н.В. Студенцов
Примечание редактора:
Статья написана в связи с дискуссией о правомерности
повсеместного применения СИ. Время и широкая междуна-
родная и отечественная практика рассудило спор сторон в
пользу Международной споены (SI). Но поскольку отголо-
ски былой дискуссии иногда имеют место, представляется,
что статья Н.В. Студенцова (Измерительная техника, 1997,
№ 3) не потеряла своего значения.
171
Методы, используемые в согласовании
фундаментальных физических констант при
обработке результатов измерений
Введение
Фундаментальными физическими константами
(ФФК) называют постоянные, которые характеризу-
ют основные свойства природы и входят в качестве
постоянных коэффициентов в математические урав-
нения, отражающие основные законы строения ма-
терии [1]. К фундаментальным физическим констан-
там относятся такие постоянные, как гравитационная
постоянная G , скорость света в вакууме с, постоян-
ная тонкой струк туры а, постоянные Планка ft , Джо-
зефсона Ку, фон Клитцинга RK и др. Согласование
значений фундаментальных физических констант
представляет собой расчет наиболее точных и досто-
верных численных оценок значений констант на ос-
нове данных, полученных к некоторому выбранному
моменту времени в экспериментах по определению
значений констант и воспроизведению единиц физи-
ческих величин. В современной метрологии фунда-
ментальные константы занимают важное место вви-
ду их ключевой роли в поддержании и воспроизведе-
нии единиц физических величин [2].
Оценки значений констант, найденные в резуль-
тате согласования, называют согласованными значе-
ниями фундаментальных констант. При проведении
официа льных международных согласований констант
под эгидой Международного Комитета по численным
данным для науки и техники (CODATA) полученные
согласованные значения констант имеют статус реко-
мендованных значений [3,4] и применяются в самых
различных областях науки и техники.
Из последних согласований констант, определив-
ших применявшиеся в науке и технике значения кон-
стант, следует указать согласования констант 1965 [5],
1969 [6] (см. перевод этого согласования [7]), 1973
[8] (см. перевод этого согласования [9]). и 1986
[10] гг.
К настоящему моменту (2000 г.) закончено и опуб-
ликовано согласование констант 1998 г. [ 11 ], ко i орос
учитывает экспериментальные и теоретические дан-
ные, полученные до конца 1998 г.
Методы обработки данных, применяемые при со-
гласовании фундаментальных констант, тесно связа-
ны с методами обработки экспериментальных данных
самого различного назначения. Существенным об-
стоятельством, влияющим на выбор методов обработ-
ки данных по фундаментальным константам, являет-
ся уникальность и подчас весьма высокая стоимость
экспериментов по их определениям. Действительно,
подготовка и проведение таких экспериментов длит-
ся иногда годами. Все это играет определенную роль
при выборе подходов к обработке именно данных по
фундаментальным константами. Это сказывается, на-
пример, в том, что применяемые подходы к согласо-
ванию констант постоянно совершенствовались.
Далее рассматриваются состав ляющие процедуры
согласования значений фундаментальных констант,
приводятся некоторые: частные алгоритмы согласо-
вания, применявшиеся и применяемые в практике со-
гласований, кратко обсуждаются некоторые общие во-
просы обработки экспериментальных данных, связан-
ные с проблемами обработки данных по
фундаментальным константам.
Общая процедура согласования ФФК
Выполнение согласования включает в себя отбор
из всех имеющихся данных той совокупности экспе-
риментальных и теоретических данных, которые яв-
ляются достаточно точными и достоверными для их
учета при вычислении согласованных значений кон-
стант. Отобранные данные анализируются и подготав-
ливаются к совместной обработке. Такая подготовка
может включать в себя приведение данных к одним и
тем же способам выражения их погрешностей, выра-
жение измеренных в разных лабораториях и в разных
единицах величин к одинаковым единицам. Как пра-
вило, для предварительной оценки данных проводит-
ся анализ данных по группам однородных данных с
целью выявления несовместных данных в группах и
определения основных противоречий между данны-
ми различных групп. Кроме того, предварительная
оценка данных позволяет разбить имеющиеся данные
на входные данные У](г = 1,...,п), вспомогательные
константы С}‘ии\з = 1,...,/>) и дополнительные кон-
станты в .зависимости от их вхождения в общую про-
цедуру согласования констан).
На основе анализа данных проводится составле-
ние операционных уравнений, описывающих сово-
купность входных данных в терминах некоторых вы-
бранных переменных Ха(а= 1,... ,q), которые называ-
ют согласуемыми константами. Операционные
уравнения в выбранной системе единиц могут' быть
записаны в виде
я
(1)
а
где Сг также являются вспомогательными констан-
тами в операционных уравнениях и рассматриваются
172
как постоянные коэффициенты в процессе обработ-
ки входных данных Yj . С, представляют собой комби-
нации вспомогательных констант С^аих\ Вспомога-
тельные константы в (1) могут быть либо физически-
ми константами и величинами, измеренными
относительно более точно, чем входные данные, ли-
бо константами системы единиц, либо фиксированны-
ми численными значениями, принятыми для поддер-
жания лабораторных единиц, что является одним из
проявлений тесной связи согласования фундаменталь-
ных констант с поддержанием и воспроизведением
единиц физических величин [12].
На основе составленных операционных уравнений
проводится обработка входных данных стандартным
методом наименьших квадратов (МНК) [13] и в резуль-
тате находят искомые оценки Х .^а= согласуе-
мых констант. По найденным оценкам согласуемых
констант, а также вспомогательным и дополнительным
константам, проводится вычисление значений всей со-
вокупности фундаментальных констант и величин, вы-
бранных для включения в окончательную таблицу со-
гласованных (рекомендованных) значений констант.
Как правило, для применения МНК система (1) линеа-
ризуется и преобразуется в систему уравнений, вклю-
чающих вместо У и А'ц. их относительные значения
у,- и *Такова схема общей процедуры согласования
значений фундаментальных физических констант.
Проблемы согласования ФФК
При практическом применении общей процедуры
согласования к реальным экспериментальным и тео-
ретическим данным возникает целый ряд различных
проблем [14], связанных с оцениванием погрешно-
стей экспериментальных значений, взаимной несо-
вместностью измеренных в разных экспериментах
значений, способами реализации единиц физических
величин и т.д.
Одной из наиболее существенных проблем, возни-
к аюшпх при практическом согласовании констант, яв-
ляется проблема несовместности данных. Эта пробле-
ма обусловлена тем, что значения, полученные в экс-
периментах и расчетах, не являются „идеальными" и
часто расходятся друг с другом, нарушая, тем самым,
основное предположение, лежащее в основе приме-
нения метода наименьших квадратов для обработки
данных. Это предположение состоит, как извест но. в
том, что для совокупности обрабатываемых данных
считаются выполненными, во-первых, условие равен-
ства математических ожиданий, обозначим их скоб-
ками <...>, измеренных значений у, их „истинным"
значениям у^
(у.)=уУ\ (2)
то есть условие „правильности методик измере-
ний", и, во-вторых, условие равенства математиче-
ских ожиданий априорных оценок <^п0Г, дисперсий
их „истинным" значениям cf
(3)
то есть условие „правильности" априорных оценок
^поп относительных дисперсий cf измеренных зна-
чений Уг
При выполнении условия (2) и точно известных
дисперсиях стандартный метод наименьших квадра-
тов приводит к линейным оценкам у, с наименьши-
ми возможными дисперсиями в классе линейных оце-
нок. Условие (3) требуется при обработке данных на
основе концепции „погрешность погрешности", на-
пример, при применении к данным расширенного ме-
тода наименьших квадратов (РМНК), являющегося
одним из способов реализации этой концепции.
Соотношения (2) и (3) приведены здесь для линеа-
ризованных операционных уравнений согласования,
которые включают относительные измеренные значе-
ния у; констант и оценки относительных дис-
персий . Нарушение условий (2) и (3) может прояв-
ляться в том, что вычисленное значение формы Q2
Qpno. VI1 ^priori’•••’^рпигп )’ G* У / priori , (4)
i=l
соответствующей критерию £ , значительно пре-
вышает ожидаемое значение этой формы, равное чис-
лу степеней свободы f = n-q обрабатываемых дан-
ных. При Qpnor значительно превышающих f гово-
рят о несовместности данных, что ставит задачу
нахождения оценок по совокупности несовместных
данных.
Другая проблема, возникающая при согласовании
значений констант, связана с тем, что размеры еди-
ниц. в которых должны быть выражены результирую-
щие значения констант, также определяются в про-
цессе совместной обработки данных.
Указанные проблемы решаются выбором подходя-
щих алгоритмов согласования и операционных урав-
нений для входных данных. Ряд других проблем со-
гласований фундаментальных констан! могут быть
связаны, например, с наличием существенных оши-
бок в отдельных высокоточных экспериментальных
значениях или с ошибками в оценивании теоретиче-
ских зависимостей, используемых при согласовании
констант.
Методы обработки данных в
согласованиях ФФК
Алгоритмы согласования ФФК
Непосредственное применение метода наимень-
ших квадратов позволяет лишь выявить несовмест-
ность данных, но не дает никакого рецепта для даль-
нейшей обработки данных. Поэтому при практиче-
ских обработках несовместных данных метод
наименьших квадратов обычно дополняется некото-
173
рыми операциями над исходными данными, то есть
алгоритмом согласования. Эти операции могут быть
различными и представляют собой различные подхо-
ды к обработке несовместных данных.
Метод Берджа (МБ)
Первые общие обработки данных по фундамен-
тальным физическим констант были проведены в кон-
це 20-х гг. XX в. И одним из первых подходов к реше-
нию проблемы несовместности обрабатываемых дан-
ных был метод Берджа [15], состоявший в увеличении
всех априорных дисперсий входных данных в одина-
ковое число раз с помощью множителя
«В,г8е Sprier// > (5)
названного впоследствии коэффициентом Берд-
жа. Очевидно, что апостериорные оценки of
of=7?lirge priori (6)
удовлетворяют условию совместности
..(7)
Основным недостатком метода Берджа является
часто неоправданно большое увеличение погрешно-
стей согласованных значений констант.
Метод дисперсионного анализа (МДА)
Дисперсионный анализ в применении к согласо-
ванию фундаментальных констант представляет со-
бой процедуру выбора из всей совокупности п вход-
ных данных некоторой их части, которая является со-
вместной. Наиболее полное описание процедуры
МДА дано в обработке 1965 г. [5]. Формально указан-
ную процедуру можно представить в виде переопре-
деления априорных оценок дисперсий входных дан-
ных
= Л2 «’prior/. (8)
где коэффициенты расширения дисперсий выби-
раются по правилам
„ [1 — для оставленного данного
(9)
| оо — для исключенного данного ' >
для оставленных и исключенных данных.
Апостериорные оценки of для данных, выбран-
ных в согласованиях фундаментальных констант [5,
6,8], удовлетворяли условию
(10)
В согласовании 1973 г. [8] применялся подход, яв-
ляющийся некоторой комбинацией методов Берджа
и дисперсионного анализа, так как априорные диспер-
сии входных данных переопределялись как по (9), так
и по (6) с коэффициентами Берджа, вычисленными
по группам результатов измерений одной и той же ве-
личины
Метод минимального изменения дисперсий
(ММИД)
Подход к расширению погрешностей может быть
формализован [16] на основе критерия минимально-
го изменения априорных оценок дисперсий
У (fl2 - 1J = £ (of / ^riori -1/ =min (1
>=i i=i
при достижении условия совместности (7). При
практическом применении ММИД к численным дан-
ным критерий (11) приводит к системе нелинейных
уравнений
Я2 =1 +
\V2
(12)
которые должны быть решены одним из методов
последовательного приближения. С точки зрения ста-
тистических методов обработки данных критерий
(11) может быть интерпретирован как подход к пере-
определению погрешностей с некоторой введенной
квадратичной „функцией стоимости". С другой сторо-
ны, этот критерий находит свое объяснение с помо-
щью введения нормального закона для функции рас-
пределения коэффициентов расширения Я2 (или ап-
риорных оценок дисперсий) при требовании
выполнения условия совместности для вычисляемых
апостериорных оценок дисперсий [17]. Были рас-
смотрены также некоторые модификации (симмет-
ричный и др.) критерия (11) [9].
Расширенный метод наименьших квадратов
(РМНК)
В [18] рассмотрение априорных оценок диспер-
сий как случайных величин было продолжено на ос-
нове предложенной модели, получившей название
расширенного метода наименьших квадратов. РМНК
основан на расширении задачи нахождения согласуе-
мых значений констант путем включения в число ис-
комых также и согласуемых (апостериорных) оценок
дисперсий в рамках стандартной параметрической
статистической модели. При этом вместо задания рас-
пределений вероятностей для измеренных значений
констант и оценок дисперсий измеренных значений
можно ограничиться заданием некоторого минималь-
ного числа условий на моменты этих распределений.
Результирующие нелинейные выражения для двух
форм РМНК имеют вид:
для РМНК1
Л2 = 1-
(13)
для РМНК2
(14)
где являются эффективными степенями свобо-
ды входных данных [19], a Var(...) обозначает диспер-
сию выражения в скобках. При практическом приме-
нении данного метода, нелинейные уравнения (13)
или (14) также должны быть решены одним из итера-
ционных методов.
174
Краткое обсуждение рассматриваемых методов
Все перечисленные методы обработки данных по
фундаментальным константам направлены на реше-
ние проблемы несовместности данных. При наличии
среди данных некоторых измеренных значений, ко-
торые значительно отстоят от значений, прямых и
косвенных, следующих из других экспериментов, вста-
ет вопрос, учитывать ли это значение в дальнейшем
или исключить его из обработки. Отметим, что реше-
ние этого вопроса может внести субъективный фак-
тор в результирующие оценки констант вне зависи-
мости от выбранного метода обработки входных дан-
ных. Кратко обсудим теперь рассмотренные методы.
Метод Берджа (МБ) наиболее прост, но он являет-
ся довольно грубым и при его применении возможна
потеря большого количества информации (точно-
сти), так как при этом подходе производят увеличе-
ние дисперсии как совместных, так и несовместных
данных в одинаковое число раз, обусловленное „об-
щей" несовместностью данных.
Метод дисперсионного анализа (МДА) был на-
правлен на разрешение этой проблемы. При этом ме-
тоде согласованные значения констант, рассчитанные
по некоторому выбранному набору входных данных,
имеют гораздо большую точность, чем при примене-
нии подхода Берджа. Однако МДА также сопряжен с
потерей некоторого количества информации, так как
при применении этого метода часто приводит к ис-
ключению из обработки большого числа данных. Кро-
ме того, МДА не приводит к однозначному решению
вида (9), так как выбор окончательного набора совме-
стных входных данных проводится в значительной
степени субъективно.
Метод минимального изменения априорных оце-
нок дисперсий (ММИД) был предложен, для того что-
бы преодолеть недостатки двух предыдущих методов.
Применение ММИД к данным различных согласова-
ний фундаментальных констант показало, что метод
действительно обладает некоторыми преимущества-
ми перед первыми двумя [17, 20]. Во-первых, этот ме-
тод формализует вычисление согласованных значе-
ний на основе всей совокупности несовместных дан-
ных, то есть обладает преимуществом МБ перед МДА.
С другой стороны, ММИД не требуя отбрасывания
большого числа данных, как это требует МДА, приво-
дит к согласованным значениям с погрешностями го-
раздо меньшими по сравнению с погрешностями, вы-
численными по МБ. То есть ММИД обладает преиму-
ществом МДА перед МБ. Формализация вычисления
согласованных значений и учет большинства входных
данных находится в хорошем соответствии с принци-
пом, требующим возможно меньших относительных
„скачков" согласованных значений констант от согла-
сования к согласованию, что отмечено в [21]. Кроме
того, ММИД вводит подход, который можно опреде-
лить как „погрешность погрешности", так как апри-
орные дисперсии входных данных в рамках данного
подхода рассматриваются как случайные оценки, ко-
торым присущи свои погрешности.
Расширенный метод наименьших квадратов
(РМНК) применяет подход „погрешность погрешно-
сти" в рамках более строгой статистической модели.
При этом РМНК вводит в рассмотрение эффективное
число степеней свободы входного данного. Эффек-
тивное число степеней свободы (< определяет дис-
персию
Var(c^or,)=2^/i; (15)
априорной оценки дисперсии crriorl входного зна-
чения у, при принятой для РМНК статистической мо-
дели. При этом принятая в РМНК гипотеза о момен-
тах распределения такова, что распределение отно-
сительного значения у; предполагается близким к
нормальному распределению
(16)
а распределение априорной оценки 0^ог1 предпо-
лагается близким к распределению выборочной дис-
персии s2 =z
(17)
Как следует из выражения (14), РМНК2также, как
и ММИД приводит к коэффициентам R, = 1 для совме-
стных данных, то есть для данных удовлетворяющих
условию Q2 =f . Однако РМНК2 учитывает только об-
щую несовместность данных друг с другом через фор-
му Q2.
РМНК1 так же, как и ММИД учитывает несовме-
стность каждого отдельного данного с остальными
данными через индивидуальный вклад этого данного
в форму Q2 . Однако в отличие от ММИД при приме-
нении к совместным данным РМНК1 приводит к ко-
эффициентам Я, отличным от единицы.
И РМНК1 и РМНК2 требует производить оценку
эффективных чисел степеней свободы данных г;, что
в некоторых случаях может быть весьма трудоемкой
и трудновыполнимой процедурой. Заметим, что в
ММИД неявно предполагается, что все эффективные
числа свободы равны друг другу ^ =... = - и, и оцен-
ка v находится в процессе применения ММИД к дан-
ным.
Подходы к коррелированным
данным в согласованиях ФФК
Перегруппировка входных данных и вспомога-
тельных констант
В работе [22] было показано теоретически, что
корреляции входных данных, возникающие из-за то-
го, что в выражения для разных входных данных вхо-
дят одни и те же измеренные в других экспериментах
величины, можно учесть с помощью расчета соответ-
ствующей корреляционной матрицы. При практиче-
ской обработке таким образом коррелированных дан-
ных был применен подход [23], основанный на исклю-
чении или минимизации этих корреляций путем
175
соответствующей перегруппировки всех учитывае-
мых измеренных значений на входные данные Yt и
вспомогательные константы Перегруппировка
производится таким образом, что погрешности зна-
чений С^их'>, оставшихся в группе вспомогательных
констант, не вносят заметного вклада в корреляцию
входных данных. Операционные уравнения (1) при
этом изменяются. Учет корреляций из-за стохастиче-
ских факторов может быть проведен путем введения
дополнительного операционного уравнения: для из-
меренных значений этого фактора.
Во всех согласованиях и обработках фундаменталь-
ных констант, выполненных до 1986 г., включая и со-
гласование 1986 г. [9], применялся именно этот под-
ход и обработка данных проводилась стандартным ме-
тодом наименьших квадратов без явного учета
каких-либо других корреляций входных данных.
Анализ общих ошибок входных
данных
Корреляции между отдельными входными значе-
ниями при обработке данных по фундаментальным
константам могут быть учтены с помощью обобщен-
ного метода наименьших квадратов (ОМНК) [13].
Корреляции могут быть обусловлены общими ошиб-
ками £j , вносимыми по тем или иным причинам во
входные данные. Такими ошибками Moiyr быть, в ча-
стности, общие ошибки, возникающие при пересче-
те данных к одинаковым единицам измерения, при-
нятым в обработке, а также ошибки, возникающие из-
за использования в различных экспериментах одних
и тех же технических устройств и составляющих схем
[24]. Элементы Vft ковариационной матрицы V век-
тора у = (у, у „У входных данных имеют вид
Vrt=Cov(y„yJ=X/G^;Xriorj , (18)
где является априорной оценкой диспер-
сии, соответствующей £j , а коэффициенты
являются коэффициентами вхождения б^п0Г; априор-
ных оценок составляющих полных дисперсий вход-
ных данных у, . Выражение для этих коэффициентов
следует из выражения для измеренного значения
у, = у, (/>],...,/>,) через влияющие параметры р, экспе-
римента
/(г,A;j)f(k;(Эу,/ЭрДЭу*/Э/>7 ). (19)
Отметим, что подход к учету корреляций путем по-
строения ковариационной матрицы на основе выяв-
ления и анализа общих ошибок входных значений
[24,11] существенно отличается от подхода, обсуждав-
шегося в [5] и примененного в последующих согласо-
ваниях [7-10] для учета общих стохастических фак-
торов, входящих в некоторые операционные уравне-
ния согласований констант.
Оценивание индивидуальных ошибок
входных данных
При практической обработке данных можно про-
вести также оценивание отдельного вклада в
ошибки входных данных путем введения дополни-
тельной переменной согласования &ч и дополнитель-
ного входного данного, соответствующего этому вкла-
ду, с нулевым входным значением = 0 и соответст-
вующей априорной дисперсией <io4 [24].
Математические основания такого подхода подробно
рассмотрены в [25]. После линеаризации уравнений
(1) и приведения задачи к линейному виду
у = Ах, (20)
где у — вектор входных данных; д — операцион-
ная матрица задачи их— вектор относительных пе-
ременных, задача оценивания предполагает заме-
ну уравнения (20) на пару уравнений
y=Ax-f?<??, (21)
= (22)
где состоящая из одного столбца матрица зада-
ется выражением
t4=(f^q\..,f(n-,qW. (23)
При этом ковариационная матрица (18) задачи
(20) представляется в виде суммы
(24)
где матрица V? вычисляется по соотношению
Vp* = /(*'• yO^rior j у 25)
Затем ковариационная матрица задачи (21)~(22)
может быть составлена как диагональная блок матри-
ца вида
(V, 0 А
0 ст2. • (26)
" Итог? J
Таким образом, входные данные для задачи (21)-
(22) включают, помимо входных данных у задачи
(20), еще одно данное =0, а искомые переменные
для задачи (21)—(22) включают, помимо переменных
х задачи (20), еще одну переменную . Найденное
согласованное значение этой дополнительной пере-
менной и представляет собой оценку отдельного вкла-
да в ошибки входных данных £г.
В недавнем согласовании фундаментальных кон-
стант 1998 г. [11] также оценивались отдельные вкла-
ды в ошибки измеренных значений на основе введе-
ния дополнительных переменных и дополнительных
нулевых входных значений, а общая обработка прове-
дена применением к данным ОМНК и учетом корре-
ляций между входными данными на основе введенной
в обработку ковариационной матрицы.
176
Обработка коррелированных данных
Рассмотренные алгоритмы обработки несовмест-
ных данных при согласовании фундаментальных кон-
стант могут быть обобщены и на случай коррелиро-
ванных входных данных.
Метод Берджа имеет тот же вид (5), однако фор-
ма Q2 вычисляется теперь не по выражению (4), апо
выражению
Qprior ~ — У1 (Ук ~ Ук) , (27)
где матрица VJ1 является обратной для матрицы
(18).
Критерий (11) для метода минимального измене-
ния априорных оценок дисперсий (ММИД) остается
тем же и для коррелированных данных, однако усло-
вие совместности (7) в этом случае формулируется для
формы , имеющей вид (27), но включающей не
априорные, а апостериорные оценки дисперсий. Со-
ответствующие нелинейные уравнения для нахожде-
ния коэффициентов расширения принимают вид
(28)
меров единиц разных лет. В согласовании фундамен-
тальных констант [5] к данным применялся алгоритм
МДА, в согласовании [6, 7] — МДА, в согласовании [8,
9] — комбинация МБ и МДА. В согласовании фундамен-
тальных констант [10] при анализе некоррелирован-
ных данных применялись несколько алгоритмов, вклю-
чая МБ, ММИД и его модификации, РМНК1 и РМНК2.
В согласовании 1998 г. [11] обрабатывались коррелиро-
ванные данные с введением ковариационной матрицы
и оцениванием индивидуальных вкладов в ошибки дан-
ных, но применялся стандартный ОМНК и МДА. При-
меняемые методы постоянно совершенствовались,
включая в себя новые элементы:
— индивидуальное изменение коэффициентов рас-
ширения априорных дисперсий;
— включение этих коэффициентов или апостери-
орных оценок дисперсий в число согласуемых вели-
чин;
— включение в обработку измеренных значений,
характеризуемых не только дисперсией, но и эффек-
тивным числом степеней свободы;
— введение в расчеты ковариационной матрицы;
— оценивание индивидуальных вкладов в ошибки
входных данных.
Развитые методы повышают достоверность, точ-
ность и информативность результирующих согласо-
Я,2=1 +
п п п
ЁЖimpost гi Ё А7л'Хроз1А'Л
1>=1 i'=l *'=1
(28)
где Ду,- = у,- -у,-, а матрица Vpostft имеет тот же вид,
что и априорная матрица (18), но включает не апри-
орные, а апостериорные оценки дисперсий. Выраже-
ние (28) сводится для случая некоррелированных дан-
ных к прежнему виду (12).
Выражения для версий расширенного метода наи-
меньших квадратов на случай коррелированных дан-
ных приведены в [26]. Выражение для РМНК1 при-
нимает вид (29)
ванных оценок значений констант, параметров и раз-
меров единиц. Практическая их реализация связана
с применением высокопроизводительной вычисли-
тельной техники, а отдельные методы (РМНК1 и
РМНК2) требуют более углубленного анализа данных,
включаемых в обработку, по сравнению с традицион-
ным анализом, применяемым для стандартного мето-
да наименьших квадратов (МНК). Практически все
рассмотренные выше методы являются различными
Kj=l+
i-^nor; ЁЖ/! £V^st/iVpost*-*
гЛ=1 i',k =1
_________А7.'А7г____________v-i
l-Cov(y,-,yv)/Cov(y,.,yA.) postiA
(29)
Выражение для PMHK2 не меняет своего вида
(14), но включает в себя значение формы , вы-
числяемое для случая коррелированных данных.
Применение рассмотренных методов обработки
коррелированных данных связано с решением нели-
нейных уравнений. Для небольших наборов данных
эти уравнения практически решаются итерационны-
ми методами на ПЭВМ. При увеличении числа дан-
ных, применение алгоритмов ММИД, РМНК1 или
РМНК2 резко повышает требования к вычислитель-
ным ресурсам.
Заключение
Рассмотренные методы обработки данных применя-
лись в согласованиях фундаментальных констант и раз-
реализациями подхода, основанного на концепции
„погрешность погрешности" и приводящего к пере-
оценке дисперсий входных данных в процессе их об-
работки. При этом некоторые методы были предло-
жены на основе обобщения [16] практических подхо-
дов [15, 5-9], применявшихся в согласованиях
констант, в то время как другие основаны на рассмот-
рении [18] расширенной статистической модели.
В заключение следует отметить, что применение
перечисленных методов к обработке данных прово-
дится после этапа предварительного оценивания всех
данных исходя из существа физических эксперимен-
тов, лежащих в основе определения значений и ап-
риорных дисперсий входных данных согласований
фундаментальных физических констант.
—............... -..................... — 177 ------------ ---------------
Литература:
1. Мамырин Б.А. Фундаментальные константы физики
и химии. — Государственная Служба Стандартных Справоч-
ных данных. Информационный бюллетень. — 1975. — Вып. 2.
-С. 6-7.
2. Тарбеев Ю.В., Краснов К.А., Герасимов Н.П.,
Тунинский В.С. Фундаментальные физические константы и
воспроизведение единиц физических величин // Измери-
тельная техника. — 1984. — № 7. — С. 10-13.
3. Фундаментальные физические константы. ГСССД 1-
76. Таблицы стандартных справочных данных. — М.: Изд-во
стандартов, 1979.
4. Фундаментальные физические константы. ГСССД 1-
87. Таблицы стандартных справочных данных. — М.: Изд-во
стандартов, 1989.
5. Cohen E.R. and DuMondJ.W.M. Our Knowledge of the
Fundamental Constants of Physics and Chemistry in 1965. //
Rev.Mod.Phys. - 1965. - Vol. 37. - № 4,- P. 537-574.
6. Taylor B.N., Parker W.H. and Langenberg D.N. The
Fundamental Constants and Quantum Electrodynamics. — New
York, London: Academic Press, 1969.
7. Тейлор Б., Паркер В., Лангенберг Д. Фундаментальные
константы и квантовая электродинамика. Пер. с англ, под
ред. проф. Б.А. Мамырина. — М.: Атомиздат, 1972.
8. Cohen E.R. and Taylor В.N. The 1973 Least-Squares
Adjustment of the Fundamental Constants //
J.Phys.Chem.Ref.Data. - 1973. - Vol. 2. - № 4. - P. 663-734.
9. КоэнЭ., Тейлор Б. Согласование фундаментальных
констант с помощью метода наименьших квадратов. — В сб.
Квантовая метрология и фундаментальные константы. Пер.
с англ, под ред. Р.Н. Фаустова и В.П. Шелеста. — М.: Мир,
1981.
10. Cohen ER. and Taylor B.N.The 1986 Adjustment ofthe
Fundamental Physical Constants // Rev.Mod.Phys. — 1987. —
Vol. 59, —№4, —P. 1121-1148.
11. Mohr P.J. and Taylor B.N. CODATA Recommended
Values of the Fundamental Physical Constants: 1998 //
Rev.Mod.Phys. - 2000. - Vol. 72. - № 2. - P. 351-495.
12. V.S. Tuninsky. Unit systems bases on the fundamental
constants // Metrologia. — 1999. — Vol. 36. — № 1. — P. 9-14.
13. Худсон Д. Статистика для физиков. Пер. с англ. — М.:
Мир, 1970.
14. Тунинский В.С. О некоторых проблемах согласова-
ния фундаментальных констант // Измерительная техни-
ка. - 1993. - № 2. - С. 20-23.
15. Birge R.T. The calculation of errors by the method of
least-squares // Phys. Rev. — 1932. — Vol. 40. — P. 207-227.
16. Тунинский B.C., Холин B.M.. Новая методика обра-
ботки данных по фундаментальным физическим константам
// Метрология. — 1975. — № 8. — С. 3-11.
17. Тунинский В.С., Влияние методики обработки дан-
ных на согласованные значения физических констант //
Метрология. — 1978. — № 1. — С. 13-18.
18. Cohen E.R., An Extended-Least-Squares Treatment of
Discrepant Data. — In Precision Measurement and Fundamental
Constants II, B.N. Taylor and W.D. Phillips, eds., Washington,
DC, 1984, P. 391-395.
19. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement,
International Organization for Standartization, 1993.
20. Tarbeyev Yu.V. The Work Done at the Mendeleyev
research Institute of Metrology (VNIIM) to Improve the Values
of the Fundamental Constants. — In Precision Measurement and
Fundamental Constants II, B.N. Taylor and W.D. Phillips, eds.,
Washington, DC, 1984, P. 483-488.
21. Mamyrin B.A. The principles of adjustment of the
fundamental constants. — In The Proceedings of the Fifth
Biennial International CODATA Conference, B. Dreyfus, ed.,
Pergamon Press Oxford and New York, 1977, P. 25-26.
22. Cohen E.R. Nonindependent Observational Equations
in the Theory of Least Squares // Phys.Rev. — 1951,—Vol. 81,—
№ l.-P. 162.
23. DuMondJ.W.M. and Cohen E.R. Least-Squares
Adjustment of the Atomic Constants, 1952. — Rev. Mod. Phys.,
1953, Vol. 25, № 3, P. 691-708.
24. Tuninsky V.S. A Calculation of Changes in the Electrical
Units // Metrologia. - 1991. - Vol. 28. - № 5. - P. 385-395.
25. Tuninsky V.S. Correlations of data in adjustments of the
fundamental constants. — In: Advanced Mathematical and
Computational Tools in Metrology IV. Eds. P. Ciarilni,
A.B. Forbes, F. Pavese & D. Richter, World Scientific Publishing
Company, 2000, P. 230-245.
26. Cohen E.R. and Tuninsky V.S. The Extended-Least-
Squares Treatment of Correlated Data // IEEE Trans.
Instr.Meas. - 1995. - Vol. 44, № 2, P. 475-478.
В.С. Тунинский
178
Периодическая система элементов
Д.И. Менделеева как интегральный источник
физической и метрологической информации
Периодическая система элементов (ПСЭ), открытая
Д.И. Менделеевым в 1809 г., содержит значительную
физическую и метрологическую информацию. Доста-
точно указать, что один из основополагающих принци-
пов современной квантовой теории — принцип исклю-
чения Паули (см. ниже) — был постулирован в 1924 г.
по 1 габлюдениям 11. Бора применительно к объяснению
ПСЭ и лишь позже строго доказан. Вместе с тем, инте-
гральный характер информации, содержащейся в ПСЭ,
весьма затрудняет ее извлечение и требует разработки
адекватных физико-математических методов.
Первоначальный вариант ПСЭ был гениально пре-
дугадан Д.И. Менделеевым, как можно судить, на ос-
нове интуитивных предст авлений о внутренней сим
метрии, лежащей в ее основе. Об этом же свидетель-
ствуют современные ее формы с явно выраженной
периодичностью свойств.
Поиск внутренней симметрии и управляющих ею
законов велся на трех различных уровнях. Во-первых,
с момента открытия ПСЭ до настоящего времени соз-
даются все новые графические формы представления
ПСЭ [1 ], стремящиеся выявить эту симметрию на фе-
номенологическом уровне. Особыми подразделами
этого направления являются варианты ПСЭ, ириен
тированные на разное практическое применение (па
пример, при создании сплавов с прогнозируемыми
свойствами! или учитывающие дополнительные пе-
риодичности.
Исторически второе и наиболее обширное на
правление — использование квантовой механики и
квантовой статистики для описания атома. Ввиду
взаимодействия электронов между собой, возникает
сложнейшая многоэлектронная задача, потребовав-
шая создания конструктивных приближенных мето-
дов решения. Закономерности и симметрии ПСЭ про-
являются в этом подходе, в принципе, через симмет
рию самосогласованного потенциала и зависимость
энергии связанных состояний электронов от кванто-
вых чисел (см. [2J и ссылки там).
Наконец, третье направление, представленное не-
большим числом работ, заимствует идеи из адронной
физики [3], представляя всю совокупность атомов как
некоторую формальную единую систему, обладающую
некоторой группой симметрии, которую пытаются
угадать по существу без привлечения сведений о внут-
риатомных взаимодействиях. Здесь неизбежна высо-
кая степень произвола, равно как и в попытках вос-
произвести схему появления уровней в реальной ПСЭ
формальным изменением коммутационных соотно-
шений между операторами рождения-уничтожения
(т.н. квантовые группы [4]).
Как известно, в квантовой механике состояние
электрона определяется волновой функцией {^(г) ,
квадрат абсолютной величины которой пропорцио-
нален плотности вероятности найти частицы вблизи
данной точки г : /Хг)“1 • Функция опреде-
ляется вместе с энергией состояния Е уравнением
Шредингера. Для частиц, сосредоточенных в конеч
ном объеме, например, в атоме, допустимыми явля-
ется лишь некоторый дискретный ряд значений Е >
нумеруемый, как и вид волновых функций, набором
параметров — квантовых чисел, количество которых
равно числу степеней свободы частицы.
Для фермионов, которыми являются электроны,
справедлив принцип Паули: в коллективе слабовзаи-
модействующих частиц не может быть частиц в оди-
наковых состояниях, т.е. с совпадающ! гм набором зна-
чений квантовых чисел. Поэтому, например, в элек-
тронном газе частицы, стремясь к минимуму энергии,
не накапливаются на самом нижнем уровне, а занима-
ют последовательно ряд нижних состояний. Система
взаимодействующих частиц описывается единой
функцией, зависящей от координат всех частиц; при
этом принцип Паули проявляется как перестановоч-
ная симметрия — изменение знака волновой функции
при перестановке любой пары частиц.
При движении электрона в центросимметричном
поле, например, кулоновом поле ядра, его состояние
характеризуется, кроме проекции спина ст =1/2 или
ст, =-1/2, тремя целочисленными квантовыми числа-
ми: пт =0,1,2... равно числу нулей радиальной волно-
вой функции, осциллирующей вггутри атома; I =0,1,2...
определяет момент импульса, те. вращение электро-
на, a m — направление оси вращения, причем | m | < I.
Вместо пт используют главное квантовое число
п - nr +1 +1, так что I < п -1 • Энергия состояния, вви-
ду сферической симметрии задачи, не зависит от m ,
т.е. Е = Е(п,1)
В кулоновском поле, которое является исключи-
тельным случаем, нет зависимости энергии от I, по-
этому для водорода £(п)=-1/2п2 .
Если принять простейшую гипотезу о том, что в
многоэлектронном атоме все z электронов незави-
симо друг от друга движутся в кулоновском поле ядра
с уровнями £ = -Z2/2n2 , они займут нижние свобод-
179
ные уровни, начиная с п=1, причем может быть не
более 2п2 электронов с главным квантовым числом
п и любыми 1,т . В действительности, однако, запол-
нение состояний сильно отличается от указанного.
Так, по мере роста z сначала заполняются состояния
с п =4 и I =0, а уже позднее с п =3 и I =2 [5]. Причина
такого расхождения очевидна и заключается в том,
что электроны взаимодействуют не только с ядром,
но и между собой. Электроны, находящиеся ближе к
ядру, чем данный, частично экранируют кулоновское
поле ядра; изменение вида поля влечет и появление
значительной зависимости Е(п,Г) от I. На эмпириче-
ском уровне было отмечено Маделунгом и значитель-
но развито Клечковским [5] правило заполнения обо-
лочек по мере роста числа К=п+1 Поскольку при
этом имеет место вырождение, т.к. значения £ сов-
падают, например, при п=3, 7=0 и при п-2, /=1, это
правило дополнялось наблюдением о первоочеред-
ном заполнении состояний с минимальным I придан-
ном к (см. таблицу 1).
Квантово-механический расчет атомов потребо-
вал развития приближенных методов, незавершенно-
го доныне, поскольку точное решение многоэлек-
тронной задачи невозможно. В методе Хартри-Фока
предполагается, что волновая функция всей совокуп-
ности электронов является некоторой суммой произ-
ведений неизвестных заранее одночастичных функ-
ций, составленной с учетом принципа Паули и пере-
становочной симметрии. Эти функции определяются
вариационно из условия минимума полной энергии.
В итоге получаются самосогласованные уравнения —
каждая частица движется в одном для всех частиц эф-
фективном поле, определяемом состояниями всех
электронов. Это поле слагается из кулоновского по-
ля ядра и экранирующего поля других электронов,
включающего специфические квантовые, так назы-
ваемые „обменные" члены, обусловленные перестано-
вочной симметрией волновой функции.
Описанный метод, несмотря на игнорирование
корреляций между электронами, дает часто хорошую
точность. Однако вычислительная громоздкость его
и необходимость отдельного расчета при каждом z
заставляют прибегать к хотя и менее точным, но бо-
лее простым и универсальным подходам — основным
из них является статистический метод Томаса-Ферми
[2]. Здесь электроны рассматриваются как неоднород-
ный ферми-газ с плотностью р(т ). Поле V (г ), в ко-
тором заключен этот газ, самосогласованно слагает-
ся из кулоновского поля ядра и его экранировки, обу-
словленной распределением электронов р(г). В
итоге поле оказывается некоторой универсальной
функцией атомного номера:
V(r)=~^'/S),
г
что удобно для анализа. Вместе с тем этот метод
менее точен, чем метод Хартри-Фока, дает неточные
значения Хг) вблизи самого ядра и на больших рас-
стояниях, не учитывает обменных членов и т.д. Был
выполнен ряд уточнений, усложняющих вид V(r),
Дг) нарушающих автомодельность—зависимость эк-
ранирующей функции % от комбинации r/V3 [2].
Заметим, что уравнения Томаса-Ферми могут быть
получены из условия минимума полной энергии, сла-
гающейся из кинетической энергии Ферми-газа и ку-
лоновского взаимодействия электронов между собой
и с ядром. Известна важная теорема о том, что точ-
ное (а не приближенное, как в методе Томаса-Ферми)
значение энергии основного состояния атома также
является минимумом некоторого (неизвестного)
функционала плотности р(г ). В этом смысле моди-
фикации V (г) или р(г) можно рассматривать как
приближение к этому минимизирующему функциона-
лу.
Демков и Островский обратили внимание на тот
факт, что для потенциала Тайца
VT(r)=—--------=•
r(l + arZ1//sJ
являвшегося одной из форм простой аппроксима-
ции потенциала Томаса-Ферми VTf(r), возможно точ-
ное решение уравнения Шредингера при £ =0, т.е. в
момент появления связанного состояния [6]. По ме-
ре роста Z новые уровни имеют квантовые числа в
порядке возрастания К = п + 1 Влияние отклонений
реального потенциала от Уг(г) не оценивалось ввиду
отсутствия точных решений.
Указанные выше методы обладают как преимуще-
ствами, так и недостатками. Методы типа Хартри-Фо-
ка сохраняют представление об электронных оболоч-
ках, тесно связанное с периодизацией ПСЭ, но требу-
ют громоздкой вычислительной работы, отдельно для
каждого z Методы типа Томаса-Ферми дают универ-
сальную зависимость от z , но теряют представление
об электронных оболочках и содержат плохо контро-
лируемые погрешности. Точные решения уравнения
Шредингера являются редчайшим исключением, и в
остальных случаях расчет уровней для модельных по-
тенциалов требует численного счета отдельно для ка-
ждого z
Таким образом, для дальнейшего развития и уточ-
нения закономерностей ПСЭ, выявления ее внутрен-
ней симметрии и извлечения из ПСЭ физической и
метрологической информации была необходима раз-
работка нового метода, исключающего отрицатель-
ные стороны известных методов и сочетающего их
положительные стороны.
Именно, от нового метода требуется: универсаль-
ность, т.е. „сквозные" результаты сразу для всех элемен-
тов ПСЭ; исключение многоэлектронных расчетов;
простота и конструктивность, т.е. сведение к миниму-
му расчетов вообще с сохранением высокой точности;
сохранение картины заполнения атомных оболочек;
самосогласованность метода, ограничивающая по-
грешности. Желательны также возможности: установ-
ления связи симметрии ПСЭ и симметрии волновых
функций; дальнейшего уточнения метода и контроля
точности, достигаемых без усложнения вычислений.
180
Такой метод был развит в [7-10] на основе совме-
стного применения уточненного условия квазикласси-
ческого квантования, асимптотических оценок полно-
го числа состояний в каждом потенциале и использо-
вания монотонности поведения энергий уровней
E(nr,l) при росте пг или I. При этом квантово-стати-
стическое представление о коллективе атомных элек-
тронов сочеталось с квантово-механическим рассмот-
рением последнего из появляющихся по мере роста z
внешних электронов, определяющих систематику
ПСЭ. Такой самосогласованный подход, исключающий
переработку излишней информации о потенциале,
обеспечивает нужную точность и простоту.
В итоге ПСЭ представлена как целостный объект,
характеризующийся уравнением
GZI/!>-nr+- +
г 2
с одной новой физико-химической константой ф.
Последовательное заполнение уровней но мере рос-
та номера элемента происходит в соответствии с рос-
том эффективного квантового числа
T(n,l,i)=n+il, 1= ф~\.. (2)
Уровень (n,Z) начинает заполня ться при '£ > удов-
летворяющем равенству
/,(пЛ) з (1+«у (3)
Существенно, что в (1)-(3) не входит явный вид
потенциала, что исключает ошибки модельных пред-
ставлений.
Для оценки параметра t учтем, что по мере роста
Z новые оболочки появляются в порядке
(и,si (n-2,/) (n-l,d\(n,p\(n+l,s)
при условии 1<п — 1 (в противном случае соответ
ствующая оболочка исключается). Отсюда следует
последовательность строгих неравенст в
в момент появления уровня его энергия £ =0. Ма-
тематически строгое рассмотрение [10, 14] позволя-
ет оценить точность (2), (6) (как правило, она состав-
ляет = 1 %), а также использовать метод для расчета
энергии уровней и ввести вместо одного (^) несколь-
ко параметров с повышением точности характеризую-
щих любую задачу.
Широко известному модельному потенциалу Тома-
са-Ферми [2J отвечает ф =1,76, попадающее в допус-
тимый интервал (5). Приведем значения номеров пе-
риодов N , номеров 2, элементов У, открывающих но-
вые оболочки (n,Z) для этого потенциала (таблица 1).
Как видно из таблицы, новые оболочки появляются в
порядке возрастания числа т , причем, в отличие от
числа X , вырождение снимается. Номер периода N
равен целой части f .
Таблица 1. Номера периодов N , номера / элемен-
тов Э. открывающих оболочки (n,Z), в сравнении с эф
фективными квантовыми числами X > Г и вычислен-
ными номерами элементов Z(n,Z)
Как видно из таблицы 1, совпадение с реальными
Z достаточно хорошее, если учесть наличие всего од-
ного параметра ф Корректность и устойчивость ре-
зультата примененного метода выявляется следующи-
ми соображениями. Значение (Ь, кроме формулы (6),
основанной на оценке полного числа состояний, мо-
жет быть получено также из оценки числа оболочек,
т.е. разных состояний без учета кратности вырожде-
ния [8, 9]. Соответствующие значения ф совпадают
для всех типичных модельных потенциалов с точно-
стью 1-2 % (например, для потенциала Томаса-Фер-
ми с точностью 1,1 %). Близкий к (5) интервал
1,69 < ф< 1,75 получен в [7] на основе иной аргумен-
тации. Наконец, по (3) можно найти Z(n,l) при раз-
n = T(n,O,i)<T(n-2,3,0<T(n-l,2,z)<T(n.l,f)<T(n+l,O,0=K + l • (4)
Все неравенства (4) совместны в интервале
2/3 < t < 1 . Требуя, чтобы каждому значению т соот-
ветствовала только одна оболочка, получим допусти-
мый интервал значений
2/3<Z<7/9, (5)
обеспечивающий реальную последовательность
уровней со снятием вырождения, имевшего место в
феноменологической схеме Клечковского.
Порядок заполнения уровней актуален и в других
центрально-симметричных задачах (ядерных оболоч-
ках. металлических кластерах [11] и т.д.). Усовершен-
ствование метода [12] позволяет описать этот поря-
док во всех случаях через квантовое число т с хоро-
шей точностью [12, 13]. При известном потенциале
У(т) значение ф для заданной энергии определяется
как
1 ^E-V(r)drJ
^"2^ J(E-V(r))s/2Afr ; (6)
ны х значениях ф и затем вычислить суммарное откло-
нение вычисленных и реальных номеров элементов,
открывающих оболочки. Оно близко к постоянному
в пределах (5) и возрастает вне эт ого интервала.
Уравнение (1) позволяет охарактеризовать сим-
метрию ПСЭ при каждом значении Ф. Именно, угол
поворота квазиклассических траекторий, соответст-
вующих состояниям e(n,Z) с нулевой энергией связи,
составляет за один оборот 4х = 2 пф. Если ф=к/р , где
k и р наименьшие возможные целые, то траектория
замыкается через k оборотов (например, при Ф =1 /
4, входящих в интервал (5), через 7 оборотов). В об-
щем случае иррационального ф траектории занима-
ют всю область между гтях и rmin . По аналогии с кеп-
леровской задачей, можно ввести „эффективный экс-
центриситет" орбиты е(п,1):
181
г — г .
max тгп
пЛ)=---------•
Т + г
max тгп
В пределах справедливости (1) угол ф является по-
стоянным для всех п,1 и не зависит от конкретного
вида потенциала, обеспечивающего это значение ф.
Таким образом, значение ф является основной харак-
теристикой симметрии орбит, а «(«,/) является ее де-
тализацией. Для потенциалов с ф= const эксцентри-
ситет имеет следующую зависимость от квантовых чи-
сел орбиты:
I Л ,а1\д /Л«-0+(^-2)/2 j
...............4+1/2) j .
Эти параметры представляют симметрию ПСЭ как
соответствие между порядком появления и заполне-
ния уровней (1), (2) и формой соответствующих ква-
зиклассических орбит. Неявным отражением этой
симметрии являются различные формы графическо-
го представления ПСЭ.
Выявленные параметры позволяют связать дина-
мическую симметрию атомов с симметрией графиче-
ских представлений ПСЭ. Использованный в приве-
денном анализе параметр содержит главную, и наи-
более существенную, часть информации о глобальной
структуре ПСЭ. Дальнейшая разработка новых мето-
дов позволит извлекать из ПСЭ информацию более
тонкого уровня. С одной стороны — это детализация
свойств электронных конфигураций отдельных ато-
мов (например, уровни энергий и спины внешних
электронов), что позволит проследить систематиче-
ское изменение свойств элементов в пределах каждой
оболочки. С другой стороны, должны быть учтены
вторичные периодичности ПСЭ, связанные как со
строением электронных оболочек, так и ядра, и тем
самым вовлекающие в анализ, кроме электромагнит-
ного, и другие фундаментальные взаимодействия.
Необходим глубокий теоретический анализ попы-
ток распространить периодизацию на молекулы [15],
а также для прогнозирования свойств твердых тел
[16]. Наряду с обычными формами ПСЭ, различаю-
щимися расположением на плоскости (или в про-
странстве) конечного множества объектов-элемен-
тов, можно ставить вопрос об оптимизации оснащен-
ных ПСЭ, в которых каждый элемент сопровождается
набором характерных числовых параметров (приме-
ры см. в [16] и [17]). Как видно из предыдущего, важ-
нейшим параметром является значение f оболочки.
Для дальнейшего анализа целесообразно рас-
смотреть иерархию материальных структур по коли-
честву составляющих их частиц N : к микроуровню
отнесем элементарные частицы и водородоподобные
системы с N = 1-2 > к мезоуровню — многоэлектрон-
ные атомы, ядра, молекулы и кластеры с Дг«Ю2-104 ,
к макроуровню — твердые тела и другие объекты с
N —> оо . Каждому уровню соответствуют свои типы
симметрии и свои типы характерных констант. Для
микроуровня — это фундаментальные константы
(й,е,с, о;...). Макроструктуры описываются феноме-
нологическими константами (плотность, теплоем-
кость, электропроводность, модуль упругости и т.п.).
Как видно из предыдущих разделов, структуры про-
межуточного мезоуровня обладают своим типом ха-
рактерных констант, ярким примером которых явля-
ется рассмотренная константа ф. Таким образом, воз-
никает иерархия типов физических констант и
параметров, соответствующая иерархии материаль-
ных структур. По мере роста числа частиц усложня-
ется динамика взаимодействий. Это приводит к тому,
что каждый уровень характеризуется как константа-
ми данного уровня, так и предыдущих уровней.
Литература:
I. Семишин В.И. Периодическая система химических
N n,Z К T Zn,Z Z Э элементов Д.И. Менделеева. — M.: Химия, 1972.
I Is 1 1 0.6 ] H 2. Веселов М.Г., Лабзовский Л.Н. Теория атома. Строе- ние электронных оболочек. — М.: Наука, 1986.
II 2s 2 2 2,9 3 Li 3. Конопельченко Б.Г., Румер Ю.Б. УФН. —1979. — Т. 129. — Вып. 2. — С. 339.
2р 3 2,76 6,7 5 В 4. Т. Negadi, М. Kibler. J. Phys. А. - 1992. -V. 25. - Р. L157.
III 8s 3 3 8,3 11 Na 5. Клечковский В.М. Распределение атомных электронов и правило заполнения ( )-групп. — М.: Атомиздат, 1968.
Зр 4 3,76 15,3 13 Al 6. Демков Ю.Н., Островский В.Н. ЖЭТФ. - 1972. -Т. 62.
IV 4s 4 4 18,1 19 К -С. 125. 7. Тарбеев Ю.В., Трунов Н.Н., Лобашев А.А., Кухарь В.В.
3d 5 4,52 25,3 21 Sc ЖЭТФ. - 1997. -Т. 112.-С. 1226.
4р 5 4,76 29,2 31 Ga 8. Тарбеев Ю.В., Кухарь В.В..Лобашев А.А., Трунов Н.Н.
V 5s 5 5 33,5 37 Rb Труды Второй Международной конференции „ФИЗМЕТ-96“. // Физическая метрология: теоретические и прикладные
4d 6 5,52 44,2 39 Y аспекты, ред. Городецкий А.Е., Курбанов В.Г. — СПб.: 1996.
5р 6 5,76 49,8 49 In -С. 165.
VI 6s 6 6 55,9 55 Cs 9. Yu.V. Tarbeyev, V.V. Kukhar, N.N. Trunov, A.A. Lobashev. The Third International Conference on Problems of Physical
4f 7 6,28 63,6 58 Ce Metrology. June 15-19,1998, Saint Petersburg. Abstracts. — P. 14.
5d 7 6,52 70,7 71 Lu 10. Лобашев A.A., Трунов Н.Н. ТМФ, Т. 120, 99 (1999).
6p 7 6,76 78,3 81 T1 11. Нестеренко В.О., ЭЧАЯ. Т. 23, вып. 6, 1665, (1992).
VII Ts 7 7 86,5 87 Fr 12. Трунов Н.Н., Лобашев А.А. Доклад на IV Международ- ной конференции „ФИЗМЕТ 2000“. // Физическая метро-
5f 7 7,28 96,7 91 Pa логия, ред. А.Е. Городецкий, В.Г. Курбанов. — СПб.: Изд.
6d 8 7,52 106,0 103 Lr СПбГТУ, 2000. - С. 29-31.
182
13. Yu.V. Tarbeyev, N.N. Trunov, A.A. Lobashev, V.V. Kukhar.
Marcus Wallenberg Symposium in memory of S. Kovalevski:
Differential equations & applications, June 18-22, 2000,
Stockholm University, Sweden. Abstracts, p. 16-17.
14. ЛобашевАА., Трунов Н.Н. ТМФ, Т. 124, №3 (2000)
463-480.
15. R. Hefferlin, R. Campbell, D. Gimbel, H Kuhlman,
T. Cayton, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1979, V. 21,
p. 315-336.
16. Харрисон У. Электронная структура и свойства твер-
дых тел: Физика химической связи. Нер. с англ. — М.: Мир,
1983. - Т. 1. - 381 с.; Т. 2. - 332 с.
17. Химия и периодическая система, ред. Л. Сайто (пер.
с яп.). — М.: Мир, 1982.
Ю.В 1арбеев, Н.Н. Трунов,
А.Л. ЛоОашев, В.В. Кухарь
183
Квантовое число, управляющее систематикой
многочастичных систем
Введение
Значительная часть задач квантовой механики в
областях атомной физики, моделей ядра, моделей
кваркония и т.д. требует определения спектра связан-
ных состояний, в первую очередь, в центрально-сим-
метричных потенциалах. Отсутствие аналитических
решений для таких потенциалов, за немногими исклю-
чениями, обуславливает актуальность развития ап-
проксимационных методов (полу)количествепного
анализа спектров. Такие методы должны быть просты,
универсальны и физически наглядны, т е. не призва-
ны заменить обычные компьютерные расчеты. В ча-
стности, используемые и возникающие при таком под
ходе характеристики потенциала и его спектра долж-
ны иметь четкий физический смысл.
Существует ряд точных результатов для спектров
и решений волновых уравнений, безотносительно к
знанию аналитических решений. Сюда относятся: воз-
растание энергии уровней по мере роста одного из
значений орбитального или радиального квантовых
чисел при сохранении другого, асимптотически точ-
ные оценки для чисел связанных состояний в задачах
разной размерности с данным потенциалом, своеоб-
разные соотношения симметрии решений волновых
уравнений для пар степенных потенциалов и т.д.
В основу построения приближенного условия кванто-
вания естественно положить требование выполнения
этих точных свойств. Наличие многих „опорных то-
чек", к которым отнесем и совпадения с точными ре-
зультатами для кулоновского и осцилляторного потен-
циалов. исключает значительные погрешности.
Известно, что многие эмпирические и полуэмпи-
рические исследования систематики спектра атомов
базируются на априорном предположении о располо-
жении уровней в порядке возрастания квантового чис-
ла, являющегося некоторой линейной комбинацией
радиального пг и орбитального I квантовых чисел.
Сюда можно отнести, в частности, метод квантового
дефекта (поправки Ридберга) [1J, эмпирически най-
денную зав11симость появления оболочек в атомах 11е-
риодической системы элементов Д.И. Менделеева
(ПСЭ) (см. [2] и ссылки там) и г.д. Между тем, зависи-
мость точных решений от такой комбинации извест-
на лишь для кулоновского потенциала Ес и сфериче-
ского осциллятора Еох:
г- 1 1
с (пг +1 + if п2 ’ 1
г- ( 1 8 А
пгн—1-— i=n,
[ 2 4
(1)
Кроме того, известно, что такого рода квантовое
число управляет последовательностью появления но-
вых связанных состояний в потенциалах Ленца по ме-
ре увеличения их мощности. Именно, уровень с кван-
товыми числами (пг,1) имеет нулевую энергию связи
при условии:
I и, п
га-=^ + 2+7( 2j’(2)
(см. [3] и ссылки там). Ясно, что для произволь-
ного потенциала зависимость спектра от квантовых
чисел будет более сложной. Тем не менее, имеет фи-
зический смысл задача о наилучшей аппроксимации
такой зависимости в виде линейной комбинации пг
и 1 и оценка погрешности метода. Актуальность обоб-
щения пмс на модели кваркония, а также на реальные
потенциалы атомной физики, подчеркнута в [4]. По-
иск такой линейной комбинации па качественном и
феноменологическом уровне предпринят для моде
лей ядра в 15]. Систематику состояний актуальных ны-
не металлических кластеров [0] также пытаются ис-
кать с помощью линейных комбинаций пг и I.
Условия квантования
Универсальность метода требует, чтобы вводимое
эффективное квантовое число зависело от потенция
ла V(r) функционально. В качестве таких функцио-
налов естественно применить асимптотические оцен-
ки чисел состояний в потенциале v(x) для «-мерной
задачи [3]; объединяя несколько частных случаев,
можно записать их в виде:
(3)
где тп — объем п -мерного шара единичного ра-
диуса; /+=(/ + |/|)/2 и применяются атомные еди-
ницы. Эти оценки могут быть получены, например,
методом вилки Дирихле-Неймана при весьма либе-
ральных условиях: не требуется центральной симмет-
рии V(x), может быть несколько областей классиче-
ской доступности и т.д. Точное число состояний
184
связано с Nn условием
lim —= 1 /лч
Nenx W
Для центрально-симметричных потенциалов все
Nn (3) единообразно выражаются через интегралы
мп-.
Nn~Mn, Мя(£> J—£n(r,£),
L = r^2(E-V(r')\ , (5)
Физически содержательные потенциалы имеют, за
особыми исключениями, одну классически доступную
область, так что функция £ в (5) обладает для каждо-
го Е одним максимумом при конечном значении
r = rm(E)>Q.
В [3] было получено модифицированное квази-
классическое условие квантования, выражающееся
через одну из пар (м„м3) или (М],М2):
1м1(£)=Яг + | + , (6)
где фаза ^Е) может быть выбрана двумя способа-
1 (“? Т i л 2 м?
В силу (5) Л43 пропорционально полному числу
связанных состояний с энергиями, не превосходящи-
ми £,а ЛТ2 — числу оболочек (nr,l). Как видно из (6),
кандидатом на искомое квантовое число является:
Т = пг+ —+0\1 + — )= и+ 0 А и=п. +—•
т 2 \ 2 J ’ г 2 ’
Л=пг+^. (8)
Для кулоновского потенциала нетрудно получить
^i,2= ^1,з=1, независимо от энергии (несмотря на на-
личие точки сгущения £ = 0, так что М„—при
Е —>оо , отношения Мп , входящие в ф (7), остаются
постоянными), и т совпадает с точным значением
(1). Так же точно воспроизводится ^1,2= ^13= 1/2 для
трехмерного осциллятора и Т = ТЮС при всех £ . На-
конец, при £ = 0 для потенциалов Ленца имеем
Ф^2= А.з=1/а и Т = па в согласии с (2). Таким обра-
зом, для известных „эталонных" случаев квантовое
число (8) совпадает с полученным из точного реше-
ния.
Анализ применимости (8) ко всем прочим потен-
циалам, не обладающим аналитическими решениями
уравнения Шредингера, требует иного подхода. Нач-
нем со случая степенных потенциалов у = с Ь ,
//> 0 . Для них f^i.2, ^1,3 выражаются через бета-функ-
ции и оказываются зависящими только от у/, но не
от £ или Ъ Вместе с тем по мере отхода от значения
//=2 появляется некоторая разность
Например, при /z=l имеем $2 =0,540 и
4з= 0,544; при //=4 имеем 4’ = 0,464 и 4з=0Дб0.
Малость значения £«1 при этом контролирует точ-
ность метода в количественном отношении. Сравне-
ние с численными расчетами уровней энергии в этих
потенциалах [7] обнаруживает полное соответствие
порядка уровней возрастанию числа £ (8), при этом
точность значений составляет = 1%.
Аналогично, для V(r)=-br"c b>0, -2< //<0 име-
ет место независимость ф от £ и Ь и плавное, вне
окрестности //=-2 , нарастание R «1 по мере отхо-
да от -1. При этом точка //=0 является обычной
и соответствует логарифмическому потенциалу.
Хотя для степенных потенциалов не зависят
от энергии, в общем случае они являются весьма мед-
ленными (монотонными) функциями £ . Например,
все экранированные кулоновские потенциалы имеют
41,з~*1 для самых глубоких уровней; при £—>0 из таб-
лицы [3] видим, что для потенциала Юкавы 0=1,286,
для потенциала Тайца у(г)=_^(1 + г2)]’1 имеем 41.з=2,
независимо от замен V—>cV, r-^br. Поэтому ско-
рость изменения фазы с ростом числа уровней
d0/rfiV = l/lVs «1.
Как показано в [7], величины Мп уже при п>1
выходят на асимптотику, т.е. могут вычисляться, по-
сле перехода к переменной х = 1пг , по методу Лапла-
са, формально полагающему п »1. Это означает, что
основной вклад в Мп , а с ним и в Ф\,з вносит область
r = rm максимальных значений L(rm) из (5):
)_ пгах£(г) Вводя функцию г(У), обратную моно-
тонному У(г),для V(rm)=Vm получим
&, . -1 , d In V
+ *(vJ/2], * = 7^. (10)
Для степенных у(г)=гр имеем k = //, так что
функция k(V) обобщает понятие показателя на потен-
циалы, не проходящие через нуль. Величина
Й.3 = 4(1+Д) , где /3 — небольшая поправка, а —
ведущий при п —член лапласовской асимптотики
185
. /,А_________1______ v dk
yl2+k(Vm^ + q(vJ <q~ kdV’ <П>
где Vm(E) определяется из (10). Заметим, что в
(11) входит поправка на неадиабатичность, т.е. зави-
симость показателя от V Приведем явные выраже-
ния для типичного потенциала V с переменным k :
, „ t 4U a(U-a)
U~ =V+ a2 =(r+a] , U + a’q 2U '
3l7m(E)=a + 74a2+3E (12)
Показатель k монотонно растет вместе с V от
k-2 при V«a2 ДО k=4 при V»a2 -Вточке V = 3a2
имеем А = 8/3 и максимальное <? = 1/8. Относитель-
ный вклад в члена с Ч имеет величину kq/[2(k + 2)]
и не превышает 1/28 <4% , спадая до нуля вместе с ?
при V—>0 , V —>о°
Таким образом, пренебрежение ? в точной фор-
муле (11) с малой ошибкой приводит к (9„(Е)= ^„(а) >
где показатель А точного степенного потенциала на-
ходитсякак А= Л1У„1(Л)1,а KiOO определяется из (10),
(12) (при £»а2 имеем Ут=Е/3). Аналогично
^i.s(£)= ^1,з(а) > так что ^13(Е=0)=1/2,
<г*1Я(Е = »»)= ^]3 (а= 4)= 0,46 (поскольку
и поправка 0« 1, то основное значение имеет учет
изменения ф.л ). То же верно для других аналитиче-
ских монотонных потенциалов (с k * 0 , V>0).
Качественная разница спектров потенциалов
определяется величиной Z>(E)=pfl(E)- ^Е)| .
При этом близкими могут оказаться потенциалы с ка-
чественно разными графиками; так для Va=a+Ьтол
и V^oclnr найдем из (7) D-0,015 для обеих пар ф,
что объясняет отмеченную в [9] близость спектров
кваркония с уа&.
В качестве другого важного примера рассмотрим
экранированный кулоновский потенциал, возникаю-
щий при статистическом описании атома
Хо)=1, (13)
с монотонным нарастанием экранирования по ме-
ре роста г . В глубине потенциальной ямы при любой
X значение ф, как видно из структуры интегралов
(5), совпадает с кулоновским ^2(Е)= 3(Е)= 1 • По ме-
ре уменьшения | Е | значения <4,2 , <4,з и <4,2 _ Ф,з бу-
дут медленно монотонно изменяться, теперь уже в за-
висимости от конкретного вида функции %. Диапа-
зон изменений (^определяется значением фаз при
Е=0. Так, для потенциала Тайца ((2) при <т=1/2) и
<4,2 ~ <4.з =2 , так что вариация фаз 8 ф = 1; для потен-
циала е~^fr оказывается и ^2=1,62, <4,2 =1,65 [3],
так что 3ф= 0,6 .
В реальных атомах по мере углубления уровней фа-
за убывает от ф= 1,75 до (^->1 [7] (ранние эмпириче-
ские наблюдения Клечковского в наших обозначени-
ях соответствуют дискретной паре значений ф= 2; 1).
Далее, известно, что при сильном сжатии атома уве-
личивается максимально возможный орбитальный мо-
мент [8]. Этот вывод легко следует в нашем подходе
из того факта, что при сжатии и сам потенциал дол-
жен внутри атома убывать быстрее, что приведет к
уменьшению значения ф. Например, уже для
Voc-r_|(l+r)T2’5 имеем (42=1,75, ф2 = 1,74 , см. также
выше для [3]. Аналогичная картина в многоза-
рядных ионах, где поле приближается к кулоновскому
с уменьшением ф.
Отдельного рассмотрения заслуживают состояния
с Z = 0 : они по существу являются одномерными, с ус-
ловием непроницаемости при г = 0 • Это позволяет
уточнить условие квантования (6) при / = 0 заменой
<4.з <4), где для потенциалов с асимптотикой у « г А
при г—>0 [7]
' Л* 4
Извлечение информации
Развитый выше метод позволяет получать
информацию па трех различных уровнях, причем на
каждом — в прямом и обратном вариантах [7].
1. Порядок следования уровней определяется
непосредственно возрастанием эффективного
квантового числа £ (8), равного правой части
условия квантования (6) по известной ф= фз или, с
большей точностью, паре (<$, ^3(Е)), Обратно, знание
реального порядка следования уровней позволяет
получить границы для <4,з и <4,; однотипность этого
порядка во всех областях спектра означает малую
зависимость фз от энергии.
Аналогична задача о появлении новых уровней при
фиксированной энергии Е=0, но увеличении
мощности потенциала Ь ; она решалась в [2] для (2).
2. Изучение локальных свойств спектра
позволяет найти относительное энергетическое
расстояние близлежащих уровней по фЕ) , без
использования из (5) и, тем самым, явного вида
У(т). Для последовательных уровней 1, 2, 3 с
энергиями £ и квантовыми числами к Л,
нумеруемыми теми же индексами, аппроксимируя
186
зависимость М}(Е) и линейной в интервале
(адД получим
Z)£j2 = Цг + ^(^2)^2
DE 32 = и82 + ^(^г)Лг
D IdM^E,) (15)
/г dE 2 dE
где обозначено Епт -Еп-Ет и аналогично для
V, Л. Почленное деление двух уравнений системы (15)
дает относительную разность интервалов £|2/£13 как
функцию только ф и квантовых чисел.
Обратно, при известных Епт , Л^т , vnm
исключение из системы (15) величины Д позволяет
определить
)= Изг£‘-> ~ И'2Й32 (161
Ла £32 ~ Лг^12
при условии конечности знаменателя (вообще
говоря, для этого достаточно
Применение (16) к последовательным тройкам
уровней позволяет восстановить медленную
функцию ф(Е) (при необходимости — с последующим
сглаживанием).
В двухпараметрическом приближении (й),4з)
необходимо исключить в (16) состояния с Z = 0-
Значение ф, (не зависящее от энергии) получим
аналогично (15):
. _ Q -^32 (А 0+ Иг)~ £12 (Л И12 )
П Е3-Ех ' (17)
Здесь предполагается, что 5-уровнем является
только средний с энергией £2 и номером и2 , к этой
же энергии относится Л= ф.з .
3. Наконец, зная V(r), можно определить
’ Ф > Й.з и найти спектр в целом.
Развитый метод позволяет восстановить весь
спектр, если для данного потенциала известны
решения при 1 = 0 • Условие квантования (6) с L} из
(5) для потенциала V = bv(r) фиксирует зависимость
£ от Ь и и, Л с точностью до функции f ,
определяемой видом v(r):
Здесь р — функция, обратная f .число Т(пг,1) из
(8). Оно же входит в выражение для энергий уровней
(6).
Сравним (18) с видом точных решений, известных
для потенциалов
«) v(r)=-^-, ^(г)=—Ду (19)
ch г е -1
только при 1 = 0 и пт =0,1,2,...:
б) Е - /d-»2)2
0 ’’г0 2«2
(20)
Выражение (20а) получим как нечетные состояния
в одномерном потенциале. Обращает на себя
внимание в (20а) множитель , нарушающий
функциональную зависимость (18), в то время как вид
(206) точно соответствует (18). Следует ожидать
поэтому, что для (206) точные и ВКБ решения
совпадают при 1 = 0, а для (20а) — различаются
заменой радикала на единицу; это действительно
имеет место.
Далее, из (20) следует, что потенциалам (19) при
1=0, т.е. Л= 1/2 действительно нужно приписать фазу
а) ф=ф) = 1/2, а) ф=ф = 1, (21)
отличную ОТ И для них.
Явные формулы типа (20) позволяют
распространить результаты на спектр при всех 1^0
Это весьма важно, так как точные (или
приближенные) результаты при 1 = 0 известны для
значительно большего числа потенциалов, чем при
всех I. Для этого необходимо выполнить замену в
(20):
пт + 4s(£^z+lj-А
Развитый метод подходит, в частности, и для
анализа модели ядерных оболочек. Как известно [ 10],
обычно приводят спектр уровней нейтронов в
самосогласованном потенциале уже с учетом
спинорбитального взаимодействия:
£+(nr,Z)=£+(nr,Z)+c(Z + l), £'(nr,Z)=£~(nr,Z)-cZ, где
E(nr,l) — исходный спектр, с — константа. Первым
шагом является исключение с , т.е. восстановление
исходного спектра Е(пг,1). Из порядка уровней для
82PZ>208 [10] по разным тройкам уровней получим
0,4 < ^<0,5; разброс, плохо коррелированный с Е ,
характеризует точность метода оболочек и объясняет
известную неопределенность модельных
потенциалов: от осциллятора с ^s= 1/2 до
прямоугольной ямы с Ф\$= 0,4 ,
Иерархия материальных структур в
связи с симметрией
На рис. 1 схематически представлена иерархия ма-
териальных структур, возникающих по мере роста
числа составляющих их элементарных частиц. Каж-
187
дому уровню организации соответствует своя симмет-
рия.
Поляризация физического вакуума, обусловленная
изменением спектра нулевых колебаний при наличии
границ или нетривиальной топологии, приводит к по-
явлению ненулевого тензора энергии-импульса. На-
пример, между металлическими пластинами возника-
ет сила притяжения, зависящая от постоянной тон-
кой структуры с коэффициентом, определяемым
геометрией границ. Элементарные частицы характе-
ризуются многими преобразованиями симметрии, в
том числе объединяющими их в подсистемы — муль-
типлеты.
Уровни энергии £ электронов в атомах обычно
получают в приближении центрально-симметрично-
го самосогласованного потенциала; ввиду трехмерной
симметрии вращения, Е = E(nr,l). В исключительном
случае атома водорода, когда потенциал точно куло-
новский, имеем
E(nr,l)=E(nr+l) (1),
т.е. пг и I входят только в виде суммы. Это являет-
ся следствием скрытой симметрии задачи, присущей
только конкретному V(r) (или динамической симмет-
рии, связанной с определенным видом сил ЭУ/Эг ).
Именно, здесь имеет место симметрия вращения в не-
котором условном четырехмерном пространстве [1].
В классической механике вырождению уровней энер-
гии (их совпадению при разных пг и 1 = const-пг со-
ответствует замкнутость орбит при всех энергиях
£<0).
С переходом к многоэлектронным атомам, т.е. к
другим У(т), четырехмерная симметрия понижается
до трехмерной. Возможны, однако, поиски других
(дискретных) преобразований симметрии. Например,
связаны свойства классических траекторий частиц в
степенных потенциалах V -b/jr'' при значениях //, //
таких, что (//+2Ха'+2)=4 (например, осциллятором с
//=2 и кулоновском с //'=-1). Из явных соображений
симметрии следует, что траектории лежат в плоскости,
т.е. г = (х,у). Этой скрытой симметрии в квантовой ме-
ханике отвечает инвариантность уравнения Шредин-
гера при определенной взаимозависимости наборов
параметров [7]. С хорошей точностью углы поворота
классических траекторий Ч* = 2л^ с ф из (7), причем
для эталонных потенциалов кулона и осциллятора (в
которых траектории замкнуты при всех энергиях) это
равенство точно.
Одним из проявлений симметрии в ядре является
наличие выделенных чисел нуклонов, связанных с
оболочечной моделью. Молекулы характеризуются, в
частности, операциями симметрии, совмещающими
молекулу с собой (повороты, отражения и т.д.). Кла-
стеры при умеренных N сферичны, а с ростом N
приобретают часть свойств симметрии твердого те-
ла. Наконец, твердое тело обладает трансляционной
симметрией.
Многоэлектронные системы характеризуются так
же перестановочной симметрией волновой функции.
Для атомов это означает зависимость энергии терма
от полного спина [ 1]. Сверхпроводимость и другие ко-
герентные явления обладают недиагональным даль-
ним порядком — определенными фазовыми соотноше-
ниями между недиагональными элементами матриц
плотности, не имеющими классического аналога.
Наличие любого вида симметрии понижает коли-
чество параметров, характеризующих систему при за-
данной точности и, наоборот, при фиксированном чис-
ле параметров повышает точность описания. Сущест-
венна так же приближенная симметрия, устойчивая
относительно малых поправок. Симметрия проявля-
ется на нескольких уровнях. Само расположение эле-
ментов по периодам и группам в Периодической сис-
теме определяет видимую, „графическую" симметрию.
Внутренняя симметрия проявляется в свойствах реше-
ний уравнения Шредингера и зависимости энергии от
квантовых чисел. В нашем подходе связующим звеном
является значение ф, входящее в квантовое число, т.к.
именно этим определяются, с одной стороны, запол-
нение электронных оболочек, и, тем самым, место эле-
мента в таблице, а с другой стороны, симметрийные
свойства решений (например, вырождение уровней
при ^=2 , неизбежное в старых подходах); в частно-
сти, ф определяет угол поворота классической траек-
тории за один оборот в единицах 2 лг- Фактически мы
имеем дело со сложной и не вполне явной взаимозави-
симостью трех подходов: единообразного описания за-
полнения оболочек каждого атома ПСЭ, анализа всей
ПСЭ как целостного объекта (например, в графиче-
ских формах) и построения рецептов избирательного
извлечения информации из ПСЭ как системы.
Как видно из общей схемы (рис. 1), по числу час-
тиц системы естественно делятся на три группы. Для
находящихся на мезоуровне ядер, атомов, кластеров
движение частиц может рассматриваться как проис-
ходящее в некотором эффективном самосогласован-
ном центрально-симметричном поле, природа которо-
го различна во всех этих случаях. При таком описании
естественно возникает эффективное квантовое число
7 , определяющее систематику заполнения уровней,
с соответствующей эффективной константой ф. Так,
для активно изучаемых в последнее время металличе-
ских кластеров [6], нашим методом [11] определяет-
ся ф^ 0,47. Микро-, мезо- и макроуровням иерархии со-
ответствуют разные виды характерных констант. Для
микроуровня — это фундаментальные физические кон-
станты. Структуры промежуточного мезоуровня обла-
дают своим типом характерных констант, первой из
которых является рассмотренная безразмерная кон-
станта ф. Макроструктуры описываются феноменоло-
гическими константами, известными из статфизики,
термодинамики, гидродинамики, механики и электро-
динамики сплошных сред. В возникшей иерархии ти-
пов физических констант и параметров, соответст-
вующих иерархии материальных структур, каждый
уровень характеризуется как константами данного
уровня, так и предыдущих по сложности уровней.
- .................... 188 "
Заключение
Представленный выше метод позволяет единооб-
разно, просто и достаточно точно находить спектр
неоднородных многочастичных центрально-симмет-
ричных квантовых систем самой различной природы.
Подробный анализ причин универсальности и точно-
сти дан в [7], здесь укажем основные практические
моменты: максимальный учет точных соотношений
и результатов как общего характера, так и для „эта-
лонных" задач; использование только интегральных
характеристик, улучшающих аналитические свойства;
последовательное применение редукции, или сокра-
щенного описания, исключающего излишнюю инфор-
мацию на самом раннем этапе решения задачи. Это
позволяет свести всю существенную информацию о
потенциале и спектре к одному параметру, имеюще-
му ясный физический смысл (или малому числу таких
параметров при дальнейшем уточнении метода [3,7])
и фактически простым образом вычислить этот па-
раметр, независимо от наличия точных решений урав-
нения Шредингера.
Модифицированный метод сокращенного описа-
ния позволяет определять не только систематику, т.е.
относительный порядок появления и расположения
уровней, но и значения энергий этих уровней. В част-
ности, выявляются константы и закономерности по-
строения металлических кластеров.
Во всех центрально-симметричных потенциалах
V(r) энергии состояний частицы зависят от пары
квантовых чисел (nr,Z). Для всех V(r) значение I оп-
ределяет максимальное число электронов на оболоч-
ке в трехмерном пространстве 2(2Z + 1). Отно-
сительный же порядок оболочек (и значения энер-
гий) зависят от конкретного вида У(г). Выше показа-
но, что информация о виде V(r) редуцируется к од-
ному параметру — фазе <?(£). Таким образом, полная
информация об электронной оболочке содержится в
тройке (nr,Z;^) или, что то же, паре (Т,Г). Число т
целесообразно поэтому назвать управляют им (систе-
матикой и строением оболочек), и характеризовать
состояния именно набором (nr,Z;^) или (T,Z). В на-
стоящее время здесь наблюдается разнобой: ядерные
и кластерные состояния описываются набором (nr, Z),
в то время как в физике атома используют пару (n,Z) с
линейной комбинацией п = nr + Z + 1, по историческим
причинам называемым главным квантовым числом.
Между тем число п определяет энергию только в во-
дородоподобных системах (т.к. совпадает с т при
1) и его употребление дезориентирует, например,
при анализе ПСЭ.
Единообразная трактовка всех центрально-сим-
метричных многочастичных систем позволяет сде-
лать принципиально важные выводы и обобщения.
Поскольку все такие объекты обладают упорядочен-
ным множеством одночастичных оболочек, имеет
смысл поиск аналогов ПСЭ для них, что требует раз-
работки общих принципов конструирования перио-
дических систем, свободных от субъективных аргу-
Рис. 1. Иерархия материальных структур, расположенных в порядке возрастания числа составляющих их частиц
189
ментов. В частности, для поиска периодичностей по
разным свойствам должны быть разработаны объек-
тивные алгоритмы.
Развитые методы допускают обобщение на менее
симметричные системы, для описания которых потре-
буется введение двух или нескольких эффективных
квантовых чисел. Таким образом, появится основа для
включения молекул в совокупность периодических сис-
тем — актуальность этой темы уже осознается [12].
Объемы информации, заключенные в системе
('/',/)• оболочек и реальной ПСЭ в значительной мере
перекрываются при оптимальном выборе 1,75 , но
не совпадают полностью. В частности, распределение
элементов по группам (особенно побочным) учиты-
вает сходство некоторой совокупности химических
свойств (даже допуская несовпадение максимальной
валентности и номера группы). Можно сказать, что
при формировании ПСЭ неявным образом миними-
зируется суммарная невязка идеальных и фактических
параметров по ряду свойств с различными весами. Эта
процедура должна быть алгоритмизировала, тогда оп-
тимизация формы ПСЭ будет означать увеличение ве-
са наиболее важного в конкретном целевом примене-
нии свойст ва. Например, спектроскопистам важнее
совпадение с реальным порядком заполнения уров-
ней, химикам конкретных специальностей — совпаде-
ние по интересующему их свойству и т.д. Подход к
периодическим системам, изложенный выше —
возможно, с введением дополнительного параметра,
меняющегося в ходе заполнения каждой оболочки —
дает основу для целевой оптимизации.
Принципиальным является выделение нового
класса объектов—мезосистем, обладающих своим ти-
пом характерных констант и, следовательно, своим
местом в метрологии.
Литература:
1. Веселов М.Г., Лабзовский Л.Н Теория атома: Строе-
ние электронных оболочек. — М.: Наука, 1986.
2. Тарбеев Ю.В., Трунов Н.Н., Лобашев А.А., Кухарь В.В.
// ЖЭТФ. - 1997. - Г 112. - С. 1226.
3 Лобашев А.А., Трунов Н Н // ТМФ. — 1999. — № 1. —
Т 120. - Р 99.
4. Martin A. Comments // Nucl. Part. Phys. — 1986. - V. 16.
-P. 249.
5. Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Т. II:
Деформация ядер. — М : Мир, 1977. - Гл. 6.
6. Нестеренко В О ЭЧАЯ, 1992.-Т. 23.-№ 6.-С. 1665.
7. Лобашев А.А., Трунов Н.Н. ТМФ. — 2000. — Т. 124. —
№ 3. - Р. 463.
8. Измайлов С.В., Шульман Г.А. //ЖЭТФ. -1965 —Т. 35.
-Р. 1889.
9 QuiggC., Rosner J.L. // Phys. Rep. — 1979. — V. 56. —
P. J 67. '
10. Ширков Ю.М., Юдин Н.И. Ядерная физика. - М.:
Наука, 1980. —111.4.
11. Tarbeyev Yu.V., Trunov N.N., Lobashev AA., Kukhar V.V.
Marcus Wallenberg Symposium in memory of S. Kovalevski:
Differential equations & applications, June 18-22, 2000,
Stockholm University, Sweden. Abstracts, P. 16.
12. HeffeilinR . Campbell R.. GimbelD., Kuhlman H.,
CaytonT. //J. Quant Spectrosc. Radiat. Transfer. — 1979. —
V. 21.-P. 315.
Ю.В. Тарбеев, Н.Н. Трунов,
А.А. Лобашев, В.В. Кухарь
190
Макроскопические квантовые эффекты и их
использование для воспроизведения единиц
электрических и магнитных величин и
уточнения фундаментальных физических
констант
Воспроизведение единицы измерения — это сово-
купность метрологических операций, которую дол-
жен обеспечить эталон физической величины. Из
этих операций наиболее существенны следующие: вы-
бор или создание объекта, свойством ини параметром
которого являлась бы воспроизводимая физическая
величина со стабильным размером; нах ождение раз-
мера этой величины в принятых единицах; обеспече-
ние возможности передачи размера единицы другим
средствам измерений. Поскольку воспроизведение
единиц является одной из основных задач метроло-
гии и направлено на обеспечение единства измере-
ний, в каждом пункте стремятся добиться наивысшей
точности, достижимой на этапе создания эталона.
В настоящее время воспроизведение единиц опи-
рается главным образом на стабильные физические
явления и фундаментальные физические константы
[1, 2]. Роль стабильных физических явлений легко
уяснить на примере основных механических еди-
ниц — секунды и метра [3], значение физических кон-
стант ярче всего проявляется при воспроизведении
электрических и магнитных величин
Воспроизведение и поддержание вольта осущест-
вляется на основе нестационарного эффекта Джозеф
сона. Этот макроскопический квантовый эффект про-
является в слабосвязанных сверхпроводниках (пере-
ходах Джозефсона) при туннелировании куперовских
пар [4]. Если переход или цепочку последовательно
соединенных переходов Джозефсона поместить в
электромагнитное поле высокой частоты, то вольтам
перная характеристика такого элемента электриче-
ской цепи при определенных дополнительных усло-
виях обнаруживает участки с нулевым дифференци-
альным сопротивлением, напряжение на которых
определяется выражением
Z7n = пЛ и/(2е). (1)
Здесь в числителе п — целое число; h и — энер-
гия кванта электромагнитного облучения, в знамена-
теле — удвоенный элементарный заряд.
Первая метрологическая операция, необходимая
для воспроизведения вольта, если джозефсоновский
элемент реализован в виде материального объекта и
получена ступенчатая вольт-амперная характеристи-
ка, выполняется при его смещении с помощью внеш-
него источника постоянного тока (напряжения) на
участок вольт-амперной характеристики с нулевым
дифференциальным сопротивлением и заданным зна-
чением п и при стабилизации частоты электромаг-
нитного облучения, Получение напряжения Ur с вы-
сокой степенью стабильности достаточно лишь на
время измерения частоты и время передачи размера
вольта мерам напряжения, осуществляющим его хра-
нение.
Вторая метрологическая операция, необходимая
для воспроизведения единицы, осуществляется отно-
сительно просто путем точного измерения частоты
электромагнитного облучения, если известно значе-
ние фундаментальной физической константы — кван-
та магнитного потока Фо = Л/(2е). Это значение полу-
чают в результате согласования фундаментальных фи-
зических констант, так как эффект Джозефсона дает
нам возможность осуществить лишь абсолютное пре-
образование частоты в напряжение.
Значение постоянной Джозефсона
-Ку-до “1/фо-9О =483597,9 ГГц/V90 (точно), где V90
уже не является единицей СИ, было рекомендовано
для практического использования с 01.01.1990 г. [5].
Относительная погрешность (среднее квадратиче-
ское отклонение) постоянной Джозефсона имеет
оценку -1 = 4-10~7 , которая и определяет
погрешность воспроизведения вольта.
Погрешность передачи размера вольта другим
средствам измерения, определяющая погрешность
поддержания вольта, в настоящее время существен
но меньше, так как на цепочках последовательно со-
единенных переходов Джозефсона получают напря
жения порядка нескольких вольт [6].
Таким образом, напряжения, измеряемые любым
аттестованным в соответствии с поверочной схемой
средством измерения, можно выразить в виде
U = Bh , (2)
где в ~ безразмерный коэффициент с погрешно-
стью, включающей все погрешности передачи разме-
ра единицы от напряжения Un до этого средства из-
мерения.
Аналогичная ситуация наблюдается в настоящее
время при воспроизведении ома на основе квантово-
го эффекта Холла. В устройстве, реализующем этот
макроскопический квантовый эффект, в условиях
191
очень низкой температуры и очень сильного магнит-
ного поля движение электронов ограничено чрезвы-
чайно тонким промежуточным слоем между полупро-
водниковыми материалами [7]. Квантовое сопротив-
ление Холла на i -том плато его нелинейной
зависимости от магнитного поля можно выразить в ви-
де Кн(г)= RjJi, где i — номер плато (целое число), а
Вк=йД2 = Лс/(2«) (3)
постоянная Клитцинга. Здесь Д, — магнитная по-
стоянная; с — скорость света в вакууме; а — постоян-
ная тонкой структуры. Аналогично (2) сопротивление
любого резистора, сличенного с квантовым сопротив-
лением Холла, можно представить в виде
R^khfe1 , (4)
где k — безразмерный коэфициент.
Рекомендованное значение _RK.до = 25812,807
(точно), а относительная погрешность воспроизведе-
ния ома J оценена как 2-Ю’7 [5]. Погрешность
же поддержания ома, то есть погрешность передачи
размера единицы вторичным средствам измерения так
же, как и в случае с вольтом, существенно меньше и
составляет в настоящее время несколько единиц на 10'
9 [7].
Коль скоро две электрические единицы (ни одна
из них не является основной) воспроизведены неза-
висимо друг от друга, все другие единицы, необходи-
мые для различных электрических и магнитных из-
мерений, могут быть воспроизведены на основе этих
двух и законов электромагнетизма [8], Так, например,
постоянный электрический ток мог бы быть воспро-
изведен путем автоматического регулирования источ-
ника этого тока таким образом, чтобы напряжение на
холловской структуре было равно напряжению п -ой
ступени джозефсоновской цепочки, а ток холловской
структуры находился бы в точно заданном отношении
с воспроизводимым током [9-11 ]. Будучи вполне реа-
лизуемой уже сейчас такая схема воспроизведения ам-
пера остается покалишь в проектах, по-видимому, по-
тому что из-за отсутствия вторичных мер постоянно-
го электрического тока невозможно осуществить
третью, необходимую для воспроизведения единицы,
метрологическую процедуру.
Гораздо большее внимание уделяется во многих
метрологических центрах исследованиям синхрони-
зованного (радиочастотой f ) туннелирования оди-
ночных электронов, направленным на независимое
воспроизведение ампера, поскольку исследуемые
структуры являются практически идеальными источ-
никами тока I = ef [12]. Значения токов / составля-
ют в настоящее время единицы пикоампер, поэтому
провести третью операцию воспроизведения едини-
цы с точностью, которая имела хотя бы какое-то мет-
рологическое значение, не представляется в настоя-
щее время возможным. Однако простая аналогия с
метрологической историей эффектов Джозефсона и
квантового Холла позволяет надеется на будущий ус-
пех этого подхода.
Использование квантовых эффектов в сверхпро-
водниках могло бы повысить точность воспроизведе-
ния единицы магнитного потока (вебера), так как в
замкнутой сверхпроводящей цепи магнитный поток
равен целому числу квантов магнитного потока и не
изменяется со временем. Сверхпроводящая катушка
индуктивности, заключенная в сверхпроводящий
электромагнитный экран для устранения связи с
внешними источниками магнитных полей и индуктив-
но связанная с контуром сверхпроводящего кванто-
вого интерферометра (СКВИДа) [13], дает принци-
пиальную возможность для воспроизведения едини-
цы этой физической величины [ 14]. Выходной сигнал
СКВИДа имеет периодическую зависимость от маг-
нитного потока, сцепленного с его контуром, с перио-
дом Фо , поэтому изменения магнитного потока дф ,
сцепленного с контуром рассматриваемой катушки
индуктивности, можно представать так:
ДФ = ДАФО£/М, (5)
где ДА — число периодов выходной характеристи-
ка СКВИДа при изменении потока на дф ; £ — соб-
ственная индуктивность катушки; м — взаимная ин-
дуктивность катушки и контура СКВИДа. При изме-
нения магнитного потока на выводах катушки
индуцируется электрическое напряжение. Опреде-
ленный интеграл от этого напряжения по времени од-
нозначно определяет значение изменения магнитно-
го потока. Таким образом, можно задавать значения
изменения магнитного потока, сцепленного с катуш-
кой, если на некоторое заданное время подключать к
ее выводам меру электрического напряжения.
Идеальным устройством для этой цели является пе-
реход Джозефсона, если использовать токовые ступе-
ни его вольт-амперной характеристики. Нулевое диф-
ференциальное сопротивление позволяет электриче-
скому току, текущему через переход, изменяться в
некоторых пределах, в то время как падение напряже-
ния на переходе остается либо равным нулю, либо рав-
ным точно известной величине. Другими словами, ес-
ли такой элемент закорачивает какой-либо сверхпро-
водящий контур, существует условие (естественно,
внутри этих пределов) для незатухающих токов, если
падение напряжения на переходе равно нулю, а если
соответствующий токовый импульс смещает (в момент
времени ) переход на некоторую токовую ступень
(например первую), ток в контуре в любой последую-
щий момент времени t2 поддерживается (автоматиче-
ски) таким, чтобы поток, сцепленный с этим контуром,
был равен интегралу по времени от напряжения ис-
пользованной токовой ступени от t} до t2 .
С течением времени от до магнитный поток
в контуре нарастает, и электрический ток в катушке
индуктивности также нарастает. Для того чтобы ос-
таваться в пределах токовой ступени в контур должен
быть инжектирован соответствующим образом усили-
вающийся ток от внешнего источника.
Если в момент времени t2 сместить переход обрат-
но на нулевую ступень, то после этого магнитный по-
ток и ток в контуре остается на постоянном уровне. С
этого момента начинается период времени, подходя-
щий для измерения этого тока с помощью СКВИДа.
192
Приращение магнитного потока в контуре за вре-
мя действия импульса
«2 <2
ДФ = JUndt = Л/(2е)- / \dt = А/(2₽) (®2 - ®1), (6)
'1 '1
где О — фаза колебаний СВЧ-поля. Таким образом,
для того чтобы измерить число квантов магнитного
потока дф , на которое изменился магнитный поток
в контуре, нужно только измерить разность фаз
Д©12 = 02 - в,. Это можно сделать с помощью цифро-
вого счетчика с абсолютной погрешностью +я.
Постоянная нашего устройства Lq/M , которая
связывает изменения магнитного потока дф с пока-
заниями отсчетного устройства СКВИДа AN , опре-
деляется подстановкой (4) в (3).
(7)
Величина ДД^д в знаменателе (7) имеет индекс,
поскольку относится к изменению магнитного пото-
ка дф за промежуток времени ДZ = Z2 — Zj .
Можно проверить, насколько „постоянная" уст-
ройства действительно постоянна, повторяя описан-
ную процедуру много раз с изменением Дг = t2 - Zj Тем
самым устройство будет проградуировано по магнит-
ному потоку в рабочем диапазоне, определена ста-
бильность устройства при термоциклировании, а так-
же линейность его градуировочной характеристики.
Любопытная особенность рассмотренной методи-
ки заключается в том, что частота СВЧ генератора не
нуждается в этом случае в стабилизации, в отличие от
обычно применяемых джозефсоновских мер напря-
жения.
Какого рода переходы Джозефсона могут быть ис-
пользованы для градуировки? По-видимому, любые из
тех, что обычно применяются в мерах напряжения.
Однако, безусловно, лучше разработать для этой це-
ли специальное устройство, своего рода „джозефсо-
новский ключ". Было бы полезно соединить также не-
сколько одиночных переходов Джозефсона в парал-
лель по постоянному току. Такое соединение не только
увеличивает высоту токовых ступеней и стабилизиру-
ет суммарную вольт-амперную характеристику, но так-
же может помочь уменьшить паразитную индуктив-
ность такого соединения.
После того, как рассматриваемое устройство про-
градуировано по магнитному потоку с помощью неста-
ционарного эффекта Джозефсона, магнитный поток,
сцепленный с его индуктивным контуром можно от-
считывать по показаниям N его выходного устройст-
ва. Подставляя (7) в (5) получим
дг Д0]2
кА90’дМ,2-
Так как рассматриваемое устройство заключено в
сверхпроводящий магнитный экран, магнитный по-
ток возникает в его контуре только при пропускании
через него электрического тока. Если показания от-
счетного устройства СКВИДа W сопоставить также
с входным электрическим током / , проградуировав
тем самым рассматриваемое устройство по току, мет-
рологическая ценность его повысится. Так как
I - N<t>0/ М , задачей градуировки является опреде-
ление м . Пропустив входной ток через меру сопро-
тивления R и измерив возникающее при этом паде-
ние напряжения, с учетом (2) получим М = NBR/B г.
Индекс в NB показывает, что при градуировке по то-
ку показания N сопоставляются с в . Значение R
следует сопоставить с квантовым сопротивлением
Холла. Тогда, согласно (3) и (4), получим
. Д it ' kRi^_qn
М =—-----
В у ‘ ’
И, наконец, сопоставление (7) и (9) позволяет оп-
ределить собственную индуктивность устройства £ :
г _ Дд kRK_g0 Д®1,2
Ви дд12 • <10>
Выражение (10) для индуктивности свободно от
частотной погрешности, так как все величавы, вхо-
дящие в него, измеряются на постоянном токе, и в
этом смысле имеет преимущества по сравнению с тра-
диционным методом измерения индуктивности.
После градуировки по току рассматриваемое уст-
ройство работает как прецизионный амперметр, в ко-
тором значения тока отсчитываются по показаниям
выходного устройства СКВИДа N согласно
z_ v By
^J-90^90
Итак, в рассматриваемом устройстве можно осу-
ществить вторую метрологическую операцию воспро-
изведения для вебера и генри и, по-видимому, на бо-
лее высоком уровне точности, чем обеспечивается
действующими эталонами. Не рассматривая здесь
проблем передачи размеров этих единиц мерам экс-
плуатируемым при лабораторной температуре, отме-
тим, что, если речь идет о сверхпроводящих изме-
рительных системах, то эти проблемы могут быть ре-
шены путем использования принципа
сверхпроводящего индуктивного моста постоянного
тока [15]. Что же касается прецизионного ампермет-
ра постоянного тока, то он мог бы сыграть роль вто-
ричного средства измерения для первичного кванто-
вого эталона электрического тока [9-11].
Все приведенные выше примеры показывают, что
точность воспроизведения единиц электромагнетиз-
ма определяется точностью нашего знания значений
фундаментальных физических констант. Задачи уточ-
нения значений фундаментальных физических кон-
стант являются поэтому не только одним из главных
направлений современной и будущей метрологии, но
и важнейшими физическими задачами [16]. Кроме то-
го, практика показывает, что передовые технологии и
точнейшие измерения образуют тандем, в котором
прогресс одних определяет в конечном итоге прогресс
других.
Видное место среди работ, имеющих целью уточ-
нение фундаментальных физических констант, зани-
... 193
мают работы по экспериментальному компарирова-
нию электрической и механической энергии и имею-
щие непосредственное отношение к воспроизведе-
нию единиц электромагнетизма. Кроме того, эти экс-
перименты рассматриваются в настоящее время в
качестве наиболее вероятной базы для будущего пе-
реопределения килограмма, в настоящее время един-
ственной основной единицы СИ, представленной па-
раметром материального тела, то есть такой едини-
цы, для которой первая и вторая метрологические
операции воспроизведения сливаются воедино.
В своей работе 1991 г [17] Б.Н. Тейлор отметил
следующие пять основных недостатков действующе-
го определения килограмма:
1) возможность повреждения и даже утраты про-
тотипа;
2) недостаточно хорошее определение — прототип
аккумулирует посторонние вещества, и его трудно вос-
производимо очистить;
3) протол ип стареет неизвестным образом — воз-
можно на 50 мкг (5-10‘ь) за последние сто лет;
4) прототип нельзя часто использовать из-за бояз-
ни износа;
5) прототип доступен только в одной лаборатории.
Тейлор пишет далее: „...новое определение кило-
грамма, основанное на природной постоянной, такой
как масса стабильной элементарной частицы или ато-
ма, которое можно реализовать на практике с относи-
тельной погрешностью порядка 1-104 на уровне 1 кг, —
это все требуется для замены действующего определе-
ния, так как погрешности, связанные с (1) очисткой и
старением международного прототипа, (2) введением
поправки на выталкивающую силу воздуха, когда срав-
ниваются массы с различной плотностью, и (3) изме-
рением масс, кратных и дольных килограмму, ограни-
чивают на практике относительную погрешность из-
мерения масс в лучшем случае до нескольких единиц
на 10я Более того, в настоящее время практические
нужды науки и технологии редко требуют относитель-
ной погрешности, меньшей, чем 1-10'7.“
Эти два уровня относительной погрешности 1-Ю7
и 1-10’8и определяют тот узкий интервал, в котором
имеет смысл рассматривать любые проекты, претен
дующие на контроль абсолютной стабильности кило-
грамма. Уровень суммарной относительной погрешно-
сти 1 1 (У8 означает, что составляющие систематической
погрешности, во всяком случае, не должны превышать
этот уровень, а эго в настоящее время близко к преде-
лу почти для всех видов измерений.
С другой стороны, оставаясь на уровне 1-10'7, мы
рискуем за время, отпущенное нам для жизни, вообще
не обнаружить изменений массы прототипа.
Электрические же единицы в СИ определяются та-
ким образом, чтобы энергия, сила и мощность, гене-
рируемые в электрических системах, измерялись в тех
же единицах, что и в чисто механических системах.
Поэтому, если существует электромеханическая систе-
ма, в которой электрические токи производят только
механическую работу, и эта работа точно измерена в
механических единицах СИ, то и та доля электриче-
ской энергии, которая ответственна за генерацию этой
работы, будет выражена в единицах СИ. Если разме-
ры единиц тех электрических величин, которые ис-
пользованы для косвенного измерения электрической
энергии, поддерживаются на основе эффекта Джозеф-
сона и квантового эффекта Холла, такая электромеха-
ническая система становится пригодной для измере-
ния постоянной Планка h и элементарного заряда е
в единицах СИ. Значения же h , полученного с суммар-
ной относительной погрешностью, лежащей в указан-
ном выше интервале, вполне достаточно и для пере-
определения килограмма. Действительно, выражая h
через другие физические константы, имеем:
h = mt с • ^/(2*J , где тг — масса электрона, а —
постоянная Ридберга. Так как множитель при массе
электрона известен в настоящее время уже с очень хо-
рошей точностью, измерение h в единицах СИ рав-
носильно измерению массы электрона в единицах СИ.
К настоящему времени наибольшие успехи в уточ-
нении h и е достигнуты методом „подвижной катуш-
ки" [18].
Эксперимент, впервые предложенный Кибблом
[19], включает в себя две отдельных измерительных
процедуры. В первой из них мера электрического на-
пряжения U используется в системе автоматическо-
го регулирования скорости v индуктивной катушки,
движущейся вертикально в магнитном поле. Скорость
v регулируется так, чгобы э.д.с. индукции на выво-
дах катушки бы ла равна (7 Во второй измерительной
процедуре электрический ток /, проходящий через
ту же катушку, которая теперь удерживается в стацио-
нарном положении в том же магнитном поле, исполь-
зуется для уравновешивания на весах силы Fz=mg, где
т — масса эталонной гири, a g — локальное ускоре-
ние силы тяжести. Простое соотношение
mg /I = - <Я>/«5г = V/vz , где — вертикаль-
ный градиент магнитного потока, сцепленного с ка-
тушкой, связывает две измерительные процедуры. Его
можно переписать в виде
UI = mgo z , (12)
которое устанавливает соотношение между элек-
трической и механической мощностью.
Именно использование двух отдельных измери-
тельных процедур позволяет постигнуть высокой точ-
ности соотношения (12). В режиме измерения скоро-
сти по катушке не протекает ток и поэтому не рассеи-
вается электрическая мощность, а в режиме
уравновешивания не рассеивается механическая мощ-
ность, связанная с трением, поскольку движения ка
тушки и весов сведены в этом случае к минимуму. Та-
ким образом, эксперимент с „подвижной катушкой"
имеет дело с виртуальной мощностью.
Результат ы измерения fe и Фл , полученные этим
методом и опубликованные в [18], имеют относитель-
ные стандартные отклонения соответственно 8,7-10JI,
4,4-10-8и4,4-10'8.
Точное соотношение между электрической и ме-
ханической энергией может также быть установлено
с помощью электромеханической системы сверхпро-
водниковой магнитной левитации [20, 21].
Левитация, понятие из области оккультизма, оз-
начает подъем и плавание в пространстве вопреки
7 Зак. 450
194
гравитации. Словосочетание „магнитная левитация"
выводит нас из оккультной области, предполагая впол-
не физически осуществимое парение под действием
сил магнитного поля. И, наконец, упоминание явления
сверхпроводимости вполне конкретизирует рассмат-
риваемую проблему.
Сверхпроводящая магнитная левитация реализу-
ет давно известный принцип диамагнитного подвеса,
так как сверхпроводник в мейсснеровской фазе име-
ет эквивалентную магнитную проницаемость, равную
нулю, то есть ведет себя как идеальный диамагнетик.
Диамагнетик же в неоднородном магнитном поле ис-
пытывает силу, направленную в область более слабо-
го поля, что делает возможным получение устойчи-
вого подвеса сверхпроводникового сердечника в не-
однородном магнитном поле катушки, по которой
протекает электрический ток. Экспериментальные
системы обычно делаются осесимметричными с
осью, направленной вертикально.
Каждый элемент поверхности сверхпроводника в
магнитном поле испытывает давление, направленное
внутрь сверхпроводника и равное , где р —
значение магнитной индукции вблизи этого элемента,
а Д, — магнитная постоянная.
Равнодейст вующая сил магнитного давления р на-
правлена вверх вдоль оси системы, и если электриче-
ский ток в катушке превышает некоторую пороговую
величину, р становится больше веса тела сердечни-
ка. В результате тело (именуемое в дальнейшем леви-
тирующим телом) переходит в режим левитации, в ко-
тором оно теряет механические контакты с катушкой
и окружающими телами и занимает положение, в ко-
тором магнитные силы уравновешивают его вес.
Непосредственно из устойчивости системы следу-
ет, что она является механическим осциллятором. Мож-
но показать, что при малых отклонениях от положения
равновесия возвращающая сила пропорциональна мас-
се тела, и поэтому ближайшей физической аналогией
системы является математический маятник с периодом
малых собственных колебаний, зависящим только от g
и его длины. Эффективная длина определяется геомет-
рией системы, является, как и индуктивность, функци-
ей вертикального положения левитирующего тела и мо-
жет быть выражена через отношения индукт ивности и
ее производных. Так, для режима левитации с посто-
янным током от внешнего источника, который мы
рассматривали вначале, эффективная длина
l-L'fL"--(dLldzj/^Lldi} и ее значения также Могут
быть получены из точных измерений функциональной
зависимости индуктивности от положения левитирую-
щего тела в окрестности точки левитации, причем в
этом случае достаточно измерить только относитель-
ные значения индуктивности. Знание эффективной
длины хотя бы в одной точке интервала перемещений
левитирующего тела позволяет связать частоту собст-
венных колебаний левитирующего тела в вертикальном
направлении в этой точке с абсолютным значением g ,
что, во-первых, дает возможность исключить g из вы-
ражения mg и в дальнейшем иметь дело непосредст-
венно с массой левитирующего тела, а во-вторых, по-
видимому, имеет и самостоятельное значение, так как
открывает альтернативный путь измерения g.
Особенности предложенного метода абсолютно-
го измерения g и оценки возможности его реализа-
ции на уровне точности, уже достигнутом в баллисти-
ческом методе, подробно рассматриваются в [22].
Другая интересная особенность рассматриваемой
системы сверхпроводниковой магнитной левитации,
связанная с собственными вертикальными колебания-
ми левитирующего тела, является следствием того,
что в двух рассмотренных режимах левитации эффек-
тивная длина различна. Можно показать, что в режи-
ме с постоянным магнитным потоком,
I - (L*IL' - 2L'/L)~'. Это открывает новые измеритель-
ные возможности, например, позволяет написать сле-
дующее уравнение измерения:
mg1 = [(Д74) («4- 4) Ц., (13)
где и)? — угловая частота малых собственных вер-
тикальных колебаний тела в режиме левитации с по-
стоянным магнитным потоком, а щ — то же в режи-
ме с постоянным током [23].
Поскольку любое изменение тока в катушке вызы-
вает перемещение левитирующего тела по вертика-
ли, то есть производит механическую работу, а сме-
щение левитирующего тела генерирует э д с. в цепи
катушки, система может рассматриваться как своего
рода мотор-генератор. Первоначальная идея исполь-
зования электромагнитной левитации сверхпровод-
никового тела для воспроизведения ампера [24] бы-
ла основана на предположении, что можно выпол-
нить точное измерение этой работы в механических
единицах, используя для измерения вертикального пе-
ремещения лазерный интерферометр, и сопоставить
ее с изменением электрической энергии системы. В
отсутствии трения закон сохранения энергии требу-
ет, чтобы
I d^-flE^t-dA+dW, (14)
где / — электрический ток, текущий в катушке;
LI — магнитный поток: р — эффективная инлук
тивность системы катушка-тело, измеренная на выво-
дах катушки; Emd — электродвижущая сила индукции,
измеренная на тех же выводах; д — работа, совершае-
мая силой р и - энергия магнитного поля. Запи-
сывая (14) в интегральной форме, получим
\l(a)d^ mg- j f(z~)dz + (gilh - )/2 (15)
я ч
где zt и zA — начальная и конечная точки диапазо-
на вертикальных перемещений центра тяжести леви-
тирующего тела; <f\ , % , 7] , Ih — магнитные потоки и
электрические токи для тех же точек; т — масса леви-
тирующего тела; g — ускорение свободного падения,
/(z)=P(z)/mg — безразмерная функция и, наконец, dz
— бесконечно малое вертикальное перемещение цен-
тра тяжести левитирующего тела.
Преимущество использования уравнения (15) для
сравнения „механической" и „электрической" энергии
состоит в том, что здесь отсутствует зависимость из-
195
меряемых величин от времени. Уравнение (15) содер-
жит определенные интегралы от параметров системы,
которые могут быть найдены путем численного интег-
рирования данных совместных измерений этих пара-
метров в нескольких статических положениях левити-
рующего тела на интервале его перемещений.
Наилучшие условия для точных измерений меха-
нической энергии имеют место, когда /(z)=l, что со-
ответствует перемещению без ускорения, поэтому
процесс перемещения оказывается квазистатиче-
ским, если тело имеет нулевую скорость в точке z1
[21 ]. В этом случае магнитная сила просто увеличива-
ет потенциальную энергию тела в гравитационном по-
ле и А А - mg(zb - г,). Уравнение измерения для моде-
ли квазистатического перемещения может быть запи-
сано в виде:
Л
«gU -z;)=
<Л (16)
Другая ситуация, удобная для компарирования, —
это движение левитирующего тела с постоянным то-
ком 1п в поддерживающей катушке. В этом случае
A = W и
/(г)= P(z)/mg = dW/dz = |/,[/^.т^ty.Ljdz (17)
не явл яе гея постоя иной с требуемой точность» > на
интервале перемещения даже для очень хорошо спро-
ектированной электромеханической системы. Одна-
ко, если заметить, что в положении равновесия, ко-
гда ток Ib = Ib(z) протекает в поддерживающей катуш-
ке,
2mg=ll{z^dL/dz, (18)
тогда
/(Ю=(ЛДо>2 = «'20:5 (19)
где z(z) — безразмерный ток, т.е. отношение тока
равновесия к 70 .
Уравнение измерения для модели движения с по-
стоянным гоком /0 в поддерживающей катушке мо-
жет быть представлено в виде:
Jo (L„ - L, )/2 = mg ji~2 (z)dz (20)
ч
В левой части (20) представлено приращение
энергии магнитного поля A W, выраженное через раз-
ность эффективных индуктивностей электромехани-
ческой системы в верхней и нижней точках интерва-
ла перемещений. Скобки в правой части (16) содер-
жат ту же величину.
Для точного измерения параметров электромеха-
нической системы может быть использовано описан-
ное выше устройство и схема сверхпроводящего ин-
дуктивного моста постоянного тока [15]. При этом
можно измерить эффективные индуктивности элек-
тромеханической системы в верхней и нижней точ-
ках интервала перемещений компарируя их с индук-
тивностью устройства (10). Если представить резуль-
таты этих измерений в виде Lh = chL , a L\ = crL и
переписать (20) в виде
гл
p;2(z>z , (21)
ч
то, учитывая (10) и (11), получим
\ fl I / 1,4 Z£
SmgN Kk\Nj 2
И(СЛ ~ cl У& 1,2
jlV6~2(z)/z
4
, (23)
e = 4
Таким образом, компарировапие энергии маг-
нитного поля и механической работы в электро-
механической системе с левитацией сверхпровод-
никового тела позволяет уточнить значение фи
зических констант Фо, /г и е.
Внимательное сравнение методов „подвижной
катушки" и сверхпроводниковой магнитной леви-
тации, совершенно различных на первый взгляд,
показывает, что они имеют очень мало принципи-
альных различий [25]. Технические же различия
так же, как уровень развития экспериментальных
установок и достигнутые результаты, обусловле-
ны, по-видимому, в основном различием в исход-
ных позициях, с которых начиналась разработка
этих методов много лет назад. Следует отметить в
заключение, что криогенные условия, с которы-
ми приходится иметь дело методу сверхпроводни-
ковой магнитной левитации, несмотря на очевид
ные неудобства предоставляют экспериментатору
уникальные возможности (например. [22]). толь-
ко некоторые из которых были описаны выше.
Литература
1. Тарбеев Ю.В., Краснов К А.. Герасимов Н.П.,
Тунинский В.С. Фундаментальные физические констан-
ты и воспроизведение единиц физических величин //
Измерительная техника. — 1984. — № 7. — С. 10-15.
2. Tarbeyev Yu.V. The Work Done at the Mendeleyev
Research Institute of Metrology (VNITM) to Improve the
Values of the Fundamental Constants. Precision
Measurement and Fundamental Constants П, B.N. Taylor
and W.D. Phillips, Eds., N.B.S. Spec. Publ. 617. 1984.
3. Audoin C. Caesium Beam Frequency Standards:
Classical and Optically Pumped // Metrologia, 1992. — 29.
-P. 113-134.
4. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. —
М.: Мир, 1984. - 640 с.
5. Taylor B.N. and Witt TJ. New International Electrical
Reference Standards Based on the Josephson and Quantum
Hall Effects // Metrologia. — 1989. — 26. — P. 47-62.
6. Popel R. Thejosephson Effect and Voltage Standards
// Metrologia. — 1992. — 29. — P. 153-174.
7. Hartland A. The Quantum Hall Effect and Resistance
Standards. — Metrologia. — 1992. — 29. — P. 175-190.
8. Горбацевич C.B. Определение и воспроизведение
единиц физических величин // Метрология. — 1972. —
№12.-С. 2-26.
196
9. Hartland A., Development of a Cryogenic Current
Comparator for the Measurement of Small Currents, Sixth
BEMC, P. 18/1-18/4, Teddington, 1993.
10. E. Arri, D. Andreone, G. Boella, F. Cabiati, G. Marullo
Reedtz, Feasibility Study on an Indirect Quantum Standard of
the Ampere, CPEM Conference Digest, 1994, P. 202-203.
11. M. Glaser, J. Rutkowsky. Possible Monitoring and
Realizing the Kilogram, Assisted by Electrical Quantum
Standards, CPEM Conference Digest, 1994, P. 119-120
12. LJ. Geerligs, V.F Anderegg, P.A.M. Holweg, J.E. Mooij
H. Pothier, D. Esteve, C. Urbina, M.H. Devoret. Frequency-
Locked Turnstile Device for Single Electrons // Phys. Rev. Lett.
- 1990. - 64. - P. 2691-2694.
13. Слабая сверхпроводимость, под ред. Б.Б. Шварца и
С. Фонера. — М.: Мир, 1980. — 256 с.
14 Е Т Frantsuz, VM. Khavinson, G. Geneves, F. Piquemal,
F. Shiora, Y. Miki, On the Program of Accurate Electrical
Measurements with Superconducting System of Magnetic
Levitation Intended to Reline the values of the Planck Constant
and Elementary Charge, Document CCE/95 — 12, submitted to
the 21th meeting of tne CCE, 1995.
15. R. Meservey, P.M. Tedrow, D. Paraskevopoulos
Applications of a Zero-frequency Superconducting Inductance
Biidge // IEEE Trans, on Magnet, MAC 11. - № 2. - 1975. -
P. 720-723
16. B.W. Petley. The Role of the Fundamental Constants of
Physics in Metrology // Metrologia. — 1992. — 29. — P. 95-112.
17, B.N. Taylor. The Possible Role of the Fundamental
Constants in Replacing the Kilogram // IEEE Trans. Instrum.
Meas. - 1991. - Vol. 40. - P. 86-91.
18. E.R. Williams, R.L. Steiner, D.B. Newell, P.T. Olsen.
Accurate Measurement of the Planck Constant // Phys. Rev.
Lett. - 1998. - 81. - P. 2404-2407.
19. B.P. Kibble A Measurement of the Gyromagnetic Ratio
of the Proton by the Strong Field Method, Atomic Masses and
Fundamental Constants, edited by J.H. Sanders and
A.H. Wapstra (Plenum, New York, 1976), Vol. 5, P. 545-551.
20. Француз Э.Т., Горчаков Ю.Д., Хавинсон B.M. Сверх-
проводниковая электроме ханическая система ВНИИМ для
измерения кванта магнитного потока, постоянной Планка
и элементарного заряда // Измерительная техника. — 1990.
— № 1.-С. 17-19.
21. F. Shiota, К. Hara, A Study of a Superconducting
Magnetic Levitation System for an Absolute Determination of
the Magnetic Flux Quamum, IEEE Trans. Instrum. & Meas.,
1987,1M-36, 271-274.
22. V.M. Khavinson, E.T. Frantsuz. Measuring the
gravitational acceleration using a superconducting magnetic
levitation system // Metrologia. — 1997. — 34. — P. 143-152.
23. Yu.V Tarbeyev and E T. Frantsuz. Measuring Procedure
to Realize the Ampere by the Superconducting Mass Levitation
Method // Metrologia. — 1992. — 29. — P. 313-314.
24. D.B. Sullivan and N V. Frederick. Can Superconductivity
Contribute to the Determination of the Absolute Ampere? / /
IEEE Trans, on Magnet., MAG-13. — 1977. — P. 396-399.
25. E.T. Frantsuz, VM Khavinson. CPEM’96 Digest, 1996.
Э.Т. Француз
====^======—197
Туннельный эффект Джозефсона и квантовые
преобразователи на его основе
Прогресс приборост роения, радиотехники и мик-
роэлектроники обусловил необходимость повышения
точности измерений электрического напряжения и
соответствующего совершенствования националь-
ных эталонов.
Теоретически, используя эффект Джозефсона., мож-
но достичь абсолютной точности воспроизведения
единицы напряжения науровне -1016 [6]. Однако при-
ближение к этому пределу уже сегодня требует прин-
ципиальных изменений аппаратуры национального
эталона вольта и методики передачи размера едини-
цы напряжения.
Со времени открытия эффекта Джозефсонаа 1962 г.
(Нобелевская премия 1973 г.) накоплено большое ко-
личество эксперимент ального материала как по само-
му эффекту, так и по типам структур (конструкций
приборов), в которых этот эффект реализуется.
Эффект является спецификой сверхпроводимости
как макроскопического квантового явления, достаточно
корректно описываемого феноменологической тео-
рией Гинзбурга и Ландау [1].
Суть теории сводится к введению единой волновой
функции $/, определяющей макроскопическое число
электронов массой т* = 2т (пт — масса электрона), на-
ходящихся в одном связанном квантовом состоянии
цс=^2-е^, (1)
где <р — общая для всех электронов фаза; р — плот-
ность электронов; ] - плотность сверхпроводящего
тока.
Если два сверхпроводника изолированных друг от
друга сблизить так, чтобы волновые функции их элек-
тронов стали „перекрываться*', то между этими сверх-
проводниками возможны переходы основных носи-
телей. Таким образом, можно реализовать туннельную
структуру, в которой будет реализоваться эффект Джо-
зефсона.
Наиболее показательными являются структуры ти-
па SIS (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) и
SNS (сверхпроводпик-нормальный металл-сверхпро-
водник), в последней композиции под термином „нор-
мальный металл" понимается металл, который при
данной температуре не является сверхпроводником
(рис. 1)
Область нормальной (несверхпроводящей) фазы
(I, N, рис. 1) может' быть сформирована различным об-
разом с использованием различных материалов и да-
же композиций различных материалов, что увеличи-
вает разнообразие известных типов джозефсоновских
структур [2].
В самом общем случае эффект Джозефсона состоит
в протекании через структуру типа 1, 2 (рис. 1) тока
при напряжении между сверхпроводниками равным
нулю. При превышении тока некоторой величины 1С
в цепи возникает скачок напряжения и структуры пе-
реходят в „нормальное" состояние. Общий вид вольт-
амперной характеристики таких струюур представ-
лен на рис. 2.
Туннельный эффект можно рассматривать как
следствие наличия особенности в плотности состоя-
Рис. 1. Основные типы туннельных структур, используемых в джозефсоновских приборах
- — 198 --------
ний или, что одно и то же, как следствие наличия энер-
гетической щели (Д, рис. 2) в спектре электронных воз-
буждений сверхпроводника. Таким образом, напряже-
ние перегиба на вольт-амперной характеристике (2Д,
рис. 2) классического туннельного перехода (1, рис. 1)
будет полностью определяться величинами энергети-
ческих щелей сверхпроводников, разделенных обла-
стью нормальной фазы (слабой связи).
Для такого типа туннельного перехода, полный
ток через переход будет равен:
/=2<+/, + С— (2)
где Iд= jdsin <р — составляющая тока, соответст-
вующая джозефсоновскому туннелированию; j} —
плотность тока через переход; ср — разност ь фаз элек-
В данной ситуации реализуется прямой нестацио-
нарный эффект Джозефсона, в котором отношение час-
тоты тока через переход и приложенного напряже-
ния постоянно и равно:
и/Г = 483,59767(14) МГц/мкВ. (5)
Указанное в (3) переменное напряжение можно
„индуцировать", помещая туннельную структуру в
СВЧ волноводный тракт. При этом происходит „воз-
буждение" туннельной структуры и ее вольтамперная
характеристика, изображенная на рис. 2, примет сту-
пенчатый вид (рис. 3).
Наблюдаемые ступеньки возникают при строго оп-
ределенном напряжении:
У„=(лЛ/2е) (п = ±1,±2,±3...). (б)
В метрологической практике, начиная с середины
70-х гг, стали применяться преобразователи частота-
Рис. 2. Вольтамперная характеристика, соответствующая туннелированию между идентичными сверхпроводниками
тронов на переходе; 7? = G(V). V — составляющая то-
ка, обусловленная омическим сопротивлением пере-
хода (туннелированием нормальных электронов); С
— проводимость перехода; — составляющая то-
ка, обусловленная емкостью перехода.
Выражение (2) показывает хорошее соответствие
с экспериментально наблюдаемыми вольт-амперными
характеристиками туннельных переходов типа SIS (1,
рис. 1).
Если к туннельному переходу приложить напряже-
ние V, то фаза <р (1) будет меняться во времени в
соответствии с выражением:
Я> + (2«/Л)И!. (3)
В соответствии с (3) через туннельный переход
начнет протекать переменный ток равный:
/ = /1Яп(я)+(2е/лУ0 с частотой
®=2>ги=2еГ/Л. (4)
напряжение, основанные на этом эффекте, в виде
встроенных в СВЧ тракт одиночных туннельных пе-
реходов различной конструкции. Общей для всех ти-
пов преобразователей на эффекте Джозефсона, на-
шедших в этот период практическое применение в
эталонах вольта, было то, что они помещались г. вол-
новодный тракт, по которому осуществлялось „возбу-
ждение" туннельного перехода СВЧ волной на часто-
тах 5- 15 ГГц. При этом, измеряя частоту (Vo) для из-
вестного номера ступени п , осуществлялась
процедура воспроизведения единицы постоянного на-
пряжения с последующей передачей его значения дру-
гим приборам.
Впоследствии, начиная с середины 80-х гг., была ос-
воена техника соединения большого количества таких
переходов в микрополосковые сверхпроводящие СВЧ линии,
на базе которых стали строить схемы (матрицы) джо-
зефсоновских переходов. В современной джозефсонов-
ской схеме, предназначенной для воспроизведения по-
стоянного напряжения с номиналом. 1 В, содержится
(2-3)-103 туннельных переходов, выполненных инте-
199
перехода в режиме прямого нестационарного эффекта
Джозефсона
Рис. 4. Общий вил осциллограммы вольтамперной
характеристики джозефсоновской схемы в режиме
обратного нестационарного эффекта Джозефсона.
грально с планарной СВЧ ант енной. Аналогичная джо-
зсфсоновская схема, расчитанная на воспроизведение
напряжения с номиналом 10 В, содержит уже
(2-3)-104 туннельных переходов и является уникаль-
ным и дорогим прибором. В эт их приборах использу-
ется довольно специфический режим обратного неста-
ционарного эффекта Джозефсона. Суть этого режима со-
стоит в том, что если частота внешнего облучения
существенно превышает плазменную частоту самого
перехода и достигает уровня 50-80 ГГц, а геометриче-
ский размер перехода £ соответствует:
L = 3^.(/c/2^CC7), (7)
где 1С — критический ток перехода; С — емкость
перехода; — джозефсоновская глубина проникно-
вения; U — напряжение максимальной по амплитуде
ступеньки, то всякий раз, когда фаза k -ой гармоники
внешнего излучения совпадает с фазой излучения из
перехода, на вольт-амперной характеристике возни-
кает постоянная составляющая тока в виде серии пи-
ков пересекающих ось тока рис. 4.
В схемах такого типа именно увеличение на не-
сколько порядков отношения сигнал/шум приводит к
качественному изменению всей структуры аппаратур-
ного комплекса. В идеале осуществляется прямое вклю-
чение джозефсоновской схемы через соответствую-
щие фильтры к прецизионному цифровому нановольт-
метру. При этом суммарная погрешность кампарирования
напряжения диодов Зеннера и джозефсоновской схе-
мы, как правило, находится в пределах lO^-lO", а в от-
дельных случаях эту величину удается снизить до
1,2-1010 [5]. Джозефсоповские схемы такого типа се-
годня изготавливаются в 4-5 лабораториях мира еди-
ничными экземплярами. Общий вид топологии такой
схемы, рассчитанной на воспроизведение постоянно-
го напряжения с номиналом 1 В, разработанной и из-
готовленной во ВНИИМ, представлен на рис. 5.
В 1995 г. в ,Appl. Phys. Lett." и годом позже в ,Арр1.
Supercond." появились основополагающие работы
С. Hamiltona и S. Benz (NIST), в которых эксперимен-
тально продемонстрирована работоспособность идеи
С.И. Боровицкого [4J использовать прямой нестацио-
нарный эффект со сканированием первой квантовой
ступени по группе слабосвязанных сверхпроводни-
ков. В этих работах они развили идею Боровицкого,
предложив сканировать по группам слабосвязанных
сверхпроводников, различающихся по числу структур
SNS как 2П, другими словами использовать принцип
ЦАП. Такие структуры в строгом физическом смысле
не являются чисто джозефсоновскими, но для ряда
применений являются достаточно удобными и техно-
логичными.
При реализации такой схемы оказалось, что если
время сканирования одного SNS сегмента не превыша-
ет 1 мкс, то становится практически возможным син-
тез переменного напряжения любой формы в реаль-
ном масштабе времени с дискретностью точек, доста-
точной для вторичного звена эталона переменного
напряжения с интегрирующим термопреобразовате-
лем. Другими словами, совокупность набора дискрет
ных абсолютных значений джозефсоновского напря-
жения определила функционирование нового естест
венный эталона переменного напряжения, а
воспроизведение постоянного напряжения стаповит
ся просто пунктом меню программы такого криоген-
ного ЦАП. Таким образом, получается единый кванто-
вый эталон постоянного и переменного напряжения.
Естественным способом синтеза кривой напряже-
ния переменного тока является использование циф-
роаналогового преобразователя (ЦАП), на вход кото-
рого периодически в заданные моменты времени по-
ступает цифровой код, определяющий значение
выходного напряжения. Поскольку ВАХ Джозефсо-
новского преобразователя квантована с дискретно-
стью:
4^=f/Kj, (8)
где f — частота СВЧ возбуждения ЦАП; Kj — по-
стоянная Джозефсона, то он в принципе может быть
использован в качестве такого ЦАП. Однако реализа-
ция джозефсоновского ЦАП на базе используемых в
современных эталонах напряжения постоянного то-
ка гистерезисных переходов типа SIS оказывается
200
Рис. 5. Общий вид топологии джозефсоновской схемы ВНИИМ на 1680 переходов ( S— планарная СВЧ антенна,
J — переходы типа SIS, в микрополосковой линии, R — согласованная поглощающая нагрузка)
невозможным из-за присущих им ограничений. Если
соединить SNS переходы последовательно в группы
(сегменты), набранные, например, в двоичной после-
довательности и управляемые обшим током смещения,
то мы получим ЦАП с возможностью дискретного вы-
бора некоторого множест ва зна1 гений напряжения. Од
нозначность и устойчивость выбранных состояний
SNS преобразователя наояду с быстрым временем ус-
тановления делает его потенциально лучшим кванто-
вым преобразователем для построения эталонов на
пряжения как постоянного, так и переменного тока.
Цифровой синтез заданной формы напряжения пере
менного тока позволяет математически вычислить
действующее значение выходного напряжения и тео-
ретически не вносит методической погрешности.
На практике SNS схема с размахом амплитудного
значения синтезируемого переменного напряжения в
диапазоне ±1 В содержит восемь ветвей с последова-
тельными цепочками SNS структур, выполненных в
виде копланарных линий передач, каждая из которых
содержит 4096 SNS перехода (точно). Таким образом,
эта цифровая джозефсоновская схема па основе SNS
переходов содержит 32768 структур слабосвязанных
сверхпроводников и рассчитана на воспроизведение
постоянного и переменного напряжений любой задан-
ной формы.
Литература:
1. Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. // ЖЭТФ. - 1950. - Т. 20.
-С. Ю64-Ю75
2. Бароне А., ПатерноД. Эффект Джозефсона. - М.:
Мир. 1984.
3. S.P. Benz. С.А. Hamilton, A pulse-driven programmable
Josephson voltage standard // Appl.Phys. Lett. — 1996. — Vol. 68.
-P. 3171-3173.
4. Мостепаненко B.M., Потапов C.B. Перспективы совер-
шенствования эталона единицы напряжения на основе эф-
фекта Джозефсона // Измерительная техника. — 1986. — №
10.-С. 16-18.
5. Т.|. Witt. // IEEE Trans, on Instr, and Measur. — 1995. —
V. 44. - № 2. - P. 208-211.
6. A.S. Tsai, A.R. Jain, I.E. Luckens / / Phys.Rev. Lett. —1983.
-V.51.-P.316.
C.B. Потапов
201
Квантовый эффект Казимира
и атомно-силовая микроскопия в
нанометрологии
Суть эффекта Казимира заключается в поляриза-
ции вакуума квантованных полей, возникающей вслед-
ствие изменения спектра вакуумных колебаний при
ограничении объема квантования или при отличии
топологии пространства от евклидовой. Диапазон об-
ластей физики, в которых проявляется в той или иной
форме эффект Казимира, очень широк — от элемен-
тарных частиц до космологии [1]. Ниже мы ограни-
чимся рассмотрением сил Казимира между макроско-
пическими телами и их связью с ван-дер-ваальсовы-
ми силами молекулярного притяжения.
Первый, предсказанный в 1948 г. и позднее обна-
руженный экспериментально, эффект такого рода со-
стоял в том, что на единицу площади двух проводя-
щих плоско-параллельных пластин в пустоте должна
действовать сила притяжения
F_ Лс
240 а4 ’
выражаемая через постоянную Планка д , ско-
рость света с и расстояние между пластинами а (все
ссылки в [1]). Эта сила составляет =210'5Н при
а = 0,5 мкм и площади 1 смЕ 2, т.е. имеет обычный „мак-
роскопический" порядок величины. Таким образом,
эффект Казимира принадлежит к классу макроскопи-
ческих квантовых эффектов (существенно определяе-
мых постоянной Планка).
Отличительными особенностями данного эффек-
та являются:
1) его равновесность, т.е. отсутствие внешних воз-
действий;
2) независимость от характерных дискретных ве-
личин — заряда и массы;
3) релятивистский характер, т.е. учет запаздыва-
ния — конечности скорости света (впрочем, при осо-
бо высоких температурах эффект становится класси-
ческим и [1, §3.8] нерелятивистским).
Для упрощения объяснения эффекта представим
себе прямоугольный металлический резонатор. Гра-
ничные условия — обращение в нуль тангенциальной
составляющей электрического поля на стенках — от-
берут бесконечный дискретный ряд возможных мод с
частотами а>Ып и энергией фотона в каждой из них
Й а>Ыт . Полная энергия поля в равновесии внутри ре-
зонатора связана с температурой через среднее число
квантов-фотонов в каждой моде при данной темпера-
туре т:
Е = п (а> Ыт )
klm '
П 2 ехр (й (0/kT )- 1 • (3)
На практике типичные значения у и а)> с/а та-
ковы, что второй член в (3) весьма мал, и в каждой
моде п(о»)=1/2. Это — так называемые нулевые коле-
бания, обусловленные соотношениями неопределен-
ности: наименьшая энергия все-таки отлична от ну-
ля. Конфигурация мод, а с ними и частоты, зависят
от расстояния а. Сила, действующая между двумя про-
тивоположными стенками
f = -2_£(a) (4)
да ' ’
остальные стенки считаем неподвижными, при-
чем расстояние между ними много больше а. Прин-
ципиальной проблемой является бесконечность чис-
ла собственных колебаний, т.к. может прини-
мать сколь угодно большие значения. Соответственно
бесконечна и £(а). Для регуляризации, т.е. придания
осмысленного конечного значения силе (4), являю-
щейся разностью энергий при двух близких значени-
ях расстояния a vi а + da (деленной на da ), разрабо-
таны специальные методы [1, гл. 1, 2], в итоге прихо-
дим к (1).
Аналогично, в принципе, решается вопрос о силах,
действующих между макроскопическими телами лю-
бой конфигурации, обладающими диэлектрической
проницаемостью <Кбу)- При этом вводится понятие
фотона в среде с £•(&>), причем от е зависят часто-
ты в энергии (2). В частности, силу (1) можно получить
как предельный случай взаимодействия двух полупро-
странств с | И —><*>, что характерно для металлов, раз-
деленных пустой щелью шириной а. При существен-
ном отличии т от нуля, т.е. kT>hc/a (нетипичный
случай), вместо энергии £ нужно использовать сво-
бодную энергию. В этой же конфигурации, при малом
| е-1|«1, сила
•• <5>
где 4.2 (®) ~ статические проницаемости каждого
из полупространств. Учитывая, что при малых осп < 1
4 2 = 1 + 4 Л-И] ,(6)
7* Зак. 450
202
где <3,2 — поляризуемость атома, a nL2 — плот-
ность атомов каждой из сред, из (5) имеем
2?>hco\a2
40а4
ntn2 + ...
(7)
где опущены члены более высоких степеней по
«1,2 . Формула (7), очевидно, описывает аддитивный
вклад парных взаимодействий между атомами. На
этом примере видна связь эффекта с ван-дер-ваальсо-
вым взаимодействием, понимаемом в широком смыс-
ле как наличие сил взаимодействия между отдельны-
ми атомами (или конденсированными телами) на рас-
стояниях r»d , где d — атомный размер. На малых
расстояниях можно пренебречь запаздыванием взаи-
модействия, что соответствует нерелятивистскому
приближению с—>°° . Энергия взаимодействия пары
атомов U = - Л/г^ получается во втором порядке тео-
рии возмущений по взаимодействию атомных дипо-
лей ^1,2:
V = const
поскольку средние значения /), 2 = 0 , U ф 0 связа-
но только с квантовыми флуктуациями £>. Если же
O)ar/c > 1, где <в0 — характерная частота атомных пе-
реходов, [1, § 3.1], то
..z v 23ЙС О', О,
г7(’')=--7Т---4х. (8)
Непосредственное суммирование (точнее, интег-
рирование) взаимодействия (8) по всем парам атомов,
один из которых расположен в одном, а второй — в дру-
гом полупространстве с щелью а между ними, дает
полную энергию, а дифференцирование по а — силу
(7). Таким образом, понятия эффекта Казимира и ван-
дер-ваальсова взаимодействия охватывают области яв-
лений, частично пересекающиеся, но имеющие и су-
щественные отличия. Эффект Казимира относится ко
всем типам квантованных полей, в то время как носи-
телем ван-дер-ваальсового взаимодействия является
только электромагнитное поле. С другой стороны, это
последнее взаимодействие включает и силы между от-
дельными микрообъектами, тогда как в эффекте Кази-
мира фигурируют только макроскопические характе-
ристики материальных сред. Наконец, в отличие от
ван-дер-ваальсовских сил, эффект Казимира имеет ак-
туальные приложения как в физике элементарных час-
тиц (ограничения на константы дальнодействующих
сил, уточнение характеристик гипотетических легких
частиц, модели с дополнительными компактифициро-
ванными измерениями пространства-времени), так и
в космологии (самосогласованные модели Вселенной
на ранних стадиях эволюции) [1].
Проявлением и использованием эффекта Казими-
ра в технике является атомно-силовая микроскопия
[1]. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был создан в
1986 [2]. Его принцип действия основан на измере-
нии силы, действующей на иглу со стороны исследуе-
мого образца. Результатом измерения является топо-
графический профиль поверхности. В отличие от
электронного туннельного микроскопа, где измеряе-
мой величиной является туннельный ток между иглой
и образцом, в АСМ измеряется сила, что позволяет
использовать его для исследования любых материа-
лов (как проводников, так и диэлектриков).
Принципиальная схема АСМ изображена на рис. 1
[3]. Игла расположена над исследуемой поверхностью
на кронштейне, образуя с ним единое целое, называе-
мое кантилевер. Силы, действующие на острие, вы-
зывают изгиб кантилевера, который фиксируется дат-
чиком смещений. Величина силы может быть опре-
делена при известной постоянной упругости k исходя
из смещения Az: F= k Az . Сигнал от датчика, опреде-
ляющийся вертикальным смещением кантилевера,
поступает по цепи обратной связи на пьезосканер; од-
новременно по этому сигналу вычислительная систе-
ма строит изображение поверхности.
Сила, действующая между иглой и образцом, скла-
дывается из силы ван-дер-ваальса и сил отталкивания.
Силы ван-дер-ваальса являются силами притяжения
и эффективны в диапазоне от нескольких ангстрем
до нескольких сотен ангстрем. Силы отталкиания яв-
ляются короткодействующими и обусловлены пере-
крыванием электронных облаков атомов иглы и об-
разца [3]: 1) сильное перекрывание двух электронных
облаков приводит к неполному экранированию ядер-
ных зарядов, что вызывает кулоновское отталкива-
ние; 2) два электрона с одинаковыми квантовыми чис-
лами, по принципу исключения Паули, не могут на-
ходиться в одном месте. Поэтому электронные облака
двух электронов могут перекрываться, если энергия
одного из электронов увеличится, что приводит к от-
талкиванию. Силы отталкивания очень короткодей-
ствующие — порядка нескольких ангстрем; обычно
они описываются степенным спаданием F = const]гп
с п превосходящим 8 или экспонентой. Для описа-
ния взаимодействия атомов образца и острия вводят
эмпирические потенциалы; одним из наиболее из-
вестных является потенциал Леннард-Джонса
с параметрами a, ft, которые определяются вы-
бором вещества образца и иглы. Первый член в (9)
(9)
Рис. 1. Принципиальная схема атомно-силового
микроскопа
— 203
отвечает силам отталкивания, второй — силам ван-дер-
ваальса. Суммарное взаимодействие между образцом
и иглой получается суммированием (9) по парам ато-
мов образца и иглы. Рассмотрим более подробно функ-
ционирование АСМ и техническое устройство его ос-
новных узлов.
Обычно процесс сканирования происходит в режи-
ме постоянной силы, действующей между острием и
образцом. Для поддержания постоянной величины си-
лы трехмерный пьезосканер сдвигает образец по вер-
тикали в зависимости от сигнала датчика смещений,
поступающего по цепи обратной связи, так чтобы си-
ла оставалась постоянной. В процессе сканирования с
помощью пьезосканера выполняются шаги по горизон-
тальным направлениям X и Y. Результатом сканирова-
ния после компьютерной обработки сигналов являет-
ся поверхность постоянной силы h(x,y), где h — рас-
стояние между острием и поверхностью в точке с
координатами (х,у), на котором сила, действующая на
иглу, имеет заданную величину. Поверхность постоян-
ной силы дает наглядное трехмерное изображение то-
пографии поверхности исследуемого образца (см. мно-
гочисленные экспериментально полученные изобра-
жения в [3, 4], теоретически рассчитанные
поверхности [5]).
Достигаемое АСМ разрешение определяется как ре-
жимом сканирования, так и техническими характери-
стиками АСМ. В режиме сил отталкивания игла распо-
ложена очень близко к поверхности — на расстоянии
порядка нескольких ангстрем; при этом в суммарной
силе доминируют силы отталкивания. В этом режиме
достигается атомное разрешение. При расстояниях ме-
жду иглой и поверхностью десятки, сотни и более анг-
стрем доминируют ван-дер-ваальсовские силы притя-
жения (соответственно, режим сил притяжения); раз-
решение составляет нанометры. С помощью АСМ
могут быть измерены силы порядка 1014 Н.
Основными техническими узлами АСМ являются
кантилевер и датчик смещений. Кантилевер изготов-
ляется микролитографически и представляет собой
тонкую пластину из кремния или нитрида кремния с
закрепленной на ней иглой. Иглы АСМ могут изготав-
ливаться из различных материалов, распространены
иглы из алмаза или вольфрама. Современные техно-
логии позволяют изготавливать иглы с радиусом кри-
визны менее 100 д . Существуют несколько методов
измерения смещений кантилевера, величина которых
может доходить до долей ангстрема: электронное тун-
нелирование [2], оптическая интерферометрия [3],
измерение емкости, пьезорезистивные датчики изги-
ба [4].
Применением АСМ является, прежде всего, иссле-
дование поверхностей различных материалов. При ра-
боте в режиме сил отталкивания (с острыми иглами,
содержащими на конце лишь несколько атомов) отчет-
ливо видны кристаллические решетки металлов и ион-
ных кристаллов [3, 4], при этом горизонтальное раз-
решение составляет порядка 0,1 А . Одним из приклад-
ных направлений является дефектоскопия [4, 5],
причем в кристаллах наблюдаются дефекты с разме-
рами вплоть до атомного. Другим направлением явля-
ется исследование синтетических материалов и тон-
ких пленок. В этом же субнанометровом диапазоне ле-
жит и активно развивающееся в настоящее время
применение АСМ в молекулярной биологии. В нано-
метровом диапазоне сканирование происходит в ре-
жиме сил притяжения. Прогресс в полупроводниковой
технологии позволил производить устройства нано-
метровых размеров (10-100 нм), для измерения кото-
рых АСМ является незаменимым инструментом и оп-
ределяет решение задач, стоящих перед метрологией
наноэлектроники [6]. Другим важным примером тех-
нологического применения АСМ является исследова-
ние полированных оптических стекол [3, 6], шерохо-
ватость которых может составлять менее 50 А . Кро-
ме сканирования, оставляющего исследуемую
поверхность без изменения, АСМ может функциони-
ровать и в режиме модификации поверхности [3, 4],
что позволяет использовать его как инструментальное
средство изготовления наноструктур. Достигнуто ма-
нипулирование отдельными атомами и молекулами по
поверхности монокристалла—их передвижение по по-
верхности, удаление, осаждение [4], что открывает
возможность литографии на атомном уровне. Таким
образом, АСМ находит широчайшее применение в раз-
личных областях науки и техники, является уникаль-
ным средством измерения в нанометровом и субнано-
метровом диапазонах.
Литература:
1. Мостепаненко В.М., Трунов Н.Н., Эффект Казимира
и его приложения. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
2. Binning G., Quate С.Е, Gerber Ch. // Phys. Rev. Lett. —
1986. - V. 56. - № 9. - P. 930-933.
3. E. Meyer, H. Heizeltnann. Scanning Tunneling Microscopy
II, Eds.: R. Weinsendanger, H.-J. Guntherodt. Springer Series in
Surface Sciences, V. 28, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,
1992, P. 99-149.
4. Володин А.П. Приборы и техника эксперимента. —
1998. — №6. -С. 3-42.
5. Благов Е.В., Климчицкая Г.Л., Лобашев А.А.,
Мостепаненко В.М. // ЖТФ. - 1997. - Т. 67. - № 6. - С. 77-
85.
6. Арутюнов П.А., Толстихина АЛ. // Микроэлектрони-
ка. - 1997. - Т. 26. - № 6. - С. 426-439.
Н.Н. Трунов, А.А. Лобашев
204
Одноэлектронные системы
Как известно, в массивных металлических провод-
никах переносимый заряд является коллективной пе-
ременной, то есть функцией большого числа коорди-
нат носителей тока, и не квантуется в масштабе е . В
отличие от этого туннельный ток естественно оказы-
вается дискретным.
Рассмотрим квантовые эффекты, возникающие в
туннельных структурах при низких температурах.
Одним из вторичных квантовых эффектов явля-
ется переход от обычных джозефсоновских колеба-
ний с частотой
к „блоховским" колебаниям с частотой
^-(l-G^),
е
который должен происходить с уменьшением раз-
меров джозефсоновских переходов (/ , у — средние
значения тока и напряжения, Gs — квазичастичная
проводимость, шунтирующая джозефсоновский
сверхток).
Интересным является случай, когда Gs<Gr,
где GT — туннельная квазичастичная проводимость.
В этом случае может стать существенным дискретный
характер не только сверхпроводящей, но и квазича-
стичной компоненты тока. Такое „вторичное" кван-
тование может привести к возникновению колебаний
с частотой
<Ц=—(?-Gsv)
е
даже в отсутствие джозефсоновской связи между
электродами, например, при чисто одноэлектронном
туннелировании между нормальными металлами. Рас-
смотрим это явление.
В 80-е гг. XX в. были теоретически предсказаны [ 1 ]
и экспериментально исследованы эффекты, наблю-
даемые в системах туннельных переходов металл-ди-
электрик-металл очень малой площади при низких
температурах. Это — эффекты коррелированного од-
ноэлектронного туннелирования. Их общим свойст-
вом является установление того или иного вида кор-
реляции актов туннелирования отдельных электро-
нов под влиянием их кулоновского взаимодействия
[2]. Исследования получили интенсивное развитие в
связи с тем, что появилась возможность использова-
ния процессов коррелированного одноэлектронного
туннелирования для создания устройств молекуляр-
ной электроники.
Тип корреляции существенно зависит от рассмат-
риваемой системы. В одиночном туннельном перехо-
де, через который протекает фиксированный извне
ток /, должна устанавливаться временная корреля-
ция последовательных актов туннелирования, что вы-
зывает „одноэлектронные" колебания напряжения V
на переходе с частотой
/=-.
е
Однако экспериментальная фиксация тока затруд-
нительна из-за емкости между подводами тока.
Подтверждения существования эффекта было по-
лучено на системе из последовательно соединенных
туннельных переходов с фиксированным на них на-
пряжением V . На таких переходах наблюдается как
временная, так и пространственная корреляция од-
ноэлектронного туннелирования в условиях фикса-
ции внешнего напряжения [3]. На рис. 1 представле-
на однородная цепочка из N > 1 туннельных перехо-
дов с емкостью С и туннельной проводимостью G:
С<—, G « ,
2Т д-h
где т — температура в энергетических единицах.
Теоретические исследования [3] показали, что в
цепочке возникает топологический солитон с заря-
дом +е , который образуется в изначально электро-
нейтральной среде при добавлении (или, соответст-
венно, удалении) одного электрона на соседний элек-
трон. При этом происходит существенная
электрическая поляризация нескольких соседних пе-
реходов. Энергия одиночного солитона положитель-
на и равна
2С« '
При взаимодействии солитоны одного знака оттал-
киваются, а разных знаков — притягиваются.
В отсутствие внешних полей (V±=0) и при низких
температурах (Т« Е) устойчивым является состояние
без солитонов. При приложении слабого поля к од-
ному из концов цепочки, превышающего пороговое
значение
v=—
2С
где
, возникает последовательная
205
Рис. 1. а) Одномерная система из Д' переходов, б) Эквивалентная схема.
— металл; [ — туннельный тонкий изолятор.
инжекция однополярных солитонов, которые в силу
взаимного отталкивания начинают дрейфовать вглубь
цепочки.
Если значения V,. и V не равны друг другу, то есть
к цепочке приложено продольное электрическое на-
пряжение
V = V_-V+,
то возникает перманентное движение солитонов
вдоль цепочки туннельных переходов, так что через
цепочку потечет ток с ненулевым средним значением
Для не слишком больших значений тока и темпе-
ратуры последовательные акты туннелирования суще-
ственно коррелированы, что может быть интерпрети-
ровано как результат кулоновского отталкивания со-
литонов. Таким образом, в переходе возникает
квазиэквидистантная цепочка вихрей, дрейфующих
вдоль цепочки переходов. При таком упорядоченном
движении в частотном спектре флуктуации величины
Q (полные заряды, протекшие через внешние источ-
ники напряжения V± ) появляется относительно узкий
пик со средней частотой
2л(/>
=,
е
соответствующий одноэлектронным колебаниям.
Типичная частота одноэлектронных колебаний лежит
в частотном диапазоне 109 Гц^~ 10'° Гц. Подобные
алг
результаты могут быть получены при С = 31(Г15 Ф
(1017) (5 = 0,1 мкм2), Т<0,3 К,тоесть £ = 51СГ24 Дж,
которое соответствует, например, туннельным пере-
ходам на основе сплавов свинца с площадью
5 = 0,1 мкм2. Пороговое напряжение V у такого пере-
хода будет иметь величину Г = 0,5— = 30 мкв Основ-
ные технические трудности, которые при этом возни-
кают, есть: изготовление переходов малой площади,
использование низких температур и подавление тех-
нических флуктуаций тока (<~0,1 нА)
Таким образом, установлена возможность движе-
ния в туннельных цепочках квазипериодических одно-
мерных структур одноэлектронных солитонов, сопро-
вождающаяся генерацией узкополосных колебаний
при фиксации внешнего напряжения (а не тока). Та-
кой когерентный процесс может возникать только в
результате сосуществования в одной системе дискрет-
ного переноса электронов сквозь туннельный переход
и квазинепрерывного переноса заряда в системе, ок-
ружающей этот переход. Квазинепрерывность перено-
са заряда обеспечивается тем, что электрическая по-
ляризация цепочки одиночным зарядом распростра-
няется на несколько туннельных переходов,
окружающих заряженный электрод. При этом если со-
литон перемещается на соседний узел, то индуциро-
ванный заряд всех переходов (кроме того, через кото-
рый протуннелировал электрон) изменяется на вели-
чину AQ « е , то есть квазинепрерывно. Поэтому, для
каждого из переходов цепочки остальные переходы иг-
рают роль резистора, фиксирующего квазинепрерыв-
ный ток с точность до малой величины, не зависящей
от процессов в данном переходе. Непосредственное
наблюдение процесса, имеющего при реализуемых па-
раметрах переходов (С>10“17) весьма малую мощность
Р<10'12 Вт, затруднительно.
Однако одноэлектронные колебания могут быть
синхронизированы внешним периодическим сигна-
лом частоты. При этом на вольтамперной характери-
стике туннельной цепочки появляются квазигоризон-
тальные ступени, разделенные интервалом д/ , соиз-
еа>
меримым с „квантом” . Этот эффект может быть
использован в метрологии для создания эталона „ам-
пера”, подобно тому, как был создан эталон „вольта”
----- 206
на ступенчатой вольтамперной характеристике джо-
зефсоновского перехода.
Литература
1. Аверин Д.В., Зорин А.Б., Лихарев К.К. Елоховские ос-
цилляции в джозефсоновских переходах малых размеров /
/ ЖЭТФ. - 1985. - Т. 88. - Вып. 2. - С. 692.
2. Аверин Д.В., Лихарев К.К. Когерентные колебания в
туннельных переходах малых размеров // ЖЭТФ. — 1986.
- Т. 90. - Вып. 2. - С. 733.
3. Бахвалов Н.С., Казача Г.С., Лихарев К.К.,
Сердюкова С.И. Одноэлектронные солитоны в одномерных
туннельных структурах. — Препринт ОИЯИ Р11-88-593, Дуб-
на, 1988.
Н.П. Герасимов
Методы измерений и эталоны
единиц величин по областям
и видам измерений
208
Государственная эталонная база России
Национальная система обеспечения единства из-
мерений в любой промышленно развитой стране ос-
новывается на принятой в законодательном порядке
национальной системе единиц измерений и нацио-
нальных (государственных) эталонах. Государствен-
ные эталоны, воспроизводящие эти единицы, разме-
ры которых передаются рабочим средствам измере-
ний, используемым в промышленности, торговле,
науке, медицине и т.д., являются национальным дос-
тоянием, определяют уровень научного, техническо-
го и культурного развития страны.
До XIX в. в России, как и в других странах мира,
применялись свои национальные меры и измеритель-
ные приборы. Попытки упорядочить меры и устано-
вить надзор за их применением на государственном
уровне предпринимались на всем протяжении исто-
рии Российского государства. Достаточно вспомнить
Устав новгородского князя Всеволода о церковных су-
дах, людях и мерилах торговых (примерно ХШ в.),
Двинскую грамоту Ивана Грозного о новых мерах сы-
пучих тел (1550 г.), Соборное уложение (1649 г.), Тамо-
женный устав (1653 г.), Новоторговый устав (1667 г.)
и многие другие указы, отражающие стремление госу-
дарственной власти решать проблемы, связанные с не-
обходимостью введения единообразия мер и их при-
менения на всей территории государства. Реформы
Петра I, вызвавшие промышленное, торговое и куль-
турное развитие России в XVIII в., потребовали даль-
нейшего упорядочения применения в стране единиц
измерения и создания соответствующих эталонов. Для
решения этой задачи были специально созданы снача-
ла в 1736 г., азатем в 1827 г. Комиссии мер и весов. Бла-
годаря работе этих Комиссий и в соответствии с Ука-
зом „О системе Российских мер и весов" (1835 г.) бы-
ли законодательно утверждены основные единицы и
определена русская система мер и весов. Хранение эта-
лонов этих единиц, их копий, а также образцов раз-
личных иностранных мер было поручено созданному
в 1842 г. в Петербурге первому метрологическому уч-
реждению России—Депо образцовых мер и весов. Так
было положено начало созданию и дальнейшему совер-
шенствованию эталонной базы России.
Развитие межгосударственных отношений и рас-
ширение международных торговых, научных, техни-
ческих и культурных связей привели к необходимо-
сти осуществления единства измерений не только на
национальном, но и на межгосударственном уровнях.
20 мая 1875 г. в Париже 17 государств, в том числе и
Россия, подписали Метрическую конвенцию, в силу
которой метрическая система мер и весов была при-
нята под покровительство договаривающихся госу-
дарств и ее развитие стало международным делом.
В России внедрение метрической системы мер осу-
ществлялось вначале факультативно. Тем не менее,
Главная Палата мер и весов (в 1893 г. Депо образцовых
мер и весов было реорганизовано по инициативе
Д.И. Менделеева в Главную палату мер и весов — пер-
вое научное метрологическое учреждение России) еще
при жизни ее первого управляющего Д.И. Менделее-
ва располагала эталонами ряда единиц метрической
системы мер. Менделеевская реформа метрологиче-
ского и поверочного дела, столетие которой отмеча-
лось в 1999 г., создала предпосылки для полного пере-
хода России к использованию Метрической системы
мер. Полный переход к повсеместному использованию
метрической системы мер в России был реализован в
соответствии с Декретом СНК РСФСР с 1918 по
1924 гг.
Дальнейшее совершенствование государственной
эталонной базы России отвечало потребностям на-
родного хозяйства страны и осуществлялось на осно-
ве последних достижений науки и техники по трем
основным направлениям:
— увеличение числа эталонов единиц физических
величин;
— расширение диапазонов измерений;
— повышение точности воспроизведения единиц,
в том числе за счет использования макроскопических
квантовых эффектов и наиболее устойчивых природ-
ных явлений, и передачи их размеров нижестоящим
по точности средствам измерений.
В настоящее время в соответствии с Законом Рос-
сийской Федерации „Об обеспечении единства изме-
рений", принятым в 1993 г., „государственные эталоны
единиц величин являются исключительной федераль-
ной собственностью, подлежат утверждению Госстан-
дартом России и находятся в его ведении". Ответствен-
ность за „создание, совершенствование, хранение и
применение государственных эталонов единиц вели-
чин" возложена на государственные научные метроло-
гические центры (ГНМЦ) — научно-исследовательские
метрологические институты Госстандарта России.
Эталонная база России имеет в своем составе по
состоянию на 01.06.2000 г. 118 государственных эта-
лонов (ГЭ) и более 300 вторичных эталонов, обеспе-
чивающих единство измерений и требуемую точность
не только в нашей стране, но и в большинстве стран
ближнего зарубежья, исходные эталоны которых в ос-
новном поверяются по ГЭ Российской Федерации.
Сведения о государственных эталонах России приве-
дены в таблице.
Эталонная база России является, с одной стороны,
самостоятельной и независимой, а с другой стороны,
адаптированной в европейскую и мировую системы
209
обеспечения единства измерений. Результаты сличе-
ний ГЭ России с лучшими зарубежными эталонами
подтверждают их высокую точность, правильность
воспроизведения единиц и позволяют утверждать,
что несмотря на имеющиеся в стране трудности пе-
реходного периода, эталонная база России остается
одной из самых развитых в мире.
Государственные эталоны России служат для вос-
произведения единиц физических величин, поэтому
структура эталонной базы России отражает, прежде
всего, структуру Международной системы единиц фи-
зических величин (СИ), принятой и применяемой в
международной практике. Основу эталонной базы
России составляют государственные первичные эта-
лоны (ГПЭ) основных единиц СИ: метра, килограм-
ма, секунды, ампера, кельвина и канделы.
ГПЭ единицы длины — метра—представляет собой
уникальный комплекс средств измерений, размещен-
ный в специальном помехозащищенном термобароста-
тированном помещении на виброзащитном фундамен-
те. В его состав входят источники эталонного излуче-
ния — He-Ne/I2 лазеры, установка для измерения
отношений длин волн эталонного излучения и интер-
ференционный компаратор с лазерным интерферен-
ционным рефрактометром. Погрешность воспроизве-
дения метра в настоящее время составляет не более
2-10”. Один из двух близких по составу эталонов-ко-
пий расположен в специально оборудованной подзем-
ной лаборатории на глубине 45 м, что обеспечивает
уникальные возможности проведения прецизионных
измерений и научных исследований. Уровень точно-
сти и технического оснащения Российского эталона
метра соответствует уровню национальных эталонов
США, Германии и Франции и др.
ГПЭ единицы длины создан, хранится и активно
используется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
ГПЭ единицы массы — килограмма — это копия
№12 Международного прототипа килограмма, одна
из изготовленных из платиново-иридиевого сплава в
1876-1889 гг. в Лондоне. Аналогичные эталоны с близ-
кими метрологическими характеристиками были по-
лучены в то время по жеребьевке странами-участни-
ками Метрической Конвенции 1875 г.: США, Германи-
ей, Англией, Японией и др. В состав эталона входят
также прецизионные эталонные весы, позволяющие
осуществлять сличения с погрешностью не более
2-10'9по методам, теоретические основы которых бы-
ли разработаны еще Д.И. Менделеевым.
В 1998 г. во ВНИИФТРИ разработан новый ГПЭ
единиц времени, частоты и национальной шкалы вре-
мени, обеспечивающий размерами единиц свыше 300
тыс. средств измерений времени и частоты, не счи-
тая встроенных в средства измерений других физи-
ческих величин. Погрешность воспроизведения еди-
ниц менее 5- 10 й. Этот эталон находится на уровне луч-
ших эталонов мира как по достигнутой точности, так
и по диапазону измеряемых величин.
ГПЭ единицы силы постоянного электрического
тока — ампера — воспроизводит единицу в комплексе
с ГПЭ единицы постоянного электрического напря-
жения — вольта и ГПЭ единицы электрического со-
противления — ома, основанных на использовании
квантовых эффектов Джозефсона и Холла соответст-
венно. Погрешность воспроизведения ампера варьи-
рует от 5-102до 2-10’7в зависимости от диапазона из-
мерений. Эти эталоны хранятся и применяются во
ВНИИМ и, по существу, представляют собой единую
группу эталонов, связанных законом Ома и базирую-
щихся на квантовых эффектах и фундаментальных
физических константах. Уникальность этой группы
эталонов связана с высокой стабильностью и
воспроизводимостью квантовых эффектов. Точность
эталонов ограничивается точностью определения
значений фундаментальных физических констант.
Функциональные аналоги этой группы эталонов
существуют в метрологических институтах многих
промышленно развитых стран. Международные сли-
чения наших эталонов подтверждают высокую точ-
ность воспроизведения ампера, вольта и ома.
Единица температуры — кельвин — воспроизводит-
ся двумя ГПЭ, один из которых создан и применяется
во ВНИИФТРИ, а второй — во ВНИИМ. Первый из
них воспроизводит единицу в диапазоне температур
от 0,8 до 273,16 К, (0 °C) второй — в диапазоне темпе-
ратур 0-2500 °C. Эталоны по устройству и составу —
сложнейшие комплексы средств измерений, в основу
действия которых положены различные физические
принципы. Государственные эталоны обеспечивают
воспроизведение единицы температуры в соответст-
вии с требованиями Международной температурной
шкалы 1990 г., включающей ряд диапазонов и поддиа-
пазонов.
В состав эталона, разработанного во ВНИИМ, вхо-
дит уникальное средство измерений — газовый тер-
мометр, обеспечивающий возможность абсолютных
измерений термодинамической температуры с точно-
стью, недостижимой в настоящее время другими ме-
тодами. Подобный по назначению и возможностям
комплекс существует только в США (NIST).
ГПЭ единицы силы света — канделы — хранится и
применяется во ВНИИОФИ.
Эталон воспроизводит единицу с погрешностью
0,1-10’2-0,25-102с помощью радиометра, корригирован-
ного светофильтром под кривую спектральной свето-
вой эффективности. Эталон передает размер единицы
более чем 100 тыс. измерительных приборов. Точность
эталона находится на уровне точности национальных
эталонов промышленно развитых стран.
Одной из основных единиц системы СИ является
единица количества вещества — моль, равная количе-
ству вещества системы, содержащей столько же струк-
турных элементов, сколько содержится атомов в угле-
роде-12 массой 0,012 кг. К настоящему времени ни в од-
ной метрологической лаборатории мира эталон моля
не создан. На пути создания такого эталона встали
большие теоретические проблемы, одной из которых
является недостаточная четкость определения этой
единицы. Тем не менее, теоретические и эксперимен-
тальные исследования в этом направлении ведутся и,
возможно, в будущем эта проблема будет решена.
До недавнего времени в системе СИ существовал
класс дополнительных единиц, к которым относились
радиан и стерадиан — единицы плоского и телесного
угла. В соответствии с Резолюцией 8 20-й Генеральной
конференции по мерам и весам класс дополнитель-
ных единиц системы СИ исключен. В настоящее вре-
мя радиан и стерадиан признаны безразмерными про-
изводными единицами системы СИ.
210
Внесистемными единицами плоского угла, допускае-
мыми к применению наравне с единицами СИ, являют-
ся градус, минута и секунда, применяемые в подавляю-
щем большинстве средств измерений плоского угла.
ГПЭ единицы плоского угла — градуса—хранится и
применяется во ВНИИМ и обеспечивает точность ра-
боты миллионов прецизионных средств измерений
плоского угла, применяемых в промышленности, гео-
дезии, астрономии, навигации, космических и других
исследованиях. Он представляет собой комплекс из-
мерительной аппаратуры, сочетающий лучшие совре-
менные достижения техники лазеров с уникальными
по технологии изготовления оптическими приборами.
Сложная, специально разработанная методика сово-
купных измерений позволяет уменьшить систематиче-
ские погрешности, связанные с технологией изготов-
ления узлов эталона, до значения 0,02". Среднее квад-
ратическое отклонение результатов измерений при
этом не превышает 0,01". Международные сличения
эталонов 11 стран четырех континентов показали, что
ГПЭ единицы плоского угла — градуса по техническим
и метрологическим характеристикам находится на
уровне национальных эталонов США, Японии, Герма-
нии и Австралии.
Кроме эталонов основных единиц во ВНИИМ и
других метрологических институтах созданы и при-
меняются ГЭ производных единиц СИ, используемые
для воспроизведения, хранения и передачи размеров
единиц механических, электрических и радиотехни-
ческих, магнитных, оптико-физических, физико-хи-
мических величин, а также величин ионизирующих
излучений.
Свыше 30 первичных и специальных ГЭ обеспе-
чивают единство измерений в области механики.
ГПЭ единицы силы — ньютона — хранится и при-
меняется во ВНИИМ. В составе этого эталона — уни-
кальная силоизмерительная установка, позволяющая
воспроизводить единицу и передавать ее размер в диа-
пазоне 10-1-106 Н с погрешностью не более 2-10’6. ГПЭ
как по диапазону, так и по точности, соответствует
лучшим эталонам, имеющимся в промышленно разви-
тых странах мира.
В областях измерений постоянного и переменно-
го давлений единство измерений обеспечивают семь
государственных эталонов: из них 5 находятся во
ВНИИМ, 1 - во ВНИИФТРИ и 1 - вУНИИМ. Метро-
логические характеристики эталонов единицы давле-
ния — паскаля соответствуют мировому уровню.
В состав комплекса эталонов в области измерений
гравиинерциалъных ускорений входят 15 эталонных ус-
тановок, предназначенных д ля воспроизведения в ши-
роких диапазонах параметров движения (постоянные
и переменные линейные и угловые скорости и уско-
рения , линейные и угловые перемещения), а также ус-
тановки для проведения фундаментальных физиче-
ских экспериментов (проверка принципа эквивалент-
ности, ньютоновского закона тяготения и др.).
Комплекс является единственным в России и не
имеет мировых аналогов Аналоги некоторых устано-
вок комплекса имеются, главным образом, в США, а так-
же в странах, куда они поставлялись ВНИИМ по кон-
трактам. Имеющиеся в некоторых других странах (Япо-
ния, Франция, Корея) установки существенно уступают
российским по точности и диапазонам измерений.
Комплекс расположен в специально построенном
здании на виброзащитном фундаменте массой 3500 т,
оборудованном системами защиты, кондиционирова-
ния и т.п. Общая площадь корпуса — свыше 4000 м2.
Высота отдельных помещений корпуса (около 600 м2)
достигает 9 м.
В 1998 г. авторский коллектив создателей комплек-
са ГЭ в области сейсмометрии был удостоен Премии
Правительства РФ в области науки и техники.
В области измерений электрических и магнитных
величин, а также радиоизмерений единство изме-
рений обеспечивается 33 государственными этало-
нами, хранимыми и применяемыми во ВНИИМ,
ВНИИФТРИ, ВНИИОФИ, СНИИМ, ВС НИИФТРИ
и УНИИМ. Измерения этих физических величин от-
личаются как широкими диапазонами их значений, так
и широкими спектрами специальных условий их изме-
рений, например, диапазонами частот (до десятков ги-
гагерц). Одной из актуальных проблем этой области
измерений является проблема создания средств мет-
рологического обеспечения измерений параметров ка-
чества электрической энергии. С этой целью во
ВНИИМ проводятся исследования, и разрабатывает-
ся комплекс эталонных средств.
Комплекс ГПЭ в области магнитных измерений,
созданный во ВНИИМ, расположен в магнитной на-
учно-экспериментальной лаборатории (п. Кавголо-
во). Измерительный комплекс, не имеющий аналогов
не только в России, но и за ее пределами, обеспечива-
ет проведение исследований практически вне сферы
действия магнитного поля Земли. Уровень вариаций
магнитного поля на Кавголовской станции в 50 раз ни-
же, чем в городской черте, и автоматически понижа-
ется еще в 10000 раз, с возможностью активного ос-
лабления действия магнитного поля Земли в
1000000 раз специальной аппаратурой, расположен-
ной в немагнитных помещениях.
Международные сличения, проведенные с нацио-
нальными эталонами США, Германии и Кореи, под-
твердили высокий научно-технический уровень Рос-
сийского эталонного комплекса в области магнитных
измерений.
В области оптических и оптико-физических изме-
рений единство измерений обеспечивают 14 государ-
ственных эталонов, хранимых и используемых в
ВНИИОФИ и ВНИИМ. Высокий научно-технический
уровень этих эталонов, в числе которых комплекс,
воспроизводящий единицы величин и параметров ла-
зерного излучения, подтвержден результатами меж-
дународных сличений с национальными эталонами
наиболее развитых стран мира.
В области теплофизических измерений действуют
12 государственных эталонов, хранимых и используе-
мых во ВНИИМ, ВНИИФТРИ, УНИИМ и ВНИИФТИ
„Дальстандарт". Эти эталоны обеспечивают единство
измерений таких физических величин, как энергия
сгорания, температурный коэффициент линейного
расширения твердых тел, теплопроводность, удельная
теплоемкость, количество теплоты и других. Диапазо-
ны измерений и точность ГЭ находятся на уровне луч-
ших эталонов промышленно развитых стран.
Комплекс ГЭ в области физико-химических изме-
рений состоит из 7 эталонов, обеспечивающих един-
ство в химико-аналитических и газоаналитических
211
измерениях. Государственные эталоны созданы и при-
меняются во ВНИИМ, ВНИИФТРИ, ВНИИР и ВС НИ-
ИФТРИ. Физико-химические измерения широко ис-
пользуются при решении задач в области экологии, ох-
раны окружающей среды, производства новых веществ
и материалов, в химической и других отраслях промыш-
ленности. Эта область интенсивно развивается и ее мет-
рологическое обеспечение в настоящее время являет-
ся одним из приоритетных.
Физические величины — плотность и вязкость яв-
ляются наиболее важными для характеристики состоя-
ния вещества. Например, точность измерений плотно-
сти природного газа определяет точность измерений
его расхода, а точность измерений вязкости решающим
образом влияет на качество производства синтетиче-
ских материалов. Во ВНИИМ созданы и применяются
ГПЭ единиц плотности и вязкости, которые по своим
метрологическим характеристикам не уступают зару-
бежным.
В области измерений параметров ионизирующих из-
лучений единство измерений обеспечивают 14 государ-
ственных эталонов: 9 — во ВНИИМ и 5 — во ВНИИФ-
ТРИ. Некоторые из них отличаются не только точно-
стью мирового уровня, но и уникальностью
конструктивного исполнения. Так, например, в ГПЭ
единицы потока нейтронов (ВНИИМ) замедлитель
представляет собой графитовую сферу диаметром око-
ло 4 м, что позволяет снизить уровень радиационного
фона космического излучения до уровня собственных
шумов детекторов ионизирующих излучений.
В 1997 г. за комплекс работ по созданию государст-
венных эталонов нового поколения в области измере-
ний активности радионуклидов и поглощенной дозы
фотонного и электронного излучения специалисты
ВНИИМ, ВНИИФТРИ и Госстандарта были удостоены
Премии Правительства РФ.
Основными направлениями развития эталонной ба-
зы России в настоящее время являются:
— оптимизация эталонной базы по составу и струк-
туре;
— создание системы взаимосвязанных эталонов, в
том числе „естественных", основанных на фундамен-
тальных физических константах и стабильных физиче-
ских исследованиях в области воспроизведения основ-
ных и важнейших производных единиц;
— создание систем эталонов, в которых разумно со-
четаются централизованное и децентрализованное вос-
произведение единиц;
— поиск, исследование и внедрение новых физиче-
ских явлений и технологий, способных обеспечить на-
учный прорыв при создании эталонов;
— разработка предельных по точности методов и
средств измерений эталонного значения.
Эти направления конкретизированы в научно-тех-
нической программе „Эталоны России", главная цель
которой — создание новых и совершенствование суще-
ствующих ГЭ в таких важнейших областях науки и тех-
ники, как механика, электромагнетизм, термодинами-
ка, оптико-физика, физикохимия, ядерная физика др.
Эталонная база России является центральным зве-
ном системы метрологического обеспечения в реше-
нии важнейших научно-технических и экономических
задач, в том числе, в областях энергоресурсосберегаю-
щих технологий межотраслевого применения, обеспе-
чения безопасности продукции, производств, населе-
ния и объектов, экологии, рационального природополь-
зования и здравоохранения. Система эталонов актив-
но используется для передачи размеров единиц рабо-
чим эталонам и средствам измерений. Так, в 1998 г. от
ГЭ, хранимых и применяемых только во ВНИИМ, бы-
ло проведено 3888 актов передачи размеров единиц, в
том числе 534 для Государственной метрологической
службы, 880 для других метрологических служб и более
200 для стран СНГ. В 1999 г. эти показатели соответст-
венно составили 4820, 320, 4184, 236.
Анализ показывает, что современное состояние эта-
лонной базы России характеризуется пока еще доста-
точным научно-техническим потенциалом. Большинст-
во ГЭ, как это отмечалось выше, в основном не уступа-
ют по точности зарубежным эталонам, о чем
свидетельствуют результаты международных сличений,
и в целом удовлетворяют потребностям важнейших от-
раслей отечественной науки и промышленности. Одна-
ко в существующих условиях резких ресурсных ограни-
чений сохранение эталонной базы, а тем более ее кар-
динальное обновление на качественно новом
современном уровне возможно только в случае оказа-
ния Центрам государственных эталонов весомой госу-
дарственной поддержки, выражающейся, прежде все-
го, в приоритетном научно-техническом и финансовом
обеспечении работ по поддержанию и дальнейшему раз-
витию государственных эталонов России. Необходи-
мость решения этой задачи актуальна еще и потому, что
в октябре 1999 г. директорами национальных метроло-
гических центров большинства стран мирового сооб-
щества подписана Договоренность о взаимном призна-
нии национальных эталонов и сертификатов калибров-
ки, выдаваемых национальными метрологическими
институтами, целью которой является обеспечение вза-
имного доверия к результатам измерений и сертифика-
ционных испытаний, сообщаемым институтами. Сте-
пень эквивалентности национальных эталонов будет оп-
ределяться на основе результатов их международных,
так называемых ключевых сличений друг с другом, про-
водимых под эгидой Консультативных комитетов Ме-
ждународного комитета по мерам и весам и региональ-
ных метрологических организаций. Таким образом, ре-
зультаты сличений будут являться юридической
основой признания или непризнания эквивалентности
сличаемых эталонов и, соответственно, правильности
или неправильности измерений и сертификационных
испытаний в странах-участниках ключевых сличений.
Участие в ключевых сличениях, а, следовательно, и тща-
тельная подготовка государственных эталонов к ним,
крайне необходимы, хотя и требуют значительных за-
трат. Результаты этих сличений будут использованы для
определения соответствия международному уровню
проводимых в нашей стране измерений, испытаний,
сертификации и, в конечном итоге, всей отечествен-
ной продукции. Установление международной эквива-
лентности и высокого научно-технического уровня го-
сударственных эталонов России обеспечит доверие к на-
шей стране зарубежных партнеров по торговым
операциям и научно-техническому сотрудничеству и бу-
дет содействовать присоединению РФ к Всемирной тор-
говой организации, а также более активному и плодо-
творному товарообмену с наиболее развитыми промыш-
ленными странами.
Ю.В. Тарбеев, А.П. Себекин
212
Государственные эталоны России
Наименование эталона Номинальное значение или диапазон измерений Оценка случайной погрешности воспроизведения единицы, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений Оценка неисключенной системати ческой погрешности воспроизведения единицы Институт- хранитель эталона
1. Измерения геометрических величин
Государственный первичный эталон единицы длины 0-1 м 2-10" 1-10’ ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы плоского угла 0-360° 0,01" 0,02" ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы длины в области измерений параметров шероховатости R и Rj 0,1-1000 мкм 0,005-0,05 мкм 0,005-0,05 мкм вниимс
Государственный специальный эталон единицы длины в области измерений отклонений от прямолинейности и плоскостности 0-50 мкм (длина аттестуемой поверхности 5 м) 0,1 0,1 УНИИМ
Государственный специальный эталон единицы длины в области измерений параметров отклонений фор мы и расположения поверхностей вращения Fwjx=l,l 107-2,Ы0’м р”“=1,1-10’-2,110’м 1,3-10* ЗЮ2 вниимс
2. Измерения механических величин
Государственный первичный эталон единицы массы 1 кг 8-10* ВНИИМ
Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла 20-100 чист. тв. 10-94 чист. тв. По шкале Роквелла 0,1 По шкале Супер-Роквелла 0,2 0,3 0,6 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Виккерса 8-2000 HV 2103-11(Г 6-10*-3-10’ ВНИИФТРИ
Государственный первичный эталон единицы силы 10-1 10° н 510* 1-Ю-3 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля 8-450 НВ и 95-650 HBW 1-Ю3 3-10’ ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единицы ускорения при ударном движении 10-1106м/сг 2,510-2-3,010-2 1,5-10® ВНИИМ
Государственный специальный эталон единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела в диапазоне частот З-КР-ЫО4 Гц 1-10’-1-102м; 1-10^-1-10-’ м/с; ЬЮМ-Ю’м/с* 1,5-1 (Р-2,5-IO* 5-Ю" 110-3-2,5-10-3 1-10’ ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы постоянного линейного ускорения твердого тела 1-10 3-2-102 м/с2 1-1О2-1-Ю5 4-КР-3-10* ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы угловой скорости 5-1 (Г-2,5-10ч рад/с 2-10* рад/с 2-10’рад/с ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы постоянного углового ускорения 1-100 рад/с2 3-103 5-10* ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы ускорения в диапазоне частот 0,5-30 Гц 5-100 м/с2 1-Ю3 2-Ю3 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы скорости водного потока 0,05-20 м/с 0,002 0,002 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы крутящего момента силы 20-2500 Н-м 0,81(У 2-10* ВНИИМ
213
Государственный специальный эталон единицы скорости воздушного потока Государственный специальный эталон единиц длины, скорости и ускорения для сейсмометрии 0,1-100 м/с 110”-1102м б-ЮМЮ’м/с 41(Г-310-2м/с2 0,0005-0,2 м/с Ы0’-1102 0,0005-0,2 м/с iio-Mio1 ВНИИМ ВНИИМ
3. Измерения параметров потока, расхода, уровня и объема
Государственный первичный эталон единицы объемного расхода газа 110’-1,5102m’/c 8-10’ 5-10’ ВНИИР
Государственный первичный эталон единицы массового расхода жидкости 15-35 кг/с 1,1510’ 1,6-10-’ ВНИИР
Государственный первичный эталон единицы объемного расхода жидкости 0,01-0,065 м’/е 2-10’ 7-10’ ВНИИР
Государственный первичный эталон единицы массового расхода газа 410'2-410’1 кг/с 5-10’ 5-10” ВНИИР
Государственный специальный эталон единицы объемного расхода нефтепродуктов в диапазоне 2,810’-2,8-10’м7с 2,810’-2,8-10’м’/с 310’ 5-10’ ВНИИР
Государственный специальный эталон единицы объемного расхода воды в диапазоне 2,8-Ю'1—2,8- 10s м’/с 2,8-10’-2,810sm’/c 310’ 5 10’ ВНИИР
4. Измерения давления, вакуумные измерения
Государственный первичный эталон единицы давления 0,05-10 МПа 310” 2-10” ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы давления в диапазоне 2500 105-15000 10”Па 2500 106-15000 105Па 410 й 210’ ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единицы давления для области абсолютных давлений в диапазоне 1Ю’-110’Па 1-10’-1-10’П а 0,003 0,003 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы давления для разности давления от 0,1 до 4-10’ Па 0,1-4.10’Па 0,05-0,4 Па 0,05-0,8 Па ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы давления для абсолютного давления в диапазоне 2,7-102-1,3.10s Па 2,7-102-1,3-10’Па 0,3 Па 2 Па ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы давления для области переменного давления в диапазоне I-IO’-I-IO6 Па для частот 5- Ю’-ЫО’ Гц и длительностей 1 • 10”-10 с 1 102-1 106 Па 0,5102-1102 3-1О2 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы давления для области периодических давлений 1-100 МПа, амплитуда 0,1-1,0 МПа, частотаО,02-10,0 кГц 5 10’ 1-Ю2 УНИИМ
5. Измерения физико*химического состава и свойств веществ
Государственный первичный эталон единицы кинематической вязкости жидкости 4107-110’m7c 1,5-10’ 2-10’ ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы плотности жидкости 650-2000 кг/м’ 1,2-10” ВНИИМ
Государственный первичный эталон шкалы pH ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон 0,5-60 % 23-10’ % 1-10”-65-10’% ВНИИР
единицы объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов (по объему) (по объему)
Государственный первичный эталон единицы удельной электрической проводимости жидкостей 1Ю’-10См/м (ВНИИФТРИ); 0,1-50 См/м (ВНИИМ) 510” 2-10’-5-10’ ВНИИФТРИ, ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы относительной влажности газов 5-98% -60-60 “С 0,05% 0,1-0,2 % ВС НИИФТРИ
Государственный первичный эталон единицы молярной доли компонентов в газовых средах 5-10 ’-99,99 % 0,6510’2-110” 1,5-102-3-105 ВНИИМ
214
6. Тепло физические и температурные измерения
Государственный первичный эталон единицы энергии сгорания 7-35 кДж 4 10'- 5-10д ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы температурного коэффициента линейного расширения твердых тел o,o5io4--2,5io6K-' 90-1800 К 0,2-10°®—1,5-ИНК-' 0,03-1(У8-30 104’К1 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы температуры 0-2500 °C 0,00005-1,4 °C 0,00005-0,3 °C ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне 0,8-273,16 К 0,8-273,16 К 0,001 К 0,003 к ВНИИФТРИ
Государственный первичный эталон единицы теплопроводности 0,1 20Вт/(м-К) 90-1100 К 3-103-1-10г 6 Ю’-2 102 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы удельной теплоемкости в диапазоне температур 273,15-700 К 50 -2000 Дж/ (кг-К) 3-104 5-Ю4 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы температурного коэффициента линейного расширения твердых тел в диапазоне температур 4,2-90 К 2-io4-2ioj-K-' 510-9-8-10^К-' 1-10* К1 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 1387-1800 К 50-2000 Дж/(кгК) 2-10' 1 101 УНИИМ
Государственный специальный эталон единицы теплопроводности твердых тел в диапазоне 90-800 К 0,65-172,5 Вт/(м-К) ЗЮ3 4.5-103 НПО „Дальстандарт"
Государственный специальный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 90-273,15 К 95-718 Дж/(кг-К) 2 10'1 5- 104 НПО „Дальгтандарт1
Государственный специальный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел в диапазоне температур 4,2-90 К 0,1-500 Дж/(кг-К) 4-104-1-103 5-104-3-10-’ ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единицы температуры водной среды в диапазоне частот пульсаций температуры 0,5-100 Гц 0,1-3 К 0,5-100 Пх 0,005-0,05 0,05 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы количества теплоты в области калориметрии растворения и реакций 50-1000 Дж 298-393 К 2-104 ЗЮ4 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы теплопроводности твердых тел в диапазоне температур 4,2-90 К 0,1-10 Вт/(м-К) 5-10-’ 8-10" ВНИИФТРИ
7. Измерения времени и частоты
Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени <1-10'4 <5-1014 ИМВПГП „ВНИИФТРИ"
8. Измерения электрических и магнитных величин, радиотехнические и радиоэлектронные измерения
Государственный первичный эталон 1 А 5-1 О’* 2-10’
единицы силы постоянного электрического тока 1-Ю’А 1-J0‘“-ЫО-9 А 2-104-1-102 5-104-2,5-10‘2 ВНИИМ
Государственный первичный эталон 1 10-5-5-104Тл МОМ-Ю’ 1-ю-6 ВНИИМ
единиц магнитной индукции 1-10’6-5-104Тл/А 1-104-2,5-104 1,5-104-3-104
постоянного поля, постоянного при 1-10000 Гц 1-10®—5-10® 3-103-1-105
магнитного потока, отношения магнитной индукции переменного поля к силе тока и отношения магнитного потока к магнитной индукции Государственный первичный эталон Г»0-М-10гВб l-lO-s-S Вб/Тл при 0-500 Гц 1103-1-10-5 3-104-5-10д
единицы электродвижущей силы 1 В 5-109 5-109 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единицы электрического сопротивления 12906,4035 Ом 6453,20175 Ом 1 Ом 2,5-10-8 io-ю-8 ВНИИМ
215
Государственный первичный эталон 0,01 Гн 1-10* 5-10* ВНИИМ
единицы индуктивности 1-10’Гц
Государственный первичный эталон 1,07-102'-2,12-1021 Вт/Гц 0,4-102-1,6-102 1,2-1(Г2-6,0-10-2 ВНИИФТРИ
единицы спектральной плотности или
мощности шумового радиоизлучения в диапазоне частот 0,002-178,3 ГГц по ЭШТ 77,4-153,5 К
Государственный первичный эталон единицы электрической емкости 0,2 Пф 2-10’7 5-10'7 ВНИИМ
Государственный первичный эталон 1-10»-1-102Вт 0,01 % 0,2-102 ВНИИФТРИ
единицы мощности электромаг- нитных колебаний в волноводных
трактах в диапазоне частот 0,03-37,5 ГГц
Государственный специальный эталон 0,1-1 В 5-10^-5-10» 51(У-2-10-2 ВНИИМ
единицы электрического напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц 30-3000 МГц
Государственный специальный эталон единицы мощности электромагнитных колебаний в коаксиальных трактах в диапазоне частот 0,03-18 ГГЦ 5-10’-25-10’Вт 110-’-2-103 21О’-4-1О’ ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон 2,010л-0,5-10*А/м 0,4-Ю2 1-10* ВНИИФТРИ
единицы напряженности магнитного поля в диапазоне частот 0,01-30 МГц
Государственный специальный эталон единицы напряженности электрического поля в диапазоне частот 0,0003-1000 МГц 0,2-10 В/м 0,5-102 1,5-102 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единицы силы тока высокой частоты в диапазоне 0,1-300 МГц 3-100 А 5-10ч 8,5-Ю-1 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон 0-360’ 0,0003-0,008 0,001-0,003 ВНИИМ
единицы угла фазового сдвига между двумя электрическими напряжениями в диапазоне 1 10 2-2-1 О’ ГЦ 1-10-’-210’Гц
Государственный специальный эталон единицы волнового сопротивления в коаксиальных волноводах 50; 75 Ом I-IOM-IO4 9-10-4-6-103 СНИИМ
Государственный специальный эталон 1-10 Тл 1-10* 7-1 О'6 ВНИИФТРИ
единицы магнитной индукции в диапазоне 1-10 Тл 4,2-300 К
Государственный первичный эталон единицы дифференциальной разностной парамагнитной 10|’-1022Тл1 2102 1-Ю2 ВНИИФТРИ
восприимчивости
Государственный специальный эталон 1-10*-20 А 5-10'6-110'1 1-10-М-104 ВНИИМ
единицы силы электрического тока в диапазоне частот 20—1-10*’ Гц 20-1-1 О'® ГЦ
Государственный специальный эталон 0,1-10 В 5-Ю*-5-1О» l-lO’-3-Ю4 ВНИИМ
единицы электрического напряжения в диапазоне частот от 20 Гц до 30 МГц 20 Гц-30 Мгц
Государственный первичный эталон 1-10 ’-20 А-м2 110’ 1-10-' ВНИИМ
единицы магнитного момента
Государственный специальный эталон единицы электрической емкости в диапазоне частот 1-100 МГц 10 Пф S-IOM-IO5 5-10М-10'' СНИИМ
Государственный специальный эталон 1-10 5-10* (жидк.); 5-10'в-8,5-104 (жидк.); ВС НИИФТРИ
единицы относительной диэлектри- 1-1(Н I-KH-S-IO4
ческой проницаемости жидких, (тверд.); (тверд.);
твердых и газообразных диэлектриков 2-10"-2-10в 2-10"
в диапазоне частот 1-10 ГГц (газообр.) (газообр.)
Государственный специальный эталон 1-10 1-10* 2Ю2-1-10' СНИИМ
единиц бикомплексной проницаемости в диапазоне частот 0,2-1,0 ГГц 1-10’-1 2-10"* э-ЮМ-Ю'1
Государственный специальный эталон 1-100 3-Ю’4 (тверд.); 5-104-7-104 (тверд.); ВС НИИФТРИ
единицы относительной диэлектри- ческой проницаемости твердых и 5-10"° (жидк.) МО^-З-Ю4 (жидк.)
жидких диэлектриков в диапазоне частот 10-1-107 Гц
216
Государственный специальный эталон 5; 6,25; 8; 10; 12: 15; 210-* 9-10* сниим
единицы начальной магнитной проницаемости при частоте 100 МГц 20; 25; 30
Государственный специальный эталон единицы относительной диэлектри- ческой проницаемости в диапазоне частот 1-200 МГц 1,0006 отн. ед. ЗЮ4 5-104 сниим
Государственный первичный эталон единицы электрической добротности 5-600 3.1(Н-3.1(У’ 5-10М-10* сниим
Государственный первичный эталон 0,1 ЛОМКГ’рад 1 • 10' рад 510‘7 рад ВНИИМ
единицы угла потерь 10 пф
Государственный специальный эталон l-10'-2-10s В/м 0,4-Ю4 1 -10-г-2-10а ВНИИОФИ
единиц максимальных значений 25-500 А/м
напряженности импульсных электрического и магнитного полей
Государственный специальный эталон 0,5-5-104 5-10*, 0,05‘ 1-10^-1 10 s. 0,5’ УНИИМ
1; 5 А при 50 Гц, 5-1-103 1-10*, 0,15’ l-10*-l-10s, 1,5’
единиц коэффициента и угла масштаб- ного преобразования синусоидального
, 189м, 5А
тока (МПСТ) при 400-1-104 Гц
Государственный специальный эталон 11(Г2-610’Вт 1- Ю*-1 10-* 5-10М 104 ВНИИМ
единицы электрической мощности в диапазоне частот 40-2500 Гц 40-2500 Гц
Государственный специальный эталон 10-2000 В/м 0,3 % 1,4-2,6 % ВНИИФТРИ
единицы напряженности электричес- кого поля в диапазоне частот 0-20 кГц
Государственный первичный эталон единицы плотности потока энергии ВНИИФТРИ
электромагнитного поля в диапазоне частот от 0,3 до 78,0 ГГц
9. Изм ерения акустических вел ичин
Государственный первичный эталон 0,02-2,0 Па 0,002-0,03 дБ 0,03-0,16 дБ ВНИИФТРИ
единицы звукового давления в воздушной среде 63 Гц-10 кГц
Государственный специальный эталон 1-1-10’ Па 0,5% 3% ВНИИФТРИ
единицы звукового давления в воде в 1-10'2-2-106 Гц l-102-2-106 Гц
диапазоне частот 1 • 10 2-1 • 106 Гц 2% 6%
2-105-Ы0‘Гц 2-10’-l-10e Гц
10. Оптические и оптико-физические измерения
Государственный первичный эталон 30-15000 кд 0,1-10* 0,25-1О2 ВНИИОФИ
единицы силы света
Государственный первичный эталон единицы средней мощности 0,08-0,80 Вт 0,03-10* 0.04-1О2 ВНИИОФИ
лазерного излучения Государственный специальный эталон единицы длины для спектроскопии 0,60578021 мкм 4 10л 5-10” ВНИИМ
Государственный специальный эталон 100,5 Вт/(ср-м2) 1-ю-3 110 s ВНИИМ
единицы энергетической яркости для для 273,15 К:
инфракрасного излучения 1173,5 Вт/(ср м2) для 505,12 К; 415) Вт/(ср-м2)
для 692,73 К
Государственный специальный эталон единицы угла вращения плоскости поляризации, разности фаз при линейном двулучепреломлении, коэффициентов линейного и кругового дихроичного поглощения -45-+45’ 2-104 2104 ВНИИОФИ
ТЪсударственный специальный эталон 1,4-109,0 1102-210» б-ю’-г-ю1 ВНИИОФИ
единиц координат цвета и координат цветности 0,0039 0,8338 2,5-105-2,5-10м‘ 5-10^-5-10*
Государственный специальный эталон единиц спектральной плотности энергетической яркости оптического излучения в диапазоне длин волн 0,04-0,25 мкм l-lO’-1-Ю1’Вт/(ср-м2) 2,7-102-1,9-10~2 2,0-102-1,6-1 О’2 ВНИИОФИ
217
Государственный первичный эталон ЫОМ-Ю12 Вт/(ср-м3) 0,06-10М. 102 0,0910-2-1.1010-2 ВНИИОФИ
единиц спектральной плотности энергетической яркости, спектраль- ной плотности силы излучения и спектральной плотности энергетичес- кой освещенности в диапазоне длин волн 0,25-25,00 мкм; силы излучения и энергетической освещенности в диапазоне длин волн 0,2-25,0 мкм М0М-Ю3 Вт/(срм) М02-М03Вт/м’ 10-100 Вт/ср 10-2000 Вт/м2 0,1102 0,14 102-1,36 102 0,15-102-l,37-102 0,1-Ю2
Государственный специальный эталон единицы мощности импульсного лазерного излучения в диапазоне длин волн 0.4-10,6 мкм 110-М Вт 1,5-Ю2 2,0102-3,5-102 ВНИИОФИ
Государственный специальный эталон единицы потока излучения при длине волны 0,95 мкм М02-2-Ю2 Вт 2-Ю’ 4-Ю3 ВНИИОФИ
Государственный первичный эталон единицы показателя преломления 1,4-2 тв. тела 1-4 жидкости МО* 110’ 2.10" 2-1О’7 ВНИИМ, ВНИИОФИ
Государственный специальный эталон единицы потока импульсного оптического излучения в диапазоне длин волн 0,8-1,0 мкм МОМ-Ю-’Вт МО2 2-Ю2 ВНИИОФИ
Государственный первичный эталон единиц спектрального коэффициента направленного пропускания в диапазоне 0,2-50 мкм. диффузионного и зеркального отражений в диапазоне 0,2-2,5 мкм 0,01-0,95 2 10* 5-10’ ВНИИОФИ
Государственный специальный эталон единицы энергетической освещенности малых уровней в диапазоне длин волн 1-50 мкм МОМ Вт/м2 МО* О.Об-Ю’-МО'2 ВНИИОФИ
11. Измерения характеристик ионизирующих излучений и ядерных констант
Государственный первичный эталон единиц активности радионуклидов, потока и плотности потока альфа-, бета-частиц и фотонов радионуклидных источников 10-5-10,2Бк МОМ-10° Бк-г1 5-5-К)4 част-с1, фотон е1; б'ЮММО’ част-с'-м2, фотон-с'-м2 110*-2103 М0*-2-103 1-Ю4-2-Ю3 МО'-Э-Ю3 мом-ю2 МО-’-З-Ю-3 510 s 5-10-’-2102 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы массы радия 21,283 мг 0,005 0,005 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единиц экспозиционной дозы, 310*’-510* Кл/кг 3-Ю1’-510'2 А/кг 0,002 0,007-0,01 ВНИИМ
мощности экспозиционной дозы и потока энергии рентгеновского и гамма-излучений 2-Ю*-21О* Вт 0,01 0,025
Государственный первичный эталон единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы б ета-и злуч е ни я МО3-100 Гр МОМ Гр/с 1,5-Ю2 3-Ю2 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единиц потока и плотности потока нейтронов МО’-МО’с* М0’-М0”с'.м’2 0,002-0,005 0,004-0,009 ВНИИМ
Государственный специальный эталон единицы активности нуклидов в бета-активных газах 5-МО3 Бк 8-Ю3 4-Ю-’ ВНИИФТРИ
Государственный первичный эталон единиц поглощенной ^озы и мощности поглощенной дозы фотонного и электронного излучений 1-110’Гр М0М102Гр/с 2-10’ 4-Ю3 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единицы объемной активности радиоактивных аэрозолей 710-2-4106Бк/м3 (7-Ю2-4Ювс1-м3) 5-Ю’2 5-Ю’2 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон единиц плотности потока нейтронов и флюенса нейтронов для ядерно- физических установок ЫОМ-Ю11 с1м2 М O’-МО” и2 0,3-10 2 0,7-Ю2 ВНИИФТРИ
Государственный специальный эталон M0M0 Вт МО2 51 а2 ВНИИМ
218
единицы потока энергии тормозного излучения с максимальной энергией фотонов от 0,8 до 8,0 пДж (от 5 до 50 МэВ) Государственный специальный эталон единицы поглощенной дозы рентге- новского излучения с максимальной энергией фотонов от 3 до 9 фДж (от 20 до 60 кэВ) 5-50 МэВ 5-10 -5 Вт/кг 1,510» 1-10» ВНИИМ
Государственный первичный эталон единиц потока электронов и потока энергии ускоренных электронов с максимальной энергией от 0,8 до 8,0 пДж (от 5 до 50 МэВ) I-IO^-I-IO14 с'1 МО4-! Вт МО2 3-102 ВНИИМ
Государственный первичный эталон единиц мощности поглощенной и эквивалентной доз нейтронного излучения 21010-11()’Гр/с (З-Ю^’-ГЮ’Вт/кг) 5101-510'г,Зв/с (510 w-5-10 s Вт/кг) 21(У» 3-102 510» 8-102 ВНИИФТРИ
Государственный первичный эталон единиц экспозиционной дозы, мощности экспозиционной дозы, потока и плотности потока энергии импульсного рентгеновского излучения 81(У’-ЗЮ4Кл/кг 810*-3105 А/кг 5Ю‘-310г’Вт 1102-110‘ Вт/м2 МО'2 210» 3-102 410» ВНИИМ
219
Классификация и общие требования по
созданию, хранению и применению эталонов
Классификация, назначение и общие требования
по созданию, хранению и применению эталонов ус-
тановлены ГОСТ 8.057.
Эталоны создают для воспроизведения и (или)
хранения единиц физических величин (далее — еди-
ниц) и передачи их размеров средствам измерений,
применяемым в стране с целью обеспечения единст-
ва измерений. При помощи эталона воспроизводят и
(или) хранят одну единицу или несколько взаимосвя-
занных единиц.
Эталоны по подчиненности подразделяют на пер-
вичные (исходные) и вторичные (подчиненные).
Основаниями для создания исходных эталонов яв-
ляются:
— широкое распространение образцовых и рабо-
чих средств измерений, градуированных в данных
единицах;
— целесообразность воспроизведения единицы в
одном органе государственной метрологической
службы;
— техническая возможность создания эталона и пе-
редачи размера единицы, воспроизводимой им, с не-
обходимой точностью.
Основанием для создания подчиненных эталонов
является целесообразность:
— предохранения исходного эталона от прежде-
временного износа;
— наиболее рациональной организации повероч-
ных работ;
— обеспечения сличений эталонов;
— контроля за неизменностью размера единицы,
воспроизводимой исходным эталоном.
Первичные эталоны в зависимости отусловий вос-
произведения единицы могут иметь разновидность—
специальные первичные эталоны (далее — специаль-
ные эталоны).
Первичные эталоны воспроизводят и (или) хра-
нят единицы и передают их размеры с наивысшей точ-
ностью, достижимой в данной области измерений.
Специальные эталоны воспроизводят единицы в
условиях, в которых прямая передача размера едини-
цы от первичного эталона с требуемой точностью тех-
нически неосуществима (высокие и сверхвысокие час-
тоты; малые и большие энергии, давления или темпе-
ратуры, особые состояния веществ и т.п.).
Первичные и специальные эталоны являются ис-
ходными для страны и их утверждают в качестве го-
сударственных эталонов. Им присваивают наимено-
вание „Государственный первичный эталон" или „Го-
сударственный специальный эталон".
К вторичным эталонам относят эталоны-копии,
эталоны сравнения и рабочие эталоны.
Эталоны-копии предназначены для передачи раз-
мера единицы рабочим эталонам.
Эталоны сравнения предназначены для взаимно-
го сличения эталонов, которые по тем или иным при-
чинам нельзя непосредственно сличать друг с другом.
Рабочие эталоны предназначены для поверки об-
разцовых и наиболее точных рабочих средств изме-
рений.
Воспроизведение и (или) хранение единицы до-
пускается осуществлять одиночными средствами из-
мерений, входящими в состав эталонов, их группой
или набором. По этому признаку эталоны подразде-
ляют на одиночные и групповые эталоны, а также эта-
лонные наборы.
Одиночный эталон состоит из одного средства из-
мерений или одной измерительной установки, обес-
печивающих воспроизведение и (или) хранение еди-
ницы самостоятельно, без участия других средств из-
мерений того же типа.
Групповой эталон состоит из совокупности одно-
типных средств измерений, применяемых как одно
целое для повышения точности и метрологической
надежности эталона.
Допускается создавать групповые эталоны посто-
янного и переменного составов.
В групповые эталоны переменного состава вхо-
дят средства измерений, периодически заменяемые
новыми.
Отдельные средства измерений, входящие в груп-
повой эталон, допускается применять в качестве оди-
ночных эталонов меньшей точности, если это не про-
тиворечит правилам хранения и применения эталона.
Эталонный набор представляет собой набор
средств измерений, позволяющих хранить единицу
или измерять физическую величину в определенном
диапазоне, в котором отдельные средства намерений
имеют различные номинальные значения или диапа-
зоны измерений. Различают эталонные наборы посто-
янного или переменного состава.
Порядок разработки, утверждения, регистрации,
хранения и применения государственных и вторич-
ных эталонов установлен ГОСТ 8.372.
Государственные эталоны создает, утверждает, хра-
нит и применяет Госстандарт РФ.
Точность воспроизведения единицы и передачи ее
размера должна соответствовать уровню лучших ми-
ровых достижений и удовлетворять потребностям на-
родного хозяйства страны.
220
В состав государственных эталонов следует вклю-
чать средства измерений, при помощи которых:
— воспроизводят и (или) хранят единицу;
— контролируют условия измерений и неизменность
воспроизводимого и хранимого размера единицы;
— осуществляют передачу размера единицы.
Допускается включать в состав эталонов другие
специально для него созданные технические средст-
ва (в том числе устройства для автоматической реги-
страции и обработки показаний).
Вторичные эталоны создают, хранят и применя-
ют министерства (ведомства).
Утверждают вторичные эталоны главные центры
(центры) государственных эталонов по специализа-
ции (далее — центры эталонов).
Вторичные эталоны по метрологическим характе-
ристикам должны удовлетворять требованиям госу-
дарственных поверочных схем.
В состав вторичных эталонов следует включать
средства измерений, при помощи которых:
— хранят единицу и контролируют условия хране-
ния;
— передают размер единицы (если такие средства
имеются).
Допускается применять одно средство измерений
для передачи размера единицы от нескольких этало-
нов, находящихся в одном центре эталонов, органе
государственной метрологической службы или иной
метрологической службе. В этом случае его включа-
ют в состав одного из этих эталонов.
Составляющие погрешностей эталонов и способы
их выражения должны соответствовать ГОСТ 8.381.
Передачу размеров единиц от эталонов следует про-
изводить в соответствии с поверочными схемами, тре-
бования к которым установлены ГОСТ 8.061.
В течение всего срока службы эталонов необходи-
мо исследовать их свойства с целью обеспечения не-
изменности размеров воспроизводимых и (или) хра-
нимых ими единиц и повышения точности эталонов.
Государственные эталоны подлежат международ-
ным сличениям,
Для наблюдения за правильным хранением, сли-
чением и исследованием эталонов, а также выполне-
нием других требований назначают ученых храните-
лей эталонов.
Функции ученых хранителей эталонов, хранимых
и применяемых в центре эталонов или органе госу-
дарственной метрологической службы, устанавлива-
ют положением об ученом хранителе эталонов (см.
приложение).
Функции ученых хранителей вторичных эталонов,
хранимых и применяемых в иных метрологических
службах, устанавливают ведомственными положения-
ми об ученом хранителе вторичных эталонов.
Ведомственные положения об ученом хранителе
вторичных эталонов должны соответствовать поло-
жению, указанному в приложении, с учетом специфи-
ческих требований министерств (ведомств).
Систематический контроль за состоянием вторич-
ных эталонов, хранящихся в подразделениях метро-
логических служб, возлагают на центры эталонов, хра-
нящие соответствующие государственные эталоны.
В случае если невозможно применить государст-
венный эталон (отказ, утрата и др.), его функцию по
решению Госстандарта временно передают вторично-
му эталону или образцовому средству измерений выс-
шей точности.
По международной и национальной принадлежно-
сти эталоны подразделяют на национальные, между-
народные и межгосударственные.
Национальный эталон —эталон, признанный офи-
циальным решением служить в качестве исходного.
Международный эталон — эталон, принятый по ме-
ждународному соглашению в качестве международной
основы для согласования с ним по размеру единиц на-
циональных эталонов.
Межгосударственный эталон — международный
эталон СНГ, утвержденный в установленном порядке,
обеспечивающий воспроизведение и хранение едини-
цы физической величины с точностью, удовлетворяю-
щей потребностям стран-членов СНГ, предназначен-
ный и применяемый для передачи размеров единиц
эталонам заинтересованных государств содружества.
Межгосударственные эталоны воспроизводят еди-
ницы Международной системы единиц (СИ). В необ-
ходимых случаях межгосударственные эталоны вос-
производят единицы величин, не входящие в СИ, но
допускаемые к применению по международным согла-
шениям.
Порядок создания, утверждения, применения меж-
государственных эталонов, используемых для обеспе-
чения единства измерений при экономическом и на-
учно-техническом сотрудничестве, а также в народном
хозяйстве государств-участников Соглашения „О про-
ведении согласованной политики в области стандар-
тизации, метрологии и сертификации" (далее — Согла-
шение) регламентируется Положением о межгосудар-
ственном эталоне.
Межгосударственные эталоны создают с целью
обеспечения единства измерений как при осуществ-
лении межгосударственных связей в процессе эконо-
мического и научно-технического сотрудничества, так
и при метрологическом обеспечении народного хо-
зяйства государств-участников Соглашения.
В целях содействия обеспечению единства изме-
рений в международном масштабе межгосударствен-
ные эталоны могут сличаться с эталонами Между-
народного Бюро Мер и Весов (МБМВ) и (или) с на-
циональными эталонами стран, не являющимися
участниками Соглашения. Государства—участники Со-
глашения должны быть проинформированы о резуль-
татах сличений.
Межгосударственные эталоны создают на основе:
— одного или нескольких существующих государ-
ственных эталонов государств — участников Соглаше-
ния (межгосударственный одиночный или групповой
эталон);
— комплекса средств измерений, специально раз-
работанного для последующего утверждения в каче-
стве межгосударственного (в соответствии с предва-
рительно согласованными требованиями) двумя или
более заинтересованными государствами — участни-
ками Соглашения.
Приоритетным является создание межгосударст-
венных эталонов в областях метрологической дея-
тельности государств—участников Соглашения, обес-
печивающей реализацию их экономического и науч-
но-технического сотрудничества, в частности:
221
— при взаимных межгосударственных поставках
продукции, особенно в случаях ее обязательной сер-
тификации и необходимости выполнения арбитраж-
ных измерений эталонного уровня точности;
— при межгосударственном сотрудничестве в об-
ласти охраны окружающей среды, здравоохранения,
техники безопасности и других социально значимых
областях.
Приоритетным является также создание межгосу-
дарственных эталонов в видах измерений, в которых
поверочные схемы регламентированы межгосударст-
венными нормативными документами.
Межгосударственные эталоны возглавляют' соот-
ветствующие межгосударственные поверочные схемы
и применяются государствами — участниками Согла-
шения в порядке, предусмотренном указанными по-
верочными схемами и документацией на эталоны.
Научно-техническая комиссия по метрологии (да-
лее — НТКМетр) Межгосударственного Совета по
стандартизации, метрологии и сертификации плани-
рует создание межгосударственных эталонов на осно-
ве предложений 1 осударств—участников Соглашения
в порядке, предусмотренном соответствующими меж-
государственными нормативными документами, при-
нятыми в установленном порядке.
НТКМетр организует научно-техническое сотруд-
ничество заинтересованных государств -участников
Соглашения по созданию межгосударственных этало-
нов ггутем координации и совместного проведения на-
учных исследований и разработок, а также других
форм, которые сотрудничающие государства сочтут
целесообразными.
Государственные эталоны государств—участников
Соглашения, предлагаемые как основа для создания
межгосударственных эталонов, должны удовлетво-
рять следующим требованиям:
— метрологические характеристики государствен
ною эталона, на основе которого создают межгосу
дарственный одиночный эталон, должны удовлетво-
рять потребностям сотрудничества государств — уча-
стников Соглашения и превышать характеристики
других государственных эталонов государств- учас iни-
ков Соглашения (в случае их наличия).
— метрологические характеристики государствен-
ных эталонов, на основе которых создают межгосудар-
ственный групповой эталон, должны находится на од-
ном уровне точности и превышать характеристики
других государственных эталонов государств — участ-
ников Соглашения (в случае их наличия), а усреднен
ные метрологические характеристики межгосударст-
венного I рупп' >вого эталона должны удовлетворять по-
требностям сотрудничества государств — участников
Соглашения.
Для принятия решения о признании государствен-
ных эталонов в качестве межгосударственных прово-
дят анализ метрологических характеристик и резуль-
татов исследования государственных эталонов, и, при
необходимости, взаимные сличения соответствую-
щих государственных эталонов.
Комплексы средств измерений, предназначенные
для их применения в качестве межгосударственных
эталонов, создают на основе договора между двумя
или более заинтересованными государствами — уча-
стниками Соглашения. Для принятия решения об их
утверждении в качестве межгосударственных прово-
дят исследования эталонов и, при необходимости и
возможности, сличения (или сопоставление по опуб-
ликованным данным) с эталонами МБМВ и (или) эта-
лонами других стран, метрологические характеристи-
ки которых находятся на мировом уровне.
Состав межгосударственных эталонов и способы
выражения их погрешностей определяются требова-
ниями, регламентированными соответственно
ГОСТ 8.057 и ГОСТ 8.381 в отношении государствен-
ных эталонов.
По результатам создания межгосударственных эта-
лонов оформляют документацию на межгосударсз вен-
ные эталоны, в том числе паспорт эталона. Допуска-
ется в качестве документации на межгосударственные
эталоны использовать документацию на государствен-
ные эталоны, оформленную в установленном поряд-
ке.
Межгосударственные эталоны утверждает межго-
сударственный совет по стандартизации метрологии
и сертификации (далее — МГС) по представлению
НТКМетр.
Примечание. Одновременно с межгосударствен-
ным эталоном утверждается нормативный документ,
регламентирующий соответствующую межгосударст-
венную поверочную схему.
Отказ какого-либо из государств от признания
межгосударственного эталона не препятствует утвер-
ждению этого эталона (если за это решение проголо-
сует не менее трех государств — участников Соглаше-
ния).
Государственные эталоны, утвержденные в каче-
стве межгосударственных одиночных эталонов либо
входящих в состав межгосударственных групповых
эталонов, хранят в стране, государственным эталоном
которой он является (именуемой далее страна — хра-
нитель).
Одну из стран — хранителей государственных эта-
лонов, входящих в состав межгосударственного груп-
пового эталона, определяют страной — координато-
ром межгосударственного группового эталона.
Страна — хранитель межгосударственного этало-
на, разработанного на основе договора между двумя
и более заинтересованными государствами, опреде-
ляется условиями договора.
Утверждение государственных эталонов в качест-
ве межгосударственных одиночных эталонов или
включение их в состав межгосударственных группо-
вых эталонов не затрагивает права собственности на
эти эталоны.
Право собственности на межгосударственные эта-
лоны, разработанные на основе договора между дву-
мя или более заинтересованными государствами, оп-
ределяется условиями договора.
Межгосударственные эталоны применяют для пе-
редачи размеров единиц величин, воспроизводимых
этими эталонами, эталонам государств — участников
Соглашения в порядке, предусмотренном межгосудар-
ственными поверочными схемами.
Передача размеров единиц эталонам государств —
участников Соглашения от межгосударственных эта-
лонов, а также другие метрологические работы, выпол-
няемые для заинтересованных государств, осуществля-
ют на договорной основе со странами — хранителями
222
межгосударственных эталонов. Расходы по транспор-
тированию эталонов, проезду и пребыванию специа-
листов в странах — хранителях межгосударственных
эталонов, связанные с выполнением указанных работ,
несут государства, заинтересованные в проведении ра-
бот с использованием межгосударственных эталонов.
Работы выполняют по графикам метрологических
работ, разрабатываемым странами — хранителями
межгосударственных эталонов (странами — координа-
торами межгосударственных групповых эталонов) в
соответствии с планами работы НТКМетр и заявка-
ми (предложениями) заинтересованных государств.
Страны — хранители межгосударственных одиноч-
ных эталонов или страны — координаторы межгосу-
дарственных групповых эталонов один раз в пять лет
представляют в НТКМетр информацию о состоянии
межгосударственных эталонов, в т.ч. о результатах их
исследований и сличений. НТКМетр также рассмат-
ривает предложения по совершенствованию межго-
сударственных эталонов, а при необходимости, отме-
ны межгосударственного эталона. Решения по этим
вопросам принимает МГС по представлению
НТКМетр.
В случае временного прекращения действия меж-
государственного эталона страна — хранитель (стра-
на — координатор) эталона информирует об этом дру-
гие страны, одновременно сообщая о предложениях
по восстановлению функционирования эталона.
Государства — участники Соглашения, ранее неза-
интересованные в отдельных межгосударственных
эталонах, могут принять решения о применении в
дальнейшем этих эталонов, уведомив об этом
НТКМетр и Технический секретариат МГС.
Регистрацию межгосударственных эталонов и пуб-
ликацию информации об их утверждении или отме-
не осуществляет Технический секретариат МГС.
ПОЛОЖЕНИЕ
об ученом хранителе эталонов, хранимых и при-
меняемых в центре эталонов или органе государствен-
ной метрологической службы
Хранение эталонов является научной деятельно-
стью, направленной на изучение и учет всех возмож-
ных изменений свойств эталонов и обеспечение не-
изменности размера единицы, воспроизводимой и
(или)хранимой эталоном.
Для обеспечения высококвалифицированного ру-
ководства этой деятельностью устанавливают специ-
альную категорию должностные лиц: ученых храни-
телей эталонов.
Ученых хранителей государственных эталонов ут-
верждает Госстандарт РФ из числа ведущих в данной
области специалистов-метрологов по представлению
директоров соответствующих центров эталонов.
Ученых хранителей вторичных эталонов утвер-
ждают директора центров эталонов или руководите-
ли органов государственной метрологической служ-
бы, в которых хранят и применяют эталоны.
Если государственный и вторичный эталоны хра-
нят в одном центре или органе, ученый хранитель го-
сударственного эталона может являться также храни-
телем вторичных эталонов.
Основными функциями ученых хранителей госу-
дарственных эталонов являются:
— наблюдение за выполнением правил хранения
и применения данного эталона или совокупности эта-
лонов;
— сличение эталонов с эталонами других стран, а
также вторичных эталонов той же единицы с храни-
мым эталоном и анализ результатов сличений;
— сбор и систематизация информации о работах
по эталонам, проводимых в метрологических учреж-
дениях других стран, и составление обзоров с анали-
зом работ;
— участие в исследованиях и периодической атте-
стации эталона и составление ежегодных отчетов о
работах с эталоном и его состоянии. Подготовка пред-
ложений по дальнейшему совершенствованию этало-
нов и улучшению условий их хранения;
— оформление документов о результатах сличений
с эталонами других средств измерений;
— представление директору центра эталонов, в ко-
тором хранят государственный эталон, информации
о всех обстоятельствах, создающих опасность изме-
нения размера воспроизводимой единицы;
— представление научно-техническому совету цен-
тра эталонов информации о состоянии государствен-
ного эталона и вторичных эталонов, состоянии и на-
учном уровне аналогичных эталонов других стран, ре-
зультатах сличений эталонов и внесении предложений
по дальнейшему их совершенствованию;
Основными функциями ученых хранителей вто-
ричных эталонов являются:
— наблюдение за выполнением правил хранения
и применения данного эталона или совокупности эта-
лонов;
— организация работ по применению эталонов в
зависимости от их назначения;
— участие в исследованиях и периодической атте-
стации эталона и составление ежегодных отчетов о
проведенных работах с эталоном и его состоянии.
Подготовка предложений по улучшению условий хра-
нения эталона;
— оформление документов о результатах сличений
с эталоном других средств измерений;
— представление директору центра или руководи-
телю органа, в котором хранят эталон, информации
о всех обстоятельствах, создающих опасность для из-
менения размера хранимой единицы.
А.П. Себекин
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерение
геометрических величин
224
История развития и современное состояние
эталонных измерений длины
Над научным выбором рациональных единиц дли-
ны и воспроизведением их в виде эталонов реально
стали работать лишь в XVIII в, Начало этому движе-
нию было положено во Франции и там же, во время
революции 1789-1799 гг., была создана первая едини-
ца и мера длины, исходным значением которой по-
служили элементы поверхности Земли.
К концу XVIII в. множественность и разнообразие
мер в Европе вносило неимоверный хаос в междуна-
родные торговые связи. Необходимо было создать
единую систему мер „на все времена для всех народов".
К этому времени больших успехов достигли тео-
ретическая и практическая геодезия. Изучение и ис-
следование формы и размеров Земли позволило фран
цузским ученым Ж. Лагранжу, П. Лапласу в 1791 г.
предложить в качестве научно обоснованного Есте-
ственного" эталона единицы длины одну сорокамил
лионную часть длины меридиана, проходящего через
Париж.
При этом для практического определения длины
меридиана комиссия выбрала его дугу между Дюнкер-
ком и Барселоной, длиною около 9”40', концы кото-
рой опирались на моря. Зная длину этой дуги из ре-
альных астрономо-геодезических измерений, можно
было затем экстраполяцией получить значение чет-
верти меридиана и вычислить одну десятимиллион-
ную ее часть.
Небывалое по размерам и точности измерение, по-
лучившее в истории геодезии название „Большое
французское градусное измерение" заняло шесть лет
(1792-1798 гг.). В 1799 г. были наконец закончены все
работы по установлению нового эталона: завершены
геодезические измерения, выполнены вычисления
длины меридиана и изготовлена искусственная мера,
предназначенная для передачи значения естественно-
го эталона измеряемым изделиям. 22 июня 1799 г. гол-
ландец Ян Хендрик ван Свинден предст авил эту меру
Французскому Законодательному Собранию в качест-
ве стандарта длины Метрической системы.
10 декабря 1799 г. эта новая „истинная" мера была
узаконена во Франции и передана для хранения во
Французский архив, почему и получила название „ар-
хивного" метра. „Архивный" метр представлял собой
платиновую линейку сечением 25 х 4 мм с хорошо от-
полированными концами. Уровень техники того вре-
мени позволял измерять расстояние между двумя кон-
цами точнее, чем между штрихами. Точность воспро-
изведения „архивного" метра составляла 20 мкм.
Название новой единицы длины „метр" приписы-
вают предложению Ж. Борда, и, вероятно, оно про-
исходит от греческого слова „ р£Тро}“, означающего
„мера, единственная в своем роде".
Однако недостаточная точность воспроизведения
эталона и изменяющиеся размеры Земли не позволи-
ли увековечить эталон единицы измерения длины на
все времена. Уже в середине XIX в. возникла необхо-
димость выбрать более удобный и хорошо воспроиз-
водимый эталон метра. В мае 1875 г., в Париже была
подписана Международная Метрическая конвенция и
организовано Международное бюро мер и весов, на ко-
торое была возложена задача усовершенствования и
хранения эталонов единиц измерения. Изготовление
нового эталона единицы длины длилось с 1875 по
1886 г. Из специального сплава платины с иридием (Р1 —
90 %, 1г—10 %) было выплавлено в Лондоне 30 жезлов.
На полированной внутренней поверхности этих мер в
Парижской консерватории искусств и ремесел были на-
несены штрихи так, что расстояние между ними с воз-
можной для того времени точностью воспроизводило
длину „архивного" метра. Из 30 жезлов лучшим по ка-
честву штрихов и по точности воспроизведения дли-
ны метра оказался жезл, носящий знак „б“. Именно этот
метр и был избран в качестве нового международного
эталона на 11енеральной конференции по мерам и ве-
сам, собравшейся в сентябре 1889 г. Международный
прототип метра в до 1971 г. хранился вместе с килограм-
мом в Международном бюро мер и весов. Остальные
метры-эталоны были распределены по жребию между
странами-участниками Метрической конвенции. С
26 сентября 1889 г. эталон метра стал определяться дли
ной международного прототипа при 0 °C.
Длина прототипа метра была определена в Меж
дународном бюро мер и весов с неопределенностью
0,1 мкм. а величина отклонения длины национальных
эталонов сравнения от его длины составляла не бо-
лее 0,2 мкм. Такая точность в течение 70 лет удовле-
творяла физику и технику. Постоянные наблюдения
за международным прототипом и национальными го-
сударственными эталонами различных стран показа-
ли их сравнительную неизменность во времени.
Однако бурное развитие физики и техники, осо-
бенно за последние десятилетия XX века, потребова-
ло еще более высокой точности определения линей-
ных размеров. Да и стремление к универсальности
эталона единицы длины никогда не покидало метро-
логов.
Еще й 1827 г. французский физик Ж. Бабине пред-
ложил определить единицу длины через длину свето-
вой волны излучения натрия. Ж. Бабине мог говорить
только о свете натрия, так как в это время натриевое
пламя было почти единственным источником моно-
хроматического излучения. Реальная же возможность
такого использования длины световой волны появи-
лась лишь после 1887 г., когда американский физик
---- 225
Майкельсон разработал первые методы применения
явления интерференции световых волн для измере-
ния длины. Классическая работа Майкельсона, выпол-
ненная им в Международном бюро мер и весов в 1892-
1893 гг., явилась первым сравнением метра с длиной
световой волны. В этой работе в качестве источника
света Майкельсоном была использована специально
сконструированная им для этой цели лампа, излучаю-
щая спектр паров кадмия. Длина волны /1=643,85 нм
красной линии Cd, как наиболее простая и яркая из
изученных им спектральных линий, была применена
для сравнения с длиной прототипа метра.
Требования к повышению точности эталона еди-
ницы длины (платино-иридиевый прототип метра не
может дать точности воспроизведения выше 0,1-
0,2 мкм), а также целесообразность установления ес-
тественного эталона привели к тому, что XI Генераль-
ная конференция по мерам и весам в 1960 г. приняла
в качестве эталона единицы длины метр, выраженный
в длинах световых волн.
В резолюции XI конференции по мерам и весам о
новом определении метра указывалось, что, с одной
стороны, международный прототип не определяет
метр с точностью, достаточной для современных по-
требностей, и что, с другой — желательно принять ес-
тественный и неразрушаемый эталон, поэтому конфе-
ренция решила:
1. Метр, есть длина, равная 1650763,73 длин волн
в вакууме излучения, соответствующего переходу ме-
жду уровнями 2 До и 5 d5 атома криптона-86.
2. Определение метра, действующее с 1889 г., ос-
нованное на международном платино-иридиевом эта-
лоне, отменяется.
3. Международный прототип метра, утвержден-
ный I Генеральной конференцией по мерам и весам в
1889 г., будет храниться в Международном бюро мер
и весов в таких же условиях, какие были установлены
в 1889 г.
Переход на новое определение метра через эта-
лонную длину световой волны дал возможность вос-
произведения его в отдельных метрологических ла-
бораториях и повысил точность по сравнению с пла-
тино-иридиевым прототипом больше чем в 10 раз.
Физические принципы применения эталонного
источника излучения для выражения метра в длинах
световых волн заключаются в следующем.
Как известно, возбужденные пары и газы излуча-
ют свет, в спектре которого имеется ряд линий — ли-
нейчатый спектр. Каждая линия в спектре, соответст-
вующая излучению с определенной длиной волны, да-
ет монохроматический свет. Расположение линий в
спектрах и их длины волн находятся в строгом соот-
ветствии с атомным строением вещества излучающе-
го элемента. Атомы излучают свет вследствие измене-
ния внутренней энергии, зависящей от взаимного рас-
положения ядра атома и внешних слоев окружающих
его электронов. При этом атомы могут находиться
только в определенных энергетических состояниях.
Энергии этих состояний расположены на различных
уровнях, ступени между которыми и сами энергии раз-
личны для атомов разных элементов. В нормальном со-
стоянии атомы не излучают и обладают минимальной
энергией Ео . После возбуждения атома он переходит
в одно из возможных состояний с более высоким уров-
нем энергии , Е2 и т.д. Затем атом самопроизволь-
но возвращается в какое-либо допустимое энергетиче-
ское состояние с низшим уровнем энергии. Этот про-
цесс связан с излучением световой энергии. Согласно
квантовой теории атома излучаемая частота и опре-
деляется условием
и=(£2-£1Ул,
где Е2 — энергия уровня, с которого совершается
переход; Et — энергия уровня, на который соверша-
ется переход; h — постоянная Планка.
Длина волны, соответствующая частоте и при рас-
пространении света в пустоте со скоростью с,
Л=с/ V-
Каждый переход атома с одного энергетического
уровня на другой соответствует излучению одной ли-
нии. Величину, обратную длине волны 1/Л, называ-
ют волновым числом и выражают в метрах в минус
первой степени (м1).
При подстановке в формулу значения и его выра-
жение через длины световой волны переходит к вол-
новым числам. При этом получают следующую зави-
симость:
l/A=(E2-E})/ch.
Величины E/ch называют спектральными терма-
ми.
При изучении спектров излучения элементов ис-
ходят из вычисленных волновых чисел и составляют
схему спектральных термов. Для получения монохро-
матического света применяют источники, в которых
свечение вызывает электрический ток, проходящий
через газ или пар. Отдельные спектральные линии из-
лучения источника выделяют при помощи свето-
фильтров или монохроматоров. При измерениях дли-
ны световыми волнами применяют лампы, заполнен-
ные инертными газами (криптоном, гелием, неоном),
и лампы с ртутью и кадмием.
Теоретически длина волны любого излучения ато-
ма, являясь константой, может служить для точного
определения единицы длины.
Однако даже в идеальном случае вследствие раз-
мазанности (конечной ширины) уровней энергии в
атоме излучаемая спектральная линия представляет
собой некоторое симметричное распределение све-
товой энергии — интенсивности линии по шкале час-
тот. Идеальная монохроматическая линия расшире-
на на некоторый интервал частот. Распределение ин-
тенсивности спектральной линии по частоте
представляется в виде ее контура, ширина которого
при спадании интенсивности наполовину называет-
ся шириной спектральной линии. Тогда длина волн
светового излучения относится к середине максиму-
ма естественного контура линии.
Спектр излучения монохроматического источни-
ка искажается добавочными возбуждениями атомов.
Наличие электрических и магнитных полей в газовом
разряде, нагревание, соударение излучающих атомов
с другими атомами являются причинами возмущения
уровней и, следовательно, расширения линии и
8 Зак. 450
226
смещения максимума контура по шкале частот. Таким
образом, действительный контур линии значительно
шире естественного и может быть несимметричным.
Исследованиями спектральных линий с помощью
интерференции света установлено, что почти все они
обладают сложным строением - сверхтонкой струк-
турой. Наличие сверхтонкой структуры связано с изо-
топическим составом элементов и присутствием изо-
топов в естественных элементах. Четно-четные эле-
менты (с четной атомной массой и четным номером
в периодической системе элементов) из лучают линии
с простым контуром. Такие элементы начали получать
в последнее время ь результате развития техники раз-
деления изотопов. Чем проще конгур, тем точнее
можно воспроизвести его максимум, а, следователь-
но, и длину световой волны.
Первым монохроматическим источником света
было пламя в парах натрия и, еще в 1827 г., Ж. Баби-
не предложил определить единицу длины через дли-
ну волны „желтой’* линии, выделяемой спектроско-
пом. Однако реальная возможность такого определе-
ния появилась позже при изучении явления
интерференции света.
В 1892 г. А. Майкелвсон и Ж. Бенуа сделали первое
сравнение длины волны красной линии кадмия с дли-
ной международного эталона метра, представляюще-
го собой стержень из сплава платина-иридий с выгра-
вированными штрихами, с помощью двухлучевого ин-
терферометра [1]. В 1905 г. такое измерение было
повторено с большей точностью Ж, Бенуа, С. Фабри и
А. Перо [2]. Они применили пять интерферометров
Фабри-Перо с длинами от 6,25 см до 100 см; определя-
лось число длин волн красной линии кадмия, содержа-
щихся в самом коротком интерферометре, а длина ка-
ждого интерферометра сравнивалась с длиной следую-
щего ио величине с помощью интерференционных
полос в белом свете. Далее определялась разница меж
ду длиной 100 см интерферометра и длиной штрихо-
вого эталона метра. В результате была определена дли-
на волны Л. красной линии кадмия в сухом воздухе при
15 °C и давлении 760 мм рт.ст.: /=6438,469610 м с отно-
сительной погрешностью 1-1 О’’.
После этих измерений быт определен ангстрем (А)
как 1/6438,4696 длины волны красной линии кадмия.
Такое определение ангстрема фактически явилось про
образом формы определения метра I960 г,, которое
превратило ангстрем в 101пм.
Позднее Ж. Сирсом и Н. Баррелом были сделаны
прямые измерения длины волны в вакууме [3]. Они
воспользовались тремя интерферометрами Фабри-
Перо, самый большой имел длину около метра, раз-
делителями служили цилиндры из инвара с оптиче-
ски плоскими торцами, к которым прижимались пла-
стины интерферометра, так что соединения были
герметичны и интерферометры вакуумировались.
Конструкция и форма созданной Майкельсоном
кадмиевой лампы была утверждена в 1927 г. на 11 Гене-
ральной Конференции по Мерам и Весам (ГКМВ), а
сама эталонная длина волны была рекомендована в ка-
честве естественного эталона—свидетеля метра. С тех
пор и до 1960 г. существовала двойственность в опре-
делении метра, и начались работы по измерениям длин
волн и исследования их воспроизводимости в различ-
ных монохроматических источниках света. В эти ра-
боты большой вклад внес и ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева. Под руководством М.Ф. Романовой в 1941 г. бы-
ло закончено сравнение красной линии кадмия с дли-
ной штрихового эталона метра № 28 [4]. Проводились
работы по сужению линий излучения спектральных
ламп, а с появлением методов разделения изотопов бы-
ли созданы одноизотопные лампы с криптоном 86,
ртутью 198 и кадмием 114 [5].
В 1953 г. был организован Консультативный коми-
тет МКМВ по определению метра. На его первом засе-
дании разбирались три предложения по эталону еди-
ницы длины и длины волны: красная линия кадмия 114
(СССР), зеленая линия ртути 198 (США) и желто-зеле-
ная линия криптона 84 (ФРГ) Однако только 1енераль-
ная конференция I960 г. приняла новое определение
метра, утвердив в качестве эталона длину волны оран-
жевой линии криптона 86 и определив единицу дли-
ны таким образом- „метр равен 1650763,73 длин волн
излучения, определяемого переходом 2/>-5/ атома
крипт она 86**. От носительная погрешность воспроиз-
ведения единицы длины (длины волпы) составляла
4-10*“. Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева была создана
эталонная лампа с криптоном 86 [6], и соблюдены ус-
ловия возбуждения спектра криптона в соответствии
со спецификацией, что является главным при воспро-
изведении метра.
Таким образом, источник монохроматического
света обеспечивал, отныне, воспроизведение едини-
цы длины, а также его передачу в практику с помощью
оптических интерферометров для измерения штри-
ховых и концевых мер длины или спекроинтерферо-
метров для измерения длин волн.
Новые возможности появились после изобретения
лазеров - монохроматических источников света с вы-
сокой степенью временной и пространственной коге-
рентностью. Наиболее важными явились работы по
стабилизации частоты (длины волны) излучения гелий-
неоновых лазеров с длинами волн /=0.638 мкм в види-
мой области спектра и /=3,39 мкм в инфракрасной об-
ласти, Уже Консультативному Комитету по метру 1973 г.
были представлены He-Ne лазер, стабилизированный
методом насыщенного нелинейного поглощения в па-
рах йода 127 (Х=0.633 мкм.) и Не Ne лазер, стабилизи-
рованный по поглощению в метане (Х=.3,.39 мкм). Встал
вопрос о замене криптона 86 на более стабильный по
частоте лазерный источник. В это же время были дос-
тигнуты успехи по прямым измерениям оптической
частоты лазеров, в том числе He-Ne лазеров, стабили-
зированных по поглощению в метане. Появилась, на-
конец, возможность вычисления скорости света из
уравнения с = /• к, где v определена исходя из этало-
на частоты, а / из эталона метра, т.е. был перекинут
мост между измерениями частоты и длины волны. Зна-
чение скорости света, определенное из уравнения, сов-
пало со значением, полученным по последним интер-
ференционным измерениям, т.о. значение скорости
распространения света стало достоверным с погреш-
ностью 4-ПУ9 — погрешностью криптонового эталона
метра. Эти успехи позволили ГКМВ принять в качест-
ве значения скорости распространения электромагнит-
ных волн в вакууме с =299792458 м/сек.
=^^=^===^=^=— 227
Литература:
1. Michelson A.A., Benoit J.R. Trav. et Mem. Int. Bur.Poinds
etMes., 11, 1, 1895.
2. Benoit J.R., Fabry C., Perot A. Trav. et Mem. Bur. Int.Poids
etMes., 15, 1, 1913.
3. Sears J.E., Barrel H. Phil. Trans. Roy. Soc., A231.75,1932
A233, 143, j 934.
4. Романова М.Ф. Интерференционные измерения в мет-
рологии // Оптика и спектроскопия. —1957. — Т. 3. — Вып. 5.
-С. 457 472.
5. 11-me Conf. Gen. Poids et Mes. Gauther-Villars, 1960,
p. 51, 85.
6. Батарчукова H.P. Новый эталон для воспроизведения
единицы длины / / Труды институтов комитета. — Стандарт-
на, 1961.-Вып. 17 (107).-С.5 21.
В. Л. Шур
228
Государственный первичный эталон единицы
длины
Определение единицы
XVII Генеральная конференция по мерам и весам
(ГКМВ) (20.10.1983 г.) определила метр как длину пу-
ти, проходимого светом в вакууме за промежуток вре-
мени равный 1/с секунды, где с =299792458 м/с —ско-
рость света, принятая как постоянная неизменная ве-
личина.
9-я сессия Консультативного комитета по опреде-
лению метра (ККОМ) (с 1997 г. — Консультативный
комитет подлине (ККД)) (CCL) в сентябре 1997 г. при-
няла рекомендацию С1 (1997), в которой приведен пе-
речень рекомендованных частот и длин волн излуче-
ний в вакууме; одной из рекомендованных линий яв-
ляется поглощающая линия молекулы 127J2, переход
11-5, вращательной линии R(127), компонента а13
(или i), для которой установлены следующие значе-
ния:
/ = 473612214705 кГц
Л = 632,99139822 нм
с относительной неопределенностью 2,5-10 ". Эти
значения относятся к He-Ne лазеру с внутрирезона-
торной ячейкой поглощения с использованием мето-
да стабилизации по 3-ей гармонике.
Состав эталона
Эталон состоит из комплекса следующих средств
измерений:
— источники эталонного излучения He-Ne/J2 — ла-
зеры № 01 и № 02, стабилизированные по линии на-
сыщенного поглощения в молекулярном йоде 127;
— установка для измерения отношений длин волн
источников излучения № 1;
— интерференционный компаратор с лазерным
интерференционным рефрактометром № 03.
Рис. 1. Схема интерференционного компаратора с последовательным расположением измерительного плеча.
1, 3, 4, 6 — фотоприемные устройства; 2, 7 — источники света; 5 — источник когерентного излучения;
8 — источник белого света; 9, 13, 26 — коллимирующая система; 10 — светоделитель; 11 — зеркало;
12, 24, 27, 28 — плоские зеркала; 14 — уголковый отражатель; 15, 23 — призмы Дове; 16 — фотоэлектрический микроскоп;
17 — камера рефрактометра; 18 — штриховая мера; 19 — подвижная каретка; 20 — вакуумированная кювета; 21 — концевая
мера; 22 — отражатель; 25 — двухгранное зеркало.
229
Метрологические характеристики эталона
Диапазон измерений длины, м S-lO^-l.O
Длина волны, воспроизводимая
эталонным источником излучения
He-Ne/J2 лазера, мкм 0,63299139822
Эталон обеспечивает воспроизведение единицы
длины с СКО - 210 " и НСП - 1,5-10".
Установка для измерения отношений длин волн
обеспечивает передачу размера единицы длины ис-
точникам эталонных излучений в диапазоне (0,4-
11,0) мкм с суммарной погрешностью
3-10"-1-109.
Эталонный комплекс обеспечивает передачу раз-
мера единицы длины вещественным мерам длины, из-
мерителям линейных перемещений, преобразовате-
лям линейных перемещений:
в диапазоне (l-10's-l,0) м с суммарной погрешно-
стью (0,015+0,01 £ ) мкм, где £ — длина в метрах;
в диапазоне (1-10 6-1-1Д3) м с суммарной погреш-
ностью 0,015 мкм;
в диапазоне (5-10'9-1-10'6) м с суммарной погреш-
ностью 0,003 мкм.
В состав интерференционного компаратора вхо-
дят (рис. 1): лазерный интерферометр для измерения
длины штриховых и концевых мер; фотоэлектриче-
ский микроскоп для фиксации штриха меры; интер-
ферометр с нулевой разностью хода для фиксации из-
мерительных поверхностей концевой меры; интерфе-
ренционный рефрактометр.
Интерференционный компаратор оснащен аппара-
турой для точного определения температуры аттестуе-
мых мер длины, состоящей из платинового термомет-
ра сопротивления и дифференциальных термопар.
Интерференционный компаратор установлен
в специальной термокамере размером 4,0x2,5x3,0 м
с двойными теплопроводящими стенками. Термокаме-
ра размещена на фундаменте в помещении, в котором
при помощи активной системы стабилизации поддер-
живается температура воздуха (20±0,1) °C. Градиент
температуры по метровой мере не превышает 0,005 °C,
изменение температуры внутри камеры составляет
0,003 °С/ч. Все тепловыделяющие элементы, источни-
ки излучения установлены на пульте управления, рас-
положенном за пределами термокамеры. Световые лу-
чи вводятся в интерференционный компаратор через
специальные окна в термокамере.
Лазерный интерферометр построен по схеме ин-
терферометра Майкельсона с применением уголко-
вых отражателей и обеспечивает: измерение длины
штриховых мер до 1 м; измерение длины концевых
мер до 1 м; сличение штриховых мер с концевыми.
Измерение штриховых мер проводится лазерным
интерферометром методом счета числа интерферен-
ционных полос при фиксации центра штрихов меры
фотоэлектрическим микроскопом.
Предыстория создания
Одиннадцатая Генеральная конференция по ме-
рам и весам 14 октября 1960 г. приняла новое опреде-
ление единицы измерения длины: „Метр—д лина, рав-
ная 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соот-
ветствующего переходу между уровнями 2 рю и 5 d5
атома криптона-86“ (Резолюция 6).
Это определение метра было включено в
ГОСТ 7664-61 „Механические единицы", введенный
в действие с 1 июля 1961 г., и в ГОСТ 9867-61 „Между-
народная система единиц", действующий с 1 января
1963 г.
Новое определение, сохраняя прежний размер мет-
ра, повысило его точность примерно на один порядок.
Это уже второе изменение определения метра со вре-
мени принятия его в качестве единицы измерения дли-
ны в 1791 г. Если тогда его точность была 1 ТО4, а по оп-
ределению 1889 г. она оценивалась величиной 1-107, то
в 1960 г. значение единицы длины установлено с
точностью до 0,01 длины волны, т.е. с точностью 2Т08
(точность здесь понимается как обратная величина по-
грешности).
Такое уточнение определения единицы открыва-
ет принципиальную возможность повышения точно-
сти линейных измерений, но фактическое ее повы-
шение зависит от того, с какой точностью будет вос-
производиться метр, и с какой точностью его
значение будет передаваться от первичного эталона
образцовым и рабочим мерам и измерительным при-
борам.
Поэтому в резолюции 7 Одиннадцатой Генераль-
ной конференции Международному комитету мер и
весов было поручено:
1) установить инструкции для введения в практи-
ку нового определения метра;
2) выбрать вторичные эталонные длины волн для
интерференционных измерений длины и установить
инструкции по их применению;
3) продолжать начатые исследования с целью улуч-
шения эталонов единицы длины.
Решение о выборе вторичных эталонных длин
волн, необходимых для интерференционных измере-
ний по методу совпадений дробных частей порядков
интерференции, а также для измерений меньшей точ-
ности, было принято по предложению советской де-
легации.
В соответствии с п. 1 резолюции 7 Международ-
ный комитет мер и весов принял рекомендацию об
условиях воспроизведения излучения криптона-86 как
основного эталона единицы длины. В этой рекомен-
дации указывается, что излучение криптона-86 долж-
но воспроизводиться лампой с накаленными электро-
дами, содержащей криптон-86 чистотой не ниже 99 %
в количестве, достаточном для обеспечения наличия
твердого криптона при температуре 64 К. Разряд дол-
жен происходить в капилляре с внутренним диамет-
ром от 2 до 4 мм и толщиной стенок около 1 мм. Дли-
на волны излучения, испускаемого лампой, с погреш-
ностью до 1-10 s равна длине волны, соответствующей
переходу между невозмущенными уровнями 2 До и
5 d5 , при соблюдении следующих условий:
1. наблюдение производится вдоль капилляра с
конца таким образом, что лучи света идут от катода в
сторону анода (к наблюдателю);
2. нижняя часть лампы, включая капилляр, погру-
жена в охлажденную ванну, где поддерживается тем-
пература тройной точки азота с отклонением не бо-
лее 1 град;
3. плотность тока в капилляре равна 3-1 ка/м2
(0,3±0,1 а/см2).
— 230
Международный комитет рекомендует пользовать-
ся лампой конструкции Энгельгарда. При исследова-
нии было установлено, что эта лампа имеет некото-
рые конструктивные недостатки, затрудняющие на-
блюдения. Криптоновая лампа более совершенной
конструкции разработана во ВНИИМ Г.С. Поповым
и исследована в оптической лаборатории Н.Р.
Батарчуковой.
8-10 октября 1962 г. состоялась третья сессия Кон-
сультативного комитета по определению метра, кото-
рая рассмотрела результаты выполненных в нацио-
нальных метрологических лабораториях работ по ис-
следованию первичного эталонного излучения
криптона-86 и вторичных эталонных излучений и по
разработке новых источников излучений (атомные
пучки, лазеры и др.) и интерференционных компара-
торов.
Консультативный комитет с удовлетворением от-
метил, что принятая в 1960 г. Международным коми-
тетом мер и весов рекомендация о нормальных усло-
виях воспроизведения первичного эталонного излу-
чения изотопа криптона-86 обеспечивает
воспроизведение метра с точностью, соответствую-
щей новому его определению, и что указанная реко-
мендация в настоящее время не нуждается в каком-ли-
бо изменении и уточнении. Исследования контура
спектральной линии эталонного излучения, выпол-
ненные в МБМВ, показали, что наблюдаемая асиммет-
рия контура не может вызвать погрешность в изме-
рении длины, превышающую ЫО^м.
В создании эталонов единицы длины в различное
время принимали участие видные советские ученые
М.Ф. Романова, В.А. Баринов, А.И. Карташев,
М.Л. Бржезинский, Н.Р. Батарчукова, Л.К. Каяк,
Г.В. Симахина, А.Н. Аматуни.
В настоящее время Государственный первичный
эталон единицы длины воспроизводит одну из основ-
ных единицы физических величин — метр. Важной осо-
бенностью первичного эталона метра, в состав кото-
рого входит стабилизированный по частоте He-Ne/J2
лазер, является воспроизведение и хранение единицы
длины на основе стабильного квантового эффекта —
перехода на линиях сверхтонкой структуры молекуляр-
ного йода ,27J2.
Совершенствование ГПЭ единицы длины и повы-
шение точности воспроизведения и передачи едини-
цы определяются требованиями различных отраслей
народного хозяйства, науки и техники.
До 1983 г. погрешность воспроизведения единицы
длины составляла б-КГ’м (СКО). Принятое в октябре
1983 г. XVII Генеральной конференцией по мерам и
весам определение метра гласит: „Метр есть длина пу-
ти проходимого светом в вакууме за интервал време-
ни, равный 1/299792458 с“. Это определение предпо-
лагает связь между длиной £ , временем t и частотой
f через скорость света в вакууме, которая по новому
определению принимается равной 299792458 м/с
(без погрешности).
Согласно Рекомендации 1 (МК-1983) Международ-
ного комитета мер и весов воспроизведение метра мо-
жет осуществляться одним из следующих методов:
а) через длину £ пути, проходимого в вакууме пло-
ской электромагнитной волной за время t; эта длина
получается путем измерения промежутка времени при
использовании соотношения £ = с AZ и значения ско-
рости света в вакууме 299792458 м/с;
б) через значение длины волны в вакууме / пло-
ской электромагнитной волны с частотой / ; это зна-
чение длины волны получается путем измерения зна-
чения частоты f при использовании соотношения
Л=с- f и значения скорости света в вакууме
с =299792458 м/с;
в) посредством одного из излучений, установлен-
ные значения длины волны в вакууме или установлен-
ные значения частоты которых можно использовать
с указанной точностью при условии соблюдения спе-
цифицированных условий и соответствующего режи-
ма работы.
В создании ГПЭ единицы длины ГЭТ 2-85 прини-
мали участие Ю.В. Тарбеев, В.С. Александров,
В.Л. Федорин, Ю.Г. Захаренко, Н.А. Мельников,
В.М. Баратов, В.Л. Шур, Н.А. Калинин, А.А. Болонин
и др. Ученым хранителем ГПЭ единицы длины явля-
ется Федорин Виктор Леонидович.
Эталон единицы длины имеет постоянные между-
народные сличения с эталоном МБМВ и Националь-
ными эталонами Финляндии, Германии, Норвегии,
Чехии, США, Англии, Республики Корея. В проведе-
нии международных сличений He-Ne/J2 лазера, кон-
цевых и штриховых мер длины, а также сличений в
области нанометрологии принимали участие Л.Ю. Аб-
рамова, Ю.Г. Захаренко, Н.А. Мельников, В.Л. Федо-
рин, Е.И. Латышева, С.А. Пулькин, А.А. Болонин.
Уникальность
Наивысшая точность воспроизведения единицы
длины — 10”.
Наибольшее разрешение лазерного интерферо-
метра — Л/2000 = 0,3 нм.
Специальный пассивный термобаростат и специ-
альный виброзащитный фундамент компаратора.
Ведутся совместные метрологические сличения и
исследования эталонов с ведущими национальными
метрологическими центрами ряда стран, таких как
Франция, США, Германия, Финляндия, Республика
Корея и др.
Область применения эталона
Машиностроение, приборостроение, геодезия,
квантовая электроника, лазерные технологии, нано-
технологии, биология, нелинейная лазерная спектро-
скопия. Для метрологического обеспечения измере-
ний, поверки и исследований прецизионных (веще-
ственных) мер длины, лазерных (и других типов)
измерителей, преобразователей линейных перемеще-
ний.
Расширение диапазона измерений длин волн (час-
тот) позволит решить задачу исследований и калиб-
ровки нового поколения отечественных и сертифи-
кации импортируемых оптических интерференцион-
ных приборов, предназначенных для использования
в машиностроении, химической, оптической про-
мышленности.
231
Литература:
1. Каяк Л.К. Эталоны метра. // Труды институтов 1Ъс-
комитета. — 1965. — Вып. 78 (138). — С. 5-14.
2. T.S. Quinn. Metrologia, 1996, v. 33, р. 271-287.
3. L.Yu. Abramova, V.L. Fedorin, Yu.G. Zakharenko,
N.A. Melnikov. Investigations of the VNIIM Portable Не-Ne/ 127J2
laser. XIY IMEKO World Congress, June 1997, v.VIII, p. 173-
175.
4. Тарбеев Ю.В., Абрамова Л.Ю., Захаренко Ю.Г.,
Мельников НА., Федорин ВЛ. Стабилизированные He-Ne
лазеры на 633 нм для реализации единицы длины-метра //
Измерительная техника. — 1998. — № 6.
5. Болонин А А. и др. Особенности проектирования и
опытной эксплуатации эталона-копии единицы длины — мег-
ра // Измерительная техника. — 1986. - № 7.
6. Абрамова Л.Ю., Баратов В.М., Витушкин Л.Ф., Латы-
шева Е.И., Тарасова Т.Е., Федорин ВЛ., Хавинсон Л.Ф. Ана-
лиз результатов сличения эталонов единицы длины // Из-
мерительная техника. — 1993. — № 1. — С. 65-67.
7. L. Abramova, V. Baratov, V. Fedorin, L. Khavinson,
E. Latigneva. K. Riski, E. Ikonen and A. Lassila. Comparison of
length standards between the CMA and the VNIIM //
Menologia. — 1996. — 33. — P. 29-33.
8. A. Lassila, K. Riski, L. Abramova, E. Latysheva,
A. Bolonin, Intercomparison of line scale and gauge block
calibrations with ceramic and glass standards, XIV IMEKO World
Congress. June 1997.
В Л. Федори н
232
История развития и современное состояние
угловых измерений
Система угловых единиц, основанная на коэффи-
циенте 60, т.е. 22-3-5, сохранившаяся неизменной в те-
чение тысячелетий, ведя свое начало от древних ва-
вилонян, получила в Европе дальнейшее развитие в
дольных единицах [ 1 ]. В России первые веществен-
ные доказательства об использовании средств изме-
рений плоского угла обнаружены при раскопках раз-
валин Золотой Орды, когда был найден древний угло-
мер-транспортир.
Основу угловых измерений составляет естествен-
ный эталон-полный оборот, равный 360 угловых гра-
дусов (°). Единицы меньше секунды были заменены
десятыми, сотыми долями, но до некоторой степени
сохранилась только терция (1/60"). В навигации и гид-
рографии, наряду с этими единицами, остался румб. В
расчетах, связанных с тригонометрией, в XVIII в. бы-
ла введена единица плоского угла — радиан.
В развитии методики угловых измерений интерес
представляет система абсолютных и относительных
определений, основы которой были заложены в 1806-
1815 гг. астрономом В.К. Вишневским, определившим
за это время географические координаты 223 пунк-
тов Европейской России.
Длительное время астрономо геодезическое ипст-
рументостроение развивалось в мастерских Пулков-
ской обсерватории, где были созданы одни из совре-
меннейших для того времени типов угломерного ин-
струмента для триашуляний лимбы с ошибкой 2-3",
нивелиры-теодолиты и другие инструменты [2]. В тео-
рию угловых измерений значит ельный вклад внесли
работы ученых Ф.Т1. Красовского, А.С. Чеботарева,
В.В. Данилова и С.В. Елисеева, а пионерами отечест
венного производства углоизмерительных приборов
стали заводы „1ёодезия“ и „1ёофизика“ В 1933 г. д.т.п.,
проф. В.А. Баринов опубликовал исследование круго-
вой машины, которое положило начало оценки мет-
рологических возможностей геометрического метода
и средств обеспечения единства угловых измерений.
В конце 40-х гг. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
к.т.н., с.н.с. Е.А. Волковой с сотрудниками были иссле-
дованы лимбы гониометров путем многократных из-
мерений однозначных угловых мер (30°, 45°, 60°), ко-
торые устанавливали па гониометры на различных
участках лимба. Эти исследования способствовали
развитию метрологии в области угловых измерений.
В 50-е гг. была завершена первая работа по пове-
рочной схеме для угловых мер и угломерных прибо-
ров, во главе которой стоял эталонный метод воспро-
изведения единицы плоского угла с помощью много-
гранных призм и автоколлиматоров, разработанный
к.т.н., с.н.с. ЕИ. Стракуном. Поверочная схема явля-
лась теоретической и практической основой системы
обеспечения единства угловых измерений.
В 60-е гг. во ВНИИМ были изготовлены многогран-
ные призмы из плавленого кварца с алюминирован-
ным покрытием граней, которые применяют в метро-
логической практике по настоящее время, и визуаль-
ные автоколлиматоры с применением линзовых
телеобъективов со сред! ien квадратической погрешно-
стью визирования о< 0,2". Поскольку система обеспе-
чения единства угловых измерений существенно зави-
сит от принципа построения и метрологических воз-
можностей первичного эталона, в 70-е гг. по
инициативе и под руководством к т и., си с М Г. Богу-
славского была создана эталонная угломерная автокол-
лимационная установка с фотоэлектрическими циф-
ровыми автоколлиматорами и с устройством для уста-
новки и поворота многогранной призмы. Эту
установку утвердили в качестве ГОСТ 8.016-72 Досудар-
ствепный первичный эталон единицы плоского угла"
и после проведения обстоятельных метрологических
исследований стало возможным утверждение
ГОСТ 8.016-75 „Государственный первичный эталон и
общесоюзная поверочная схема для средств измере-
ний плоского угла". В качестве эталонов сравнения
предложены многогранные призмы и клинья со сред-
ним квадратическим отклонением результата поверки
$ < 0,05", а в качестве рабочих эталонов многогранные
призмы с 5 < 0,005", угломерные установки и лимбы с
S < 0,05" и интерферометры для измерения малых уг-
лов с использованием длин волн вторичных эталонных
излучений с S =0,04- 0,05".
По существу эти эталоны указывали пути развития
высокоточных угловых измерений па последующие
годы разработкой современных гониометров, мер
нлоскогоугла, автоколлиматоров, экзаменаторов, кру-
говых измерительных и делительных машин, уров-
ней, теодолитов, делительных столов и приборов, оп-
тических делительных головок, оптических угломе-
ров оптических квадрантов, оптических угломеров и
угломеров с нониусом. Пределы допускаемых погреш-
ностей (А) рабочих средств угловых измерений со-
ставляли от 0,1" до 15", что отвечало требованиям нау-
ки и техники. Реализация этих путей воплотилась в
создании лазерных гониометров типа ГС-1Л (ПО
Арсенал"), мер плоского угла (ВНИИМ, Воронеж-
ский завод „Эталон"), цифровых фотоэлектрических
автоколлиматоров типа А<Ь-1Ц (НПЗ г. Новосибирск),
электронных уровней модели 128 (завод „Калибр"),
цифровых оптических делительных головок типа
ОДГЦ (НПЗ) и ряда других средств измерений плос-
кого угла.
В начале 80-х гг. во ВНИИМ под руководством к.т.н.,
с.н.с. Ю.Н. Шестопалова было завершено создание
8* Зак. 450
2
I
Й
g
I
<D
&
§
я
Рис. 1. Перспективная государственная поверочная схема для средств измерений плоского угла
233
" 234
нового государственного первичного эталона единицы
плоского угла, в состав которого впервые был введен
оригинальный фотоэлектрический интерференцион-
ный экзаменатор для воспроизведения единицы плос-
кого угла в диапазоне ±7,5" и передачи ее размера двум
эталонным цифровым автоколлиматорам [3]. Этот эта-
лон был утвержден в качестве государственного и закре-
плен ГОСТ 8.016-81 „Государственный первичный эта-
лон и государственная поверочная схема для средств из-
мерений плоского угла". В 80-е гг. ВНИИМ участвовал в
международных сличениях национальных эталонов уг-
ла 11 стран по инициативе Международного бюро мер
и весов.
Результаты международных сличений при положи-
тельной оценке эталона по ГОСТ 8.0J6-81 показали не-
обходимость разработки 1осударетвенного первично-
го эталона четвертого поколения с целью обеспечения
оптимизации системы единства угловых измерений
[4]. Основными задачами оптимизации являлись, во-
первых, создание эталона, способного реализовать не
один, а три метода передачи размера единицы плоско-
го угла (с двумя отсчегными ав го коллиматорами - - М2,
с одним отсеченным автоколлиматором — Ml и с од-
ним нуль-индикаторным автоколлиматором — М3), во
вторых, сокращение номенклатуры вторичных этало-
нов за счет использования принципов построения
средств измерений первичного эталона, в-третьих, об-
новление парка образцовых средств измерений (рабо-
чих эталонов) с метрологическими возможностями, ис-
ключающими необходимость подразделения их на раз-
ряды и, в-четвертых, группирование рабочих средств
измерений по общности использования образцовых
мер и приборов.
Вариант решения задачи оптимизации системы
обеспечения единства измерений показан на рис. 1 и
представляет собой перспективную государственную
поверочную схему для средств измерений плоского уг-
ла. Номенклатура вторичных эталонов сокращена до
3-хтипов. Исходя из метро логических характеристик
указанных на рисунке вторичных эталонов, можно ре-
комендовать полную номенклатуру в следующих ре-
гионах России: Центральная часть (Москва), Северо-
запад (Санкт-Петербург), Южная часть (г. Воронеж),
Сибирь (г. Новосибирск), Дальний Восток (г. Влади-
восток). Обновление парка рабочих эталонов позво-
лит исключить из системы передачи размера едини-
цы плоского угла образцовые средства с 1 по 4 разря-
дов по ГОСТ 8.016-81. Достаточно будет иметь 6 типов
рабочих эталонов с метрологическими характеристи-
ками, указанными на рисунке, чтобы обеспечить по-
верку всех 28 групп рабочих средств измерений РСИ.
Благодаря расширенным метрологическим возможно-
стям новых рабочих эталонов РСИ могут быть сгруп-
пированы по общности методик и средст в поверок.
Меры плоского угла всех 4-х типов по ГОСТ 2875-88
могут поверяться на гониометрах; гониомет ры, синус-
ные линейки и угломеры — по мерам плоского угла;
автоколлиматоры, интерференционные угломеры и
уровни — по углозадающим приборам; углоизмеритель-
ные иуглоделитель ные приборы, делительные голов
ки и квадранты — по углоизмерительным приборам,
мерам плоского угла и автоколлиматорам; экзамена-
торы - по автоколлиматорам; теодолиты по теодоли-
там. Внедрение в метрологическую практ ику оптими-
зированной системы обеспечения единства угловых
измерений позволит сократить число эталонов в стра-
не, площадь лабораторных помещений, необходимых
для размещения эталонов нового поколения и числен
ность специалистов, обслуживающих эталоны всех
рангов.
Литература:
1. Шостин НА. Очерки по истории русской метрологии.
— М.: Изд-во стандартов, 1975.
2. Елисеев С.В. Геодезическое инструментоведение. — М.:
ТЬодезиздат, 1952.
3. Шестопалов Ю.Н., Мартынов В.Т, БрдаВА. Новый
государственный первичный эталон единицы плоского уг-
ла // Исследования в области линейных и угловых измере-
ний. Л.. Энергоатомиздат. J983.
4. Шестопалов Ю.Н. Оптимизация системы метрологи-
ческого обеспечения средств измерений плоского угла //
Опыт внедрения прогрессивных методов и средств размер
ного контроля. — Л.: ЛДНТП, 1987.
Ю.Н. Шестополов
235
Государственный первичный эталон единицы
плоского угла
Принцип действия эталона основан на использо-
вании естественного эталона — 360° (2 /г радиана).
Воспроизведения единицы плоского у1ла осуществля
ется гониометрическим и тригонометрическим мето-
дами.
Состав эталона определяется принципом дейст-
вия, а основные характеристики — средствами изме-
рений, разработанными для эталона. 1осударствен-
шдй первичный эталон состоит из комплекса следую-
щих средств измерений:
— интерференционный экзаменатор для воспро-
изведения единицы плоского угла и передачи ее раз-
мера в области ма лых углов и, в частности, эталонным
автоколлиматорам;
— угломерная автоколлимационная установка для
передачи размера единицы вторичным и рабочим эта-
лонам;
— 12-гранная кварцевая призма для контроля ста-
бильности первичного эталона.
Диапазон значений плоского угла, воспроизводи-
мых эталоном, составляет 0-360° со средней квадра-
тической погрешностью 0,01" при 132 совокупных от-
носительных измерениях 12 гранной призмы при не-
исключенной систематической погрешностью
порядка 0,02".
Длительное время в России единицу плоского уг-
ла воспроизводили с помощью астрономических (уг-
ломерных) приборов Пулковской обсерватории, лим
бы которых изготавливались на лучших делительных
машинах. В 30-х гг. XX в. д.т.н.. профессор В,Л. Бари
нов провел метрологическое исследование точности
делительных машин и определил возможности гонио-
метрических средств для передачи размера единицы
плоского угла рабочим мерам и приборам.
В 50-е гг. под руководством к.т.н., старшего науч-
ного сотрудника Г.И. Стракуна (ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева) была разработана первая пове-
рочная схема для угловых мер и приборов на основе
эталонного метода воспроизведения единицы плос-
кого угла с помощью многогранных призм и автокол-
лиматоров.
Под руководством к.т.н., старшего научного со-
трудника М.Г. Богуславского в 60-е гг. была создана эта-
лонная угломерная автоколлимационная установка,
состоящая из двух фотоэлектрических автоколлима-
торов и устройств для юстировки и поворота много-
гранной призмы [1]. В 1975 г. эта установка была ут-
верждена в качестве государственного первичного
эталона единицы плоского угла (ГЭТ 22-75).
Более высокий уровень требований к средствам
метрологического обеспечения мер и углоизмеритель-
ных приборов поставил задачу создания нового этало-
на, обеспечивающего воспроизведение и передачу раз-
мера единиц в диапазоне от сотых долей угловых се-
кунд В 1980 г. под руководством к,т.н., старшего науч-
ного сотрудника Ю.Н. Шестопалова завершено
создание нового государственного первичного этало-
на единицы плоского угла (ГЭТ 22 80) [2 J. В состав это-
го эталона впервые ььеден разработанный в НПО
„ВНИИМ им. Д.И. Менделеева’1 оригинальный интер-
ференционный экзаменатор, обеспечивающий вос-
произведение единицы в диапазоне ±7,5" со средней
квадратической погрешностью (СКП) результата вос-
произведения 0,008" и передачу ее размера эталонным
цифровым фотоэлектрическим автоколлиматорам уг-
ломерной установки, снабженной информационно-вы
числительной системой. Эталон передает размер еди-
ницы с СКП результата измерения 0,01" правильным
многогранным призмам с числом граней до 36. Пер-
вичный эталон используется для метрологических ис-
следований эталонов сравнения и рабочих эталонов:
автоколлиматоров, многогранных призм и угломерных
систем в соответствии с Государственной поверочной
схемой (ГОСТ 8.016-81).
Государственный эталон обеспечивает единство уг-
ловых измерений в машиностроении, геодезии, кос
монавтике, в приборостроении, навигации, при раз-
ведке и добыче полезных ископаемых, а также в дру-
гих отраслях науки и техники. Парк рабочих средств
угловых измерений насчитывает согни тысяч единиц.
В 80-е гг. при проведении международных сличе-
ний эталон ГЭТ 22-80 сличался с национальными эта-
лонами Японии, США, Великобритании, ФРГ, Авст-
ралии, Китая и других стран. В окончательном отче-
те, составленном метрологической лабораторией
Японии, сделан вывод об успешном завершении ели
чений с погрешностью ±0,1".
Основные научные направления, обеспечиваемые
с 1 гомощью эталона, определяются методами, которые
реализуются в эталоне ГЭТ 22-80. Интерференцион-
ный метод воспроизведения единицы плоского угла по-
зволяет разрабатывать новые модели цифровых авто-
коллиматоров с дискретностью отсчета 0,01". Класси-
ческий метод (М2), основанный на образовании
опорного угла при помощи двух эталонных отсчетных
автоколлиматоров, включенных по дифференциаль-
ной схеме, обеспечивает возможность проведения ме-
ждународных сличений со средней квадратической по-
грешностью менее 0,01" с дискретностью до 10°. Гонио-
метрический метод (Ml), основанный на задании
номинального угла прецизионным (зубчатым) пово-
ротным столом и использовании одного отсчетного
=============== 236
автоколлиматора, обеспечивает возможность переда-
чи размера единицы углоизмерительным средствам с
дискретностью до 15' вместо 10°. Метод М3, основан-
ный на использовании прецизионной углоизмеритель-
ной системы с эталонным нуль-индикаторным автокол-
лиматором, позволяет измерять углы от 0° до 360° с дис-
кретностью 0,01".
В конце 80-х гг. под научным руководством
Ю.Н. Шестопалова приступили к созданию нового го-
сударственного первичного эталона единицы плоско-
го угла взамен ГЭТ 22-80. Главной идеей была разработ-
ка такого принципа построения нового эталона, кото-
рый позволил бы реализовать 3 независимых метода
МГМЗ. Первой задачей было создание цифровой уг-
лоизмерительной — углозадающей системы в диапазо-
не 0-360° с дискретностью отсчета 0,01". Эта задача
была решена совместной разработкой ВНИИМ и НИИ
АП (г. Москва) на основе электромагнитного преобра-
зователя с вращающимся модулятором [3], использую-
щего две пары зубчатых дисков, верхний — ротор, вто-
рой и третий — жестко связанные между собой — обра-
зуют модулятор, а нижний диск является статором.
Обмотки, уложенные в роторе и статоре, разделены
воздушным зазором и угол сдвига фаз между синусои-
дальными сигналами, снимаемыми с ротора и стато-
ра, прямо пропорционален углу поворота ротора. Та-
кие системы характеризуются сложностью технологии
изготовления основного узла по сравнению с механи-
ческими зубчатыми дисками, отсутствием необходимо-
сти выводить из защепления ротор от статора, отно-
Рис. 1. Структурная схема эталона
1 — установка для воспроизведения единицы плоского угла
и передачи ее размера эталонным автоколлиматорам;
2 — фотоэлектрический автоколлиматор;
3 — цифровые автоколлиматоры;
4 — углоизмерительный комплекс с дистанционным
управлением;
5 — 12-гранная кварцевая призма для контроля стабильно-
сти эталона;
6 — комплект мер плоского угла;
7 — информационно-вычислительная система.
сительной простотой получения цифрового отсчета
и сопряжения с персональным компьютером.
После создания цифровой углоизмерительной сис-
темы в диапазоне 0-360° с дискретностью 0,01" раз-
работаны алгоритмы и программы сбора и обработ-
ки результатов измерений. С целью сохранения пре-
емственности эталонов разных поколений сохранен
и экспериментально опробован классический метод
М2. Затем проведены метрологические исследования
методов Ml и М3, в результате которых отработаны
методики компенсации систематических погрешно-
стей эталона и уменьшения случайных составляющих
погрешностей до 0,005" при 132 совокупных относи-
тельных измерениях 12-гранной призмы. Благодаря
возможности реализации в эталоне нового поколения
трех независимых методов М1-МЗ практически ис-
ключены нештатные ошибки в передачи размера еди-
ницы вторичным и рабочим эталонам разных разря-
дов и физических принципов действия [4].
Состав эталона последнего поколения представ-
лен на структурной схеме, изображенной на рис. 1. Ус-
тановка 1 воспроизводит размер единицы плоского
угла эталонным автоколлиматорам 2 и 3. Цифровые
автоколлиматоры 3 совместно с углоизмерительным
комплексом 4 образуют автоколлимационную установ-
ку, контроль стабильности которой осуществляется
12-гранной кварцевой призмой 5. Автоколлимацион-
ная установка передает размер единицы комплекту
мер плоского угла 6 и вторичным эталонам. Фотоэлек-
трический автоколлиматор 2 и меры 6 используют для
аттестации (поверки) вторичных эталонов на месте
их постоянной эксплуатации, а также для проведения
международных сличений национальных эталонов.
Обладая расширенными метрологическими возмож-
ностями, этот эталон позволяет передавать размер
единицы плоского угла непосредственно всем типам
рабочих эталонов (образцовых средств измерений) и
рабочих средств измерений.
В 2000 г. планируется завершить международные
сличения национальных эталонов 17 стран мира всех
5 континентов, организуемых МБМВ.
Литература:
1. Богуславский М.Г., Эллашберг В.М., Шарова Е.Е.,
Федотова Л.И. Государственный первичный эталон едини-
цы плоского угла// Измерительная техника. — 1972. —№ 7.
-С. 9-10.
2. Шестопалов Ю.Н., Мартынов В.Т., Брда В.А. Новый
государственный первичный эталон единицы плоского уг-
ла. Исследования в области линейных и угловых измерений
// Сборник научных трудов ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
- 1983.-С. 42-49.
3. Высокоточные преобразователи угловых перемеще-
ний // Под общей редакцией Ахметжанова А.А. — М.: Энер-
гоатомиздат, 1986.— С. 128.
4. Шестопалов Ю.Н. Метрологическое обеспечение уг-
лометрии в машиностроении // Измерение, контроль, ав-
томатизация. — 1991. — № 2. — С. 20-26.
Ю.Н. Шестопалов
237
Измерение углов в астрометрии
Астрономия и астрометрия
Астрометрия, область астрономии, которая зани-
мается изучением положения и движения небесных
тел. Главной задачей астрометрии является опреде-
ление направления светового луча, исходящего от све-
тила к наблюдательному прибору, относительно так
называемой фундаментальной системы небесных сфе-
рических координат. Эта неподвижная система „за-
креплена" на небесной сфере отдаленными квазара-
ми, положения которых можно считать неизменны-
ми, поскольку они настолько далеки (миллиард или
более световых лет), что можно пренебречь их дви-
жением.
Главная ось OZ системы координат приблизитель-
но совпадает с полярной осью Земли. Перпендикуляр-
ная плоскость OXY около экватора служит основной
координатной плоскостью, на которой зафиксирова-
на начальная точка /, точка весеннего равноденст-
вия. Сферическими координатами любого направле-
ния являются: прямое восхождение а (вдоль основ-
ной плоскости) и склонение J. Для исследований в
Солнечной системе также пользуются эклиптически-
ми координатами с той же начальной точкой: долго-
та у? и широта 3 (рис. 1). Угол £ между основными
плоскостями этих систем условно равен 23,439291°.
A Z
Р
Рис. 1. Экваториальная и эклиптическая система небесных
координат.
Определение положений звезд необходимо для
двух важнейших астрофизических применений:
1. Звезды медленно передвигаются и координаты
их положения изменяются. Скорости изменений да-
ны следующими выражениями проекции собственно-
го движения по небесной сфере:
/sa=dajdlc.os 3,
jU£=d3]dt.
Анализ собственных движений звезд является ба-
зой кинематики и динамики Галактики.
2. Направление на звезду изменяется вследствие
орбитального движения Земли вокруг Солнца. Види-
мое на небесной сфере положение звезды, описывая
за год эллипс, изменяет проекцию угла, с помощью ко-
торого можно от звезды определить расстояние меж-
ду Землей и Солнцем. Масштаб эллипса называется
параллаксом йТ. Связь между расстоянием г до звез-
ды со средним расстоянием от Солнца до Земли, а
представлена формулой
sin й7= о]г.
Поскольку звезды очень далекие, а параллаксы
очень малы (все они меньше секунды дуги), поэтому
целесообразно пользоваться упрощенной формулой
йТ= а/г .
На основании этой формулы расстояние й£ от
Земли до звезды, имеющей параллакс одну секунду ду-
ги (1"), равно 206265 а. Это побудило ввести новую
единицу расстояний, парсек (3,258 световых лет).
Измерение параллаксов астрономическим мето-
дом является калибровкой других методов оценки рас-
стояний по разным физическим или статистическим
закономерностям, позволяющим распространить
шкалу расстояний на всю Вселенную.
Угловые единицы
Астрономы не выражают углы с помощь радиана.
Это для них весьма неудобно, так как радиан не по-
зволяет дробного разделения оборота, к которому
приводится большинство угловых измерений. Вместо
фундаментальной единицы — градус (°), и его шести-
десятеричных дробей (минута (') и секунда (") дуги)
все чаще употребляют десятичную дробь градуса. Для
очень маленьких углов, например, для тех, которые
относятся к параллаксам или к годовым собственным
движениям, даже секунда дуги является слишком боль-
шим стандартом. Поэтому астрономы пользуются ты-
сячной частью секунды дуги (mas=minisecond of arc
5-IO’9 rad) и даже миллионной частью (p=microsecond
of arc=5-10‘12rad).
---------------------------= 238
Оптическая астрометрия
Типичный и в то же время самый распространен-
ный инструмент — это меридианный круг. Он пред-
ставляет собой пассажный инструмент, снабженный
точно разделенным кругом, и состоит из астрономи-
ческой трубы с фокусным расстоянием 2-4 м, которая
вращается вокруг горизонтальной оси, перпендику-
лярной меридиану (рис. 2). Когда звезда проходит че-
рез поле зрения, движение изображения регистриру-
ется микрометром, состоящим из набора устройств с
зарядовой связью с точным определением времени.
Калибровка набора позволяет определить время t
прохождения через меридиан.
Из независимых наблюдений квазаров радиоин-
терферометрами (см. далее) определяется соотноше-
ние между временем t и ориентацией Земли, среди
параметров которой звездный угол T{t) определяет
ее вращение вокруг главной оси фундаментальной сис-
темы координат. Если t и f являются временем про-
хождения двух звезд, то разница между прямыми вос-
хождениями равна:
а- а = Т(f)- Т(/').
Таким образом, величина угла определяется про-
межутком времени. Принимая во внимание различие
параллельных измерений параметров инструмента,
окончательная точность определений а - d равна
приблизительно 0,10", а систематические погрешно-
сти не превышают 0,03".
Разность 8-8 между склонениями измеряется
с помощью предварительно откалиброванным в лабо-
ратории разделенного круга, расположенного вокруг
горизонтальной оси. Это эталонирование можно со-
вершить с точностью порядка 0,05".
Для отсчета по разделенному кругу используются
4 -6 микроскопов или фотоэлектрические приборы,
приводится поправка на положение изображения звез-
ды на матрице CCD. Точность определений 8- 8 —
также около 0,10". а систематические погрешности -
примерно порядка 0,05". Эти ограничения точности
не зависят от инструмента: они возникают вследствие
атмосферной турбулентности, которая сильно искажа-
ет изображения (speckles), перемещая их десятки раз
в секунду вокруг среднего положения (дрожание), и
при этом сильно изменяется яркость (сверкание).
Лишь на несколько секунд устанавливается среднее
изображение размером 1-2", что не позволяет надеж
но навести инструмент на центр такого нестабильно-
го пятна. Другие методы оптической астрометрии, как.
например, фотография или изображение CCD, также
страдают этими недостатками и не достигают точно-
сти меридианного круга.
Выход из положения — космическая астрометрия,
так как при отсутствии атмосферы изображение звез-
ды стабильно и соответствует пятнам дифракции ин-
струмента. Кроме этого отсутствует и рефракция, то
есть влияние земной атмосферы на направление про-
ходящего через нее света, которую нельзя полностью
представить и вычислить. Есть и третье преимущест-
во: с борта спутника инструмент можно направить на
любую область неба, тогда как с обсерватории на зем-
ле не видна значительная часть небосвода. Но конеч-
но, строить астрометрический спутник для наблюде-
ний — это очень сложное, долгое и дорогое предпри-
ятие.
Первый и до сих пор единственный астрономиче-
ский спутник — Гиппаркос (Hipparcos), созданный Ев-
ропейским космическим агентством (ESA), был выве-
ден на орбиту в августе 1989 г. Принцип аппарата сле-
дующий: перед объективом телескопа установлена
система из двух плоских зеркал, совмещающая во вход-
ном зрачке два поля зрения, отстоящих друг от друга
на 58° (рис. 3). При вращении спутника вокруг оси изо-
бражения звезд на фокальной плоскости модулируют-
ся решеткой, перпендикулярной плоскости рисунка.
Модуляция каждого изображения по очереди регист-
рируется фотоэлектрическим прибором с частотой
1200 Hz. В среднем, каждая звезда наблюдается 9 раз
по 0,4 с во время каждого прохождения через фокаль-
ную площадку. Точность среднего времени через оп-
ределенную среднюю щель решетки соответствует по-
грешности +0,016" в положении звезды на небе. Од-
новременно с помощью второй наклонной решетки
(звездный картограф) наблюдаются звезды с извест-
ными положениями для определения параметров вра-
щения спутника.
С помощью этих данных и некоторых калиброван-
ных параметров инструмента, наблюдения, накоплен-
ные в течение 6- 8 ч, наносятся на средний небесный
большой круг. Таким образом, на круге получается
примерно сорок тысяч положений 1200 звезд. Это об-
Рис. 2. Схема меридианного круга
239
стоятельство позволяет написать и решить методом
наименьших квадратов обширную систему уравнений,
неизвестными которых являются положения звезд на
круге (около 1500 параметров), описывающих угол по-
ворота в течение всего времени, и параметры преоб-
разования небесного поля зрения на фокальную пло-
щадку. После первого приближения, в котором поло-
жения звезд для определения параметров вращения
известны только с точностью ±0,25" по наземным ас-
трометрическим наблюдениям, точность абсцисс
звезд 9-й величины составляет приблизительно
0,004". Здесь надо отметить, что дуги определены от-
носительно двух эталонов-
1 — угол сложного зеркала, который благодаря
строгому контролю температуры не изменяется боль-
ше чем на ±0,001" в сутки;
2 — оборот(2 /г рад), так как можно допустить, что
звезды остаются на том же месте между последова-
тельными прохождениями (20 мин и 2,1 ч).
В продолжение трехлетних наблюдений накопи-
лось около двух тысяч систем абсцисс на кругах, гус-
то покрывающих все небо. Каждая звезда в среднем
принадлежит тридцати кругам, что позволяет не толь-
ко определить ее положение в данный день, но также
параллакс и компоненты собственного движения.
Процесс обработки продолжает ся итеративным спо-
собом. Полученные новые положения звезд исполь-
зуются для уточнения их параметров вращения и так
далее до сходимости решений.
В конечной сложности, угловые положения на кру-
ге звезд до 9-й величины определены с точностью
±0,0025" (2,5 mas), а угол-эталон — с точностью
±0,0003" каждые 10 ч. Среди 118000 звезд, которые со-
ставляли программу наблюдений, 7 % были ярче звезд
9-й величины. Их астрометрические параметры име-
ют максимальную точность. Более слабые звезды не
достигают этой точности из-за недостатка света.
Окончательные средние погрешности у ярких звезд
следующие:
— компоненты положения в среднюю эпоху наблю-
дений — ±0,0007" (0,7 mas);
— параллакс — ±0,001" (1 mas);
— компоненты годового собственного движения —
+0,0008" (0,8 mas).
Многочисленные сравнения с априори известны-
ми астрофизическими данными некоторых звезд по-
казали, что систематические погрешности не превы-
шают 0,0001” (5-101ирад)
Только слабые пропорции звезд, зарегистрирован-
ные звездным картографом, использовались для оп-
ределения параметров вращения. Фактически, более
двух миллионов звезд дали измеримые сигналы, зна-
чительная часть которых была обработана с целью оп-
ределить положение звезд. Это была цель программы
Тихо (Tycho). Наблюдения через вторую решетку бы-
ли на порядок короче, чем в случае главной решетки,
поэтому точность результатов значительно ниже —
0,007" для звезд девятой величины и 0,025" для 11-й
Рис. 3. Принцип Гиппаркоса
=^========^=========^^ 240 ..
величины. Но зато эти результаты получены для
1050000 звезд.
Надо также отметить, что телескоп Хаббл (Hubble
Space Telescope), хотя и предназначен для астрофи-
зических исследований, может также измерять поло-
жения звезд в маленьком поле (до 15'). Однако астро-
метрическим наблюдениям, точность которых состав-
ляет 0,003-0,004", до сих пор уделялось очень мало
времени.
После успеха программы Гиппаркос появилось не-
сколько проектов космической астрометрии. Самым
передовым является Гайа (Gaia), по схеме Гиппарко-
са, но гораздо более мощным. Европейское космиче-
ское агентство изучает его, если этот проект будет осу-
ществлен, то положения, параллаксы и годовые соб-
ственные движения трех миллионов звезд будут
определены с точностью до 3 мкс дуги (3 р as). Для
35-ти миллионов других звезд до 15-й величины точ-
ность составит 10 pas. Считается возможным опре-
делить параметры звезд до 20-й величины с точностью
до 0,0002". В общей сложности это составит милли-
ард звезд. Все это доказывает, что современная тех-
ника позволяет повысить точноеть измерений углов
еще на три порядка.
Оптическая интерферометрия
Интерферометрия ныне является < амым мощным
астрометрическим методом Хотя принцип интерфе-
рометра Майкельсона очень прост и известен уже бо-
лее ста лет, его изготовление чрезвычайно сложное.
Поэтому только в последние годы XX в. был постро-
ен первый прибор. Астрономический интерферометр
состоит из двух сидеростатов, которые совмещают в
одну точку оба изображения звезды. Если видимый
размер звезды достаточно мал, а расстояния, пройден-
ные светом от плоской световой волны до общего изо-
бражения, равны, то образуются интерференцион-
ные полосы. Цель наблюдения — навести приемник
на центральную полосу и таким образом осуществить
равенство световых путей.
Обозначим центральные точки сидеростатов А и
В, АЕ — единичный вектор направления звезды
(рис. 4). Плоскость АР, перпендикулярная АЕ, пред-
ставляет положение световой волны. Разница между
путями до А и В равна
Х=АР=АВАЕ. (1)
Эта разница компенсируется внутренним прибором,
передвижение которого измеряется лазерным интер-
фероне'! ром с точностью до десятой доли микрометра.
При вращении Земли X изменяется: наблюдения в те-
чение ночи позволяю! определить АЕ, то есть положе-
ние звезды в системе координат, в которой известен век-
тор АВ. Если параметры вращения Земли известны, то
АЕ определяется в системе небесных координат.
Прототип астрометрического интерферометра
был построен в конце 1980-х гг. в обсерватории Mount
Wilson в США. На нем были проведены только экспе-
риментальные наблюдения, точность которых была
0,010—0,015" в д и 0,020-0,025" в «г. Новый инстру-
мент NPOI (Navy Prototype Optical Interferometer) по-
строен в обсерватории Lowell (( Л ILA). Он состоит из
четырех 50-ти сантиметровых сидеростатов, отдален-
ных друг от друга на 19 и 38 м. Наблюдения ведутся в
любом из 32-х световых каналов в промежутке 450-
850 мкм. Положения столбов и установленных на них
сидеростатов, неподвижных и передвижных оптиче-
ских приборов, измеряются лазерными интерферо-
Рис. 4. Принцип астрономического интерферометра
241
метрами (He-Ne). Температура всей измерительной
системы стабилизирована с точностью 0,1 °C, а све-
товые лучи, по мере возможности, проходят через ва-
куум. Предварительные наблюдения показывают, что
точность окончательных положений звезд, вероятно,
будет порядка 0,002".
Главным ограничением оптической интерферо-
метрии является определение рефракции для каждо-
го отдельного наблюдения. Эта задача решается од-
новременными наблюдениями в разных цветовых ка-
налах, так как компоненты рефракции зависят от
длины волн. Таким образом, кроме положений звезд,
полученные измерительные уравнения используются
и для определения поправок коэффициентов модели
рефракции.
Для повышения точности измерений наблюдения
следует проводить вне атмосферы. Есть несколько
планов, среди которых самый интересный — это аме-
риканский проект SIM (Spice Interferometry Mission),
который предполагают запустить в 2005 г. Он состо-
ит из двух сидеростатов, установленных на 10-ти мет-
ровом рельсе. База измеряется с абсолютной точно-
стью — 10 мкм. Но относительная точность измере-
ний перемены оптического хода должна достигнуть
2 пм, то есть в десять миллионов раз лучше. Несколь-
ко методов было исследовано в лабораторных усло-
виях, при которых и была достигнута такая точность
в вакууме. Еслиэто будет возможно в космосе, то аб-
солютные положения десяти тысяч звезд будут полу-
чены с погрешностями порядка нескольких Ц as.
Радиоинтерферометрия
Принцип интерферометрии можно применить к
любым электромагнитным и радиоволнам. Действи-
тельно, в первыех применених интерферометрии для
астрономии использовали радиоволны. В отличие от
оптической интерферометрии точность измерений
оставалась очень малой. Это объясняется тем, что тео-
ретическая точность пропорциональна A/D , где в —
размер базы, а А — длина волны. Поэтому чтобы дос-
тигнуть астрометрической точности при длине волн
порядка нескольких сантиметров, размер базы должен
превосходить несколько тысяч километров.
Это возможно при использовании метода длинно-
базового радиоинтерферометра, который состоит из
двух не связанных между собой радиотелескопов. Ка-
ждый радиотелескоп собирает радиоволны на распо-
ложенном в его фокусе облучателе. Далее колебания
передаются волноводом на гетеродинный приемник,
который нелинейно смешивает их с частотой стан-
дартного генератора колебаний. Получается перемен-
ный ток с пониженной частотой, но сохранивший фа-
зу радиоволны. Этот ток регистрируется на магнит-
ной ленте вместе с сигналами высокоточных часов.
Часы обоих телескопов синхронизированы с помо-
щью спутников.
Магнитные ленты разрабатываются вычислите-
лем, который определяет корреляцию между регист-
рациями и находит временные периоды, соответст-
вующие главной полосе интерферограммы, что дает
разницу ходов— х • Формулу (1) можно использовать
по-разному:
1. Если длина и ориентирование базы известны
(благодаря геодезическим определениям и парамет-
рам вращения Земли), то определяются, как в случае
оптической интерферометрии, положения радио-
звезд и квазаров.
2. Если, наоборот, координаты квазаров известны,
то вычисляются параметры (размер и ориентация) ба-
зы в пространстве. Когда наблюдения проводят на не-
скольких радиоинтерферометрах одновременно, то
совокупность результатов позволяет определить по-
ложения аппаратов и параметры вращения Земли.
Погрешность единичных наблюдений ярких ква-
заров составляет несколько миллисекунд дуги. В прак-
тике положения радиотелескопов по отношению к
звездам со временем итеративно улучшаются. В на-
стоящее время опорная сеть, определяющая фунда-
ментальную систему небесных координат, состоит из
212-и квазаров, положения которых известны с по-
грешностями порядка 0,2-0,5 mas. Положения около
двадцати радиотелескопов, участвующих в интерфе-
рометрических программах, также определены в
сводной мировой геодезической системе с погрешно-
стями порядка несколько миллиметров. С помощью
этой сети угловые параметры вращения Земли опре-
деляются каждые пять дней с точностью 0,1-0.4 mas.
И. И. Ковалевский,
Президент МКМВ
242
Измерения параметров шероховатости
поверхностей
Шероховатость как свойство реальной негладкой
поверхности проявляется через совокупность отдель-
ных неровностей, образующих шероховатую поверх-
ность. Параметры шероховатости являются величи-
нами, единство измерений которых создает метроло-
гическую основу соответствующей области
измерений. Шероховатость поверхности стала объ-
ектом измерений, а также национальной и междуна-
родной стандартизации в связи с бурным развитием
машиностроения и приборостроения. В 1910-1930 гг.
опробованы методы микроскопического анализа не-
ровностей поверхности, предпринимались попытки
косвенной оценки неровностей по потерям энергии
маятника при торможении его неровностями поверх-
ности, по предельному углу отражения света и т.д. На
производстве в этот период доминировали органолеп-
тические методы контроля, визуальное сравнение с
образцом, сравнение с помощью луп, на ощупь ног-
тем и т.п. В 30-е гг. предложен и реализован в двой-
ном микроскопе метод светового сечения (акад.
В.П. Линник, Шмальц), метод микроинтерференции
и основанные на нем микроинтерферометры, соче-
тающие схемы микроскопа и интерферометра Май-
кельсона. В этот же период появились основанные на
щуповом методе электромеханические профиломет-
ры. С 40-х гг. начинается выпуск большого числа при-
боров, основанных на профильном методе, развитие
и распространение которых в значительной мере пре-
допределило развитие метрологии и стандартизации
в области измерения шероховатости поверхностей.
В 1946 г. на Международной Ассамблее по стандарти-
зации было решено создать Технический Комитет по
качеству обработанных поверхностей, а ведение Сек-
ретариата этого комитета было возложено на СССР
как признание мирового лидерства советской науч-
ной школы качества поверхности. Научные достиже-
ния в СССР в этом виде измерений связаны, в первую
очередь, с именами таких ученых, как акад. Ю.В. Лин-
ник, проф. П.Е. Дьяченко (автор первого ГОСТ „Ше-
роховатость поверхности"), Б.С. Давыдов, проф.
И.В. Дунин-Барковский, проф. А.Н. Карташова,
В.А. Егоров, Ю.Р. Витенберг, А.П. Хусу, Я.А. Рудзит,
В.С. Лукьянов. В развитии работ в области метроло-
гии шероховатости поверхности во ВНИИМС актив-
но участвовал В.С. Лукьянов, пришедший в институт
в 1962 г. и возглавлявший это направление до 1995 г.
За эти годы инсти тут стал центром эталонов и голов-
ной организацией в данном виде измерений, ему по-
ручено ведение Секретариата Технического Комите-
та ИСО. Работы, включавшие все аспекты метроло-
гии качества поверхностей, выполнялись большим
коллективом ученых и специалистов, среди которых
особый вклад внесли Г.Н. Самбурская, В.Г. Лысенко,
О.К. Комаровский, Н.А. Табачникова. Шерохова-
тость поверхности — пространственный, трехмерный
объект, для описания которого должны быть исполь-
зованы пространственные (топографические) пара-
метры. В основе широкой распространенности про-
фильного метода для описания шероховатых поверх-
ностей в мировой практике лежат фундаментальные
закономерности теории передачи информации, а так-
же то, что, в большинстве случаев, профильные па-
раметры достаточно полноценно определяют свойст-
ва шероховатой поверхности. В связи с этим профиль-
ный метод определения шероховатости поверхности
продолжает оставаться основным. На профильном ме-
тоде базируются все национальные и международные
стандарты по качеству обработанной поверхности.
Принципиально важное значение имеет система па-
раметров шероховатости, заложенная в ГОСТ 2789-
73 [1], которая обеспечивает наиболее полное опи-
сание свойств шероховатой поверхности. Парамет-
ры, регламентированные стандартом, применимы к
любым реальным шероховатым поверхностям, что
обеспечивает независимость параметров и способов
их использования от процесса формирования поверх-
ности, материала детали, конкретных функциональ-
ных назначений изделий и показателей качества и
достаточно полно и всесторонне отражают свойства
шероховатой поверхности. Параметры имеют ясный
физический смысл и обеспечивают возможность их
непосредственного применения в качестве размер-
ных характеристик неровностей, что позволяет осу-
ществлять их контроль посредством простых средств
и методов измерений, а также задавать требования на
чертежах с помощью числовых характеристик. В
ГОСТ 2789-73 в качестве базовой линии стандартизо-
вана система средней линии (система М) — система
отсчета, используемая для оценки параметров профи-
ля, в которой в качестве базовой выбрана средняя ли-
ния. Средняя линия представляет собой базовую
линию, имеющую форму номинального профиля и
проведенную так, что в пределах базовой длины I
среднее квадратическое отклонение профиля от этой
линии минимально. Все параметры профиля шерохо-
ватой поверхности определены на базовой длине, ко-
торая выполняет одновременно две функции [2]. Во-
первых, осуществляет фильтрацию верхних про-
странственных частот (разделение шероховатости и
волнистости поверхности), при этом из всех неров-
ностей выделяются только те, совокупность которых
образует шероховатую поверхность (шаг этих неров-
243
ностей меньше заданной базовой длины). Параметры
этой поверхности и подлежат оценке. Вторая функ-
ция базовой длины заключается в том, что она, явля-
ясь единичной, стандартной длиной профиля, на ко-
торой измеряют единичное значение параметра,
обеспечивает единообразие оценки параметров ше-
роховатости. Важность этого свойства базовой дли-
ны определяется тем, что значения параметра шеро-
ховатости одной и той же поверхности, определяе-
мые на разных базовых длинах, в силу случайного
характера профиля различны. Действительное значе-
ние параметра шероховатости всей поверхности яв-
ляется средним арифметическим из значений пара-
метра, определенным по нескольким базовым длинам,
составляющим длину оценки. ГОСТ 2789-73 регламен-
тирует шесть основных параметров шероховатости:
а) параметры шероховатости, связанные с высот-
ными свойствами неровностей:
— среднее арифметическое отклонение профиля
Ra — среднее арифметическое абсолютных значений
отклонений профиля в пределах базовой длины
Ra =7ЛХх)|^ , Ra , (1)
1 0 n i-1
где I — базовая длина; n — число выбранных то-
чек на базовой длине; У — отклонение профиля — рас-
стояние между любой точкой профиля и средней ли-
нией;
— высота неровностей профиля по десяти точкам
— сумма средних абсолютных значений высот пя-
ти наибольших выступов профиля и глубин пяти наи-
больших впадин профиля в пределах базовой длины
5 5
хЫ+хы
Яг=‘< М , (2)
z 5
где Ур — высота i -го наибольшего выступа про-
филя; )’и- — глубина i -й наибольшей впадины профи-
ля;
— наибольшая высота неровностей профиля
Япых — расстояние между линией выступов профиля
и линией впадин профиля в пределах базовой длины;
б) частотные свойства неровностей характеризу-
ются шаговыми параметрами: средним шагом неров-
ностей профиля Sm — средним значением шага неров-
ностей профиля в пределах базовой длины, средним
шагом местных выступов профиля $ — средним зна-
чением шагов местных выступов профиля, находя-
щихся в пределах базовой длины. Параметры Sm и S
характеризуют взаимное расположение вершин про-
филя и точек пересечения профиля со средней лини-
ей, анализ их соотношения для реальной поверхно-
сти позволяет решать задачу определения длины из-
мерения для обеспечения заданной точности
измерения параметров шероховатости;
в) параметр шероховатости, описывающий фор-
му неровностей профиля: относительная опорная
длина профиля tp — отношение опорной длины про-
филя к базовой длине
= V ’(3)
где 7 р — опорная длина профиля — сумма длин
отрезков, отсекаемых на заданном уровне в материа-
ле профиля линией, эквидистантной средней линии
в пределах базовой длины.
Приборы для измерений параметров шероховато-
сти поверхности отличаются большим разнообразием
как по принципу действия, так и по конструктивным
особенностям. В настоящее время наибольшее распро-
странение получили приборы как контактные, так и
бесконтактные, основанные на профильном методе,
т.е. на методе, с помощью которого исследуется сече-
ние поверхности. В совокупности профильные мето-
ды позволяют измерять все параметры шероховато-
сти, регламентированные ГОСТ 2789-73. К приборам
последовательного преобразования профиля относят-
ся щуповые профилометры — профилографы, с помо-
щью которых могут быть измерены практически все
параметры во всем диапазоне их значений. Основные
типы и параметры этих приборов стандартизованы в
России [3] и за рубежом [4, 5]. К приборам одновре-
менного преобразования профиля относятся двухлу-
чевые микроинтерферометры, микроскопы светово-
го сечения и микроскопы муаровые однообъективные.
Оптические приборы предназначены для измерений
двух высотных параметров шероховатости R^* и R,
у*
244
и шагового 5 . Основные типы и параметры оптиче-
ских приборов стандартизованы в [6] и описаны в [7].
Кроме профильных методов получили развитие и ме-
тоды измерений шероховатости поверхности по пло-
щади, наиболее распространенный из которых осно-
ван на сравнении исследуемой поверхности с образ-
цом. Состояние метрологического обеспечения в
области измерений параметров шероховатости по-
верхности характеризуется комплексом эталонных и
рабочих СИ, НД на МП и МВИ. Основой метрологи-
ческого обеспечения в области шероховатости поверх-
ности являются государственный специальный эталон
[8], эталонные меры шероховатости (ЭМШ), а также
ГПС для средств измерений параметров шероховато-
сти в соответствующих диапазонах. Построение ГПС,
номенклатура типов рабочих эталонов и число ступе-
ней передачи размеров единиц шероховатости от ГЭТ
рабочим СИ опираются на реально достижимые точ-
ности рабочих эталонов. Основным средством ОЕИ
шероховатости поверхности служат ОМШ с периоди-
ческим профилем [9], представляющие собой меры с
поверхностью, образованной совокупностью периоди-
чески повторяющихся одинаковых неровностей. В ча-
стном случае неровность может быть одна (одноштри-
ховые меры). В зависимости от назначения ОМШ раз-
личают по форме профиля и номинальным значениям
параметров. Форму профиля меры выбирают из усло-
вия чувствительности профиля к изменению метроло-
гической характеристики прибора, для поверки кото-
рого служит мера. В качестве эталонных СИ служат се-
рийно выпускаемые приборы, аттестованные по
специальным методикам. Важной задачей метрологи-
ческого обеспечения шероховатости поверхности яв-
ляется установление требований к MX СИ в соответ-
ствии с ГОСТ 8.009-84, что обеспечивается соответст-
вующими НД [ 2 ]. Поддержание на должном уровне MX
СИ в процессе эксплуатации обеспечивается системой
испытаний с целью утверждения типа и надзора за
производством, состоянием и применением средств
измерений. В ОЕИ шероховатости поверхности зна-
чительную роль играет разработка и стандартизация
МВИ. Т.к. шероховатые поверхности представляют со-
бой реализацию случайного процесса, а параметры
имеют вероятностно-статистический характер, то в
МВИ решается вопрос о выборе базовой длины, рас-
положения и числа участков измерений на поверхно-
сти в зависимости от заданной точности измерений
параметров [10-12].
Литература:
1. Лукьянов В.С. Определение шероховатости по
ГОСТ 2789-73 // Измерительная техника. — 1974. — № 12.
2. Табачникова НА., Валуева Н.Н., Прохорова Н.А. При-
боры для измерения шероховатости и волнистости поверх-
ности. — М.: Машиностроение, 1983.
3. ГОСТ 19300-86. Средства измерений шероховатости
поверхности профильным методом. Профилографы — про-
филометры контактные. Типы и основные параметры.
4. ИСО 3274-1996. Нормирование геометрических тре-
бований к продукции. Текстура поверхности: Профильный
метод. — Номинальные характеристики контактных (щупо-
вых) щуповых приборов.
5. ИСО 11562-1996. Нормирование геометрических тре-
бований к продукции. Текстура поверхности: Профильный
метод. — Метрологические характеристики фазокорректи-
рованных фильтров и полосы передачи, используемых для
щуповых (контактных) приборов.
6. ГОСТ 9847-79 Приборы оптические для измерения па-
раметров шероховатости. Типы и основные параметры.
7. Кучин А А., Обрадович К А. Оптические приборы для
измерения шероховатости поверхности. — Л.: Машинострое-
ние, 1981.
8. Лукьянов В.С. Государственный специальный эталон
и общесоюзная поверочная схема в области измерений па-
раметров шероховатости поверхности // Измерительная
техника. — 1978. — № 11.
9. Лукьянов В.С. Обеспечение единства измерений ше-
роховатости поверхности. — М.: Изд. ВНИИКИ, 1973.
10. МИ 41-88. ГСИ. Методика выполнения измерений па-
раметров шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73 при
помощи приборов профильного метода. — М., 1988.
11. Лукьянов В.С., Самбурская Г.Н. Особенности измере-
ния шероховатости и волнистости обработанных поверхно-
стей с использованием фазонеискажающих фильтров //
Сб.: Исследования в области метрологии качества обрабо-
танных поверхностей. — М., 1988.
12. Комаровский О.К. К вопросу о применении фильт-
рации при измерении шероховатости // Сб.: Исследования
в области метрологии качества обработанных поверхно-
стей. — М., 1988.
Н.А. Табачникова
245
Государственный специальный эталон единицы
длины в области измерений параметров
шероховатости поверхностей
Шероховатость поверхности представляет собой
пространственный объект, поэтому параметры шеро-
ховатости определяются через координаты поверхно-
сти и обычно имеют размерность линейных величин,
однако их физическое содержание существенно отли-
чается от линейных величин. Другая особенность па-
раметров шероховатости связана с тем, что их значе-
ния составляют порядка (1-5)-109м. Кроме того, не-
ровности поверхности — чрезвычайно малые
объекты, для определения размеров которых требу-
ется достаточное разрешение. Традиционные средст-
ва измерений линейных величин здесь неприменимы.
Таким образом, особенности неровностей шерохова-
той поверхности и физического содержания парамет-
ров не позволяют осуществить прямую передачу раз-
мера единицы величины от первичного эталона мет-
ра рабочим эталонам и рабочим средствам измерений
параметров шероховатости поверхности без сущест-
венной потери точности. Это определило необходи-
мость разработки специального эталона. Государст-
венный специальный эталон единицы длины в облас-
ти измерений параметров шероховатости Rmltx, Л.
был разработан во ВНИИМС Госстандарта в 1977 г.
под руководством к.т.н. В.С. Лукьянова, который был
до 1995 г. ученым хранителем данного эталона.
Эталон включает комплекс следующих средств из-
мерений:
— образцовый источник монохроматического из-
лучения — газовый лазер, стабилизированный по про-
валу Лэмба;
— эталонная микроиптерференционная установка,
состоящая из микроинтерферометра, устройств для
объективного наведения и дополнительных средств
измерений линейных перемещений;
— эталонная мера шероховатости.
В основу работы эталона положен метод преобра-
зования профиля поверхности с воспроизведением в
длинах световых волн ординат дискретных точек вы-
ступов и впадин. Параметр Яп1ах по определению есть
расстояние между линией выступов и линией впадин.
Следовательно, для его определения необходимо
знать направление средней линии профиля, наивыс-
шую точку наибольшего выступа и наинизшую точку
наибольшей впадины. Параметр Rz — высота, полу-
ченная усреднением абсолютных значений высот и
глубин пяти наибольших выступов и впадин. Для но-
минального периодического профиля и профиля с од-
ной неровностью параметры и Rz совпадают.
Однако, учитывая флуктуацию выступов и впадин
реального периодического профиля, параметр R. на-
до определять, усредняя значения высот пяти неров-
ностей в пределах каждой базовой длины. Таким об-
разом, для реализации высокоточных измерений па-
раметров Rmdy. и Rz необходимо знать направление
средней линии и высоты одной или пяти неровностей
в пределах базовой длины. Практически это направ-
ление определяется плоскостью исходной поверхно-
сти меры шероховатости — рабочего эталона (шеро-
ховатости) (в этой плоскости лежат все вершины вы-
ступов периодического профиля), таким образом,
средняя линия направлена параллельно оси абсцисс
и мало зависит от базовой длины. Это дает возмож-
ность в эталоне не определять значения базовой дли-
ны в направлении оси абсцисс с высокой точностью.
Для получения значений параметров и Rz дос-
таточно обеспечить только высокоточные измерения
определенных высот неровностей, что реализуется
при помощи интерференционного фотоэлектриче-
ского метода. Определение высот неровностей пре-
дусматривает получение изображения профиля по-
верхности меры шероховатости и измерения по не-
му длины ординат заданных точек. Изображение
профиля меры или его участка получают на основе
линейного интерференционного профильного пре-
образования с постоянными коэффициентами по
осям координат. Длину ординат заданных точек изме-
ряют по этому изображению, используя интерферен-
ционный фотоэлектрический метод. Принципиаль-
ная схема эталона включает: микроинтерферометр
для линейного интерференционного преобразования
профиля меры и получения его изображения; устрой-
ство для крепления меры шероховатости и ее тонко-
го перемещения по трем координатам; фотоэлектри-
ческое устройство для измерений высот неровностей
профиля по интерференционному изображению в
диапазоне 0,1-1,0 мкм; интерференционно-фотоэлек-
трическое устройство для измерения высот неровно-
стей профиля в диапазоне 1,0-1000 мкм.
Схема микроинтерферометра (рис. 1) содержит ос-
ветитель, состоящий из лазера 14 (эталонного источ-
ника 1-го разряда), двух параллельных зеркал 24 и 25,
конденсора 26, коллимационного объектива 27, свето-
делительного элемента 28, выполненного в виде плос-
копараллельной пластины с полупрозрачным покры-
тием, наклоненной к оптической оси под углом 45°.
Благодаря этому, поток света делится на два и направ-
ляется в две ветви микроинтерферометра. Каждая
ветвь имеет микрообъектив 29. В референтной ветви
помещено зеркало 30. В основной ветви в фокальной
246
Рис. 1. Схема микропроцессора
плоскости микрообъектива 29 расположена поверх-
ность меры шероховатости 11. Компенсатор 31 позво-
ляет уравнять разность хода лучей в обеих ветвях, что
обеспечивает наилучший контраст интерференцион-
ного изображения профиля. Волновые фронты от ре-
ферентного зеркала 30 и поверхности меры 11 прохо-
дят по своим ветвям и после светоделительного эле-
мента 28 при помощи дополнительной линзы 32
интерферируют в плоскостях 7. Интерференционная
картина представляет собой периодическую систему
изображений профилей меры. Все точки интерферен-
ционного изображения однозначно связаны с длиной
волны света эталонного источника 14. Зрительная сис-
тема 8 необходима для реализации начальных условий
перед измерениями высот неровностей. Параметры
микроинтерферометра таковы, что позволяют одно-
временно получать изображение всего профиля по-
верхности меры в диапазоне высот неровностей 0,1-
1,0 мкм при длине не менее 0,300 мм. Высоты неров-
ностей измеряют при помощи фотоэлектрического
устройства. Оно состоит из зеркала 5 с узкой щелью,
расположенного под углом 45° к оптической оси так,
что ось щели лежит в плоскости изображения 7 и про-
ходит через точку ее пересечения с оптической осью.
В этом случае участок действительного изображения
при помощи зеркала 5 превращается в мнимый и на-
блюдается через зрительную систему 8. Таким образом,
можно одновременно наблюдать все изображение про-
филя и выбирать точки для измерений и пропускать
на фотодетектор без потерь только часть светового по-
тока от точки, в которой проводятся измерения. Эта
часть потока (сечением 25 мкм) попадает на торец ко-
............. 247 ---- 1
леблющегося световодного волокна сканатора 4 и че-
рез световодные разъем 5 и кабель 6 — на фотодетек-
тор 1 (фотоэлектрический умножитель). Световодное
волокно 4 совершает поперечные колебания в плос-
кости щели и плоскости 7 с частотой 1000 Гц и ампли-
тудой 0,15-0,20 мм. Такая частота колебаний обеспе-
чивает лучший (в смысле отношения сигнал-шум) ре-
жим работы системы. Для формирования сигнала
наведения применяют электронную систему, включаю-
щую усилитель 42, фазовый детектор 43, пассивный
фильтр 44 и стрелочный индикатор 45, применяемый
в качестве нуль-индикатора. Этим же устройством пе-
ремещают колеблющееся волокно сканатора до наве-
дения на следующую точку изображения профиля. По-
лученные отсчеты представляют ординаты точек про-
филя меры, измеренные в длинах световых волн
источника 14. Масштаб интерференционного преоб-
разования определяют, измеряя ширину интерферен-
ционной полосы по двум последовательным отсчетам
устройства 33. В диапазоне высот неровностей 1-
1000 мкм микроинтерферометр используют с источни-
ком белого света 34, поток от которого направляется
конденсором 35. В этом случае интерференционное
изображение участков профиля получают в виде ахро-
матической полосы, что обеспечивает простоту наблю-
дения и отсчета. Длину ординат профиля измеряют в
длинах световых волн при помощи интерферометра
13 с фотоэлектрическим отсчетным устройством 16.
Мера шероховатости 11 крепится на столике прибо-
ра, имеющем верхнюю опорную плоскость 10, так, что
ее рабочая поверхность прижимается к этой плоско-
сти. Этим исключается влияние неплоскопараллсльно-
сти меры на результат измерений. Столик с мерой име-
ет точные координатные перемещения по трем осям,
одна из которых перпендикулярна плоскости меры.
Фотоэлектрическое отсчетное устройство 16 исполь-
зуют для отсчета целых и определения дробных час-
тей интерференционных полос. В начальный момент
измерения торец волокна фотоэлектрического устрой-
ства микроинтерферометра наводят на выбранную
точку ахроматического изображения участка профи-
ля и фиксируют в этом положении. Одновременно уст-
ройство 16 наводят на центральную полосу интерфе-
рометра 13. Это исходное положение. При помощи
столика перемещают меру и приводят другой участок
ахроматического изображения ее профиля в положе-
ние, совпадающее с положением начальной точки
(контроль ведут по фотоэлектрическому устройству
микроинтерферометра). Перемещение меры шерохо-
ватости (рабочего эталона шероховатости) в направ-
лении, перпендикулярном ее рабочей поверхности, не-
обходимое для такого совпадения, вызывает такое же
перемещение зеркала 41 и соответствующее смещение
интерференционных полос в плоскости 15. Число сме-
стившихся полос отсчитывается электронным счетчи-
ком целых полос. Импульс, соответствующий прохо-
дящей полосе, формируется на основе сигнала устрой-
ства 16. Дробную часть полосы отсчитывают при
помощи устройств 16 и 33. По полученным значениям
ординат определяют высоты неровностей в длинах
световых волн и параметры R„ax и R..
Расчеты и экспериментальные исследования
метода измерений, положенного в основу эталона,
показали, что среднее квадратическое отклонение ре-
зультата измерений S параметров R,.Vra и R. не пре-
вышает 0,005 мкм при неисключенной систематиче-
ской погрешности 0 не более 0,005 мкм в диапазоне
0,1-1 мкм и 0,05 мкм при 0 = 0,05 мкм в диапазоне 1-
1000 мкм. Неисключенная систематическая погреш-
ность была определена на основе теоретического ана-
лиза метода измерений и исследования особенностей
эталонной установки. Случайная погрешность изме-
рений в основном обусловлена погрешностями наве-
дения на интерференционную полосу и снятия пока-
заний по шкале отсчетного устройства. ГЭТ имеет но-
мер государственной регистрации ГЭТ 113-77 и стоит
во главе ГПС для средств измерений параметров ше-
роховатости поверхности. ГЭТ 113-77 и ГЭТ едини-
цы длины связаны через систему эталонных источни-
ков света. Рабочий эталон в области измерений пара-
метров шероховатости и Rz (ВЭТ 113-1-83)
обеспечивает поверку дискретных значений парамет-
ров в диапазоне 0,1-1 мкм со средним квадратическим
отклонением результата поверки не более 3 %; в диа-
пазоне 1-100 мкм не более 0,8 %, приведенным к верх-
нему пределу диапазона. Согласно ГПС основная
функция ГЭТ 113-77 — передача размера единицы па-
раметров рабочему эталону путем периодической ат-
тестации. Кроме того, для поддержания метрологи-
ческого состояния эталона и его совершенствования
должны проводиться сличения эталона с устройства-
ми высшей точности, используемыми в других стра-
нах в качестве верхнего звена поверочной схемы или
в качестве исходных средств измерений. Такие рабо-
ты проводились с Национальным центром метроло-
гии Болгарии, ПТБ (Германия), Республикой Куба и
т.д. Эталонные меры шероховатости поверхности яв-
ляются основным средством ОЕИ параметров шеро-
ховатости поверхности и вместе с эталонными при-
борами составляют основу поверочной схемы. Рабо-
чие эталоны (приборы и меры) обеспечивают поверку
всего парка рабочих СИ, находящихся в эксплуатации
во всех отраслях промышленности России — микро-
интерферометров, приборов светового сечения, щу-
повых профилографов- профилометров, а также об-
разцов шероховатости сравнения и точных деталей.
ГЭТ 113-77 регулярно используется для анализа со-
стояния рабочих эталонов и их аттестации для ТО
России и СНГ (Казахстан, Украина, Белоруссия), а так-
же при испытаниях с целью утверждения типа СИ па-
раметров шероховатости, ввозимых из-за рубежа.
Литература:
1. Лукьянов В.С. Авторское свидетельство № 518619 //
Бюллетень изобретений. — 1976. — № 23.
2. Лукьянов В.С. Обеспечение единства в области изме-
рений шероховатости поверхности. — М.: ВНИИКИ, 1971.
3. Лукьянов В.С. Государственный специальный эталон
и общесоюзная поверочная схема в области измерений па-
раметров шероховатости поверхности // Измерительная
техника. — 1978. — № 11.
4. Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для
измерения шероховатости поверхности. — Л.: Машинострое-
ние, 1981.
Н.А. Табачникова
248
Измерение размеров микро- и нанообъектов на
поверхности твердого тела средствами
растровой электронной микроскопии
Проблема измерения размеров микро- и нанообъ-
ектов на поверхности твердого тела возникла с появ-
лением современных высоких технологий, обусловлен-
ных развитием таких важных отраслей промышленно-
сти как микроэлектроника, микромеханика, оптика.
Решение указанной проблемы должно удовлетворять
трем основным требованиям:
1) метод измерения должен быть неразрушающим
для контролируемого изделия;
2) погрешности метода измерения не должны пре-
вышать 1-3 % среднего значения контролируемой ве-
личины;
3) метод измерения должен быть автоматизирован
и должен обладать высокой производительностью. Ес-
тественно, что традиционные методы оптической мик-
роскопии становятся непригодными для контроля на-
нометровых размеров, поскольку эти размеры много
меньше длины волны видимого света. Наиболее опти-
мальным методом является растровая электронная
микроскопия, в которой используется электронный
зонд с эффективным диаметром 20-50 нм и углом рас-
ходимости около 1 мрад, позволяющий получать ин-
формацию о профиле микро- и нанообъектов на по-
верхности твердого тела.
Физические основы метрологии размеров микро-
и нанообъектов на поверхности твердого тела с ис-
пользованием растрового электронного микроскопа
(РЭМ) базируются на результатах фундаментальных ис-
следований вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ)
рельефной поверхности, выполненных в Институте
общей физики РАН в 1990-1998 гг. и изложенных в об-
зоре [1]. В результате этих исследований было обна-
ружено неизвестное ранее свойство ВЭЭ — зависи-
мость величины эмиссии от направления движения
первичных электронов пересекающих поверхность
твердого тела [1]. Обнаруженное свойство ВЭЭ позво-
лило разработать универсальный алгоритм линейных
измерений на РЭМ в нанометровом диапазоне (50-
1000 нм) для случаев элементов с прямоугольным и тра-
пециевидным профилями.
Сущность предложенного универсального алгорит-
ма может быть описана следующими действиями. Из-
меряемый элемент рельефа сканируют зондом РЭМ с
энергией первичных электронов £>15 кэВ и регист-
рируют распределение вторичных медленных элек-
тронов (ВМЭ) по координате сканирования (видеосиг-
нал — ВС). Примеры кривых ВС демонстрируются на
рис. 1 для канавок с прямоугольным (рис. 1а) и трапе-
циевидным (рис. 16) профилями. Положение пиков
кривой ВС связано с координатой поверхности боко-
вой стенки элемента рельефа и не зависит от материа-
ла элемента. Влияние материала отражается только на
амплитуде пиков.
На рис. 2 приведены схемы элемента рельефа с пря-
моугольным профилем (рис. 2а) и соответствующей
ему кривой ВС (рис. 26) с обозначениями измеряемых
параметров.
Рис. За и б демонстрирует схемы сканирования
электронным зондом элементов рельефа с трапецие-
видным профилем. При этом предполагается, что эф-
фективный диаметр электронного зонда меньше раз-
мера элемента рельефа, но больше проекции боковой
стенки на основание элемента. По зарегистрирован-
ным кривым ВС измеряются отрезки I и Ъ , Вр и Вр ;
Ц и В, , которые связаны с размерами элементов сле-
дующими линейными соотношениями для элементов
с прямоугольным профилем:
ht=BjM+d, hp = Bp/M-d . (1)
И для элементов с трапециевидным профилем:
h^BjM+d, , (2)
hp = Bp/M-d, up = ^Lp~Bp)/M+d. (3)
Здесь индексы р и t относятся к измерению раз-
меров выступа и канавки соответственно.
В формулах (1)-(3) имеются два параметра, харак-
теризующие измерительный РЭМ: увеличение (</) и
эффективный диаметр (М) его электронного зонда.
Эти параметры определяются экспериментально для
каждого РЭМ с помощью специальной сертифициро-
ванной меры. К настоящему времени учеными Инсти-
тута общей физики РАН предложены две конструкции
таких мер: мера на основе щелевидных канавок в крем-
Рис. 1. Примеры видеосигналов, полученных при сканиро-
вании прямоугольных (а) и трапециевидных (б) канавок
249
a)
Рис. 2. Схемы прямоугольной шаговой структуры с определяемыми параметрами (а) и видеосигнала РЭМ с измеряемы-
Рис. 3. Схемы трапециевидной шаговой структуры с определяемыми параметрами (а) и видеосигнала РЭМ с
измеряемыми параметрами для структур с малыми углами наклона боковых стенок (б)
Рис. 4. Микрофотографии сколов щелевидной канавки меры с прямоугольным профилем (а) и шаговой структуры
с трапециевидным профилем (б)
г\
Рис. 5. Форма видеосигнала РЭМ от шага структуры SiO, на Si
250
Рис. 6. Схемы трапециевидной шаговой структуры с определяемыми параметрами (а) и видеосигнала РЭМ с измеряемыми
параметрами для структур с большими углами наклона боковых стенок (б)
нии с прямоугольным профилем и известной шириной
канавки [2] (рис. 4а) и мера на основе шаговой струк-
туры с профилем элемента рельефа, имеющим форму
трапеции с равными боковыми сторонами, с извест-
ным шагом структуры [3] (рис. 46).
Методы калибровки РЭМ (экспериментального оп-
ределения параметров до и й ) с помощью меры на
основе щелевидной структуры подробно изложены в
работе [4]. Разработка новой меры на основе шаговой
структуры еще более упрощает операцию калибровки
РЭМ. Кривая ВС от такой структуры имеет вид, пока-
занный на рис. 5, а схема профиля структуры и схема
соответствующей кривой ВС с обозначениями изме-
ряемых параметров приведены соответственно на
рис. 6а и б.
Следует отметить, что особенностью рассматривае-
мой структуры является выполнение неравенства
hp - Up > 4d,
когда эффективный диаметр зонда существенно
меньше проекции боковой стенки элемента на его ос-
нование. Согласно этим рисункам параметры РЭМ (М
и d) определяются из измеренных по одной и той же
кривой ВС отрезков с помощью формулы:
М = p/t , d = QjM. (4)
Процедуру калибровки РЭМ следует проводить
дважды: до и после регистрации изображений изме-
ряемых элементов. Из соотношений (4) видно, что ка-
либровка РЭМ не зависит от ошибок фокусировки зон-
да РЭМ.
Калибровка РЭМ по аттестованной мере и регист-
рация изображений контролируемых элементов рель-
ефа разнесены по времени. При переходе от сканиро-
вания элементов меры к сканированию измеряемых
элементов рельефа или при переходе от одного участ-
ка исследуемой поверхности к другому возможны
ошибки фокусировки зонда РЭМ (изменение его эф-
фективного диаметра), например из-за неточной уста-
новки тока зондирующего пучка или изменения поло-
жения поверхности по высоте из-за клиновидности об-
разца. Поэтому предложенный универсальный
алгоритм, включающий в себя вычисление размеров
по формулам (1)-(3), требует автоматического поддер-
жания одного и того же значения d. На практике та-
кое требование существенно осложняет и удорожает
процесс измерений.
В серийном производстве при отлаженных техно-
логических процессах возможно автоматическое изме-
рение одного характерного размера элемента релье-
фа — величины средней линии трапециевидного про-
филя, которая не зависит от ошибок фокусировки
зонда РЭМ. Действительно, если преобразовать выра-
жения (2) и (3) к виду:
LP/М = (ир +hp)/2,Ll/M = (и, + ht)2 ,(5)
то точность определения средней линии зависит
только от точности измерения отрезков Lpt и от точ-
ности измерения увеличения м по известному шагу
меры. Автоматизированные измерения по такому мо-
дифицированному универсальному алгоритму не зави-
сят от ошибок фокусировки электронного зонда. Ес-
тественно, что в процессе отладки режимов новой тех-
нологии необходимо пользоваться формулами (1) и (3)
и контролировать постоянство эффективного диамет-
ра зонда РЭМ.
Таким образом, предложенный учеными Институ-
та общей физики РАН универсальный алгоритм линей-
ных измерений на РЭМ в диапазоне 50-1000 нм про-
верен в экспериментах и может широко применяться
на практике.
Литература:
1. Новиков ЮА., Прохоров А.М., Раков А.В. Эмиссия
электронов из поверхностных состояний // Поверхность.
- 1993. - № 3. - С. 22-24.
2. Новиков Ю.А., Раков А.В. Вторичная электронная
эмиссия рельефной поверхности твердого тела // Труды
ИОФАН. - 1998. - Т. 55. - С. 3-99.
3. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Календин В.В.,
Ларионов Ю.В., Морозов В А, Новиков Ю А., Озерин Ю.В.,
Раков А.В., Черняков В.Н. Универсальная линейная мера для
растровой электронной и атомно-силовой микроскопии /
/ Электронная промышленность. — 1999. — № 4.
4. Новиков Ю А., Раков А.В. Проблемы РЭМ-измерений
размеров субмикронных элементов рельефа поверхности
твердого тела: 2. Новая концепция РЭМ-метрологии //
Микроэлектроника. — 1996. — Т. 25. — № 6. — С. 426-435.
Акад. А.М. Прохоров,
Лауреат Нобелевской премии
251
Измерение толщины и поверхностной
плотности покрытий
Из многочисленного числа параметров покрытий
толщина и поверхностная плотность отнесены к ос-
новным, определяющим качество, расход материала
покрытия, его функциональные свойства, включая ан-
тикоррозионные, декоративные и специальные.
Большое многообразие видов покрытий — одно и
многокомпонентных, однослойных и многослойных,
а также широкие диапазоны контролируемых значе-
ний этих параметров, например, для толщины от
0,001 до 20000 мкм, вызвали потребность в разработ-
ке разнообразных методов измерения и метрологи-
ческого обеспечения с учетом особенностей этой об-
ласти измерений.
Толщина покрытия — это технический параметр,
представляющий собой кратчайшее расстояние меж-
ду поверхностью покрытия в заданной точке и поверх-
ностью основания и характеризующий функциональ-
ные свойства покрытия, например, износостойкость,
электрические, изоляционные, оптические и другие
свойства.
Поверхностная плотность — параметр, представ-
ляющий собой массу покрытия на единице площади,
характеризующий расход материала, пошедший на по-
крытие и одновременно коррозионную стойкость по-
крытия. Этим объясняется, что именно он, а не тол-
щина покрытия контролируется прежде всего при из-
готовлении изделий с защитными покрытиями.
Эти два параметра взаимосвязаны. Так, по изме-
ренному значению поверхностной плотности покры-
тия может быть рассчитана толщина покрытия, как
отношение поверхностной плотности к удельной
плотности материала покрытия.
Для контроля этих параметров используются раз-
рушающие и неразрушающие методы.
Гравиметрический метод основан на измерении
массы изделия с покрытием и этого же изделия после
разрушения покрытия. Рассчитанная по разности из-
меренных масс, масса покрытия, если разделить ее на
площадь поверхности изделия или его части, с кото-
рой это покрытие было снято, представляет поверх-
ностную плотность покрытия.
Вариант гравиметрического метода без разруше-
ния покрытия заключается в измерении массы изде-
лия до нанесения, и после нанесения покрытия и по
разности масс при измеренной или рассчитанной пло-
щади, занимаемой покрытием, рассчитывают поверх-
ностную плотность.
Гравиметрический метод используют в металлур-
гии для контроля поверхностной плотности цинко-
вого покрытия, в производстве оцинкованной стали.
О необходимости достоверного и точного контро-
ля поверхностной плотности с точки зрения оптими-
зации расхода цветных металлов свидетельствует тот
факт, что на производство этой продукции расходу-
ется до 40 % цинка.
Гравиметрический метод прост в реализации, име-
ет погрешность 10 %, что для большинства техноло-
гических задач достаточно, но его возможности огра-
ничены. Прежде всего, он не приемлем для покрытий
с толщиной менее 1 мкм, покрытий, имеющих диф-
фузионные слои и для контроля изделий, где требу-
ется дифференциальная, а не интегральная оценка
толщины. Низкая экспрессность метода не обеспечи-
вает оперативный контроль, который особенно тре-
буется на линиях непрерывного производства покры-
тий.
Кулонометрический метод также относится к раз-
рушающим, хотя в последнее время появились куло-
нометрические толщиномеры, которые после разру-
шения покрытия на участке и регистрации результа-
та измерений восстанавливают покрытие. Метод
основан на анодном растворении участка покрытия
определенной площади под действием стабилизиро-
ванного тока в соответствующем электролите. О пол-
ном растворении покрытия судят по резкому измене-
нию потенциала. Поверхностная плотность и толщи-
на покрытия рассчитываются исходя из количества
электричества, пошедшего на растворение.
Метод используется для измерения покрытий с
толщиной (0,2-50,0) мкм, при этом погрешность со-
ставляет 10 %.
Преимущество перед гравиметрическим методом
заключается в возможности измерений на изделиях
сложной формы, например, на цилиндрических об-
разцах и проволоке; в возможности измерения мно-
гослойных покрытий, а в некоторых случаях опреде-
лять наличие и толщину диффузионного слоя.
Металлографический метод основан на измере-
нии толщины однослойных и многослойных покры-
тий в плоскости шлифа, перпендикулярной плоско-
сти покрытия, с помощью микроскопа. Несмотря на
свою трудоемкость, метод позволяет визуально оце-
нить покрытие в плоскости шлифа, его неравномер-
ность, наличие и размер диффузионных слоев. Диа-
пазоны погрешности измерения данным методом в
значительной мере определяются искусством подго-
товки шлифа и составляют соответственно (1-
100) мкм и 10 %.
Из разрушающих методов в свое время широко при-
менялись метод капли и струи. Однако высокая погреш-
252
ность этих методов, которая достигает (15-30) %, не
удовлетворяет потребностям производства и, что нема-
ловажно, они относятся к разрушающим методам.
Неразрушающие методы представлены профило-
метрическим, магнитным, вихретоковым, радиацион-
ным и другими методами.
Профилометрический метод основан на измерении
высоты ступеньки между поверхностью покрытия и по-
верхностью основания с помощью профилографа —
профилометра. Ступенька создается путем защиты уча-
стка изделия перед нанесением покрытия с последую-
щим измерением образовавшейся ступеньки за счет тол-
щины покрытия. Метод позволяет измерять толщину
на плоских поверхностях в диапазоне (0,01-1000) мкм,
но особенно применим для измерений до 1 мкм.
Метод используется для поверки эталонных мер
толщины покрытий, имеющих высокое качество изго-
товления поверхности покрытий и оснований. Изме-
рение толщины покрытия при поверке таких мер про-
изводится с относительной погрешностью 2,5 %.
Магнитный метод имеет несколько вариантов и
применим для измерения немагнитных или слабомаг-
нитных покрытий, например, никелевого, на плоских
магнитных материалах. Принцип действия магнитных
толщиномеров, основанных на магнитоотрывном ва-
рианте, состоит в измерении силы отрыва постоянно-
го магнита от изделия, величина которой зависит от
толщины покрытия. Магнитоиндуктивный вариант ме-
тода основан на измерении сопротивления магнитно-
го потока, проходящего через покрытие и материал ос-
нования. Диапазон измерения методом составляет (1-
5000) мкм с относительной погрешностью (5-10) %.
Вихретоковый метод и основанные на нем вихре-
токовые толщиномеры покрытий позволяют измерять
толщину электропроводных и неэлектрпроводных по-
крытий на немагнитных металлах и электропроводных
покрытий на магнитных металлах. Принцип метода за-
ключается в создании высокочастотного электромаг-
нитного поля, которое вызывает в изделии с покрыти-
ем вихревые токи, амплитуды и фазы которых зависят
от толщины покрытия. Диапазон измерения этим ме-
тодом составляет (3-100) мкм при погрешности 5 %.
Для градуировки и поверки (калибровки) магнит-
ных и вихретоковых толщиномеров используют эта-
лонные меры толщины покрытий или тщательно из-
меренные по толщине металлические пленки, наложе-
ние которых на поверхность изделия позволяет
моделировать покрытия.
Из радиационных методов наибольшее развитие
получили рентгенофлуоресцентный метод и метод об-
ратнорассеянного бета-излучения.
Рентгенофлуоресцентный метод основан на взаи-
модействии рентгеновского излучения с материалами
покрытия и основания с регистрацией характеристи-
ческого излучения материала покрытия или основа-
ния, интенсивность которого зависит от поверхност-
ной плотности покрытия. Метод чрезвычайно универ-
сальный и позволяет измерять практически все
известные покрытия как на больших, так и на малых
до 0,1 мм2 площадях, на изделиях простой и сложной
формы. Диапазон измерения составляет (1-400) г/м2,
что соответствует толщине покрытия (0,1-40) мкм.
Погрешность зависит от многих факторов и может
составлять (5-10) %.
Метод обратнорассеянного бета-излучения осно-
ван на взаимодействии бета-излучения с материалом
покрытия и основания и регистрации отраженного из-
лучения, интенсивность которого зависит от поверх-
ностной плотности покрытия. Метод менее универ-
сальный, чем рентгенофлуоресцентный, это связанно
с его низкой чувствительностью при малой разности
атомных номеров материалов покрытия и основания,
при разности 2 ед. и менее метод вообще не применим.
Площадь измерения бета-толщиномерами покрытий
составляет от 0,2 мм2 и выше, диапазон измерения
этим методом (1-1200) г/м2, относительная погреш-
ность — (5-10) %.
Для градуировки, поверки (калибровки) рентгенов-
ских и бета-толщиномеров покрытий используют стан-
дартные образцы (СО) поверхностной плотности по-
крытий.
К настоящему времени имеется комплекс из трех
эталонных средств и трех Государственных повероч-
ных схем, охватывающий диапазоны: (0,001-1,0) мкм,
(1-20000) мкм, (1-1000) г/м2.
Эталоны в области измерений толщины покрытий
связаны с Государственным первичным эталоном еди-
ницы длины и основаны в области малых толщин на
оптических методах, в области средних и больших —
на профилометрическом.
Основой метрологического обеспечения в облас-
ти измерений поверхностной плотности покрытий
служит установка высшей точности УВТ 13-А-81.
Установка высшей точности единицы поверхно-
стной плотности покрытий УВТ 13-А-81
Установка высшей точности (УВТ) предназначена
для хранения, воспроизведения и передачи размера
единицы с помощью СО толщиномерам покрытий.
УВТ основана на рентгенофлуоресцентном методе и
методе обратнорассеянпого бета-излучения и состоит
из комплекса средств измерений:
— спектрометры ионизирующих излучений, вклю-
чающие: элек тронно-физическую аппаратуру, полупро-
водниковые детекторные блоки, блоки с газоразряд-
ными счетчиками, преобразователи с источниками
рентгеновского и бета-излучения;
— меры поверхностной плотности — наборы метал-
лических пленок.
Наборы пленок, изготовленных из чистых метал-
лов, служат для моделирования покрытия и для градуи-
рования УВТ на требуемое сочетание покрытие — ос-
нование.
Апертуры диафрагм детекторных блоков имеют
размер 0 5 мм, что позволяет с требуемой точностью
передавать размер единицы СО различных размеров.
Обработка результатов измерений интенсивности
рентгеновского и бета-излучения при градуировании
УВТ и аттестации СО выполняется с помощью ПЭВМ,
имеющей необходимое программное обеспечение.
Диапазон воспроизводимых УВТ значений поверх-
ностной плотности покрытий составляет (1—1000)
г/м2. Погрешность УВТ характеризуется So=O,5-lO'2
(П=10), /9=0,ЗЮ2.
На установке были проведены работы по созданию
комплекса из более чем 20 типов ТЪсуцарственных СО
(золотого, серебряного, оловянного, цинкового, нике-
левого и др. видов покрытий), обеспечивающих гра-
дуировку, поверку (калибровку) всех имеющихся радио-
изотопных толщиномеров покрытий, включая им-
портные.
Разработанная и аттестованная методика выполне-
ния измерений удельной плотности металлических по-
крытий, основанная на методе двойного гидростати-
ческого взвешивания, позволяет измерять удельную
плотность покрытий с погрешностью не более 3 %.
В свою очередь это дает возможность проводить атте-
стацию СО в единицах поверхностной плотности на
УВТ с погрешностью (1-3) % и в единицах длины с по-
грешностью (3 -6) %.
УВТ возглавляет Государств, :нную поверочную схе-
му (ГОСТ 8.537 85) и хранится в УНИИМ.
В.В. Казанцев
254
Измерение отклонений от прямолинейности и
плоскостности
Отклонение от прямолинейности и плоскостно-
сти является одной из характеристик правильности
формы плоских поверхностей, определяющих функ-
циональные и эксплуатационные показатели изделий.
До 1967 г. средства измерений в этой области в основ-
ном не подлежали государственной поверке из-за от-
сутствия образцовых средств измерений и норматив-
ной документации. Основополагающим норматив-
ным документом в этой области измерений был
ГОСТ 10356-63 „Отклонение формы и расположение
поверхностей", который устанавливал 10 степеней
точности. Позднее он был переработан едва стандар-
та: ГОСТ 24642-81 „Допуски формы и расположения
поверхностей. Основные термины и определения" и
ГОСТ 24643-81 „Допуски формы и расположения по-
верхностей. Числовые значения".
Измерение отклонений от прямолинейности и
плоскостности поверхностей как самостоятельный
специфический вид линейных измерений начал фор-
мироваться в 50-х гг.
Начало положили работы в Свердловском филиа-
ле ВНИИМ им. Д.И. Менделеева по созданию специа-
лизированных электронных уровней. В дальнейшем
появился ряд обзоров в журнале „Измерительная
техника", книга Л.Л. Медянцевой, В.В. Горбачевой
и Е.Е. Шаровой „Контроль прямолинейности и пло-
скостности поверхностей"; Л.Л. Медянцевой,
В.В. Горбачевой, Л.Л. Зейгмана, В.В. Леонова „Совре-
менные методы контроля плоскостности" [1,2]. Позд-
нее был написан обзор оптико-механических прибо-
ров, применяемых в рассматриваемой области изме-
рений [3].
В обзорах описывался имеющийся в то время парк
приборов для измерений отклонений от прямолиней-
ности и плоскостности, анализировались их погреш-
ности, излагались методы поверки.
В конце 70-х гг. в ГОИ (г. Ленинград) были разра-
ботаны и изготовлены оптические линейки, оптиче-
ские струна и оптический плоскомер.
Государственные испытания прошли поверочные
линейки и плиты, изготовляемые Ставропольским ин-
струментальным заводом. Таким образом, к началу 80-
х гг. имелся обширный парк приборов, который тре-
бовал систематизации, упорядочения и узаконивания
соподчиненное™ приборов. Специфичность измере-
ний отклонений от прямолинейности и плоскостно-
сти не позволила включить их в имеющиеся повероч-
ные схемы. Необходима была разработка специально-
го эталона. Такой эталон был разработан в УНИИМе,
г. Екатеринбург в 1980 г. Ему был присвоен номер
ГЭТ 130-80.
Государственный специальный эталон единицы
длины для средств измерений отклонений от прямо-
линейности и плоскостности был создан в период с
1977 по 1980 гг. под руководством В.В. Леонова. В ос-
нову его работы был положен оптический метод — вос-
произведение с помощью узконаправленного коге-
рентного светового пучка, излучаемого оптическим
квантовым генератором исходной прямой, относи-
тельно которой измеряется функция, описывающая
профиль (Г.-метод [7]) рабочей поверхности моста эта-
лона. Мост эталона представляет собой твердокамен-
ный брус с высокодоведенной поверхностью, имею-
щей длину 5,25 м и отклонение от прямолинейности
не более 15 мкм.
Все имеющиеся средства были объединены в пове-
рочную схему в рамках ГОСТ 8.420-81 „Государствен-
ный специальный эталон и государственная повероч-
ная схема единицы длины в области измерений откло-
нений от прямолинейности и плоскостности". Были
разработаны нормативные документы по поверке по-
верочных линеек, плит и оптических линеек [4, 5, 6].
Разработаны и изготовлены рабочие эталоны, дисло-
кация которых определялась так, чтобы охватить наи-
более крупные регионы страны. Такие эталоны были
установлены в Москве, Киеве, Минске, Днепропетров-
ске, Риге, Лыткарино (Московская обл.), Алма-Ате, Но-
восибирске.
В 1990 г. была произведена модернизация Государ-
ственного специального эталона. Были заменены из-
мерительные системы эталона, введена система кон-
троля температуры моста эталона. В настоящее время
в нем использованы оптический и гравитационный ме-
тоды, которые реализуются в автоколлиматоре — (оп-
тический) и электронных измерительных системах,
чувствительными элементами которых являются элек-
тронные уровни. Модернизация эталона предусматри-
вала сокращение звеньев поверочной схемы, а имен-
но — исключение из поверочной схемы эталона-копии
при передаче воспроизводимой единицы.
Методы измерений отклонения от прямолиней-
ности и плоскостности
Согласно ГОСТ 24642-81 отклонение от прямоли-
нейности (плоскостности) определяется как наиболь-
шее расстояние от точек реального профиля (поверх-
ности) до прилегающей прямой (плоскости). Измере-
ние основано на сравнении реальной формы профиля
или поверхности с прямой или плоскостью, воспроиз-
водимой каким-либо физическим методом.
Физический принцип задания исходной прямой
или плоскости может быть механическим, гравитаци-
— 255
онным и оптическим. Задание механическим методом
основано на материальном воспроизведении исход-
ной прямой (поверочная линейка) и плоскости (по-
верочная плита). При гравитационном задании исход-
ной является эквипотенциальная поверхность грави-
тационного поля Земли. Оптический принцип задает
прямую оптическим лучом.
Методы сравнения проверяемой и исходной по-
верхностей могут быть разбиты на пять групп: меха-
нические, оптико-механические, электрические, ин-
терференционные и пневматические.
Из традиционных и самых распространенных при-
боров механического метода можно назвать повероч-
ные линейки и поверочные плиты. Сущность метода
заключается в том, что проверяемую поверхность
сравнивают с рабочей поверхностью линейки или
плиты, принимаемой за исходную прямую или плос-
кость. Основными составляющими погрешности та-
ких измерений являются: погрешность используемых
в качестве эталона поверхностей, погрешность дис-
кретизации по точкам, погрешность отсчетного уст-
ройства, с помощью которого производится сравне-
ние. Недостатками метода является ограниченность
диапазона измерений — (до 3000 мм) и значительная
погрешность (от 4 до 9 мкм). Точность метода значи-
тельно повышается (±0,5 мкм), если в качестве исход-
ной поверхности использовать доведенный стеклян-
ный брусок (Талилин-4) или доведенный стальной ва-
лик. Но при этом диапазон уменьшается до 400 мм.
Механическое задание исходной плоскости обес-
печивается также в карусельном плоскомере, где ис-
ходная плоскость задается связанным вектором ее
нормали, реализованной номинально параллельными
друг другу оси вращения подвижной части прибора и
осью поворота измерительной головки. Наиболее
точными являются оптические плоскомеры, имею-
щие погрешность от 9 до 65 мкм соответственно для
диапазонов до 800 и до 5000 мм.
Гидростатический метод измерения непрямоли-
нейности и неплоскостности поверхностей является
разновидностью гравитационного метода. Он осно-
ван на свойстве свободной поверхности жидкости
принимать форму эквипотенциальной поверхности
гравитационного поля.
Точность такого метода невысока и характеризу-
ется доверительной погрешностью порядка 0,1 мм.
Это вызывается влиянием на высоту уровня жидкости
таких факторов, как атмосферное давление и темпе-
ратура. Вариации атмосферного давления по длине
поверхности изменяет форму открытой поверхности
жидкости.
Гидростатический метод реализуется, например,
в методе сообщающихся сосудов. Погрешности этого
метода имеют тот же характер, что и в предыдущем
случае, но добавляется еще погрешность за счет пе-
репада уровней столбов жидкости при изменении тем-
пературы. Погрешность достигает 0,2 мм для водяных
столбов высотой 1 м при разности их температур 1 °C.
Оптико-механические методы можно проиллюст-
рировать на визирных трубах. При измерении откло-
нений от прямолинейности определяют расстояние
от центра визирной марки, размещаемой на измеряе-
мой поверхности, до визирной линии прибора, реа-
лизующей исходную прямую. Недостатками являют-
ся возникающие при перефокусировке трубы откло-
нения от прямолинейности линии визирования. Кро-
ме того, искажение прямолинейности светового лу-
ча вызывается неоднородностью воздушной среды и
турбулентностью воздуха. Погрешности таких визир-
ных труб лежат в пределах (10-60) мкм для поверхно-
стей соответственно протяженностью от 800 и до
10000 мм. В некоторых приборах (оптическая струна
ДП-477) используют аксикон, обладающей свойством
давать изображение точечного источника света в ви-
де прямой линии и фотоэлектрический элемент, по-
зволяющий автоматически регистрировать отклоне-
ния от прямолинейности. Такой способ уменьшает
погрешность до (5-24) мкм соответственно для диа-
пазонов до 800 и до 10000 мм. Имеются оптические
плоскомеры, где исходная плоскость задается связан-
ным вектором ее нормали, реализуемым осью враще-
ния оптической системы, создающей сканирую-
щий световой пучок. Такой метод реализован в одном
из наиболее точных приборов—оптической линейке,
основанной на использовании афокальной оборачи-
вающей системы (погрешность от 1,5 до 2,0 мкм на
диапазоне до 800 и до 1600 мм).
Электрические методы сравнения с исходной
плоскостью, задеваемой оптически, используют фо-
тоэлемент, а задаваемой гравитационным полем — ин-
дуктивные и емкостные преобразователи. Погреш-
ность в таких приборах варьируется в зависимости от
типа преобразователя от 0,2 мкм до 5 мкм.
Весьма чувствительным методом является интер-
ференционный, который заключается в сравнении
формы волнового фронта опорного светового пучка
и пучка, отраженного контролируемой поверхно-
стью. В приборах основанных на этом способе полу-
чают интерференционную картину проверяемой по-
верхности и оценивают неплоскостность по сравне-
нию полос. Преимуществом таких методов является
возможность получения непрерывной информации
от контролируемой поверхности.
При этом погрешность измерений быстро возрас-
тает с увеличением размеров измеряемых поверхно-
стей. Так, при проверке поверхностей длиной 2 м по-
грешность — порядка 2 мкм, а на длине 12 м она дос-
тигает 5 мкм. К приборам, реализующим этот метод
относится интерферометр фирмы К. Цейсс (Герма-
ния), интерферометр Саундерса (США), лазерный ин-
терферометр Хьюлетт-Паккард (США).
По типу получения информации об измеряемой
поверхности можно выделить три основных метода
[7].
В f -методе непосредственно измеряется значение
функции /(*), описывающей профиль поверхности.
Приборы, реализующие этот метод, составляют наи-
более многочисленную группу средств измерений.
Точность этого метода зависит для оптических
приборов от градиента интенсивности излучения в
сечении пучка. Поэтому используют пучки, имеющие
большие градиенты интенсивности излучения в сече-
нии пучка, что позволяет уменьшить погрешности из-
мерения расстояния от светового пучка до контроли-
руемой поверхности. Увеличения градиента также
добиваются рассечением пучка непрозрачными экра-
нами или диафрагмами. Поддержанию градиента
256
препятствует случайная неоднородность воздушной
среды, в которой распространяется пучок. Основная
составляющая погрешности вызывается неопределен-
ностью положения пучка, мерой которой является
дисперсия его траектории.
Дисперсия методической погрешности измерения
в точках на расстоянии от начала трассы, если точ-
ки отстоят одна от другой на величину I равна
_czD (i-WN-if .,
Dzi=-r-1----г—:----мкм-, (1)
.0 IN — 1
2 ,,
где с D? — дисперсия линейного отклонения све-
тового пучка, порождаемого флуктуациями показате-
ля преломления внутри единичного объема среды.
Значение величины c2Z>₽ зависит от условий прове-
дения измерений и в большинстве случаев находится
в пределах 0,1 < clDv< 1; I — интервал между точками
измерения (м); i — номер точки, в которой произво-
дится измерение; N — число измеряемых точек.
Значение дисперсии достигает максимума при
i=(N + 1)/2, т.е. в середине проверяемой поверхно-
сти:
_ с2Ру .
---• (*)
Два других метода требуют непосредственного из-
мерения первой и второй производных функции, опи-
сывающей профиль поверхности. При шаговых реа-
лизациях второго d 1-метода, измеряют разность зна-
чений описывающей профиль функции f(x) на
концах интервала, длина которого весьма мала по
сравнению с длиной измеряемой поверхности. В этом
случае последовательно (шаг за шагом) определяют
средний наклон профиля ц поверхности на отдель-
ных участках. Для этого используют уровни, автокол-
лиматоры и другие приборы.
(при малых значениях угла значения тангенса уг-
ла заменяется значением угла), x*+i_** есть д лина ша-
га, обозначаемая I.
Схема приведена на рис. 1.
Отсюда
/(**)=&’ • «)
Значение /(xj равно нулю.
По отношению к прямой, соединяющей концы из-
меряемой поверхности (выравнивающей прямой),
профиль поверхности описывается формулой
A(«w)=/(**)-—/(«у). (5)
Или, выражая значения f через углы наклона, от-
клонение от прямолинейности в точке „ £ “ будет
равно
(6)
Точность метода ограничивается конечными раз-
мерами каретки, устанавливаемой на измеряемую по-
верхность. Дисперсия методической погрешности из-
мерения в точках на расстоянии xi от начала трассы
иг\хк)~1 , (7)
где D? — дисперсия погрешности измерения угла;
N + 1 — значение дисперсии, достигает максимума
,_N + 1
при *---~— , т.е. в середине проверяемой поверхно-
сти.
г, IL „
Dzmax ~ (&)
где £ — длина измеряемой трассы поверхности
(м). Приборы, реализующие данный метод, имеет по-
грешность от 1 мкм до 0,1 мкм на 1 м.
В третьем методе (^2-метод) непосредственно из-
меряемой величиной является вторая разность (раз-
ность разностей) значений функции fix) на двух со-
прикасающихся интервалах.
Современный уровень методов
Современные требования к отклонению от прямо-
линейности для станков таковы, что измерительные
средства должны иметь погрешность, не превышаю-
щую 30 % допускаемого отклонения от прямолиней-
ности. Допуски прямолинейности зависят от длины
и составляют от 4 мкм (на длине до 800 мм) до 120 мкм
(на длине 10000 мм). Следовательно, уже для обеспе-
чения контроля станков нужны приборы и методы,
погрешность которых имеет значение от 1 мкм до
40 мкм.
Выбор и обоснование метода, лежащего в осно-
ве Государственного эталона
Для разработки эталона необходим метод, позво-
ляющий производить измерения с погрешностью
0,1 мкм на 1 м длины трассы. Рассмотрение перечне-
===^===^^===^=== 257
ленных методов и теоретический расчет их погреш-
ности [7] позволили сделать следующие выводы. При
использовании гравитационного динамического d, 1-
метода проявляется неизбежная неравномерность
движения первичного преобразователя по измеряе-
мой поверхности, приводящая к случайным вариаци-
ям эффективного вектора ориентирующего поля. Дру-
гая динамическая погрешность возникает вследствие
искажения спектра, несущего информацию о кривиз-
не измеряемой поверхности при его преобразовани-
ях и регистрации.
Для d 2-метода принципиально присутствие адди-
тивной систематической составляющей погрешно-
сти, что искажает форму профиля поверхности, вно-
ся аддитивный компонент параболического типа. Ана-
лиз метода показывает, что при его реализациях в
шаговых процедурах необходимо, чтобы системати-
ческая составляющая погрешности измерений была
в -JL/1 раз меньше случайной составляющей. Это
трудно выполнимое требование в сочетании с мень-
шим (по сравнению с f и d 1-методами) отношени-
ем мощностей сигнала и шума обуславливает умерен-
ную точность.
Более приемлем /0 -метод, достоинством которо-
го является наибольшая, по сравнению с d -метода-
ми, мощность измеряемого сигнала при минимальной
мощности мешающих факторов, хотя его применение
предъявляет весьма высоки требования к техниче-
ской реализации.
В качестве источника света в эталоне использован
оптический квантовый генератор, а именно — гелий-
неоновый лазер. Высокая плотность и когерентность
лазерного излучения позволяют сформировать узкий
параллельный пучок и создать значительные гради-
енты интенсивности в сечении пучка. Для воспроиз-
ведения исходной координатной прямой использова-
на энергетическая ось траектории светового пучка.
Воспроизведение координатной прямой основано на
разработанном методе коррекции траектории пучка.
В основу принципа коррекции положены результаты
проведенных исследований вероятностных свойств
траектории светового пучка в случайно-неоднород-
ной среде.
При модернизации эталона в качестве основного
был принят d 1-метод измерений в статическом ре-
жиме с автоматизированным перемещением каретки
с преобразователями в точки измерения. В качестве
измерительных систем выбраны автоколлиматор и
электронные уровни. Такое комплексное использова-
ние системы с различными методами измерений по-
зволяет устранить методические погрешности каж-
дой отдельно взятой [8].
Метод и конструкция эталона
Реализация d 1-метода в эталоне основана на ис-
пользовании оптического задания исходной прямой
(автоколлиматор), а также гравитационного (элек-
тронные уровни емкостного типа). С помощью элек-
тронных уровней измерения угла Ц в проверяемых
точках ведутся дифференциально. Это достигается
тем, что два уровня включаются в блок индикации
дифференциально и блок индикации показывает раз-
ность отсчетов. Измерительные преобразователи
электронных уровней и зеркало автоколлиматора пе-
ремещаются от точки до точки автоматически, оста-
навливаясь для снятия отсчетов.
Методическая погрешность измерения для кана-
лов эталона с электронными уровнями определяется
кривизной эквивалентной поверхности гравитацион-
ного поля и при длине проверяемой трассы 5 м состав-
ляет = 0,5 мкм, что необходимо учитывать при изме-
рениях.
Методическая погрешность для канала с автокол-
лиматором зависит от искривления траектории све-
тового пучка вследствие градиента показателя пре-
ломления. Она вычисляется по формуле [9].
_ п-1( иг 1 dT^xiL-x)
+ T~dZ J 2 МКМ’ (9)
где п — показатель преломления воздуха; //-сред-
няя молекулярная масса воздуха; k — постоянная
Больцмана; f —температура в помещении эталона, К;
g — ускорение свободного падения; £ — длина трас-
сы измеряемой поверхности; х — расстояние от нача-
dT
ла поверхности до поверяемой точки; — градиент
(LL
температуры воздушной среды, вычисленной вдоль
нормали к рабочей поверхности моста эталона.
Максимального значения это выражение достига-
ет при х = L/2, и на трассе измерения длиной £ =5 м
систематическая погрешность измерений, обуслов-
ленная рассмотренным фактором, достигает 3 мкм.
Конструкция эталона
Метрологический комплекс эталона состоит
(рис. 2) из измерительных систем 6, 12,13, твердока-
менного моста 1 и визирной тумбы 2, установленных
на общем фундаменте специального заложения с виб-
роизоляционной подушкой. Мост 1 и тумба 2 смонти-
рованы на регулируемых по высоте опорах 3 и 4, с по-
мощью которых рабочие поверхности моста и тумбы
выставлены в одной плоскости.
Выбор гранита в качестве материала моста обу-
словлен рядом причин, среди которых практическое
отсутствие внутренних напряжений и высокое зату-
хание механических колебаний.
На визирной тумбе 2 размещена платформа 4, пе-
ремещающаяся перпендикулярно к оси визирования
по направляющим салазок. На платформе 5, снабжен-
ной магнитным фиксирующим механизмом, установ-
лен в заданной измерительной позиции автоколлима-
тор 6.
Мост выполнен с двумя сквозными отверстиями, в
которых установлены оси 7 двух штанг 8, несущих опо-
ры шкивов 9 ленточной трансмиссии 10. Трансмиссия
осуществляет прямолинейное перемещение двух тра-
верс 11 и вместе с ними подачу измерительных каре-
ток: постоянной 12 и съемной 13 на измерительные
позиции моста 1. В момент подхода кареток к измери-
тельной позиции возникает электрическое торможе-
ние. Функцию позиционирования выполняет фото-
электрический датчик пути 17, срабатывающий на
9 Зак 450
1 — " 258
метки-прорези в линейке 18, закрепленной на фасад-
ной стороне моста 1. Метки-прорези расположены с
шагом 50 мм по всей 5-метровой длине линейки. Дат-
чик пути жестко закреплен на траверсе 11 стационар-
ной измерительной системы.
Измерительные каретки выполнены с основани-
ем в виде параллелепипеда, установленного на рабо-
чую поверхность моста тремя опорами, имеющими
плоские пятки, отклонение от взаимной плоскостно-
сти которых не превышает 0,2 мкм. Расстояние меж-
ду крайними опорами (шаг) равно 100 мм. На посто-
янной измерительной каретке установлен зеркаль-
ный отражатель оптического измерительного канала.
На съемной измерительной каретке устанавливается
только электронный уровень гравитационного кана-
ла автономной системы.
Таким образом, в состав эталона входят следующие
блоки:
— система измерительная стационарная.
— система измерительная автономная.
— мост гранитный.
— исполнительный механизм перемещения ка-
ретки.
— система контроля температуры и температур-
ных градиентов моста.
— модуль управления исполнительным механиз-
мом.
— ПК для обработки результатов измерений.
Система измерительная стационарная представля-
ет собой бинарный комплекс, включающий оптиче-
ский и гравитационный измерительные каналы. В оп-
тическом канале применен автоколлиматор АК-0.2У и
зеркальный отражатель, установленный на постоянной
измерительной каретке. На этой же каретке закреплен
первичный преобразователь гравитационного измери-
тельного канала, в качестве которого используется вы-
сокоточный специально изготовленный в УНИИМ
электронный уровень. Второй преобразователь уста-
навливается на рабочую поверхность моста в начале
или в конце трассы. Система работает в режиме сня-
тия разности показаний обоих преобразователей.
Система измерительная автономная содержит то-
же два дифференциально действующих гравитацион-
ных преобразователя: один устанавливается на съем-
ной измерительной каретке, второй статично устанав-
ливается на рабочую поверхность моста эталона.
Система контроля температуры и температурно-
го градиента содержит в шесть термоэлектрических
термометров (пары хромель-копель) и регистрирую-
щую вторичную аппаратуру.
Основные технические характеристики эталона
1. Эталон воспроизводит единицу длины в области
измерений отклонений от прямолинейности и плоско-
стности со средним квадратическим отклонением ре-
зультата измерений S , не превышающим 0,1 £ мкм
при десяти независимых измерениях, и с неисключен-
ной систематической погрешностью не более
0,1 £ мкм (L— длина поверхности, м).
2. Предел измерения стационарной и автономной
системы (0-50) мкм.
3. Шаг перемещения и расстояние между задающи-
ми этот шаг опорами измерительных кареток 100 мм с
отклонением +0,5 мм.
Рис. 2. Компоновочная схема эталона
............ 259 ========^^=^^==
4. Точности позиционирования в точках измерения
равна ±2 мм.
5. Угловое смещение кареток при движении вдоль
трассы измерения не превышает 50".
6. Отклонение от перпендикулярности плоскости
зеркала относительно плоскости опоры не превыша-
ет 25".
7. Смещение оптической оси автоколлиматора от
центра зеркала не более 1,5 мм.
8. Длина моста эталона 5100 мм.
9. Отклонение от прямолинейности поверхности
моста эталона в продольном направлении не превы-
шает 15 мкм, в поперечном — не превышает 3,5 мкм.
10. Извернутость поверхности моста эталона не бо-
лее 10".
11. Шероховатость поверхности моста эталона не
более Ra 0,32 мкм.
12. Время перемещения траверсы на шаг 100 мм со-
ставляет 5 с.
13. Погрешность измерения температуры моста и
температурного градиента не превышает 0,05 ’С.
Эталон хранится в УНИИМ.
Литература:
1. Медянцева Л.Л., Горбачева В.В., Шарова Е.Е. Кон-
троль прямолинейности и плоскостности поверхностей. —
М.: Изд-во стандартов, 1972.
2. Медянцева Л.Л., Горбачева В.В., Зейгман Л.Л.,
Леонов В.В. Современные методы контроля плоскостности.
Обзор из серии „Метрология и измерительная техника в
СССР". - 1973.
3. Сойту В А. Оптико-механические приборы для контро-
ля непрямолинейности // ЦНИИТЭИ. — М., 1976.
4. МИ 1729-87. Методические указания. ГСИ. Линейки
поверочные. Методика поверки.
5. МИ 2007-89. Рекомендация. ГСИ. Плиты поверочные
и разметочные. Методика поверки.
6. МИ 2092-90. Рекомендация. ГСИ. Линейки оптиче-
ские. Методика поверки.
7. Леонов В.В. Анализ методов измерений отклонений
от прямолинейности и плоскостности поверхностей. — М:
Изд-во стандартов, 1982. - 248 с.
8. Разработка и исследование методов и образцовых
средств измерений отклонений и прямолинейности: Диссер-
тация на соискание ученой степени кандидата технических
наук / / ВНИИМСО; диссертация Зейгман Л Л. — М., 1987.
-214 с.
9. Леонов В.В. Температурный фактор в оптической
апланометрии // Измерительная техника. — 1995. — № 6. —
С. 18.
Э.К. Бирюкова
260
Метрологическое обеспечение средств
измерительной техники,-встраиваемых в
оборудование
Заметная тенденция в развитии научных, техноло-
гических, транспортных, военных и иных произвол
ственных комплексов т — возрастание роли средств
измерительной техники (СИТ), встраиваемых в обо-
рудование и предназначенных для измерения, контро-
ля, диагностики, распознавания.
Результаты преобразования информации в таких
СИГ, как правило, определяют последующие коман
ды управления комплексом: изменение режима его ра-
боты, остановку, формирование сигнала тревоги, са-
моликвидацию и т.д. Субъективный контроль за рабо-
той встроенных СИТ нередко отсутствует, а доступ к
ним для диагностики и контроля за их исправностью
в межремонтный период работы оборудования зачас-
тую исключен.
В отличие от универсальных измерительных при-
боров, условия работы встроенных СИТ. как прави-
ло, предполагают намного большую загрязненность и
изменчивость среды, наличие вибраций, электромаг-
нитных помех, значительные температурные перепа-
ды, нередко + — ионизирующие излучения. Неконтро-
лируемые последствия воздействия влияющих вели-
чин (ВВ) на встроенные СИТ могут накапливаться за
длительный, порой многолетний период.
Характерный пример + — применение СИТ в энер-
гетическом оборудовании, где межремонтный период
нередко исчисляется г одами, а условия работы вс граи-
ваемых датчиков характеризуют следующие показате-
ли: температура (в переходном режиме) можег изме-
няться па 300. 600 и даже 1000 1000 °C; электрические
и магнитные поля достигают 200 В/м и 400 Л/м: свой
ства материалов деталей, окружающих датчики, некон-
тролируемо изменяются вследствие намагничивания и
старения; поверхности датчиков „обрастают" осадка-
ми, периодически покрываются конденсатом [1, 2].
Схожая ситуация характерна и для ряда установок
оборонного назначения, для космических аппаратов
и т.д. Нормирование погрешности СИТ в подобных
случаях достаточно сложно.
Это обстоятельство нередко побуждает разработ-
чиков оборудования с СИТ перекладывать решение
этой задачи на эксплуатационников. С этой целью раз-
работчики либо попросту „уходят" от норм метроло-
гии, именуя прибор „индикатором", но приписывая
ему некоторую погрешность, обусловленную требова-
ниями Заказчика, либо оговаривают лить порог чув-
ствительности датчика, либо нормируют основную по-
грешность прибора для нормальных условий по ГОСТ
8.395-80 и пренебрегают вкладом составляющих по-
грешности, связанных с реальными условиями изме-
рений. О том, сколь опасен этот последний прием для
потребителя свидетельствует следующий пример.
Вихретоковый датчик широко используется для
контроля зазоров и перемещений в турбоагрегатах.
Штатный цикл „пуск + - стационарный режим + — ос-
тановка" с характерным для некоторых турбин термо-
циклом (20 - 600 - 20) “С, изменяя магнитные характе-
ристики конструкционных сталей деталей машины
(Р2М или 35ХНЗМФА), в том числе, „мишени" датчи-
ка, может увеличить погрешность СИТ в 3 + -5 раз [ 1].
Влияние неконтролируемых ВВ завис ит от струк-
туры и конструкции СИТ и потому должно учитывать-
ся на этапе его разработки и первичной поверки или
калибровки.
В частности, осадки на датчике, встроенном в тур-
бину, будут нарастать меньше, если поверхность дат-
чика будет выполнена из полированной керамики [2].
Вклад некоторых ВВ в погрешность позволяют осла-
бить т.н. инвариантные, в частност и, дифференциаль-
ные структуры СИТ; для других ВВ может быть эффек-
тивна адаптивная структура, изменяющаяся в соответ-
ствии с изменением условий измерений и т.д.
Игнорирование связи структуры и конструкции
СИТ с вкладом неконтролируемых ВВ при нормиро-
вании погрешности и межповерочных (межкалибро-
вочных) интервалов, порождает опасность: СИТ, для
которых установлены одинаковая погрешность, при
встраивании в оборудование будут давать различные
показания, формировать качественно отличающиеся
сигналы управления.
В принципе, подобного рода опасность существу-
ет и для автономных СИГ широкого применения.
Авторы работы [3], опубликованной в 1982 г. году,
указали на необходимость учета различия в условиях
эксплуатации СИТ. индивидуализации для каждого
средства измерений назначаемого межповерочного ин-
тервала. И с 80-х г гг.одов проблема метрологического
обеспечения встроен) )ых в оборудование СИТ стала ин -
тенсивно разрабатываться во ВНИИМ. Появились пуб-
ликации с анализом неконтролируемого воздействия
влияющих факторов в системе „датчик + — среда + —
мишень", определяющих результат измерения СИТ в
некоторых эталонных установках и энергетическом
оборудовании [4], была отмечена необходимость экс-
периментально-расчетной оценки такого рода состав-
ляющих погрешности и прогноза изменения их вклада
в период эксплуатации оборудования, обязательного
учета их при нормировании основной погрешности
[1], введено и обосновано понятие о расширенных нор-
мальных [5], а позднее + — и о смещенных нормальных
условиях измерений [6]. Действие документа [6] пра-
вомерно отнести к любому технологическому процес-
су научного или производственного назначения. Во-
прос о нормировании условий измерения СИТ в нем
261
изложен достаточно подробно. Здесь отметим лишь ос-
новные его положения.
Унифицированными и расширенными нормальны-
ми условиями предложено именовать условия, при ко-
торых систематической погрешностью от действия ВВ
пренебрегают, а составляющие погрешности измере-
ний (основной погрешности СИТ) от действия в ого-
воренных пределах всей совокупности ВВ не превыша-
ют 35% (50%) предела допускаемой погрешности из-
мерения (основной погрешности СИТ).
Пределы составляющих погрешности измерения
(основной погрешности СИТ) от действия любой ВВ
предлагается выбирать из ряда 10, 15. 20, и 35% (15,
20, 30 и 50%) от предела допускаемой погрешности из-
мерений (основной погрешности СИТ) при действии
7 ( -11, 4 ( -6, 2 ( -3 и одной ВВ соответственно.
Если условия измерения существенно меняются в
зависимости, например, от режима технологическо-
го оборудования, для нормирования погрешности
предложено использовать смещенные нормальные ус-
ловия, которые характеризуются совокупностью ква
зиноминальных значений ВВ и пределов нормальной
области их значений. При этом квазиноминальные
значения отдельной ВВ определяются как среднее
арифметическое в рабочем пространстве за время из-
мерений Совместное действие ВВ в пределах нор-
мальной области значений в этом случае не должно
превышать среднее квадратическое отклонение ре-
зультатов измерений более чем па 50% от предела его
допускаемого значения при квазиноминальных значе-
ниях ВВ, а действие отдельных ВВ — более чем на
15, 20, 30 и 50 % от его допускаемого значения при
7 (-11, 4 (-6 ,, 2 (-3 и одной ВВ.
При этом отдельным ВВ может быть присвоен со-
ответствующий статистический вес, учтена их корре-
ляционная связь; на отклонение квазиноминальных
значений можно вводить поправки при условии, что
погрешность поправки не превышает 12 % от допус-
каемой погрешности измерений.
Понятие о смещенных нормальных условиях дает
возможность повысить точность управления техноло-
гическим процессом. Если коэффициент корреляции
не менее 0.8 связывает каждый данный режим из сово-
купности режимов работы оборудования с пределом па-
раметра, имеющего наибольший вес влияния, то мож-
но нормировать пределы нормальной области для по-
следовательности режимов по поддиапазонам.
Особенность нормирования погрешности, точнее
+ — условий измерения, для которых она оговаривает
ся, важное, но не единственное отличие метрологи-
ческого обеспечения СИТ, встраиваемых в оборудо-
вание. Не менее специфична и другая задача + — пе-
риодический метрологический надзор, традиционно
мыслимый в форме поверки или калибровки, прово-
димой через определенный, назначаемый на этапе
первичной поверки или калибровки СИТ интервал
времени.
Дело в том, что положительные результаты тради-
ционных методов поверки (калибровки) никак не га-
рантируют в межповерочный (межкалибровочный) пе-
риод сохранение характеристик СИТ, работающих в
оборудовании. Очевидна опасность процедуры повер-
ки с демонтажом рабочих средств измерения и после-
дующим использованием нетранспортируемых рабо-
чих эталонов, поскольку при повторном монтаже де-
монтированного средства оно может быть поврежде-
но или может быть нарушена „обстановка", в которой
он находится. Например, при установке термопары в
канал рабочий спай может не дойти до конца канала.
Осуществление этих метрологических операций без де-
монтажа не всегда возможно, в том числе, по экономи-
ческим причинам. Более того, поскольку при поверке
и при калибровке зависимость от влияющих факторов
не контролируется (считается неизменной с момента
выпуска СИТ), то не исключено, что даже средство, по-
веренное или оз калиброванное в унифицированных
нормальных условиях, в реальных условиях эксплуата-
ции будет иметь неприемлемую погрешность.
Но даже если метрологическое исследование осу-
ществлено в полном объеме, работа с поверенным
СИТ не дает гарантии его точности в межповерочный
период: не исключено, что от момента сличения с эта-
лоном до момента ответственной операции измерения
параметры СИТ недопустимо изменились. Вероят-
ность такого исхода тем выше, чем длительнее этот
интервал и чем жестче условия, в которых прибор в
этот период работал.
Развитие компьютерных технологий открывает
новое направление метрологического обеспечения
встроенных СИТ.
При этом важно учесть, что причины появления
метрологической неисправности далеко не равновес-
ны, и их можно ранжировать для каждого прибора по
вероятности возникновения и сгруппировать по сопут-
ствующим проявлениям.
Для уверенности в метрологической исправности
СИТ СИТ необходимодостаточно, чтобы периодиче-
ские метрологические исследования, охватывающие
лишь доминирующие или склонные к быстрому росту
составляющие погрешности, проводились достаточно
часто. При этом операции калибровки (поверки) мож
но необходимо проводить лишь лишь после ремонта
СИТ, вышедшего из строя, или в период остановки
оборудования для планового ремонта.
Возможность осуществления такого рода метроло-
гического надзора, причем без применения рабочих
эталонов, обеспечивается, с одной стороны, компью-
терными технологиями, а с другой — избыточностью
- пространственной, временной, информационной
или комбинированной, выявляемой или искусствен-
но реализуемой в системе: СИТ + — среда + — объект
измерения (контроля, диагностики и т.д.). При этом
могут быть использованы как детерминированные,
так и статистические закономерности, связанные с из-
быточностью структуры СИТ и/или с избыточностью
входных воздействий.
Такого рода оперативная оценка предположения о
нахождении основных метрологических или точност-
ных характеристик технического средства в уста-
новленных границах, осуществляемая путем сопос-
тавления с установленной периодичностью равноправ-
ных в метрологическом смысле (близких по точности)
сигналов или параметров, именуется далее метрологи-
ческим диагностическим контролем (МДК) [7, 8].
Приведем несколько характерных примеров его
реализации.
— В станках с программным управлением заметной
причиной брака продукции бывает загрязнение фото-
262
растровых преобразователей, расстыковка “„линеек”"
индуктосинов, перекос компонентов системы позицио-
нирования. Характерное проявление — эффект нерав-
номерности на считываемой шкале преобразователя:
пропуски, изменение длины считываемого интервала
на различных участках диапазона и т.д. При такой си-
туации эффективен МДК, реализуемый за счет введе-
ния структурной избыточности в систему позициони-
рования, обеспечивающий одновременный съем двух
сигналов, формируемых от различных точек „линей-
ки", выделение разности их кодов и сравнение ее с ого-
воренным допуском [9].
Подобная система для фоторастрового преобразо-
вателя фирмы „Хайденхайн", реализованная с помо-
щью двух смещенных „головок", перемещающихся
синхронно, была реализована ВНИИМ и одобрена
производственниками.
— В системе контроля положения органа регулиро-
вания ядерного реактора, разработанной во ВНИИМ,
был применен МДК, в котором при перемещении ор-
гана регулирования осуществляется проверка соответ-
ствия измеряемых значений ожидаемым, которые за-
даны используемой кодовой шкалой [10]. При этом мо-
гут быть выявлены такие характерные для дискретных
систем погрешности, как пропуск „шага", проскальзы-
вание (двойной или тройной „шаг").
— Для платинового термометра сопротивления
можно изменять ток, пропускаемый через него [11],
и сопоставлять значения температуры, измеренные
при наличии дополнительного нагрева и без него.
— Для тензорезисторного акселерометра МДК
можно реализовать путем нагрева током подвеса инер-
ционной массы, что приведет к ее перемещению, и по-
следующего сравнения показаний прибора [12].
Примеры несложно продолжить. Различные мето-
ды и средства самопроверки известны в промышлен-
ности. Базой для их технической реализации в значи-
тельной мере может служить теория инвариантности
[13, 14]. Однако отсутствие узаконенного статуса са-
мопроверки не позволяло опираться на нее при реше-
нии вопроса о метрологической исправности СИТ.
К 1989 г. ВНИИМ подготовил для Государственной
системы обеспечения единства измерений необходи-
мый документ в ранге Рекомендации [15]. Опыт его об-
суждения и принятия доказал, что если выбор состав-
ляющих погрешности, по которым реализуется МДК,
обоснован, условия осуществления МДК согласованы
с условиями нормирования погрешности, оговорены
требования к интервалам между процедурами МДК и
т.д., то МДК может стать законной процедурой метро-
логического надзора. Его применение позволяет рез-
ко увеличить межкалибровочный (межповерочный)
интервал, в ряде случаев вплоть до срока жизни СИТ.
Высокий темп автоматизации и компьютеризации
производства актуализировали задачу подготовки ши-
рокой нормативной базы для СИТ, встраиваемых в
оборудование.
С начала 90-х гг. ВНИИМС начал выпуск серии Ре-
комендаций, касающихся обеспечения эффективности
измерений при управлении технологическими процес-
сами, дополняющих изложенную выше концепцию.
Все сказанное выше свидетельствует, что метроло-
гическое обеспечение встроенных средств требует
внимания, главным образом, на этапах проектирова-
ния аппаратуры и той системы, в которую он встраи-
вается, а на этапе эксплуатации оно может быть све-
дено к минимуму.
Перспективы развития метрологического обеспе-
чения встроенных СИТ связаны в основном с разра-
боткой теории построения средств МДК на основе
теории инвариантности и дальнейшим совершенство-
ванием нормативной базы на основе [6] и [15].
Литература:
1. КолтикЕ.Д., Тайманов Р.Е., Кочугуров В.В., Сапож-
никова К.В., Дружинин И.И. Методы определения метрологи-
ческих параметров электрофизических преобразователей,
встроенных в агрегаты // Измерительная техника. — 1987. —
№10.
2. Сапожникова К.В., Тайманов Р.Е. О влиянии осадков и
конденсата на емкостное преобразование в паровых турбоаг-
регатах // Энергомашиностроение. —1988. — № 3.
3. Тарбеев Ю.В., Иванов В.Н., Новицкий П.В. Научно-тех-
нические перспективы обеспечения метрологической надеж-
ности средств измерений // Измерительная техника. —1982.
— № 5.
4. Тайманов Р.Е., Сапожникова К.В., Кочугуров В.В.,
Дружинин И.И. Об актуальных проблемах измерения относи-
тельных виброперемещений в энергоагрегатах // Метроло-
гия и повышение качества продукции ленинградских предпри-
ятий. Материалы краткосрочного семинара 23-24 мая под. ред.
Б.Н. Олейника, Э.С. Арзуманова. — Л.: ЛДНТП, 1985.
5. Цейтлин Я.М. Нормальные условия измерений в маши-
ностроении. — Л.: Машиностроение, 1982.
6. Методические указания МИ 1888-88. ГСИ. Нормальные
условия измерений в гибких производственных системах. — М.:
Издательство стандартов, 1989.
7. Сапожникова К.В., Тайманов Р.Е., Кочугуров В.В. Метро-
логический контроль как компонент диагностики гибких про-
изводственных систем и робототехнических комплексов //
Испытания, контроль и диагностирование гибких производ-
ственных систем (по материалам семинара 1985 г. г. в ИМАШ
АН им. Благонравова). - - М.: Наука. - 1988. — СС. 269—273.
8. Сапожникова К.В. Метрологический диагностический
контроль // Метрологическая служба в СССР 1991. - N2№ 2.
9. Сапожникова К.В., Слонимская Н.И. Метрологический
диагностический контроль в гибких автоматизированных про-
изводствах // Опыт внедрения прогрессивных средств и ме-
тодов размерного контроля. Материалы краткосрочного се-
минара 19-20 апреля под. ред. Я.М. Цейтлина. - Л.: ЛДНТП,
1990.
10. Тайманов Р.Е., Сапожникова К.В., Кочугуров В.В.
О метрологическом обеспечении комплексно автоматизиро-
ванных агрегатов //Измерительная техника. —1989.— № 2.
-Сс. 60-61.
11. The on-line validation of modulating sensors: Prerp.Pap.
AIM-TEC’94:3rdAustralas. And Meas. Conf., Adelaide. 26-29 Apr.,
1994/Sakti S.P. Thom R..//Nat.Contf.Publ./Inst. Eng., Austral. -
- 1994. — N № 94/5. - P. C.321-325.
12. Интегральный акселерометр с пределами измерения (
±50 g и встроенным устройством самоконтроля. Heated
actuator selftests (±50g accelerometer 1С/ Goodenough Frank /
/Electron. Des. -1992. -40. N13№ 13. - +PC. 107-108,110.
13. Петров Б.Н., Викторов BA., Лункин Б.В. Принцип ин-
вариантности в измерительной технике — М.: Наука, 1976.
14. Бромберг Э.М., Куликовский КЛ. Тестовые методы по-
вышения точности измерений. — +М.: Энергия, 1978.
15. МИ 2021-89. ГСИ. Метрологическое обеспечение гиб-
ких производственных систем. Основные положения. э— М.:
Изд-во стандартов, 1991.
Р.Е. Тайманов, К.В. Сапожникова
263
Измерение деформации
При расчете, проектировании и конструировании
машин, конст рукций и сооружений большое значение
имеет прочность используемого материала. Зная проч-
ность материала, можно определить способность от-
дельных деталей и узлов выдерживать внешние воздей-
ствия без разрушения.
Способность материала выдерживать нагрузки ха-
рактеризуется напряжением, выражающимся в едини-
цах силы на единицу площади (например, Па=Н/м2).
Аналогично и другие важные характеристики материа-
ла, например, предел пропорциональности и предел
прочности, определяются механическим напряжением
Так как напряжение непосредственно измерить
нельзя, оно определятся на основе измерения геомет-
рических размеров под действием нагрузки. Напри
мер, к испы гуемому образцу можно приложить опре-
деленную нагрузку и создаваемое ею напряжение вы
числить, зная значение действующей силы и площадь
поперечного сечения образца. Единым физическим
признаком нагружения образца является изменение
его размеров и формы, которые характеризуют меха-
ническую деформацию.
Гук доказал, что зависимость растяжения изотроп-
ного материала от нагрузки в пределах упругости яв-
ляется линейной функцией. Следовательно, на осно
ве закона Гука можно значение прилагаемой нагрузки
р вычислить по измеренной деформации е.
Р~ас, (1)
где а —коэффициент, определяемый механически-
ми свойствами материала.
Деформация обычно определяется изменением
длины на единицу длины (м/м, мкм/м, млн ’). Анало-
гично закону Гука зависимость между механическим на-
пряжением ст и деформацией является линейной
функцией с параметром, называемым модулем упруго-
сти £.
а=&Е. (2)
Таким образом, зная модель упругости определен-
ного материала и измерив деформацию, можно доста-
точно просто определить соответствующее напряже-
ние. Это вполне правомерно при одноосном напряжен-
ном состоянии. Более общие и более сложные случаи
связаны с дополнительными проблемами, которые
достаточно полно рассматриваются в специальной ли
тературе.
Взаимосвязи, представленные зависимостями (1)
и (2), послужили основой для разработки многочислен-
ных методов и средств измерения деформации, кото-
рые в настоящее время широко используются в различ-
ных областях науки и техники.
Современные методы и средства измерения де-
формации должны обеспечивать измерения ь диапа-
зоне 1-10* млн4, при температурах от минус 270 до
+1000 “С и воздействии различных физических полей,
в статических и динамических режимах. Постоянно
повышаются требования к точности результатов из-
мерения.
Основными методами, используемыми в прошлом
при разработке и производст ве машин и конструкций,
были эмпирические методы, в основе которых лежа-
ли опыт и широкое применение для приближенных
расчетов правил, выработанных практикой. Эмпири-
ческие правила были эффективны в технологических
областях, развитие которых происходило медленно,
и основные принципы и методы которых были про-
сты. Отдельные элементы машин и конструкций про-
ектировались с большими запасами прочности, раз-
рабатывались, подвергались испытаниям еще до сбор-
ки и модифицировались, т.е. упрочнялись или
облегчались согласно накопленному опыту.
Развитие науки и техники привело к созданию раз-
личных методов экспериментального исследования
напряжений и деформаций в нормальных рабочих ус-
ловиях эксплуатации конструкций и машин. Извест-
ные методы измерения деформации основывались на
непосредственном механическом измерении прира-
щения длины, часто с применением оптических при-
боров, увеличивающих малые изменения размеров и,
следовательно, способствующих их обнаружению па
глаз. Позже появились электроизмерительные прибо-
ры, применявшие емкостные, индуктивные, пьезо-
электрические и другие типы датчиков. Эти прибо-
ры получили название тензометров (экстензометров).
В последние годы упомянутые выше средства из-
мерения деформации вытесняются резистивными
датчиками (тензодатчиками, тензорезисторами), по-
лучившими распространение практически во всех от-
раслях народного хозяйства.
Рентгеновские методы используют явление интер-
ференции рентгеновских лучей, проходящих через
кристаллическую рещетку материала. Рентгеновские
методы позволяют определить только упругую состав-
ляющую деформации, что отличает эти методы от дру-
гих методов измерения деформации, с помощью ко-
торых определяются макроскопические деформации,
представляющие собой сумму упругой и пластической
составляющей.
Погрешность измерения деформаций рентгенов-
ским методом зависит от материала объекта исследо-
вания и применяемых средств и составляет (35-
150) млн1.
- 264
Метод хрупких покрытий [1,2] является одним из
наиболее простых и эффективных эксперименталь-
ных методов оценки распределения деформаций и на-
пряжений на поверхности конструкций. Разработаны
и используются хрупкие покрытия со стабильными ха-
рактеристиками, например: газопламенное тензочув-
ствительное покрытие, позволяющее оперативно оп-
ределять поля деформаций и напряжений в ложных
крупногабаритных конструкциях и оценивать значе-
ния деформаций с погрешностью +15 %; наклеивае-
мое оксидное покрытие, которое можно использовать
при температурах до 200 °C в различных средах, по-
зволяющее определять деформации при различных
условиях эксплуатации конструкций с погрешностью
не более ±10 %.
Исследование распределения полей деформации
и напряжений, особенно при сложных формах объ-
екта исследования, целесообразно начинать с приме-
нения метода хрупких покрытий, что позволяет вы-
явить основные особенности напряженно-деформи-
рованного состояния объекта и установить наиболее
рациональную схему размещения более точных
средств измерений для дальнейших исследований.
Метод Муара [ 1, 2]. В настоящее время метод муа-
ровых полос находит все более широкое применение
при исследовании деформаций и напряжений в эле-
ментах различных конструкций. Существуют различ-
ные способы формирования картины муаровых полос
как путем совмещения рабочей сетки с опорной, так
и совмещением двух изображений рабочей сетки, со-
ответственно сдвинутых или повернутых одно отно-
сительно другого. Измерения шага, направления и по-
ложения возникающих муаровых полос велики по
сравнению с относительными деформациями, взаим-
ными, линейными или угловыми перемещениями се-
ток, вызывающими эти изменения. Поэтому метод
муаровых полос обладает высокой чувствительностью
к деформациям, линейным или угловым перемещени-
ям. При нанесении сеток на объект исследований ме-
тодом травления можно исследовать поле деформа-
ций при температурах до 500 °C.
Современные измерители деформаций, выпол-
ненные согласно методу муаровых полос, имеют ниж-
ний предел измерения 2000 млн1, верхний — до
50000 млн-1 и позволяют оценивать значения дефор-
маций с погрешностью порядка ±5 %.
К основным преимуществам этих средств измере-
ний относится независимость точности измерений от
механических характеристик материала исследуемо-
го объекта.
К недостаткам метода следует отнести сравнитель-
ную сложность обработки результатов измерений и
невозможность полной автоматизации этого процес-
са.
Поляризационно-оптические методы (методы
фотоупругости, фотопластичности, фотовязкоупруго-
сти) [1,2] базируются на исследовании упругопласти-
ческого эффекта для измерения полей деформации
и напряжений в моделях объектов исследований, вы-
полненных из прозрачного материала.
Упругопластический эффект основан на свойстве
различных прозрачных материалов становиться двоя-
копреломляющими при создании в них деформаций
(напряжений). Величина двойного лучепреломления
пропорциональна деформации или напряжениям,
создаваемым нагрузкой в модели. Величины дефор-
маций, разности главных напряжений измеряют по
картине интерференционных полос или по точкам
при просвечивании плоской модели.
Поляризационно-оптический метод позволяет из-
мерить относительную деформацию в диапазоне (10-
50000) млн'1 с погрешностью (2-5) %.
К преимуществам этого метода измерений относит-
ся: возможность получать поля напряжений по сече-
ниям по плоскости и внутри объема модели; достаточ-
но точно, наглядно и просто наблюдать и измерять на-
правления и значения действующих напряжений на
моделях со сложным контуром.
К недостаткам метода следует отнести сравнитель-
ную сложность техники эксперимента при объемных
моделях и то, что измерения проводят на моделях, а
не на натуральных объектах.
Метод масштабного преобразования деформа-
ции поверхности объекта исследования (метод тензо-
метрии) [1,2]. Эти методы различают по физическим
принципам, положенным в основу преобразования де-
формации в информацию, удобную для восприятия на-
блюдателем. Различают механические, оптические,
пневматические, струнные (акустические) и электри-
ческие методы преобразования.
Механический метод преобразования основан на
масштабном (без изменения физической природы из-
меряемой величины) преобразовании деформации из-
мерительной базы с помощью механической переда-
чи до значения, которое может быть отсчитано по шка-
ле. Масштаб преобразователя составляет 100-2000.
Метод реализуется в механических тензометрах для из-
мерения статических деформаций при предваритель-
ной оценке распределения деформаций на объектах
исследования.
В оптическом методе для преобразования (увеличе-
ния) деформации используется световой луч, причем
отсчет можно вести как по перемещению светового
пятна на шкале, так и с помощью счета интерферен-
ционных или муаровых полос. Масштаб преобразова-
ния до 2000. Метод используется в оптических тензо-
метрах, применяемых в основном для лабораторных
исследований.
Изменение расхода воздуха через измерительное
сопло, вызванное деформацией чувствительного эле-
мента, используется в пневматическом методе преоб-
разования. Возникающий при этом период давления
измеряют с помощью U -образного водяного маномет-
ра. Масштаб преобразования с учетом предваритель-
ного механического увеличения может достигать
200 тыс., что обеспечивает порог чувствительности
около 10’7млн’1.
К недостаткам метода следует отнести необходи-
мость тщательной фильтрации воздуха от пыли и вла-
ги и чувствительность к внешним потокам. Пневма-
тические тензометры, реализующие данный метод
преобразования, используются только в лаборатор-
ных условиях для исследования статических дефор-
маций на моделях.
Струнный (акустический) метод преобразования
основан на измерении частоты собственных колеба-
ний струны, концы которой связаны с объектом иссле-
дования таким образом, что деформации объекта пе-
265
редаются струне. Собственная частота струны fc при
поперечных колебаниях, помимо длины 1С и плотно-
сти материала рс, зависит от напряжения бг в струне
При деформировании объекта исследования изме-
няется ст и, следовательно, fc. Измеряя f., можно
определить деформацию.
Метод реализуется с помощью струнных тензомет-
ров, в которых измерение f. может осуществляться
различными способами. При измерении /с методом
„биений", т.е. путем сравнения fL с частотой специ-
ально отградуированного генератора, возможно из-
мерение только статических или медленно меняю-
щихся деформаций.
В другом способе в струне при измерениях возбу-
ждают незатухающие колебания, а для измерения из-
менения частоты используют частотные дискримина-
торы или цифровые элекз ронные счетчики. Это да-
ет возможность измерить динамические деформации,
а также существенно повысить чувствительность и
точность измерений.
Струнные тензометры получили наибольшее рас-
пространение при очень длительных исследованиях,
например, строительных конструкций.
В электрическом методе преобразования исполь-
зуется измерение параметров электрической цепи
(сопротивления, емкости или индуктивности) или ге-
нерирование электрических сигналов в соответствии
с измеряемой деформацией. Электрический метод
преобразования нашел практическую реализацию в
тензометрах сопротивления, индуктивных, емкост-
ных, пьезоэлектрических и индукционных.
Тензорезисторный метод основан на принципе
изменения сопротивления металлов или полупровод-
ников под действием деформации. Практическая реа
лизания метода осуществляется с помощью проволоч-
ных, фольговых или полупроводниковых тензорези-
сторов.
Изменение электрического сопротивления тензо-
резистора, закрепленного на механически напряжен-
ном элементе конструкции, пропорционально про-
дольной деформации поверхности этого элемента.
Точность такого преобразования зависит от метроло
I ических характеристик тензорезистора, качества его
закрепления на объекте измерения и воздействия
влияющих величин. Кроме этого на точность преоб-
разования оказывают влияние характеристики линий
связи и средств измерений, служащих для регистра-
ции изменения сопротивления тензорезистора.
Тензорезисторный метод применяется преиму-
щественно для решения двух больших групп измери-
тельных задач.
Измерение деформаций поверхности элементов
конструкций с целью определения механических на-
пряжений по характеризующим материал зависимо-
стям: механическое напряжение—деформация. Такие
измерения особенно необходимы и при исследовании
объектов сложной формы, когда определить механи-
ческие напряжения расчетным путем не представля-
ется возможным (например, на границах измерения
сечения коленчатых валов, в трубках к резервуарам и
Т.Д.).
Результаты измерения используются для сравнения
с соответствующими характеристиками материала (на-
пример, с допускаемым механическим напряжением),
для разработки методов расчета или для определения
условий эксплуатации. Кроме того, тензорезисторы
применяются в качестве чувствительных элементов
датчиков физических величин: силы, давления, пере-
мещения и др. Так, около (90-95) % всей силоизмери-
тельной аппаратуры, применяемой в мировой практи-
ке, используют тензорезисторный метод измерения.
Основные преимущества данного метода: широ-
кий диапазон измерения (до 200000 млн'), достаточ-
но высокая точность, возможность осуществлять из-
мерения в широком диапазоне температур и частот
измеряемых деформаций (до 1051ц).
Один из недостатков тензорезисторов состоит в
том, что они являются средством разового примене-
ния, поэтому определения их характеристик произ-
водят на выборке тензорезисторов из партии, что сни-
жает достоверность полученных результатов при рас-
пространении значения характеристик на всю
партию тензорезисторов.
В этой связи погрешность измерения деформации
ь нормальных условиях оценивается в (0,5-5) %, в го
же время погрешность лучших образцов силоизмери-
тельных датчиков, в которых в качестве чувствитель-
ных элементов используются тензорезисторы, не пре-
вышает сотых долей процента.
Действие индуктивных тензометров основано на
измерении реактивного сопротивления катушки при
изменении ее индуктивности. В зависимости от пара-
метров, подвергающихся изменению под действием
деформации, индуктивные тензометры подраздели
ют: с поперечным и продольным перемещением яко-
ря. с переменной магнитной проницаемостью (маг
нитоупругис).
Индуктивные тензометры с продольным переме-
щением якоря отличаются большим диапазоном (до
5-10G млн1) и получили распространение для тензо-
метрирования крупных конструкций и сооружений,
а индуктивные тензометры с поперечным перемеще-
нием якоря имеют небольшой диапазон измерения
(до 5-103 млн4) и используются для исследования де-
формаций в зонах концентрации, поскольку имеют
небольшую базу измерений (1-10 мм).
Емкостные, пьезоэлектрические и индукционные
тензометры используются главным образом в качест-
ве элемента преобразователей механических вели-
чин.
Самыми универсальными и распространенными
являются измерительные преобразователи линейной
деформации в изменение активного сопротивления
(тензорезисторы). Для определения их метрологиче-
ских характеристик применяют поверочные устрой-
ства, основу которых составляет упругий элемент, на
поверхности которого с помощью системы нагруже-
ния воспроизводят деформацию заданной величины.
В качестве упругих элементов наибольшее распростра-
нение получили балки равного сопротивления изгибу,
балки постоянного сечения, нагружаемые по схеме
9* Зак 450
266 ........................... —
чистого изгиба УЭ в виде центрально растянутого ци-
линдрического стержня.
Наиболее рациональными в технологическом от-
ношении и обеспечивающими наибольшую точность
воспроизведения деформации являются средства вос-
произведения с УЭ в виде балок постоянного сечения,
подвергаемых чистому изгибу.
Нагружение УЭ по схеме чистого изгиба положе-
но в основу установки высшей точности (УВТ 32-А-
85), возглавляющей Государез венную поверочную схе-
му для средств измерений деформации [3, 4].
УВТ обеспечиваез воспроизведение единицы де-
формации со средним квадратическим отклонением
результата измерений, не превышающим 0,07 % при
не исключенной систематической погрешности не бо-
лее 0,09 % [4].
За рубежом отсутствуют поверочные схемы для
средств измерения деформации, но действуют нацио-
нальные стандарты, которые соответствуют междуна-
родной рекомендации МОЗМ 62 [5], регламентирую-
щей основ!гые метрологические характеристики метал-
лических тензорезисторов и требования к средствам
их определения. Так, например, механические устрой-
ства для определения чувствительности тензорезисго-
роь не более 0,5 % от средней деформации. Этим тре-
бованиям удовлетворяют установки для воспроизведе-
ния деформации первого и второго разряда [3].
Ус ганомка ьысшей точное ти для воспроизведе-
ния единицы деформации УВТ 32-А-85
Установка высшей точности (УВТ) предназначе-
на для воспроизведения и хранения единицы дефор-
мации и передачи размера единицы при помощи эта-
лонных (образцовых) средств измерений (СИ) рабо-
чим СИ,
УВТ состоит из комплекса следующих СИ [1]:
— установка СЧИ-20 с балкой постоянного сече-
ния, нагружаемой по схеме чистого изгиба;
— измерителя деформации (компаратор).
Установка СЧИ-20 содержит нагружающее устрой-
ство, пульт управления, упругий элемент в виде бал-
ки постоянного сечения, прогибомер и монтажный
стол. Форма балки, ее размеры и характер нагруже-
ния обеспечивают равномерность поля деформации
на ее поверхности. При этом условии зависимость ме-
жду относительной деформацией е, геометрически-
ми размерами балки и ее прогибом может быть пред-
ставлена как
^4Л//(л2+4/2±4Л/), (4)
где Л — высота поперечного сечения балки; / —
стрела прогиба балки; £ — база прогибомера
Схема воспроизведения и измерения деформации
приведена на рис. 1.
Упругий элемент (УЭ) установки (балка) представля
ет собой брус прямоугольного сечения 40 х 60 х 1500 мм,
изготовленный из высоколегированной стали.
Деформирования УЭ производится с помощью на-
гружающего устройства (рис. 2), стол которого соеди-
нен с ходовым винтом электромеханического приво-
да. Стол с двумя нарами нажимных роликов, установ-
ленных на расстоянии 350 мм от оси приложения
нагрузки, поступательно перемещается по двум колон-
нам, укрепленным на основании.
Основание, кронштейны с двумя парами нажим-
ных роликов, установленных на расстоянии 700 мм от
оси приложения нагрузки, и колонны составляют же-
сткую раму нагружающего устройства.
Нагрузка на УЭ от ходового винта при движении
стола вверх передается через нижние нажимные ро-
Рис. 1. Принципиальная схема УВТ
Коммутатор
опрос
те
Устройство
управляющее
измеригс:н»ш'е
опрос
ТР
Контроллер
на базе
ЭВМ
.... .... 267
лики стола, и балка деформируется выпуклостью
вверх, при этом балка упирается в верхние опорные
ролики. При перемещении стола вниз нагрузка пере-
дается через верхние нажимные ролики, балка при
этом опирается на нижние опорные ролики и дефор-
мируется выпуклостью вниз.
Стрела прогиба балки измеряется нулевым мето-
дом при помощи прогибомера кассетного устройства
с образцовыми концевыми мерами длины. Прогибо-
мер снабжен двумя опорами в виде кернов и одной в
виде подшипника, на равных расстояниях от которых
закреплена измерительная головка типа 1 ИГ.
Кассетное устройство закрепляется на балке, при
этом концевые меры длины через три шарика опира-
ются на рабочую поверхность балки.
Измерение прогиба осуществляется в следующей
последовательности. Под наконечник измерительной
голоьки устанавливается концевая мера длины, и ука-
зательная стрелка отсчетного устройства головки ус-
танавливается в нулевое положение. Затем концевая
мера длины, заменяется другой, номинальный размер
которой отличается от размера первоначальной на ве-
личину, равную задаваемому значению стрелки проги-
ба балки. Балка деформируется до возвращения стрел-
ки измерительной голоьки в нулевое положение.
Номинальные размеры концевых мер выбраны с
таким условием, чтобы на установке производилась
и измерялась деформация в диапазоне ±3(100 млн1 рав-
ными ступенями — 500 млн
Управление работой установки производится со
специального пульта.
Измеритель деформации, предназначенный для
передачи размера единицы деформации, состоит из
партии тензорезисторов, специально изготавливае-
мых по разработанным для этого критериям, комму-
татора, управляющего измерительного устройства и
контроллера на базе ЭВМ (рис. 1). Коммутатор осуще-
ствляет коммутацию выбранного тензорезистора к
входу измерительного устройства, которое преобра-
зует измерение сопротивления на тензорезисторах в
цифровой ход. Контроллер выполняет функции
управления измерительной частью схемы, запомина-
ние и обработку результатов измерения, их индика-
цию. По программе рассчитываются значения дефор-
мации е, значения выходных сигналов тепзорезисто-
ров , коэффициенты к функции преобразования
измерителя деформации, оценка 8К среднего квадра-
тического отклонения (СКО) результатов наблюде-
ний к
Воспроизведение деформации на рабочей поверх-
ности балки достигается за счет того, что при изгибе
балки ее волокна растягиваются на выпуклой сторо-
не и сжимаются на вогнутой. Длина волокон, находя-
щихся в переходной зоне не изменяется. Эти волок-
на образуют нейтральный слой. Деформация волок-
на при заданном изгибе тем больше, чем дальше оно
отстоит от нейтрального слоя.
Деформация £ поверхности балки, нагруженной
по схеме чистого изгиба, определяется по формуле
s»h/2p, (5)
где р — радиус кривизны нейтрального слоя.
Зависимость (5) получена в предположении, что
рабочая поверхность изогнутой балки является дугой
окружности. В случае, когда деформация измеряется
с помощью прогибомера, размещенного на поверхно-
сти балки, формула (5) принимает вид (4).
Точность определения деформации по формуле
(4) зависит от точности измерения входящих в нее
Рис. 2. Кинематическая схема нагружающего устройства: 1 — основание; 2 — кронштейн; 3 — опора; 4 — опорные ролики;
5 — нажимные ролики; 6 — прогибомер; 7 — балка; 8 — редуктор; 9 — клиноременная передача; 10 — ходовой винт;
11 — червячная передача; 12 — колонна направляющая; 13 — стол; 14 — опора.
268
размеров балки и прогибомера и стрелы прогиба, а
также от следующих источников погрешности:
— отклонение упругой линии балки от дуги окруж-
ности;
— неравномерность толщины и ширины балки, не-
перпендикулярность ее граней;
— смещение нейтрального слоя балки относитель-
но рабочей поверхности при изгибе;
— поперечный изгиб балки;
— инструментальные погрешности средств изме-
рений, применяемых при измерении;
— изменение температуры в процессе применения
и измерения.
Проведенные экспериментальные исследования и
теоретический расчет показали, что диапазон измере-
ний УВТ составляет ±300(1 млн1, оценка СКО случай-
ной составляющей погрешности воспроизведения де-
формации не превышает 0,07 %; неисключенный ос-
таток систематической погрешности не более 0,09 %.
Погрешность передачи размера единицы дефор-
мации определена по результатам исследования изме-
рителя деформации и составила 0,25 % при е
1000 млгг’иОД %,когда с <1000 млн1 при доверитель
ной вероятности 0,95.
УВТ 32-А-85 возглавляет Государственную повероч-
ную схему для средств измерения деформации, кото-
рая предусматривает передачу размера единицы
деформации тензометрам, датчикам деформации и
тензирезисторам и содержит три поля образцо-
вых (эталонных) и поле рабочих СИ деформации
(ГОСТ 8.543-86).
УВТ хранится в УНИИМ
Литература:
1. Тензометрия в машиностроении. Под ред. Р.А. Мака-
рова. — М.: Машиностроение, 1975. — 286 с.
2. Дайчик М.Л., Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х Ме-
тоды и средства натуральной тензометрии — М.: Машино-
строение, 1989. — 240 с.
3. ГОСТ 8.543-86 ГСИ. 1осударственная поверочная схе-
ма для средств измерений деформации.
4. Лупинский М.М , Ретивов АВ, Хмельнова Н.Е. Уста-
новка высшей точности и государственная поверочная схе
ма для средств измерения деформации // Измерительная
техника. — 1987. — № 2. — С. 33-35
5. International Recommendation № 62 Performance
Charactetistics Of Metallic Resistance Strain Gauges. —
OIMLR62, 1985.
A.B. Ретивое
269
Государственный специальный эталон единицы
длины в области измерений параметров
отклонений формы и расположения
поверхностей вращения
Создан во ВНИИМС (1980-1988 гг.) и утвержден Постановлением Гос-
стандарта СССР 07.07.88 г. № 59.
В основу работы эталона положен принцип воспроизведения едини-
цы длины отклонений радиусов-векторов, преобразованных линейным
оператором с номинированными параметрами. Единица длины переда-
ется как функция угловых и/или вертикальных прямолинейных относи-
тельных перемещений первичного преобразователя и измеряемой поверх-
ности и функция длин волн.
В составе эталона:
— интерференционная установка для передачи размера единицы дли-
ны (дискретные значения);
— набор мер отклонений формы и расположения поверхностей вра-
щения;
— установка, реализующая метод измерений отклонений радиусов —
векторов в полярной системе координат;
— установка, реализующая метод измерений отклонений радиусов —
векторов в цилиндрической системе координат;
— измерительно-вычислительный управляющий комплекс.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, м
(для радиусов 2-10’’-1,5-10'1)
СКО результата измерений, м
НСП, м
1-107-2-10'3
1,3-10‘2
3-Ю'2
Область применения
— Передача размера единицы длины в области измерения параметров
отклонений формы и расположения поверхностей средствам измерений,
применяемых в РФ.
— Испытания с целью утверждения типа средств измерений парамет-
ров отклонений формы и расположения поверхностей вращения, произ-
водимых в России или ввозимых из-за рубежа.
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерения
механических величин
271
Измерения и эталоны массы
Общие понятия об измерении массы
Одной из фундаментальных количественных харак-
теристик материи является масса, определяющая ее
гравитационные и инерционные свойства.
Впервые понятие массы появилось в работах Нью-
тона, который полагал, что конкретное тело имеет по-
стоянную массу, и что масса определяет количество ма-
терии, заключенной в данном теле. При этом масса
одинаково проявляется как при ускоренном движении
тел под действием внешних сил, приложенных к телу,
так и при нахождении тела в поле гравитации.
У первобытных народов сравнение тел по массе
производилось посредством простого ощущения дав-
ления силы тяжести на руку. С развитием меновых от-
ношений между отдельными племенами, а затем и на-
родами, возникла потребность в более точных изме-
рениях массы. История материальной культуры дает
объяснение возникновению первых мер и устройств
для измерения массы. Археологические находки в
Египте позволили дать представление о конструкции
весов древнего мира. В самых ранних находках коро-
мысло подвешивалось в центре на веревке, прикреп-
ленной к неподвижной опоре. Чашки весов древние
египтяне делали в форме плоских тарелок и подвеши-
вали их к концам коромысла на нитях.
В человеческой деятельности измерения массы яв-
ляются наиболее распространенным видом измере-
ний. Они широко используются в научных исследова-
ниях, в производстве продукции и определении ее ка-
чества, в торговле и т.д. Диапазон измерения массы в
различных сферах человеческой деятельности очень
широк: от 10,2кг при измерениях малых масс в науч-
ных исследованиях до 106 кг при взвешивании крупных
объектов промышленного производства и транспор-
та. Очень важным при измерении массы являются во-
просы обеспечения точности и единства измерений.
Мы хорошо знаем, как важно точно измерять мас-
су при научных исследованиях, но не менее важно точ-
но измерять массу в торговле и в производстве про-
дукции.
Следующие примеры показывают, насколько важ-
но точно измерять массу.
На заводе ювелирных изделий в одном из цехов
производятся, например, золотые кольца. Если на
конвейерной линии после изготовления золотых ко-
лец их массу определяют с систематической погреш-
ностью 0,002 г, то при производстве 1000 колец в день
потери золота могут составить 2 г в день, а за 1 месяц
работы могут достигнуть 40-60 г. Победа в соревно-
вании спортсмена — стрелка зависит не только от его
мастерства, но и от того, как точно измерена масса и
подогнана к заданной величине масса наполнителей
патрона.
Не менее важным, чем точность, является обеспе-
чение единства измерений на всех континентах, во
всех странах.
Единство измерений массы в России также обеспе-
чивается единой системой государственной метроло-
гической службы, научно-исследовательских метроло-
гических институтов, метрологических центров и ла-
бораторий, государственных стандартов в области
измерения массы.
К необходимости установления научных основ рос-
сийской системы мер и весов. Такая система была уза-
конена Указом Николая Ill октября 1835 г. Закон
1835 г. в качестве единицы веса установил фунт,
равный весу воды при температуре 13 1/3° Реомюра
в области 25,019 куб. дюймов; этот же закон пре-
дусматривал строительство особого здания для образ-
цовых русских и иностранных мер и весов, Депо об-
разцовых мер и весов, законченное в 1841 г. на терри-
тории Петропавловской крепости. Втомже 1835 г. был
изготовлен из платины образцовый фунт.
Депо образцовых мер и весов. Депо занималось хра-
нением образцовых мер, изготовлением их копий, по-
веркой и клеймением поверяемых мер. Первым уче-
ным хранителем был академик А.Я. Купфер, а затем
профессор В.С. Глухов. Было решено изготовить фунт
из платино-иридиевого сплава того же состава, кото-
рый был использован для изготовления прототипов
килограмма в Международном бюро мер и весов
(МБМВ). Русские прототипы фунта были изготовлены
английской фирмой „Джонсон, Маттей и К°“ в 1894 г.
Новые прототипы фунта были подогнаны по массе к
фунту 1835 г. и сличены с платино-иридиевым прото-
типом килограмма № 12, который был получен из Ме-
ждународного бюро мер и весов после проведения там
исследований и аттестации. При переходе на метри-
ческую систему прототип килограмма № 12 был при-
нят в России в качестве первичного эталона единицы
массы.
В 1893 г. Д.И. Менделеев преобразовал Депо в Глав-
ную палату мер и весов и сразу же приступил к возоб-
новлению основных прототипов русских мер и, в ча-
стности, прототипа массы.
Д.И. Менделеевым проведены глубокие теоретиче-
ские и экспериментальные исследования в области из-
мерения массы, проведены большие работы по усовер-
шенствованию весов и методов точных взвешиваний.
А.Н. Доброхотов участвовал в работах по возобнов-
лению прототипа меры массы-фунта, занимался ис-
следованиями весов. Его деятельность была связана с
272
введением метрической системы в стране и направ-
лена на развитие и совершенствование поверочного
дела.
Продолжил работы в области измерений массы
И.Д. Менделеев, сын Д.И. Менделеева. Он занимался
высокоточными измерениями массы, сконструировал
первые двухпризменные весы, которые стали осно-
вой для создания весов со встроенными гирями на
полную нагрузку. Начиная с середины XX в. ведущие
фирмы мира выпускают двухпризменные весы со
встроенными гирями на полную нагрузку. Такие весы
имеют более высокую производительность, чем рав-
ноплечие весы с накладными гирями, они более удоб-
ны в работе.
В это же время появляются электронные весы с
автоматическим уравновешиванием. Эти весы позво-
лили осуществлять запись быстропротекающих про-
цессов изменения массы при исследовании сорбции,
испарения, горения, при различных анализах в тер-
момассометрии. Дальнейшее развитие электронных
весов привело к созданию весов с компенсацией си-
лы на полную нагрузку и с цифровыми отсчетными
устройствами. Эти весы имеют высокое быстродей-
ствие и позволяют регистрировать быстропротекаю-
щие процессы, имеют широкие функциональные
возможности, производят различные расчетные опе-
рации, необходимые при взвешиваниях, могут пере-
давать измерительную информацию на компьютеры
для проведения математической обработки результа-
тов измерений.
Эталоны массы и эталонные весы
В качестве единицы массы в метрической систе-
ме принят килограмм.
В основе эталона единицы массы лежит принцип
независимости законов механики от выбора единицы
массы. Поэтому условно по договоренности за едини-
цу массы принята масса Международного прототипа
килограмма, представляющего собой прямой ци-
линдр с диаметром и высотой 39 мм. Международный
прототип килограмма изготовлен из платино-иридие-
вого сплава (90 % Pt, 10 % 1г). Его масса близка к мас-
се одного кубического дециметра дистиллированной
воды при температуре около +3,96 'С и нормальном
атмосферном давлении 760 мм рт.ст.
Международный прототип килограмма хранится
и применяется в Международном бюро мер и весов
(МБМВ) во Франции.
Наивысшая достижимая точность измерения мас-
сы определяется прежде всего стабильностью Меж-
дународного прототипа килограмма и точностью пе-
редачи размера единицы массы национальным этало-
нам килограмма.
Национальный прототип килограмма России — ко-
пия № 12 Международного прототипа килограмма ат-
тестован в Международном бюро мер и весов с по-
грешностью 2-КГ8 и имеет массу 1 кг±0,100 мг.
Способу хранения и применения Международно-
го прототипа килограмма придается особое значение,
так как от этого зависит его стабильность.
Международный прототип килограмма и эталоны-
свидетели хранятся в специальном помещении для
эталонов. Международный прототип килограмма ус-
тановлен на кварцевой пластине и накрыт двумя стек-
лянными колпаками, которые в свою очередь закры-
ты третьим колпаком с краном. Третий колпак опи-
рается на притертую к нему пластину из шлифован-
ного стекла. Такое устройство позволяет защитить
Международный прототип килограмма от мелких час-
тиц пыли, находящихся в воздухе. Эталоны — свиде-
тели Международного прототипа килограмма также
установлены на специальной опоре под двумя стеклян-
ными колпаками.
Для обеспечения стабильности эталона массы не-
обходимо правильно проводить очистку поверхности.
Применяют различные методы очистки поверхности
гирь в зависимости от материала, из которого они из-
готовлены. Платино-иридиевую гирю сначала проти-
рают обезжиренной замшей, смоченной в спирте. За-
тем производится промывка поверхности гири в струе
пара дважды или трижды дистиллированной воды при
медленном вращении эталона на подставке. После про-
мывки гирю помещают на два дня в эксикатор с высу-
шивающим материалом, после чего гиря готова к про-
ведению измерений.
Для обеспечения необходимой точности сличе-
ний эталонов необходимо использовать компараторы
или эталонные весы наивысшей точности с наиболь-
шим пределом взвешивания 1 кг.
Эталонные весы должны обеспечивать относи-
тельную погрешность сличений не более 2-109и, сле-
довательно, должны иметь сверхвысокую чувстви-
тельность к изменению массы. Чтобы иметь представ-
ление о такой высокой точности и чувствительности,
следует вообразить такие точные весы, которые во
время взвешивания 50-тонного железнодорожного ва-
гона с зерном пшеницы могут почувствовать измене-
ние массы и дать отклонение при добавлении к общей
массе всего 1-2-х зерен пшеницы.
В МБМВ для эталонных сличений используются из-
готовленные в США высокоточные эталонные весы
NBS-2, имеющие СКО (стандартное отклонение) ме-
нее 0,001 мг при нагрузке 1 кг. [1]. В весах использует-
ся двухпризменное коромысло с одной грузоприемной
подвеской. В витрине весов могут одновременно раз-
мещаться шесть гирь, которые могут сравниваться в
различных сочетаниях. Конструкция весов выполне-
на таким образом, чтобы обеспечить постоянный кон-
такт в парах „призма-подушка" при смене взвешивае-
мых гирь и во время взвешивания. Такая конструкция
весов позволила уменьшить составляющие погрешно-
сти, зависящие от изменения длины плеча коромыс-
ла. Для уменьшения влияния внешней среды весы снаб-
жены двойной теплоизоляционной витриной.
В МБМВ имеется очень точный компаратор мас-
сы [2], разработанный доктором Т.Дж. Квином. Ос-
новное отличие этого компаратора в том, что в нем
вместо контактных пар призма-подушка используют-
ся специальные упругие элементы. Кроме того, ком-
паратор имеет электромагнитную систему, осуществ-
ляющую создание уравновешивающих моментов, уста-
навливающих коромысло в исходное горизонтальное
положение. Эта же система обеспечивает цифровой
отсчет для малых изменений массы. Компаратор мас-
сы очень сложное механическое устройство, требую-
щее очень тщательной настройки и юстировки всех
его подвижных частей, обеспечивающих высокую чув-
ствительность коромысла и точность весов в целом.
................. 273
Это самый точный компаратор массы, имеющий СКО
(стандартное отклонение) 5-1011 кг при нагрузке 1 кг.
С помощью высокоточных компараторов в МБМВ
осуществляется передача размера единицы массы от
Международного прототипа килограмма националь-
ным эталонам единицы массы разных стран мира.
Аттестация национальных эталонов массы в
МБМВ производится, как правило, путем сличения их
с эталонами-свидетелями. При этом для исключения
систематической погрешности сличение эталонов
массы производится, например, по схеме А-В-А В-А,
где А — эталон-свидетель, масса которого определена
при его сличении с Международным прототипом ки-
лограмма, В — аттестуемый национальный эталон еди-
ницы массы.
При сличениях эталонов массы обязательно про-
изводится контроль состояния окружающего воздуха.
Производятся измерения температуры, давления и
влажности воздуха. По полученным значениям опре-
деляется плотность воздуха и рассчитывается поправ-
ка на действие аэростатических сил. Эта поправка ис-
пользуется при сличении эталонов для исключения
систематических погрешностей, зависящих от плот-
ности воздуха.
Для уменьшения случайной погрешности при сли-
чениях эталонов производятся многократные взвеши-
вания. Кроме того, национальный эталон единицы
массы обычно сличается с двумя или большим числом
эталонов-свидетелей. По результатам всех измерений
рассчитывается значение массы аттестуемого этало-
на. Погрешность аттестации национальных эталонов
в МБМВ составляет 0,002 мг, что обеспечивает не
только точность, но и единство измерений в каждой
стране, имеющей свой национальный эталон.
В каждой стране национальный эталон килограм-
ма используется для аттестации мер массы высшего
класса точности, например, эталонов-копий или ра
бочих эталонов массы.
Меры массы
Во всех случаях жизни для измерения массы слу-
жат меры массы (гири) и весы.
Мерами массы являются гири установленной фор
мы, воспроизводящие единицу массы, кратное или
дольное ее значение.
Согласно Международной рекомендации МОЗМ
(OIMI, R111) гири делятся на 7 классов точности: Е1,
Е2, Fl, F2, Ml, М2, М3, из которых наивысшую точ-
ность имеет класс Е1, а низшую — класс М3. Для взве
шиваний используются гири массой от 1 мг до 50 кг.
Номинальные значения массы гирь кратны следую-
щим значениям: 1, 2, 5.
Диапазон погрешностей аттестации гирь велик и,
например, для гирь массой 1 кг составляет от 1,5-10'7
для класса Е1 до 1,5-10чдля класса М3.
В России гири выпускаются согласно ГОСТ 7328-
82 „Меры массы общего назначения и образцовые.
Технические условия". По своим характеристикам эти
гири соответствуют требованиям Международной ре-
комендации OIML R111.
Гири выполняют из немагнитной нержавеющей
стали (или сплавов) с плотностью материала
8,0-103 кг/м3.
Граммовые и килограммовые гири изготовляют в
форме прямого цилиндра с головкой. Размеры гирь вы-
бирают таким образом, чтобы диаметр цилиндриче-
ской части корпуса гири был примерно равен его вы-
соте. При таком соотношении размеров цилиндриче-
ские гири имеют наименьшую поверхность, что
обеспечивает повышение стабильности их массы.
Миллиграммовые гири изготовляют из проволо-
ки или ленты. Миллиграммовые гири высших клас-
сов точности выполняют из нержавеющей стали. Ги-
ри массой от 1 мг до 10 мг изготовляют из алюминия,
титана или его сплавов.
В соответствии с ГОСТ 7328-82 меры массы выпус-
каются отдельными гирями, набором или комплек-
том. В России наибольшее распространение получил
набор, составленный по десятичной системе и состоя-
щий из гирь, имеющих номинальные значения массы
в coot ветствии с числовым рядом 1,2,2, 5.
Допускаемые отклонения от номинального значе-
ния массы для вновь изготовленных гирь и выпущен-
ных после ремонта (по ГОСТ 7328-82) приведены в
таблице.
Допускаемая погрешность определения массы об-
разцовых гирь la — II разрядов и рабочих гирь клас-
сов точности 1 и 2 не должна превышать 1/3 допус-
каемого отклонения, а для всех остальных гирь 1/4
допускаемого отклонения от номинального значения
массы.
Меры массы поверяют в соответствии с методи-
ческими указаниями МИ 1747-87 „ГСИ. Меры массы
образцовые и общего назначения. Методика повер-
ки". При поверке определяют значение массы гири и
соответствие ее требованиям ГОСТ 7328-82.
Для определения массы гирь при поверке исполь-
зуют метод калибровки, метод непосредственного
сличения или метод прямого измерения на весах.
Последовательность проведения взвешиваний,
схемы и расчетные формулы для определения массы
гирь приведены в МИ 1747-87.
Гири класса Е1 (1а-разряда ) массой менее 1 кг мо-
гут аттестоваться по вторичному эталону с массой 1 ki
методом калибровки. Этот метод состоит в том, что
производится взвешивание аттестуемых гирь в раз-
личных комбинациях между собой и с эталоном,
имеющим массу 1 кг. Количество взвешиваний долж-
но быть не менее количества аттестуемых гирь. По
полученным результатам взвешиваний делаются рас-
четы значений массы каждой аттестуемой гири. На-
пример, для точного определения массы гири, имею
щей номинальное значение 500 г, следует произвести
взвешивания эталонной гири массой 1 кг и двух пове
рясмых гирь с номинальными значениями массы 500 г
в двух комбинациях, при которых сначала определя
ется разность масс эталонной гири с массой 1 кг и двух
поверяемых гирь с номинальной массой по 500 г, а за-
тем определяется разность масс этих двух гирь мас-
сой по 500 г. Значение массы поверяемой гири (но
минальное значение массы 500 г) рассчитывается по
значениям разности масс, полученным при взвешива-
нии в двух комбинациях.
Гири класса El (1а разряда) массой более 1 кг ат-
тестуются по вторичному эталону массой 1 кг также
методом калибровки. Методика измерений такая же,
как и для гирь массой менее 1 кг.
274
При методе непосредственного сличения каждую
из поверяемых гирь сравнивают с соответствующей
аттестованной образцовой гирей. Взвешивания про-
изводят на образцовых весах или компараторах, обес-
печивающих требуемую точность поверки.
Все гири классов Е2, Fl, F2, Ml, М2, М3 (1-6 клас-
сов точности) аттестуются методом непосредственно-
го сличения с гирями более высокого класса точно-
сти на высокоточных весах или компараторах массы.
Приборы для измерения массы
В России все весы выпускаются в соответствии с
требованиями ГОСТ 24104-88 „Весы лабораторные
общего назначения и образцовые. Общие техниче-
ские условия" и ГОСТ 29329- 92 „Весы для статическо-
го взвешивания. Общие технические требования".
Существует большое разнообразие типов весов, ве-
совых устройств, работающих в комплексе с другими
измерительными и управляющими устройствами, ве-
совых дозаторов.
Классический вариант весов имеет равноплечее
коромысло и подвешенные к концам коромысла две
грузоприемные чашки, на одной из которых распола-
гается взвешиваемый груз, а на другой уравновеши-
вающие его гири. Такой вариант весов использовал-
ся многие столетия, конструкция их со временем со-
вершенствовалась, точность увеличивалась.
В настоящее время широко применяются электрон-
ные весы, имеющие широкие функциональные воз-
можности. Такие весы могут автомагически изменять
диапазон измерений, имеют устройства регистрации
результатов измерений, суммируют резулэтаты изме-
рений, определяют стоимость товара, могут обрабаты-
вать результаты измерений по заданной программе.
Все огромное разнообразие весов можно разде-
лить по способу применения, по точности, по конст-
руктивному применению и т.д. Например, лаборатор-
ные весы высших классов точности используются в
научных исследованиях в различных физических и хи-
мических лабораториях. Они применяются для со-
ставления различных химических смесей, растворов,
для определения их процентного состава. Такие ве-
сы используются при термогравиметрических анали-
зах для определения изменений массы при изменении
температуры взвешиваемого образца или материала.
Для научных исследований применяются весы выс-
ших классов точности, имеющие относительную по-
грешность менее Ы0б.
Лабораторные весы используют также в заводских
лабораториях, на базовых пунктах геологоразведоч-
ных экспедиций, в лабораториях контроля окружаю-
щей среды. Они служат для химического анализа ма-
териалов, пищевых продуктов, биологопочвенных ис-
следований, определения состава минералов, степени
загрязнения воды и воздуха, для контроля технологи-
ческих процессов.
Ряд специфических особенностей имеют весы,
применяемые в торговле. Такие весы имеют устрой-
ства ввода цены и определения стоимости продукта,
должны соединяться с цифропечатающими и регист-
рирующими устройствами и с устройствами, выдаю-
щими чеки. Эти весы относятся к весам средних клас-
сов точности, имеющим относительную погрешность
от МО4до 140*.
Специальные конструкции весов используются
для измерения больших масс: контейнеров с грузом,
автомобилей, железнодорожных вагонов и целых же-
лезнодорожных составов поездов, масса которых
Таблица
Номинальное значение Допускаемое отклонение для гирь разряда и класса точности, мг
1а 1-1 II-2 III - 3 IV-4 5 6
массы гири ± +
1 мг —
2 мг 0,006 0.020 0.06
5 мг 0,002 0,20
10 мг 0.008 0,025 0,08 0,25
20 мг 0.003 0.010 0,03 0.10 0.3 — —
50 мг 0,004 0,012 0,04 0,12 0,4
100 мг 0,005 0.015 0,05 0.15 0,5
200 мг 0,006 0.020 0,06 0.20 0.6
500 мг 0,008 0,025 0,08 0,25 0 8
1 г 0,010 0,030 0,10 0,3 1,0
2г 0,012 0,040 0.12 0,4 1,2 — —
5 г 0,015 0,050 0,15 0.5 1.5
Юг 0,020 0,060 0,20 0,6 2,0 20 50
20 г 0,025 0.080 0,25 0,8 2,5
50 г 0,030 0,10 0,30 1,0 3,0 100
100 г 0 05 0,15 0,5 1,5 5
200 г 0,10 0,30 1,0 3,0 10 100 300
500 г 0,25 0,75 2,5 7,5 25
1 кг 0,5 1,5 5 15 50 200 500
2кг 10 30 100 400 1000
5 кг 25 75 250 800 2500
10 кг 50 150 500 1600 5000
20 кг 100 300 1000 3200 -
=======— 275
определяется при их движении. Масса таких объек-
тов достигает десятков и сотен тонн.
Очень высокой точностью измерений отличают-
ся компараторы массы. Они предназначены для атте-
стации, калибровки и поверки гирь массой от 0,001 г
до 50 кг всех классов точности. Компараторы массы
имеют специальное устройство для наложения взве-
шиваемой гири на чашку и снятия с нее этой гири.
Это устройства также позволяет при закрытой
витрине последовательно менять на чашке несколь-
ко гирь Это дает возможность последовательно про-
изводить многократные взвешивания поверяемой
гири и эталонной гири, масса которой известна с вы-
сокой точностью. В результате определения разности
масс, полученных при взвешивании этих гирь, рас-
считывается значение массы аттестуемой или пове-
ряемой гири.
В государственных лабораториях высокоточные
компараторы массы используются для передачи раз-
мера единицы массы от национального платино-ири-
диевого эталона единицы массы, аттестованного в
МБМВ, вторичным эталонам единицы массы из нержа-
веющей стали и через них высокоточным гирям клас-
са точности Е1. Компараторы массы используются для
аттестации не только килограммовых гирь, но и гирь
массой менее 1 кг (от 0,001 г до 1000 г), а также гирь
массой больше 1 кг (от 1 кг до 50 кг)
Все весы поверяются в метрологических лабора-
ториях и институтах с помощью аттестованных для
этой цели гирь.
Таким образом, все многообразие средств измере-
ния массы разных классов точности и на разные нагруз-
ки подвергается контролю специальными метрологи-
ческими службами в каждой стране в соответствии с
установленными правилами и сроками обязательной
поверки. Этим обеспечивается точность и единство из-
мерений массы как внутри страны, так и при проведе-
нии метрологических работ в области измерения мас-
сы между странами.
Точные методы измерения массы
Методы получения результата измерения массы де-
лятся на две основные группы: метод непосредствен-
ной оценки и метод сравнения с мерой.
Метод непосредственной оценки состоит в том,
что масса взвешиваемого груза определяется непо-
средственно по отсчетному устройству весов. Этот ме-
тод получил особенно широкое распространение с
развитием электроники и созданием электронных ве-
сов с автоматическим уравновешиванием подвижной
системы (коромысла с грузоприемным устройством).
С развитием высокоточных электронных весов метод
непосредственной оценки стал широко применяться
в научных исследованиях в физико-химических лабо-
раториях, где всегда требовалась высокая точность из-
мерений.
Метод сравнения с мерой состоит в измерении раз-
ности массы взвешиваемого груза и массы сравнивае-
мых с ним гирь. Результат измерения определяется
как сумма полученной разности масс и массы сравни-
ваемых гирь.
Метод сравнения позволяет измерить массу груза
с более высокой точностью, чем метод непосредст-
венной оценки. Это объясняется тем, что метод срав-
нения значительно уменьшает ряд систематических
погрешностей весов и, в первую очередь, погреш-
ность нелинейности.
Возьмем для примера электронные весы 1 класса
точности с наибольшим пределом взвешивания 200 г,
которые имеют стандартное отклонение 0,1 мг и по-
грешность от нелинейности 10,2 мг. При использова-
нии этих весов метод сравнения позволяет уменьшить
погрешность результата измерения почти в 2 раза, так
как исключается погрешность нелинейности ±0,2 мг.
Точность измерения массы зависит от многих при-
чин: погрешностей гирь, погрешностей весов, от ме-
тода измерения, от условий эксплуатации. Но даже
при нормальных условиях эксплуа тации в хорошо обо-
рудованных лабораториях окружающая среда оказы-
вает влияние на точность взвешивания. Вследствие
колебаний температуры, влажности и давления воз-
духа происходит уход нулевой точки показаний весов.
Инструментальные погрешности весов зависят от
правильности взаимодействия механизмов, конструк-
ции подвижной системы, качества опорных элемен-
тов, типа отсчетного устройства.
При точных измерениях массы необходимо осо-
бое внимание уделять погрешности от действия аэро-
статических сил (Архимедовых сил), возникающих
при взвешивании грузов, имеющих разные объемы
при одинаковой массе
Известно, что на всякое тело, находящееся в возду
хе, действует выталкивающая сила, равная весу вытес-
ненного телом воздуха. Следовательно, если объем
взвешиваемого тела и гирь, его уравновешивающих,
различны, то на них будут действовать различные, аэ-
ростатические силы.
При взвешивании в воздухе груза и гирь, его урав-
новешивающих, уравнение равновесия с учетом дей-
ствия аэростатических сил, зависящих от плотности
воздуха, имеет следующий вид:
”hg~eVig=”hg -eVsg ,
где — масса взвешиваемого груза; т.., — масса
образцовых гирь; Vj — объем взвешиваемого груза;
V2 — объем образцовых гирь; е — плотность воздуха;
g — ускорение свободного падения.
Из этого уравнения следует, что масса груза отли-
чается от массы гирь на величину
Лте-е(^-У2).
Следовал ельно, если не вводить поправку в резуль-
тат измерения, то погрешность от действия аэроста-
тических сил может быть значительной.
Например, если в воздухе, имеющем плотность
1,2-10 ’г/см3, производить взвешивание 100 г дистил
лированной воды (плотность 1 г/см3) гирями из не-
ржавеющей стали (плотность 8 г/см3), то величина
погрешности от действия аэростатических сил будет
равна:
Аги, = 1,2-10’3(100-12,5)= 0,105 г.
Если учесть, что в лабораторных условиях необ-
ходимо производить взвешивание с погрешностью ме-
нее 0,001 г при нагрузке 100 г, то полученная погреш-
ность будет слишком велика, и в этом случае надо вво-
дить поправку на действие аэростатических сил.
.............................. 276 ..
Анализ методов высокоточных измерений массы
показывает, что при передаче размера единицы массы
от платино-иридиевого эталона килограмма вто-
ричным эталонам, изготовленным из нержавею-
щей стали, наибольшую погрешность в результат
измерения вносит действие аэростатических (архи-
медовых) сил на разнообъемные эталоны. При сли-
чении вторичного эталона из нержавеющей стали с
платино-иридиевым эталоном погрешность от дейст-
вия аэростатических сил, зависящая от плотности воз-
духа, достигает 96 мг. Следовательно, чтобы при сли-
чении стального эталона килограмма с платино-
иридиевым эталоном результат измерений имел
погрешность менее 0,005 мг, необходимо измерять
плотность воздуха с относительной погрешностью
5-10'5 и знать объемы эталонов с погрешностью менее
0,001 см3.
Эти примеры показывают, что при точных изме-
рениях массы необходимо не только производить взве-
шивание на весах, но и обязательно измерять темпе-
ратуру, влажность давление, плотность воздуха.
Литература:
1. Aimer Н National Bureau of Standards One Kilogram
Balance NBS № 2 //J of Res of NBS. Eng. and Instr. — 1972. —
V. 76.-P. 1-10
2. Quinn T.J. The beam balance as an instrument for very
precise weighing // Meas. Sci. Technol“. — 1992. — 3. — № 2. —
P. 141-159.
В.Я. Кузьмин
277
Государственный первичный эталон единицы
массы
В основе эталона единицы массы лежит принцип
независимости законов механики от выбора единицы
массы. Поэтом)'условно по договоренное ги за едини-
цу массы принята масса Международного прототипа
килограмма, представляющего собой прямой ци-
линдр с диаметром и высотой 39 мм, изготовленный
из платино-иридиевого сплава. Его масса близка к мас-
се одного кубического дециметра дистиллированной
воды при температуре +3,96 °C.
Международный прототип килограмма хранится
и применяется в Международном бюро мер и весов
(МБМВ). Передача размера единицы массы от Меж-
дународною прототипа килограмма национальным
эталонам единицы массы осуществляется в МЬМВ с
наивысшей точностью, достигнутой в мире.
Наивысшая достижимая точность измерений мас-
сы определяется, прежде всего, стабильностью Меж-
дународного прототипа килограмма и точностью пе-
редачи единицы массы национальным э галонам ки-
лограмма.
Основные работы по созданию национального
эталона единицы массы в России были проведены
Д.И. Менделеевым после получения из МБМВ плати-
но-иридиевых копий № 12 и № 26 и эталонных весов
№ 1 фирмы „Рупрехт" в 1895 г. Д.И. Менделеевым бы-
ли проведены глубокие теоретические и эксперимен-
тальные исследования эталонов массы, эталонных ве-
сов и методов точных взвешиваний, проведены усо-
вершенствования эталонных весов
Работы с эталонами массы продолжи.! профессор
А.Н. Доброхотов. Его деятельность была связана так-
же с введением метрической системы в стране и на-
правлена на развитие и совершенствование повероч-
ного дела.
В I960 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были
разработаны новые эталонные весы № 2, которые со-
вместно с эталонными весами № 1 фирмы „Рупрехт"
использовались в составе эталонного комплекса еди-
ницы массы.
Все работы, проводимые с эталонами, связаны с
повышением точности передачи размера единицы
массы от платино-иридиевой копии № 12 эталонам
копиям и рабочим эталонам массы из нержавеющей
слали. При этом одной из основных работ является
повышение точности эталонных весов, компарато-
ров.
Поэтому в 1980-1986 гг. во ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева под руководствам к.т.н. В.Я. Кузьмина были
разработаны и исследованы двухпризменные эталон-
ные весы № 3 (конструктор весов В.А. Баранов),
имеющие среднее квадратическое отклонение (СКО)
показаний менее 0,008 мг при нагрузке 1 кг.
Единство и точность измерений массы в России
обеспечивается применением Государственного пер-
вичного эталона единицы массы, образцовых и рабо-
чих средств измерения массы в соответствии с
ГОСТ 8.021-84 „Государственный первичный эталон
и государственная поверочная схема для средств из-
мерений массы".
Государственный первичный эталон (ГПЭ) едини-
цы массы предназначен для воспроизведения и хране-
ния единицы массы, полученной на основании его сли-
чения с Международным прототипом килограмма, а
также для передачи размера единицы массы при по-
мощи вторичных эл'алоноз и образцовых средств из-
мерения массы рабочим средствам измерения (рис. 1).
Российский Государственный первичный эталон
единицы массы имеет номер ГЭТ 3-78 по государст-
венному реестру и утвержден Постановлением Госу-
дарственного комитета СССР по стандартам № 4109
от 6 декабря 1984 г Ученым хранителем Государствен-
ного первичного эталона единицы массы ГЭТ 3-78 яв-
ляется к.т.н. В Я. Кузьмин.
В Государственный первичный эталон единицы
массы входит комплекс следующих средств измерений:
— национальный прототип килограмма — копия
№ 12 Международного прототипа килограмма;
— национальный прототип килограмма — копия
№ 26 Международного прототипа килограмма;
— эталонная гиря R1 массой 1 кг и набор эталон-
ных гирь массой от I г до 500 г из плагино-иридиево-
го сплава:
278
— эталонные весы-компараторы с наибольшими
пределами взвешивания (НПВ) 1 кг, 200 г, 25 г и 3 г,
имеющие средние квадратические отклонения (СКО)
показаний 0 01 мг. 0,005 мг, 0,001 мг и 0,0004 мг.
Прототипы № 12 и № 26 изготовлены фирмой
„Джонсон. Маттей и К°‘-окончательно подогнаны по
массе и исследованы в Международном бюро мер и
весов в 1889 г.
Номинальное значение массы, воспроизводимое
национальным эталоном единицы массы, 1 кг. Дейст-
вительное значение массы, полученное по результа-
там сличений копии № 12 с Международным прото-
типом килограмма в 1993 г. в МЬМВ, составляет
1 кг±0,100 мг. Погрешность результата измерений, по-
лученных при сличении копии № 12 с Международ-
ным прототипом килограмма, не превышает 0,0023 мг
(относительная погрешность 2,3-109).
Действительное значение массы копии № 26, по-
лученное при сличении с Международным прототи-
пом килограмма, равно 1 кга0.008 мг.
Государственный первичный эталон единицы мас-
сы хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Санкт-
Петербурге Весь эталонный комплекс находится в
специальном термостатированном помещении, нахо-
дящемся в центре здания, где расположены основные
эталоны России. Эталонные весы компараторы, ис-
пользуемые для сличений эталонов массы, установле-
ны на специальном фундаменте, изолированном от
фундамента основного здания Это существенно
уменьшает влияние вибраций на процесс взвешива-
ния при сличениях эталонов массы. Амплитуда виб-
рации эт ого фундамента не превышает 5 мкм при час-
тоте колебаний менее 10 Гц.
Температура в эталонном помещении поддержи-
вается в пределах 20±2 'С при относительной влаж-
ности воздуха о0±15 %. Изменение температуры воз-
духа в эталонном помещении не превышает ±0,1 °C за
1 час, а изменение температуры воздуха внутри вит-
рины эталонных весов-компараторов во время сличе-
ния эталонов нс превышает 0,01 °C за 1 час.
Национальные прототипы килограмма — копии
№ 12 и 26 Международного прототипа килограм-
ма хранятся в специальном сейфе, расположенном
внутри термостатированного помещения. Копия
№ 12 установлена на кварцевой пластине и закрыта
двумя притертыми стеклянными колпаками. Копия
jV 26 также закрыта двумя стеклянными колпаками.
Копия № 26 Международного протоп i па килограм-
ма заменяет национальный прототип № 12 в период
его сличений в Международном бюро мер и весов.
Периодические исследования ГПЭ единицы массы
проводятся один раз в 7 лет. При периодических ис-
следованиях ГПЭ производят взаимные сличения на-
ционального прототипа килограмма — копии № 12 Ме-
ждународного прототипа килограмма с копией № 26
Международного прототипа килограмма и с эталонной
гирей R1 на эталонных весах-компараторе с наиболь-
шим пределом взвешивания 1 кг, входящих в состав
ГПЭ единицы массы Перед проведением сличений
производится подготовка к работе эталонных весов,
их исследование, определение погрешностей и атте-
стация
До начала сличений необходимо поверхности эта-
лонов тщательно очистить. Для этого эталон сначала
очищают с помощью замши, пропитанной спиртом
или чистым бензином. Затем поверхность платино-
иридиевых гирь промывается парами дважды дистил-
лированной воды и тщательно высушивается при ком-
натной температуре в течение 5-7 дней.
При эталонных сличениях производится п (10) из-
мерений. Каждое измерение состоит из 5 простых взве
шиваний, приводимых согласно схеме
А —> В —»(В + г)—>В —> Л ,
где А и В ~ обозначения сличаемых эталонов;
г — обозначение добавочной гири, применяемой для
определения цены деления.
В соответствии с этой схемой произво,(ятся взве-
шивания и делаются отсчеты положения равновесия
по отсчетному устройству. Разность масс сличаемых
эталонов определяется по формуле:
д = а у -гд|1
2£г-(£в1+£йг) г'
где LAl, La2 , LBi, LB2 , L, —значения положения
равновесия подвижной системы компаратора, полу-
ченные по отсчетному устройству при каждом про-
стом взвешивании; т, — масса дополнительной ги-
ри г , применяемой для определения цены деления.
Для определения результата измерения разности
масс при сличении эталонов массы должно произво-
диться не менее 10 измерений.
При сличениях эталонов массы определяется
плотность воздуха ед по измеренным значениям дав-
ления. температуры и влажности воздуха в соответ-
ствии с методикой, предложенной МБМВ в докумен-
те „Формула для определения плотности воздуха”.
С учетом поправки на действие аэростатических
сил значение разности масс сличаемых эталонов идя
каждого измерения определяется по формуле:
где VA , VB — объемы сличаемых эталонов: е ( —
плотность воздуха при j -измерении.
Результат измерения разности масс с учетом по-
пра вки на дейс твие аэростатических сил рассчитыва-
ется по данным п измерений по формуле’
ДМ = —£Дж„.
Передача размера единицы массы от националь-
ного прототипа килограмма копии № 12 эталонам-ко-
пиям производится на эл алойных весах-компараторе
методом совокупных измерений. При эт ом произво-
дятся неполные круговые сличения эталонов-копий
с первичным эталоном копией № 12 Все эталоны —
копии сличаются между собой во всех возможных ком-
бинациях. С первичным эталоном № 12 сличаются
только два эталона-копии При сличениях каждых
двух эталонов производится не менее 10 полных из-
мерений.
.Анализ высокоточных измерений показывает, что
при передаче размера единицы массы от плагино-ири-
дисвого эталона вторичным эталонам, изготовлен-
ным из нержавеющей стали, наибольшую погреш
ность в результат измерения вносит действие аэроста-
279
тических сил на разнообъемные эталоны. При сличе-
нии вторичного эталона из стали с платино-иридие-
вым эталоном поправка на действие аэростатических
сил, зависящая от плотности воздуха, достигает 96 мг.
Чтобы при такой поправке получить результат изме-
рений с погрешностью 0,005 мг, необходимо при взве-
шивании разнообъемных гирь измерять плотность
воздуха с относительной погрешностью э-10'5.
С учетом погрешностей от действия аэростатиче-
ских сил и от изменения адсорбированной пленки на
поверхностях гирь суммарная погрешность передачи
размера единицы массы от первичного эталона из пла-
тино-иридиевого сплава эталонам-копиям из стали не
превышает 10*.
Анализ резул ьтатов сличений национальных этало-
нов единицы массы, проведенных в МБМВ более чем
за 100 лет, показывает, что прототип килограмма— ко-
пия № 12 по стабильности массы относится к лучшим
национальным прототипам килограмма. В таблице
приведены результаты аттестации копии № 12 в
МБМВ за последние 100 лет
Государственный первичный эталон единицы мас-
сы обеспечивает высокую точность передачи еди
Таблица
Год Действительное Погрешность
аттестации значение массы аттестации
в МБМВ копни № 12
1889 1 кг ± 0,068 мг ± 0.002 мг
1936 1 кг ± 0,04 мг
1948 1 кг ± 0,085 мг
1979 1 кг ± 0,088 мг ± 0,008 мг
1993 1 кге 0,100 мг ±0,0023 мг
ницы массы эталонам-копиям и рабочим эталонам в
соответствии с ГОСТ 8.021-84 „Государственный пер-
вичный эталон и государственная поверочная схема
для средств измерений массы".
Подтверждением высокой точности передачи раз-
мера единицы массы от национального эталона кило-
грамма — копии № 12 стальным эталонам-копиям яв-
ляют ся результаты Третьих международных сличе ний
национальных эталонов единицы массы (1991-
1993 гг.) и Международных круговых сличений сталь-
ных эталонов массы (1996-1997 гг.).
В.Я. Кузьмин
280
Современные средства измерений массы,
выпускаемые заводами „Госметр “ и „Сартогосм64
Федеральное государственное унитарное предпри-
ятие „Санкт-Петербургский завод „Госметр” органи-
зовано в июле 1925 г. на базе Северо-Западной конто-
ры по заготовке и продаже метрических мер и весов.
На начальном этапе существования основным направ-
лением деятельности завода был ремонт и производ-
ство весов различного назначения: циферблатных,
конвейерных, вагонных и других типов. Одновремен-
но проходило освоение прецизионных пробирных ве-
сов для проведения анализов в лабораториях пробир-
ного надзора.
В годы войны завод (п/я 841) работал на нужды
обороны в составе Наркомата Минометного вооруже-
ния.
В послевоенные годы завод „Госметр" специализи-
руется на выпуске аналитических и микроаналитиче-
ских весов для высокоточных анализов, взвешивания
драгоценных металлов, поверки образцовых мер мас-
сы. Кроме того, были разработаны и освоены в серий-
ном производстве приборы, основанные на исполь-
зовании методов опосредованного определения мас-
сы, такие как:
— прибор для определения твердости сорта пше-
ницы;
— дозатор весовой для автоматического развеши-
вания чая;
— микромоментомеры для измерения моментов
вращения бесконтактным способом для использова-
ния в гироскопии и навигации;
— установки для определения массы длинномер-
ных предметов, в том числе труб с наполнением энер-
гоносителями (ТВЭЛ)
и многие другие.
В начале 80-х гг. был освоен выпуск электронных
весов 4-го класса точности.
В настоящее время завод „Госметр1- серийно выпус-
кает:
— электронные лабораторные весы 4-го класса точ-
ности;
— высоконадежные механические лабораторные
весы типа ВЛР 2 и 3-го классов точности;
— квадрантные весы 4-го класса точности;
— прецизионные гири и наборы гирь.
В 1991 г. завод „Госметр” и одна из ведущих в мире
весостроительных фирм „Сарториус” (Германия) уч-
редили совместное российско-германское предпри-
ятие „Сартогосм”. Использование опыта завода „Гос-
метр” и передового зарубежного опыта фирмы „Сар-
ториус” в области метрологического обеспечения
средств измерения массы и связанных с ней величин
позволяет ЗАО „Сартогосм” решать комплекс задач по
разработке и производству современных высокотех-
нологичных средств измерения массы, отвечающих
требованиям МОЗМ, оснащению лабораторий и пред-
приятий различных отраслей народного хозяйства
анализаторами влажности и фильтрационным обору-
дованием.
ЗАО „Сартогосм” выпускает прецизионные гири
для лабораторных исследований. Типоразмерный ряд
гирь включает 36 видов единичных гирь и 10 видов
наборов с номинальными значениями массы от 1 мг
до 20 кг la, I, II, III разрядов и 1, 2, 3 классов точности
(El, Е2. Fl, F2 — по международной классификации).
Гири изготавливаются из практически немагнитного
материала (нейзильбера, стали) — значение величи-
ны магнитной проницаемости //<1,01. Гири облада-
ют высокой конкурентоспособностью. 70 % общего
объема выпускаемых гирь поставляются на экспорт.
За высокое качество и конкурентоспособность меры
массы общего назначения (гири) удостоены звания
„Лауреат-победитель” в конкурсе „100 лучших товаров
России” за 1998 г.
282
Государственный специальный эталон единиц
твердости по шкалам Роквелла и Супер-
Роквелла
Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1965-1972 гг.). В 1975 г. эта-
лон передан во ВНИИФТРИ, где был модернизирован и утвержден По-
становлением Нестандарта России в 1994 г.
При измерении твердости по Роквеллу в испытуемый образец вдавли-
вают наконечник с алмазным конусом или стальным шариком под дейст-
вием двух последовательно прилагаемых нагрузок (предварительной и ос-
новной) и измеряют длину остаточного приращения глубины внедрения
наконечника после снятия основной нагрузки.
В составе эталона:
— стационарный прибор непосредственного нагружения с набором спе-
циальных гирь;
— растровый длиномер, определяющий глубину внедрения наконечни-
ка;
— блок соединения длиномера с персональным компьютером;
наконечник: алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом за-
кругления 0,2 мм; стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений по шкалам:
Роквелла 20-100
Супер-Роквелла 10-94
СКО результата измерений по шкалам:
Роквелла 0,08
Супер-Роквелла 0,16
НСП по шкалам
Роквелла 0,25
Супер-Роквелла 0,5
Область применения
Контроль твердости и прочности корпусов, различного оборудования,
элементов, сварных швов в:
— Авиационно-космическом комплексе
— Тепло и электроэнергетике
— Тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении
— Химическом и нефтяном машиностроении
— Станкостроительной и инструментальной промышленности
— Черной и цветной металлургии
— Приборостроении
— Строительстве и эксплуатации газонефтепроводов
— Нефтеперерабатывающей промышленности
— Криогенной технике
— Судостроительной промышленности
— Промышленности строительных материалов
283
Государственный специальный эталон единиц
твердости по шкалам Виккерса
Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1965-1972 гг.). В 1975 г. эта-
лон был передан во ВНИИФТРИ.
При измерении твердости по Виккерсу алмазную четырехгранную пи-
рамиду вдавливают ь испытуемое изделие под действием нагрузки, прило-
женной перпендикулярно поверхности образца, и измеряют среднюю дли
ну двух диагоналей от печатка после снятия нагрузки.
В составе эталона:
— два стационарных прибора непосредственного нагружения с различ-
ным набором специальных гирь;
— микроскоп с номинальной цепой деления 0,2; 0,3; 1,2 мкм;
— наконечник - правильная четырехгранная алмазная пирамида с уг-
лом при вершине между противоположными гранями 136".
Мет рологические характеристики
Диапазон измерений, HV
СКО результата измерений по шкалам;
HV1.HV2
HV5, HV10, HV20, HV30, HV50, HV100
НСП по шкалам:
HV1.HV2
HV5, HV10, HV20, HV30, HV50, HV100
8-2000
2-103
L10’3
бЛО3
ЗЛО3
Область применения
Контроль твердости и прочности корпусов, различного оборудования,
элементов, сварных швов в;
— Авиационно-космическом комплексе
— Тепло и электроэнергетике
— Тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении
— Химическом и нефтяном машиностроении
— Станкостроительной и инструментальной промышленности
— Черной и цветной металлургии
— Приборостроении
— Строительстве и эксплуатации газопефтепроводов
— Нефтеперерабатывающей промышленности
— Криогенной технике
— Судостроительной промышленности
— Промышленности строительных материалов
284
Государственный специальный эталон единиц
твердости по шкалам Бринелля
Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1964-1971 гг.). В 1975 г. эта-
лон передан во ВНИИФТРИ, где был модифицирован. Утвержден Поста-
новлением Госстандарта СССР в 1985 г.
При измерении твердости по Бринеллю стальной закаленный или твер-
досплавный шарик вдавливают в изделие под действием нагрузки, прило-
женной перпендикулярно поверхности образца в течение определенно-
го времени и измеряют диаметр отпечатка после снятия нагрузки.
В основу построения эталона положен метод непосредственного на-
гружения.
В составе эталона:
— стационарная установка непосредственного напряжения с набором
специальных гирь;
— набор наконечников со стальными и твердосплавными шариками;
— измерительный микроскоп с номинальной ценой деления 1,0 мкм
для измерения диаметров отпечатков.
Метрологические характеристики Диапазон измерений: 8-450; 95-650
СКО результата измерений НСП 110’ ЗЛО-’
Области применения
Контроль твердости и прочности корпусов, различного оборудования,
элементов, сварных швов в:
— Авиационно-космическом комплексе
— Тепло и электроэнергетике
— Тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении
— Химическом и нефтяном машиностроении
— Станкостроительной и инструментальной промышленности
— Черной и цветной металлургии
— Приборостроении
— Строительстве и эксплуатации газонефтепроводов
— Нефтеперерабатывающей промышленности
— Криогенной технике
— Судостроительной промышленности
— Промышленности строительных материалов
285
История развития и современное состояние в
области измерения силы
Историческая справка
Измерениями силы в Советском Союзе начали за-
ниматься с1927 г. В Горьковской палате мер и весов, в
период с 1927 по 1928 гг., проводились испытания це-
пей и канатов на прочность. В 1929 г. в г. Горьком бы-
ла организована лаборатория по испытанию машин
и механических свойств материалов.
Создание механической лаборатории во Всесоюз-
ном научно-исследовательском институте метрологии
относится только к 1933-1934 гг. Задачей лаборато-
рии являлось создание эталонной и образцовой аппа-
ратуры для испытаний материалов (определения ос-
новных характеристик металлов). Работами тогда ру-
ководил профессор В.П. Петров.
К основному оборудованию механической лабора-
тории относились: образцовый стационарный дина-
мометр; рычажная силоизмеритсльная машина; эта-
лонная установка непосредственного нагружения до
3 т.е. для испытаний материалов по Бринеллю; образ-
цовые приборы Роквелла, Викерса; наборы образцо-
вых динамометров и масс доз на растяжение и сжа-
тие до 500 т. В то время, единственная в СССР рычаж-
ная силоизмерительная машина передавала размер
единицы силы динамометрам до 50 т.е. с погрешно-
стью 0,2 % для всей промышленности. Эта машина бы-
ла изготовлена в Германии фирмой „Фриш и Модер-
гафф“. В годы войны она была эвакуирована в г. Сверд-
ловск, где функционирует и сегодня.
В 1935 г. в Московском институте мер и измери-
тельных приборов открылась механическая лабора-
тория, в которой стали заниматься исследованиями
в области измерения силы.
Во ВНИИМ в 1940 г. была начата разработка про-
екта эталонной установки до 100 т.е. (ЭУ-100), но во
время Великой Отечественной войны работы были
прерваны [1].
Дальнейшее развитие область измерений силы по-
лучила в послевоенные годы. Горьковским экспери-
ментально-конструкторским бюро (ЭКБ) под руково-
дством Н.Г. Токаря была создана серия оригинальных
образцовых динамометров на различные нагрузки от
3 до 2000 т.е. с погрешностью 0,3-0,5 %. Этими дина-
мометрами до сих пор оснащены территориальные и
ведомственные службы. Кроме того, Горьковским
ЭКБ созданы две рычажные образцовые силоизмери-
тельные машины до 50 т.е. с погрешностью 0,1 %. Од-
на из этих машин была установлена в г. Риге, вторая —
в г. Горьком.
В 1951-1953 гг. в Московском государственном ин-
ституте мер и измерительных приборов были созда-
ны гидравлические образцовые силоизмерительные
машины до 50 т.е. с погрешностью 0,2 %. Кроме Мо-
сквы ими были оснащены Харьковский и Новосибир-
ский институты [2].
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в 1949 г. была соз-
дана эталонная установка ЭУ-10 до 10 т.е. [3]. Работы
по созданию эталонной установки ЭУ-100 были возоб-
новлены в 1950 г., она была изготовлена и в 1967 г.
установлена во ВННИМ им. Д.И. Менделеева [4, 5].
С 1949 г. по 1967 г. работами по созданию ЭУ-100 и
средств измерений силы руководил С.А. Смолич, а
исследованием ЭУ-100 и созданием образцовых дина-
мометров 1-го разряда с 1968 г. по 1977 г. — Л.М. Мак-
симов.
Кроме того, в период с 1967 г. по 1970 г. были соз-
даны еще две эталонные установки: ЭУ-0,02 до 20 кг.с.
и ЭУ-0,5 до 500 кг.с.
После проведения исследований Государственным
комитетом СССР по стандартам в 1972 г. был утвер-
жден Государственный первичный эталон единицы
силы, в состав которого вошли все четыре эталонные
установки.
С 1955 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева начали
проводиться исследования, целью которых было соз-
дание образцовых динамометров 1-го разряда с опти-
ческой системой отсчета для передачи размера едини-
цы силы от эталонной установки ЭУ-10. Диапазон из-
мерений силы этими динамометрами составлял
1-10 т.е., погрешность — 0,1 %.
В 1967 г. была изготовлена серия образцовых дина-
мометров 1-го разряда с диапазоном измерения
10-100 кН [6].
С 1978 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева были на-
чаты работы по расширению диапазона воспроизве-
дения силы до 5 МН. Кроме этого, с 1986 г. начались
работы по созданию эталонных динамометров для по-
вышения точности передачи размера единицы силы
от ГПЭ. В 1988 г. был создан эталонный динамометр
до 1 МН с погрешностью 0,01 %. А в период с 1990 г.
по 1993 г. создан ряд эталонных динамометров до
50 кН, 100 кН, 200 кН, 500 кН с погрешностью 0,01 %.
В 1996 г. был создан динамометр сжатия до 5 МН с по-
грешностью 0,03 %. В настоящее время ведутся рабо-
ты по созданию компаратора до 20 кН, предназначен-
ного для поверки гирь массой до 2 т.
Физические основы измерения силы
Сила — это векторная величина, относящаяся к
производным физическим величинам [7]. Абсолют-
ное значение силы определяется из уравнения изме-
рения, которое в соответствии со вторым законом
Ньютона имеет вид:
286
F = ma, (1)
где m — масса тела; а — вектор ускорения.
По виду уравнения измерения (1) можно судить о
том, что измерение силы является косвенным. Урав-
нение измерения позволяет определить размерность
силы. При этом:
F = MLT"2.(2)
где М > L < Т ~ размерности основных физиче-
ских величин. Единицами этих физических величин
соответственно является метр (м), килограмм (кг), се-
кунда (с).
Единица измерения силы получила собственное
наименование — „ньютон" (1 Н=1 кг-м-с’2).
Уравнение измерения силы (1) явилось основой
при создании государственного первичного эталона
(ГПЭ) единицы силы (ГОСТ 8.065-85).
Кроме указанного выше, упрощенные уравнения
измерения могут быть получены путем применения
теории размерности [8]. Приведем несколько приме-
ров механических и электрических величин, а также
физических констант.
Механические величины
В механике физические уравнения для определе-
ния физической величины — силы — известны и под-
робно описаны в технической литературе.
Весовая нагрузка, есть произведение массы на ус-
корение силы тяжести с учетом выталкивающей си-
лы воздуха [8]. Высота, на которой размещаются эта-
лонные грузы над землей, в уравнение измерения не
входит. Распределение эталонных грузов по высоте в
существующих установках вносит систематическую
погрешность не более 1,4- КУ® за счет изменения вели-
чины ускорения силы тяжести. Рассматриваемый ме-
тод определения силы в настоящее время является
наиболее точным, но осуществление этого метода
имеет ряд серьезных недостатков.
Создание эталонных установок с верхним пределом
1 МН и более требует большой металлоемкости, стои-
мости, сложности эксплуатации и ремонта. Кроме то-
го, с увеличением верхнего предела увеличиваются ди-
намические погрешности. Это вызвано тем, что уве-
личение массы эталонных грузов и высоты эталонной
установки снижает частоту резонансных линейных и
угловых колебаний, что приводит к совпадению их с
колебаниями почвы Земли. А колебание поверхности
Земли имеет широкий спектр частот от 5-10'2до
1-102 Гц. Кроме того, чем меньше частота, тем больше
амплитуда колебаний (при 1-Ю’1 Гц амплитуда достига-
ет ЫО’мкм) [9], чем больше амплитуда, тем легче
вызвать резонансные колебания эталонной установки.
Создание эталонных установок высокой точности
с целью расширения диапазона в меньшую сторону от
1-10 ’до 110®Н путем создания сил взаимодействия
отдельных малых масс с гравитационным полем Зем-
ли представляет существенные трудности, вызван-
ные:
— относительно большими погрешностями, возни-
кающими при суммировании малых мер силы;
— дискретностью воспроизводимой суммарной си-
лы, которая не может быть обеспечена достаточно ма-
лой;
— наличием инородных тел на грузах, приводящим
к большой относительной погрешности;
— динамическими силами, возникающими в про-
цессе градуировки, достигающими значений, соизме-
римых с воспроизводимой силой;
— сложностью изготовления конструкции малой
массы, крепления мер сил со средством измерений.
Не менее известным физическим уравнением яв-
ляется определение центростремительной силы:
Г = (8)
где а—угловая скорость; R — радиус размещения
центра массы относительно оси вращения.
Уравнение измерения для центростремительной
силы аналогично (1), т.е. в правой части произведе-
ние массы m на ускорение (&R . В выражении (3), в
отличие от (1), поле ускорения неоднородно и линей-
но зависит от радиуса R [9]. Кроме этого, квадратич-
ная зависимость от угловой скорости а) приводит к
существенному изменению центростремительного ус-
корения при незначительном изменении угловой ско-
рости.
Сила, вызванная гармоническим колебанием мас-
сы, имеет аналогичную природу с весовой и центро-
стремительной силами, т.е. определяется произ-
ведением массы на ускорение. Ускорение определя-
ется из уравнения гармонических колебаний
массы х = A sin М взятием второй производной по
времени. В этом случае сила f = mA a? sin al >
где А — амплитуда колебаний массы; а — угловая
частота; t— время.
Максимальное значение силы F при sin al = 1 оп-
ределяется из выражения
F = mA а/ > (4)
гДе А аг —ускорение.
К инерционной силе также относится кориолисо-
ва сила
F = 2m ап , (5)
где а) — угловая скорость вращения платформы;
v — линейная скорость, вектор которой перпендику-
лярен вектору аг, ап — ускорение.
Гравитационные силы могут быть использованы
для создания эталона единицы силы в диапазоне
1-10”-1-1(У6Н. Для этого необходимо применять не-
магнитные шары с равномерно распределенной плот-
ностью, позволяющие исключать влияние магнитно-
го поля Земли на точность определения силы. Упро-
щенная формула измерения гравитационных сил
имеет вид:
F=F^, (6)
где /—гравитационная постоянная; m,, т? — мас-
сы шаров; г — расстояние между центрами шаров.
Выталкивающая сила жидкости (закон Архиме-
да), в уравнение измерений которой входят такие фи-
зические величины, как длина, плотность, масса, мо-
жет быть применена для воспроизведения силы в ши-
роком диапазоне. Применяя теорию размерности [4]
для схемы пустотелый цилиндр в пустотелом цилинд-
287
ре с жидкостью (частный случай) в гравитационном
поле Земли, получим выражение для определения
силы:
F = с (pgl 3 )- mg , (7)
где с — постоянная безразмерная величина; р —
плотность жидкости; g —ускорение силы тяжести; I
—линейные размеры внутреннего пустотелого цилин-
дра; т — масса внутреннего пустотелого цилиндра.
Анализируя выражение (7), можно сделать заключе-
ние, что для частной рассматриваемой задачи —
объем внутреннего цилиндра, погружаемого в жид-
кость, с= л. Тогда упрощенное уравнение измерения
выталкивающей силы имеет вид.
F = g (лг2 ph - т ), (8)
где г — наружный радиус внутреннего пустотело-
го цилиндра; h — высота внутреннего пустотелого ци-
линдра, помещенного в жидкость. В результате анализа
физических величин, входящих в уравнение измере-
ния (8), представляется возможным сделать следующее
заключение: все физические величины кроме р мо-
гут быть измерены с высокой точностью и практиче-
ски не изменяются от времени (изменение их можно
регистрировать при необходимости). Физическая ве-
личина р измеряется косвенным путем в зависимости
от условий окружающей среды. В настоящее время зна-
чение р может быть определено с погрешностью 0,3 %
[11]. Повышение точности измерения плотности р и
применение жидкостей с различными значениями р
позволит обратить серьезное внимание на уравнение
измерения (8). В перспективе намечено создание ГПЭ
единицы плотности с погрешностью 10’ [11].
Исследуя изменение количества движения меха-
нической системы, можно получить физическое урав-
нение для определения силы. Применение теории
размерности дает возможность получить упрощенное
уравнение измерения силы. Размерность силы полно-
стью может быть определена плотностью /?, линей-
ным размером I, скоростью v. Она является функ-
цией только этих параметров
F = /(/>,/,v). (9)
В результате определения степеней физических
величин, входящих в правую часть (9), получается сле-
дующая зависимость
F = c(plW). (Ю)
Выражение (10) определяет реактивную силу жид-
кости или газа, вытекающих из канала. Если выход ка-
нала имеет круглое сечение, то выражение (10) при-
мет вид(
F = лт2 ptr , (П)
где г — внутренний радиус сечения канала на вы-
ходе.
Для получения большой силы необходимо исполь-
зовать сплошную среду большой плотности, т.е. жид-
кость вместо газа. Физические величины, входящие
в правую часть уравнения (11), характеризуют воз-
можность получения наивысшей точности определе-
ния силы. Линейный размер г может быть опреде-
лен с погрешностью 2-10’9(этой погрешностью мож-
но пренебречь); погрешность измерения плотности
указана выше, среднее значение скорости v может
быть определено через массовый или объемный рас-
ход жидкости.
Проанализируем силу звука, вызванную механи-
ческими колебаниями в упругих телах (твердых, жид-
ких и газообразных), с целью возможности примене-
ния ее для создания исходных средств воспроизведе-
ния силы.
F = cpSvou , (12)
где с — безразмерный коэффициент; р — плот-
ность среды; $ — площадь, на которую давит звуко-
вая волна; v0 — скорость распространения звуковой
волны; и — амплитуда колебательной скорости сме-
щения частиц при распространении плоской гармо-
нической волны. Физические величины $ и v0 изме-
ряются с высокой точностью.
Максимальное значение амплитуды и колебатель-
ной скорости может быть определено из выражения
и = йкп , где &>—циклическая частота звука, которая
также измеряется с высокой точностью; х0 — ампли-
туда смещения частиц при распространения плоской
гармонической волны (определяется с большой по-
грешностью — порядка 1-2 %). Таким образом, боль-
шие погрешности р и и не позволяет определять си-
лу с высокой точностью и, соответственно, создать
на этом принципе исходные образцовые средства.
Диапазон воспроизведения силы примерно от 0,1 до
43 Н может быть достигнут в воздушной среде; от 10
до 15-10’ Н в жидкой среде при S =1 м2. Диапазон вос-
произведения удовлетворяет потребностям современ-
ной техники, но погрешность оказывается выше по-
грешности рабочих средств.
Электрические величины
Силозадающие устройства, основанные на приме-
нении электрических величин, нашли широкое при-
менение в науке и промышленности, в системах управ-
ления, автоматизации, измерительной технике и т.д.
Анализ формул измерений силы, в которые вхо-
дят электрические физические величины, представ-
ляет особый интерес для создания образцовых
средств воспроизведения и измерения силы, приме-
няемых в метрологической практике.
Сила взаимодействия точечных зарядов (закон Ку-
лона) — одна из простейших зависимостей механиче-
ской силы от электрических величин. Эта зависи-
мость в вакууме имеет вид:
где 9] и q2 — точечные заряды; г — расстояние
между точечными зарядами; — диэлектрическая
проницаемость в вакууме.
Сила взаимодействия диэлектрика с неоднород-
ным электрическим полем нашла применение в мет-
рологической практике для создания исходных образ-
цовых и рабочих средств [12].
288
Пусть имеется плоский конденсатор, в межэлек-
тродное пространство которого частично входит ди-
электрическая пластина. На диэлектрическую пласти-
ну будет действовать сила, направленная внутрь кон-
денсатора. Формула измерения этой силы
где Ь — ширина диэлектрической пластины; г —
толщина диэлектрической пластины, близкая межэ-
лектродному расстоянию конденсатора; и — электри-
ческое напряжение, приложенное к электродам кон-
денсатора.
Анализируя правую часть (14), можно оценить по-
грешность определения силы р . Погрешностью из-
мерения линейных размеров Ь и г можно пренеб-
речь, так как она намного меньше погрешности изме-
рения остальных величин, входящих в правую часть.
Электрическое напряжение измеряется с погрешно-
стью 1-10 5. Электрическая постоянная известна до
двенадцатого знака и измерена с погрешностью 8-10'
9. Этой погрешностью можно пренебречь. Относи-
тельная диэлектрическая проницаемость является
безразмерной физической величиной. Для чистых ди-
электриков она измеряется с погрешностью 5-104и оп-
ределяет основную погрешность определения силы
из выражения (14). Следует отметить, что дополни-
тельные погрешности появляются при выборе конст-
рукции устройства, реализующего рассмотренный
принцип.
Таким образом, на этом принципе может быть соз-
дано исходное средство воспроизведения и измере-
ния силы в диапазоне 10 6-10 Н с относительно малой
погрешностью.
Сила электромагнитного поля, действующая на
проводники с током, может быть исследована с целью
создания образцовых средств измерений и воспроиз-
ведения силы.
Простейшим примером является сила взаимодей-
ствия двух параллельных проводов с током. В этом
случае формула измерения будет иметь вид:
f = <15>
где А, — магнитная постоянная; h • *2 ~ электри-
ческие токи в проводах; I — длина провода; г — рас-
стояние между параллельными проводами.
Создание установки, использующей взаимодейст-
вие объемных электромагнитных полей сверхпровод-
ников, связано с проблемой передачи силы взаимо-
действия соленоидов градуируемому динамометру в
условиях большого температурного градиента. При
этом необходимо учитывать особенности свойств ма-
териалов при низких температурах и сильных магнит-
ных полях [13].
Связь силы с физическими константами
Казимировская сила представляет интерес для
метрологов-исследователей, так как современное раз-
витие метрологии характеризуется широким исполь-
зованием макроскопических квантовых эффектов и
фундаментальных физических констант. Эта сила вы-
(16)
ражается через постоянную Планка h , скорость све-
та с, а также характерные геометрические парамет-
ры тел и не содержит масс, зарядов или других кон-
стант связи.
В простейшем случае между двух идеально прово-
дящих (металлических) плоскопараллельных пластин
площадью $ , находящихся на расстоянии г друг от
друга, действует казимировская сила [14]:
F _ л ~ hcS
~ 240 г4
Выражение (16) справедливо при условии, что:
г «4s.
Анализ силы механического действия электро-
магнитных волн при падении их на поверхность
представляет интерес для возможности создания ис-
ходного образцового средства. Для этой цели рассмот-
рим пучок света, падающий по нормали на плоскую
поверхность площадью s. Если световой поток име-
ет частоту и, то энергия одного фотона будет равна
Л И, где h — постоянная Планка. Согласно закону из-
менения количества движения каждый фотон будет
передавать импульс силы площадке. Если площадка
полностью поглощает свет, то этот импульс будет ра-
вен t lF -h v/с , где с — скорость распространения
световой волны в вакууме. Количество движения фо-
тона после удара о поверхность равно нулю, так как
поглощаемый фотон прекращает свое существование.
Если же поверхность полностью отражает свет, то фо-
тон будет сообщать ей импульс, равный
F = 2N^S, (17)
где N —число фотонов, падающих па единицу пло-
щади за 1 с.
Исследование правой части формулы (17) позво-
лит оценить погрешность измерения силы р . Посто-
янная планка h известна с погрешностью 2- 10 е, час-
тота света с погрешностью 10'9, скорость распростра-
нения световой волны с погрешностью 4-10'9 [21].
Линейные размеры измеряются с погрешностью 2- КУ9
(ГОСТ 8.020-75). Величина N может быть определе-
на через энергетическую освещенность с погрешно-
стью 0,2-0,3 %, что и определяет погрешность изме-
рения силы р из выражения [17].
В дневном свете при S =1 м2 диапазон воспроиз-
ведения силы может быть получен равным 1-Ю’7—
4-10'6Н. Верхний предел воспроизведения силы мо-
жет быть расширен более чем на порядок, если вме-
сто светового потока применить гамма — излучение.
Это объясняется тем, что масса фотона светового по-
тока намного меньше массы гамма-кванта излучения.
Таким образом, из формулы (17) следует, что пока
не представляется возможным создать исходное сред-
ство, основанное на фундаментальных физических
константах из-за большой погрешности определения
числа фотонов, падающих на единицу площади в 1 с.
В настоящее время наиболее точным и простым
методом измерения силы является относительный
метод.
======—=^== 289
Методы и средства измерения силы
При измерении силы относительным методом раз-
мер единицы передается динамометру в результате его
градуировки на образцовом средстве более высокого
разряда. В этом случае динамометр запоминает и хра-
нит размер единицы силы. Время хранения зависит от
стабильности динамометра. По отградуированной шка-
ле динамометра определяют размер единицы силы си-
лозадающих средств.
При передаче размера единицы силы упругому эле-
менту или от упругого элемента внешняя сила р в нем
уравновешивается внутренними упругими силами
(реакция динамометра С1,ГД£ С — размерный коэф-
фициент (жесткость динамометра); I — деформация
упругого элемента. Жесткость С упругого элемента ди-
намометра определяется экспериментально. Стабиль-
ность показаний динамометра существенно зависит от
стабильности С
В современных динамометрах, применяемых при
измерении относительным методом, для преобразо-
вания входного сигнала в выходной служат, в основ-
ном, преобразователи деформации в электрический
сигнал. При градуировке таких динамометров экспе-
риментальным путем определяют зависимость, кото-
рая может иметь вид: U = U0 + aF .
Силу или передачу ее размера силоимерительным
приборам низшего разряда определяют по выраже-
нию F -(/J-U0)/a , где Uo — выходной сигнал при
F=0, U — выходной сигнал при F^O, а—коэффи-
циент преобразования.
В государственной поверочной схеме для средств
измерений (ГОСТ 8.065-85) при передаче размера еди-
ницы силы от первичного эталона образцовым сред-
ствам и от образцовых — рабочим используется имен-
но относительный метод. Передача размера единицы
силы от эталона осуществляется путем градуировки
и поверки образцовых динамометров 1-го разряда. Да-
лее, с помощью динамометров 1-го разряда произво-
дится метрологическая аттестация образцовых сило-
измерительных машин 2-го разряда. На силоизмери-
тельных машинах 2-го разряда градуируют и поверяют
образцовые динамометры 3-го разряда, с помощью ко-
торых передается размер единицы силы рабочим
средствам путем их градуировки и поверки.
От выбора регистрирующей аппаратуры вы-
ходного сигнала преобразователя силы существенным
образом зависит точность динамометра, его быстро-
действие, автоматизация процесса измерений и обра-
ботки результатов измерений, эргономика, экономич-
ность и т.д. [16].
С помощью существующих динамометров (и реги-
стрирующей аппаратуры) размер единицы силы до
1 МН измеряется с погрешностью 0,01 % с учетом не-
стабильности его показаний в течение одного года.
Для увеличения диапазона измерения силы применя-
ется метод сличения с группой параллельно установ-
ленных динамометров.
Метод сличения измеряемой силы с группой па-
раллельно установленных динамометров достаточ-
но широко исследован теоретически и эксперимен-
тально [16, 17, 18, 19]. Он применяется, в основном,
для измерения силы в диапазоне 1-50 МН и более. Это
вызвано тем, что непосредственная передача разме-
ра единицы силы в диапазоне 1-50 МН от эталона и
образцовых силоизмерительных машин не представ-
ляется возможным, так как они воспроизводят мак-
симальное значение силы 1-5 МН. Кроме этого, соз-
дание переносных динамометров для измерения си-
лы 1-50 МН также не представляется возможным
из-за их большой массы. Так, динамометр для измере-
ния силы до 10 МН фирмы Davy Instruments имеет мас-
су около 320 кг, а динамометры на 30-50 МН — 500-
1000 кг. Такие динамометры сложно транспортиро-
вать и устанавливать в рабочее пространство объекта,
в котором измеряется сила. Таким образом, создавать
переносные и рабочие динамометры на нагрузку свы-
ше 10 МН нецелесообразно. Измерение силы до
50 МН и выше может быть обеспечено методом сли-
чения с группой параллельно установленных динамо-
метров. Метод заключается в том, что предваритель-
но отградуированные динамометры устанавливаются
параллельно и одновременно нагружаются измеряе-
мой силой. Значение этой силы определяется по сум-
ме показаний динамометров.
Существующая поверочная схема (ГОСТ 8.065-85)
устанавливает порядок передачи размера единицы си-
лы от эталона образцовым средствам измерений и от
них рабочим.
Схема трех параллельно установленных в одной
плоскости динамометров является классической.
Теория такой схемы хорошо известна.
Схема из шести и более параллельно установлен-
ных в одной плоскости динамометров по сравнению
с классической схемой (три параллельно установлен-
ных динамометра) имеет существенные преимущест-
ва. Повышается экономичность проведения измере-
ний больших (до 50 МН и более) сил за счет уменьше-
ния числа передаточных звеньев, которое приводит
к сокращению времени проведения измерений и
уменьшению номенклатуры применяемых динамомет-
ров.
Сила, измеряемая методом сличения с группой па-
раллельно установленных динамометров, будет выра-
жаться как F = in F{, где i — количество динамомет-
ров в группе; р — сила, измеряемая одним динамо-
метром, входящим в группу.
Относительная погрешность рассматриваемого
метода t>= AF/F = 1/V7 4 ,
где 4 — относительная погрешность измерения
силы одного динамометра, входящего в группу [16].
Это выражение для определения погрешности спра-
ведливо приусловии, что 4 = 4 = •• = 4 > т.е. когда от-
носительные погрешности динамометров, входящих
в группу, равны. С ростом числа передаточных звень-
ев относительная погрешность увеличивается.
Для измерения больших сил также может быть
применен дифференциальный метод, разработан-
ный в НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" [20]. Реа-
лизация дифференциального метода не требует боль-
ших экономических затрат. Метод может быть при-
менен для измерения статической силы в диапазоне
3-50 МН на существующих приборах и оборудовании.
10 Зак. 450
290 ............
Дифференциальный метод заключается в следую-
щем. В начале с неградуированного динамометра на
большие нагрузки снимают выходной сигнал Uo при
измеряемой силе F =0. Воздействуют на неградуиро-
ванный динамометр измеряемой силой р и в этом по-
ложении регистрируют значение выходного сигнала
динамометра Ut .После этого нагружают динамометр
дополнительной силой и фиксируют значение вы-
ходного сигнала динамометра ЛЦ . Полученное зна-
чение bF/AUj является оценкой производной градуи-
ровочной характеристики большегрузного динамо-
метра, т.е. оценкой dF/dU как функции от U Эта
оценка вместе со значениями выходного сигнала Uo
при у -0 служи т достаточной информацией для оцен-
ки градуировочной характеристики Р (U ) динамомет-
ра и, соответственно, для определения силы f Гра-
дуировочная характеристика может быть определена
путем интерполяции интегрируемой функции полу-
чения дискретных значений dF/dV с последующим
интегрированием
, (18)
^0
где df/dU — интерполяционная интегрируемая
функция, полученная по дискретным значениям
dF/bU п U{.
При этом методе интерполяции могут быть раз-
личными. и их выбор зависит от вида градуировоч-
ной кривой динамометра и требуемой точности из-
мерения силы Для динамометров с линейной зави-
симостью выходного сигнала U от входного F
наиболее целесообразно вычислять градуировочную
характеристику как частную сумму интеграла в выра-
жении (18)
(I»)
Выражение (19) соответствует выбору 1 штерполя-
ционной функции в виде ступенчатой [ 20].
Измерение силы абсолютным методом, В настоя-
щее время наряду с классическими статическими ме-
тодами и средствами измерений силы используются
приборы, работающие в динамическом режиме. Не-
смотря на то что абсолютные динамические методы
уступают статическим по диапазону и точности изме-
рений, они более перспективны.
К абсолютным методам мож> ю отнести метод срав-
нения измеряемой силы с силой реакции связи, воз-
никающей в динамической системе [21]. Измерение
силы такими приборами не требует предварительной
градуировки, поэтому отпадает необходимость в по-
верочной схеме.
Измерение силы методом сравнения с гироско-
пической силой можно считать одним из абсолютных
методов [22]. Средство, реализующее абсолютный ме-
тод, представляет собой гироскопическое устройст-
во, предназначенное для измерений силы в весоизме-
рительных установках. Принцип действия устройст-
ва, чувствительным элементом которого является ук-
репленный в шарнирном подвесе гироскоп, основан
на измерении угловой скорости прецессии, возникаю-
щей под воздействием измеряемой нагрузки.
Устройство, реализующее метод сравнения изме-
ряемой силы с центростремительной силой, может
измерять силу в диапазоне 1-2-10* Н. Погрешность из-
мерений силы зависит от погрешностей измерений
масс, угла клина, угловой скорости и радиуса враще-
ния цен гра масс клиньев. Максимальную погрешность
будет давать измерение радиуса вращения центра масс
клиньев. Эта погрешность не превышает 0,1-0,2 %
[20].
Измерение силы методом сравнения с силой из-
меняющейся по гармоническому закону относится
к абсолютному, позволяющему известную силу срав-
нивать с измеряемой, причем известную силу задает
сам динамометр.
Для широкого внедрения абсолютного метода в
практику необходимы дополнительные теоретиче-
ские и экспериментальные исследования, разработ-
ка новых средств, реализующих метод.
К недостаткам абсолютного метода следует отне-
сти сложность расширения верхней части диапазона
измерений силы (более 1 МН) и сложность конструк-
ций динамометров, реализующих метод
Методы и средства измерений силы нашли ши-
рокое применение при определении механических ха-
рактеристик различных материалов, измерений силы
тяги двигателей, при прочностных исследованиях су-
довых и строительных конструкций, в различных ви-
дах испытательного оборудования и во многих других
областях.
Требования к средствам измерений силы по диапа-
зону и точности отличаются ботыиим разнообразием
[23]. В научных исследованиях при определении фи-
зических констант, гравитационных полей нижний
предел измерений достигает 10'7-108Н. В этом случае
достижение высокой точности измерений и воспро-
изведения силы представляет большие сложности. Из-
мерение силы в диапазоне от 10 Н до 5 МН необходи-
мо для исследования прочностных характеристик ма-
териалов и определения силы тяги разнообразных
двигателей. Требуемые погрешности для этих облас-
тей промышленности составляют 0,05-1 %. Достиже-
ние такой погрешности в настоящее время не пред
ставляет особой сложности. Существующая государст-
венная поверочная схема для средст в измерений силы
в основном удовлетворяет этим требованиям.
В машиностроении, металлургии, при прокатке
стали, в авиационной и космической технике, судо-
строении, строительстве и т.д. диапазоны измерений
силы достигают 30-50 МН с допускаемой погрешно-
стью рабочих средств измерений 0,1-2 %. В отдель-
ных случаях допускаемая погрешность может быть
меньше. Метрологическое обеспечение таких требо-
ваний — одна из актуальных и сложных задач.
Измерение силы с одинаковой погрешностью в
диапазоне от 10s Н до 50 МН, что составляет 15 по-
рядков, не представляется возможным. Расширение
диапазона 1-10'8Н и 5-50 МН и более приводит к су-
щественному увеличению погрешности измерений.
................. 291
Кроме того, широкое применение средств измерений
силы, разнообразие конструкций и назначений суще-
ственно усложняют обеспечение единства измерений
в стране.
В настоящее время широко применяются различ-
ные типы средств измерений силы. Это вызвано, с од-
ной стороны, специализацией приборов для решения
частных задач, а с другой, — существенной сложно-
стью создания универсального средства измерений,
которое отвечало бы большому количеству предъяв-
ляемых к нему требований. Например, при измере-
нии знакопеременных квазистатических сил необхо-
дим динамометр особой конструкции с устройством
крепления к объекту. Измерение силы при темпера-
туре от -40 до +80 °C или градиенте температур до
60 °C требует дополнительных устройств к динамо-
метру или специальной конструкции самого динамо-
метра. Широкий диапазон измерений и разнообразие
требований к погрешностям приводит к применению
различных конструкций первичных преобразовате-
лей механической величины (силы) в электрический
сигнал, к применению средства измерений в целом,
к созданию и применению общих и специальных ме-
тодик проведения измерений и обработки результа-
тов измерений. Особенности рабочих средств изме-
рений силы предъявляют специфические требования
к разрабатываемым и создаваемым поверочным сред-
ствам, удовлетворяющим требуемым метрологиче-
ским характеристикам. Все эти проблемы, в настоя-
щее время рассмотрены в недостаточной мере.
Методы и средства воспроизведения единицы
силы и их метрологические характеристики
В настоящее время существует множество методов
воспроизведения единицы силы, но в практику вне-
дрены в основном метод непосредственного нагруже-
ния и метод умножения и деления силы. Средства, реа-
лизующие эти методы, служат для хранения и переда-
чи размера единицы силы образцовым и рабочим
динамометрам. К ним относятся установки непосред-
ственного нагружения, применяемые в качестве го-
сударственных первичных и рабочих эталонов едини-
цы силы; силоумножающие установки — рычажные,
гидравлические, клиновидные, и установки деления
силы, основанные на ориентации массы цилиндриче-
ской формы, взвешенной в аэростатическом подвесе
относительно вектора ускорения свободного падения.
Средства воспроизведения единицы силы явля-
ются основными звеньями поверочной схемы по
ГОСТ 8.065-85, которую возглавляет государственный
первичный эталон—установки непосредственного на-
гружения. Силоумножающим установкам поверочной
схемой определено третье место после эталона, т.е.
они являются образцовыми силоизмерительными ма-
шинами 2-го разряда.
Во многих странах в качестве эталонов применя-
ются силоумножающие установки — рычажные и гид-
равлические [20].
Принцип взаимодействия массы с гравитацион-
ным полем Земли принято называть методом непо-
средственного нагружения. Этот метод заложен в ос-
нову построения эталонов единицы силы как в нашей
стране, так и за рубежом. Основные достоинства
метода — высокая точность и широкий диапазон вос-
произведения единицы силы. В настоящее время диа-
пазон воспроизведения составляет 10’2Н-4,5 МН.
Размер единицы силы как в нашей стране, так и за
рубежом воспроизводится централизованно, т.е. на-
циональными первичными эталонами. В основу рабо-
ты эталонов единицы силы положены высокостабиль-
ные физические явления, гарантирующие высокую
точность. При использовании системы централизован-
ного воспроизведения физической величины упроща-
ются операции передачи размера единицы силы, вы-
полняемые территориальными и ведомственными
службами, повышается надежность единства и досто-
верности измерений. Это объясняется тем, что хране-
нием размера единицы силы, исследованием эталон-
ной базы с целью ее усовершенствования, повышени-
ем качества передачи размера единицы силы от
первичного эталона занята головная организация в
стране.
В России в соответствии с поверочной схемой раз-
мер единицы силы от государственного первичного
эталона передается с помощью образцовых динамо-
метров 1-го разряда в диапазоне до 1 МН с погрешно-
стью 0,01 %. Размер единицы силы образцовым сило-
измерительным машинам 2-го разряда передается с
помощью образцовых средств измерений силы 1-го
разряда ГОСТ 8.065-85. Эта работа распределена по
регионам страны и осуществляется центрами стандар-
тизации и метрологии. Передача размера единицы си-
лы от образцовых силоизмерительных машин 2-го раз-
ряда к образцовым динамометрам 3-го разряда и ра-
бочим средствам измерений силы осуществляется
ЦСМ, ЛГН и метрологическими ведомственными
службами.
Особенности передачи размера единицы силы
В отличие от многих механических величин сила —
величина векторная. Эту особенность необходимо учи-
тывать при передаче размера единицы силы. Динамо-
метры, с помощью которых производится передача
размера этой физической величины, следует устанав-
ливать так, что чтобы их ось чувствительности совпа-
дала с вектором измеряемой силы. Если вектор силы
не совпадает с осью чувствительности динамометра,
то появляется боковая составляющая измеряемой си-
лы, искажающая ее истинное скалярное значение. Из-
менение направления вектора измеряемой силы отно-
сительно оси чувствительности особенно заметно при
применении динамометров сжатия для передачи раз-
мера единицы силы. Для исключения или уменьшения
влияния боковых составляющих необходимо уделять
особое внимание месту контакта динамометра с сило-
подводящими устройствами машин. В месте контакта
динамометра поле напряжения должно быть распре-
делено равномерно. Для этого под динамометр сжатия
устанавливают прокладку, жесткость которой должна,
в зависимости от измеряемой нагрузки, быть в 1,5-
3 раза меньше чем жесткость динамометра. Кроме это-
го, применение прокладки приводит к уменьшению ка-
сательного трения в контакте, т.е. снижает искажение
(бочкообразность) поперечной деформации упругих
элементов динамометров. Равномерное распределение
поля жесткости по сечению и высоте динамометра так-
же снижает влияние боковых составляющих силы.
.. 292
Один из важных факторов, которому необходимо
уделять внимание при передаче размера единицы си-
лы — появление дополнительных погрешностей
вследствие изменения условий окружающей среды.
Аттестацию образцового динамометра должны про-
водить при тех же условиях, при каких передается раз-
мер единицы силы силоизмерительным машинам. Ес-
ли условия передачи отличаются, то необходимо вно-
сить поправки в показания образцового динамометра
из-за изменения влияния окружающей среды.
Перед аттестацией динамометр исследуют на чувст-
вительность к изменению влияния окружающей среды.
Все существующие динамометры в разной степени чув-
ствительны к градиенту и изменению температуры, дав
ления, влажности, вибрации, наличию магнитных по-
лей и т.д. Кроме этого, динамометры с электрическим
выходом чувствительны к наличию электрических по-
лей и радиоактивному излучению. При передаче разме-
ра единицы силы необходимо знать параметры окру-
жающей среды, учитывать их и, по возможности, неко-
торые влияния параметров исключать.
Точность передачи размера единицы силы в стати
ческом режиме зависит, главным образом, от качества
метрологических характ еристик образцовых динамо-
метров, с помощью которых эта передача производит^
ся. Влияние факторов, вызывающих дополнительные
погрешности, в статическом режиме учесть проще,
чем в квазистатическом, особенно при изменении мед-
ленно меняющейся знакопеременной силы.
При передаче размера единицы силы рабочим ис-
пытательным машинам, воспроизводящим знакопере-
менные силы, особое внимание необходимо уделять
креплению динамометра и соответственно надо под-
бирать динамометры с высокой частотой собствен-
ных колебаний. Качество крепления динамометра су-
щественно влияет на выходной сигнал при измерении
знакопеременных сил.
Часто на практике приходится встречаться с не-
совершенством конструкций крепления динамомет-
ров для измерения знакопеременной силы. Иногда
при креплении динамометров применяют шарнир-
ные подшипники типа ШС Такое крепление не дает
возможности создать необходимую силу прижатия ди-
намометра к объекту. При недостаточной силе при-
жатия выходной сигнал может сильно искажаться за
счет ударов деталей крепления о динамометр от дей-
ствия знакопеременной силы, что не позволяет изме-
рять истинное значение выходного сигнала.
Передача размера единицы силы методом пря-
мых измерений
При передаче размера единицы силы методом пря-
мых измерений искомое значение силы, измеряемое
или воспроизводимое образцовыми средствами, на-
ходится непосредственно из экспериментальных дан-
ных. Уравнение прямого измерения силы имеет вид
F=f(U),
где F ~ значение измеряемой силы, U — выход-
ной сигнал, отсчет по шкале (условной или именован-
ной); а — коэффициент преобразования (размерный
или безразмерный).
Точность передачи размера единицы силы суще-
ственным образом зависит от методик проведения
эксперимента, применяемых для каждого разряда об-
разцовых средств. При передаче размера единицы си-
лы от эталона рабочим средствам 1-го разряда в на-
стоящее время применяется усовершенствованная ме-
тодика, которая предусматривает условия работы,
режим нагружения, обработку результатов измерений
и т.д
Экспериментально установлено, что основным
фактором, влияющим на качество передачи размера
единицы силы, являются режимы нагружения, кото-
рые имеют несколько классических схем [ 24]. Наибо-
лее эффективной является схема — нагружение дина-
мометра от нуля до заданного дискретного значения,
затем разгружение до нуля. Такое нагружение — раз-
гружение повторяется до тех пор, пока стабилизиру-
ется выходной сигнал, т.е. когда разброс показаний вы-
ходного сигнала динамометра станет минимальным.
При переходе к следующему дискретному значению
процесс нагружения — разгружения повторяется.
Обработка результатов наблюдений при нря
мых измерениях
Передач? размера единицы силы от эталона образ-
цовым динамометрам 1-го разряда осуществляется
при их градуировке. Градуировочная характеристика
может быть задана таблицей, графиком или форму-
лой измерения Наиболее удобно получать градуиро-
вочную характеристику в виде формулы измерения,
но возможности, простого вида. Для этого необходи-
мо знать функциональную зависимость входного и вы-
ходного сигналов,
Образцовые динамометры, применяемые для пря-
мых измерений, имеют функцию преобразования
U = f(F), где F — величина на входе (прикладывае-
мая к динамометру сила), U — выходной сигнал ди-
намометра. Функция преобразования определяется
экспериментальным путем, т.е. градуировкой образ
цового динамометра. При этом входная величина F
известна с большой точностью, погрешность воспро-
изведения силы эталоном пренебрежимо мала по
сравнению с погрешностью образцового динамомет-
ра 1-го разряда. Случайная погрешность выходного
сигнала динамометра имеет нормальный закон рас-
пределения, случайные погрешности имеют нулевые
средние. Указанные выше условия позволяют приме-
нить метод наименьших квадратов для эксперимен
тального определения функциональной зависимости
входного сигнала ол выходного [25].
Обработка результатов наблюдений при измере-
нии силы дифференциальным методом не может
быть выполнена методом наименьших квадратов. В
этом случае наиболее приемлем конфлюентный ана-
лиз [26,27].
Ведущей лабораторией в РФ по обеспечению един-
ства измерений в области измерений силы проводят-
ся государственные испытания средств измерений си-
лы большегрузных весов (автомобильных, железнодо-
рожных и дозаторов), калибровка всевозможных
систем управления технологическими процессами с
применением преобразователей силы. Кроме этого,
проводится сертификация средств измерений силы в
широком диапазоне, аккредитация лабораторий и ис-
пытательных центров.
293
Одной из основных перспектив является создание
высокоточных динамометров и компараторов для пе-
редачи размера единицы силы с погрешностью
0,005 %.
Литература:
1. 100 лет государственной службе мер и весов в СССР. —
М„ 1945.
2. Метрологические работы за 40 лет // Труды ВНИИМ.
-1958,-вып. 33 (93).
3. Максимов Л.М., Смолич С.А. Эталон единицы силы /
/ Измерительная техника. — 1967. — № 11.
4. ВНИИМ. — Изд. „Энергия", Ленинградское отделение,
1967.
5. Имени Менделеева. — М.: Издательство стандартов,
1984.
6. Маликов М.Ф. Основы метрологии. — М.: Коммерпри-
бор, 1949.
7. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механи-
ке. — М.: Наука, 1977.
8. McLamore V.P., McNeil R.L., Bameich Y.A., ALAA Paper
№ 70-959, ALAA Guidance, Control and Flight Mechanics Conf,
August 17-19, 1970.
9. Синельников A.E. Низкочастотные линейные акселе-
рометры, методы и средства поверки и градуировки. — М.:
Издательство стандартов, 1979.
11. Герасимов Н.С. и др. Исходные средства измерений
статических механических величин // Измерение, кон-
троль, автоматизация. — 1985. — № 3(55).
12. Иванов В.Ф. и др. Угловой акселерометр. Авт.свид.
№ 410316. // Бюлл. изобретений. — 1974 — № 1.
13. Тарбеев Ю.В. идр. Использование явления сверхпро-
водимости в силоизмерительной технике // Измеритель-
ная техника. — 1984. — № 10. — С. 26-27.
14. Casimir H.B.G. Proc.Kon.Ned.Acad.Wet. —1948. — № 2.
15. Камке Д., Кремер К. Физические основы единиц из-
мерения. — М.: Мир, 1980.
16. Агафонов Э.П. О градуировке методом сличения с
группой динамометров. В кн. Точные измерения массы, си-
лы, вязкости и плотности // Труды НПО „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева". — Л.: 1982. — С. 29-37.
17. Вишенков А.С. Методы и средства аттестации, повер-
ки и испытаний силоизмерительных приборов. — М.: Изда-
тельство стандартов,1985.
18. Бошерницан Е.С. и др. Метрологическое обеспече-
ние средств измерений больших сил // Измерительная тех-
ника. - 1984. - № 9. - С. 36-38.
19. Талалаев Г.А. Методическая погрешность измерения
силы группой параллельно нагруженных датчиков // Изме-
рительная техника. — 1980. — № 4. — С. 26-29.
20. Чаленко Н.С. Методы и средства измерения силы. —
М.: Издательство стандартов, 1991.
21. Крюков В.А. и др. Компенсационный динамометр.
Авт. свид. № 900130 // Бюлл. изобретений. — 1981. — № 22.
22. Lolly RA. A gyroscopic method of forse measurement
and ist suitability for weighing. Measurement and control. - № 9,
vol. 12, 1979.
23. Тарбеев Ю.В. Современное состояние проблемы из-
мерения силы // Измерительная техника. — 1984. — № 10.
24. Бауман Э. Измерение силы электрическими метода-
ми. — М.: Мир. 1978.
25. Делинский Е.Ф. Обработка результатов измерений.
— М.: Издательство стандартов, 1973.
26. Айвазян С А. Статические исследования зависимо-
стей. — М.: Металлургия. 1968.
27. Кондалл М.Дж., Стюарт А. Статические выводы и свя-
зи. — М.: Наука, 1973.
А.Е. Овсянников, С.А. Семенов, Н.С. Чаленко
294
Государственный первичный эталон
единицы силы
В основу построения эталонов единицы силы как
в нашей стране, так и за рубежом положен принцип
взаимодействия массы с гравитационным полем Зем-
ли. Основными достоинствами метода являются вы-
сокая точность и широкий диапазон воспроизведения
единицы силы. К недостаткам следует отнести следую-
щее, создание эталона на большие нагрузки экономи-
чески не выгодно из-за сложности конструкции, боль-
шой металлоемкости, сложности монтажа и эксплуа-
тации, а также большой стоимости здания,
требуемого для его размещения [1].
Государственный первичный эталон (ГПЭ) едини-
цы силы России имеет следующие метрологические
характеристи ки.
Диапазон воспроизведения единицы силы 10-
106 Н.
Погрешность воспроизведения единицы силы.
— оценка среднего квадратичного отклонения, $0
не более 5-10'6;
— граница нсисключенной систематической по-
грешности, 0О не более 10’5.
Значение мер силы определяется по формуле
где ж- масса меры, g- ускорение силы тяже-
сти, /(- плотность воздуха, /}- плотность меры си-
лы.
ГПЭ единицы силы состоит из четырех эталонных
установок:
- эталонная установка ЭУ-100 с диапазоном воспро-
изведения силы 104-106 Н;
- эталонная установка ЭУ-10 с диапазоном воспро-
изведения силы 2-10’-105 Н;
- эталонная установка ЭУ-0,5 с диапазоном воспро-
изведения силы 102-5-103 Н;
- эталонная установка ЭУ-0,02 с диапазоном вос-
произведения силы 10-2-102 Н.
Эталонная установка ЭУ-100 размещена на моно-
литном помехозащищенном фундаменте массой 500 т.
Габаритные размеры установки ЭУ-100:
— высота 16 м;
— длина 6 м;
— ширина 6 м.
Масса эталонной установки ЭУ-100 составляет
400 т. Она содержит 100 мер силы, изготовленных из
немагнитной и нержавеющей стали. Применение не-
магнитной стали обусловлено необходимостью ис-
ключения влияния магнитных полей, а нержавеющей
для стабильности массы во времени.
На фотографии представлена эталонная установ-
ка ЭУ-100 (рис. 1).
Предыстория
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в 1949 г. была соз-
дана эталонная установка ЭУ-10 до 10 т.е. [2]. Работы
по созданию эталонной установки ЭУ-100 были возоб-
новлены в 1950 г., она была изготовлена и в 1967 г. ус-
тановлена во ВННИМ им. Д.И. Менделеева [3, 4]. С
1949 г. по 1967 г. работами по созданию ЭУ-100 и
средств измерений силы руководил С.А. Смолич, а ис-
следованием ЭУ-100 и созданием образцовых динамо-
метров 1-го разряда с 1968 г. по 1977 г. — Л.М. Макси-
мов.
Кроме того, в период с 1967 г. по 1970 г. были соз-
даны еще две эталонные установки: ЭУ-0,02 до 20 кг.с.
и ЭУ-0,5 до 500 кг.с.
.- 295 ========^=^==
После исследования всех эталонных установок Го-
сударственным комитетом СССР по стандартам в
1972 г. был утвержден Государственный первичный
эталон единицы силы в состав которого вошли все че-
тыре эталонные установки.
С 1968 г. по 1977 г. ученым хранителем ГПЭ еди-
ницы силы был Л.М. Смолич. С 1978 г. ученым храни-
телем утвержден Н.С. Чаленко.
В соответствии с государственной поверочной схе-
мой (ГОСТ 8.065-85), государственный первичный
эталон передает размер единицы силы эталонным и
рабочим средствам измерений, т.е. обеспечивает
единство измерений силы в стране.
Методы и средства измерений силы играют важную
роль в решении научных и технических задач, при ме-
ханизации и автоматизации производственных про-
цессов, повышении эффективности и экономичности
производства. Они нашли широкое применение при
определении механических характеристик различных
материалов, измерении силы тяги всевозможных дви-
гателей, при прочностных испытаниях судовых, авиа-
ционных и строительных конструкций, в различных
видах измерительного оборудования и во многих дру-
гих областях.
Высокое качество испытаний приводит к стабиль-
ной надежности, долговечности и безопасности
транспортных средств, строительных конструкций,
различных машин и механизмов. Высокое качество
испытаний возможно только при высокой точности
измерения силы.
Требования к средствам измерения силы по диа-
пазону очень разнообразны. В научных исследовани-
ях при определении физических констант, гравита-
ционных полей нижний предел измерений достига-
ет 10M08H.
В машиностроении, металлургии, при прокатке
стали, в авиационной и космической технике, судо-
строении, строительстве и т.д. требуемый диапазон
измерений достигает 1-50 МН.
В весостроении, в системах управления техноло-
гическими процессами, в испытательном оборудова-
нии применяются средства измерения силы в широ-
ком диапазоне от 1 Н до 1 МН.
Государственный первичный эталон единицы си-
лы метрологически обеспечивает средства измерений
в этом широком диапазоне с высокой точностью.
В настоящее время в стране насчитывается более
девяти миллионов рабочих средств измерений силы.
Государственный первичный эталон единицы си-
лы существует в единственном экземпляре, по ряду па-
раметров не имеет мировых аналогов, является осно-
вой метрологического обеспечения России в облас-
ти измерения силы, позволяет проводить уникальные
физические эксперименты.
Особо перспективными являются
— разработка системы управления режимом вос-
произведения силы эталоном по различным законам
для определения динамических характеристик
средств измерений силы;
— экспериментальные исследования компарато-
ров (динамометров) с погрешностью измерения мас-
сы 0,005 % для поверки большегрузных весов (авто-
мобильных, железнодорожных) и дозаторов;
— разработка новых методов и эталонных средств
для обеспечения единства измерений силы в России;
— изучения влияния изменения плотности возду-
ха на погрешность воспроизведения силы эталоном.
На эталонной установке ЭУ-100 дополнительно мо-
гут проводиться исследования по взаимодействию
большой массы (100 т) с гравитационным полем Зем-
ли.
Основные научные достижения:
— повышение точности передачи размера едини-
цы силы от Государственного первичного эталона в
десять раз;
— разработаны и исследованы новые методы изме-
рений силы (абсолютный и дифференциальный) и соз-
даны средства, реализующие эти методы;
— впервые создана эталонная силоумножающая ус-
тановка до 5-106Н на основе клина, подвешенного в
направляющих па гидростатическом подвесе;
— впервые создана эталонная установка для вос-
произведения малых сил в диапазоне 0,1-10 Н с при-
менением аэростатического подвеса.
В настоящее время проводятся международные
круговые сличения национальных эталонов единицы
силы в рамках Азиатско-Тихоокеанского метрологи-
ческого форума.
Литература:
1. Чаленко Н(С. Методы и средства измерения силы. — М.:
Издательство стандартов, 1991.
2. Максимов Л.М., Смолич С.А. Эталон единицы силы /
/ Измерительная техника. — 1967. — № 11.
3. Всесоюзный научно-исследовательский институт мет-
рологии им. Д.И. Менделеева. — Л.: Энергия, Ленинградское
отделение, 1967.
А.Е. Овсянников, С.А. Семенов, Н.С. Чаленко
296
Измерение параметров ударного движения
твердого тела
Ударное движение, являясь частным случаем дви-
жения твердого тела, имеет ряд отличительных при-
знаков. Во-первых, для того чтобы возник удар, требу-
ется взаимодействие (удар) двух тел, обладающих раз-
ными значениями кинетической энергии. Во-вторых,
длительность взаимодействия, т.е. удара, вызывающе-
го ударное движение твердого тела, соизмерима с его
периодом собственных колебаний или его постоянной
времени. Кратковременность взаимодействия, как
правило, сопровождается выделением значительного
количества энергии в малом объеме и происходит ко-
нечное изменение количества движения взаимодейст-
вующих тел. В.С. Пеллинец к вышеперечисленным
признакам добавляет: „под ударным понимается вся-
кий непериодический детерминированный процесс,
обладающий четко выраженным началом. Последнее
следует понимать в том смысле, что до начала ударно-
го процесса, т.е. при t < 0, физическая величина, ха-
рактеризующая движение, равна нулю либо может
быть принята равной нулю за счет соответствующего
переноса системы координат". Ю.И. Иориш рассмат-
ривает удар как „одиночный механический импульс
(даже когда он вызывает последующие колебания), ес-
ли по условиям задачи длительность импульса можно
считать малой, а результирующий эффект (возникаю-
щие силы, ускорения, скорости, смещения) — значи-
тельным", а В.Б. Карпушин указывает, что „ударом
твердых тел друг о друга называют такое движение,
при котором за очень малый промежуток времени про-
исходят конечные изменения количества движения
твердых тел". Т.о., при ударе и ударном движении не-
обходимо учитывать кратковременность взаимодейст-
вия, изменение количества движения у взаимодейст-
вующих твердых тел и выделение значительного ко-
личества энергии. Необходимо учесть, что к ударному
движению относятся и периодические процессы
ударного характера при условии, если к моменту
очередного ударного воздействия на систему она при-
ходит в состояние, которое можно считать невоз-
мущенным, т.е. переходные процессы, вызванные
предыдущим ударным воздействием, в системе завер-
шились.
Потребности в учете и количественной оценке
ударных воздействий на твердые тела возникли, в пер-
вую очередь, в связи с необходимостью определения
их влияния на эксплуатационные характеристики раз-
личных технических устройств, совершенствования
технологического оборудования (ковочное, штампо-
вочное, удары копра и т.д.), повышения безопасности
движения на транспорте в условиях его интенсивно-
го развития и совершенствования и т.д. Практически
любой вид транспорта (автомобиль, железнодорож-
ный транспорт, морские и воздушные суда и т.д.) в про-
цессе своей эксплуатации подвергается ударным воз-
действиям (на стыках рельс, за счет неровностей до-
рожного полотна, за счет воздушных вихрей и
потоков, удары самолета о взлетно-посадочную поло-
су при посадке, удары морских волн о борт судна). Тео-
ретически рассчитать с высокой степенью точности
влияние таких наг рузок на сложные машины и меха-
низмы и определить время их безопасной эксплуата-
ции практически невозможно. А если учесть, что зна-
чение ударных нагрузок и их форма также изменяют-
ся в широких пределах, то можно понять, какое
огромное значение приобретают экспериментальные
исследования, которые хотя бы приближенно моде-
лируют условия эксплуатации. То., для определения
влияния ударов на различные машины и механизмы
необходимо осуществить на них ударное воздействие,
которое по своим характеристикам близко к воздей-
ствиям в условиях эксплуатации. Задачу испытаний
можно условно разделить на две части: получение
ударного испытательного воздействия и измерение
параметров этого воздействия. Именно вторая про-
блема является основной для метрологии.
Измерения параметров ударных процессов отно-
сятся к динамическим измерениям, которые в силу
своей кратковременности обладают по сравнению со
статическими меньшей точностью. Особенностью из-
мерения параметров удара является и то, что они яв-
ляются переменными во времени и определить удар-
ный процесс с помощью одного параметра, как это
можно сделать при статических измерениях, невоз-
можно. Выбор измеряемых параметров зависит от по-
ставленной измерительной задачи, от возможностей
реализации того или иного процесса, от требуемой
точности измерений параметров процесса и т.д.
Ударный процесс определяется формой кривой
функциональной зависимости воспроизводимого па-
раметра от времени и его интегральным значением
I * ~ . в зависимости от формы кривой удар-
ные процессы разделяются на простые и сложные (с
наложенными колебаниями), а по интегральному зна-
чению — на импульсивные и безимпульсивные (у по-
следних /х = 0 ). Для анализа ударного процесса ис-
пользуют аппроксимирующие функции. При выборе
аппроксимирующей функции ее форма должна быть
близка к экспериментальной, параметры, которые оп-
ределяются в результате измерения, должны быть у
обоих кривых одинаковы, аналитическое выражение
аппроксимирующей кривой должно быть удобно для
анализа.
Измеряемые физические величины при ударном
движении, параметры физических величин, характе-
ризующих ударное движение, и соответствующие
средства измерений регламентируются ГОСТ 8.127-74
„ГСИ. Измерения параметров ударного движения.
Термины и определения". В качестве физических ве-
личин, характеризующих ударное движение, приме-
няют ударное ускорение a(t), ударную скорость v(t),
ударное перемещение s(t), ударную деформацию 40
и ударный спектр S(ia>), который разделяется на удар-
ный спектр текущий и после действия. Взаимосвязь
ударных перемещений, скорости и ускорения опре-
деляется выражениями:
, ч МО ПРИ 0<1< г
если 4О=|о при г<0 и то
vn при
I
j adt + vn
о
t
J adt +,vn
.0
t<0
при
при
0<<< г
t> т
sn при t < 0
t
^vdt + sn при 0<t< T
о
i
j vdt + vt + sn при t > г
о
где г—длительность процесса по ускорению на
нулевом уровне, с.
Основными параметрами физических величин,
которые характеризуют ударное движение, являются
пиковое значение физической величины, длитель-
ность ее действия, длительность фронта, коэффици-
ент наложенных колебаний, импульс ударного уско-
рения.
Пиковое значение ( хп ) — наибольшее абсолютное
значение физической величины — определяется как
наибольшее значение исходной (несглаженной) за-
висимости физической величины от времени. Пи-
ковое значение применяется для определения вы-
броса временной зависимости, определяемой как
хв =(хп-х~)/жп • гДе — установившееся значение
физической величины.
Длительность действия физической величины
( г) — интервал времени от момента появления фи-
зической величины до момента ее исчезновения. Дли-
тельность действия обычно определяют на каком-то
заранее оговоренном условном уровне, например, на
уровне 0,1 хп . Значительные проблемы возникают
при определении длительности ударных процессов
сложной формы, т.к. от условного уровня, на котором
определяется длительность, зависит ее величина. Для
более точных измерений целесообразно выбирать бо-
лее низкий условный уровень, т.к. форма кривой удар-
ного ускорения, например, имеет часто пологие на-
чальные и конечные участки. В то же время наличие
помехи случайного характера приводит к необходи-
мости выбирать условный уровень выше уровня слу-
чайного сигнала для уменьшения потери информации
о полезном сигнале. Поэтому в зависимости от кон-
кретной измерительной задачи условный уровень, на
котором определяется длительность физической ве-
личины, может быть разным.
Длительность фронта физической величины
( /ф ) — интервал времени от момента появления фи-
зической величины до момента, соответствующего ее
пиковому значению. Наличие явно выраженного зна-
чения хп позволяет однозначно определить и , од-
нако для сложных форм кривой такую однозначность
получить непросто.
Коэффициент наложенных колебаний (kK к) — от-
ношение полной суммы абсолютных значений прира-
щений между смежными экстремальными значения-
ми физической величины к ее удвоенному пиковому
значению. Этот коэффициент является характери-
стикой, определяющей сложность формы кривой вос-
произведенной физической величины, он отра-
жает произведение числа периодов наложенных ко-
лебаний п на их относительную амплитуду k:
Ан к
= 1/2х„ f ^-d0
, где /(^) — нормированная кри-
вая, — . Значение Ан к для однополярных импуль-
сов простой формы, а также при значениях пА<0,5
равно единице, при больших значениях nk коэффи-
циент наложенных колебаний может быть определен
2пА
приближенной формулой «н к= ’ Этот коэффици-
ент может быть использован для оценки меры разру-
шения ударных процессов, нормирования их формы
и т.д.
Анализ параметров, характеризующих ударный
процесс, будет неполным, если не рассматривать его
спектральную плотность, которая является энергети-
ческой характеристикой и определяет долю мощно-
сти, приходящуюся на тот или иной диапазон частот
ОО
ударного процесса, $(/£>)= J f (t )e i<adt Именно
спектральный анализ позволяет оценить частотный
состав сигналов, получаемых на выходе измеритель-
ного преобразователя, и, таким образом, определить
его частотные характеристики.
10* Зак. 450
298
Средства измерений параметров ударного дви-
жения. Наибольшее распространение получили в на-
стоящее время пьезоэлектрические преобразователи
ударного ускорения. Это связано с целым рядом пре-
имуществ пьезоэлектрических преобразователей пе-
ред датчиками, основанными на других принципах
преобразования механической энергии в электриче-
скую. Малогабаритность, надежность в эксплуатации,
относительная простота в изготовлении, возмож-
ность измерения ударных ускорений малой длитель-
ности и больших значений амплитуд, малая чувстви-
тельность к таким влияющим факторам, как акусти-
ческое давление, магнитные и электрические поля и
т.д. По этой причине ведущие фирмы мира „Брюль и
Кьер" (Дания), „Кестлер" (Швейцария;, „Эндевко",
„РСВ" (США) и др. основное внимание уделяют раз-
работке пьезоэлектрических преобразователей удар-
ного ускорения. В России основными разработчиками
и изготовителями пьезоэлектрических преобразова-
телей, в т.ч. и ударных являются „Прибор" (г. Санкт-
Петербург), ВНЙИЭФ (г. Саров, Нижегородская
обл.), НИИФИ (г. Пенза) и др. Пьезоэлектрические
преобразователи ударных ускорений являются преоб-
разователями инерционного типа. Сейсмическая мас-
са, подвергаясь воздействию ударного ускорения, ока-
зывает соответствующее давление на пьезопластины,
на плоскостях которых образуется электрический за-
ряд, пропорциональный значению ударного ускоре-
ния. Необходимо добавить, что пьезоэлектрические
преобразователи, обладая малым весом, оказывают
незначительное влияние на объект, ударное ускоре-
ние которого необходимо измерить. Одним из основ-
ных недостатков пьезоэлектрических преобразовате-
лей является их большое выходное сопротивление.
По этой причине в качестве согласующих усилителей
применяются не только традиционные усилители на-
пряжения, но и специальные усилители заряда, позво-
ляющие практически исключить влияние на коэффи-
циент преобразования датчика емкости соединитель-
ного кабеля и входного сопротивления согласующего
усилителя. Перечень нормируемых метрологических
характеристик для ударных пьезоэлектрических пре-
образователей устанавливается методикой МИ 186-79
„Нормируемые метрологические характеристики
ударных пьезоэлектрических акселерометров". Дан
ная методика нормирует и метрологические характе-
ристики согласующих усилителей. Все нормируемые
характеристики условно можно разделить на две груп-
пы: основные и характеристики, регламентируютие
определение воздействия на преобразователь влияю-
щих факторов. К основным можно отнести верхний
предел измерений пикового ударного ускорения, диа-
пазон измерений длительности фронта ударного уско-
рения, коэффициент преобразования по заряду и на-
пряжению, коэффициент нелинейности амплитудной
характеристики, низшая собственная частота закреп-
ленного преобразователя. Ко второй группе характе-
ристик можно отнести нестабильность коэффициен-
та преобразования, коэффициенты влияния кабельно-
го шума, деформации основания, магнитного и
электрического полей, температуры, акустического
поля, отклонения момента завинчивания преобразо-
вателя при креплении от номинального, поперечно-
го ускорения (из-за наличия поперечной чувствитель-
ности датчика). Кроме перечисленных характеристик
нормируются добротность, емкость и сопротивление
изоляции преобразователя. Определение перечислен-
ных метрологических характеристик осуществляется
в соответствии с методикой МИ 1826-88 „Акселеромет-
ры ударные. Методика поверки", применяемые в ко-
торой методы и средства поверки будут проанализи-
рованы ниже.
Более точными, но и более сложными, а соответ-
ственно и более дорогими, являются оптические сред-
ства измерений, такие как лазерные интерферомет-
ры для измерения ударных процессов. Лазерные ин-
терферометры измеряют'ударное перемещение т ела,
при этом, чаще всего из-за малой длительности удар-
HOi о процесса производится однонаправленный счет
интерференционных полос, и на результат измерения
могут повлиять наложенные колебания. Чтобы умень-
шить погрешность измерения ударного перемещения
интерферометром нредьявляютея высокие тре-
бования к форме воспроизводимого ударного процес-
са, Необходимо практически ликвидировать наложен-
ные колебания, а форма кривой должна быть прибли-
жена к полусинусоиде. Такие требования могут быть
выполнены на эталонных установках, поэтому интер-
ферометры применяются в основном для метрологи-
ческого обеспечения средств измерения ударных
процессоь. Кроме пьезоэлектрических и интерферен-
ционных преобразователей ударных процессов, при-
меняются, но в меньшем объеме, емкостные датчики,
индуктивные, индукционные, вихретоковые и др. Сле-
дует отметить, что эти преобразователи (кроме емко-
стных) обладают более низкочастотными диапазона-
ми измеряемых параметров ударных процессов.
Современные средства позволяют измерять удар-
ные процессы в диапазоне длительностей фронта
ударной волны от 1 мкс до 10 с, ударных ускорений -
от 1-Ю6до 1-107 метра на секунду в квадрате, ударных
скоростей — от 1-10’6до 1-Ю1 метра на секунду, удар-
ных перемещений — от 1-10’до 1-10гметра.
Система обеспечения единства измерения. Сис-
тема обеспечения единства измерений и последова-
тельной передачи размера единиц, характеризующих
ударное движение, регламентируется ГОСТ 8.187-84
„ГСИ, Государственный специальный эталон и госу
дарственная поверочная схема для средств измерения
ускорения при ударном движении". Поверочная схе-
ма предусматривает централизованное воспроизведе-
ние размера единицы ударного ускорения. Возглавля
ет поверо11ную схем)' Государственный специальный
эталон единицы ударного ускорения ГЭТ 57-84
(ГСЭ).
ГСЭ единицы ускорения при ударном движении
представляет собой комплекс следующих средств из-
мерения:
— эталонная установка больших ускорений
93101Э;
— эталонная установка 93103Э;
— набор переменного состава ударных акселеро-
метров для передачи размера единицы.
В установке 93101Э для воспроизведения ударно-
го ускорения применен магнитно-импульсный метод,
сущность которого заключается в использовании
электромагнитных сил взаимодействия полей индук-
тора и утолщенной части механического волновода.
299
Источником энергии являются высоковольтные кон-
денсаторы, заряжаемые до максимального напряже-
ния 20 кВ и обладающие энергией до 20 кДж. Напря-
жение, до которого заряжаются конденсаторы, опре-
деляет величину пикового ударного ускорения
(емкость конденсаторов С =96 мкФ), а индуктивность
разрядной цепи (в том числе индуктор) и механиче-
ский волновод определяют длительность ускорения.
Основным средством измерения пикового ускоре-
ния является электронно-оптический измеритель пе-
ремещения. Дифференцируя дважды этот сигнал, по-
лучают пиковое значение ускорения. В качестве ре-
гистрирующего устройства используется цифровой
осциллограф с усилителем заряда.
Основные характеристики установки 93101Э
Диапазон воспроизводимого ударного ускорения,
м/с2 10М06
Диапазон длительностей фронта воспроизводимо-
го ударного ускорения, мкс 18-200
Погрешность воспроизведения ударного ускоре-
ния, % НСП 1,5
СКО 2,5-3
Масса поверяемого преобразователя, г
не более 35
Потребляемая мощность, кВт
не более 3
Эталонная установка 93103Э обеспечивает вос-
произведение ударного ускорения, величина которо-
го определяется расчетным методом по измеренным
значениям масс тел, жесткостей упругих элементов и
ускорения свободного падения (модель двухмассовой
системы в нестационарном режиме). Первоначально
упругие элементы растянуты силой тяжести груза. При
быстром снятии этой силы перерезающим устройся
вом система приходит в движение, подчиняющееся
сложной, но известной временной зависимости от вы-
шеперечисленных параметров. Величина воспроизво-
димого ускорения определяется массой подвешенно-
го груза, а его длительность — параметрами упругих
элементов. Расчет воспроизводимого ускорения про-
изводится на ЭВМ по специальной программе.
Основные технические характеристики уста-
новки 93101Э
Диапазон воспроизводимого ударного ускорения,
м/с2 10-4-103
Диапазон длительностей фронта воспроизводимо-
го ударного ускорения, мс 0,2-50
Погрешность воспроизведения ударного ускоре-
ния % НСП <1,5
СКО 2,5-3
Масса калибруемого преобразователя, г
не более 50
Потребляемая мощность, кВт
не более 1
Ударные акселерометры, входящие в комплект
эталона, представляют собой совокупность пьезоэлек-
трического измерительного преобразователя ПИ93-
1КР либо ПИ93-КВ и согласующего усилителя заряда
типа У505.
Акселерометры имеют следующие основные
технические характеристики.
Диапазон измеряемых пиковых значений ускоре-
ния 10-5-105 м/с2 при длительности фронта, соответ-
ствующей диапазону ГСЭ.
Неравномерность амплитудно-частотной характе-
ристики усилителя не более 2,5 %.
Уровень шумов, приведенный к входу усилителя,
обеспечивает отношение сигнал/шум не менее 200.
ГСЭ единицы ускорения при ударном движении
был создан в НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" в
1974 г. и утвержден в качестве государственного в
1975 г. Руководство работами по созданию эталона осу-
ществлял к.т.н. В.С. Пеллинец, утвержденный в 1975 г.
первым ученым хранителем ГСЭ. Активное участие в
работе по созданию эталона принимали Н.Н. Ковани-
на, Е.А. Барков, А.И. Марциняк, М.М. Лупинский,
Г.И. Лейбенгардт.
Эталон состоял из четырех установок: 9316,9309,
Импульс-1 и 93103. Он воспроизводил пиковое удар-
ное ускорение в диапазоне 10-106 м/с2 при длитель-
ностях фронта 0,5-50000 мкс со средним квадратиче-
ским отклонением (5-20) % и при неисключенной
систематической погрешности (2-6) %.
Десятилетний опыт эксплуатации ГСЭ и повероч-
ной схемы, возросшие требования нормативных доку-
ментов, учет рекомендаций международных докумен-
тов, в частности стандартов МЭК 68-2-27, 68-2-29 при-
вели к необходимости пересмотра состава ГСЭ и
поверочной схемы с целью повышения точности
средств измерения, включая РСИ.
В силу отсутствия РСИ в диапазоне установки 9316
было признано целесообразным исключить ее из со-
става ГСЭ и перевести в ранг ОСИ для определения
динамических характеристик.
Диапазон установки Импульс-1, неудобной в экс-
плуатации, был перекрыт путем расширения диапа-
зонов установок 9309 и 93103.
В процессе эксплуатации и совершенствования
эталонных установок были также подробно исследо-
ваны и проанализированы составляющие их погреш-
ностей.
В результате проведенных работ в 1984 г. утвержден
новый эталон ГЭТ 57-84 в составе двух установок 93-
101Э и 93103Э с характеристиками, указанными выше.
Наибольший вклад в создание нового эталона внесли
Н.Н. Кованина, С.М. Бенедиктов, бывший его ученым
хранителем, В.Л. Анемподистов, А.А. Гончарко,
Е.Ф. Соколов.
С мая 2000 г. ученым хранителем эталона являет-
ся с.н.с. С.И. Петров.
Назначение эталона — поверка средств измерения
параметров ударного движения (ударного ускорения,
ударной скорости, энергии удара) с целью метроло-
гического обеспечения ударных испытаний в соот-
ветствии с рекомендациями отечественных стан-
дартов и стандартов МЭК на ударные испытания про-
дукции.
Установка 93101Э позволяет производить повер-
ку ударных акселерометров, применяемых в ведущих
отраслях России (атомная энергетика, электронная
промышленность, ракетостроение, артиллерия).
Установка 93103Э обеспечивает поверку средств
измерения ударного ускорения в различных областях
народного хозяйства, таких как самолето- и станко-
строение, приборостроение, технология производст-
венных процессов, судостроение, энергетическое обо-
рудование.
300
В настоящее время ГЭТ 57-84 служит для воспро-
изведения и хранения размера единицы ударного ус-
корения и передачи размера следующим вторичным
эталонам;
— эталон-копия Российского Федерального Ядер-
ного Центра ВНИИЭФ, г. Арзамас-16, вторичный эта-
лон (установка с лазерным интерферометром) РНИИ
Электронстандарт, г. С.-Петербург, рабочие эталоны
ЦСМ России: Ростест-Москва, Тест Санкт-Петербург,
Нижний Новгород, рабочие эталоны ближнего зару-
бежья — Казахстан, Беларусь.
Эталонами ударного движения в настоящее время
располагают США (NIST), Германия (РТВ). Франция,
Китай (CIMM) и Япония. Национальный эталон Гер-
мании обеспечивает воспроизведение ударного уско-
рения с погрешностью (0,5-1) %, но в диапазоне (102-
5-103) м/с2, что составляет 1/20 диапазона ГЭТ 57-84.
Эталоны США, Франции и Китая воспроизводят раз-
мер единицы в том же диапазоне, но с погрешностью
до 5 %.
Сличение с зарубежными средствами измерений
проводилось путем градуировки на ГЭТ 57-84 измери-
тельного преобразователя типа 8309 фирмы „Брюль
и Къер“ (Дания). Полученные при градуировке зна-
чения коэффициентов преобразования во всем диа-
пазоне отличаются от паспортных на (2-3) %.
Входящие в состав ГСЭ установки позволяют хра-
нить, воспроизводить и передавать единицу ударного
ускорения нижестоящим по поверочной схеме пове-
рочным установкам во всем диапазоне длительностей
и амплитуд. Передача размера единицы ударного ус-
корения осуществляется методом прямых измерений
и непосредственным сличением. В качестве повероч-
ных установок применяются ударные установки, осно-
ванные на баллистических методах, параметрическом
и электродинамическом возбуждении.
В ударной поверочной установке, реализующей
баллистический метод, рабочим телом является закре-
пленная на тросах наковальня, на одном торце кото-
рой устанавливается поверяемый преобразователь.
Удар по наковальне осуществляется с помощью моло-
та, также закрепленного на тросах. Скорость молота
в момент соударения определяется высотой его подъ-
ема v = ^2gh , где h — высота подъема молота. Усилие,
воздействующее на наковальню, определяется по диа-
метру отпечатка на сферической поверхности моло-
та с помощью микроскопа, сигнал с поверяемого пре-
образователя фиксируется с помощью запоминающе-
го устройства и обрабатывается по соответствующему
алгоритму. Коэффициент преобразования определя-
ется как отношение пикового значения выходного
сигнала преобразователя к пиковому значению уско-
рения, которое определяется высотой подъема моло-
та, соотношением масс молота и наковальни и экви-
валентной жесткостью механического контакта меж-
ду молотом и наковальней. Последнее определяет и
длительность ударного процесса. Баллистическая ус-
тановка воспроизводит ударные ускорения от 103 до
7-Ю'1 м/с2 в диапазоне длительностей от 0,2 до 15 мс.
Среднее квадратическое значение погрешности уста-
новки при воспроизведении ударного ускорения око-
ло 7 %.
В области малых значений ударных ускорений при-
меняются установки с параметрическим и электроди-
намическим принципами воспроизведения ударных
ускорений. Принцип действия установки с парамет-
рическим принципом воспроизведения основан на
практически мгновенной ликвидации механической
связи между неподвижной и подвижной частями ус-
тановки. Подвижная часть установки выполнена в ви-
де системы, состоящей из инерционная масса — упру-
гий элемент — масса ускорителя с поверяемым преоб-
разователем. Воспроизводимое ударное ускорение
определяется выражением а(«)= g(Af/mcos СЛ + 1),
где м ~ суммарное значение инерционной массы и
массы части упругого элемента, т — значение массы
ускорителя с поверяемым преобразователем и части
массы упругого элемента, а) — собственная частота
системы, определяемая массами Л4 , т , массой и же-
сткостью упругого элемента. Установка может воспро-
изводить ударные ускорения от 100 до 7’103 м/с2 в диа-
пазоне длительностей от 120 до 150 мкс. Среднее квад-
ратическое значение погрешности воспроизведения
пикового ударного ускорения около 3 %. Документом,
определяющим правила работы на установках с пара-
метрическим возбуждением, является методика
МИ 112-76 „Методика поверки ударных акселеромет-
ров в установках с параметрическим возбуждением".
Электродинамические ударные установки воспро-
изводят ударные ускорения на торце жесткого цилин-
дра. Ускорение задается с помощью катушки индуктив-
ности, на которую разряжается за короткий проме-
жуток времени батарея конденсаторов большой
емкости. Поверяемый преобразователь крепится на
одном торце жесткого цилиндра, а на втором торце
крепится эталонный преобразователь. Поверка про-
изводится методом непосредственного сличения.
Диапазон воспроизводимых ударных ускорений на та-
кой установке от 50 до 2000 м/с2, а диапазон длитель-
ностей от 0,8 до 8 мс. Среднее квадратическое значе-
ние погрешности воспроизведения пикового значе-
ния ударного ускорения около 7 %. Необходимо
отметить, что электродинамический способ воспро-
изведения в принципе позволяет воспроизводить вы-
сокие уровни ударных ускорений (до 10° м/с2), что и
реализовано в одной из установок ГЭТ 57-84.
Методы и средства поверки преобразователей
ударных ускорений регламентированы МИ 1826-88
„ГСИ. Акселерометры ударные. Методика поверки".
Данная методика устанавливает методы и средства
первичной и периодической поверок ударных преоб-
разователей ускорения, перечень параметров, кото-
рые требуется определять при соответствующих по-
верках, способы определения погрешности пове-
ряемых преобразователей. Вопросы оценивания
погрешностей результатов измерения ударных уско-
рений регламентированы МИ 107-76 „Методика оце-
нивания погрешности результата измерений пиково-
го ударного ускорения". Несмотря на то, что она раз-
работана четверть века назад, актуальность ее не
утрачена и сейчас. В этой методике даны практически
все составляющие погрешности результата измере-
ний пикового ударного ускорения, которых насчиты-
вается не менее 23, включая частные погрешности со-
гласующих усилителей. Для каждой из составляющих
301
приведены формулы для вычисления, а в приложении
приведены технические характеристики установок
для определения влияющих факторов (коэффициен-
та влияния поперечных составляющих, коэффициен-
та влияния деформации основания, коэффициента
влияния температуры). Данная методика, разработан-
ная под руководством В.С. Пеллинца, является осно-
вополагающим документом при определении погреш-
ности измерений ударных ускорений.
Вопросами поверки средств измерений ударного
ускорения в настоящее время в России занимаются не
менее 30 предприятий и организаций, включая госу-
дарственные и ведомственные метрологические служ-
бы. Как правило, на установках, которыми оснащены
эти органы, используется метод непосредственного
сличения, поэтому размер единицы они получают от
Государственного специального эталона ГЭТ 57-84.
В области измерения параметров ударного ускоре-
ния Россия сотрудничает с другими странами, прини-
мая участие в международной организации ИСО. В на-
стоящее время комитетом ИСО ТК 183 „Вибрация и
удар" происходит внедрение в практику целой серии
стандартов ИСО 5347, которые регламентируют пер-
вичную, вторичную поверку ударных преобразовате-
лей как методом непосредственного сличения, так и
с помощью лазерных интерферометров. Можно пред-
положить, что более широкое внедрение лазерных
интерферометров для поверки ударных преобразова-
телей должно привести к необходимости децентра-
лизованного воспроизведения единиц ударного дви-
жения и, естественно, к необходимости переработки
поверочной схемы. В этом случае исходными средст-
вами измерений в поверочной схеме должны быть
лазерные интерферометры, цифровые средства изме-
рений амплитуды и длительности электрического сиг-
нала, рабочие эталоны массы, т.е. средства измере-
ний, заимствованные из других поверочных схем. Пе-
редача размера единицы ударного ускорения к
Государственному эталону и рабочим эталонам нуле-
вого разряда должна осуществляться от исходных
средств измерений методом косвенных измерений, а
к поверочным установкам и рабочим средствам изме-
рений— сличением при помощи компаратора и мето-
дом прямых измерений. При этом Государственный
эталон и рабочие эталоны нулевого уровня, получаю-
щие размер единицы от заимствованных в других по-
верочных схемах средств измерений, должны сли-
чаться между собой, как это делается в международ-
ном масштабе между установками одного уровня.
Децентрализованное воспроизведение единицы удар-
ного ускорения позволит снизить погрешность высо-
коточных рабочих средств измерений за счет сниже-
ния числа ступеней поверочной схемы. Одновремен-
но с переработкой поверочной схемы целесообразна
модернизация ГЭТ 57-84 с целью расширения его диа-
пазонов воспроизводимых длительностей и амплитуд
ударных ускорений как в сторону увеличения верхне-
го предела, так и уменьшения нижнего. Повышение
точности измерения задаваемых на установках удар-
ных ускорений должно осуществляться с помощью ла-
зерных интерферометров, а обработка результатов —
высокоскоростными компьютерными системами.
Для имитации ударных воздействий в реальных ус-
ловиях служат ударные испытательные стенды, вос-
производящие ударные импульсы, которые по своим
характеристикам или близки к ударам, действующим
на различные элементы испытываемого объекта в экс-
плуатации, или вызывают такое же повреждение, как
и при воздействии удара в реальных условиях, или вы-
зывают реакцию объекта на ударный импульс, близ-
кую к реакции на реальный ударный импульс. В основ-
ном испытания на ударное воздействие сводятся к
следующим видам: на ударную устойчивость при мно-
гократном воздействии, на ударную прочность при
многократном воздействии, на воздействие одиноч-
ных ударов большой интенсивности, на прочность
при транспортировании и падении. Отсюда и требо-
вания к ударному испытательному оборудованию. Его
можно разделить на ударные стенды для испытаний
объектов на прочность, для воспроизведения задан-
ного ударного нагружения, для проведения модель-
ных испытаний объектов и для определения частот-
ных характеристик объектов методом ударного возбу-
ждения. По принципу создания ударного нагружения
ударные установки делятся на установки, которые ис-
пользуют принцип разгона и установки, использую-
щие принцип торможения. В первых установках
(принцип разгона) ударная нагрузка создается за счет
передачи импульса силы определенной формы под-
вижной платформе с испытуемым объектом, которая
до начала движения под действием импульса силы бы-
ла неподвижной. Во втором случае (принцип тормо-
жения) ударное воздействие создается за счет тормо-
жения подвижной части установки с испытуемым объ-
ектом. Установки могут различаться разнообразием
конструктивных решений, иметь горизонтальное и
вертикальное исполнение, отличаться по принципу
действия (механические, электромеханические, пнев-
могидравлические и др.), по характеристикам, по гру-
зоподъемности и по другим параметрам. Практически
все высокоразвитые страны выпускают ударные испы-
тательные стенды (США, Япония, Англия и др.). В ка-
честве примера отечественного испытательного обо-
рудования можно назвать ударные стенды К-30/1000,
КУ-1-КУ-4, СМ-2, УУ-5/500, СУ-ЗМ, УУЭ-2/200, УУЭ-
20/200 и др.
Огромный вклад в становление и развитие метро-
логической системы обеспечения средств измерения
параметров ударных процессов внес Вильям Семено-
вич Пеллинец. В основном на базе его трудов состав-
лен данный обзор. Кроме В.С. Пеллинца, большой
вклад в метрологическое обеспечение средств измере-
ния параметров ударных ускорений внесли А.И. Мар-
циняк, В.Л. Лассан, Н.Н. Кованина, М.М. Лупинский,
Г.С. Батуев, Н.К. Ерофеев, В.В. Гаюн, М.И. Субботин,
В.И. Степанов.
Литература:
1. Пеллинец В.С. Измерение ударных ускорений. — М.:
Изд. стандартов, 1975.
2. Иориш Ю.И. Виброметрия. — М.: Машгиз, 1963.
3. Лассан В.Л., Ерофеев Н.К. и др. Опыт разработки ап-
паратуры для измерения параметров движения. — Л.:
ЛДНТП, 1972.
4. Пеллинец В.С., Бабер И.С. Оценка погрешности изме-
рения параметров вибрации и удара. — Л.: ЛДНТП, 1969.
5. Пеллинец В.С., Глаговская М.Б., Тарасов ЕА. Пути по-
вышения точности измерения параметров удара. — Л.:
ЛДНТП, 1974.
============================== 302 "
6. Карпушин В.П. Вибрации и удары в радиоаппаратуре.
— М.: Советское радио, 1971.
7. Приборы и системы измерения вибрации, шума и уда-
ра. Справочник в 2-х томах. Под ред. д.т.н., проф. Клюева В.В.
— М.: Машиностроение, 1978.
8. Шкаликов В.С., ПеллинецВ.С. и др. Измерение пара-
метров вибрации и удара. — М.: Изд. стандартов, 1980.
9. Голиков В.В., Смирнов А.Ю. Повышение точности гра-
дуировки ударных акселерометров при использовании лазер-
ного интерферометра // Тезисы доклада на ВНТК „Совре-
менное состояние и перспективы развития методов и средств
виброметрии и вибродиагностики“, 3-5 октября 1989 г.,
Минск. — М.: Изд. НТО приборостроителей им. С.И. Вавило-
ва, 1989.
10. Смирнов А.Ю. Перспективы развития системы вос-
произведения и передачи размеров единиц параметров удар-
ных процессов // Тезисы доклада на ВНТК „современное со-
стояние и перспективы развития методов и средств вибро-
метрии и вибродиагностики", 3-5 октября 1989 г., Минск. —
М.: Изд. НТО приборостроителей им. С.И. Вавилова, 1989.
С.И. Петров, В.Я. Смирнов
303
Измерение параметров вибраций
Роль вибрации в жизни, науке и технике
Не будет преувеличенным суждение о том, что че-
ловек на заре своей сознательной деятельности в пер-
вую очередь вынужден был познать и использовать
колебательное движение твердых, жидких и газооб-
разных тел. Примером таких колебательных движе-
ний, с которыми столкнулся первобытный человек,
были колебания отдельных частей тела человека при
движении (колебания рук, ног), колебания водной
среды (морские волны) и земной поверхности (зем-
летрясение), колебания растений под действием вет-
ра и т.д. И сегодня человек постоянно сталкивается с
колебательными процессами, часть из которых назы-
вают вибрацией. Являясь частным случаем колеба-
тельного движения твердых тел, вибрация, рассмат-
риваемая в данном разделе, имеет следующие особен-
ности:
— вибрационное движение твердого тела прямо-
линейное, т.е. точки тела совершают движение по од-
ной прямой линии или по траектории, близкой к пря-
мой линии (угловая вибрация здесь не рассматрива-
ется);
— амплитуда колебаний твердого тела соизмери-
ма и>ли больше уровня действующих влияющих фак-
торов;
— частотный диапазон вибрационного движения,
как правило, ограничен диапазоном звуковых частот,
расширение в область высоких частот ограничено
частотами порядка 50 кГц, а в область низких — час-
тотами колебаний, отнесенными к сейсмическим (см.
раздел „Сейсмометрия").
Техника измерений механических колебаний во-
обще и вибраций, в частности, начинается с прибо-
ров для измерений сейсмических колебаний почвы.
Первый из известных сейсмоскопов был построен в
132 г. н.э. в Китае Чжан-Хеном. С помощью этого при-
бора могла быть получена информация о направлении
толчка. Ртутный сейсмоскоп итальянца Каччиаторе,
построенный в 1848 г., уже давал информацию и о си-
ле толчка. С конца XIX в. сейсмоскопы начали заме-
няться более совершенными приборами — сейсмогра-
фами с записью колебаний во времени. Одним из пер-
вых сейсмографов стал горизонтальный сейсмограф
с механической регистрацией, предложенный в
1889 г. японским сейсмологом Омари. В развитии ра-
бот по измерениям механических колебаний большую
роль сыграли труды русских академиков Б.Б. Голицы-
на (1862-1916 гг.), А.И. Крылова (1863-1946 гг.) и
ГА. Гамбурцева. Б.Б. Голицын впервые построил вер-
тикальный сейсмограф с гальванической регистраци-
ей. Подобные приборы, развитые впоследствии
проф. Д.П. Кирносом, используются и в настоящее
время. Б.Б. Голицыным была написана книга „Лекции
по сейсмологии" (1912 г.). Г.А. Гамбурцев многое сде-
лал для развития методов сейсмической разведки и
разработки необходимой аппаратуры. Систематиче-
ское исследование колебаний механизмов и машин
(вибрации) началось с появлением в 60-х гг. XIX в. тор-
говых судов. В конце XIX в. уже было создано несколь-
ко типов виброизмерительных приборов, на которые
были выданы патенты Мияну, Шлику, Неститу и др. В
эти годы получили распространение виброизмери-
тельные приборы инерционного действия с механи-
ческой и оптико-фотографической записью колеба-
ний. Вибрацией кораблей занимался А.И. Крылов. Его
научный труд „Вибрация судов" стал классическим.
Потребность в более глубоком изучении вибраци-
онных процессов возникла в связи с развитием маши-
ностроительных отраслей и бурным ростом скоростей
транспортных средств. Целая серия крупных катаст-
роф связана с влиянием вибрации на прочностные ха-
рактеристики транспортных средств. Так, например,
в XIX в. практически в течение 70 лет катастрофы на
железнодорожном транспорте были связаны с взры-
вами пароводяных котлов на паровозах. В середине
50-х гг. XX в. произошли подряд три катастрофы с са-
молетами фирмы „Комета" (Англия), которые взрыва-
лись в воздухе. Причина этих катастроф оказалась одна
—усталостные явления в металле, возникшие в процес-
се эксплуатации транспортных средств под действи-
ем вибрации. Выяснилось, что вибрация вызывает
резкое снижение прочности сварных швов котлов на
паровозах и фюзеляжа самолета. Под влиянием виб-
рации разрушались мосты и здания, терпели крушения
морские суда и автомобили. По данным фирмы „Карл
Шенк АГ" (Германия) [1] .например, при сумме убыт-
ков и потерь производства, произошедших из-за вы-
хода из строя агрегата гидроэлектростанции, в 1,6 млн.
швейцарских франков, вибрационный контроль маши-
ны в трех узлах подшипников является рентабельным,
если он позволяет исключить лишь одно повреждение
подшипника в течение 40 лет эксплуатации.
Одновременно с влиянием вибрации как вредно-
го явления развивалась и полезная функция вибра-
ции. С ее помощью уменьшают трение в подшипни-
ках; забивают и вытаскивают сваи при строительстве
зданий и сооружений; воздействуя на почву многотон-
ным вибрационным механизмом, увеличивают добы-
чу нефти; воздействуют на организм человека с целью
оздоровления; используют в химической и физиче-
ской технологиях для интенсификации процессов и
реакций; применяют для стабилизации в пространст-
——304 "
торможения вращающихся валов и т.д. Многообразие
вибрационных явлений в природе и технике и сфер
применения вибрации определяют параметры вибра-
ционных процессов, а последние предъявляют требо-
вания к метрологическим и эксплуатационным харак-
теристикам средств измерений параметров вибрации
и к методам их определения.
Современное состояние области измерений па-
раметров вибраций
1. Параметры вибрации. Основными физически-
ми величинами, характеризующими вибрацию и пред-
ставляющими практический интерес, являются взаи-
мосвязанные вибрационные перемещение $(«),
скорость V(t)=d(S)/d(t), ускорение a(t)=d(y)/d(t)
и реже резкость b(t)=d(a)/d(t) При гармонической
вибрации S = S„ sm(«J < р>); V = a£mcos(ai+ ф);
a = -«?.Smsin(<rf + 0), 6 = - cos(«Z-t p), где Sm — ам-
плитуда перемещения; i£m - Vm — амплитуда скоро-
сти; cSSm -Д,. —амплитудаускорения; a?Sm=Bm— ам-
плитуда резкости; al + у) — фаза; <р — начальная фаза;
й> — круговая частота; t — время. Перемещение, ско-
рость, ускорение и резкость изменяются по гармони-
ческому закону и находятся попарно в противофазе
Скорость опережает перемещение на 90° и отстает от
ускорения на 90°; амплитуды связаны соотношением
4 = =В„1 а. Обычно эти величины вы-
ражаются в единицах SI. Перемещение измеряется
в м, мм, мкм; скорость — в м/с, мм/с; ускорение — в
м/с2; резкость — в м/с8. Ускорения иногда выра-
жаются в единицах ускорения силы тяжести „g“
(1g-9,81 м/с2).
Для количественного выражения вибрационных
величин во временной области используются следую-
щие параметры: амплитуда, размах (двойная ампли-
туда), пиковое значение, среднее значение, среднее
квадратическое значение (СКЗ), дисперсия, фаза, час-
тот?.. коэффициент амплитуды, коэффициент формы
и коэффициент гармоник; в частотной области —
спектр, энергетический спектр, спектральная плот-
ность и др. СКЗ является одним из наиболее важных
параметров, т.к. оно непосредственно связано с энер-
гией и, следовательно, с разрушающей способностью
измеряемой вибрации. Промышленные виброизме-
ритсльные приборы градуируются в СКЗ измеряемой
величины. Дисперсия характеризует рассеяние воз-
можных значений вибрации относительно среднего
значения. Этот параметр используется в основном
при измерениях случайной вибрации. Широко при-
меняются параметры, характеризующие форму виб-
рационного процесса, — коэффициент амплитуды и
коэффициент гармоник. Коэффициент амплитуды —
это отношение пикового (амплитудного) значения и
СКЗ измеряемой величины: Для сину-
соидальной вибрации Ка =1,414. Чем больше импульс-
ный характер вибрации, тем больше ее коэффициент
амплитуды. Коэффициент гармоник определяет сте-
пень искажений измеряемой синусоидальной вибра-
ции. Он выражается в виде
Jfx
Кг=-^-----100%’
*1
где Х{ и X, - соответственно амплитуды колеба-
ний на частоте i -ой и Гой гармоник.
2. Современные средства измерений парамет-
ров вибраций. Выше уже говорилось, что первыми
виброизмерительными приборами были приборы
инерционного действия с механической и оптико-фо-
тографической фиксацией результата измерения.
Однако внедрение в реальную практику электромаг-
нетизма и пьезоэлектричества привело к тому, что в
30-40 гг. XX в. наступает новый этап в развитии виб-
рометрии — появляется много различных приборов,
преобразующих механические колебания в электри-
ческие. В них применяются достижения электроизме-
рительной техники, электроакустики и электроники.
Они вытесняют остальные системы. Наиболее полно
результаты, достигнутые в этой области в середине
XX в., изложены в фундаментальной работе проф.
Ю.И. Иориша „Виброметрия" (1963 г.).
К концу XX в. техника измерений параметров виб-
рации шагнула еще да тыле вперед - она стала компь-
ютеризированной. Созданы высокоэффективные
вибродиагностические измерительные системы
(ИС). Современные средства измерений параметров
вибрации обеспечивают измерения виброперемеще-
ний от долей микрометра до метра, виброскорости —
от десятитысячных долей до нескольких единиц
м/с, виброускорений — от тысячных долей до десят-
ков тысяч м/с2.
Провести полную классификацию современных
средст в измерения параметров вибрации практически
невозможно из-за их многообразия по конструктивным
особенностям, по назначению, по принципу действия,
по сфере применения, по рабочим частотным и ампли-
тудным диапазонам, ио механической связи с объекта-
ми и т.д. Поэтому приведем упрощенную классифика-
цию средств измерений параметров вибраций (4) и ко-
ротко охарактеризуем некоторые из них.
Датчики вибрации могут быть классифицированы:
— по назначению — на датчики виброперемеще-
ния, виброскорости, виброускорения, вибромощно-
сти, вибросилы и т.д.;
— по отношению к инерциальной системе отсчета
— па датчики абсолютной и относительной вибрации;
— по принципу преобразования механических коле-
баний в электрические — на датчики генераторные, па-
раметрические и датчики с промежуточным преобра
зованием в колебания другого физического характера;
— по используемому для измерения физическому
явлению — на датчики механические, оптические, ин-
терференционные, волновые, пьезоэлектрические,
индуктивные, магнитоэлектрические, электродина-
мические, емкостные, токовихревые, трансформа-
торные, и т.д.;
— по числу компонентов измеряемых векторных
величин — на датчики однокомпонентные, двухком-
понентные и трехкомпонентные;
305
— по механической связи с объектом измерения —
на датчики контактные и бесконтактные;
— по используемому принципу измерения — на дат-
чики кинематического и динамического принципа из-
мерения и т.д.
Наибольшее применение получили в настоящее
время пьезоэлектрические вибродатчики. Обладая от-
носительно малыми габаритами и весом, они практи-
чески не оказывают влияние на объекты, вибрацию
которых надо измерить. Большая стабильность во вре-
мени применяемых в них пьезоматериалов, широкий
температурный, амплитудный и частотный диапазо-
ны, в которых могут работать пьезоэлектрические
вибродатчики, сделали их незаменимыми при реше-
нии многих технических задач. Основным недостат-
ком таких датчиков является высокое выходное со-
противление, что предъявляет особые требования к
входному тракту усилительного канала. В зависимо-
сти от измеряемых частотных и амплитудных диапа-
зонов погрешность пьезоэлектрических датчиков ко-
леблется от 1 % до 20 %.
Наиболее точными являются средства измерений
параметров вибрации, построенные на базе лазерных
интерферометров. Совершенствование лазерной тех-
ники позволяет создавать в настоящее время компакт-
ные высокоточные средства измерений параметров
вибраций, работающие в широких амплитудных и час-
тотных диапазонах. Применение лазерных интерфе-
рометров для измерения малых амплитуд вибропере-
мещений (единиц долей микрометра) ограничивает-
ся их разрешающей способностью, для повышения
которой применяют самые различные методы (много-
ходовые интерферометры, модуляционные, фазовые,
поляризационные и т.д.). Погрешность лазерных ин-
терферометров при измерении виброперемещения и
виброскорости колеблется от нескольких десятых до-
лей до нескольких процентов.
Большое и все более возрастающее применение
находят сейчас емкостные и вихретоковые датчики
вибраций. Это относительно дешевые и простые по
конструкции и в эксплуатации датчики. Они могут ра-
ботать в широких диапазонах частот и амплитуд. Сле-
дует, однако, учесть, что на результаты измерений с
помощью вихретоковых и емкостных датчиков влия-
ют внешние электрические и магнитные поля, поэто-
му для получения погрешности менее 5 % требуется
дополнительная экранировка датчиков.
3. Вибростенды. Вибростенды применяются как
для испытаний изделий на вибропрочность и вибро-
устойчивость, так и для воспроизведения вибрацион-
ных параметров в метрологической практике. По спо-
собу возбуждения переменной силы в возбудителе ме-
ханических колебаний они могут быть механические,
электромагнитные, электродинамические, электро-
стрикционные, гидравлические, магнитогидравличе-
ские, магнитогидродинамические [5].
Механические, гидравлические, магнитогидравли-
ческие, магнитогидродинамические вибростенды при-
меняются при испытаниях на вибропрочность и виб-
роустойчивость крупногабарит ных изделий большой
массы (до нескольких тонн). Они обладают достаточ-
но большой мощностью (до 100 кВт), что позволяет по-
лучать максимальное ускорение на столе вибростенда
до 300 м/с2 в частотном диапазоне от 0,1 Гц до 200 Гц.
Электродинамические вибростенды применяются
и для испытаний, и в метрологической практике. Они
обладают широким диапазоном воспроизводимых
частот (до 20 кГц), амплитуд виброускорений (до не-
скольких тысяч м/с2), достаточно большой выталки-
вающей силой (до 150 кН). Существенным преимуще-
ством электродинамических вибростендов является
возможность воспроизведения колебаний с высокой
степенью однонаправленности и синусоидальности.
Именно эти преимущества позволяют использовать
электродинамические вибростенды в метрологиче-
ской практике для задания параметров вибраций. Так,
поперечные колебания стола электродинамического
вибростенда и коэффициент гармоник могут быть
уменьшены до единиц процента.
Электрострикционные и электромагнитные виб-
ростенды позволяют развивать высокие уровни виб-
роускорений (до 50000 м/с2) на резонансных часто-
тах и, в основном, применяются для испытаний изде-
лий, в том числе и для испытаний вибродатчиков на
прочность.
Система метрологического обеспечения
средств измерения параметров вибраций
Разработанная в нашей стране система метрологи-
ческого обеспечения средств измерения параметров
вибраций включает в себя нормативную базу, методы
и средства поверки, эталонную базу страны, широкую
сеть территориальных органов, осуществляющих пе-
редачу размера единицы рабочим средствам измере-
ний.
1. Методы поверки и калибровки вибродатчи-
ков. Для передачи размера единицы средствам изме-
рения параметров вибраций в основном используют-
ся три метода: метод непосредственного сличения,
интерференционный и метод взаимности.
Метод непосредственного сличения является
наиболее распространенным методом передачи разме-
ра единицы рабочим средствам измерения. Он прост
в эксплуатации, надежен, относительно малы затраты
на проведение работ. Методом непосредственного сли-
чения производится передача размера единицы от эта-
лонного вибродатчика с нормированными метрологи-
ческими характеристиками поверяемому или калиб-
руемому датчику при одновременном воздействии на
них однонаправленного близкого к синусоидальному
колебания. Амплитуда синусоидального колебания оп-
ределяется по эталонному датчику. Для удобства в экс-
плуатации датчики, которые могут применяться и при-
меняются в качестве эталонных, имеют два резьбовых
отверстия. Одно резьбовое отверстие служит для кре-
пления эталонного датчика к столу вибростенда, а вто-
рое — для установки на нем сверху рабочего вибродат-
чика. При этом, в конструкции эталонного датчика пье-
зопластины и инерционная масса крепятся не к
нижней части корпуса, а к верхней. Таким образом,
практически снижается влияние на точность переда-
чи размера единицы жесткостных свойств корпуса эта;
лонного датчика. Пьезопластины изготавливаются из
кварца или высокостабильной пьзокерамики. Конеч-
но, такой метод передачи размера единицы удобен не
всегда. Если масса поверяемого или калибруемого дат-
чика больше массы эталонного, то установка его свер-
ху приводит к увеличению погрешности передачи
306
размера единицы, особенно резко в области частот вы-
ше нескольких кГц. В этом случае необходимо их кре-
пить рядом или соосно с двух сторон вибрирующего
стола, что приводит к появлению еще одной переход-
ной жесткости. Погрешность при непосредственном
сличении не превышает 1 % в области частот до 5 кГц
и определяется, в основном, жесткостными свойства-
ми резьбовых креплений и контактирующих поверх-
ностей, а также погрешностями приборов, измеряю-
щих электрические сигналы, получаемые с выходов
предварительных усилителей. С ростом частоты эта
составляющая погрешности возрастает.
Наиболее точным методом передачи размеров
единиц параметров вибраций является интерферен-
ционный. Как правило, применяются лазерные ин-
терферометры, с помощью которых определяется ам-
плитуда виброперемещения, в некоторых конструк-
циях — амплитуда виброскорости. Разрешающая
способность простейшего двухлучевого лазерного ин-
терферометра й/2 ~ 0,315 мкм (X— длина волны из-
лучения лазерного источника света), что является ог-
раничением при его использовании, т.к. на высоких
частотах амплитуды колебания стола вибростенда мо-
гут быть соизмеримы с разрешающей способностью
интерферометра, и возрастает погрешность кванто-
вания. Если измеряемая амплитуда виброперемеще-
ния, разрешающей способности интерферометра, то
погрешность определения метрологических характе-
ристик вибродатчиков не превышает 0,5 %. Для
повышения разрешающей способности применяют
многолучевые интерферометры, многоходовые, мо-
дулируют опорный луч, определяют амплитуду вибро-
перемещения с помощью узкополосных фильтров по
нулям функции Бесселя и т.д. Погрешность у таких ин-
терферометров (кроме многоходовых) возрастает до
нескольких процентов. При поверке или калибровке
с помощью лазерного интерферометра на подвижное
основание вибростенда устанавливают поверяемый
или калибруемый вибродатчик, на верхней плоскости
которого крепят отражающую поверхность для изме-
рительного луча интерферометра. С помощью интер-
ферометра определяют амплитуду задаваемого вибро-
перемещения (или виброскорости), измеряя при этом
выходной сигнал с вибродатчика, после чего опреде-
ляется коэффициент преобразования вибродатчика
(иногда определяется коэффициент преобразования
тракта „датчик — усилительный канал").
Наиболее сложный и громоздкий метод передачи
размера единицы является метод взаимности. В на-
стоящее время он применяется сравнительно редко.
В качестве обратимого датчика могут использовать-
ся как катушка индуктивности в электродинамиче-
ском вибростенде, так и пьезоэлектрический датчик.
Рассмотрим применение метода взаимности на при-
мере определения коэффициента преобразования
пьезоэлектрического датчика.
Основой применения метода является теорема
взаимности, которая при использовании обратимого
датчика может быть сформулирована следующим об-
разом: при отсутствии потерь в электрической и ме-
ханической цепях в режиме холостого хода (без на-
грузки) выходное напряжение датчика при воздейст-
вии на него динамической скорости эквивалентно
току, который потребовалось бы создать, чтобы по-
лучить единицу динамической силы тем же датчиком,
если бы он использовался в качестве генератора ко-
лебаний. При поверке или калибровке проводятся
три эксперимента с известной массой д/ и без нее
[1]. В первом эксперименте поверяемый или калиб-
руемый датчик подвергается воздействию вибрации
частотой f одновременно с взаимным датчиком. Оп-
ип
ределяется отношение выходных сигналов „ . Во
и в
второй серии экспериментов возбуждается взаимный
датчик измеренным значением тока частотой f , и оп-
ределяется отношение значения этого тока к выход-
ному сигналу поверяемого или калибруемого датчика
с прикрепленной между двумя датчиками массой
А
и без нее гг> . Коэффициент преобразования пове-
ряемого или калибруемого датчика определяется по
формуле:
^2_U„ jM
где й) = 2 л/' , j = V-T. Для получения зависимости
коэффициента преобразования от частоты необходи-
мо изменить значение частоты и провести две серии
экспериментов снова. Погрешность определения ко-
эффициента преобразования методом взаимности не
менее 1 %.
Для задания параметров вибраций применяют
обычно электродинамические вибростенды с повы-
шенными метрологическими характеристиками. Так,
например, поперечное движение вибросгола рабочего
эталона не должно превышать 8 %, а коэффициент гар-
моник воспроизводимого синусоидального движения
должен быть не более 5 %. Для уменьшения влияющих
факторов в виде сейсмических помех, а также для уве-
личения амплитуды колебаний применяют воздушное
взвешивание подвижной части вибростенда. Для цен-
трирования подвижной части вибростенда применяют
механические пружины или электрические методы.
2. Состояние нормативной документации. В на-
стоящее время в области вибраций в РФ действуют
нормативные документы (НД) нескольких уровней:
международные стандарты (стандарты ИСО и МЭК,
внедренные практически без изменений), межгосу-
дарственные (ГОСТы), национальные (ГОСТы Р и
другие отечественные НД). Все нормативные доку-
менты можно условно разделить на метрологические,
НД, регламентирующие уровень вибрации машин и
механизмов самого различного назначения, и НД, рег-
ламентирующие воздействие вибрации машин и ме-
ханизмов на человека.. В каждой из этих сфер разра-
ботано и действует большое количество НД, все их
рассмотреть и проанализировать чрезвычайно труд-
но. По этой причине коротко остановимся только на
НД метрологического направления.
- 307
Основные понятия, термины и определения, уста-
новлены в стандартах: ИСО 2041-90 „Вибрация и удар.
Словарь”, ИСО 1925-90 „Механическая вибрация. Ба-
лансировка. Словарь”, ИСО 5805-81 „Механическая
вибрация и удар. Воздействие на человека. Словарь”,
ГОСТ 24346-80 „Вибрация. Термины и определения”,
ГОСТ 16819-71 „Приборы виброизмерительные. Тер-
мины и определения”. В стандартах ИСО 2041-90 и
ГОСТ 24346-80 сформулированы наиболее общие по-
нятия (такие, как вибрация, ее виды, параметры) и оп-
ределены термины, относящиеся к более широкой об-
ласти общей теории колебания. В стандартах
ИСО 1925-90, ИСО 5805-81, ГОСТ 16819-71 и
ГОСТ 16821-91 установлены частные понятия, тер ми-
ны и определения, связанные с принципом и воспро-
изведением параметров вибрации как общепромыш-
ленного применения, так и в конкретных областях
народного хозяйства. ГОСТ 25-051.3-83 в части терми-
нологии является развитием ГОСТ 24346-80. В нем ре-
комендуются термины и определения в области виб-
рационных установок, их точностных характеристик,
режимов воспроизведения и их погрешностей.
Особо следует остановиться на стандартах ИСО.
В 1999 г. на территории РФ действуют уже около
80 стандартов ИСО, устанавливающих требования,
нормы, методы измерений и калибровки средств виб-
роизмерений, используемые в различных областях на-
родного хозяйства. Среди них следует выделить
20 частей стандарта ИСО 5347, регламентирующего
практически все применяемые в мировой практике
методы калибровки датчиков вибрации и удара. При
этом, большое внимание уделено определению влияю-
щих на погрешность датчика факторов, таких как по-
перечная чувствительность, деформационная, термо-
чувствительность, чувствительность к магнитному по-
лю, крутящему моменту и т.д. Россия принимает
активное участие в международных работах в облас-
ти измерений параметров вибрации, проводимых по
линии Международной организации по стандартиза-
ции ИСО, членом которой является Россия. Сотруд-
ничество осуществляется в рамках технического ко-
митета ИСО ТК 108 „Вибрация и удар”.
Проведение и координацию работ в РФ по между-
народной сертификации в области вибрации осущест-
вляет технический комитет ТК 183 „Вибрация и удар”,
который организован при Научно-исследовательском
центре контроля и диагностики технических систем.
Он же осуществляет сотрудничество с международным
техническим комитетом ИСО ТК 108 „Вибрация и
удар”. В настоящее время в РФ существуют практиче-
ски все требуемые д ля практической деятельности НД
в области виброметрии, но многие из них требуют
переработки с целью приведения их к современному
уровню. В ближайшие годы должны быть перерабо-
таны НД на методы и средства поверки средств изме-
рения параметров вибрации (МИ 1873-88, МИ 2070-
90 и др.).
3. Государственный специальный эталон единиц
длины, скорости и ускорения при колебательном дви-
жении твердого тела в диапазоне частот 3-101-! -104 Гц
(далее — ГСЭ) переутвержден Госстандартом СССР в
1990 г. Параметры ГСЭ регламентированы МИ 2070-
90 „Государственная поверочная схема для средств из-
мерения виброперемещения, виброскорости и виб-
роускорения в диапазоне частот З-Ю’-ЫО4 Гц”. Диа-
пазон значений виброперемещений, воспроизводи-
мых ГСЭ, составляет 1-10'7-110‘2м, виброскоростей —
1-104-1-10’1м/с, виброускорений — 1-10’3-1-103 м/с2.
Среднее квадратическое отклонение результата изме-
рения воспроизводимых параметров не превышает
1-10’3, а неисключенная систематическая погрешность
находится в диапазоне б-ПН-ЫО3.
Для воспроизведения высокоточного однонаправ-
ленного синусоидального колебательного движения
в ГСЭ применяются два вибратора с электродинами-
ческим принципом задания колебаний. Высокочас-
тотный вибратор служит для воспроизведения коле-
бания в диапазоне частот от 5 Гц до 1-Ю4 Гц, а низко-
частотный, подвижная платформа которого взвешена
магнитным полем, служит для воспроизведения коле-
баний в диапазоне от 3-101 Гц до 10 Гц. Для измерения
колебаний высокочастотного вибратора использует-
ся лазерный интерферометр с разрешающей способ-
ностью /^4 (Х=0,6.328 мкм). В низкочастотном вибра-
торе применена специальная фотооптическая систе-
ма измерений виброперемещений с разрешающей
способностью 10 мкм.
ГСЭ применяют для передачи размеров единиц
длины скорости и ускорения при колебательном дви-
жении твердого тела рабочим эталонам методом пря-
мых измерений и сличением при помощи компарато-
ра. Для международных сличений и сличений с рабо-
чими эталонами единиц длины, скорости и ускорения
при колебательном движении твердого тела использу-
ется эталон сравнения, который по составу аналоги-
чен компаратору. В качестве эталона сравнения при-
меняют лазерный интерферометр с измерительной
системой в диапазоне измерений виброперемещений
Ы0'6-1-103м в диапазоне частот 5-1000 Гц или вибро-
измерительный преобразователь с согласующим уси-
лителем и вольтметром в диапазоне измерений виброу-
скорения 5-100 м/с2 в диапазоне частот 5-5000 Гц. До-
верительные границы относительной погрешности
при доверительной вероятности 0,99 эталона сравне-
ния в составе лазерного интерферометра с измери-
тельной системой составляет от 2-10’3до 5-10'3, а этало-
на сравнения в составе виброизмерительного преоб-
разователя ускорения с согласующим усилителем и
вольтметром — от 3-10‘3до 1-1 О'2.
ГСЭ параметров вибраций является одним из пер-
вых эталонов в области измерения параметров движе-
ния, утвержденных в качестве государственного. В
1975 г. он был впервые утвержден в качестве государ-
ственного (ГОСТ 8.138-75). А в 1984 г. и в 1990 г. эта-
лон переутверждался. Как правило, к моментам утвер-
ждения и переутверждения ГСЭ по техническим и мет-
рологическим характеристикам соответствовал
мировому уровню, а по некоторым характеристикам
даже превосходил. В настоящий момент проводится
модернизация ГСЭ и в ближайшие годы должно быть
проведено его переутверждение. Следует отметить,
что в процессе проведения работ по совершенствова-
нию ГСЭ рассматривались и отрабатывались различ-
ные варианты задания и измерения параметров виб-
раций. Так, например, наряду с совершенствованием
традиционных электродинамических вибраторов с
вертикальным направлением движения подвижной
308
платформы, несколько поколений метрологов разра-
батывало и совершенствовало вибраторы с горизон-
тальным движением подвижной части, взвешивание
которой осуществлялось с помощью магнитной и воз-
душной подушки. Это позволяет воспроизводить пара-
метры вибраций в области частот менее 0,1 Гц. Совер-
шенствовались и измерительные системы. Уже в 70-
х гг. ГСЭ был оснащен лазерным интерферометром с
однонаправленным счетом полос (/=0,6328 мкм). В на-
стоящее время требуется повышение разрешающей
способности измерительной системы для снижения
погрешности квантования. Это позволит, не снижая
точности ГСЭ, расширить его воспроизводимый час-
тотный и амплитудный диапазоны. В работе по созда-
нию и совершенствованию ГСЭ принимали в разные
годы лучшие специалисты метрологи ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева В.С. Шкаликов (первый ученый
хранитель ГСЭ), А.Ф. Бордиловский, А.Н. Грибов,
С.В. Орлов, М.Б. Скрипников, В.В. Аверкин, В.Л. Фе-
дорин, В.Л. Шур.
Возглавляя государственную поверочную схему,
ГСЭ параметров вибраций успешно выполнял и выпол-
няет свою головную роль в Российской Федерации. Не
менее 50 поверок рабочих эталонов и рабочих средств
измерений, 6-10 испытаний средств измерений с це-
лью утверждения типа в год осуществляется на ГСЭ.
Гарантией метрологической надежности ГСЭ являют-
ся международные сличения и сличения, проводимые
в рамках обеспечения единства измерений параметров
вибраций в стране с однотипными эталонами единиц
длины, скорости и ускорения (например, рабочий эта-
лон, находящийся во ВНИИМС, г. Москва). Последние
международные сличения ГСЭ проводились в 1988-
1989 гг, [16]. В сличениях принимали участие страны-
члены СЭВ - ГДР, ПНР, ЧССР, НРБ, ВНР и СССР. Сли-
чения показали высокую степень совпадения получен-
ных на эталонах разных стран результатов, особенно
это характерно для эталонов, в которых применялись
в качестве средства измерений параметров вибраций
лазерные.
4. Государственная поверочная схема. В Государ-
ственной поверочной схеме для средств измерений па-
раметров вибраций (МИ 2070-90) предусмотрена час-
тичная децентрализация воспроизведения размеров
единиц длины, скорости и ускорения при колебатель-
ном движении. С помощью высокоточных средств из-
мерения времени и длины (лазерных интерферомет-
ров) воспроизводятся параметры вибраций как на
ГСЭ, так и на рабочем эталоне единиц длины, скоро-
сти и ускорения при колебательном движении твердо-
го тела (ВНИИМС, г. Москва). Доверительные грани-
цы погрешности этого рабочего эталона при довери-
тельной вероятности 0,99 находятся в диапазоне 3-10’3-
5-10‘2. От рабочего эталона единиц длины, скорости и
ускорения и ГСЭ размеры единиц передаются рабочим
эталонам 1 и 2-го разрядов, находящимся в террито-
риальных органах Госстандарта и на предприятиях
страны, которые разрабатывают и выпускают вибро-
измерители. Доверительные границы погрешности та-
ких рабочих эталонов при доверительной вероятно-
сти 0,99 находятся в пределах от 5-10'3до 1-10‘2в диапа-
зоне частот до 1-103 Гц, в более широких диапазонах
частот средства измерений, применяемые для повер-
ки и калибровки, имеют погрешность до 1-101. В на-
стоящее время осуществляют поверку средств измере-
ний параметров вибраций 19 метрологических цен-
тров Госстандарта России. Рабочие средства измере-
ний имеют погрешность при доверительной вероят-
ности 0,95 от 1 % до 20 % в зависимости от измеряемых
диапазонов частот и амплитуд.
Кроме перечисленных в данном разделе ученых
большой вклад в становление и развитие современ-
ной системы метрологического обеспечения в облас-
ти измерения параметров вибрации внесли П.Н. Ага-
лецкий, В.Я. Бараш, В.И. Петрович, А.Е. Манохин,
Р.В. Васильева, В.И. Степанов.
Литература:
1. Иориш Ю.И. Виброметрия. — М.: Машгиз, 1963.
2. Гик Л.Д. Измерение вибраций. — Новосибирск: Нау-
ка, сибирское отделение, 1972.
3. Шкаликов В.С., Пеллинец В.С., Исакович Е.Г., Цы-
ган Н.Я. Измерение параметров вибрации и удара. — М.: Изд.
стандартов, 1980.
4. Вибрация в технике. Справочник в 6 т. Измерения и
испытания, т. 5., под. ред. д.т.н., проф. Генкина М.Д. — М.:
Машиностроение, 1981.
5. Приборы и системы измерения вибрации, шума и уда-
ра. Справочник в 2 т. Под ред. д.т.н., проф. В.В. Клюева. —
М.: Машиностроение, 1978.
6. Брох Е.Т. Применение измерительных систем фирмы
„Брюль и Къер“ для измерения механических колебаний и
ударов. — Себорг: К. Ларсен, 1971.
7. Агалецкий П.Н., Бараш В.Я. и др. Образцовая перенос-
ная виброметрическая аппаратура для измерений виброуско-
рений 0,5-100 g в частотном диапазоне 10-5001Ц и виброс-
мещений 0,01-5 мм в диапазоне 20-1500 Гц. Новые изме-
рительные приборы и методы их поверки. — М.: Изд.
стандартов, 1963. - вып. 16.
8. Бараш В.Я. О поперечной чувствительности пьезо-
электрических акселерометрических датчиков // Измери-
тельная техника. - 1964. — № 11.
9. Бараш В.Я., Застрогин Ю.Ф. Измерение фазы механи-
ческих колебаний интерференционными методами метро-
логии // Измерительная техника. — 1977. — № 1.
10. Бараш В.Я., Федотова Г.В. Тетеродинный интерферо-
метр для измерения параметров вибрации // Измеритель-
ная техника. — 1984. — № 1.
И. Бараш В.Я., Пресняков Г.С. и др. Рабочий эталон еди-
ниц длины, скорости и ускорения при колебательном дви-
жении твердого тела // Измерительная техника. — 1988. —
№ 4.
12. Балалаев В.А., Манохин А.Е., Смирнов В.Я. Состоя-
ние и перспектива развития метрологического обеспечения
измерений параметров вибраций. Обзорная конференция.
Сер. „Метрологическое обеспечение измерений". — М.:
ВНИИКИ, 1991. - вып. 2.
13. Манохин А.Е. Метрологическое обеспечение измере-
ния основных параметров вибрации / / Законодательная и
прикладная метрология. — М., 1992. — № 2.
14. Манохин А.Е. Опыт государственных испытаний но-
вой измерительной техники // Метрология. — М.: Изд. стан-
дартов, 1991.
15. Accelerometer calibration for accurate Vibration
Measurements/ Bruel ( Kjaer. 1981.
16. Балалаев В.А., Смирнов В.Я. Результаты сличений на-
циональных эталонов параметров вибраций стран-членов
СЭВ // Измерительная техника. — 1990. — № 1. — С. 67-68.
17. Фролов К.В. Вибрация — друг или враг? — М.: Наука,
1984.
19. Блехман И.И. Что может вибрация? —М.: Наука, 1988.
В.Я. Бараш, А.Е. Манохин, В.Я. Смирнов
309
Измерение постоянных и низкочастотных
линейных ускорений
Работы в области постоянных и низкочастотных
линейных ускорений восходят к трудам Галилея,
Ньютона, Гюйгенса. В первом десятилетии XXII в.
Галилеем был сформулирован закон падения тел,
исследованы законы движения падающих тел и зако-
ны качания маятника. Развивая эти исследования,
Гюйгенс создал завершенную теорию колебаний фи-
зического маятника, вывел в 1659 г. формулу, связы-
вающую период качания математического маятника
с его дайной, впервые предложил определятьускоре
ние свободного падения по периоду качаний маятни-
ка и его длине.
Серия экспериментальных исследований М.В, Ло-
моносова была посвящена наблюдением над колеба
ниями маятника (точнее, отвеса). Эти работы наряду
с работами французских ученых стали исходным
пунктом в развитии важных для акселерометрии
исследований по определению направления отвесной
линии или положения горизонтальной плоскости.
Дальнейшие работы в области измерений ускорения
были связаны, главным образом, с определением раз-
личными методами ускорения свободного падения.
Работы по созданию средств измерений л инейных
ускорений в широком диапазоне значений, амплитуд,
частот относятся к началу XX в., они были связаны, в
первую очередь, с развитием авиационной техники.
Первые приборы использовались для определения ус
корения („перегрузки"), действующего на пилота в
процессе полета, в дальнейшем они применялись для
измерения ускорений, действующих на движущиеся
объекты, узлы и элементы конструкций в процессе ис-
пытаний и т.п.
Следующей важной вехой в развитии акселеромет-
рии стал предложенный в 1923 г. М. Шулером прин-
ципом построения физического невозмущаемого
(земного) маятника, с периодом 84,3 мин., соот-
ветствующим периоду математического маятника с
дайной, равной радиусу Земли. Подобный маятник
был положен в основу широко применяющихся в
настоящее время систем инерциальной навигации.
Реализация подобных систем с целью решения
конкретных практических задач потребовала, в
частности, создания высокоточных и высокочувстви-
тельных линейных акселерометров.
Развитие ракетно-космической и авиационной
техники, азатем и атомного подводного флота насто-
ятельно потребовали создания подобных систем для
решения навигационных задач, разработки новых ти-
пов акселерометров для измерения параметров дви-
жения различных движущихся с большими скоростя-
ми и ускорениями объектов. Эти работы были нача-
ты в 40-х, 50-х гг. Работы последних десятилетий при-
вели к созданию значительной группы высокоточных
акселерометров, метрологические характеристики
которых близки к предельно достижимым при совре-
менном научно-технологическом уровне.
Следующие два направления развития акселеро-
метрии связаны с широким практическим использо-
ванием космических летательных аппаратов (КЛА).
Возможность проводить на борту Ю1А экспери-
менты (а в дальнейшем и производство) по созданию
новых материалов и разработке новых технологичес-
ких процессов в состоянии невесомости связана с
необходимостью использования для контроля их про-
ведения сверхчувствительных акселерометров. Сегод-
ня используется ограниченное количество приборов
подобного типа, однако перспективы их дальнейше-
го широкого применения — несомненны.
Появление новых высокоточных спутниковых на-
вигационных систем (например, на основе датчиков
GPS и ГЛОНАСС) привело к созданию комбинирован-
ных навигационных систем, позволяющих осу-
ществлять коррекцию показаний. В этом случае
существенно с н ижаются требования к точности нави-
гационных акселерометров. На первый план начина-
ют выступать соображения малых габаритов и веса,
низкой стоимости. Это уже сегодня привело к созда-
нию первых микромеханических акселеромел ров.
удовлетворяющих этим требованиям. Не вызывает
сомнений, что в дальнейшем эти приборы станут ос
новной (по массовости) группой выпускаемых про-
мышленностью низкочастотных акселерометров.
Методы и средства измерения
Измерение ускорения с помощью относительных
акселерометров сводится к измерению линейных пе
ремещений или скорости с последующим однократ-
ным или двойным дифференцированием соответству-
ющего сигнала. В качестве основного элемента
средства измерения используются преобразователи
линейного перемещения в электрический сигнал (ем-
костные, индуктивные, оптоэлектронные преобразо-
ватели, интерферометры и др.), линейной скорости в
электрический сигнал (обычно индукционные).
Основной группой линейных акселерометров яв-
ляются приборы инерционного типа. Принцип
действия подобных приборов основан на измерении
инерционной силы р , приложенной к чувствительно-
му элементу прибора, находящемуся в поле инерцион-
ного ускорения „ а “. Инерционная сила, пропорци-
ональная ускорению ( Р = та), преобразуется затем в
310
другую физическую величину, подлежащую измере-
нию. В процессе калибровки или поверки акселеромет-
ра устанавливается связь между этой величиной и ус-
корением.
По характеру перемещения чувствительного эле-
мента акселерометры делятся на приборы:
— с прямолинейными перемещениями (осевые);
— с угловыми перемещениями маятниковыми).
По характеру преобразования измеряемой вели-
чины они делятся на приборы:
— с прямым преобразованием,
— с уравновешивающим преобразованием (ком-
пенсационные).
Кроме того, существует группа приборов, прин-
ципиальная схема которых позволяет осуществлять
однократное или двукратное интегрирование изме-
ряемого ускорения (интегрирующие и дважды ин-
тегрирующие акселерометры). Основное примене-
ние нашли интегрирующие акселерометры.
В простейшем акселерометре прямого преобразо-
вания с линейным перемещением чувствительного
элемента инерционная сила с помощью пружины
преобразуется в перемещение (х = та/с , где „ с “ —
жесткость пружины), которое с помощью преобразо-
вателя (индуктивного, емкостного и др.) преобразу-
ется в электрический сигнал. Движение чувстви-
тельного элемента прибора описывается в прос-
тейшем случае линейным дифференцированным
уравнением второго порядка с постоянными коэф-
фициентами
тх + hx + сх - та или х + 2Л* + af -а , (1)
где h — коэффициент демпфирования; S=h/2m
— степень успокоения; <УС = ^с/т — частот собствен-
ных колебаний.
Амплитудно-частотная и фазочастотная характе-
ристики прибора в безразмерном виде описываются
выражениями
где
га"—частота вынуждающей силы; (0 —
фазовый сдвиг. Условием достижений малых динами-
ческих погрешностей является близость Дх) к еди-
нице, что соответствует z «1, т.е. случаю, когда час-
тота вынуждающей силы значительно выше частоты
собственных колебаний. Это условие требует приме-
нения пружин достаточно большой жесткости, что, в
свою очередь, ведет к низкой чувствительности аксе-
лерометра и значительной погрешности. Поэтому
приборы этого типа применяются в системах контро-
ля параметров движения, где не требуется высокой
точности измерения.
В большинстве применяемых в настоящее время ак-
селерометров используется принцип уравновешива-
ющего преобразования. В этом случае противодейству-
ющая сила Fnf =смх, приложенная к чувствительному
элементу, вырабатывается электрически путем преоб-
разования перемещения чувствительного элемента в
электрический сигнал, последующего его усиления и
подачи усиленного сигнала на вход датчика силы (ча-
ще всего магнитоэлектрического). В этом случае зна-
чение „электрической жесткости" (см) определяется
произведенным коэффициентом, входящих в систему
элементов для задания противодействующей силы. Как
известно, погрешность приборов с силовым уравнове-
шиванием определяется в основном погрешностью
элемента, вырабатывающего противодействующую си-
лу. Отказ от использования механических пружин,
которые выполняют также роль направляющего эле-
мента потребовал введения в состав приборов узлов,
обеспечивающих однонаправленность движения
чувствительного элемента. В наиболее точных прибо-
рах осуществляется взвешивание чувствительного эле-
мента в вязкой жидкости, что позволяет существенно
снизить силы трения по осям подвеса и, соответствен-
но, порог чувствительности прибора. Конструктивно
это удобнее выполнить в маятниковых акселеромет-
рах, которые наиболее широко используются в инер-
циальных навигационных системах. Среди этих при-
боров следует отметить нашедшие широкое примене-
ние маятниковые интегрирующие акселерометры
(гироинтеграторы ускорений).
Другие типы акселерометров, в первую очередь
струнные и химотронные используются существенно
реже. В струнных акселерометрах чувствительный
элемент подвешен на струнах, частота колебания ко-
торых определяется растягивающей их инерционной
силой. По частоте колебаний струны или разности
частот двух струн подвески, судят о значении прило-
женного ускорения. Принцип действия химотронных
акселерометров изложен в статье „Сейсмометрия".
Попытки создания электронных акселерометров,
в которых в качестве чувствительного элемента ис-
пользуется поток заряженных частиц, не привели к
успешному результату.
Все более широко использующиеся в настоящее
время микромеханические акселерометры, которые
принципиально мало отличаются от приведенных вы-
ше типов акселерометров. Большинство из них отно-
сятся к приборам прямого преобразования ограни-
ченной точности, хотя уже появились первые типы
приборов с уравновешивающим преобразованием.
Основные метрологические характеристики
низкочастотных акселерометров:
1. Статическая градуировочная характеристика.
2. Погрешность в нормальных условиях примене-
ния прибора.
3. Порог чувствительности.
4. Динамические характеристики (обычно ампли-
тудно-частотная и фазочастотная).
5. Функции влияния.
6. Группы метрологических характеристик, учи-
тывающих векторный характер измеряемой величи-
ны и необходимых для правильной эксплуатации и по-
верки прибора:
— ориентация измерительной оси относительно
базовых элементов системы крепления и установки;
— положение центра масс чувствительного элемен-
та относительно тех же элементов;
— метрологические характеристики системы креп-
ления и установки.
311
Обеспечение единства в области измерения пос-
тоянных и низкочастотных линейных ускорений пот-
ребовало разработки методов и средств, обеспечива-
ющих определение приведенных характеристик,
включая эталоны соответствующих разрядов и пове-
рочные средства, а также разработки Государствен-
ных поверочных схем, регламентирующих порядок
передачи размера единицы от эталонов к рабочим
средствам измерений.
Методы воспроизведения постоянных и низко-
частотных линейных ускорений
Постоянные ускорения
В диапазоне ускорений до 1 g единственным ши-
роко используемым методом является метод поворо-
та акселерометра в гравитационном поле Земли, в ко-
тором вместо инерционного ускорения задается экви-
валентное ему гравитационное ускорение свободного
падения на Земле. Воспроизводимое при использова-
нии метода ускорение
а - g sin <р , (3)
где <р — угол поворота измерительной оси акселе-
рометра от ее положения в горизонтальной плоскос-
ти. Для повышения чувствительности метода ис-
пользуется его разновидность — метод двойного по-
ворота, когда платформа с установленным на ней
прибором сначала поворачивается на угол <р, а затем
на угол а относительно оси, перпендикулярной плос-
кости платформы. В этом случае ускорение
а = gsin ^sin а Применение метода двойного поворо-
та требует обеспечения высокой стабильности поло-
жения оси при повороте ее на угол а. Погрешность
воспроизведения ускорения при использовании ме-
тода включает следующие составляющие:
— погрешность определения положения горизон-
тальной плоскости и совмещения с этой плоскостью
измерительной оси акселерометра;
— погрешности задания и измерения углов <ртл а\
— погрешность, вызванная влиянием поперечно-
го ускорения;
Погрешностью определения значения g при сов-
ременном уровне точности абсолютных баллистичес-
ких гравиметров можно пренебречь.
В диапазоне ускорений свыше 1 g единственным
точным является метод воспроизведения постоянных
ускорений с помощью ротационной платформы
(центрифуги). Воспроизводимое платформой инер-
ционное центростремительное ускорение
ац =&R, (4)
где Q — постоянная угловая скорость платформы;
R — расстояние от оси вращения платформы до
центра масс чувствительного элемента акселерометра.
Метод линейно перемещающейся платформы (метод
„ракетной тележки“) требует создания линейных нап-
равляющих длиной до 10-15 км, не обеспечивает не-
обходимой точности и используется, главным образом,
для испытания инерциальных систем. Основным дос-
тоинством метода ротационной платформы является
возможность высокоточного воспроизведения посто-
янных ускорений с помощью ограниченной по разме-
рам установки. Однако решение этой задачи требует:
а) высокоточного воспроизведения угловой ско-
рости;
б) исключения „паразитных" сил и моментов (си-
лы сухого трения и т.п.) по оси подвеса ротационной
платформы;
в) измерения и учета теплового и деформацион-
ного удлинения радиуса платформы в процессе вра-
щения;
г) разработки специальных систем съема сигналов
с вращающейся платформы на неподвижное основа-
ние;
д) учета значения Кориолисова ускорения в месте
расположения ротационной платформы на враща-
ющейся Земле;
ж) учета погрешности поверки акселерометра,
вызванной неравномерностью поля ускорения вдоль
радиуса ротационной платформы.
Существенные трудности вызывает определение
расстояния от оси вращения ротационной платфор-
мы до центра масс чувствительного элемента акселе-
рометра, поскольку положение указанной оси и
особенно центра масс внутри соответствующих
конструктивных элементов известно с относительно
невысокой точностью.
Низкочастотные ускорения
Для воспроизведения низкочастотных и инфра-
низкочастотных линейных ускорений используются
пять основных методов:
1. Метод динамического гравитационного поля.
2. Метод линейно перемещающейся платформы.
3. Метод угловых колебаний платформы в грави-
тационном поле Земли.
4. Метод ротационной платформы с заданным
регулируемым направлением оси вращения (центри-
фуга с наклонной осью вращения).
5. Метод, в котором используется система рота-
ционных платформ с вертикальными осями вращения
(двойная центрифуга).
Первые три метода используются как для воспро-
изведения низкочастотных ускорений, так и для
воспроизведения параметров сейсмоколебаний и будут
рассмотрены в статье, посвященной сейсмометрии.
Метод ротационной платформы с заданным
регулируемым направлением оси вращения
Схема центрифуги с наклонной осью вращения
представлена на рис. 1.
312
При вращении ротационной платформы с угловой
скоростью Q составляющая гравитационного уско-
рения по направлению измерительной оси акселеро-
метра
ап = g sin ^cos Qi, (5)
где У? — угол между вертикалью и осью вращения
платформы.
Если установить акселерометр на платформе так,
чтобы центр масс его чувствительного элемента на-
ходился на расстоянии „ г “ от оси вращения, то в
выражении для „ ап “ появляется постоянная состав-
ляющая (инерционное центростремительное ускоре-
ние:
ап = g sin £>cos Q t + Q2r . (6)
Для воспроизведения требуемого значения ампли-
туды ускорения устанавливают ротационную плат-
форму под определенным углом <р к вертикали.
Основным достоинством метода является возмож-
ность воспроизведения на низких и инфранизких час-
тотах значительных, но не превышающих 1 g , значе-
ний амплитуд. (Для сравнения, чтобы получить на час-
тоте 0,05 Гц амплитуду ускорения, равную 1 g ,
необходимо, чтобы амплитуда линейно перемеща-
ющейся платформы (линейного вибростенда или
сейсмостенда) была равна А = qj 2 = м).
Вторым достоинством центрифуг с наклонной осью
вращения является возможность повысить точность
воспроизведения амплитуды ускорения на 1-2 поряд-
ка по сравнению с наиболее точными вибростенда-
ми. Однако достижение такой точности требует вы-
полнения условий а), б), д), ж) к ротационной плат-
форме для воспроизведения постоянных линейных
ускорений, а также точного задания и измерения уг-
ла <р. Кроме того, необходимо учитывать наличие по-
перечного ускорения с той же амплитудой, что и
воспроизводимое, но сдвинутое относительно него по
фазе на 90°. Однако можно показать при определении
амплитудно-частотной и фазочастотной характерис-
тик, что для большинства исследуемых акселеромет-
ров вызванной поперечным ускорением погреш-
ностью можно пренебречь.
ла г . Тогда одновременно воспроизводится перемен-
ное и постоянное ускорения.
а0 = Q.2R cos са + r(Q + cof . (8)
Как и у центрифуги с наклонной осью вращения,
основным достоинством двойной центрифуги явля-
ется независимость амплитуды ускорения от его час-
тоты и, следовательно, возможность воспроизведе-
ния значительных амплитуд в диапазоне низких и
инфранизких частот. Однако здесь амплитуда ускоре-
ния не ограничена значением ускорения свободного
падения, а определяется значением угловой скорос-
ти ротационной платформы. Нетрудно показать, что
для обычного вибростенда (линейно перемещающа-
яся платформа), чтобы обеспечить воспроизведение
амплитуды ускорения порядка 300 м/с2 на частоте
0,5 Гц, необходима амплитуда перемещения порядка
300 м. Оба описанных метода взаимно дополняют друг
друга и позволяют осуществить воспроизведение с
достаточно высокой точностью значительных ампли-
туд гармонического ускорения в диапазоне низких и
инфранизких частот. Однако достижение этих ре-
зультатов требует выполнения как условий, перечис-
ленных для центрифуги с наклонной осью вращения
применительно уже к двум вращающимся платфор-
мам, так и необходимости решить задачу точного
воспроизведения ускорений в условиях, когда на по-
воротный стол действуют значительные центробеж-
ные усилия, достигающие 10000 Н и более.
Рассмотренные выше методы были использованы
при создании эталонной базы страны.
1Ьсударственные эталоны
Широкий комплекс работ по созданию системы
обеспечения единства измерений в рассматриваемой
области был развернут во ВНИИМ им. Д.И. Менделе-
ева в середине-конце 60-х гг. Специфика области изме-
рения наложила свой отпечаток как на методы постро-
ения Государственных поверочных схем, так и входя-
щих в них элементов. В соответствии с требованиями
народного хозяйства и вытекающими из них измери-
тельными задачами наибольшее применение нашли
две основные группы средств измерений: 1) приборы
максимально высокой точности, использующиеся,
главным образом, в навигационных системах изделий
ракетно-космической, авиационной, судостро-
Метод, в котором используется система ротаци-
онных платформ с вертикальными осями враще-
ния
Схема двойной центрифуги приведена на рис. 2.
На ротационной платформе, вращающейся с угло-
вой скоростью Q , установлен поворотный стол,
вращающийся с независимой от Q угловой скоростью
а. Расстояние между вертикальными осями обеих
платформ — R . Инерционное ускорение, направлен-
ное по измерительной оси исследуемого акселеромет-
ра
ап - Q2R cos ал . (7)
На рисунке показан случай, когда расстояние меж-
ду центром масс чувствительного элемента исследу-
емого прибора и осью вращения поворотного сто-
=---- - 313
и тельной техники и 2) приборы ограниченной точ нос-
ти. При создании приборов первой группы требова-
лось достижение максимально возможной точности
(погрешности сотые, тысячные доли процента), мак-
симально низких порога чувствительности и нижнего
предела измерений при ограниченных значениях мак-
симально измеряемых ускорений (300-400 м/с2). Пог-
решности приборов второй группы существенно вы-
ше (до нескольких десятых долей, единиц процентов),
но верхний предел измерений может достигать нес-
кольких тысяч м/с2. Промежуточные (по критерию
точности) группы средств измерений не нашли широ-
кого применения. Подобная специфика привела, с од-
ной стороны, к построению Государственных повероч-
ных схем с небольшим количеством разрядов, а, с дру-
гой, — к обеспечению поверки рабочих средств
измерений повышенной точности непосредственно на
Государственном эталоне.
К настоящему времени разработаны и продолжа-
ют разрабатываться три поколения эталонов и Госу-
дарственных поверочных схем.
Создание первого поколения завершилось в 1976 г
выпуском двух стандартов
ГОСТ 8.179-76 „Государственная система обеспече-
ния единства измерений. Государственный первич-
ный эталон и общесоюзная поверочная схема для
средств измерений постоянного линейного ускоре-
ния твердого тела в диапазоне 0,001-200 м/с2";
ГОСТ 8.138-75 „Государственная система обеспече-
ния единства измерений. 1осударственный специ-
альный эталон и общесоюзная поверочная схема для
средств измерений перемещения скорости и ускоре-
ния при колебательном движении твердого тела в
диапазоне частот 0,5-10’ Гц“.
Последний стандарт охватывал две близких, но
отличающихся как по измерительным задачам, так и
по используемым рабочим средствам области измере-
ний: низкочастотную акселерометрию и вибромет-
рию. Это затрудняло практическое использование
стандарта, и в 1986 г. он был разделен па два. Для об-
ласти низкочастотной акселерометрии был ут-
вержден стандарт ГОСТ 8.476-86. „Государственный
специальный эталон и общесоюзная поверочная схем
для средств измерения гармонического линейного
ускорения в диапазоне часто 0,5-30 Гц“.
Государственный первичный эталон включал в
свой состав две эталонные установки для воспроиз-
ведения размера единицы постоянного линейного
ускорения:
— установку „ЭУП-1“ (диапазон воспроизводимых
ускорений 0.001-10 м/с2), основанную на методе по-
ворота акселерометра в гравитационном поле Земли;
— установку „Ротор" (диапазон воспроизводимых
ускорений 5-200 м/с2), основанную на ротационном
методе воспроизведения ускорений.
В зависимости от значения воспроизводимого
ускорения эталон обеспечивал воспроизведение раз-
мера единицы со среднеквадратическим отклонени-
ем результата измерения 50 = 1 • 10 М • 10* при неисклю-
ченной систематической погрешности 0о=4-1О2-
3-10*. (Для установки „ЭУП-Г М-10М-10* при
неисключенной систематической погрешности
Рис. 3
314
Оп =4-10’2-3-10'5; для установки „Ротор" 50 =2-10Е при
неисключенной систематической погрешности
60=8-10‘).
Государственный специальный эталон включал в
свой состав эталонную установку ЛЦ-1“ (в 1998 г. пос-
ле технического усовершенст вования заменена на ус-
тановку „ДЦ-2“) представляющую собой систему ро-
тационных платформ с вертикальными осями враще-
ния — двойную центрифугу. Эталон обеспечивал
воспроизведение гармонических ускорений в диапа-
зоне частот 0,5-30 Гц и диапазоне амплитуд 5-100 м/
c»($o=MO'4: ®о=3-1О’).
Создание второт о поколения эталонов было завер-
шено в 2000 г. Разработка новых методов воспроиз-
ведения ускорений, а также новых технических и
технологических достижений, позволили создать еди-
ный эталон единицы линейного ускорения и едини-
цы плоского переменного утла и единую Государствен-
ную поверочную схему для средств измерений ли-
нейных ускорений и плоского переменного угла.
В состав эталона входят три эталонные установки
— эталонная установка „ЭУП-З" для воспроизведе-
ния постоянных линейных ускорений в диапазоне
5-10*-10 м/с’на основе метода поворота акселеромет-
ра в гравитационном поле Земли;
— эталонная установка „НЦ-3“ для воспроизведе-
ния гармонических линейных ускорений в диапазо-
не частот 0,05-30 Гц и диапазоне амплитуд 10'4-10
м/с’, и плоского переменного угла в диапазоне 0.2"-
360‘ представляющая собой ротационную платформу
с регулируемым направлением оси вращения;
— эталонная установка „ДЦ-3“ для воспроизведе-
ния постоянных линейных ускорений в диапазоне
8-500 м/с2 и гармонических линейных ускорений в
диапазоне частот 0,5-30 Гц и диапазоне амплитуд
8-250 м/с2, выполненную в виде системы ротацион-
ных платформ с вертикальными осями вращения.
Эталонная установка „ЭУП-3“
Установка (рис. 3) выполнена в виде поворотного
стола, который высокоточной системой управления
наклоном поворачивается на ±180” вокруг горизон-
тальной оси. Исследуемое средство измерения кре-
пится к призме, установленной на поворотном столе.
Угол наклона стола от горизонтальной плоскости
измеряется прецизионной системой, выходной сиг-
нал которой поступает на измерительно-вычисли-
тельный комплекс В отличие от использовавшихся
ранее установок подобного типа в состав установки
введена новая система определения горизонтальной
плоскости, включающая жидкостной уровень и спе-
Исследуемое
средство измерения
Токосъемник
Система измерения
переменного угла
Ротационная
платформа
Аэросга1ическая
опора стола
Электродвигатель
системы наклона
опоры
Этект,"юдви~атель
стола
Система измерения
угловой скорости
стола
Система измерения
угла наклона
Система управления
электродвигателем
стола
Измерительно-
вычислительный
комплекс
Система угрызения
наклоном стола
Преобразователь
угловой скорости
Система
пневмопитания
Рис. 4
—-----------— 315 —
циальный интерферометр сдвига. (За горизон-
тальную плос кость принимается плоскость свободной
поверхности жидкости в месте расположения уста-
новки). С помощью этой системы поверхность приз-
мы. на которую крепится исследуемый акселерометр,
с высокой точностью выставляется в горизонтальную
плоскость. Воспроизводимое установкой ускорение
определяется в соответствии с выражением (3).
В зависимости от значения воспроизводимо-
го ускорения установка обеспечивает воспроизве-
де ние ускорений в диапазоне 5-105—10 м/с2 со
среднеквадратическим отклонением результата изме-
рения Sc=l-10<’ м/с2 при неисключенной системати-
ческой погрешности 0О =4-10'5-4-10" м/с2.
Эталонная установка .,НЦ-3“
Установка (рис. 4) представляет собой ротацион-
ную платформу, взвешенную на аэростатической опо-
ре. приводимую во вращение с постоянной угловой
скоростью высокоточной системой электропривода.
Наклон ротационной платформы осуществляется
специальной системой управления. Установка в соот-
ветствии с выражением (4) воспроизводит в диапазо-
не частот 0,05-30 Гц амплитуды гармонических уско-
рений КУ^-Ю и/с2со среднеквадратическим отклоне-
нием результата измерения Sp=] ,5-10'5 м/с2 при
неисключенной систематической погрешности
0О -5-10 S-1(P м/с2.
Эталонная установка „ДЦ-3“
Установка (рис. 5) представляет собой систему из
двч'х ротационных платформ (ротора и поворотного
стола) с вертикальными осями вращения, одна из ко-
торых расположена на периферии второй.
При неподвижном поворотном столе и враща-
ющемся рот оре установка воспроизводит пос гоя иные
линейные ускорения (выражение (3)), при враща-
ющихся роторе и столе гармонические линейные ус-
корения (выражение (6)). Принцип построения каж-
дой из вращающихся платформ аналогичен описан-
ной выше платформе центрифуги с наклонной осью
вращения. Однако имеются и определенные отличия.
Так как поворотный стол при работе установки в
режиме двойной центрифуги находится в условиях
действия значительных центробежных ускорений,
что исключает возможность применения обычной
аэростатической опоры, была разработана специ-
альная секционная аэростатическая опора с перемен-
ным давлением в секциях, значение которого устанав-
ливается в зависимости от угловой скорости ротора.
Это позволяет вырабатывать в опоре направленную
навстречу центробежной и равную ей по значению
уравновешивающею силу.
Необходимость достижения предельно возмож-
ной точности установки при работе ее в режиме
воспроизведения постоянных ускорений привело к
необходимости введения в со<тав установки работа-
ющих в процессе вращения системы измерения тем-
пературного и деформационного удлинения ротора
Рис. 5
316
в процессе его вращения и системы измерения угла
поворота ротора в месте расположения исследуемо-
го акселерометра. Это позволяет внести поправки на
изменение длины плеча центрифуги и на составля-
ющую ускорения свободного падения по направлению
измерительной оси исследуемого акселерометра.
При воспроизведении постоянных линейных ус-
корений в диапазоне 8-500 м/с2 S'0=4-10'6-2,5-104
м/с2, 0о=1-1О5-1-1О'*м/с*.
При воспроизведении амплитуды гармоническо-
го ускорения в диапазоне частот 0,5-30 Гц и диапазоне
амплитуд8-250 м/с2 So=9-lO'8-2,5-lO'3 м/с2, 0о=1-1О3-
1-10'2м/с2.
Эталон, включающий описанные три установки,
воспроизводит постоянные линейные ускорения в
диапазоне 5-10'5-500 м/с2 при 50 =10'5-2,5-10 4 м/с2,
0О =4-10'5—l-10's м/с2 и гармонические линейные ус-
корения в диапазоне частот 0,05-30 Гц и диапазоне
амплитуд 10’4-250 м/с2 при $о=1,5-1О’5-2,5-10'3 м/с2,
0О =5-10’5-1-10’2 м/с2, плоский переменный угол в
диапазоне 0,2"-360° с $0=О,О4", 0о=О,О5".
Литература:
I. Синельников А.Е. Низкочастотные линейные ускоре-
ния. Методы и средства поверки и градуировки. — М.: Изд.
стандартов, 1979. — С. 176.
2. ЖессанА.В., Нилов Е.П., Синельников А.Е. Погреш-
ности поверки низкочастотных линейных акселерометров
// Измерение, контроль, автоматизация. — 1979. — № 6. -
С. 24-37.
3. Электрические измерения физических величин. Под
редакцией С.А. Спектора. — Л.: Энергоатомиздат, 1987. —
С.213-233.
А.Е. Синельников
317
Государственный специальный эталон единицы
угловой скорости
Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1976-1977 гг.) и утвержден
Постановлением Госстандарта СССР 29.09.1977 г.
Принцип действия эталона основан на использовании постоянства уг-
ловой скорости Земли. Аттестация эталона осуществлена путем опреде-
ления среднего времени перемещения видимого небесного светила на
фиксированный угол.
Эталон состоит из электромеханической и измерительной систем.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, рад/с
СКО результата измерений, рад/с
НСП, рад/с
5-10‘8-2,5-10'4
2-Ю9
2-1О'9
Область применения
Метрологическое обеспечение средств измерений, входящих в состав
навигационных систем.
318
Государственный первичный эталон единицы
постоянного углового ускорения
Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1971-1977 гг.) и утвержден
Постановлением Госстандарта СССР от 29.09.1977 г.
Принцип действия эталона основан на преобразовании ускорения сво-
бодного падения в постоянное угловое ускорение с применением винто-
вых аэростатических направляющих. В измерительной системе эталона в
качестве измерительного преобразователя угла используется кольцевой
лазер с устройством двойного численного дифференцирования.
Эталон состоит из электромеханической и измерительной систем.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, рад/с2 1-100
СКО результата измерений 3-104
НСП 5-Ю5
Область применения
Метрологическое обеспечение средств измерения, используемых на
объектах авиационно-космической техники.
319
История развития и современное состояние в
области измерений скорости водного и
воздушного потоков
Определение скорости потока среды является од
ной из задач аэрогидромеланики — науки о механике
газообразных и жидких сред. В этом смысле начало на-
учной деятельности в данном виде измерений можно
отпести к средним векам, когда в сфере научных инте-
ресов Галилея оказалось, в частности, „течение воды в
ручейке", э Леонардо да Винчи изучал параметры дви-
жения птиц относительно воздуха Реальное начало на-
учной аэрогидромеханике было положено в XVIII в.
трудами российских академиков Эйлера и Bepi iy или. То-
гда же (в 1732 г.) французский ученый Пию предложил
первый прибор для измерения скорости движения во-
ды, модификация которого применяется до сих пор и
носит название дифференциальной трубки Пито.
Приблизительно до второй половины XIX в. изме-
рения скорости движущихся сред не имели широкого
распространения. В дальнейшем активное развитие
этого вида измерений было связано с потребностями
практики — паро- и водоснабжением, мореплаванием
и воздухоплаванием. Наряду с совершенствованием
традиционных методов и средств измерений (сужаю-
щие устройства, усовершенствованная трубка Пито,
крыльчатые и турбинные измерители скорости пото-
ка среды) в XX в. были разработаны и принципиально
новые методы намерений, среди которых следует в пер-
вую очередь отмстить тсрмоансмомстрический, вих-
ревой и доплеровский.
В Советском Союзе научные исследования в облас-
ти измерения скорости воздушного и водного потоков
осуществлялись, начиная с 20-х гг. нашего столетия в
Центральном аэрогидродинамическом институте
им. Н.Е. Жуковского, в Главной геофизической обсер-
ватории им. А.И. Воейкова, в Государственном гидро-
логическом институте, в Центральном научно исследо-
вательском институте им. А.Н. Крылова и в ряде других
организаций. По мере роста парка средст в измерений
стала очевидной потребность в централизованном вос-
произведении и передаче размера единицы скорости
потока среды. Работы по этой проблеме примерно в
одно и то же время (середина 60-х гг.) были начаты в
США (NIST), Германии (РТВ) и, в 1965 г., в СССР
(ВНИИМ).
В настоящее время измерения скорости воздушно-
го и водного потоков широко распространены в метео-
рологии, авиастроении, судостроении, горнодобываю-
щей промышленности, строительстве, гидрологии,
гидротехнике, океанологии и в ряде других отраслей
промышленности и науки. Следует также отметить, что
измерение скорости потока среды лежит в основе боль-
шинства методов и средств измерений расхода.
Приведенная погрешность рабочих средств изме-
рения скорости потока среды варьируется в пределах
3 -10 %. Национальные эталоны различных стран на-
ходятся в целом на одном уровне по погрешности:
СКО составляет 0,2-0,5 % в зависимости от значения
скорости, НСП — 0,1-0,2 %
Ученые, внесшие весомый вклад в развитие мет-
рологического обеспечения измерений скорости по-
тока среды: д.т.н. проф. Д.Ф. Тартакоський, д.т.н.
проф. А.Н. 1ордов, В.А. Кузьмин, д.т.н. А.И. Попов
(ВНИИМ); Д А. Коновалов, П.Н Бурцев (ГГИ);
Н.П. Фатеев (ГГО); В.И. Сергеев (ЦНИИ
им. А.М. Крылова); д.т.н. нроф.А.Н. Петунии (ЦАГИ).
Методы измерений и эталоны единиц скорости
водного и воздушного потоков, поверочные схемы
По принципам действия и методам измерения
средства измерения скорости потока среды могут
быть разделены на следующие группы:
— пьезометрические СИ, в которых скорость по-
тока определяется по разности между полным и ста-
тическим давлениями в потоке;
— механические, в которых используется зависи-
мость между скоростью потока и числом оборотов
вращающегося устройства, помещенного в поток;
— термоэлектрические, основанные па зависимо-
сти теплоотдачи помещенного в поток преобразова-
теля от скорости потока;
— времяпролетные, основанные на непосредствен-
ном измерении скорости микрообразования, следую
щего вместе с потоком;
—доплеровские, в которых используется связь ме-
жду доплеровским смещением частоты сигнала, рас-
сеянного от потока, и скоростью потока:
— ультразвуковые, основанные на сопоставлении
скоростей распространения звукового сигнала по по-
току и против потока;
— устройства, в которых измеряется скорость пе-
ремещения преобразователя относительно неподвиж-
ной среды;
— вихревые, основанные на зависимости частоты
срыва вихрей с тела, помещенного в поток, от скоро-
сти потока.
Принцип действия эталонных установок, входя-
щих в состав государственных специальных эталонов
скорости водного и воздушного потоков, заключа-
ется в создании в рабочем участке гидродинамиче-
ской или аэродинамической трубы потока среды с ре-
гулируемыми и точно определяемыми характеристи-
ками.
320
1. Государственный специальный эталон едини-
цы скорости водного потока
Измерение скорости потока осуществляется по
разности давлении на входе и выходе сопла, форми-
рующего зону с постоянной скоростью потока в рабо-
чей камере эталонной установки. Регулирование ско-
рости потока осуществляется изменением числа обо-
ротов насосного агрегата.
В состав эталона входят:
— гидродинамическая измерительная установка
(замкнутая гидродинамическая труба с дифференци-
альными манометрами, силовым агрегатом и пультом
управления, регистрации и обработки данных);
— дифференциальная трубка Пито для передачи
размера единицы разрядным эталонам.
Метрологические характеристики эталона:
диапазон значений скорости водного потока,
м/с 0,05-20
относительное среднее квадратическое отклоне-
ние погрешности воспроизведения единицы скоро-
сти при 10 независимых наблюдениях, не более
2-Ю3
относительная неисключенная систематическая
погрешность, не более 2-10А
2. Государственный специальный эталон едини-
цы скорости воздушного потока
Измерение скорости потока, если она превышает
10 м/с, осуществляется по разности полного и статиче-
ского давлений, воспринимаемых дифференциальной
трубкой Пито. Измерение малых скоростей потока осу-
ществляется лазерным корреляционным измерителем
скорости, являющимся одной из разновидностей доп-
леровских анемометров. Ре1улирование высоких ско-
ростей потока осуществляется изменением числа обо-
ротов вентиляционного агрегата. Регулирование ма-
лых скоростей осуществляется изменением площади
выходного сечения потока.
В состав эталона входят:
— аэродинамическая измерительная установка № 1
(замкнутая аэродинамическая труба с силовым агре-
гатом и пультом управления);
— две дифференциальные трубки Пито для воспро-
изведения единицы скорости воздушного потока и пе-
редачи размера единицы разрядным эталонам;
— блок манометров;
— аэродинамическая измерительная установка № 2
(прямоточная аэродинамическая труба с системой ре-
гулирования скорости потока);
— лазерный корреляционный анемометр.
Метрологические характеристики эталона:
диапазон значений скорости воздушного потока,
м/с 0,1-100;
относительное среднее квадратическое отклоне-
ние погрешности воспроизведения единицы скоро-
сти при 10 независимых наблюдениях, не более
— при скоростях потока 0,1-10м/с 3-10’3;
— при скоростях потока 10-100 м/с 2-10'3;
относительная неисключенная систематическая
погрешность, не более
— при скоростях, потока 0,1-10 м/с 3-10’3;
— при скоростях потока 10-100 м/с 2-10'3.
Назначение государственных специальных этало-
нов единицы скорости водного потока (ГЭТ 137-83)
и воздушного потока (ГЭТ 150-85), их метрологиче-
ские характеристики, состав, а также государствен-
ные поверочные схемы для средств измерений ско-
рости водного и воздушного потоков регламентиро-
ваны ГОСТ 8.486-83 (полный поток) и ГОСТ 8.542-86
(воздушный поток).
В.И. Мишустин, С.А. Кравченко
321
Измерения крутящего момента силы
Кругящий момент силы как физическая величина
характеризует многие процессы и определяет режи-
мы работы машин и агрегатов, применяемых ь раз-
личных отраслях хозяйства [1 ].
Измерения крутящего момента силы на неподвиж-
ном и вращающемся валах используются с целью:
• контроля эксплуатационных показателей качест-
ва изделий и материалов, например:
— при оценке мощности, коэффициента полезно-
го действия, удельного расхода топлива таких изде-
лий, как двигатели внутреннего сгорания, дизели,
электромашины, компрессоры, гидромашины, пнев-
момашины, редукторы и т.д.;
— при оценке прочности материалов при статиче-
ском и динамическом нагружении;
— при оценке жесткости элементов конструкции
машин и сооружений, таких элементов, как спираль-
ные и винтовые пружины, торсионные валы и т.д.;
— при оценке динамической вязкости и реологи-
ческих [2] свойств материалов;
— при оценке усилия затяжки резьбовых соедине-
ний в автостроении, авиастроении, при сборке метал-
локонструкций и т.д.;
• контроля режимов работы технологического
оборудования и транспортных средств, например,
при эксплуатации прокатных станов, буровых устано-
вок, вертолетов и т.д.;
• учета работы энергетических установок, напри-
мер, главного двигателя судов, автотранспортных и
сельскохозяйственных машин.
Измерения крутящего момента силы в основном
осуществляются в диапазоне значений 10’4-106Н-м
при частотах вращения от нуля до 2000 сек1 с относи-
тельной погрешностью 0,05-20 %.
Широкое разнообразие сфер применения опреде-
лило и большое различие методов и приборов для из-
мерений крутящего момента силы. На рис. 1 приве-
дена классификация [1,3] наиболее распространен-
ных приборов для измерений крутящего момента
силы.
В принятой классификации все измерители крутя-
щего момента силы разбиты на две большие группы:
стационарные и переносные моментомеры. При этом
под стационарными моментомерами понимается изме-
рительная установка, содержащая источник энергии,
поглотитель энергии и измеритель крутящего момен-
та силы. Под переносным моментомером понимается
измерительный прибор, который устанавливается в
цепь передачи крутящего момента силы между источ-
ником и поглотителем энергии. Другой основной от-
личительной особенностью моментомеров является
возможность измерений с их помощью крутящего мо-
мента силы на неподвижном и вращающемся валу.
Приведем краткую характеристику моментоме-
ров.
Стационарные моментомеры для измерений на
вращающемся валу подразделяются на балансирные,
моментомеры, основанные на косвенных методах из-
мерений и механо-фрикционные.
Балансирные моментомеры [4] основаны на пре-
образовании крутящего момент а силы на вращающем-
ся валу в реактивный момент не вращающегося ста-
тора моментомера, установленного на балансирную
(поворачивающуюся) платформу. На балансирную
платформу может быть установлен либо источник
энергии (двигатель), либо поглотитель энергии, ли-
бо промежуточное звено (редуктор).
Реактивный момент измеряется по принятой клас-
сификации стационарными или переносными момен-
томерами для измерений на неподвижном валу.
В качестве поглотителей энергии используют гид-
равлические, аэродинамические, механические и элек-
трические тормоза. К последним относятся порошко-
вые тормоза, тормоза на базе электромашин постоян-
ного и переменного тока, индукторные тормоза.
Основная область применения — измерения кру-
тящего момента силы при оценке механической мощ-
ности двигателей внутреннего сгорания, турбин, ге-
нераторов, электродвигателей, насосов, вентилято-
ров и т.д.
Стационарные моментомеры, основанные на кос-
венных измерениях, построены на следующих мето-
дах:
— метод измерений ускорения при известном мо-
менте инерции вращающихся элементов, используе-
мый при определении крутящего момента силы в пе-
реходных и нсустаповившихся режимах;
— метод измерений частоты вращения вала и элек-
трических параметров электромашин, используемый
при контроле крутящего момента силы и механиче-
ской мощности в технологических процессах и ава-
рийной сигнализации;
— метод измерений угла закручивания или напря
жения металла штатных упругих элементов стацио-
нарных энергетических установок с передачей ин-
формации с вращающегося вала.
Основная область применения — контроль энер-
гетических параметров процессов бурения, работы
прокатных станов, судовых установок, сигнализация
при возникновении аварийной ситуации и т.д.
Механофрикционные моментомеры используются
для измерений параметров источников энергии.
11 Зак. 450
322
Рис. 1. Классификация средств измерений крутящего момента силы
Момент торможения определяется как произведение
радиуса, на котором производится торможение двига-
теля, на показания силоизмерителя, установленного в
тракте формирования момента трения.
Основная область применения — испытания мало-
мощных тихоходных двигателей.
Стационарные моментомеры для измерений на не-
подвижном валу предназначены для нагружения из-
делий статическим крутящим моментом силы и при-
меняются при градуировке, калибровке и поверке пе-
реносных моментомеров, исследованиях, испытаниях
материалов и изделий на кручение, испытаниях пру-
жин и т.д.
Стационарные моментомеры д ля измерений на не-
подвижном валу по своему конструктивному исполне-
нию подразделяются на устройства, содержащие пле-
чо и меры массы; устройства, содержащие плечо и си-
лоизмеритель; устройства, содержащие момен-томер
и нагружающее устройство.
Моментомеры выполняются с горизонтальным и
вертикальным направлениями действия момента.
Вертикальное расположение оси стационарного мо-
ментомера в основном встречается при малых момен-
тах.
Основная область применения — испытания изде-
лий, калибровка и поверка средств измерений.
При создании национальных эталонов и исходных
средств измерений фирм — производителей средств из-
мерений крутящего момента силы наиболее широко
используют стационарные установки, включающие в
себя набор мер силы и равноплечий рычаг с централь-
ной и грузоприемными призмами. Для нагружения в
двух направлениях установки обычно снабжены двумя
колонками, обеспечивающими наложение мер силы на
грузоприемные штанги, механизмом нагружения испы-
туемых изделий крутящим моментом силы, приводя-
щим рычаг в горизонтальное положение, рейтерным
механизмом для уравновешивания рычага, механиз-
мом арретирования рычага при наложении мер силы.
В качестве мер силы на установках используют
спецгрузы, соответствующие по массе образцовым ги-
рям 4-го или 3-го разряда. Номинальные значения
масс спецгрузов выбраны с учетом местного ускоре-
ния свободного падения.
Кинематическая схема государственного первич-
ного эталона единицы крутящего момента силы
ГЭТ 149-85 приведена на рис. 2.
Относительная погрешность воспроизведения
крутящего момента силы на установках от 0,02 % до
0,2 %.
Переносные моментомеры для измерений на вра-
щающемся валу [1,5] подразделяются на два наибо-
лее распространенных вида, основанные:
— на измерении угла закручивания упругого тела;
— на измерении напряжения в материале упруго-
го тела.
Наибольшее распространение получили моменто-
меры, основанные на преобразовании угла закручи-
вания и напряжения в материале упругого тела в элек-
трический сигнал. В зависимости от конструкции мо-
ментомеры могут иметь специальные устройства для
передачи информации с вращающегося вала на непод-
вижную часть моментомера.
Различают четыре вида связи: гальваническую, с
помощью контактных колец; индуктивную, с помо-
щью вращающихся трансформаторов; емкостную, с
помощью вращающихся конденсаторов; телеметриче-
скую, посредством передатчиков и приемников.
Моментомеры, основанные на измерении угла за-
кручивания упругого тела в зависимости от типа пер-
вичного преобразователя моментомера, подразделя-
ются на индуктивные, емкостные, фотоэлектрические,
резонаторные, нониусные, разностные, временные и
фазометрические.
Моментомеры, основанные на измерении напря-
жения в материале упругого тела в зависимости от
323
типа первичного преобразователя моментомера, под-
разделяются на тензометрические, фотоупругие и
магнитоупругие.
Погрешность переносных моментомеров опреде-
ляется несовершенством упругих свойств материала
упругого элемента первичного преобразователя, зави-
симостью его характеристик от температуры, влияни-
ем на первичный преобразователь силовых возмущаю-
щих воздействий, таких как изгиб, перерезывающая
сила и осевое усилие, погрешностями вторичной ап-
паратуры и системы передачи информации с вращаю-
щегося вала на неподвижную часть прибора. Основная
приведенная погрешность переносных моментомеров
колеблется от 0,1 % до 5 %.
Значительная часть переносных моментомеров
может измерять крутящий момент силы и на непод-
вижном валу. Исключение составляют некоторые кон-
струкции нониусных, разностных, временных и фа-
зометрических моментомеров.
Метрологическое обеспечение средств измерений
крутящего момента силы определено [Ь] и основано
на централизованной передаче размера единицы от
государственного первичного эталона и на передаче
размера единицы от комплексов измерительных об-
разцовых, содержащих специальные рычаги, меры си-
лы или динамометры.
Калибровка и поверка стационарных моментоме-
ров для измерений на вращающемся валу производит-
ся при отсутствии вращения чаще всего с помощью
комплексов измерительных образцовых. При этом,
например, при калибровке балансирных моментоме-
ров на элемент моментомера, воспринимающий ре-
активный момент силы, укрепляют дополнительные
рычаги с грузоприемными призмами для нагружения
мерами массы. Действительное плечо приложения си-
лы определяют как сумму длин присоединенного ры-
чага и части элемента моментомера от места присое-
динения до оси вращения.
Для повышения точности определения действи-
тельного значения длины плеча приложения силы ис-
пользуют дополнительные рычаги, устанавливаемые
с обеих сторон элемента. Путем последовательного на-
гружения и разгружения моментомера калибруют (по-
веряют) систему измерений реактивного момента си-
лы стационарного моментомера. Различие измеряемо-
го реактивного момента на неподвижном валу и
крутящего момента на вращающемся валу отражают в
погрешности моментомера. Наиболее существенными
слагаемыми этой погрешности [ I] являются: вентиля-
ционные потери, потери от момента сопротивления
токоподводящих (водоподводящих) частей, моменты
трения балансирных опор и потери в муфте.
Калибровка и поверка стационарных моментоме-
ров для измерений на вращающемся валу, относитель-
ная погрешность которых превышает 1 %, может осу-
ществляться переносными моментомерами на вра-
щающемся валу методом прямых измерений.
Калибровка и поверка стационарных моментоме-
ров для измерений на неподвижном валу может про-
изводиться централизовано с помощью переносных
моментомеров методом прямых измерений или с по-
мощью средств измерений, заимствованных из других
поверочных схем методом косвенных измерений.
В этом случае в качестве основных источников по-
грешности воспроизведения крутящего момента си-
лы оценивают:
Мехаяитм
деформирования
Компы'сапхонныс
муфты
Прибор
калибруемый
Датчик
положения
рычага
Рис. 2. Кинематическая схема Государственного первичного эталона ГЭТ 149-85
324
— погрешность определения длины плеча рычага;
— погрешность неравноплечности при использо-
вании двухплечих рычагов;
— погрешность длины плеча, связанную с проги-
бом рычага под нагрузкой;
— погрешность длины плеча, связанную с негори-
зонтальностью рычага;
— погрешность определения массы грузов;
— погрешность определения ускорения свободно-
го падения;
— погрешность, связанную с потерями на трение
в опорах рычага.
Кроме того, при создании высокоточных стацио-
нарных моментомеров оценивают;
— погрешность, связанную е изменением темпера-
туры окружающей среды;
— погрешность, связанную с несоосностью пассив-
ного и активного захватов и оси качания рычага;
- погрешность, связанную с непрямолинейностью
оси испытуемого средства измерений;
— погрешность, связанную с изменением аэроста-
тической силы, погрешность, связанную с конечным
значением скорости деформирования; погрешность,
связанную с несовпадением положения рычага при
воспроизведении единицы и арретировании
Известные методы калибровки и поверки перенос-
ных моментомеров для измерений на вращающемся
валу основаны на определении индивидуальной функ-
ции преобразования моментомера на неподвижном
валу и оценке функции влияния скорости вращения.
Определение индивидуальной функции преобразо-
вания моментомера на неподвижном валу производит-
ся методом прямых измерений с помощью стационар-
ных моментомеров для измерений на неподвижном ва-
лу и методом косвенных измерений.
При использовании метода косвенных измерений
определение индивидуальной функции преобразова-
ния выполняется в три этапа:
— определение экспериментально или теоретиче-
ски с использованием стандартных справочных дан-
ных зависимости угла закручивания или напряжения
в материале упругого участка вала первичного преоб-
разователя от крутящего момента силы;
— определение зависимости показаний вторичной
аппаратуры моментомера от угла закручивания или на-
пряжения в материале упругого участка вала;
— построение на основе полученных зависимостей
индивидуальной функции преобразования моментоме-
ра.
Определение функции влияния частоты вращения
производят методом оценки отклонения показаний
моментомера от нуля при вращении вала первичного
преобразователя на холостом ходу и методом консер-
вации момента, при котором упругий элемент ь не-
подвижном состоянии нагружают и жестко фиксиру-
ют при заданном крутящем моменте с последующей
оценкой отклонения показаний от нормируемых при
различных скоростях вращения
Литература.
1. В.В. Успенский, Б.А. Вандышев, С И Жбырь Совре
менное состояние и перспективы развития средств измере-
ний крутящего момента. (Госстандарт СССР, ВНИИКИ. Се-
рия — Метрология и измерительная техника) — М„ 1974. —
С. 63.
2. Жбырь С.И., Палей Л Г и др. Анализ состояния мет-
рологического обеспечения измерений крутяще го момента
силы. (1Ьсстандарт СССР, ВНИИКИ. Серия - Метрологиче-
ское обеспечение измерений) — М , 1991. — С. 32.
3. Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерений крутя-
щего момента. Библиотека приборостроителя. — М.: Маши-
ностроение, 1977. — 160 с.
4. Кац С.М., Балансирные динамометры для измерений
вращающего момента. — М.: Госэнергоиздат, 1962.
5. Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. Библио-
тека по автоматике. — М.: Энергия, 1967.
6. ГОСТ 8.541-аб Государственный первичный эталон и
государственная поверочная схема для средств измерений
крутящего момента силы.
СИ. Жбырь
325
Государственный первичный эталон единицы
крутящего момента силы
Во главе государственной поверочной схемы для
средств измерений крутящего момента силы [1] сто-
ит государственный первичный эталон ГЭТ 149-85. Он
предназначен для воспроизведения и хранения едини-
цы крутящего момента силы и передачи размера еди-
ницы при помощи вторичных эталонов и образцовых
средств измерений рабочим средствам, применяемым
в России с целью обеспечения единства измерений.
В основу измерений крутящего момента силы долж-
на быть положена единица, воспроизводимая указан-
ным эталоном.
Государственный первичный эталон представляет
собой стационарную установку, включающую » себя на-
боо мер силы и равноплечий рычаг с призмами. Уста-
новка снабжена двумя колонками, позволяющими ав-
томатическое наложение мер силы на грузоприемпые
штанги, механизмом нагружения испытуемых изделий
крутящим моментом силы, рейтерным механизмом для
уравновешивания рычага, механизмом арретирования
рычага при наложении мер силы.
Диапазон значений крутящего момента силы, вос-
производимых эталоном, составляет (20-2500) Н-м.
Дискретность автоматизированного набора — 10 Н-м.
Передача размера единицы на эталоне производит
ся следующим образом.
Испы гуемое средство закрепляется соосно в захва-
тах установки между рычагом и механизмом нагруже-
ния. Рычаг с помощью арретира защемляется в гори-
зонтальном положении и, в зависимости от направле-
ния закручивания, па грузовую штангу правого или
левого плеча рычага производится наложение мер си-
лы Рычаг освобождается и под действием мер силы
уходит из горизонтального положения. Включается ме-
ханизм нагружения изделий, который нагружает испы-
туемое изделие крутящим моментом силы и возвраща-
ет рычаг в горизонтальное положение. Воспроизведен-
ный эталоном крутящий момент определяется как
произведение длины плеча рычага на меру силы.
Государственный первичный эталон обеспечивает
воспроизведение единицы со средним квадратическим
отклонением результата измерений So не превышаю-
щим 0,8-104 при 20 независимых наблюдениях. Неис-
ключенная систематическая погрешность Оп не пре-
вышает 2-104.
Государственный первичный эталон применяют
для передачи размера единицы крутящего момента си-
лы рабочим эталонам, образцовым средствам 1 и 2 го
разрядов и высокоточным рабочим средствам методом
прямых измерений.
Образцовые средства измерений подразделяются
на три группы:
— образцовые средства измерений, заимствован-
ные из других поверочных схем, в качестве которых
применяют образцовые силоизмерит ельные машины
2-го разряда, средства измерений длины и образцовые
гири 4-го разряда. Эти средст ва применяют для повер-
ки образцовых моментоизмерительных машин 1-
го разряда и образцовых измерительных комплексов,
содержащих специальные рычаги, меры силы или ди-
намометры, вне диапазона эталона методом косвенных
измерений;
— образцовые средства измерений 1-го разряда, в
качестве которых применяют моментоизмерительные
машины и переносные моментомеры. Образцовые
средства измерений 1-го разряда применяют для по-
верки образцовых средств измерений 1-го разряда и
высокоточных рабочих средств методом прямых из-
мерений;
— Пределы допускаемых относительных погрешно-
стей образцовых средств измерений 1-го разряда со-
ставляют от 0,1 % до 1 %.
— образцовые средства измерений 2-го разряда , в
качестве которых применяют измерительные ком-
плексы и переносные моментомеры. Пределы допус-
каемых относительных погрешностей образцовых
средств измерений 2-го разряда составляют от 0,25 %
до 2,5 %. Образцовые средства измерений 2-го разря-
да применяют для поверки рабочих средств методом
прямых измерений.
В качестве рабочих средств измерений применяют
стационарные моментомеры, ротационные приборы
для измерений динамической вязкости, гайковерты и
виптоверты со встроенными предельными моментны-
ми муфтами, шкальные и придельные моментные клю-
чи, машины и приборы для испытаний на прочность,
переносные моментомеры и преобразователи.
Эталон хранится в УНИИМ.
Литература:
1. ГОСТ 8.541-86. „ГСИ. Государственный первичный эта-
лон и государственная поверочная схема для средств измере-
ний крутящего момента силы".
С.И. Жбырь
326
Сейсмометрия
Сейсмометрия - область измерений параметров ко-
лебательного движения земной поверхности.
Смежные области: виброметрия - область изме-
рений параметров колебательного движения твердо-
го тела; акселерометрия (в части переменных уско-
рений) область измерения переменных линейных ус-
корений.
Наблюдения за землетрясениями ведутся с древ-
нейших времен. Исторические описания землетрясе-
ний с середины 1 тыс. до н.э. даны японцами. Боль-
шое внимание сейсмичности уделяли и античные уче-
ные - Аристотель и др. Первые инструментальные
наблюдения появились в Китае, где в 132 г. н.э. Чан
Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой со-
суд с размещенным внутри маятником. Расположен-
ные на внешней стороне сосуда головы драконов дер-
жали в пасти шарики, которые выпадали при качании
маятника от землетрясения. Систематические инст-
рументальные наблюдения были начаты во второй по-
ловине XIX в. и привели к выделению сейсмологии в
самостоятельную науку (Б.Б. Голицын, Э. Вихерт, Б.
Гутенберг, А. Мохоровичич, Ф. Омори и др.).
Современные средства измерений параметров
сейсмоколебаний преобразуют колебания грунта при
землетрясении в электрический сигнал в аналоговой
или цифровой форме. Однако, по-прежнему, основ-
ным принципом действия остается воздействие сейс-
мического ускорения на инертную массу чувствитель-
ного элемента, а основным конструктивным решени-
ем является маятник.
Постоянные сейсмические измерения осуществля-
ются сейсмическими сетями различного уровня. В ми-
ровой сейсмической сети в настоящее время насчи-
тывается более 2000 стационарных сейсмических
станций, данные которых публикуются в сейсмологи-
ческих бюллетенях и каталогах. Кроме этого посто-
янно проводятся сейсмические измерения на дне
океанов и в экспедициях, работающих в самых раз-
личных районах Земли. Сейсмические приборы засы-
лались также на Луну, Марс и Венеру.
Актуальность работ по метрологическому обеспе-
чению в сейсмометрии обусловлена необходимостью
решения ряда важных задач, решение которых в зна-
чительной степени определяет экологическую безо-
пасность, достижения в хозяйственноэкономической
деятельности и обороноспособности страны.
Предупреждение и снижение ущерба, вызван-
ного землетрясениями и сопровождающими их раз-
рушительными явлениями (оползнями, обвалами,
селями, разжижением грунта) осуществляется различ-
ными путями. Первый - прогноз землетрясений. Вто-
рой - сейсмическое районирование и оптимальное
планирование застройки сейсмоопасных террито-
рий, создание сейсмостойких зданий и сооружений,
организация служб защиты и предупреждения от раз-
рушительных последствий и т.д.
Инженерная сейсмология исследует сейсмиче-
ские колебания зданий, сооружений и грунтов, пред-
сказывает характеристики сейсмического воздейст-
вия от сильных землетрясений. При этом использу-
ются результаты измерений относительно
интенсивных движений исследуемых объектов.
Задачи экологического мониторинга тесно смы-
каются с задачами инженерной сейсмологии. Объек-
тами исследований в данном случае являются соору-
жения и районы, изменение состояния которых мо-
жет иметь катастрофические последствия. Такими
объектами являются атомные электростанции, высот-
ные плотины, могильники и захоронения жидких и
твердых высокоактивных отходов, разрабатываемые
нефтяные и газовые месторождения.
Сейсмическая разведка полезных ископаемых
является одним из основных инструментов при иссле-
дованиях внутреннего строения верхней части зем-
ной коры с целью поиска месторождений полезных
ископаемых: нефти, газа, металлических руд,угля. Для
этого применяются методы отраженных и преломлен-
ных волн, использующие искусственное возбуждение
сейсмических колебаний взрывами и специальными
механическими вибраторами.
Контроль подземных ядерных испытаний явля-
ется проблемой особого оборонного и политическо-
го значения. С момента начала испытаний сейсмиче-
ские системы использовались в качестве разведыва-
тельных средств для получения информации об
интенсивности работ по созданию ядерного оружия,
мощности зарядов, местах проведения испытаний и
т.п. После заключения в 1963 г. в Москве Договора о
прекращении ядерных испытаний в трех средах сис-
темы сейсмического контроля выступают в качестве
единственного, а в дальнейшем - основного метода
контроля выполнения договорных обязательств и
обеспечения руководящих государственных органов
страны объективной информацией о фактах прове-
дения ядерных взрывов.
Научные проблемы, стоящие перед сейсмологией,
связаны с изучением тонких пространственновремен-
ных характеристик сейсмичности и постановкой задач
детальных исследований земных недр, временных из-
менений среды, вызванных изменениями ее напряжен-
ного состояния и деформациями. Все эти задачи тре-
буют применения гораздо более плотного распределе-
1 — ... 327
ния систем сейсмических наблюдений, чем использую-
щиеся в настоящее время, широкой полосы частот и
большого динамического диапазона, высокой времен-
ной стабильности и линейности средств измерений.
Задачей науки XXI в. является глобальный эколо-
гический мониторинг литосферы Земли, проводи-
мый по результатам комплексирования сейсмологи-
ческих, геофизических и гидрогеохимических дан-
ных, получаемых на прогностических полигонах
планетарного масштаба.
Происходящая глобализация исследований, их
кооперативный международный характер невозмож-
ны без обеспечения единства сейсмических измере-
ний. Это ставит новые, более жесткие требования:
- к метрологической аттестации сейсмопреобразо-
вателей и, соответственно, методам и средствам вос-
произведения и передачи размеров единиц парамет-
ров сейсмоколебаний, реализованных в эталонных ус-
тановках;
- к методам и средствам передачи, обработки и ин-
терпретации измерительной информации;
- к метрологической аттестации сейсмических ис-
точников - очагов землетрясений, взрывов, вибрато-
ров, а также аттестации пунктов наблюдений и излу-
чения сейсмических волн, что, в значительной сте-
пени, определяется уровнем единства сейсмических
измерений;
- к изучению строения среды распространения сейс-
мических волн, которая в связи с проблемой определе-
ния характеристик сейсмических источников также
становится объектом метрологической аттестации.
Таким образом, в один узел связываются пробле-
мы изучения строения и происходящих в недрах Зем-
ли процессов, сейсмических источников, средств из-
мерений параметров сейсмоколебаний и методов об-
работки данных. Необходимым условием решения
поставленных проблем является обеспечение единст-
ва измерений в масштабе, необходимом для успешно-
го решения поставленных задач.
Многообразие задач, при решении которых ис-
пользуются результаты сейсмических измерений, обу-
словило наличие значительного многообразия типов
рабочих средств измерений, к которым предъявля-
ется широкий спектр требований к точности измере-
ний в основной части диапазонов сейсмических сиг-
налов (ускорения от 1 О'8 до 10 м/с2, частоты от 10 2 до
200 Гц). Для наиболее ответственных измерений сейс-
мические системы представляют собой уникальные
технические объекты, предназначенные для непре-
рывных многолетних высокоточных измерений. Тре-
бования к инструментальным погрешностям на уров-
не единиц процентов дополняются необходимостью
обеспечения указанной точности без прерывания про-
цесса измерений практически в течение всего срока
эксплуатации входящих в состав комплексов сейсмо-
преобразователей. Последнее предъявляет особые
требования к методам передачи размеров единиц па-
раметров сейсмоколебаний от эталонов таким средст-
вам измерений.
Государственная поверочная схема
Для основных групп сейсмопреобразователей в по-
верочной схеме предусмотрена следующая система пе-
редачи размеров единиц:
1) Сейсмопреобразователи с внутренними калиб-
раторами, предназначенные для непрерывных, дол-
говременных, высокоточных измерений и устанавли-
ваемые в труднодоступных местах.
Поверка этой группы средств измерений осущест-
вляется в два этапа. Первый этап - метрологическая ат-
тестация методики определения метрологических ха-
рактеристик приборов с использованием внутренне-
го калибратора (генераторным методом) в процессе
испытания типа приборов и после их выпуска из про-
изводства. В процессе этой операции непосредствен-
но на Государственном эталоне с высокой точностью
определяются метрологические характеристики ка-
либратора - передаточная характеристика, погрешно-
сти, долговременная стабильность. Последняя обыч-
но обеспечивается в процессе создания приборов и яв-
ляется условием дальнейшего применения методики.
Второй этап - периодическая аттестация приборов
без их демонтажа, непосредственно в месте эксплуа-
тации методом косвенных измерений с использова-
нием прецизионных средств воспроизведения и из-
мерения электрических сигналов.
Разработанный метод позволяет сочетать высокую
точность, обеспечиваемую Государственным эталоном,
с экономической эффективностью. В процессе пове-
рочных работ прибор остается на месте его эксплуата-
ции и продолжает участвовать в процессе измерений.
Таким образом, исключается необходимость дублиро-
вания высокоточных измерительных комплексов на-
циональных сейсмических сетей, ведущих непрерыв-
ные измерения, не требуется доставка сейсмопреоб-
разователей в органы метрологической службы
(извлечение скважинных блоков, транспортировка и
т.д.), в процессе поверки используется стандартная из-
мерительная аппаратура (генераторы электрических
сигналов, вольтметры).
2) Сейсмопреобразователи повышенной точности
Поверка этих преобразователей осуществляется
методом прямых измерений непосредственно с помо-
щью Государственного эталона. Количество приме-
няемых в народном хозяйстве приборов такой точно-
сти ограничено, поэтому экономически оправдан вы-
бор подобного решения.
3) Сейсмопреобразователи средней и низкой точ-
ности
Это наиболее значительная группа применяемых
рабочих средств измерений. Для обеспечения эконо-
мической эффективности функционирования нацио-
нальной системы метрологического обеспечения и
аналогичных систем стран СНГ для передачи разме-
ра единиц разработаны и внедрены рабочие эталоны
(сейсмопреобразователи и сейсмометрические уста-
новки).
Методы и средства воспроизведения и переда-
чи размеров единиц
Метрологическое обеспечение сейсмопреобразо-
вателей на уровне, соответствующем требованию по-
ставленных выше задач, привело к необходимости
создания установок, значительно превосходящих ус-
тановки для воспроизведения параметров колебатель-
ного движения в виброметрии по:
- диапазонам воспроизводимых параметров в об-
ласти малых и сверхмалых значений;
328 - ' -..........~
- точности воспроизведения параметров сейсмо-
колебаний;
- допустимой массе исследуемых приборов.
Воспроизведение и передачу размеров единиц в
сейсмометрии по сравнению с виброметрией и аксе-
лерометрией осложняют два фактора:
- естественный и техногенный сейсмический шум,
на фоне которого проводятся все измерения, носит
характер воспроизводимого сигнала. Для значитель-
ного числа задач полезные сигналы находятся ниже
уровня естественной сейсмики;
- поле силы тяжести, действующее на гравиинерци-
альные сейсмические приборы. Постоянное ускорение
свободного падения превышает амплитуды минималь-
ных сейсмических сигналов более чем в 109 раз. Пере-
менные проекции ускорения свободного падения, обу-
словленные угловыми перемещениями СИ в рабочем
диапазоне частот, должны быть пренебрежимы по срав-
нению с амплитудами воспроизводимых сигналов.
В ГСЭ изложенные выше проблемы решены сле-
дующим образом:
1. Использован метод динамического гравитаци-
онного поля, сущность которого заключается в воз-
действии источника гравитационного поля (ИГП) на
неподвижное исследуемое средство измерений. Это
позволяет исключить его угловые колебания и состав-
ляющую погрешности, обусловленную проекцией век-
тора силы тяжести. Специальная форма ИГП обеспе-
чивает в локальной области пространства однородное
плоское гравитационное поле с заданной напряжен-
ностью, что позволяет определять воздействие поля
на СИ с произвольной конфигурацией чувствитель-
ного элемента. Вращение источника обеспечивает
вдоль заданного направления воспроизведение пере-
менного линейного ускорения с частотой вращения.
Амплитуда воспроизводимого ускорения определяет-
ся на основе закона всемирного тяготения в виде, при-
менимом для используемой формы ИГП.
Диапазон амплитуд ускорений, воспроизводимый
с помощью созданной на основе метода установки, со-
ставляет 109-10'7 м/с2 (возможности метода сущест-
венно шире).
Таким образом, во-первых, обеспечивается вос-
произведение и передача размеров единиц парамет-
ров сейсмоколебаний в диапазонах малых значений,
и решается проблема метрологического обеспечения
наиболее чувствительных и точных сейсмопреобра-
зователей. Во-вторых, достижение столь малых пара-
метров эквивалентно воспроизведению угловых пере-
мещений в поле силы тяжести в диапазоне 1010-10’8
рад (2-10’5-2-10‘3 угл.с). В данном диапазоне размер еди-
ницы угла с помощью компаратора был передан ус-
тановкам, реализующим методы перемещения иссле-
дуемого прибора. Это позволило с соответствующей
точностью определять угловые перемещения при дви-
жении СИ в процессе исследований.
2. Использован метод линейного перемещения ис-
следуемого прибора в вертикальном и горизонталь-
ном направлениях; при этом воспроизводится инер-
ционное ускорение, определяемое в соответствии с
законом движения твердого тела по прямолинейной
траектории.
3. Использован метод поворота исследуемого при-
бора в поле силы тяжести; при этом воспроизводит-
ся ускорение, определяемое проекцией ускорения си-
лы тяжести на горизонтальную плоскость.
При реализации в установках ГСЭ приведенных
методов воспроизведения параметров сейсмоколеба-
ний использованы высокостабильные конструкцион-
ные материалы, прецизионные аэростатические уз-
лы, оптоэлектронные измерительные системы, а так-
же современные средства обработки результатов
измерений.
Государственный специальный эталон включает в
свой состав следующие эталонные установки:
- сейсмометрическую горизонтальную гравитаци-
онную установку УСГ-Г с сейсмопреобразователем, ис-
пользуемым в качестве компаратора, реализующую
метод динамического гравитационного поля;
- сейсмометрическую горизонтальную установку
УСГ-1, реализующую метод линейно перемещающей-
ся в горизонтальной плоскости платформы;
- сейсмометрическую горизонтальную установку
УСГ-2, реализующую метод наклона средств измере-
ний в гравитационном поле Земли и метод линейно
перемещающейся в горизонтальной плоскости плат-
формы;
- сейсмометрическую вертикальную установку
УСВ-1, реализующую метод линейно перемещающей-
ся в вертикальной плоскости платформы.
Диапазоны воспроизводимых эталоном парамет-
ров:
длина 1-10'6-1-10 а м;
скорость 6Л0'9-5-10'4 м/с;
ускорение 410’-3102 м/с2.
Размещение Государственного специального
эталона
Установки ГСЭ расположены в специальном кор-
пусе, предназначенном для размещения группы эта-
лонов физических величин, характеризующих низко-
частотные параметры движения. Эталонные установ-
ки располагаются на уникальном виброзащитном
фундаменте массой 3500 т, в термостатированных бок-
сах; фундамент имеет развязку от основных рабочих
помещений корпуса и обеспечивает высокоэффектив-
ное подавление техногенных сейсмических шумов.
Расположение корпуса в пригороде Санкт-Петербур-
га, на удалении от источников интенсивных промыш-
ленных помех обеспечивает дополнительную защиту
и обусловливает высокую точность воспроизведения
параметров сейсмоколебаний и аттестации сейсмо-
преобразователей. По своим характеристикам указан-
ный корпус не имеет аналогов и признан уникальным
научным сооружением России.
Е.П. Кривцов
11* Зак 450
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерения параметров потока,
расхода, уровня и объёма
-.. 330 —
Исследование сопла ВНИИМ
с оптимизированными параметрами
профиля Витошинского
При измерении расхода газа у нас в качестве су-
жающих устройств применяются практически толь-
ко стандартные диафрагмы, главным образом с угло-
вым, и в некоторых случаях, с фланцевым отбором
давления. Недостатки диафрагм: необходимость
иметь перед ними не всегда существующие довольно
длинные прямые участки трубопровода и, кроме то-
го, нередко возникающие пульсации перепада давле-
ния, затрудняющие обработку диаграмм и снижающие
точность измерения расхода. Причем эти пульсации
возникают даже при отсутствии видимого источника
пульсации расхода. Есть основания полагать, что уст-
ройства не с резким, а постепенным сужением, в ча-
стности, сопочного или конусного типа имеют в от-
ношении сказанного преимущества перед диафрагма-
ми. Так, например, трубы Вентури, имеющие входной
сходящийся конус, требуют во много раз меньшую
длину прямого участка трубопровода, чем диафрагмы.
А сопло ВНИИМ значительно меньше реагируют на
турбулентные пульсации, возникающие в трубопрово-
дах при срыве вихрей, чем диафрагмы. Возможно, что
и необходимые длины прямых участков труб для та-
ких сопел будут меньше, чем для диафрагм.
В связи с большой актуальностью этих проблем во
ВНИИМ на специальном аэродинамическом стенде
начато сравнительное экспериментальное исследова-
ние стандартных диафрагм и сопел ВНИИМ. Сооб-
щаем некоторые результаты начального-этапа иссле-
дований.
Аэродинамический стенд состоит из трубопрово-
да с Z>20 =150 мм, который собирается из 4-х секций и
образцовой расходомерной установки. Длина одной
из секций равна 6 , остальные секции имеют дли-
ну равную 4 /)20 , внутренние поверхности секций ме-
ханически обработаны.
Трубопровод подключается к образцовой расходо-
мерной установке. Исследуемое сопло устанавливает-
ся между первой и второй секциями, начиная от об-
разцовой установки. Длина прямого участка от входа
в трубопровод до сопла составляла (4,8,10,14)- квход-
ному фланцу любой из секций могли быть подсоедине-
ны либо имитатор местного сопротивления типа „За-
движка", либо насадок, обеспечивающий плавный вход
в трубопровод. Имитатором „задвижки" является ши-
берная заслонка, которая перемещается перпендику-
лярно оси трубопровода в плоскости входного сечения
в трубопровод. При этом площадь S входного сече-
ния могла меняться от .$ до 0,14 S
Образцовая расходомерная установка представля-
ет собой прямоточную аэродинамическую трубу.
В основу измерений расхода положен метод „пло-
щадь-скорость", который дает возможность прямой
передачи посредством компараторов размеров еди-
ниц РСИ и ОСИ от ГСЭ единицы скорости водного и
воздушного потоков и ГПЭ единицы длины (метра).
Серьезной научно-технической проблемой являет-
ся создание методов и средств, позволяющих осуще-
ствлять исследование, градуировку РСИ расхода в ус-
ловиях близких к реальным. Это возможно при нали-
чии метрологического полигона, работающего на
реальном газопроводе.
Дальнейшее повышение точности измерений рас-
хода невозможно без совершенствования и оптими-
зации эталонной базы в области измерения расхода.
В настоящее время государственные и специальные
эталоны объемного и массового расхода воды, нефте-
продуктов и газа находятся во ВНИИР (г. Казань). В
комплекс входят 6 эталонов, обеспечивающих объем-
ный и массовый расход газа, воды и нефтепродуктов.
Эталоны имеют погрешности на уровне 0,1 %, что со-
ответствует погрешностям установок, имеющих статус
эталонов в Голландии, NBS (США), в фирмах Krone,
Fisher (Германия).
Однако диапазоны воспроизведения как объемно-
го, так и массового расхода невелик (1:10), кроме то-
го, эталоны созданы в 1973-1975 гг. и находятся на гра-
ни морального и физического износа. Следует отме-
тить, что эталоны и ОСИ сосредоточены в
центральной части России (Казань, Москва, Санкт-
Петербург, Воронеж, Мытищи, Арзамас). Практиче-
ски не имеют метрологического обеспечения в облас-
ти измерений расхода Дальний Восток, Восточная и
Западная Сибирь.
Остановимся на потребностях народного хозяйст-
ва в совершенствовании измерения расхода жидкости
и газа.
К важнейшей народнохозяйственной проблеме в
области измерения расхода следует отнести повыше-
ние точности и достоверности измерения количест-
ва энергоносящих сред. Исследования, выполненные
рядом авторов, показали, что эксплуатационная по-
грешность расходомеров в 2-3 раза превышает пас-
портную. Это приводит к неправильному учету энер-
гопотребляющих сред и к конфликтным ситуациям
между поставщиком и потребителем. Так, например,
по данным д.т.н.А.С. Бродина только лишь по г. Днеп-
ропетровску недоучет газа составлял 20-22 млн. м’ в
год.
..-...- 331 ..... ...................
К важнейшим научно-техническим проблемам сле-
дует также отнести:
а) создание метрологического полигона, который
позволит проводить исследования, градуировку и по-
верку СИ расхода газа в условиях, близким к натурным;
б) разработку методов и средств, обеспечивающих
создание пульсирующих расходов с регулируемыми
параметрами газового потока в трубопроводах и гра-
дуировку СИ расхода в динамическом режиме. В на-
стоящее время нормативные документы предусматри-
вают измерение расхода газа при условиях стационар-
ности потоков, в которых отсутствуют пульсации и
пространственные неоднородности. В реальных ус-
ловиях это требование практически не выполнимо.
Динамика процессов в пульсирующих потоках,
взаимодействие этих потоков с измерительными пре-
образователями и создание методов оценки влияния
нестационарности потоков на результаты измерения
расхода требуют фундаментальных научных исследо-
ваний.
Возросшие требования к точности и достоверно-
сти измерения расхода и, особенно, энергоносящих
сред обуславливают необходимость создания принци-
пиально новых эталонов и УВТ. Целесообразна раз-
работка государственного эталона, обеспечивающе-
го воспроизведение как объемного, так и массового
расхода газа. Необходимо также разработать методы
и принципы построения систем, обеспечивающих
воспроизведение пульсирующих потоков с нормируе-
мыми параметрами.
Выполненные за последние годы в ВНИИР и ВНИ-
ИМ НИР и ОКР позволили создать серьезный научно-
технический задел в области измерения расхода и ко-
личества жидких и газообразных сред. Накопленный
опыт и результаты научных исследований позволят
создать эталоны, УВТ и ОСИ, по своим характеристи-
кам опережающие потребности народного хозяйства.
Состояние научных исследований и эталонной
базы
Основными результатами исследований в облас-
ти измерения расхода следует считать:
— создание и исследование навигационных сопел
и на базе их разработка принципов построения вы-
сокоточных установок для воспроизведения расхода
жидкости;
— разработку принципов построения и исследова-
ния высокоэффективных расходомерных систем на
базе конфузоров ВНИИМ, реализующих для измере-
ния расхода метод „площадь-скорость";
— разработку и экспериментальную проверку ме-
тодов бездемонтажной поверки коммерческих газо-
мерных пунктов;
— исследование влияния нестационарности газо-
вых потоков в реальных газопроводах на результаты
измерения расхода газа.
Основными направлениями исследований на пе-
риод 1994-2000 гг. являются:
— создание расходомерных устройств, обеспечи-
вающих измерение расхода и количества энергонося-
щих сред с погрешностью менее 1 % и высокой мет-
рологической надежностью;
— внедрение бездемонтажных методов поверки
коммерческих пунктов учета газа на магистральных
газопроводах;
— разработка методов и средств, обеспечивающих
воспроизведение пульсирующих потоков с регулируе-
мыми нормированными параметрами потока;
— исследование влияния пульсаций параметров га-
зового потока в трубопроводах (в первую очередь ма-
гистральных) на результаты измерения расхода, и раз-
работка методов уменьшения степени этих влияний;
— полная переработка „Правил измерения расхо-
да газов и жидкостей стандартными сужающими уст-
ройствами".
Пути развития эталонной базы:
— создание государственного эталона, обеспечи-
вающего воспроизведение объемного и массового рас-
хода газа с диапазоном воспроизведения 1:1500 с од-
новременным уменьшением погрешности воспроиз-
ведения расхода (ВНИИР).
— создание УВТ, обеспечивающих воспроизведе-
ние объемного расхода газа в диапазоне 5-10‘5-3-10'2 м3
с погрешностью не более 0,2 % и жидкости в диапа-
зоне 2,5-10'6-Ы0'2м3/с с погрешностью не более
0,2 %.
— создание исходных и образцовых СИ, обеспечи-
вающих поверку и калибровку РСИ энергоносящих
сред в Северо-западном регионе (на базе ВНИИМ),
Дальнем Востоке, районах Западной и Восточной Си-
бири.
Кремлевский П.П.
332
Государственный первичный эталон единицы
массового расхода жидкости
Создан во ВНИИР в 1974 г. и утвержден Госстандартом СССР
16.12.1974 г.
Государственный первичный эталон предназначен для воспроизведе-
ния и хранения единицы массового расхода жидкости и передачи ее раз-
мера при помощи рабочих эталонов и эталонных средств измерений ра-
бочим средствам измерений.
Расход жидкости, воспроизводимый эталоном, аппроксимируется его
средним значением за фиксированный (измеренный) интервал времени
В составе эталона:
— аппаратура для измерения количества жидкости в единицах массы;
— аппаратура для измерения интервала осреднения;
— быстродействующий переключатель потока;
— напорная система;
— устройство регулирования расхода;
— система хранения рабочей среды;
— испытательный трубопровод;
— пульт управления.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, кг/с 15-35
СКО результата измерений 1,5-10“
НСП 1,6-10“
Область применения
— Калибровка и поверка высокоточных расходомеров и счетчиков жид-
кости для нефтяной, химической и нефтеперерабатывающей промышлен-
ности, авиационной и космической техники
— Калибровка и поверка приборов для измерения расхода и количест-
ва холодной, горячей воды и тепла.
333
Государственный первичный эталон единицы
объемного расхода жидкости
Создан во ВНИИР в 1974 г. и утвержден Госстандартом СССР
16.12.1974 г.
Государственный первичный эталон предназначен для воспроизведе-
ния и хранения единицы объемного расхода жидкости и передачи ее раз-
мера при помощи рабочих эталонов рабочим средствам измерений.
Расход жидкости, воспроизводимый эталоном, аппроксимируется его
средним значением за фиксированный (измеренный) интервал времени.
В составе эталона:
— аппаратура для измерения количества жидкости в единицах объема;
— аппаратура для измерения интервала осреднения;
— быстродействующий переключатель потока;
— напорная система;
— устройство регулирования расхода;
— система хранения рабочей среды;
— испытательный трубопровод;
— пульт управления.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, м3/с
СКО результата измерений
НСП
0,01-0,065
2-Ю4
7-Ю4
Область применения
— Калибровка и поверка высокоточных расходомеров и счетчиков жид-
кости для нефтяной, химической и нефтеперерабатывающей промышлен-
ности, авиационной и космической техники.
— Калибровка и поверка приборов для измерения расхода и количест-
ва холодной, горячей воды и тепла.
334
Государственный первичный эталон единицы
массового расхода газа
Создан во ВНИИР в 1979 г. и утвержден Постановлением Госстандар-
та СССР в 1979 г. № 183.
Тбсуцарственный первичный эталон предназначен для воспроизведе-
ния и хранения единицы массового расхода газа и передачи размера еди-
ницы при помощи вторичных эталонов рабочим средствам измерений.
В основу принципа действия эталона положено уравнение измерений,
математически выражающее понятие данной физической величины - от-
ношение массы газа, протекающего через контрольное сечение потока, и
времени протекания.
Соо тветственно определен и состав основных узлов эталона — это узел
измерений массы газа и измеритель времени его перепуска в газосбор-
ную емкость. Система подготовки рабочей среды и создания потока газа с
требуемыми параметрами включает компрессоры и накопительные емко-
сти, теплообменник, комплекс элементов автоматики и измерительных
приборов.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, кг/с 4.10-2-4-10’1
СКО результата измерений 5-Ю4
НСП 5-10-*
Область применения
— Калибровка эталонных критических сопел, входящих в состав пове-
рочных установок.
— Поверка высокоточных рабочих средств измерений расхода газа.
1 1 ......... 335 .......~
Государственный первичный эталон единицы
объемного расхода газа
Создан во ВНИИР в 1975 г., и утвержден Постановлением Госстандар-
та СССР от 24.01.1975 г. № 161.
1бсударст венный первичный э талон предназначен для воспроизведе-
ния и хранения единицы объемного расхода газа.
В основу измерений объемного расхода т аза положено измерение вре-
мени вытеснения газа с помощью поршня из калиброванной по объему
трубы (трубопоршневий метод).
В составе эталона:
— система создания расхода газа;
— аппаратура для измерений давления и температуры;
— испытательный участок;
— пульт управления.
Метрологические характеристики Диапазон измерений, м3/с СКО результата измерений НСП 0,001-0,015 8-10’4 5-10-*
Область применения
— Газодобывающая и перерабатывающая промышленность: калибров-
ка прецизионных средств измерений объемного расхода газа.
336
Государственный первичный эталон единицы
объемного расхода воды
Создан во ВНИИР в 1979 г., утвержден и введен в действие Постанов-
лением Госстандарта СССР от 22.02.1980 г. № 840.
(осударственный первичный эталон предназначен для воспроизведе-
ния и хранения единицы объемного расхода воды и передачи размера еди-
ницы при помощи эталонных средств измерений рабочим средствам из-
мерений. Передача размера единицы осуществляется методом непосред-
ственного сличения.
В составе эталона:
— прецизионный генератор сигналов,
— дискретный электропривод;
— гидровытеснитель;
— гидроразделитель;
— измерительный участок с переключателями потока;
— пульт управления.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений объемного расхода, м3/с
СКО результата измерений
НСП
г.вло^-г.вло-3
зло4
5Л04
Область применения
— Применяется в различных отраслях отечественной промышленно-
сти, в том числе оборонной, машиностроительной, медицинской и др.
337
Государственный первичный эталон единицы
объемного расхода нефтепродуктов
Создан во ВНИИР в 1979 г., утвержден и введен в действие Постанов-
лением Госстандарта СССР от 22.02.1980 г. № 839.
Государственный первичный эталон предназначен для воспроизведе-
ния и хранения единицы объемного расхода нефтепродуктов и передачи
размера единицы при помощи эталонных средств измерений рабочим сред-
ствам измерений. Передача размера единицы осуществляется методом не-
посредственного сличения.
В составе эталона;
— прецизионный генератор сигналов;
— дискретный электропривод;
— гидровытеснитель;
— гидроразделитель;
— измерительный участок с переключателями потока;
— пульт управления.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений объемного расхода, м’/с 2,8' 104-2,8- 10 s
СКО результата измерений 3-10’4
НСП 5-10’4
Область применения
— Применяется в различных отраслях отечественной промышленно-
сти, в том числе оборонной, машиностроительной, медицинской и др.
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерения давления,
вакуумные измерения
339
Давление
Историческая справка
Изучение теоретических вопросов измерения дав-
ления началось еще в эпоху Возрождения, когда с раз-
витием городов и появлением в них различного вида
производств особую актуальность приобрели вопросы
водоснабжения, и, в частности, проблема измерения
давления воды, т.е. напора, необходимого не только
для обеспечения подачи воды через систему водоснаб-
жения, но и для приведения в действие различных ме-
ханизмов.
Честь первооткрывателя в этой области принад-
лежит выдающемуся итальянскому ученому и живо-
писцу Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который яв-
ляется автором труда „О движении и измерении во-
ды", Этому величайшему инженеру уже в те времена
был знаком принцип сообщающихся сосудов для жид-
костей различной плотности и основной закон гид-
ростатики, известный теперь под названием „закона
Паскаля", он же впервые применил пьезометриче-
скую трубку для измерения давления воды в трубопро-
водах.
В 1630 г. всемирно известный ученый Галилео Га-
лилей (1564-1642 гг.) на основании опытов пришел к
выводу, что воздух имеет вес, а также определил его
плотность. В результате этих открытий Галилей сде-
лал вывод о существовании внутренних давлений не
только в жидкости, но и в воздухе, и впервые упомя-
нул о существовании атмосферного давления. Учени-
ки Галилея, итальянские ученые Торричелли (1608-
1647 гг.) и Вивиане (1622-1703 гг.), исследуя свойства
ртути, помещенной в стеклянную трубку, создали в
1644 г. первый ртутный барометр. Обобщив результа-
ты своих опытов в этой области, Торричелли заложил
фундамент теории атмосферного давления. В 1648 г.
Паскаль (1623-1662 гг.) провел исследования опыта
Торричелли и установил, что барометрическое давле-
ние должно меняться с высотой. В 1654 г. Паскаль соз-
дал свой замечательный труд „Трактаты о равновесии
жидкостей и о весе массы воздуха", в котором, в част-
ности, пришел к выводу, что давление, создаваемое
поверхностными силами, передается без изменения
в каждую точку жидкости. В физике это утверждение
известно нам как закон Паскаля. Таким образом, бы-
ло положено начало научным исследованиям атмо-
сферы. В течение нескольких последующих лет Пас-
калем и Декартом (1596-1650 гг.) во Франции и Гери-
ке (1602-1686 гг.) в Германии были созданы несколько
разновидностей жидкостных барометров, в том чис-
ле и с водяным заполнением. В 1654 г. Герике провел
один из самых впечатляющих физических экспери-
ментов того времени — эксперимент с откаченными
„магдебургскими полушариями", для отрыва которых
друг от друга понадобилось две упряжки по четыре
лошади в каждой. Тем самым было доказано, что если
воздух имеет вес, то он имеет и давление. Весомый
вклад в вопросы аэростатики и гидродинамики внес
английский физик и химик Бойль (1627-1691 гг.), он
положил начало теории упругости воздуха, ему при-
надлежит заслуга появления барометрических фор-
мул и одного из газовых законов. Великий русский уче-
ный Ломоносов (1711-1765 гг.) в 1749 г. предложил
„универсальный барометр", основанный на измере-
нии малых разностей давлений в двух коленах ^об-
разной системы сообщающихся сосудов.
В 1820 г. Перкинсом впервые для измерения дав-
ления был применен поршневой манометр. В начале
30-х гг, XIX в. в Академии наук Санкт-Петербурга под
руководством известною профессора Паррота (1767-
1852 гг.) была создана хорошо оборудованная физи-
ческая лаборатория, что послужило толчком для раз-
вития экспериментальной, теоретической и техниче-
ской физики в России. В 1833 г. Парротом и его
учеником Ленцем (1804-1865 гг.) при изучении сжи-
маемости воздуха и других свойств газов впервые для
измерения давления был использован манометр со
свободно перемещающимся поршнем, причем значе-
ние давления для того времени было очень большим
(10 МПа). Широкое распространение поршневые ма-
нометры получили благодаря Амага (1841-1915 гг.)
(Франция) и Рухгольцу (Германия), который в 1883 г.
организовал промышленный выпуск этих приборов.
Со временем поршневые манометры стали вытеснять
жидкостные и при точных измерениях давлений близ-
ких к атмосферному давлению. Но поршневые при-
боры были достаточно сложны в изготовлении и экс-
плуатации, и поэтому применялись в основном в ка-
честве эталонных при поверке и испытаниях рабочих
манометрических приборов.
По мере развития промышленности, особенно в
связи с появлением машин и железных дорог, на сме-
ну жидкостным приборам в различных областях нау-
ки и техники пришли более удобные — деформацион-
ные. Впервые трубчатый чувствительный элемент для
измерения давления был использован немецким ин-
женером Шинцем в 1845 г. Эту дату и принято считать
днем рождения деформационных манометров, хотя
идея создания деформационного барометра была
предложена еще в XVII в. и изложена в 1697 г. немец-
ким философом и математиком Лейбницем (1646-
1716 гг.), а патент на него получен Види (1805-1866 гг.)
в 1844 г. Известный в настоящее время барометр-ане-
роид, который стал вскоре применяться так же, как
340
манометр, был предложен в 1853 г. французским фаб-
рикантом Бурдоном (1779-1854 гг.), получившим в
1849 г. патент на изобретение одновитковой трубча-
той пружины, именем которого она до сих пор часто
называется („Бурдоновская трубка"). В 1850 г. Прима-
вези и Шеффер изобрели мембранный манометр, а
несколько позже в 1881 г. Клейманом получен патент
на сильфонный манометр. Простота и компактность
деформационных манометров, возможность их при-
менения в различных условиях эксплуатации очень
быстро поставили их на первое место в технике из-
мерения давления практически во всех отраслях на-
родного хозяйства.
В 1872 г. по поручению председателя Император-
ского Русского Технического общества великий рус-
ский ученый Д.И. Менделеев (1834-1907 гг.) приступил
к работам по изучению законов упругости газа, кото-
рые являлись чрезвычайно актуальными для развиваю-
щейся российской промышленности. В процессе этих
научных исследований необходимо было определять
атмосферное давление с наивысшей точностью, для
чего Д.И. Менделеев использовал созданный им диф-
ференциальный барометр, который позволял изме-
рять незначительные изменения давления. С помощью
этого барометра Д.И. Менделеев попытался также из-
мерять разность высот и, незначительно усовершен-
ствовав его конструкцию, создал первый высотомер.
Результаты своих трудов Д.И. Менделеев изложил в
трудах „Обупругости газов", 1875 г. и „О барометриче-
ском нивелировании и о применении для него высо-
томера", 1876 г. В последнем из них он описал спосо-
бы измерения давлений ртутными барометрами и ане-
роидами, а также порядок работы с высотомером. Под
руководством Д.И. Менделеева был организован про-
мышленный выпуск высотомеров, которые нашли ши-
рокое практическое применение при проведении гео-
дезических и картографических работ, изучении и про-
гнозе погоды, определении плотности воздуха.
С изобретением в 1873 г. первого электровакуум-
ного прибора — лампы накаливания с угольным элек-
тродом — русским ученым А.Н. Лодыгиным (1847-
1923 гг.) и открытием американским изобретателем
Эдисоном (1847-1935 гг.) в 1883 г. термоэлектронной
эмиссии стало возможным технологическое примене-
ние свойств разреженного газа. В начале XX в. в свя-
зи с интенсивным развитием науки и техники появи-
лась потребность в промышленном изготовлении спе-
циальных приборов для измерения малых давлений
в области вакуумных измерений. В 1874 г. Мак-Леод
впервые предложил принципиально новый прибор,
измеряющий малые давления, — компрессионный
ртутный манометр. В 1909 г. Пирани разработал кон-
струкцию теплового манометра, а Бакли в 1916 г. — ио-
низационного. В 1910 г. Кнудсеном на основании ра-
бот Крукса (1832-1919 гг.) и Дьюара (1842-1923 гг.)
был создан первый радиометрический манометр, по-
зволяющий обнаруживать и измерять давления поряд-
ка (lO'MO'5) Па. Одновременно совершенствовались
научные основы вакуумной техники. В России в 1901 г.
Лебедев (1866-1912 гг.) впервые использовал в своих
опытах идею удаления остаточных газов с помощью
ртутного пара. В этот же период изучались фундамен-
тальные свойства газов при низких давлениях, тече-
ние газов и явления переноса (Кнудсен, Смолухов-
ский, Ленгмюр, Дешман). Исследования, проведен-
ные в ,30-х гг. Моргулисом, Хавкиным и Нотингемом.
позволили вывести уравнение измерения ионизаци-
онного манометра и привели к созданию манометров
данного типа, в частности, трехэлектродных маномет-
рических ламп, которые получили широкое примене-
ние при измерении давлений (101—10 s) Па. В 1931 г.
Зоммермейером был предложен принцип емкостно-
го измерения давления, а в начале 50-х гг. Альперсом,
Метлендом и Мак-Каурти был изготовлен один из пер-
вых манометров мембранно-емкостного типа.
В дореволюционной России не существовало про-
изводства приборов для измерения давления, если не
считать одного небольшого завода в Петербурге и од-
ного в Москве, которые выпускали небольшое коли-
чество простейших пружинных манометров из дета-
лей, ввозимых из-за границы. В 1906 г. в Главной Пала-
те мер и весов (г. Санкт-Петербург) по инициативе
Д.И. Менделеева была создана манометрическая лабо-
ратория, которая до 1925 г. являлась единственным
метрологическим и поверочным центром России в об-
ласти измерений давления. К 1922 г. исходными сред-
ствами измерений давления в лаборатории были ртут-
ный многоканальный манометр до 100 кгс/см2, по-
строенный по идее Д.И. Менделеева, манометриче-
ские весы Штюкрата до 400 кгс/см2 и установки для
создания и измерения давления до 4000 кгс/см2 Шеф-
фера и Буленберга. Эти приборы обеспечивали изме-
рения давлений с точностью 0,2-0,3 %, достаточной
для манометрии того времени. Дальнейшие работы по-
зволили создать ртутный манометр системы Менделее-
ва как исходный эталон, с помощью которого храни-
лась и поддерживалась единица давления. В 1925 г. в
стране была введена обязательная поверка всех пру-
жинных манометров, вакуумметров и мановакууммет-
ров, применяемых в народном хозяйстве. Число новых
поверяемых приборов возрастало из года в год и дос-
тигло к 1938-1941 гг. почти одного миллиона, а по при-
борам, находящимся в эксплуатации, до 800000 ежегод-
но. В течение этих лет манометрической лаборатори-
ей Всесоюзного института метрологии (г. Ленинград)
были разработаны новые конструкции эталонного
ртутного манометра до 1,5 кг/см2, приборов Рухгольца
до 50 кг/см2 и перед Великой отечественной войной
поршневые манометры до 500 кг/см2 и 2000 кг/см2
конструкции Индрика (1888-1967). Предельная точ-
ность измерений давления достигла 0,005 %.
В эти же годы Ильинский создал эталонную уста-
новку для измерения вакуума до 10"® мм рт.ст., в осно-
ву которой был положен ионизационный метод изме-
рения.
В послевоенные годы потребности народного хо-
зяйства страны вызвали необходимость создания но-
вой эталонной базы в области измерения давления. На
основе новой теории приборов с неуплотненным
поршнем, разработанной известным ученым М.К. Жо-
ховским, в 1954 г. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева бы-
ли выполнены работы по созданию государственного
первичного эталона избыточного давления под руко-
водством Е.Ф. Долинского (1898-1981) и П.В. Индри-
ка. Этот эталон был групповым и состоял из пяти гру-
зопоршневых манометров с верхним пределом изме-
рения 60 кгс/см2 с погрешностью воспроизведения
единицы давления 0,0006 %.
================================== 341 ------
В области разности давлений 1 Па-10 кПа в 50-60-
х гг. Степановым и Часовниковым были разработаны
эталонные колокольные и грузопоршневые микромано-
метры, а также микроманометры со штриховой мерой.
В эти же годы проводились научные исследования
абсолютных методов воспроизведения единицы дав-
ления в области низких давлений от 10’1 Па, и были
созданы ряд конструкций эталонных компрессион-
ных и мембрано-емкостных вакуумметров под руково-
дством М.А. Гуляева, В.А. Рыжова и А.В. Ерюхина.
В середине 70-х гг. в народном хозяйстве России
произошли значительные экономические преобразо-
вания, которые поставили перед наукой качественно
новые метрологические требования к отечественной
эталонной базе. Творческим коллективом лаборато-
рии давления под руководством Полухина совместно
с сотрудниками лабораторий массы и линейных изме-
рений были проведены научно-исследовательские ра-
боты по созданию нового государственного первично-
го эталона единицы давления с диапазоном измерений
(0,05-10) МПа и погрешностями СКО— ЭТО45, НСП —
2-10'5. Измерительные поршневые системы эталона
впервые были изготовлены из твердых сплавов. В
1979 г. ГПЭ единицы давления для области избыточ-
ного давления (ГЭТ 23-79) был утвержден в установлен-
ном порядке. В этот же период были созданы государ-
ственные специальные эталоны единицы давления: в
области разности давлений с диапазоном измерений
(0,1-4-Ю4) Па — ГЭТ 95-75; в области абсолютных дав-
лений в диапазонах измерений (Ю’-IO3) Паи (2,7-10*-
1.3-105) Па ГЭТ 49-81 и ГЭТ 101-76 соответственно.
Отечественный парк средств измерений давления
исчислялся сотнями миллионов экземпляров и попол-
нялся более современными манометрами с более вы-
сокими метрологическими характеристиками. Поэто-
му в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева все установки го-
сударственных и вторичных эталонов постоянно
совершенствуются, создаются и исследуются новые
уникальные эталонные установки, в частности:
— в области избыточных и дифференциальных дав-
лений созданы эталоны сравнения для международ-
ных сличений, автоматизированные рабочие этало-
ны в диапазоне измерений (2,5-60) МПа, эталонные
микроманометры типа МКШ М, вторичный эталон
для поверки дифманометров при опорных давлени-
ях до 10 МПа;
— в области измерения низкого абсолютного дав-
ления созданы эталонные редукционные установки с
диапазоном измерений (IO-8—101) Па. Созданы систе-
мы метрологического обеспечения молекулярных по-
токов в вакууме и контроля герметичности.
Лаборатория систематически участвует в между-
народных сличениях национальных эталонов едини-
цы давления в рамках проектов СЭВ, КООМЕТ и Ев-
ромет. Указанные эталонные установки лаборатории
составляют современную эталонную базу России в об-
ласти измерений давления и являются уникальным на-
циональным достоянием отечественного научно-тех-
нического прогресса.
Основные понятия, термины и
определения, единицы давления
Давление — физическая величина, характеризую-
щая интенсивность нормальных (перпендикулярных
к поверхности) сил, с которыми одно тело действует
на поверхность другого. Если силы распределены
вдоль поверхности равномерно, то давление (р) на лю-
бую поверхность равно:
где F — сумма нормальных сил, действующих на
поверхность; $ — площадь этой поверхности.
При неравномерном распределении сил это равен-
ство определяет среднее давление на данную поверх-
ность, а в пределе, при стремлении величины .S' к ну-
лю, давление в данной точке. В случае равномерного
распределения сил давление во всех точках поверх-
ности одинаково, а в случае неравномерного — изме-
няется от точки к точке.
Для непрерывной среды аналогично вводится по-
нятие давления в каждой точке среды, играющее важ-
ную роль в механике жидкостей и газов. Давление в
любой точке покоящейся жидкости по всем направ-
лениям одинаково; это справедливо и для движущей-
ся жидкости или газа, если их можно считать идеаль-
ными (лишенными трения). В вязкой жидкости под
давлением в данной точке понимают среднее значе-
ние давления по трем взаимно перпендикулярным на-
правлениям.
Давление в газовой среде связано с передачей им-
пульса при столкновениях находящихся в тепловом
движении молекул газа друг с другом или с поверхно-
стью граничащих с газом тел. Давление в газах (его
можно назвать тепловым) пропорционально темпе-
ратуре (кинематической энергии частиц). В отличие
от газов, где средние расстояния между хаотически
движущимися частицами много больше самих частиц,
в конденсированных средах (жидкостях и твердых те-
лах) расстояние между атомами сравнимы с их разме-
рами и определяются равновесием межатомных (меж-
молекулярных) сил отталкивания и притяжения. При
сближении атомов силы отталкивания возрастают и
обусловливают т.н. холодное давление. В конденси-
рованных средах давление имеет также и „тепловую"
составляющую, связанную с тепловыми колебания-
ми атомов (ядер). При фиксированном и уменьшаю-
щемся объеме конденсированной среды „тепловое"
давление увеличивается с ростом температуры. При
температурах > 104 К заметное значение в „тепловом"
давлении приобретает тепловое движение электро-
нов.
Понятие давления как физической величины во
всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих
естественных природных явлениях, а также в различ-
ных технических устройствах и процессах определяю-
щим является не само давление, а его значение отно-
сительно другого. Особенно актуально это для изуче-
ния физических процессов в жидкостях и газах.
При сравнении значений двух давлений одно из
них принимается за начало отсчета их разности. По
этому признаку различают следующие виды давлений.
— ----- 342
Абсолютное давление—давление, значение которо-
го при измерении отсчитывается от давления, равно-
го нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки
Земли на ее поверхность называется атмосферным
давлением.
Давление, равное нулю, характеризует состояние
вещества, обусловленное различными физическими
причинами, при котором в нем отсутствуют напряже-
ния сжатия.
Давление газа равно нулю, если его концентрация
настолько мала, что молекулы газа практически не
взаимодействуют друг с другом, или если равна нулю
абсолютная температура газа. В естественных услови-
ях указанное состояние — сверхглубокий вакуум — на-
блюдается в отдаленных областях космического про-
странства.
Равенство нулю давления жидкости имеет место,
если отсутствуют действующие на нее внешние силы.
В нормальных земных условиях давление жидкости
может быть равно нулю только в ее верхнем поверх-
ностном слое.
Во всех других случаях измеряемое давление срав-
нивается с давлением, значение которого не равно ну-
лю. Данные виды давления, в отличие от абсолютно-
го давления, являются относительными. Здесь следу-
ет выделить разност» давлений и избыточное давление.
Разность давлений — разность двух произвольных
давлений, значение одного из которых принято за на-
чало отсчета. В этом случае основное значение имеет
разность давлений, а не абсолютные значения каждо-
го из них.
Избыточное давление— разность давлений, одно из
которых, принятое за начало отсчета, является абсо-
лютным давлением окружающей среды. В большин-
стве случаев абсолютное давление окружающей сре-
ды — это атмосферное давление в месте измерений.
Для газовых смесей применяется специальный тер-
мин — парциальное давление — абсолютное давление од-
ного из компонентов газовой смеси. Под этим понима-
ется абсолютное давление данного компонента при ус-
ловии, что он займет весь объем, в котором находится
газовая смесь. Сумма парциальных давлений всех ком-
понентов равна абсолютному давлению смеси газов.
Вакуум — состояние среды, абсолютное давление
которой существенно меньше атмосферного давле-
ния.
С учетом специфики каждого из видов давления
при измерениях применяются специальные средства
измерений — манометры и измерительные преобра-
зователи давления.
Манометр — измерительный прибор или измери-
тельная установка для измерения давления или раз-
ности давлений с непосредственным отсчетом их зна-
чения.
Измерительный преобразователь давления (датчик) —
первичный измерительный преобразователь, воспри-
нимающий непосредственно измеряемое давление и
преобразующий его в другую физическую величину.
В соответствии с видами измеряемого давления
применяют следующие виды средств измерения дав-
ления:
— манометр абсолютного давления — манометр для
измерения абсолютного давления, отсчитываемого от
абсолютного нуля;
— барометр — манометр абсолютного давления для
измерения давления околоземной атмосферы;
— манометр избыточного давления — манометр для
измерения разности между абсолютным давлением,
большим абсолютного давления окружающей среды,
и абсолютным давлением окружающей среды;
— вакуумметр — манометр для измерен, ’я давления
разреженного газа;
— мановакуумметр — манометр для измерения из-
быточного давления и давления разреженного газа;
— дифференциальный манометр — манометр для из-
мерения разности двух давлений, каждое из которых
отличается от атмосферного давления;
— микроманометр—дифференциальный манометр
для измерения малых разностей двух давлений, каж-
дое из которых существенно больше их разности.
Единицей давления называют такое давление, при
котором на принятую единицу площади действует си-
ла, равная принятой единице силы. В Международной
системе единиц СИ единицей давления является пас-
каль, представляющий собой давление, при котором
на 1 м2 площади действует сила равная 1 Н.
Размер единицы давления Па очень мал, его зна-
чение соответствует давлению столба воды высотой
0,1 мм. Поэтому на практике применяются единицы
давления, кратные 1 Па, которые образуются добав-
лением к наименованию паскаль приставок, узаконен-
ных СИ; килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и ги-
гапаскаль (ГПа). В технически обоснованных случа-
ях допускается также применение других кратных
единиц, которые образованы добавлением приставок
предусмотренных СИ: декапаскаль (даПа) и гектопа-
скаль (гПа).
Наряду с единицами давления СИ во многих от-
раслях народного хозяйства нашей страны, а также в
зарубежных странах в настоящее время применяют-
ся единицы давления, которые должны быть изъяты
по мере перехода на СИ.
Наиболее близка к СИ единица давления бар (бар),
размер которой очень удобен для практики. Реже в
качестве единицы давления применяется атмосфера
физическая (атм.), равная 1,01325-Ю5 Па. В области
измерения малых и средних давлений широкое рас-
пространение получили единицы давления кило-
грамм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2) и ки-
лограмм-сила на квадратный метр (кгс/м2).
В соответствии с историческим развитием техни-
ки измерения давлений, в основе которой лежал прин-
цип измерения при помощи столба жидкости (ба-
рометрический принцип), в применяемых до на-
стоящего времени жидкостных манометрах мерой
измеряемого давления является высота столба жид-
кости. Поэтому естественно применение единиц дав-
ления, определяемых высотой столба жидкости, т.е.
основанных на единицах длины. В странах с метри-
ческими системами мер получили распространение
единицы давления миллиметр и метр водяного стол-
ба (мм вод.ст. и м вод.ст.) и миллиметр ртутного стол-
ба (мм рт.ст.), а в странах с дюймовыми системами —
дюйм и фут водяного столба (in Н2О и ft Н2О), дюйм
ртутного столба (in Hg).
Применяемая в странах Западной Европы едини-
ца давления торр практически равна мм рт.ст. В анг-
лоязычных странах широко распространена также
— 343
единица давления фунт-сила на квадратный дюйм
(psi).
Соотношение некоторых из наиболее распростра-
ненных единиц давления приведены в табл. 1.
Информация о точных методах и
средствах измерений давления,
принципы действия и классификация
Чрезвычайно широкий диапазон давлений, опре-
деляемых для научных и прикладных целях практи-
чески во всех отраслях народного хозяйства, а также
разнообразие требований к технике его измерений
способствовали появлению, разработке и внедрению
в практику множества различных методов и средств
измерений давления.
Давление, исходя из самых общих позиций, может
быть определено как путем его непосредственного из-
мерения, так и посредством измерения другой физи-
ческой величины, функционально связанной с изме-
ряемым давлением.
В первом случае измеряемое давление воздейству-
ет непосредственно на чувствительный элемент при-
бора, который передает информацию о значении дав-
ления последующим звеньям измерительной цепи,
преобразующим ее в требуемую форму. Этот метод оп-
ределения давления является методом прямых измере-
ний и получил наибольшее распространение в техни-
ке измерения давления. На нем основаны принципы
действия большинства манометров и измерительных
преобразователей давления.
Во втором случае непосредственно измеряются
другие физические величины или параметры, харак-
теризующие физические свойства измеряемой среды,
значения которых закономерно связаны с давлением
(температура кипения жидкости, скорость распро-
странения ультразвука, теплопроводность газа и т.д.).
Этот метод является методом косвенных измерений
давления и применяется, как правило, в тех случаях,
когда прямой метод по тем или иным причинам не-
применим, например, при измерении сверхнизкого
давления (вакуумная техника) или при измерении вы-
соких и сверхвысоких давлений.
Методологически важен вопрос и о способе, ко-
торым средство измерений воспроизводит единицу
давления, что определяет его функциональные воз-
можности. Давление является производной величи-
ной, определяемой тремя основными — длиной, мас-
сой и временем. Конкретная реализация значения дав-
ления зависит от способа воспроизведения единицы
давления.
Помимо классификации по основным методам из-
мерений и видам давления средства измерений давле-
ния классифицируются по принципу действия, функ-
циональному назначению, диапазону и точности изме-
рений. Современные средства измерений давления
представляют собой измерительные системы, звенья
которых имеют различное функциональное назначе-
ние. Важнейший из них — чувствительный элемент
(ЧЭ), который воспринимает измеряемое давление и
преобразует его в первичный сигнал, поступающий в
измерительную цепь прибора, который в дальнейшем
преобразуется в показания измерительного прибора.
В технике измерения давлений существуют два
прямых метода измерения давления — поршневой и
жидкостный.
Давление может быть определено непосредствен-
но измерением силы, действующей на данную поверх-
ность. На этом методе измерения основаны поршневые
манометры — манометры, в которых действующее на
поршень измеряемое давление преобразуется в силу и
определяется по значению силы, необходимой для ее
уравновешивания. В качестве уравновешивающей
Таблица 1
Наименование единиц Па бар кгс/см’ ММ вод.ст. мм рт. ст. (торр) in Н,О inHg psi
Паскаль, Ра 1 110s 1,01972-10’ 1,01975-101 7,50065-10’ 4,01477-10’ 2,95301 -10’ 1,4503810’
Бар, Ваг 110s 1 1,01972 1,01975-10’ 7,50065-10’ 4,01477-10’ 2,95301-10 1,45038-10
Килограмм-сила на кв.см, kgf/cm2 9,80665-10’ 9,80665-101 1 1,00003-10’ 7,35560-10’ 3,93713-10= 2,89591-10 1,42233-10
Миллиметр водного столба, mm Н2О 9,80633 9,8063310 s 9.99972- 10s 1 7,35538-10’ 3,93701-10’ 2,89582-10’ 1,42229-10’
Миллиметр ртутного столба, mm Hg (Topp,Torr) 1,33322-10= 1.33322-10’ 1,35951-10’ 1,35955-10 1 5,35256-10•' 3,93701-10’ 1,93367-10’
Дюйм водяного столба, in Н,О 2,49081.10s 2,49081-10’ 2,53992-10’ 2,54-10 1,86827 1 7,35538-10’ 3,61262-10’
Дюйм ртутного столба, in Hg 3,38638-10’ 3,38638-10 = 3,45315-10’ 3,45325-10’ 2,54-10 1,35955-10 1 4,91153-10'
Фунт-сила на кв. дюйм (psi) 6,89476-10’ 6,89476-10’ 7,03070-10’ 7,03070-10’ 5,17150-10 2,76808-10 2,03602 1
344
силы в этих манометрах могут использоваться гири,
усилие пружины или электромагнитная сила. В наибо-
лее распространенных поршневых манометрах давле-
ние уравновешивается весом грузов. Такие манометры
называются грузопоршневыми. Благодаря высокой ста-
бильности эффективной площади, которая определя-
ется в основном геометрическими размерами пары
поршень-цилиндр, а также возможности учета внеш-
них влияний расчетными методами, поршневые мано-
метры являются идеальными преобразователями дав-
ления в силу. Наибольшее распространение получил
манометр с неуплотненным поршнем, в котором пор-
шень притерт к цилиндру с небольшим зазором и пе-
ремещается в нем в осевом направлении. На практике
в основном применяют грузопоршневые манометры с
простым неуплотненным поршнем. Пространство под
поршнем заполняют рабочей жидкостью (маслом, ке-
росином и т.д.), которая под давлением поступает в за-
зор между поршнем и цилиндром, обеспечивая смазку
трущихся поверхностей. Вращение поршня относи-
тельно цилиндра предотвращает появление контакт-
ного трения. Давление определяется массой грузов,
уравновешивающих его и площадью сечения поршня.
Манометры данного типа имеют предел измерений
давления от 0,04 до 10 МПа при погрешностях не пре-
вышающих 0,001-0,005 %. При дальнейшем повыше-
нии пределов измерений площадь поршня становит-
ся столь малой, что для грузов необходимо конструи-
ровать специальные устройства (опорные штанги,
рычажные механизмы и т.п.). Например, для уменьше-
ния веса грузов в манометрах системы Жоховского
уравновешивающее усилие создается при помощи гид-
равлического мультипликатора. В этом случае даже
при измерении высоких давлений (до 2,5 ГПа) изме-
рительная установка предельно компактна и не требу-
ет наложения большого количества грузов. Поршне-
вые манометры специальных конструкций применя-
ются также при измерениях небольших избыточных
давлений, разрежений и абсолютного давления. Как
правило, поршневые системы таких манометров пред-
варительно уравновешиваются специальным устрой-
ством, что позволяет понизить нижний предел изме-
рений практически до нуля. Вращение поршня обыч-
но является принудительным. Кроме цилиндрических
поршней, применяют сферические и конические
поршни. В колокольных манометрах роль поршня вы-
полняет колокол, помещенный в жидкость, а в мано-
метрах типа „кольцевых весов" — плоская перегород-
ка внутри полого кольца. В настоящее время в нашей
стране и за рубежом поршневые манометры находят
преимущественное применение в качестве эталонных,
служащих для поверки и испытаний различных мано-
метрических приборов в широком диапазоне давлений
от 1 кПа до десятков тысяч МПа.
Модификацией поршневого манометра являются
жидкостные манометры — манометры, в которых из-
меряемое давление определяется по высоте и удель-
ному весу столба жидкости, уравновешивающего это
давление. Диапазоны измерений жидкостных мано-
метров определяются высотой столба жидкости, т.е.
размерами манометра и плотностью жидкости, поэто-
му жидкостные приборы применяются в основном для
измерения низких давлений, но их можно использо-
вать также для измерения небольших разностей дав-
ления при высоком статическом давлении. Кроме то-
го, они используются при измерениях особо высокой
точности в области давлений, близких к атмосферно-
му. Конструктивное исполнение жидкостных мано-
метров отличается больп им разнообразием. Основ-
ные разновидности жидк эстных манометров — Сооб-
разные и чашечные. Современные жидкостные
манометры имеют пределы измерений от 0,1 Па до
0,25 МПа. Жидкостные манометры, измеряющие ма-
лые избыточные давления и разрежения менее 5 кПа.
называются микроманометрами. При малых пределах
измерений жидкостные манометры заполняются лег-
кими жидкостями (вода, спирт, толуол, силиконовые
масла), а при увеличении пределов измерений — рту-
тью. При измерениях давления чашечным микрома-
нометром заполняющая сосуд жидкость вытесняется
в трубку, изменение уровня жидкости сравнивают со
шкалой, отградуированной в единицах давления. Для
точных измерений и поверки применяют двухчашеч-
ные микроманометры компенсационного типа, в ко-
торых один из сосудов жестко закреплен, а второй со-
суд с целью создания необходимого для уравновеши-
вания давления столба жидкости перемещается.
Перемещение, определяемое при помощи точной
шкалы с нониусом или по концевым мерам длины, не-
посредственно характеризует измеряемое давление.
Компенсационными микроманометрами можно изме-
рять давление до 5 кПа, при этом погрешность не пре-
вышает 2-10'3Па. Верхний предел измерений жидко-
стных манометров можно повысить, увеличив высо-
ту столба жидкости или выбрав жидкость с большей
плотностью. Однако даже при заполнении их ртутью
верхний предел жидкостных манометров редко пре-
вышает 0,25 МПа.
Поршневой и жидкостный методы измерения дав-
ления являются фундаментальными. Манометры, ос-
нованные на этих принципах, не требуют калибров-
ки по эталонным измерителям давления, так как их
показания могут быть определены путем измерения
линейного размера и массы. При измерении высоких
давлений в качестве образцовых мер могут быть ис-
пользованы также точки затвердевания или фазово-
го перехода различных веществ.
Кроме двух названных прямых методов измерения
давления, существует большое число косвенных ме-
тодов, основанных на измерении физических вели-
чин (температуре, объеме), значения которых связа-
ны с давлением известными физическими закономер-
ностями, или на изменении физических свойств
измеряемой среды под действием давления (тепло-
проводности, вязкости, электропроводности и пр.).
Косвенные методы, как правило, находят применение
в тех случаях, когда прямые методы измерения давле-
ния трудно осуществимы, например, при измерении
весьма малых давлений (вакуумные измерения) или
при измерениях сверхвысоких давлений. Например,
в области измерения взрывных давлений мерой дос-
тигнутого максимального давления может служить
пластическая деформация чувствительного элемента,
а также электрические, оптические и химические яв-
ления, возникающие при определенных давлениях.
Наибольшее распространение среди манометри-
ческих приборов, основанных на косвенных методах
измерений, получили деформационные манометры —
345
манометры, в которых измеряемое давление, дейст-
вующее на упругую оболочку чувствительного элемен-
та, уравновешивается напряжениями, возникающими
в материале упругой оболочки. Таким образом, упру-
гий чувствительный элемент (УЧЭ) преобразует дав-
ление, являющееся входной величиной, в выходную
величину, несущую измерительную информацию о
значении давления. Для УЧЭ естественно выбрать в
качестве выходной величины в зависимости от прин-
ципа действия деформационного манометра: переме-
щение заданной точки УЧЭ; напряжение в материа-
ле заданной точки и усилие, развиваемое УЧЭ под дей-
ствием давления. Выбор того или иного выходного
сигнала УЧЭ определяет способы его дальнейшего
преобразования для получения результатов измере-
ния давления, а, следовательно, и принцип действия
деформационного манометра (метод прямого преоб-
разования или уравновешивающего преобразования).
В деформационных манометрах, основанных на не-
посредственном преобразовании в информацию об
измеряемом давлении напряжений (метод прямого
преобразования) в качестве УЧЭ могут быть исполь-
зованы мембраны, мембранные коробки, сильфоны
и трубчатые пружины. Этот же метод преобразования
используется и при применении резистивных дефор-
мационных манометрах, основанных на принципе
тензоэффекта. Метод уравновешивающего преобра-
зования давления менее распространен в технике дав-
ления, он используется при применении манометров
с силовым уравновешиванием (пневматической или
электромагнитной силовой компенсацией). Пределы
измерений деформационных манометров охваты-
вают широкий диапазон давлений — от 10 Па до
1000 МПа. Эти манометры просты в эксплуатации и
компактны, их’ конструкция отвечает требованиям
массового производства, они могут применяться в раз-
личных условиях эксплуатации. Благодаря этому де-
формационные приборы нашли наибольшее распро-
странение в технике измерения давления практиче-
ски во всех отраслях народного хозяйства.
На использовании уравнения состояния идеально-
го газа основан принцип действия компрессионных ма-
нометров. В общем виде он заключается в уравнове-
шивании измерений атмосферного давления как стол-
бом жидкости, так и сжатием газа в замкнутом сосуде
по закону Бойля-Мариотта. Аналогичный принцип ис-
пользуется и в экспансионных манометрах (установках
с калиброванными объемами), но в отличие от ком-
прессионных они основываются на понижении из-
вестного давления до требуемого значения. Компрес-
сионные и экспансионные манометры являются ос-
новными средствами воспроизведения и передачи
единицы давления в области вакуумных измерений в
диапазоне от 10 3до 103 Па.
Термодинамический метод измерения давлений осно-
ван на свойствах чистых веществ две, или три фазы
которых (газ, жидкость и твердое тело) находятся в
термодинамическом равновесии. При этом давление
паров вещества однозначно зависит от его темпера-
туры. На основании анализа многочисленных отече-
ственных и зарубежных публикаций методы и уст-
ройства, реализующие данный метод, можно класси-
фицировать по физическому принципу действия,
основанному на использовании:
1. фиксированных точек фазовых переходов чис-
тых веществ — тройных точек (ТТ) ;
2. непрерывных участков Р-Т кривой фазового пе-
рехода I-го рода чистых веществ:
— кривой плавления;
— кривой сублимации;
— кривой жидкость-пар.
Указанные выше кривые равновесия фаз и трой-
ная точка используются в косвенных методах опреде-
ления давления по результатам измерения темпера-
туры в равновесных точках. Однако, как показала
практика, устройства на основе тройной точки газов
имеют ограниченное число воспроизводимых точек
давления, определяемое номенклатурой чистых газов,
и ряд других технических неудобств, связанных с рас-
четом различных поправок для нахождения значения
давления, к тому же для реализации этого метода тре-
буются средства задания и поддержания криогенной
температуры с необходимой точностью (не хуже
1 мК). Методы измерения давления на основе Р-Т кри-
вых сублимации и плавления позволяют работать с
диапазоном малых давлений (включая область вакуу-
ма), либо высоких и сверхвысоких. Для области сред-
них давлений применяется термодинамический ме-
тод воспроизведения и измерения давления на осно-
ве Р-Т кривой равновесия жидкость-пар.
В последние годы в мировой измерительной прак-
тике проявляется большой интерес к методам измере-
ний, основанным на использовании физических кон-
стант, которые могут быть измерены с очень высокой
точностью. К числу таких немногих констант относит-
ся показатель преломления (ПП) жидкости. Известно,
что ПП вещества определяется его природой и зави-
сит от длины волны света и внешних условий, в основ-
ном от температуры и давления. Именно на зависимо-
сти ПП рабочей среды от давления основаны оптиче-
ский манометр ддя измерений абсолютных давлений и
интерференционный метод для статической и динами-
ческой градуировки датчиков давлений.
На практике для измерения давления находят так-
же применение методы, основанные на зависимости
от давления различных физических свойств жидко-
стей и газов и протекающих в них процессах. В ос-
новном эти методы используются в области вакуум-
ных измерений.Зависимость теплопроводности раз-
реженного газа от давления используется в тепловых
и термопарных манометрах, зависимость величины
электрического разряда, создаваемого движением за-
ряженных частиц в вакууме, от давления — в электро-
разрядных манометрах (ионизационных, магнитных, ра-
диоизотопных). Для определения давлений применя-
ются также средства измерения, основанные на
зависимости от давления электрического сопротив-
ления тензорезисторов, электрического заряда пье-
зоэлемента, вязкости газов, кинетической энергии
молекул, концентрации молекул и т.д.
Области применения, роль
измерений давления в науке и
промышленности
Давление определяет состояние веществ в при-
роде (твердое тело, жидкость, газ). Измерение давле-
ния необходимо практически в любой области науки
346
и техники как при изучении происходящих в приро-
де физических процессов, так и для нормального
функционирования различных технических уст-
ройств и технологических процессов. Давление яв-
ляется одним из основных рабочих параметров, от
точности и надежности измерения которого зависит
достоверность результатов экспериментальных иссле-
дований в гидро- и газодинамике; качество техноло-
гических процессов в электротехнической, химиче-
ской и пищевой промышленности; оптимальные ре-
жимы работы объектов в ракетной технике и авиации,
энергетике и транспорте, топливной промышленно-
сти; эффективность систем добычи, переработки и
транспортировки нефти и нефтепродуктов. Во мно-
гих отраслях науки при проведении физических, тер-
модинамических и метрологических исследований
также требуется измерять давление. Техника физиче-
ского эксперимента немыслима в настоящее время без
применения приборов, позволяющих определять ко-
личественную оценку давления. Измерение парамет-
ров давления и их контроль необходимы не только в
науке и технике, но и в практической медицине. Ди-
агностика и лечение ряда заболеваний требует опре-
деления давления крови, спинномозговой и внутри-
черепной жидкости, некоторые лечебные процедуры
и хирургические операции проводят внутри баромет-
рических камер при строго определенном давлении.
Огромное количество измерений, выполняемых
практически во всех отраслях промышленности, сель-
ском хозяйстве и научных исследованиях, связаны с
измерениями давления, в связи с этим в настоящее
время эксплуатируется более 250 млн. экземпляров
различных средств измерения давления.
Наиболее широкое применение в народном хозяй-
стве страны находят измерения избыточных давлений,
парк приборов в этой области превышает 90 % от их
общего количества. Определение избыточного давле-
ния необходимо в нефтяной, газовой и атомной про-
мышленности, в станкостроении, судостроении, при-
боростроении и многих других отраслях. Давление
обеспечивает функционирование систем топливно-
энергетического комплекса, нефте-, газо- и водопрово-
дов, работу разнообразных станков, механизмов и ус-
тановок в различных отраслях производства, приводит
в движение автомобили и самолеты, геодезические ра-
кеты и космические корабли. Диапазон измерений в
области высоких и сверхвысоких давлений составляет
от 250 МПа до 10 ГПа, в области средних давлений —
от 40 кПа до 250 МПа, в области микроманометрии —
от 0,1 Па до 40 кПа. Наибольшее распространение в
науке и технике находит диапазон средних избыточных
давлений, особенно давлений до 10-25 МПа.
Измерения абсолютного давления применяются в
метеорологии, геодезии и авиации (102-4-10s Па), в
области вакуумной техники (lO’^-lO3 Па). Средства из-
мерения абсолютных давлений используются при
проведении термодинамических, аэродинамических,
метрологических и др. исследований (определение
констант уравнений состояния различных веществ,
скоростей газовых потоков, концентрации газов в
твердых веществах, эталонные температурные и ли-
нейные измерения), при изучении и анализе метео-
рологических условий, определении высоты при
полетах и т.д. Исследования проводимые в радиоэлек-
тронике, аэродинамических трубах, в области физи-
ки плазмы и масс-спектрометрические исследования;
изучение явлений, происходящих в электровакуум-
ных приборах и при управляемых термоядерных ре-
акциях — все эти и многие другие области науки в на-
стоящее время неизбежно опираются на вакуумные
измерения. Контроль абсолютного давления осущест-
вляется также в различных технологических произ-
водственных процессах: качество продукции электро-
вакуумной, металлургической, полупроводниковой,
медицинской, пищевой, химической и фармацевти-
ческой промышленности в значительной степени за-
висят от точности этих измерений.
Широкое применение в народном хозяйстве стра-
ны находят также измерения разности давлений, на-
пример, при определении расхода, скорости, уровня
и плотности жидкостей и газов, изучении процессов
протекания в вакуумных проводках. В промышленно-
сти разность давлений измеряют для контроля и регу-
лирования некоторых производственных процессов.
Так, например, в коксохимической и газовой промыш-
ленности микроманометры применяются в качестве
датчиков приборов автоматического контроля и регу-
лирования расходов газа, в металлургической промыш-
ленности они служат для автоматического контроля и
регулирования тяги в мартеновских печах, в горной
промышленности — для наблюдения за процессами
вентиляции в шахтах и рудниках и т.д. Пределы изме-
рений разности давлений составляют от 1 Па до
1 МПа, а в некоторых случаях до 10 МПа и выше.
С учетом специфики каждого из видов давления
при измерениях применяются специальные средства
измерений — манометры и измерительные преобра-
зователи давления.
Система обеспечения единства
измерений
Передача размеров единицы
Размер единицы давления воспроизводится, хра-
нится и передается пятью госэталонами. Четыре из
них находятся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, один
(для области сверхвысоких избыточных давлений) —
во ВНИИФТРИ.
Состав комплекса основных средств измерений,
входящих в состав государственных эталонов, основ-
ные метрологические характеристики эталонов и по-
рядок передачи размера единицы давления от госу-
дарственных эталонов при помощи вторичных и ра-
бочих эталонов рабочим средствам измерений с
указанием погрешностей и основных методов повер-
ки приведены:
— для государственного первичного эталона для
средств измерений избыточного давления до 250 МПа
- в ГОСТ 8.017-79;
— для государственного специального эталона для
средств измерений абсолютного давления в диапазо-
не (2,7-102-4000-102) Па - в ГОСТ 8.223-76;
— для государственного специального эталона для
средств измерений разности давлений до 4-104 Па — в
ГОСТ 8.187-76;
— для государственного специального эталона для
средств измерений абсолютного давления в диапазо-
не (l-108-1 103) Па-в ГОСТ 8.107-81;
— pjix государственного специального эталона для
средств измерений давления с верхними пределами
от 10000-Ю5 до 40000-Ю5 Па (эталон ВНИИФТРИ) —
в ГОСТ 8.094-73.
Государственный первичный эталон для средств
измерений избыточного давления до 250 МПа пред-
назначен для воспроизведения и хранения единицы
давления и передачи размера единицы при помощи
вторичных и рабочих эталонов рабочим средствам
измерений, применяемым в народном хозяйстве
страны, с целью обеспечения единства измерений.
Единица, воспроизводимая первичным эталоном, по-
ложена в основу измерений давления в стране. Госу-
дарственный первичный эталон состоит из следую-
щих средств измерений:
— три грузопоршневых манометра с номинальным
значением приведенной площади поршня 20,0 см2 и
диапазоном значений давления 0,05-0,5 МПа;
— три грузопоршневых манометра с номинальным
значением приведенной площади поршня 5,0 см2 и
диапазоном значений давления 0,3-3 МПа;
— три грузопоршневых манометра с номинальным
значением приведенной площади поршня 1,5 см2 и
диапазоном значений давления 1-10 МПа;
— набор гирь класса точности 2,0 с номинальны-
ми значениями от 0,000005 до 0,5 кг;
— набор специальных гирь с номинальными зна-
чениями от 0,5 до 5 кг, определенными с погрешно-
стью не более Ю'7;
— аппаратура для создания и поддержания гидро-
статического давления и передачи размера единицы.
Диапазон значений давления, воспроизводимых
эталоном, составляет 0,05-10 МПа. Государственный
первичный эталон обеспечивает воспроизведение
единицы со средним квадратическим отклонением ре-
зультата измерений (Si), не превышающим 3-Ю6, при
иеисключенной систематической погрешности (<Эо),
не превышающей 2-Ю’5. Государственный первичный
эталон применяют для передачи размера единицы
давления эталону-копии непосредственным сличени-
ем (гидростатическим уравновешиванием). В качест-
ве эталона-копии применяют комплекс следующих
средств измерений:
— набор переменного состава из трех грузопорш-
невых манометров;
— набор гирь класса точности 2,0 с номинальны-
ми значениями от 0,000005 до 0,5 кг и набор специ-
альных гирь с номинальными значениями от 0,5 до
5 кг;
— аппаратура для создания и поддержания гидро-
статического давления и передачи размера единицы.
Средние квадратические отклонения результата
поверки эталона-копии с государственным первич-
ным эталоном единицы давления не должны превы-
шать 6-1 О'6. Эталон-копию применяют для передачи
размера единицы давления рабочим эталонам и образ-
цовым грузопоршневым манометрам 1-го разряда
класса точности 0,01 непосредственным сличением
(гидростатическим уравновешиванием). В качестве
рабочих эталонов применяют наборы из грузопорш-
невых манометров и отдельные грузопоршневые ма-
нометры с диапазонами измерений 0,04-0,6; 0,1-6;
2,5-25; 1,25-60 МПа и грузопоршневые вакуумметры
с верхним пределом измерений до -100 кПа. Средние
квадратические отклонения результата поверки рабо-
чих эталонов не должны превышать 2-Ю'5. Рабочие
эталоны применяют для поверки эталонных средств
измерений 1-го разряда непосредственным сличени-
ем (гидростатическим уравновешиванием).
Динамика и перспективы
дальнейшего развития
Перспективы развития приборов для измерения
давления тесно связаны с общими достижениями в раз-
витии науки и техники. Совершенствование поршне-
вых манометров определяется успехами в создании но-
вых материалов поршневых пар, повышающих точ-
ность их изготовления, прочностные характеристики
и износостойкость, а также развитие микроэлектро-
ники, представляющее новые возможности автомати-
зации поршневых манометров. Одной из важнейших
задач является повышение качества изготовления
поршневых пар. Применение в качестве материалов
поршневых пар сверхтвердых сплавов на основе кар-
бида вольфрама, прочностные характеристики кото-
рых (твердость, модуль упругости) существенно выше,
чем у обычно применяемых легированных сталей, а
температурный коэффициент линейного расширения
ниже, позволяет соответственно снизить влияние из-
меряемого давления и температуры на постоянство эф-
фективной площади поршня и ее стабильность в пе-
риод эксплуатации манометра. При этом зазор умень-
шается до 0,1-0,3 мкм, что обеспечивает идеальную
цилиндрическую форму поверхностей поршневой па-
ры, а, следовательно, возможность определения эф-
фективной площади поршня абсолютным (фундамен-
тальным) методом по результатам измерений диамет-
ров поршня и цилиндра с эталонной точностью
(8а<0,001 %). Указанная точность в сочетании с мето-
дами непосредственного сличения эталонов делает ре-
альным уже в ближайшие годы создание эталонов дав-
ления с погрешностью измерений менее 0,0005 %.
Совершенствование технологии изготовления порш-
невых пар развивается также в направлении создания
манометров с наборами поршневых пар с различной
эффективной площадью, имеющих заданные номи-
нальные значения, которые позволяют при примене-
нии одного и того же комплекта грузов получать раз-
личные диапазоны измерений. При изготовлении та-
ких поршневых пар необходимы прецизионные
круглошлифовальные станки с программным управле-
нием, обеспечивающие обработку поршней и цилинд-
ров с погрешностью менее 1 мкм. Развитие электрон-
ной техники и, в частности, выпуск в обращение вы-
сокоточных электронных весов привели к созданию
поршневых манометров с цифровым отсчетом, позво-
ляющих непосредственно измерять давление во всем
диапазоне без применения грузов, что позволяет пе-
ревести поршневую манометрию на качественно но-
вый уровень—автоматизированный. Применение мик-
ропроцессорной техники дает возможность учитывать
влияние температуры и местного ускорения свободно-
го падения, отклонение действительной площади
поршня от номинального значения, а также получать
результаты измерений в требуемых единицах давле-
ния. Одним из перспективных направлений является
348
также изготовление эталонных грузопоршневых мано-
метров на газовой смазке. Они обеспечат поверку ма-
нометров, работающих на газе без разделителя, т.е. без
потери точности. Достаточно актуальной является
перспектива создания эталонных грузопоршневых ма-
нометров для области дифференциальных давлений с
возможностью создания разных опорных давлений. В
настоящее время дифманометры, выпускаемые про-
мышленностью, поверяют в условиях, когда опорное
давление в минусовой камере равно атмосферному. В
этом случае полученные погрешности, согласно суще-
ствующим нормативным документам, автоматически
распространяются и на случаи, когда опорное давле-
ние во много раз превышает атмосферное, что некор-
ректно. В реальных условиях дифманометры, установ-
ленные в коммерческих узлах учета нефти и газа ма-
гистральных нефте- и газопроводов, работают в
условиях, когда опорное давление в десятки раз пре-
вышает атмосферное давление. В результате этого не-
правильно определяют расход нефти и газа, что при-
водит к большим экономическим потерям. Такое по-
ложение сложилось и в других отраслях народного
хозяйства: энергетике, металлургии и др. Для решения
этой проблемы необходимо создание парка эталонных
грузопоршневых манометров для области дифферен-
циальных давлений, разработка и внедрение новых
нормативных документов по поверке дифманометров.
Применение жидкостных манометров при техни-
ческих измерениях в народном хозяйстве страны
будет все более сокращаться, они будут постепенно
вытесняться деформационными, поршневыми мано-
метрами и измерительными преобразователями дав-
ления различных типов. Однако благодаря фундамен-
тальности принципа действия и высокой стабильно-
сти показаний жидкостных манометров во времени
перспективность их применения в качестве эталон-
ных приборов в барометрии и в микроманометрии не
вызывает сомнений. В первую очередь, развитие жид-
костных манометров будет идти в направлении повы-
шения точности, автоматизации процесса измерений
и введения поправок в показания прибора. Погреш-
ности жидкостных манометров, в основном, опреде-
ляются погрешностями измерения высоты столба
жидкости, ее плотности и ускорения свободного па-
дения в месте измерений. Поэтому основной резерв
повышения точности этих манометров состоит в сни-
жении погрешности определения указанных парамет-
ров. Для этого жидкостные манометры оснащают
электрическими или оптическими отсчетными уст-
ройствами, совершенствуют конструкцию маномет-
ров с целью устранения различных источников по-
грешностей (влияние температуры, воздействие
вибраций, капиллярные силы и т.д.). Для улучше-
ния точностных характеристик в жидкостных мано-
метрах применяют следящие системы, которые по-
зволяют автоматически определять высоту столба
жидкости.
Деформационные манометры требуют для своей
градуировки применения методов и средств, основан-
ных на абсолютных методах воспроизведения давле-
ния. Повышение их точности, в принципе, ограни-
чено точностью применяемых при градуировке
жидкостных и поршневых эталонов, которая характе-
ризуется погрешностями порядка 1-10‘ь-5-105. Это
позволило уже в настоящее время создать эталонные
деформационные манометры, погрешности которых
не превышают 2,5-104-5-10“*. Дальнейшее повышение
точности деформационных манометров в связи с их
недостаточно высокой долговременной стабильно-
стью возможно лишь при условии периодической кор-
ректировки показаний в процессе эксплуатации, что
может быть достигнуто как путем периодического срав-
нения показаний деформационного манометра с пока-
заниями точного и стабильного поршневого маномет-
ра, так и другими способами. Одним из важнейших на-
правлений развития точных деформационных мано-
метров является разработка портативных эталонных
переносных манометров, пригодных для контроля ра-
бочих средств измерений на месте их эксплуатации. Од-
нако основное назначение деформационных маномет-
ров состоит в удовлетворении потребностей различ-
ных отраслей промышленности в измерении давления,
так как в каждой отрасли существуют свои требования
к условиям эксплуатации, формам представления ин-
формации, точности и надежности, необходимым га-
баритным размерам и пр. Все это требует совершенст-
вования различных параметров и свойств деформаци-
онных манометров, специфика которых определяется
их назначением и принципом действия. Выпускаемые
десятками миллионов штук общепромышленные стре-
лочные деформационные манометры с механическим
преобразованием давления, требования к точности ко-
торых относительно невысоки в конструктивном от-
ношении радикальной модернизации не требуют.
Основная задача состоит в повышении качества изго-
товления с целью достижения долговечности и надеж-
ности и, в первую очередь, улучшении таких метроло-
гических характеристик деформационных маномет-
ров, как нелинейность и вариация показаний. Не-
обходимо также дальнейшее совершенствование
материалов УЧЭ с целью понижения их чувствитель-
ности к изменениям температуры. Деформационные
манометры, основанные на электрических методах
преобразования (индуктивные, емкостные и др.), обес-
печивая достаточно высокую точность, нуждаются в со-
вершенствовании методов защиты их электрических
цепей от воздействия внешних электрических и маг-
нитных полей, особенно при необходимости размеще-
ния на расстоянии УЧЭ и электроники. Благодаря со-
временным технических достижениям в области тех-
нологий достаточно перспективным является дальней-
шее развитие металлических и полупроводниковых
тензорезистивных деформационных манометров.
Важной чертой развития науки и техники в настоя-
щее время является переход ко все более полной ав-
томатизации контроля, регулирования и управления
производственными и технологическими процесса-
ми. Наметилась тенденция разработки миниатюрных
микропроцессорных аналого-цифровых преобразова-
телей, встроенных в полупроводниковые датчики
приборов, измеряющих давление, которые позволя-
ют передавать выходной сигнал непосредственно на
ЭВМ. Анализируя потребности народного хозяйства,
можно прогнозировать приоритетное развитие таких
областей, как энергетика, авиация, метеорология, ме-
дицинское приборостроение, робототехника, что по-
требует создания нового поколения интеллектуаль-
ных датчиков давления и показывающих приборов.
349
Что касается высшего звена поверочной схемы в
области избыточного давления по ГОСТ 8.017-79, то
вместо эталона-копии ВЭТ 23-1-83, который чрезвы-
чайно интенсивно эксплуатируется, запланировано
создать новый эталонный комплекс грузопоршневых
манометров, работающих на жидких и газообразных
средах, с расширенным диапазоном измерений до
60 МПа и возможностью осуществления поверки на
нем эталонных дифманометров при опорном давле-
нии до 10 МПа. Одновременно с созданием этого ком-
плекса решается задача разработки нового поколения
вторичных эталонов на основе термодинамических,
поляризационно-интерференционных, ферромаг-
нитных манометров, манометров на газовой смазке и
др. Поставлена задача разработки новой государствен-
ной поверочной схемы, единой для областей абсолют-
ных и избыточных давлений. В настоящее время в
этих областях функционирует более 100 типов и мо-
дификаций рабочих эталонов, что существенно ус-
ложняет систему передачи единицы давления. Разра-
ботка новых автоматизированных широкодиапазон-
ных рабочих эталонов позволит унифицировать
средства поверки СИ давления, что значительно со-
кратит количество их типов. Модернизация системы
метрологического обеспечения измерений статиче-
ского давления позволит обеспечить:
— повышение точности эталонов и средств пере-
дачи единицы давления;
— сокращение числа рабочих эталонов и ступеней
поверочных схем;
— высокую метрологическую эффективность и по-
вышение качества поверки рабочих СИ;
— большие резервы дальнейшего повышения точ-
ности рабочих СИ.
В настоящее время проводятся следующие основ-
ные работы по совершенствованию и расширению
функциональных возможностей эталонных грузо-
поршневых манометров:
— изготовление и исследование эталонных изме-
рительных поршневых колонок из твердых сплавов.
Как показала поверочная практика, при проведении
большого числа поверок на эталонных грузопоршне-
вых манометрах 2-го разряда, экономически целесо-
образно применять колонки из твердых сплавов, так
как поршень и цилиндр в этом случае подвергаются
меньшему износу. В результате исследований предпо-
лагается отобрать наиболее оптимальный вариант
конструкции поршневых колонок с точки зрения тех-
нологичности изготовления, стабильности метроло-
гических параметров и экономичности;
— изготовление и исследование эталонных грузо-
поршневых манометров на газовой смазке. Такие ма-
нометры обеспечат поверку манометров, работающих
на газе без разделителя, т.е. без потери точности;
— изготовление и исследование эталонных грузо-
поршневых манометров первого и второго разрядов
для области дифференциальных давлений с возмож-
ностью создания разных опорных давлений. В настоя-
щее время промышленностью, поверяют в условиях,
когда опорное давление в минусовой камере равно ат-
мосферному. В этом случае полученные погрешности,
согласно существующим нормативным документам,
автоматически распространяются и на случаи, когда
опорное давление во много раз превышает атмосфер-
ное, что некорректно. В реальных условиях дифма-
нометры, установленные в коммерческих узлах учета
нефти и газа магистральных нефте- и газопроводов,
работают, когда опорное давление в десятки раз пре-
вышает атмосферное давление. В результате этого не-
правильно определяют расход нефти и газа, что при-
водит к большим экономическим потерям. Такое по-
ложение сложилось и в других отраслях народного
хозяйства: энергетике, металлургии и др. Для реше-
ния этой проблемы необходимы создание парка эта-
лонных грузопоршневых манометров для области
дифференциальных давлений, разработка и внедре-
ние новых нормативных документов по поверке диф-
манометров.
Что касается высшего звена поверочной схемы в
области избыточного давления по ГОСТ 8.017-79, то
в результате интенсивной эксплуатации эталона-ко-
пии ВЭТ 23-1-83, запланировано вместо него создать
новый эталонный комплекс жидкостных и газовых
грузопоршневых манометров с расширенным диапа-
зоном измерений до 60 МПа и возможностью осуще-
ствления поверки эталонных дифманометров при
опорном давлении до 10 МПа.
Одновременно с восстановлением позиций в час-
ти изготовления эталонных грузопоршневых мано-
метров всех известных модификаций, проводилась
работа по переработке ГОСТ 8291-83 [5] в соответст-
вии с современными требованиями отечественной
промышленности, рекомендациями МОЗМ [6], соз-
данием предпосылок для расширения экспорта про-
дукции и повышению ее конкурентоспособное ги на
мировом рынке. В частности, в проекте нового меж-
государственного стандарта ужесточены требования
к качеству изготавливаемых эталонных грузопоршне-
вых манометров. Кроме того, признано целесообраз-
ным начать изготовление эталонных грузопоршне-
вых манометров класса 0,01, требования к которым
также приведены в проекте стандарта.
Литература:
1. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г Техника измерения дав-
ления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара.
— М.: Изд-во стандартов, 1989. — 288 с.
2. Льюцци М. История физики. — М.: Мир, 1970. — 464 с.
3. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. — М.: Мир,
1972.-215 с.
4. Развитие физики в России. — М.: Просвещение, 1970.
-415с.
5. Сто лет государственной службы мер и весов в СССР,
- М„ Л.: ОГИЗ, 1945. - 376 с.
6. Гуляев М.А., Ерюхин А.В. Измерение вакуума — М.: Изд-
во стандартов, 1967. — 147 с.
7. Большая Советская энциклопедия, т. 7, 1972.
В.Н. Горобей, А.И. Гончаров
350
Вакуумные измерения
Историческая справка
Первые попытки вакуумных измерений относятся
к эпохе Возрождения и связаны с именами Э. Торри-
челли, Б. Паскаля и О. фон Герике („магдебургские по-
лушария"). В дальнейшем опыты с измерениями пони-
женных давлений воздуха и газов производились, глав-
ным образом, в рамках физических исследований
свойств газообразной среды. При проведении таких
опытов основным инструментом были t/образные ма-
нометры с ртутным наполнением, с помощью которых
можно было фиксировать давления или разности дав-
лений не менее 1 мм рт.ст., т.е. -100 Па. Существенным
достижением стало введение в лабораторную практи-
ку во второй половине прошлого столетия Мак-Лео-
дом компрессионного вакуумметра, обеспечившего из-
мерения абсолютных давлений вплоть до 0,1-1 Па, а в
дальнейшем — и еще более низких.
В начале XX в. появились первые модели тепло-
вых вакуумметров (М. Пирани), чуть позднее — иони-
зационных вакуумметров. Тем самым возникли воз-
можности для измерения давлений до 104-10’5 Па. Осо-
бо важную роль сыграли здесь работы группы ученых
во главе с С. Дэшманом, связанных с компанией
General Electric (США). Теорегическая поддержка их
усилий была заслугой И. Лэнгмюора. Другой вехой бы-
ло создание в 1930-х гг. первых образцов магнитных
электроразрядных вакуумметров, большой вклад в ко-
торые внесли Пеннинг и концерн Philips (Нидерлан-
ды). Крупнейшим достижением стали в дальнейшем
работы Альперта и др. из компании Westinghouse
(США), завершившиеся в 1950-х гг. появлением пер-
вых вакуумметров для измерения сверхвысокого ва-
куума, т.е. для давлений вплоть до 10'8-10“Па. Целый
ряд важных идей, предопределивших развитие сверх-
высоковакуумной измерительной аппаратуры, был
выдвинут в последние десятилетия П.А. Редхедом и
его сотрудниками в National Research Council (Кана-
да). Большой вклад в теорию и практику вакуумных
измерений внесли также Лафферти и Дэвис (США),
С. Шумов (Франция), Накаяма (Япония), Райх (ФРГ),
Л. Холлэнд (Великобритания), Я. Грошковский (Поль-
ша). Определяющую роль в формировании современ-
ного подхода к вакуумметрической аппаратуре сыгра-
ли разработки фирм Varian и MKS Instruments (США),
Edwards (Великобритания), Alcatel (Франция),
Leybold-Heraeus (ФРГ), Balzers (Лихтенштейн).
В России интерес к вакуумным измерениям возник
в начале ХХ-го в. в связи с разработкой и изготовлени-
ем осветительных приборов. В дальнейшем мощный
импульс к развитию вакуумметрической техники был
дан быстрым прогрессом электроники и радиотехни-
ки. Ведущую роль здесь играли исследования, прово-
дившиеся в 20-40-х гг. на заводе „Светлана" (Ленин-
град). В дальнейшем успехи отечественной вакууммет-
рической школы, выросшей в научном коллективе
НИИ вакуумной техники (Москва), созданном акад.
С.А Векшинским, связаны с работами А.М. Григорье-
ва, Л.П. Хавкина и др. Активная научная деятельность
в сфере вакуумметрии осуществлялась в 1960-1980-х гг.
в лаборатории вакуумных измерений ВНИИ метроло-
гии им. Д.И. Менделеева, возглавлявшейся вначале
М.А. Гуляевым, а затем А.В. Ерюхиным.
В последние 20-30 лет стало интенсивно разви-
ваться направление, связанное с измерениями основ-
ной динамической характеристики вакуума — газово-
го потока и производных величин. Разработаны схе-
мы измерений и конструкции потокомеров и мер
потока для диапазона от 1010-10‘9до 1О’-1О’2м3.Па/с.
Здесь также видную роль играют приборы производ-
ства компании MKS Instruments.
Физические основы вакуумных
измерений
Вакуумные измерения — измерения макропарамет-
ров газовой среды, характеризующих степень ее раз-
режения и специфические явления, происходящие в
этих условиях. Практически к вакуумным измерени-
ям относят измерения абсолютных (полных и парци-
альных) давлений остаточного газа, потоков газа,
плотности потока, быстроты откачки и вакуумной
проводимости (или вакуумного сопротивления) ком-
понентов вакуумных систем, а также измерения гер-
метичности изолируемых изделий и объектов, приво-
димые обычно к измерениям вышеперечисленных ве-
личин.
Понятие давления в кинетической теории газов
основано надопущении равновероятности направле-
ний движения газовых молекул в рассматриваемом
объекте. В связи с этим обычно предполагается суще-
ствование максвелловского (стохастического) распре-
деления молекул в тех реципиентах (камерах), в ко-
торых производят измерения давлений. Однако из-
вестно, что в динамических вакуумных системах
молекулы, выходящие из локализованных источников
газа и удаляемые локализованными средствами откач-
ки, концентрируются преимущественно вокруг осе-
вых направлений излучения. Это, очевидно, вызыва-
ет нарушения статического равновесия и неравномер-
ность плотности молекул в камерах и, как следствие,
неопределенность значения давления. Под воздейст-
351
вием такого эффекта „молекулярного пучка" показа-
ния вакуумметра могут зависеть от расположения со-
ответствующего первичного преобразователя относи-
тельно пучка. Исследования показали, что отклоне-
ниями от изотропности газа можно пренебречь, если:
а) чувствительный элемент преобразователя разме-
щен под достаточно малым телесным углом видимо-
сти к каналам подачи и откачки газа и б) площадь по-
верхности отверстий в указанных каналах относи-
тельно мала (по сравнению с общей площадью
поверхности камеры).
Вакуумная система любой технологической уста-
новки включает в себя ряд камер, связанных друг с
другом трубками, диафрагмами с отверстиями, ком-
мутирующей арматурой, проницаемыми перегородка-
ми и проводящими элементами других форм. Взаимо-
связь между значениями давлений в камерах может
быть, в принципе, определена путем расчетов, осно-
ванных на уравнениях кинетической теории газов и
вакуумной физики, но, как правило, этих расчетов не-
достаточно для установления соответствия действи-
тельных параметров среды заданным, в том числе тех-
нологическим, требованиям. В подавляющем боль-
шинстве случаев требуются непосредственные
измерения давления с помощью соответствующих ва-
куумметрических приборов.
Пусть вакуумная система содержит камеру (напри-
мер, г ую по течению газа), л которой требуется из-
мерить давление по присоединенному к ней вакуум-
метру (рис. 1). Положим, что в процессе измерения
температуры камер системы неизменны, хотя могут
быть различными. В общем случае газ поступает в i -
ую камеру из предыдущей, j -1 -ой камеры (в частном
случае, из газового резервуара или баллона) и выте-
кает в последующую, i+ 1 -ую камеру (в частном слу-
чае, в вакуумный насос). Баланс газа в j -ой камере сис-
темы при указанных допущениях может быть пред-
ставлен в виде:
k
X Ц-г
A-l
~Pi
~Ui Pi~— Ti
^+1
+ 4i~*iPi
' -I;
действия, характеризующая интенсивность процессов
сорбции и десорбции газа в первичном преобразова-
теле вакууммеара, присоединенном к г -ой камере.
Введя обозначения:
Ui + UM-T'- + si
at =----------
К
6i=-^-2L
Vi т, i
(2)
получим дифференциальное уравнение баланса
для любого однородного газа в i -ой камере:
dp:
— + ~ h't‘1-1 " Cit>M ~d(=0- (3)
В общем случае можно составить систему уравне-
ний вида (3) для всех п последовательно расположен-
ных камер вакуумной системы:
>> dt Ji
.(1)
где pi-i,j, p,,j и pi+ij — давления каждого индиви-
дуального ( i -ого) газа (в смеси k газов) в г-1-ой, i-
ойи i + 1-ой камерах соответственно; , 7] и Тм —
температуры газов в i-1-ой, j-ой и г + 1-ой камерах
соответственно; Ui-\,j , — значения вакуумной про-
водимости (по данному газу и при данной температу-
ре) элементов, связывающих г -1 -ую, i -ую и i +1 -ую
камеры соответственно; — интегральный поток
данного газа, поступающий в i -ую камеру или удаляе-
мый из нее вследствие натекания извне, процессов ад-
сорбции и десорбции на стенках и других поверхно-
стях камеры; — суммарная эффективная быстрота
dp\
~Т’ + а\Р\ ~^ipA ~clp2 ~dl
at
“\Р\ “ЪРз
at
dpi
'зР* - = О,
at
dp;
+ а(р - bip^ - ctpM - dt = 0,
at
(4)
^7 + ЯпРп -b„p„i - Cnpfi - d„ = 0
где рл — давление газа, подаваемого в первую (по
течению) камеру системы; рв — давление у входа в
===—=^==^— 352 —. ..
насос, присоединенный к я-ой, последней (по тече-
нию) камере системы.
Пусть в первую камеру поступает поток газа Q;,
который будем считать постоянным в процессе изме-
рения. Тогда для этой камеры можно записать (для лю-
бого однородного газа):
Положим также, что последняя камера откачива-
ется с быстротой действия \ , которую будем считать
постоянной в процессе измерения. Тогда для этой ка-
меры можно записать (для любого однородного газа):
При этом система уравнений (4) примет вид:
, ~+aiPi ~с\Рг _(А = 0>
at
~~+azPi~Ъ%р\ -Счрз ~d2 - О,
at
ra^p-j -Ь3р2 -c$pi ~d3 -О,
dp;
— + atpi-Ьр^-ctpM -dt =0,
at
dp„
-£— + a„p., —b„p„ i — c-pK -d„ =0
7, пгп ПгП~1 Пго n
Изложенное показывает, что измеряемое низкое
давление газа pi является результатом воздействия
целого конгломерата пространственно-временных
процессов в вакуумной системе, для всесторонней
оценки которых требуются знания и учет всех физи-
ческих параметров, присутствующих в системе урав-
нений (7). Аналогичные выводы можно получить при
решении задачи измерения потоков газа. Кроме то-
го, представленный подход важен при непосредствен-
ном анализе ресурсов метрологического обеспечения
вакуумных измерений.
Основные понятия, термины и
определения, единицы
характеристик вакуума
Вакуум — состояние газообразной среды, абсолют-
ное давление которой ниже атмосферного.
Газ — состояние вещества, при котором движение
молекул практически не ограничено межмолекуляр-
ными силами, так что вещество может занимать лю-
бое доступное ему пространство. Давление газа — нор-
мальная составляющая силы, действующей со сторо-
ны газа на ограничивающую поверхность, деленная
на площадь этой поверхности. Абсолютное давление
представляет собой основную характеристику покоя-
щегося разреженного газа (вакуума). Основной дина-
мической характеристикой движущегося разреженно-
го газа является поток — количество газа, проходящее
в единицу времени через поперечное сечение элемен-
та вакуумной системы (трубопровода, насоса, ловуш-
ки и т.д.). Под количеством газа в вакуумной технике
понимают произведение объема, занимаемого газом,
на его давление.
Установлены следующие степени вакуума и соот-
ветствующие им примерные интервалы давлений:
— низкий вакуум — от 100 Па ди 100 кПа;
— средний вакуум — от 0,1 Па до 100 Па;
— высокий вакуум — от 10 мкПа до 0,1 Па;
— сверхвысокий вакуум — ниже 10 мкПа.
В разное время для измерения давлений было пред-
ложено и применялось немало различных единиц дав-
ления, значительная часть которьгх была некогерснт-
на (не согласована) с общепринятыми системами еди-
ниц В вакуумной технике потребность в таких
единицах была обусловлена тем, что системные (коге-
рентные) единицы (дин/см2, пьеза, кгс/см2), будучи
по размеру или очень малыми, или очень большими,
оказались неудобными и не получили распростране-
ния. Ввиду того, что долгое время — фактически до на-
чала XX ь низкие давления измеряли почти исключи-
тельно по жидкостным приборам, уровень вакуума ха-
рактеризовали непосредственно в миллиметрах
(дюймах, сантиметрах) ртутного или водяного столба.
1 мм рт,ст.=1/760 атм. — это давление, оказываемое
столбом ртути высотой 1 мм при температуре 273,16 К
и ускорении силы тяжести 9,80665 м/с2. Для сокраще-
ния в 50-е гг. нашего столетия мм рт.ст. получил специ-
альное название торр, что, естественно, не изменило
его некогерентного статуса. Позднее появились доль-
ные единицы — миллиторр, микроторр и т.д.
Широкое развитие вакуумной техники и ее внедре-
ние в автоматизированное производство привели к то-
му, что использование мм рт.ст. или горра, первона-
чально бывшего всего лишь условным лабораторным
термином, оказалось неприемлемым архаизмом. Вы
ражения вида 104 мм рт.ст., 1 О’’ мкторр и т.д. не только
представляли трудности для написания и чтения, но и
были совершенно нс наглядны. Во-первых, I мм рт.ст.
— слишком большая по размеру едини! ia .для современ-
ных вакуумных измерений. Во-вторых, физическая ос-
нова для приведения давления к показаниям жидкост-
ных приборов в настоящее время не состоятельна.
Действительно, теперь имеется множество вакууммет-
рических приборов иных видов, и, более того, жидко-
стные вакуумметры практически не применяются для
рабочих измерений. Наконец, жидкостные вакууммет-
ры утратили в последнее время монополию и на ис-
пользование в качестве эталонных средств измерений.
В-третьих, сами по себе значения — НУ7мм рт.ст.,
НУ мм рт.ст. и т.д. выражают такую высоту столба жид-
кости, которую не только невозможно технически за-
фиксировать, но и принципиально нельзя измерить,
т.к. размер молекулы ртути составляет примерно
4-10'7мм. В связи с этим еще в 1955 г. известный метро-
лог М.Ф. Маликов указывал: „Надо выбрать единицу
давления, а миллиметры столбов оставить в качестве
технического выражения, не имеющего принципиаль-
но метрологического значения". Изложенное выше
объясняет, почему неоднократно на протяжении ряда
353
десятилетий предпринимались попытки ввести в прак-
тику вакуумных измерений новые единицы давлений,
которые были бы одновременно методически удобны,
технически просты, метрически наглядны и физиче-
ски обоснованы.
Так была предложена (Тонкс, Болдуин, 1965 г.) ло-
гарифмическая шкала давлений с безразмерными еди-
ницами — бойль (Во) и дольными единицами — деци-
бойль (dBo). За нулевую (исходную) точку шкалы —
pQ было избрано атмосферное давление. Измеряемое
давление р рассчитывается по формуле:
p(dBo)=101og10-^- = log1 268g-^-
Ро Ро
Тогда, например, диапазон давлений IO'10—105 Па
соответствует интервалу от -150 dBo до 0. В частно-
сти, 1 мм рт.ст.=28,751 dBo.
Предлагались и другие варианты логарифмиче-
ских шкал, например, с нулевой точкой соответствую-
щей 1 мм рт.ст. и с названиями логарифмических еди-
ниц — „Мак-Леод“, „децилог" и др. Эти предложения
интересны для использования при автоматизирован-
ном управлении оборудованием, когда сигнал вакуум-
метра необходимо вывести на ЭВМ. Однако в метро-
логии замена шкалы производной физической вели-
чины — давления условной шкалой безразмерных
(счетных) величин была бы нецелесообразна.
В ряде стран получила распространение единица
давления — бар (bar), а также дольные единицы —
мбар, мкбар и т.д. Связь между баром и мм рт.ст.:
1 бар=750,0 мм рт.ст., 1 мбар=0,75 торр. Очевидно,
преимущество бара в том, что 1 мбар близок по раз-
меру к 1 мм рт.ст., а сама единица когерентна. Следо-
вательно, замена мм рт.ст. на бар не вызвала бы осо-
бых неудобств. Кроме того, с помощью бара удобно
измерять атмосферное давление.
В настоящее время во всем мире введена единица
давления Международной системы единиц (СИ) —
Паскаль (Па). 1 Па — давление, равное силе в 1 Нью-
тон, воздействующей на 1 квадратный метр площади.
Паскаль по размеру существенно меньше мм рт.ст. и
намного меньше бара:
1 мм рт.ст.=138,3224 Па;
1 мкПа=7,5'10'9мм рт.ст.;
1 бар=Ы05 Па.
Применение Паскаля — универсальной когерент-
ной единицы значительно упрощает физические и тех-
нические вычисления, а также облегчает и рациона-
лизирует расчеты. Предлагалось (Томас и др., 1959 г.)
дольной единице 1 мкПа присвоить специальное на-
именование — 1 Гедэ. Это мотивировалось тем, что при
использовании 1едэ в значительной степени устраня-
лись бы недостаточно наглядные отрицательные по-
казатели степени. Однако данное предложение не на-
шло широкой поддержки. С середины 1970-х гг. почти
все отечественные вакуумметры градуируют в Па.
Другое, более радикальное предложение связано
с заменой не единицы, а самой измеряемой физиче-
ской величины. Действительно, у подавляющего боль-
шинства рабочих вакуумметров их сигнал непосред-
ственно с давлением не связан. Вакуумметры измеря-
ют фактически не давление, а другие физические
величины, зависящие от молекулярной концентрации
(1/м3), средней длины свободного пробега частиц
(м), удельного числа соударений молекул с поверхно-
стью в единицу времени (1/м2-с) и др. Более того, дав-
ление как таковое в большинстве случаев не является
критическим параметром для вакуумно-технологиче-
ских процессов, и редко требуется определить имен-
но его, а не указанные выше величины.
С другой стороны, при измерениях в области
сверхвысокого вакуума правомерно поставить вопрос
о том, насколько давление — величина, выражающая
представления о стохастическом (максвелловском)
распределении молекул, может дать аутентичную ха-
рактеристику взаимодействия газовых молекул с по-
верхностью. Например, при температуре -300 К и дав-
лении 1011 Па молекулярная концентрация газа при-
ближается к значению 103—104 1/см3, близкому к
границам статистической совокупности даже на уров-
не обычной точности вакуумных измерений. Следо-
вательно, флюктуации давления могут стать соизме-
римыми с его абсолютным значением.
Отсюда вытекает, что у предложений о привязке
показаний вакуумметров к линейной или логарифми-
ческой шкале молекулярных концентраций есть вес-
кие основания. Однако до сих пор отсутствовали ка-
кие-либо идеи по соответствующей аппаратурной реа-
лизации и такой шкалы, и абсолютных средств
измерений других макропараметров газовой среды.
Поэтому предложения о замене давления как измеряе-
мой величины на другие характеристики вакуума не
могут выйти за рамки общих пожеланий.
Поток газа в соответствии с его определением ас-
социируется с направленным движением молекул раз-
реженного газа, что, в принципе, эквивалентно спе-
циальной форме расхода газа. Очевидно, такое поня-
тие имеет реальный смысл при наличии градиента
давления. В отличие, например, от массового или мо-
лярного расхода поток не является исчерпывающей
характеристикой интенсивности процесса течения
газа, и каждое значение потока следует дополнять ука-
занием температуры и рода протекающего газа.
Единица газового потока в системе СИ — м3-Па/с
по размерности, к сожалению, совпадает с единицей
мощности — Вт, в чем, правда, выражается некоторое
сходство обеих величин как энергетических характе-
ристик соответствующих процессов. Тем не менее, ре-
комендуется градуировать потокометрические прибо-
ры, в том числе течеискатели, именно в м3-Па/с, не
производя дальнейших преобразований.
Точные методы и средства
измерений, принципы их действия и
классификация
Вакуумметры — средства измерений абсолютных
давлений газа в вакуумных системах в диапазоне от
1-10"до 1-Ю4 Па (ГОСТ 27758-88).
Эти средства измерений делятся на две группы:
1. приборы прямого действия, чувствительные
элементы которых реагируют непосредственно на
давление газа независимо от его состава;
2. приборы косвенного действия, сигналы ко-
торых связаны со значением давления лишь косвен-
но, через такие свойства и характеристики газовой
12 Зак. 450
--- 354 -------
среды, как теплопроводность, внутреннее трение, мо-
лекулярную концентрацию, функционально завися-
щие не только от давления, но и от состава или рода
газа.
Связь показаний вакуумметров первой группы с
давлением, как правило, может быть рассчитана по
их измеряемым физическим параметрам (абсолют-
ные приборы). Средства измерений второй группы
относятся к приборам неабсолютного типа. Среди ва-
куумметров прямого действия почти нет таких, кото-
рые регистрировали давления ниже lO^-lO1 Па. Боль-
шинство из них не имеет выходного электрического
сигнала. Напротив, приборы косвенного действия,
как правило, являются электрическими и охватыва-
ют всю область низких давлений от 1011-10'“до 103-
104 Па. Поскольку современной промышленности
требуется контрольно-измерительная аппаратура,
дающая возможность измерять параметры техноло-
гических процессов (и регулировать их) быстро и с
минимальной затратой ручного труда, то на практи-
ке вакуумметрами косвенного действия пользуются и
при давлениях выше 10 2-101 Па.
По метрологическому назначению вакуумметриче-
ские приборы делятся на два вида:
1. эталонные СИ, по которым поверяют и градуи-
руют рабочие вакуумметры;
2. рабочие приборы, непосредственно используе-
мые на производстве.
Рабочие вакуумметры (косвенного действия) в по-
давляющем большинстве состоят из первичного пре-
образователя (датчика), присоединяемого к вакуум-
ной системе, и измерительного блока, осуществляю-
щего функции электропитания датчика и вторичного
преобразования (часто — усиления) его сигнала. В
комплекте вакуумметра измерительный блок может
функционировать с несколькими преобразователями
одного и того же или разных типов или модификаций
— многоканальные или комбинированные вакууммет-
ры соответственно.
Относительная
погрешность, %
Первичные преобразователи по конструктивному
исполнению делятся на два вида:
1. закрытые преобразователи, чувствительный
элемент которых помещен в герметизированный
стеклянный или металлический корпус, а присоеди-
нение к вакуумной системе осуществляется через пат-
рубок;
2. открытые преобразователи, чувствительный
элемент которых смонтирован на металлическом
фланце, при соединении которого с ответным флан-
цем вакуумной системы чувствительный элемент пол-
ностью или частично входит в полость соответствую-
щей камеры.
По принципу действия вакуумметры делятся на
следующие основные типы:
1. деформационные;
2. жидкостные;
3. тепловые (или теплоэлектрические);
4. электронные ионизационные;
5. магнитные электроразрядные (или магнитораз-
рядные) .
Реже встречаются такие вакуумметры, как дефор-
мационные электроразрядные, радиоизотопные ио-
низационные, вязкостные, радиометрические. На
рис. 2 приведено примерное распределение рабочих
вакуумметрических приборов по диапазонам давле-
ний с указанием пределов относительной погрешно-
сти.
В деформационных вакуумметрах мерой давления
служит деформация упругого чувствительного элемен-
та, происходящая при появлении разности давлений
по обе стороны от него. Поэтому деформационные ва-
куумметры, подобно жидкостным, относят к диффе-
ренциальным приборам. Их показания, также как и
жидкостных, не зависят от рода газа, хотя абсолютны-
ми СИ они, в отличие от жидкостных, как правило, не
являются.
По виду чувствительного элемента деформацион-
ные вакуумметры можно разделить на три группы:
Деформационные
вакуумметры
10 -
Ионизационные
вакуумметры
Тепловые
вакуумметры
50 -
Магнито-разрядные
вакуумметры
100
Сверхвысокий Высокий Средний Низкий
вакуум вакуум вакуум вакуум
------Г-------Г~ Г~-------------Г~ I г~ п
10-ю 10’8 10’6 10"4 10‘2 1 102 104 Давление, Па
Рис. 2
355
1. трубчатые (пружинные);
2. мембранные;
3. сильфонные.
По способу регистрации деформации различают:
1. механические и оптико-механические СИ;
2. электрические (индуктивные, емкостные и тен-
зочувствительные) СИ;
3. электронно-механические (механотронные)
СИ.
В жидкостных (гидростатических) вакуумметрах
мерой давления является разность высот столбов жид-
кости в трубках (коленах) вакуумметра. В t/образных
(двухтрубных) вакуумметрах (диапазон измерений
103-104Па, относительная погрешность 3-0,5 % соот-
ветственно) эта разность непосредственно характе-
ризует измеряемое давление или разность давлений.
В компрессионных вакуумметрах (вакуумметр Мак-Ле-
ода: диапазон измерений 102-103 Па, относительная
погрешность от 5-10 % до 2-3 % соответственно) ука-
занная разность и измеряемое давление находятся в
соотношении, определяемом степенью предваритель-
ного сжатия (компрессии) газа.
В тепловых вакуумметрах для измерения низких
давлений используются процессы теплопередачи. В
термопарных вакуумметрах чувствительный к давле-
нию элемент — термопара, спай которой поддержи-
вается при повышенной температуре обычно путем
пропускания тока по нагревательному элементу (про-
волоке), имеющему прямой или косвенный контакт
со спаем. Термо-эдс является функцией температуры
спая, зависящей от теплопроводимости разреженно-
го газа, находящегося в объеме преобразователя. При
постоянном токе накала нагревателя эдс термопары
представляет собой однозначную характеристику из-
меряемого давления. В терморезисторных вакууммет-
рах в качестве меры давления также используются те-
пловые потери тонкой нагретой проволоки, проис-
ходящие при передаче тепла через разреженный газ
стенкам преобразователя. Однако здесь проволока яв-
ляется плечом измерительной мостовой схемы. Изме-
нение сопротивления этого плеча, вызванное изме-
нением его температуры, приводит к разбалансу мос-
та, фиксируемому внешним электроизмерительным
прибором.
Электронные ионизационные (или просто иониза-
ционные) вакуумметры представляют собой СИ, дей-
ствие которых основано на зависимости числа иони-
зированных в объеме преобразователя молекул от дав-
ления газа. Вообще процесс ионизации остаточных
молекул в вакууме может быть контролируемым (ин-
тенсивность ионизирующего фактора поддерживает-
ся при измерениях постоянной и не зависит от давле-
ния) и неконтролируемым (степень ионизации не по-
стоянна и зависит от давления). При контролируемой
ионизации — в ионизационных вакуумметрах роль не-
изменного ионизирующего фактора выполняет в по-
давляющем большинстве случаев термоэлектронная
эмиссия. В преобразователе ионизационного вакуум-
метра находится источник электронов—прямонакаль-
ный катод, находящийся под положительным потен-
циалом относительно корпуса (земли), анод, уско-
ряющий и отводящий электроны, и специальный
приемник ионов—коллектор, потенциал которого ни-
же потенциала катода. Часть эмиттированных катодом
электронов устремляется к аноду, по пути сталкиваясь
с молекулами остаточного газа, имеющимися в объе-
ме преобразователя, и ионизируя их. Определенная до-
ля положительных ионов, образовавшихся в результа-
те актов ионизации, собирается коллектором и реали-
зует в цепи коллектор-корпус ток, измеряемый, как
правило, с помощью усилителя постоянного тока. Чис-
ло актов ионизации, а, следовательно, и число ионов,
созданных при стабилизированном токе эмиссии элек-
тронов, пропорционально молекулярной концентра-
ции газа. Поскольку при постоянной температуре кон-
центрация и давление газа связаны между собой линей-
но, то коллекторный (ионный) ток используется в
качестве меры давления.
Контролируемая ионизация осуществляется в
большом числе ионизационных вакуумметров, отли-
чающихся между собой по структуре (форме, разме-
рам и взаимному расположению электродов). Эти раз-
личия предопределяют и область измерений давле-
ний. Все приборы можно разделить на три основных
класса:
1. СИ с преобразователями, имеющими внешний
цилиндрический коллектор, — триодные вакууммет-
ры для измерений высокого вакуума;
2. СИ с преобразователями, содержащими миниа-
тюрные плоские электроды — вакуумметры для изме-
рений среднего вакуума;
3. СИ с преобразователями, имеющими внутрен-
ний осевой коллектор (в зарубежной литературе —
преобразователи Байярда-Альперта), — вакуумметры
для измерений высокого и сверхвысокого вакуума.
Неконтролируемая ионизация осуществляется в
форме электрического разряда в газовом промежут-
ке с наложением на него магнитного поля. Магнито-
разрядные вакуумметры подразделяют, исходя из вза-
имной ориентации электрического и магнитного по-
лей, на три вида:
1. СИ с рамочным (кольцевым) или цилиндриче-
ским анодом (ячейка Пеннешга), пригодные для из-
мерений давления от 10'6-10'5до 10-100 Па;
2. СИ с магнетронными преобразователями;
3. СИ с инверсно-магнетронными преобразовате-
лями.
Последние предназначены для измерений давле-
ния от 10п-1010до 0,1-1 Па.
Появившийся в междуэлектродном пространстве
преобразователя электрон под воздействием магнит-
ного поля движется по удлиненной траектории, что
повышает степень ионизации остаточного газа. По-
ложительные ионы, образовавшиеся в результате ак-
тов ионизации, направляются на катод и выбивают с
его поверхности вторичные электроны. Эти послед-
ние, также как свободные электроны, появившиеся
при ионизации молекул, поддерживают существова-
ние самостоятельного тлеющего разряда в объеме
преобразователя. Разрядный ток, представляющий
собой сумму ионного тока на катод и тока вторичных
электронов, измеряется в цепи катода и является ме-
рой давления газа, но зависит от него линейно.
Метрологические характеристики отечественных
вакуумметров вышеперечисленных видов приведены
в табл. 1-3.
356
Таблица 1
Метрологические характеристики тепловых вакуумметров
Тип вакуумметра Диапазон измерений Диапазон индикации Предел относительной погрешности, % Форма представления измерительной информации
Па
ВИТ-2А (ВИТ-2АП), ВИТ-3 (термопарные части), ВТ 2А, (ВТ-2АП), ВТ-3, ВТ-6 Ю'-Ю 10--101 Ю'-Ю2 ±(30-60) По градуировочной кривой (ВТ-6 - непосредственный отсчет)
ВТ-8, ВТЦ-1 Ю2-Ю2 ю-’-ю - ±(15-20) Непосредственный отсчет
ВТМ-2, УКВ-3/7-001, уКВ-3/0 002, УКВ-3/7-003, ВК-3, ВК-4 (терморезисторные части), ВТБ-1, 13В 1'3-003 (ВТБ-2), РВТ 2М, РВТ-3, ВТ1-4, РВТ-5 1-4-10s 0,3-1 41О’-1О5 -40-+60 Непосредственный отсчет (ВТБ-1, РВТ-2М, РВТ-3, РВТ-5 - по градуировочной кривой)
ВТБ-2/3-002 6-102 4-10s 41O’-1OS -50 +80 Непосредственный отсчет
BTB-G 4-ЮМ,3-10’ 1,340’-10ь ±(25-30) Непосредственный отсчет
Таблица 2
Метрологические характеристики ионизационных вакуумметров
Тип вакуумметра Диапазон измерений Диапазон индикации Предел относительной погрешности, % Форма представления измерительной информации
Па
ВИТ 2А (ВИТ-2АП), ВИТ 3, ВИЦБ-2/7-002, ВК-4 ю’-ю1 7-Ю’5-10 Ю’-7-Ю’’ ±(30-60) По пересчетной формуле (ВИЦБ 2/7 002, ВК-1 непосредственный отсчет)
ВК-4, ВИ-14, ВИЦ-9/0-001 7-10-8-10’ 7.10-М юм-ю-8 2-10’-10 ±(25-55) Непосредственный отсчет (ВИ-14 - по пересчетной формуле)
Таблица 3
Метрологические характеристики магниторазрядных вакуумметров
Тип вакуумметра Диапазон измерений Диапазон индикации Предел относительной погрешности, % Форма представления измерительной информации
Па
ВТМ-2, УКВ-3/7-001, УКВ-3/7-003, ВК-3, ВК-4, (магниторазрядные части), ВМБ-8, ВМБ1-2, ВМЦБ-12, ВМБ-14, РВМ-6 107-1 -40-+80 •50-+110 (0,1-1 Па) Непосредственный отсчет (ВМБ 8. РВМ-6 - по градуировочной кривой)
ВМБ 11, ВМБ-1/8-001, ВМБ-16 Ю»-1 2-Ю11-Ю" -40-+80 -50+110 (Ю-’-Ю-1 Па) Непосредственный отсчет
ВЭМБ-1 7-10’-10 Ю’3-7Ю3 ±75 По градуировочной кривой
ВМБ-10 10-4-1 - ±(60-90) По градуировочной кривой
ВМБ-12 10J 1 - -50-+80 -60-+Ю0 (Ю-’-Ю’; КН-1 Па) Непосредственный отсчет
Области применения, роль
вакуумных измерений в науке и
промышленности
Высокоэффективные технологические процессы,
такие как ионно-плазменное напыление, криосубли-
мация биопрепаратов, дистилляция органических
продуктов, рафинирование металлов и др. требуют
создания и поддержания высокоразреженной газовой
среды (вакуума) и контроля ее параметров. К каждо-
му из этапов вакууммирования объектов и приборов
предъявляют определенные требования, степень вы-
полнения которых контролируют с помощью средств
вакуумных измерений.
В любой вакуумной системе — от простейшей фор-
вакуумной установки до уникальных электрофизиче-
ских комплексов (ускорители заряженных частиц) и
космических аппаратов — используют приборы для из-
_==========^= 357
мерения вакуума. Фактически нет ни одной техноло-
гической карты или иного производственного доку-
мента к вакуумному процессу или оборудованию, в ко-
тором не были бы оговорены предельные значения
остаточного давления. Аналогично каждую вакуумную
систему регулярно испытывают на герметичность,
применяя тот или иной способ течеискания и соот-
ветствующую аппаратуру.
Развитие ряда отраслей промышленности (черной
и цветной металлургии, авиационной техники, хи-
мии, биотехнологии и др.) и научных исследований
(атомной энергетики, криогенной и космической тех-
ники, космических проектов и т.д.) привело к сущест-
венному изменению роли и функций средств вакуум-
ных измерений. Современные вакуумметрические
приборы характеризуются, прежде всего, значитель-
ным расширением диапазона рабочих давлений в сто-
рону сверхвысокого вакуума. Если 25-30 лет назад по-
лучение и измерение ост ат очных давлений ниже 10'
8-10'6Па было доступно лишь для ограниченного
круга лабораторий, то в последнее время благодаря
достижениям сверхвысоковакуумной технологии и ва-
куумметрии оказалось возможным существенно рас-
ширить сферу приложений низких давлений газа.
Важной чертой современного состояния вакуумной
техники является переход ко все более полной авто-
матизации вакуумно-технологических процессов. В
связи с этим происходит полный пересмотр прежне-
го подхода к вакуумметрам как к средствам измерений
с показывающим (стрелочным) выходным прибором,
с традиционными способами обработки результатов
измерений, требующих весьма ограниченных условий
применения. Современный вакуумметр должен, как
правило, иметь цифровой (или светоцифровой) от-
счет, автоматическое переключение диапазонов изме-
рений, многоканальную блокировку внешних электри-
ческих цепей, выходной аналоговый сигнал. Некото-
рые последние модели включают микропроцессоры.
Важными тенденциями являются также миниатюриза-
ция всех составных элементов вакуумметров и расши
рение условий их применения (дистанционноеуправ-
ление, многопозиционная схемотехника, взрывобезо
пасность, помехоустойчивость и т.д.).
Если даже вакуумно-технологическая система
спроектирована и изготовлена правильно и с соблю-
дением соответствующих нормативов, опа може г ока •
заться нерабогоспособной из-за нарушений герметич-
ности оболочек элементов системы и их соединений.
Ранее считалось, что процесс течеискания и выявляе-
мые в его ходе дефекты составляют процедуру и объ-
ект индикации, но не измерений. Однако в последние
годы развитие течеискания и расширение сферы его
приложений (например, в автомобильной промыш-
ленности, трубопроводной и холодильной технике,
химических реакторах и т.д.) потребовали пересмот-
ра этих представлений и, прежде всего, установления
точной связи между сигналами течеискателя и пото-
ками пробного газа, поступающими в чувствительный
элемент прибора. Необходимость, с одной стороны,
в массовом и надежном автоматизированном контро-
ле вакуумной плотности различных электронных и по-
лупроводниковых приборов и в их соответствующей
отбраковке, а с другой стороны, в тщательном и га-
рантированном контроле отсутствия течей в крупно-
масштабных комплексах (нефте- и газопроводы, ле-
тательные и космические аппараты и т.д.) привела к
требованиям нормировать показатели герметично-
сти, а, следовательно, и течеискания. Особую важ-
ность приобрели достоверность и нормативный уро-
вень течеискания при испытаниях экологически опас-
ных объектов (оболочки контуров АЭС, подводные
суда, резервуары для химреактивов и др.), безаварий-
ная эксплуатация которых должна быть надежно га-
рантирована.
Решение задачи количественного информативно-
го контроля герметичности, также как и осуществле-
ние точных измерений низких давлений и других па-
раметров вакуумных систем, потребовали создания
единой системы метре,логического обеспечения из-
мерений всего комплекса этих величин.
Система обеспечения единства
вакуумных измерений (современное
состояние)
Специфика системы обеспечения единства изме-
рений вакуума, т.е. низких абсолютных давлений, со-
стоит в том, что если для области низкого и среднего
вакуума существует целый ряд эталонных абсолютных
приборов, то в области высокого и сверхвысокого ва-
куума, т.е. при давлениях ниже 10’-] 0 ‘ Па, до настоя-
щего времени не создано абсолютного вакуумметра,
по которому можно было бы непосредственно пове-
рять или градуировать рабочие средства измерений.
Передача размера единицы давления возможна здесь
лишь при соблюдении некоторых важных условий.
Пусть газовый баланс в измерительной камере по-
верочной вакуумметрической системы соответствует
i-ому уравнению системы уравнений (7). Тогда имен-
но давление рг является объектом определения и ес-
ли оно выше 10'2-10’'Па, то его как правило можно
измерить непосредственно по эталонному (жидкост
ному или деформационному) вакуумметру, также при-
соединяемому в этом случае к i -той камере. Очевид-
но, поверка (градуировка) выполняется здесь посред-
ством прямого сличения рабочего вакуумметра с
эталонным прибором, а уравнение вида (3) описыва-
ет лишь процесс установления воспроизводимых зна-
чений давления pi.
Если же давления р{ ниже IO'’-Ю'1 Па, их измере-
ния непосредственно по какому-либо абсолютному
прибору серьезно затруднены и на уровне, соответст-
вующем эталонным средствам, не реализуются. Тогда
не только воспроизведение, но и определение (рас-
чет) искомых значений pi осуществляют путем изме-
рения ряда переменных параметров, входящих в сис-
тему уравнений (7), при известных (постоянных или
переменных) значениях других параметров.
Зависимость />, = /(/>.+1) в подавляющем большин-
стве случаев не может быть полезной для поверки
(градуировки) вакуумметров, т.к. рм < р,. Также, оче-
видно, непригодны для решения данной задачи зави-
симости pi = ^(s,) и pi = ^Si). Остальные величины —
К' > , Vj_j , и{_}, а также 7}, можно (отдельно и в
358
различных комбинациях) использовать для воспроиз-
ведения требуемого участка шкалы давлений и расче-
та их значений. Соответственно измеряемому пара-
метру можно классифицировать методы градуировки
и поверки вакуумметров. Сводка этих методов пред-
ставлена в табл. 4.
Таблица 4
Классификация методов воспроизведения шкалы низких
давлений и градуировки (поверки) вакуумметров
№ п.п. Метод градуировки (поверки) вакуумметров Расчетная функция давления Вспомога- тельные параметры
1. Прямое сличение - -
2. Хронометрический метод Uiv Ui, pi,
3. Экспансионный метод №J(V) Mi
Редукционные методы:
4. Метод редукции давления Pi= fi.pl Uiv Ui
5. Метод потоков Pi=fiQ) Ui
6. Метод переменной проводимости Pi=fiUi) Piv Ui-i
7. Термодинамический метод Pi=fiT) -
Например, в хронометрическом и экспансионном
методах для воспроизведения и определения ряда зна-
чений низких давлений используют зависимости дав-
ления от времени и объема соответственно. Общее
для обоих методов — обязательное наличие как мини-
мум двух отдельных камер, между которыми под воз-
действием разности давлений происходит течение
разреженного газа. Помимо переменной величины
(время и объем) их отличает и то, что при хрономет-
рическом методе газ течет непрерывно, а при экспан-
сионном — циклически. Таким образом, в первом слу-
чае измерения производят хоть и при малом, но ко-
нечном значении производной dp/dt, а во втором —
при ее бесконечно малом значении.
Характерной особенностью редукционных мето-
дов является процесс стационарного течения разре-
женного газа через вакуумную систему, содержащую
несколько (обычно не менее 2-3) последовательно со-
единенных камер. Этот процесс реализует понижение
(редукцию) давления, посредством которого осуще-
ствляется передача размера единицы давления из об-
ласти низкого и среднего вакуума в область высокого
и сверхвысокого вакуума. В отличие от хронометри-
ческого метода измерения производят здесь в устано-
вившемся режиме и при dp)dt -->0 ( , рм =const), а в
отличие от экспансионного метода измерения прово-
дят в состоянии динамики, т.е. при Ut, Ui+i * 0 .
При воспроизведении шкалы потоков разрежен-
ных газов их баланс в i -ой камере системы (см. рис. 1)
при непрерывном течении т компонентов смеси га-
зов (и при прежних допущениях) может быть пред-
ставлен в виде:
"1 1
I f[d(pv)
dt Jy
(10)
где Q и Qi-i — потоки газа, удаляемого из i -ой ка-
меры в i +1 -ую и подаваемого из i -1 -ой камеры в i -
ую соответственно.
Уравнение (10) можно после преобразований предста-
вить в виде:
=Ма-' к -’Л)'+Д—; (ад
или для однородного газа:
п dpi Л dV: А
+ (12)
Для всех п последовательно расположенных камер
системы можно записать систему уравнений вида:
>1 1 >il dt .
т т ( Т \ т и Г тг Y
ХОз7=Х +Xfe-v3)y+X
>1 Jj ;=1 >1L
dt
w та f 'Т' \ т
X ЬпРп )у = X On-) — + X (?п
>1 >11 ij j=l
(13)
где Од — поток газа, поступающего в первую (по
течению) камеру и предполагаемый здесь постоян-
ным и равным:
Ол =Ул(рл ~ А). (14)
причем UA — проводимость входного элемента
системы.
При сличении двух потокомеров между собой сис-
тема уравнений (13) описывает лишь процесс установ-
ления воспроизводимых значений потока Qj . Одна-
ко при реализации исходной потокометрической ап-
паратуры необходимо количественное определение
искомых потоков Qi путем измерения одного или не-
скольких параметров, входящих в систему (13) при из-
вестных (постоянных или переменных) значениях
других параметров. Очевидно, зависимости Qi = /($,)
и Qi = F(tji) не могут быть здесь полезны. Температур-
ная зависимость также не нашла применения на прак-
тике. Остальные величины — V) ,/>, ,/ и Q>-i при ис-
комом потоке Qi и , pi, t и Qi при искомом пото-
ке Qi-1 можно (отдельно и в различных комбинациях)
использовать для воспроизведения требуемого диапа-
зона потоков и расчета их значений. Соответствен-
---- 359
но изменяемому параметру можно классифицировать
методы поверки и градуировки потокомеров. Сводка
этих методов представлена в табл. 5.
Таблица 5 Классификация методов воспроизведения шкалы газовых пото- ков и поверки (градуировки) потокомеров
№ п.п. Метод поверки (градуировки) потокомеров Расчетная функция потока Вспомога- тельные переменные
1. 2. Прямое сличение Метод переменного объема: а) жидкостный потокомер б) механический потокомер Qi=QiA или ОтТНЫ) /и
3. Метод переменного давления кумуляционная установка О'.г/СХ') ИЛИ Vi
4. Редуктометрический метод Ql=UA(pA-pl) или Qn=Snpn -
Очевидно, что уравнение измерения, например,
жидкостного или механического потокомера можно
вывести из уравнения (12) при ££_1=0 (иногда
О, = 0 ), а также при условии qt, \ —>0 . Для редукто-
метрического потокомера, действие которого осно-
вано в большинстве случаев на измерении перепада
давлений при течении искомого потока разреженно-
го газа через элемент известной (рассчитанной или
измеренной) проводимости, процесс измерения
осуществляется, наоборот, при d(pV^dt = Q и О, ,
0,-1 * 0. Измерения на кумуляционной установке (с
накоплением поступающего газа) выполняется при
dV/dt = Q или Qi= 0 (и также при , s(—>0).
Международное сотрудничество
Сотрудничество ведущих промышленных держав в
области вакуумных измерений осуществлялось, начи-
ная с 1960-х гг., по линии IUVSTA (Международного
союза по вакуумной науке и технике и ее приложени-
ям) и ISO/TK 112 (технического комитета 112 „Ваку-
умная техника” Международной организации по стан-
дартизации), а в дальнейшем в рамках ЕЭС и в форме
двусторонних и круговых сличений между странами
Европы, Северной Америки и Азии. Посколькуучастие
СССР, а затем и России в IUVSTA имело сугубо фор-
мальный характер, то фактически это привело к пол-
ному отрешению от этих работ. Что касается ISO/
ТК 112, то СССР, а в дальнейшем и Россия, имели в нем
статус наблюдателя и соответственно были в стороне
от сотрудничества с другими странами.
Начиная с 1970-х гг. предпринимались попытки ус-
тановления контактов по части вакуумных измерений
в рамках СЭВ. На практике определенную активность
проявляли лишь СССР и ГДР. Поэтому вполне логич-
но, что вскоре они перешли к двустороннему сотруд-
ничеству. До начала 1980-х гг., когда это сотрудничест-
во затормозилось, были проведены весьма детальные
сличения эталонных приборов обеих стран в диапазо-
не низкого и среднего вакуума, в первую очередь — ис-
ходных эталонных компрессионных вакууметров
СССР и ГДР. Сличения дали положительные результа-
ты. Были проведены также весьма перспективные сли-
чения в области высокого вакуума, реализованные по-
средством перекрестной градуировки эталонов-свиде-
телей — прецизионных ионизационных вакуумметров
ряда типов на эталонных редукционных установках
обеих стран. После распада СЭВ, а затем и СССР и из-
вестных изменений на территории Германии указан-
ное сотрудничество полностью прекратилось.
В начале 1990-х гг. ряд предприятий и организаций
некоторых стран — бывших членов СЭВ проявили оп-
ределенный интерес к сотрудничеству с Россией в об-
ласти вакуумных измерений. Наиболее стабильные свя-
зи установились между ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
и Институтом вакуумной технологии (Варшава, Поль-
ша) в диапазоне давлений от 105до 102 Па и потоков
газа от 109 до 10®м’-Па/с и ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева и Словацким метрологическим центром (Брати-
слава, Словакия) в диапазоне давлений от 10 s до 103 Па.
Данные совместные исследования продолжаются до
настоящего времени, но уже полученные результаты
позволили уточнить возможности совершенствова-
ния средств вакуумных измерений и сблизить разме-
ры единиц давления и газового потока сотрудничаю-
щих стран.
Литература:
1. Гуляев М.А., Ерюхин А.В. Измерение вакуума. — М.: Из-
дательство стандартов, 1966. — 148 с.
2. Кузьмин В.В. и др. Вакууметрическая аппаратура тех-
ники высокого вакуума и течеискания. — М.: Энергоатомиз-
дат, 1984. — 240 с.
3. Кузьмин В.В. Градуировка и поверка вакуумметров. —
М.: Издательство стандартов, 1987. — 136 с.
4. Кузьмин В.В. Вакуумные измерения. — М.: Издательст-
во стандартов, 1992. — 228 с.
В.В. Кузьмин
360
Государственный первичный эталон единицы
давления — паскаля, ГЭТ 23-79
Принцип действия
Воспроизведение единицы давления — паскаля го-
сударственным первичным эталоном основано на
принципе неуплотненного поршня [I], сущность ко-
торого состоит в том, что в микрозазоре поршневой
пары (поршень-цилиндр) возникает гидравлическое
или газовое уплотнение, обладающее ценными мет-
рологическими свойствами. В этом случае влияние
сил трения в зазоре определяется геометрическими
параметрами поршня и цилиндра, а процесс измере-
ния давления сводится к измерениям массы грузов и
определению эффективной площади поршня с учетом
ускорения свободного падения, деформации материа-
лов поршневой пары и дестабилизирующих факто-
ров.
Эталон представляет собой грузопоршневой ком-
паратор давления, в котором эффективные площади
поршневых систем определяются методом гидроста-
тического уравновешивания (Дф—метод) [2]. Для оп-
ределения взаимного положения сличаемых поршне-
вых систем используется электронно-лазерный метод,
на основе которого во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
было разработано устройство, защищенное автор-
ским свидетельством [3]. Общий вид эталона пред-
ставлен на рис. 1.
Состав и основные характеристики
Эталон состоит из комплекса следующих средств
измерений:
а) трех грузопоршневых манометров №№ 11, 16,
25 с номинальным значением приведенной площади
поршня 20,0 см2 и диапазоном значений давления
(0,05-0,5) МПа. Поршни и цилиндры изготовлены из
нержавеющей стали 38ХМЮА;
б) трех грузопоршневых манометров №№ 5, 8, 10
с номинальным значением приведенной площади
поршня 5.0 см2 и диапазоном значений давления (0,3-
3,0) МПа. Поршни и цилиндры изготовлены из твер-
дого сплава ВК-6М;
в) трех грузопоршневых манометров №№ 1,9, 13
с номинальным значением приведенной площади
поршня 1,5 см2 и диапазоном значений давления
(1-10) МПа. Поршни и цилиндры изготовлены из
твердого сплава ВК-10М;
г) набора гирь класса точности 2,0 с номинальны-
ми значениями от 0,000005 до 0,5 кг;
д) набора специальных грузов с номинальными
значениями от 0,5 до 5 кг, определенными с погреш-
ностью не более 10'7;
е) аппаратуры для создания и поддержания гидро-
статического давления и передачи размера единицы
Рис. 1. Государственный первичный эталон единицы давления — паскаля
361
давления. Эта аппаратура состоит из станины, прес-
са, устройств для установки измерительных поршне-
вых колонок по уровню, грузоприемных тарелок, на-
соса, лазерных устройств для контроля за положени-
ем поршней сличаемых эталонов, соединительных
трубок, вентилей и т.д. Рабочая жидкость, заполняю-
щая пресс, трубки и подпоршневое пространство —
керосин.
Суммарный диапазон значений давления, воспро-
изводимых эталоном, составляет 0,05-10 МПа с СКО
не превышающим 3-10’6и НСП — 2- 10 s.
Предыстория создания
В создании эталона принимали активное участие —
Полухин Г.И., Богуславский М.Г. и Коган Л.М., в его
дальнейшем совершенствовании — нынешний ученый
хранитель Киселев Ю.А. Дата ввода эталона в эксплуа-
тацию — 1980 г. Номер эталона по государственному
реестру ГЭТ 23-79.
Назначение и области применения
Практически во всех отраслях промышленности
необходимо измерять избыточное давление. Особое
значение эти измерения имеют в энергетике, водо- и
газоснабжении, обслуживании нефте- и газопроводов,
в измерениях расходов жидкостей и газов, при кон-
троле технологических процессов на заранее фикси-
рованных давлениях, в технике безопасности, в атом-
ной энергетике, судостроительной промышленности,
на объектах ж/д и аэрокосмонавтики и т.д.
В соответствии с государственной поверочной схе-
мой размер единицы давления передается в отрасли
приборостроения и точного машиностроения с помо-
щью грузопоршневых манометров, вакуумметров и ма-
новакуумметров. Парк рабочих средств измерений из-
быточного давления в стране составляет более
100 млн. экз. Ценные свойства манометров с неуплот-
ненным поршнем служат причиной того, что к изме-
рению давления стремятся свести измерения и дру-
гих физических величин, связанных с ним функцио-
нально или преобразуемых в давление: силы, массы,
плотности, уровня и количества жидкости в резервуа-
рах, расхода жидкостей и газов и температуры.
Основные научные результаты
Несмотря на неблагоприятные кризисные условия
90-х гг. в стране удалось не только сохранить государ-
ственный первичный эталон в полном составе, но и в
результате совершенствования повысить точность из-
мерения давления в 1,5-2 раза в зависимости от диа-
пазона измерений. С помощью эталона-копии, яв-
ляющимся физической моделью первичного эталона,
ежегодно исследуются 30-40 вторичных эталонов дав-
ления, принадлежащих государственным метрологи-
ческим службам и метрологическим службам юри-
дических лиц в России, СНГ и странах Балтии. Совме-
стная научно-исследовательская работа ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева и Шатковского приборострои-
тельного завода (ООО .Арзамасская Альтернатива")
привела в настоящее время к выпуску отечественных
эталонных грузопоршневых манометров классов 0,005:
0,02; 0,05 с верхними пределами 0,6; 6 и 60 МПа, не ус-
тупающим по метрологическим характеристикам ми-
ровым аналогам.
Уникальность и преимущества
Уникальность эталона состоит в том, что он явля-
ется единственным экземпляром в стране, воспроиз-
водящим в заданном диапазоне измерений националь-
ную шкалу избыточного давления с наивысшей точ-
ностью. Утрата эталона ведет к невозможности
обеспечения единства измерений в области избыточ-
ных, абсолютных и переменных давлений на уровне
современных международных требований.
Международные сличения и
сотрудничество
В течение последних 10 лет эталон ГЭТ 23-79 ре-
гулярно участвовал в международных сличениях. Сна-
чала с национальными эталонами стран СЭВ [4], по-
том в рамках проекта КООМЕТ тема 115/RU/95
(принималиучастие Россия, Германия, Словакия) [5].
С 1998 г. эталон участвует в ключевых сличениях в
рамках проекта Евромет № 464 (в сличениях участву-
ют 18 стран Европы).
Результаты проведенных сличений подтвердили
мировой уровень государственного первичного эта-
лона единицы давления ГЭТ 23-79.
Литература:
1. Жоховский М.К. Теория и расчет приборов с неуплот-
ненным поршнем. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 312 с.
2. Горобей В.Н., Киселев Ю.А. Метрологические иссле-
дования национального первичного эталона единицы дав-
ления — паскаля // Измерительная техника. — 1995. — № 3.
-С. 41-42.
3. Горобей В.Н., Киселев Ю.А. Устройство для поверки
поршневых систем грузопоршневых манометров. Авторское
свидетельство № 1643963 // Б.И. — 1991. — № 15.
4. Горобей В.Н., Киселев ЮЛ. Сличения национальных
эталонов единицы давления в диапазоне 0,2-3 МПа с этало-
ном СЭВ 13-87 // Измерительная техника. — 199(>. — № 11.
- С. 67-69.
5. Gorobev V., Kiselev Yu., JdgerJ., Sabuga W., Farar P. and
Faltus Z. Comparison of the national pressure standards of the
Russian Federation (VNIIM), Germany (PTB) and Slovakia
(SMU) in the pressure range 1 MPa to 3 MPa. — Metrologia, 1999.
— 36. — P. 651-655.
Ю.А. Киселев
12* Зак. 450
362
Государственный специальный эталон единицы
давления для области абсолютных давлений в
диапазоне Ы0'3-Ы03 Па,
ГЭТ 49-80
Принцип действия
В основу принципа действия государственною
специального эталона единицы давления положен
мембранно-емкостный метод измерения [1-2]. В мем-
бранно-емкостном преобразователе давление вызыва-
ет прогиб мембраны, который компенсируется элек-
трическим воздействием, приводящим ее в исходное
положение [3-6 ]. Так как величина этого воздействия
может быть рассчитана, то метод оказывается абсо-
лютным и упругие свойства мембраны влияют толь-
ко на порог чувствительности прибора.
Уравнение измерения преобразователя компенса-
ционного типа (МЕПК) имеет вид:
Р = + (1)
где р — измеренное давление; U — измеряемое
электрическое напряжение компенсации; Ро —давле-
ние н сравнительной камере пренебрежимо малое по
сравнению с измеряемым; А — расчетная постоянная
преобразователя.
k=-^-
R„J’
(2)
где 3, —электрическаяпостоянная; <4 — зазорме-
жду мембраной и электродами; 7?,, R„ — радиусы
электрода и мембраны соответственно.
Постоянную k можно рассчитать двумя способа-
ми. непосредственно по геометрическим размерам
преобразователя до сборки (многократные измере-
ния , Rj и в 4-х сечениях) и по многократно
измеренному значению емкости С при помощи уни-
версального моста Е7-10 с последующим расчетом k
по формуле'
t_ 1 с
’ (3)
Общий вид государственного специального этало-
на, который создавался и совершенствовался в пери-
од с 1975 г. по 1989 г., представлен на рис. 1. В настоя-
щее время эталон состоит из комплекса следующих
средств измерений:
— мембранно-емкостного вакуумметра ИД-01 № 1
с диапазоном измерений I-IO’-I-IO’ Па;
— мембранно-емкостного вакуумметра с устройст-
вом компрессии ИД-02 № 1 - средства передачи раз-
мера единицы давления в диапазоне 1 • 10'’-1 10' Па;
— специальной аппаратуры для создания и поддер-
жания абсолютных давлений, входящей в состав ус-
тановок мембранно-емкостных вакуумметров
В состав ИД-01 № 1 входит мембранно-емкостный
преобразователь компенсационного типа (МЕПК) и
набор из трех мембранно-емкостных преобразовате-
лей прямых измерений (МЕШ-МЕПЗ).
Мембранно-емкостный вакуумметр с устройством
компрессии ИД-02 № 1 [7] позволяет измерять давле-
ние в вакуумной системе без откачки сравнительной
камеры преобразователя и уменьшает погрешность из-
мерений на нижней границе диапазона путем присое-
динения к одной из камер преобразователя перемен-
ного объема с известными значениями его начальной
и конечной величины.
Эталон обеспечивает воспроизведение единицы
давления со средним квадратическим отклонением
результата измерений (So), не превышающим 0,3-10 2.
Неисключенная систематическая погрешность (0о)
не превышает 0,3-10z.
Необходимость создания эталона ГЭТ 49-80 воз-
никла в связи с широким развитием вакуумных изме-
рений в стране, повышением требований к их точно-
сти внедрением их в различные отрасли производ-
ства. К концу 70-х гг. отечественной электронной,
радиотехнической и приборостроительной промыш-
ленностью было создано более 30 новых типов тер-
мопарных, ионизационных, магниторазрядных и дру-
гих вакуумметров а также масс-спектромегрических
измерителей парциальных давлений. Общее число
приборов, применяемых для вакуумных измерений,
превысило 1 млн. экз., и парк продолжал пополнять-
ся все новыми приборами.
Требования к метрологическим параметрам
средств вакуумных измерений непрерывно возраста-
ли в связи с развитием авиакосмической техники, ав-
томатизацией технологических процессов в медици-
не и металлургии, особую проблему представляли из-
мерения характеристик средств откачки и контроль
герметичности вакуумных объектов, повышались тре-
бования к точности передачи размера единицы дав-
ления.
Изложенные обстоятельства обусловили необхо-
димость создания нового государственного специаль-
ного эталона, обеспечиваюшего более высокую точ-
ность по отношению к утвержденному в 1973 г. [8], а
также создание новой поверочной схемы.
В работе по созданию нового эталона принимали
участие к.т.н. МА. Гуляев, к.т.н. А.В. Ерюхин, к.т.н.
В.А. Рыжов и др., в том числе сотрудники СКВ Анали-
тического приборостроения АН СССР.
363 —
Результатом многолетних теоретических и экспе-
риментальных исследований [1-6] стало создание и
утверждение в 1981 г. государственного специально-
го эталона единицы давления для области абсолют-
ных давлений с диапазоном измерений 1-10'3-110’Па.
Эталон получил регистрационный номер ГЭТ 49-80.
Работы по совершенствованию эталона не прекра-
щались, и в 1989 г. в состав ГСЭ в качестве средства
передачи размера единицы давления был введен мем-
бранно-емкостный вакуумметр ИД-02 № 1, что позво-
лило с этого момента обеспечивать надежную переда-
чу размера единицы от стационарного государствен-
ного специального эталона стационарным рабочим
эталонам 1-го разряда, тем самым обеспечивая един-
ство измерения в области низких абсолютных давле-
ний (высокого, среднего и низкого вакуума).
Государственный специальный эталон ГЭТ 49-80
предназначен для воспроизведения и хранения еди-
ницы давления в диапазоне l-Kl’-l-lO3 Па и переда-
чи размера единицы при помощи рабочих эталонов 1
и 2-го разрядов рабочим средствам измерений, при-
меняемым в электронной, радиотехнической, прибо-
ростроительной, медицинской и химической про-
мышленности, в черной и цветной металлургии, в
авиации, криогенной и авиакосмической технике с це-
лью обеспечения единства измерений в стране соглас-
но ГОСТ 8.107-81 в диапазоне 1-10’-1-103 Па. Тосудар-
ственная поверочная схема построена на основании
потребностей поверки существующего в настоящее
время парка рабочих средств измерений в этой облас-
ти — вакуумметров, которые различаются по назначе-
нию, характеристикам, принципу действия, структу-
ре, виду чувствительного элемента и способу регист-
рации его деформации.
Трудно перечислить все отрасли промышленности
и направления научных исследований, где применяе-
мый вакуумный процесс или оборудование не требо-
вали бы контроля значения остаточного давления и
регулярных испытаний вакуумных систем на герме-
тичность с применением того или иного способа те-
чеискания и соответствующей этому аппаратуры. Это
и производство электронных и полупроводниковых
приборов, осветительных ламп накаливания, термо-
метров и вакуумных контейнеров, это технологиче-
ские процессы получения чистых поверхностей, свар-
ки, пайки и отжига в вакууме, это ионно-плазменное
напыление, криосублимация биопрепаратов, дистил-
ляция органических продуктов, контроль за отсутст-
вием течей в газопроводах, летательных и космиче-
ских аппаратах. Особую важность приобретает кон-
троль герметичности при испытаниях экологически
опасных объектов, таких как атомные подводные лод-
ки, оболочки контуров АЭС, химические реакторы,
резервуары для химреактивов.
Уникальность эталона ГЭТ 49-80 состоит в том, что
он обеспечивает воспроизведение единицы давления
в той области абсолютных давлений, которая не мо-
жет быть осуществлена с помощью других существую-
щих эталонов единицы давления, причем во всем диа-
пазоне (шесть декад давления) среднее квадратическое
отклонение $0 и неисключенная систематическая по-
грешность 0О не превышают и,3-102. Высокие метро-
логические характеристики эталона подтверждаются
его периодическими метрологическими исследования-
ми и международными сличениями с национальными
эталонами других стран [9].
Рис. 1. Государственный эталон единицы давления для области абсолютных давлений 110 М10’ Па
==----------- 364 1
Утеря эталона повлечет за собой нарушение един-
ства и достоверности измерений высокого, среднего
и низкого вакуума ь стране, негативные последствия
которых трудно себе представить.
Государственный специальный эталон ГЭТ 49-8U на-
ходится в научно-исследовательской лаборатории го-
сударственных эталонов и научных исследований в об-
ласти измерения давления ГП „ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева".
Лит ература:
1. Гуляев М.А., Ерюхин А.В. Измерение вакуума. —
М.: Изд-во стандартов, 19G7. — С. 39-44.
2. Рыжов В.А. Влияние температуры на показания
мембранно-емкостного манометра // Измерительная
техника. — 1972. — № 9. — С. 84-85.
3. Кукушкин В.А., Рыжов В.А. Повышение верхне-
го предела измерения мембранно-емкостного мано-
метра // Исследования в области механических из-
мерений. Груды метролог, институтов СССР. Вып. 223
(283). - 1978. - С. 36-38.
4. Казаков В.Г., Кукушкин В.А., Рыжов В.А. Расчет
погрешности мембранно-емкостных манометров с
электростатической авгокомпенсацией // Измери-
тельная техника. — 1983. — № 4. — С. 58-59.
5. Афанасьев С.Н.. Казаков В.Г., Рыжов В.А.,
Супрунюк В.В. Оценка погрешности вторичного эта-
лона единицы давления для области абсолютных дав-
лений в диапазоне 10 ’-10s Па // Измерительная тех-
ника - 1984. - № 9. - С. 32-34.
6. Казаков В.А., Афанасьев С.Н., Кукушкин В А.,
Рыжов В.А., Супрунюк В В. Опенка чувствительности
мембранно-емкостного манометра// Измерительная
техника. — 1986. —№ 1. — С. 7-8.
7. Рыжов В.А. К вопросу о метрологическом обес-
печении в области вакуумметрии // Метролог, служ-
ба в СССР. Н-т реферативный сборник. — М., 1989. —
Вып. 3. - С. 16-20.
8. Ерюхин А.В. Государственный специальный эта-
лон единицы давления для области абсолютных дав-
лений в диапазоне оз 103 до 10s Па // Измеритель-
ная техника. — 1975. — № 4. — С. 43-45.
9. Горобей В.Н., Садковскэя И В., Чуновкина А.Г.
(Россия). Крч-ТурбаЯ.,Ширицова А. (Словакия). Сли-
чения национальных эталонов единицы давления Рос-
сии и Словакии в диапазоне 1-1000 Па // Измери-
тельная техника. — 1995. — № 4. — С. 65-66.
В. II. Горобей
365
Государственный специальный эталон единицы
давления для разности давлений в диапазоне
0,1-4* 104 Па, ГЭТ 95-75
Принцип действия
Государственный специальный эталон единицы
давления для разности давлений ГЭТ 95-75 предназна-
чен для воспроизведения, хранения единицы давления
и передачи ее размера вторичным и рабочим эталонам.
Действие эталона основано на различных принципах
измерения давления, а) метод, основанный на уравно-
вешивании действия давления весом грузов; б) метод
измерения давления с помощью компенсации давле-
ния столбом жидкости; в) метод измерения давления
с помощью грузопоршневого манометра на газовой
смазке.
Состав и основные характеристики
Эталон ГЭТ 95-75 состоит из набора четырех мик-
романометров, отличающихся пределами измерений
и принципом действия. Комплекс микроманометров
охватывает диапазон воспроизведения давления от 0,1
до 4-Ю4 Па.
а) Колокольный весовой микроманометр типа
МВК№ 1, основанный на принципе уравновешивания
действия давлений на колокола, подвешенные к чаш-
кам равноплечных весов, воспроизводит единицу дав-
ления в диапазоне (0,1-Ю2) Па. Высокая точность из-
готовления одинаковых колоколов, достигнутая соот-
ветствующей технологией, а также большая площадь
ванны, позволяет не учитывать влияния гидростати-
ческих сил действующих на стенки колоколов. В каче-
стве рабочей жидкости в микроманометре применя-
ется спирт. Единица давления воспроизводится этим
микроманометром с погрешностями:
СКО результата измерений — 0,05 Па
НСП результата измерений — 0.05 Па.
Для расчетов давлений на этом микроманометре
применяется формула:
Р =—-
F ’
где т — масса гирь, кг; g — ускорение силы тяже-
сти, сисею*; F — площадь поверхности колокола в по-
перечном сечении, см2.
б) Микроманометр компенсационный со штрихо-
вой мерой типа МКШ-М № 1 (рис. 1), основанный на
принципе уравновешивания действия давления стол-
бом жидкости, воспроизводит единицу давления в диа-
пазоне (50-5-10’) Па, Измерение высоты столба жид-
кости производится по штриховой мере, изготовлен-
ной из кварцевого стекла. Соединение подвижного и
неподвижного сосудов осуществляется с помошью гиб-
кого трубопровода, отсчет показаний с помощью мик-
роскопа. В качестве рабочей жидкости применяется
дистиллированная вода. Единица давления воспроиз-
водится этим микроманометров с погрешностями:
СКО результата измерений — 0.08 Па
НСП результата измерений — 0,3 Па.
Для расчетов давлений на этом микроманометре
применяется формула:
Р=Р g Л [1т <20-0],
где р — разность плотностей жидкости и воздуха,
кг/см3: g —ускорение силы тяжести, см-сею2; А — вы-
сота столба жидкости, мм; а— коэффициент пропор-
циональности. учитывающий материал шкалы; t —
температура окружающей среды.
в) Микроманометр с нецилиндрическим поршнем
на газовой смазке типа МКП № 30, основанный на
принципе динамического взаимодействия тела и по-
тока воздуха, воспроизводит единицу давления в диа-
пазоне (103-4-104) Па.
Под влиянием воздушной струи поршень псреме-
щаел ся на некоторую высоту и остается во взвешенном
состоянии, т.к. действующие на него силы взаимно
уравновешиваются, в специальной камере поддержи-
вается постоянное давление воздуха -0,15 МПа с по-
мощью компрессора или другого оборудования.
Единица давления воспроизводится этим микрома-
нометром с погрешностями:
СКО результата измерений — 0,4 Па,
НСП результата измерений — 0,8 Па.
Для расчетов давлений на этом микроманометре
применяется формула:
где Р„ — номинальное давление, Па; Рб — давле-
ние окружающей среды, мм рт. ст.; t — температура
окружающей среды, °C.
366
г) Кроме того, в состав эталона входит микромано-
метр типа МКП № 31, который используется в качест-
ве средства передачи размера единицы давления в диа-
пазоне (20-1.6-104) Па, в котором использован принцип
измерения давлений аналогичный МКП № 30. Едини-
ца давления на этом микроманометре воспроизводит-
ся с погрешность СКО результата измерений — 0,4 Па.
Предыстория создания
Работы по созданию данного эталона проводились
с 1972 г. под руководством руководителя отдела
Е.Ф. Долинского и руководителя лаборатории
Г.И. Полухина. Создание эталона было обусловлено
непрерывным увеличением промышленного выпуска
приборов, измеряющих разность давлений и актуаль-
ностью решаемых с их помощью задач.
Государственный специальный эталон единицы
давления для разности давлений в диапазоне (0,1-
4-Ю4) Па был утвержден Постановлением Государст-
венного Комитета стандартов Совета Министров
СССР 11 декабря 1975 г.
Созданный в 1975 г. эталон единицы давления для
разности давлений представлял собой групповой эта-
лон, состоящий из б микроманометров — по два эк-
земпляра МВК. МКШ, МКП, отличающимися преде-
лами измерений и принципом действия. Опыт экс-
плуатации с 1975 г. показал, что использование в
составе эталона ГЭТ 95-75 по два экземпляра микро-
манометров имеет недостатки. Каждые пять лет не-
обходимо проводить трудоемкие операции по пере-
аттестации эталона в целом, а это связано с переатте-
стацией отдельных частей эталона, входящих в его
Рис. 1. Микроманометр со штриховой мерой МКШ-М,
входящий в состав Государственного специального
эталона единицы давления для разности давлений
ГЭТ 95-75
состав, — колоколов, штриховых мер, цилиндров,
поршней. При этом необходимо отметить, что во вре-
мя измерений при передаче размера единицы давле-
ния используется в своем диапазоне только один из
двух микроманометров. При проведении переаттеста-
ции, помимо финансовой, существует также пробле-
ма, повреждения колоколов, штриховых мер, цилин-
дров. Были также выявлены некоторые неудобства в
эксплуатации — трудоемкие операции по установке и
настройке микроманометров. В связи с этим в 1985 г.
начались работы по модернизации микроманометров
МКШ под руководством В.Н. Горобея и А.А. Пшенич-
нова. В 1992 г. были созданы микроманометры МКШ-
М № 1 и № 2 новой конструкции, в которой оси под-
вижных и неподвижных сосудов были совмещены.
Данная конструкция защищена авторским свидетель-
ством № 1571445.
В1993-1994 гг. под руководством С.М. Кессельман
(ВНИИМС) по заказу ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева" был разработан грузопоршневой микромано-
метр с нецилиндрически.м поршнем на газовой смаз-
ке. С 1993 г. по 1996 г. были проведены исследования
микроманометров МКШ-М и МКП новых конструк-
ций, а также аттестация входящих в эталон штрихо-
вых мер, колоколов. В результате исследований состав
эталона ГЭТ 95-75 в 1997 г. был изменен в установлен-
ном порядке и представляет собой в настоящее вре-
мя комплекс эталонных микроманометров:
— микроманометр МВК № 1 — диапазон (0,1-
10!) Па, СКО - 0,05 Па, НСП - 0.05 Па:
— микроманометр МКШ-М № 1 — диапазон (SO-
S' 10’) Па, СКО - 0,08 Па, НСП-0,3 Па;
— микроманометр МКП № 30 — диапазон (1- 10я—
4-Ю-') Па, СКО - 0,4 Па, НСП-0,8 Па;
— микроманометр МКП № 31 — средство переда-
чи единицы давления—диапазон (20-1,6-101) Па, СКО
не более — 0,4 Па.
Первым ученым хранителем эталона был Г.И. По-
лухин, ч настоящее время ученым хранителем явля-
ется вед. инженер лаборатории М.П. Крутовских.
Назначение и области применения
Государственный специальный эталон и повероч-
ная схема для средств измерений разности давлений
до 4-104 Па обеспечивает единство измерений в стра-
не в данной области измерений. Размер единицы, вос-
производимой эталоном ГЭТ 95-75, передается в со-
ответствии с поверочной схемой вторичным и рабо-
чим эталонам 1 и 2-го разрядов, применяемых в
различных областях науки и техники: теплофизике,
аэрогидродинамике, медицине, атомной промышлен-
ности, метеорологии, металлургии и т.д.
Основные научные результаты
Эталон имеет высокую долговременную стабиль-
ность и воспроизводимость единицы давления в дан-
ной области и обеспечивает воспроизводимость еди-
ницы давления в диапазоне (0,1-4-104) Па с погреш-
ностями: СКО — 0,05-0,4 Па; НСП — 0.05-0,8 Па.
Проведенные в 1993-1996 гг. международные сличе-
ния с национальным эталоном Германии подтверди-
ли мировой уровень эталона ГЭТ 95-75.
367
Уникальность и преимущества
Уникальность и преимущества данного эталона за-
ключается в том, что он состоит из микроманометров,
измеряющих давление, основанных на разных прин-
ципах и перекрывающих друг друга по диапазонам из-
мерений. Этим достигается достоверность результа-
тов воспроизведения единицы давления. Созданный
эталонный микроманометр МКШ-М, превосходит из-
вестные мировые аналоги по точности.
Литература:
1. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения дав-
ления, расхода, количества и уровня жидкости газа и пара.
— М.: Изд-во стандартов, 1989. — 278 с.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количе-
ства. — Л : Машиностроение, 1975. — 776 с.
3. Горобей В.Н. и др. Микроманометр. Авторское свиде-
тельство № 1571445 // Б.И.22, 1990.
4. Тонек Н.Ф. Манометры. — Л.: Машиностроение, 1976.
-176 с.
5. Alexandrov V.S., GorobeyV.N., Astashenkov A.I.,
Kesselman S.M. Improvement of the Russia’s state pressure
standard for the range of pressure difference and the results of
its comparisons with the national pressure standard of Germany
// International Conference INA FM, St Petersburg. May 25-
28, 1997, p. 146-147.
В.Н. Гиробей
368
Государственный специальный эталон единицы
давления для абсолютных давлений в диапазоне
2,7 102-1300 102 Па, ГЭТ 101-76
Принцип действия
Государственный специальный эталон единицы
давления для абсолютных давлений ГЭТ 101-76 так же,
как и государственный первичный эталон единицы
давления ГЭТ 23-79, основан на принципе неуплот-
ненного поршня (1).
Состав и основные характеристики
Эталон ГЭТ 101-76 состоит из комплекса следую-
щих средств измерений:
1. двух грузопоршневых манометров абсолютного
давления МАД-5 №№ 1 и 2;
2. специальной аппаратуры для создания и поддер-
жания измеряемых давлений.
Грузопоршневой манометр МАД-5 состоит из из-
мерительной части, основания и фотоэлектрическо-
го микроскопа.
Измерительная часть манометра смонтирована на
стальной плите, установленной на жестком основа-
нии, имеющем регулировочные ножки.
Чувствительный элемент прибора — поршневая
пара с простым поршнем — вмонтирован в корпус,
приваренный снизу к плате. Зазор между поршнем и
цилиндром имеет порядок 10 мкм. Снизу цилиндр за-
крыт крышкой, имеющей штуцер для подвода изме-
ряемого абсолютного давления. На верхнем торце
поршня закреплены грузоприемная тарелка и шток,
соединенный с неравноплечим рычагом. На плате ус-
тановлена герметичная крышка с окнами для визуаль-
ного наблюдения за подвижными элементами мано-
метра, образующая с платой вакуумную камеру над
поршнем. Крышка снабжена 4 штуцерами, к которым
герметично прикреплены измерительные термопар-
ные и ионизационные преобразователи вакуумметра.
В этой камере размещены: неравноплечий рычаг, гру-
зы и устройство для автоматического наложения их
на грузоприемную тарелку. Вес поршня с прикреплен-
ными к нему деталями уравновешивает упомянутый
рычаг с противовесом.
Цилиндр поршневой пары снабжен термостати-
рующим кожухом, в котором циркулирует вода, пода-
ваемая из термостата.
Система принудительного вращения в момент из-
мерения отключается, и поршень с наложенными на
него грузами вращается свободно.
Положение равновесия поршня определяют с по-
мощью фотоэлектрического микроскопа.
Манометры принадлежат к измерительным уст-
ройствам компенсационного принципа действия и по-
зволяют воспроизводить 10 фиксированных значе-
ний абсолютного давления.
Диапазон значений давления, воспроизводимых
эталоном, составляет 2,7-130 кПа с СКО, не превы-
шающим 0,3 Па и НСП < 2 Па.
Предыстория создания
В 50-х гг. старшим научным сотрудником П.В. Ин-
дриком создан первый грузопоршневой манометр для
измерения среднего абсолютного давления (его ав-
торское свидетельство на этот новый оригинальный
вид манометра было опубликовано в 1939 г.).
Работы П.В. Индрика были продолжены Н.А. Га-
евским и Г.И. Полухиным во ВНИИМ, В.И. Грамениц-
ким и К.И. Хансуваровым во ВНИИМС. Ими был соз-
дан ряд конструкций грузопоршневых манометров
для измерения абсолютного давления в диапазоне
0,27-102-400 102 кПа.
Развитие этих работ позволило в конце 60-х гг. по-
ставить задачу обеспечения единства измерений аб-
солютных давлений. Важным этапом явилось утвер-
ждения в 1968 г. на Ученом Совете ВНИИМ вторич-
ного эталона абсолютного давления, основанного на
грузопоршневом принципе. Этот эталон послужил
прототипом выпускаемых в настоящее время мано-
метров абсолютного давления МАД-ЗМ.
Назначение и области применения
Приборы для измерения абсолютного давления
находят широкое применение в различных отраслях
промышленности. Абсолютное давление является од-
ним из наиболее важных параметров, определяющим
безопасность полетов самолетов, оптимальные режи-
мы работы объектов в ракетной технике, точность ме-
теопрогнозов.
В соответствии с государственной поверочной схе-
мой размер единицы давления передается с помощью
грузопоршневых, жидкостных и деформационных ма-
нометров абсолютного давления и барометров. Парк
рабочих средств измерений абсолютного давления со-
ставляет несколько миллионов экземпляров.
Литература:
1. Жоховский М.К. Теория и расчет приборов с неуплот-
ненным поршнем. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 312 с.
2. Полухин Г.И. и Цвелик ВА. Государственный специаль-
ный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств из-
мерений абсолютного давления в диапазоне 2,7.10'-’-4000-102 Па
// Измерительная техника. — 1977. — № 6. — С. 5-6.
В. А. Цвелик
369
Государственный специальный эталон единицы
давления в диапазоне
2500 105-15000 105 МПа
Создан во ВНИИФТРИ (1968-1973 гг.) и утвержден Госстандартом
СССР в 1973 г.
В основу построения эталона положен метод неуплотненного порш-
ня, позволяющий с высокой точностью задавать требуемое высокое дав-
ление. Эталон монтируется на генераторе высокого гидростатического
давления до 1600 МПа.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, МПа
СКО результата измерений
НСП
2500-105-15000-105
410'5
2-10-4
Область применения
— Обработка металлов давлением.
— Синтез материалов в химической промышленности.
— Изучение газодинамических процессов при высоких давлениях
(в артиллерийских стволах).
370
Измерение переменных давлений
Давление как физическая величина характеризу-
ет многие процессы, происходящие и в природе, и в
технических устройствах и технологических процес-
сах, созданных человеком. По некоторым данным,
при испытаниях крупных энергетических агрегатов
контроль давления составляет около 50 % всех изме-
рений параметров физических величин. Переменные
процессы, протекающие при работе двигателей, ком-
прессоров, насосов, в газовых, паровых и гидротур-
бинах, при движении транспортных средств, при тех-
нологической обработке металлов давлением, в хими-
ческом производстве и т.д. исследуют и контролируют
с помощью измерительных преобразователей давле-
ния (ИПД).
Средства измерений в области переменного дав-
ления получили активное развитие в 30-х гг. в связи с
ростом объема стендовых испытаний двигателей
внутреннего сгорания (особенно в авиационной про-
мышленности). В послевоенные годы объем измере-
ний в области переменного давления резко возрос в
связи с интенсивным развитием реактивной авиации
и ракетостроения. В организациях и предприятиях
различных отраслей были организованы разработка
и производство ИПД, появились службы входного и
выходного контроля и ведомственной приемки.
Характер и скорость изменений давления могут
быть разнообразны, поэтому различают периодиче-
ские давления в широком диапазоне частот, низкочас-
тотные и высокочастотные, например ультразвуковые
в аэро- и гидроакустике, а также периодические им-
пульсные, одиночноимпульсные. Диапазоны частоты
обычно подразделяются на низкие (квазистатические)
частоты (0-20) Гц, звуковые частоты (20-10000) Гц и
ультразвуковые частоты (10-100) кГц и выше.
В области измерений периодического давления,
охватывающей весьма широкий диапазон значений,
условно выделяются область измерений периодиче-
ских давлений в вакууме, область средних давлений —
0-10 МПа и область высоких давлении — 10-250 МПа
и более.
Большинство промышленных средств измерения
переменного давления во всем рабочем диапазоне дав-
лений, частот и длительностей имеют погрешность
порядка 10-15 % и более. Погрешности порядка 3-5 %
могут характеризовать только те средства измерений
переменного давления, характеристика погрешности
которых определена в индивидуальном порядке с ис-
пользованием соответствующих образцовых средств.
В тех случаях, когда указываются погрешности менее
1 %, речь может идти только о статической погреш-
ности, и такие измерители могут применяться толь-
ко для измерения медленно меняющихся процессов.
Для измерения давления, в том числе и перемен-
ного, используют практически все известные методы.
Наибольшее распространение получили индуктив-
ные, емкостные, тензорезисторные, (в том числе по-
лупроводниковые), магнитоупругие, пьезоэлектриче-
ские, пьезорезисторные и потенциометрические
ИПД. Широкое распространение в последнее время,
в связи с развитием новых технологий получили по-
лупроводниковые тензорезисторные ИПД, которые
могут быть выполнены в виде единой гибридной ин-
тегральной микросхемы, содержащей не только чув-
ствительный элемент, но и усилитель с регулируемым
коэффициентом усиления и схемы компенсации ну-
левого сигнала и температурного изменения чувстви-
тельности.
За рубежом развитию техники измерений перио-
дического давления также уделяется значительное
внимание. ИПД переменного давления выпускают
фирмы: „Брюль и Кьер“ Дания, „Кестлер" США,
Швейцария, „Эндевко" США и другие. Достигнутые
уровни точности зарубежных и отечественных ИПД
весьма близки.
В проектировании и применении СИ переменно-
го давления необходимо учитывать специфические
вопросы, касающиеся технологии по обработке, ста-
билизации (старения), сварке, склеиванию элементов
конструкции преобразователей, анализировать и рас-
считывать посадочные гнезда, моменты затяжки резь-
бы, характеристики входных трубопроводов, ука-
зывать пути защиты чувствительных элементов
преобразователей от влияния различного рода воз-
действий, оказывающих влияние на погрешности из-
мерений.
Метрологическое обеспечение. Важное значе-
ние для метрологического обеспечения имеет норми-
рование погрешностей. Для измерительных преоб-
разователей, предназначенных для измерения и ре-
гистрации изменяющихся во времени величин,
каковыми являются ИПД переменного давления,
должны нормироваться динамические характеристи-
ки. Для средств измерения переменного давления
принят способ определения погрешностей СИ непо-
средственно в динамическом режиме, который при-
нят в государственных поверочных схемах для
средств измерения переменного давления, во главе ко-
торых стоят Государственные специальные эталоны.
К основным методам определения динамических
характеристик относятся: теоретический расчет
371
выходного сигнала ИПД на заданной частоте или тео-
ретическое определение неравномерности амплитуд-
но-частотных и других характеристик, градуировка
ИПД путем сличения с образцовым преобразовате-
лем, градуировка ИПД с применением устройства спо-
собного воспроизвести задаваемые параметры пере-
менного давления на входе ИПД.
Технические средства. Установки, предназначен-
ные для воспроизведения гармонических колебаний
давления принято называть пульсаторами или гене-
раторами переменного давления. По принципу гене-
рирования можно различить пульсаторы прямого воз-
буждения и косвенного возбуждения. В пульсаторах
косвенного возбуждения энергия источника, форми-
рующего колебания, управляет периодическим про-
цессом другого источника, создающим пульсации дав-
ления в рабочей среде. Распространены также резо-
нансные пульсаторы. Резонансные установки создают
переменное давление за счет резонансных свойств ко-
лебательной системы и могут иметь как прямое, так
и косвенное возбуждение.
По среде, в которой генерируются пульсации дав-
ления, могут быть газовые и жидкостные пульсаторы.
При этом для возбуждения колебаний давления с оди-
наковыми параметрами в газовой среде необходимы
значительно большие затраты энергии.
По конструктивным признакам пульсаторы делят-
ся на поршневые, сильфонные, роторные, или золот-
никовые, и мембранные.
Под поршневым пульсатором понимается устрой-
ство, основным элементом которого является порш-
невая пара передающая энергию колебаний рабочей
среде.
По типу привода поршневые пульсаторы могут
быть с приводом от вибростенда, с кулачковым при-
водом, с роторно-роликовым приводом, с электромаг-
нитным приводом, с эксцентриковым или кривошип-
ным приводом.
К общим недостаткам поршневых пульсаторов дав-
ления относятся: ограниченный диапазон частот, ма-
лый ресурс работы, трудность получения гармониче-
ских колебаний с малыми нелинейными искажения-
ми, большие габариты и вес. Эти установки могут
воспроизводить пульсации давления в диапазоне ам-
плитуд до 20,0 МПа, в частотном диапазоне до 200 Гц.
В сильфонных пульсаторах, как правило, газовых,
основным элементом является рабочая камера в виде
сильфона, которая передает колебания рабочей сре-
де при уменьшении своего объема. Сильфонные пуль-
саторы воспроизводят, в основном, малые амплиту-
ды давления в диапазоне низких частот.
Имеются и другие типы конструкций механиче-
ских пульсаторов, например, роторные, использую-
щие в качестве возбудителя колебаний ротор, перио-
дически перекрывающий канал, соединяющий полос-
ти низкого и высокого давления.
Большую группу пульсаторов составляют мембран-
ные резонансные пульсаторы. Под мембранным пуль-
сатором понимают устройство в котором в качестве
возбудителя колебаний рабочей среды используют
мембрану, колебания которой в свою очередь возбуж-
даются различными типами возбудителей. Посколь-
ку мембранные пульсаторы развивают малые ампли-
туды колебаний давления в их конструкции использу-
ют экспоненциальный волновод — концентратор и ре-
зонатор , позволяющие выделить частоту и усилить ам-
плитуду пульсаций давления. По конструкции первич-
ного возбудителя различают электродинамические,
пьезоэлектрические и магнитострикционные мем-
бранные пульсаторы.
Динамические характеристики ИПД могут также
определяться импульсным методом, с использовани-
ем в качестве образцового испытательного сигнала
импульса давления с известными параметрами (ам-
плитуда, длительность фронта и др.) Для этой цели
служат установки импульсных давлений. Сам метод
достаточно прост, и его применение дает необходи-
мые точности при градуировке при использовании
для регистрации и обработки выходных сигналов
ИПД современных средств измерений и вычислитель-
ной техники.
По виду импульса средства воспроизведения им-
пульсных давлений можно разделить на: средства соз-
дания импульса давления в форме скачка; средства соз-
дания короткого импульса давления (дельта функ-
ции). По конструктивным признакам эти средства
подразделяются на мембранные, инерционные, кла-
панные, теплоударные, силовые.
Наибольшее распространение получили мембран-
ные установки (газодинамические и гидродинамиче-
ские ударные трубы различной конструкции), для соз-
дания импульса давления в которых используется раз-
рушающаяся мембрана, и клапанные установки, в
которых применяется быстродействующий клапан,
перепускающий среду, находящуюся под давлением из
зарядной емкости в рабочую камеру. Действие тепло-
ударных установок основано на возникновении удар-
ной волны при расширении рабочей среды в локаль-
ном объеме при импульсном нагреве, при этом источ-
ником нагрева может быть искровой разряд при
пробое искрового зазора или электрический разряд.
Источником импульса давления может быть и взрыв
газовой смеси в замкнутом объеме.
Для определения динамических характеристик
средств измерений переменного давления могут так-
же использоваться косвенные методы создания испы-
тательного воздействия на ИПД. При этом полагают,
что приложение импульса давления к чувствительно-
му элементу ИПД эквивалентно приложению импуль-
са силы. Этот принцип заложен в так называемые „си-
ловые" установки для имитации импульса давления.
В устройствах данного типа импульс силы получает-
ся путем сбрасывания шарика на открытую мембрану
преобразователя.
Нормативная база метрологического
обеспечения
ГОСТ 8.433-81ГСИ Государственный специальный
эталон и государственная поверочная схема для
средств измерений переменного давления в диапазо-
не 1- 10г—1-106 Па для частот от 5-102 до ПО4 Гц и дли-
тельностей от 1-10'5до 10 с при постоянном давлении
до 5-106 Па.
ГОСТ 8.501-84 Государственный специальный эта-
лон и государственная поверочная схема для средств
измерений периодического давления в диапазоне
1-250 МПа при частотах до 10 кГц.
372 .................
ГОСТ 8.038-94 Государственная поверочная схема
для средств измерений звукового давления в воздуш-
ной среде в диапазоне частот 2 Гц-100 кГц.
МИ 1620-92 Государственная поверочная схема для
средств измерений звукового давления в водной сре-
де в диапазоне частот 1-103-2-102 кГц.
МИ 2098-90 Государственная поверочная схема для
средств измерений звукового давления в водной сре-
де от 10 до 200 Па в диапазоне частот 0,1-500 Гц при
избыточном статическом давлении от 0,1 до 50,0 МПа.
Литература:
1. Современные средства для градуировки измеритель-
ных преобразователей переменного давления. — М.: 1975,
(Госстандарт СССР, СФ ВНИИМ, ВНИИКИ. Авт.: Ф.С. Са-
вицкий, Е.М. Федяков и др.)
2. Федяков Е.М., Колтаков В.К., Богдатьев Е.Е. Измере-
ние переменных давлений. — М.: Изд-во стандартов, 1982.
3. Плотников И. В. Состояние измерений переменного
давления. - М.: 1983, (Госстандарт СССР, ВНИИКИ.)
Черепанов Б.А.
373
Государственный специальный эталон единицы
давления для области переменных давлений,
ГЭТ 140-84
Государственный специальный эталон предназна-
чен для воспроизведения и хранения единицы давле-
ния для области периодических давлений в диапазо-
не статических давлений 1-100 МПа и передачи раз-
мера единицы при помощи вторичных эталонов и
образцовых средств измерений рабочим средствам из-
мерений.
Диапазон значений амплитуд периодического дав-
ления, воспроизводимых эталоном, составляет 0,1—
1,0 МПа. Диапазон частот, в котором воспроизводит-
ся амплитуда переменного давления: от 10 Гц до
10 кГц.
Государственный специальный эталон обеспечива-
ет воспроизведение единицы со средним квадрати-
ческим отклонением результата измерений $0, не
превышающим 0,5-Ю2 при тридцати независимых
наблюдениях. Неисключенная систематическая
погрешность 0О не превышает 1-Ю'2.
Передача единицы переменного давления от Го-
сударственного специального эталона вторичным эта-
лонам осуществляется методом непосредственного
сличения.
ГЭТ 140-84 представляет собой измерительный
комплекс, состоящий из двух генераторов периоди-
ческого давления — низкочастотного (ГПДП) и высо-
кочастотного (ГПДВ), компаратора (КМ), средства за-
дания уровня статического давления и исходного раз-
мера единицы амплитуды давления, в качестве
которого используются грузопоршневой манометр-ба-
ростат (БС) или грузопоршневой манометр МП-60,
датчика — калибратора, предназначенного для пере-
дачи амплитуды давления во всем диапазоне частот
переменного давления, и гидропресса. Блок-схема эта-
лона приведена на рис. 1.
ГПДН и ГПДВ предназначены для создания в их
рабочих камерах периодического давления заданной
амплитуды и частоты.
Низкочастотный генератор представляет собой
поршневой гидропульсатор с эксцентриковым приво-
дом неуплотненного поршня.
Высокочастотный генератор представляет собой
пульсатор гидрорезонансного типа с пьезокерамиче-
ским возбуждением.
ГПДН работает следующим образом: при подаче
напряжения звуковой частоты на пьезокерамический
столб звуковые колебания передаются через мембра-
ны синфазно столбу жидкости в трубе-резонаторе,
возбуждая в ней акустические волны, которые резо-
нансно усиливаются, когда частота возбуждения сов-
падает с одной из гармоник резонатора. При этом в
трубе-резонаторе образуются стоячие гидроакустиче-
ские волны. В середине столба жидкости образуется
пучность стоячих волн, которая во всем диапазоне
частот совпадает с расположением центральной час-
ти рабочей камеры. Уровень давления в рабочей ка-
мере определяется источником постоянного давле-
ния. Амплитуда стоячих волн и, соответственно, ам-
плитуда переменного давления в зоне пучности
зависит от уровня подаваемого возбуждения и доброт-
ности трубы-резонатора.
Компаратор, входящий в состав эталона, предна-
значен для передачи размера единицы амплитуды дав-
ления от баростата — источника статического давле-
ния к поверяемому СИ нулевым методом, путем сли-
чения на опорной частоте амплитуды его выходного
сигнала с приращением давления, воспроизводимым
баростатом. Чувствительным элементом компарато-
ра является емкостной датчик давления, включенный
в мостовую измерительную схему.
Эталон работает следующим образом.
В камеру генератора устанавливается компаратор,
датчик-калибратор и поверяемый датчик. Устанавли-
вается, с помощью баростата, статическое давление в
камере, компаратор балансируется на заданном уров-
не статического давления. На поршень баростата на-
кладывается груз, соответствующий требуемой ампли-
туде давления, при этом компаратор разбалансирует-
ся. Включается возбуждение ГПДВ. Переменное
давление, возникающее в камере генератора действу-
ет на мембрану компаратора, что отображается на эк-
ране осциллографа в виде модуляции сигнала компа-
ратора. С помощью усилителя создают такой уровень
возбуждения генератора, чтобы огибающие модули-
рованного сигнала компаратора соприкасались в точ-
ках экстремума, что свидетельствует о достижении
374
требуемой амплитуды переменного давления. При дос-
тижении требуемой амплитуды измеряется с помощью
вольтметра выходной сигнал датчика-калибратора и
далее, поскольку амплитудночастотная характеристи-
ка датчика-калибратора равномерна, амплитуда давле-
ния, во всем рабочем диапазоне частот, устанавлива-
ется по выходному сигналу датчика-калибратора.
ГЭТ 140-84 стоит во главе государственной пове-
рочной схемы по ГОСТ 8.501-84.
В поверочной схеме в качестве рабочих эталонов
для передачи размера единицы образцовым средст-
вам измерений 1-го разряда методом сличения приме-
няют переносные манометрические компараторы в
диапазонах давлений 1-100 МПа и амплитуд 0,1-
1,0 МПа.
В качестве образцовых средств измерений 1-го раз-
ряда для поверки образцовых средств измерений 2-
го разряда и рабочих средств измерений методом сли-
чения при помощи манометрического компаратора
и непосредственным сличением применяют генера-
торы периодического давления в комплекте с мано-
метрическими компараторами и манометрами перио-
дического давления в диапазонах давлений 1-250 МПа
и амплитуд 0,1-10,0 Мпа, с пределами допускаемых от-
носительных погрешностей от 3-10'2до 5-1 О'2.
В качестве образцовых средств измерений 2-го раз-
ряда для поверки рабочих средств измерений мето-
дом непосредственного сличения применяют генера-
торы периодического давления в комплекте с мано-
метрами периодического давления в диапазонах
давлений 1-250 МПа и амплитуд 0,1-10,0 МПа, с пре-
делами допускаемых относительных погрешностей от
6-Ю'2 до 10-102.
В качестве рабочих средств измерений применя-
ют измерительные преобразователи давления и ма-
нометры периодического давления в диапазонах дав-
лений 1-250 МПа и амплитуд 0,1-10,0 МПа с предела-
ми допускаемых относительных погрешностей от
610'2до 20-10 2.
Эталон хранится в УНИИМ.
Литература:
1. ГОСТ 8.501-84 Государственный специальный эталон
и государственная поверочная схема для средств измерения
периодического давления в диапазоне 1-250 МПа при час-
тотах до 10 кГц.
Б.А. Черепанов
375
Государственный специальный эталон единицы
давления для области переменного давления,
ГЭТ 131-81
Состав Государственного специального эталона
единицы давления для области переменного давле-
ния — ГЭТ 131-81 (далее — ГСЭ) регламентируется
ГОСТ 8.433-81 „Государственный специальный эталон
и государственная поверочная схема для средств из-
мерений переменного давления в диапазоне 1-102-
1-106 Па для частот от 5-10'2до 1-104 Гц и длительно-
стей от 1-10’5до 10 с при постоянном давлении до
5-Ю6 Па“.
ГСЭ обеспечивает воспроизведение единицы дав-
ления в указанной области со среднеквадратическим
отклонением результата измерения (0,5-1) % и с не-
исключенной систематической погрешностью не бо-
лее 3 %.
Данные амплитудный и частотно-временной диа-
пазоны можно условно отнести средним диапазонам
значений измеряемых переменных давлений, пере-
крывающим большую часть потребностей реальной
практики измерения переменных давлений.
В соответствии с указанным стандартом ГСЭ со-
стоит из пяти установок для задания и измерения аб-
солютными методами переменных давлений. Три ус-
тановки служат для воспроизведения гармонических
давлений, а две — импульсных давлений в виде одно-
кратной ступени прямоугольной формы. Основные
технические и метрологические характеристики ус-
тановок, входящих в состав ГСЭ, приведены в табли-
цах 1 и 2.
Установка УГПД-9 состоит из рабочей камеры, где
создается переменное давление, связанной с ней под-
вижной наклонной трубкой, и механизма привода,
обеспечивающего качание трубки с заданной часто-
той и амплитудой по гармоническому закону. Прин-
цип действия УГПД-9 основан на создании изменяю-
щегося с заданной частотой гидростатического дав-
ления в заполненной рабочей жидкостью камере
посредством качания соединенной с нею наклонной
трубки, заливаемой той или иной рабочей жидкостью,
т.н. метод переменной глубины. Размах колебаний пе-
ременного давления при этом пропорционален раз-
ности высот в крайних положениях качающейся труб-
ки, плотности рабочей жидкости и значению местно-
го ускорения свободного падения.
Установка УГПД-14 представляет собой камеру ма-
лого объема, заполненную рабочей жидкостью (обыч-
но-трансформаторным маслом), с размещенными в
ней обратимыми преобразователями. Для создания
статического давления в камере используется грузо-
поршневой манометр. Принцип действия УГПД-14 ос-
нован на применении метода взаимности в камере ма-
лого объема при воспроизведении гармонического
давления (используются три обратимых преобразова-
теля гидрофона). Достоинства установки — возмож-
ность точного задания статического давления, нали-
чие независимого дополнительного метода воспроиз-
ведения переменного давления (т.н. метод скачка
Эталонные установки гармонических давлений
Таблица 1
Название установки Частотный диапазон, Гц Амплитудный диапазон, кПа СКО % НСП % Рабочая среда Кг, % Диапазон постоян- ных давлений, мПа
УГПД-9 5ia2-5-io-‘ l-lO-’-S-lO1 2 3 вода 2 -
УГПД-14 5КУ’-110’ 110*-110 2 3 Трансформа- торное масло 2 ГЮ'-й-Ю1
Фонотрон-4 4-102-Ы04 5-1-10’ 2 3 Вода, спирт 2 ПО1-5
Эталонные установки импульсного давления
Таблица 2
Диапазон длительнос- тей, с Частотный диапазон Амплитудный диапазон, кПа СКО % НСП % Форма импульса Длительность уста новления давления, с Диапазон посто янных давлений, мПа
УБК-4 5103-10 10-1-103 0,5-2 3 Прямоуголь- ная ступень 4-Ю'5 0-5
УУТ-4 до 5-10-’ Ы02-Ы0’ 2 3 Прямоуголь- ная ступень 8.106 0-2, 5
...................... 376 —... -
давления). Кроме того, установка позволяет произво-
дить поверку средств измерения методом непосред-
ственного сличения („датчик по датчику11), что удоб-
но при поверке широкого парка рабочих средств, т.к.
ускоряется процесс поверки и снижается его себе-
стоимость.
Установка Фонотрон-4 представляет собой верти-
кальную цилиндрическую трубу-резонатор, заполнен-
ную рабочей жидкостью (обычно этиловый спирт или
дистиллированная вода). Внизу трубы установлен пье-
зоэлектрический излучатель, в верхней части имеют-
ся иллюминаторы для лазерного интерферометра. В
установке Фонотрон-4 реализован волновой метод за-
дания поля переменных гармонических давлений и
абсолютный метод измерения его параметров с помо-
щью лазерного интерферометра по изменению коэф-
фициента преломления рабочей жидкости.
В установке УБК-2М реализован квазистатический
метод воспроизведения импульсного давления с по-
мощью золотникового быстродействующего клапана,
установленного между камерами малого и большого
объемов. При работе установки в камере большого
объема создается избыточное давление, после сраба-
тывания клапана в камере малого объема создается
скачок давления. Амплитуда воспроизводимого им-
пульсного давления равна постоянному избыточному
давлению в камере малого объема после срабатыва-
ния клапана. Измерение постоянного (установивше-
гося) избыточного давления производится с помощью
грузопоршневого, электрического или деформацион-
ного манометра.
Для воспроизведения импульсного давления в газе
в установке УУТ-4 применяется ударно-волновой ме-
тод. Установка представляет собой трубу прямоуголь-
ного сечения разделенную тонкой диафрагмой на две
части — камеру высокого давления и камеру низкого
давления. При подаче избыточного давления в камеру
высокого давления и разрыве диафрагмы происходит
формирование ударной волны. Скачок давления на
фронте ударной волны рассчитывается по измеренно-
му числу Маха, начальному давлению в камере низко-
го давления и адиабатической постоянной для данно-
го рабочего газа. Главное достоинство установки — воз-
можность получения ступени давления с очень корот-
ким фронтом, что позволяет использовать установку
при исследовании динамических характеристик дат-
чиков давления в широком диапазоне частот.
Основной вклад в создание Государственного эта-
лона для области переменных давлений внесли
И.В. Плотников (первый ученый хранитель эталона),
В.П. Шумилин, Л.Б. Лангане, Р.М. Долгих, И.Д. Ве-
ребьевский.
Указанный состав и характеристики ГСЭ прибли-
зительно на 80 % обеспечивают современные потреб-
ности промышленности. Одной из актуальных задач
является повышение точности передачи размера еди-
ницы переменного давления к рабочим средствам из-
мерений за счет снижения как погрешности воспро-
изведения переменного давления, так и за счет вне-
дрения современных средств обработки результатов
измерений.
Включенные в состав ГСЭ установки имеют неко-
торые технические характеристики шире, чем указан-
ные в ГОСТ 8.433-81; так установка У БК-4 может вос-
производить импульсные давления до 10 мПа при вре-
мени установления менее 5 мс. В лаборатории также
разработан ряд новых установок. Одна из них — „Фо-
нотрон-12“ предназначена для замены, в дальнейшем,
установки „Фонотрон-4“, имеет частотный диапазон до
50 кГц.
Для расширения зоны перекрытия амплитудных
и частотных (временных) диапазонов различных ус-
тановок, входящих в состав ГСЭ, планируется введе-
ние в действие ударной трубы длиной 16 м. Это по-
зволит увеличить длительность воспроизводимого
импульса давления до 2-10'2с. Приблизительно в два
раза могут быть улучшены точностные характеристи-
ки практически всех эталонных установок за счет вне-
дрения современных средств обработки информа-
ции. Эти характеристики установок, а также некото-
рые другие будут положены в основу нового состава
ГСЭ при переработке ГОСТ 8.433-81.
А.В. Шипунов
' 377 —
Установка высшей точности для измерения
абсолютного давления
Установка высшей точности для измерения аб-
солютного давления создана и зарегистрирована во
ВНИИМС в 1988 г В ее состав входят ртутный мано-
барометр и грузопоршневой манометр на газовой
смазке. Метрологические характеристики УВТ при-
ведены в таблице.
Установка Диапазон СКО Па нсп
РтуТиЫЙ манобарометр 150-1 105 0,1 0.7
Грузопоршневой манометр НОМ,4-10* 0,4 1,5
нальными блоками: (ртутный манобарометр, эталон-
ная линейка), а также контролируют градиент темпе-
ратуры на самом опорном блоке. Ртутный манобаро-
метр заполнен ртутью высокой чистоты, содержащей
99,9999999 % основного вещества. Измеряемое дав-
ление р рассчитывается по формуле
Р = Ppg ,
где р — плотность ртути, й — ускорение свобод-
ного падения, h — столб ртути, уравновешивающий
давление р , /г = А] 4 4СГ 4- Cv 4- С, 4- Cd ,
УВТ используется:
— для аттестации рабочих эталонов, манометров
и датчиков абсолютного давления;
— для воспроизведения единицы и измерений аб-
солютного давления с высокой точностью;
— в качестве эталона сравнения (грузопоршневой
манометр) для сличения стационарных эталонов.
Ртутный манобарометр производства фирмы „Же-
жер“ имеет свои особенности (рис. 1). Фиксирование
положения ртутных менисков осуществляется при по-
мощи интерферометра Майкельсона. Используется
свойство интерферометра создавать при освещении
белым источником света 1 интерференционные по-
лосы только в том случае, когда опт ические пути, про-
ходимые лучами света, разделенными и вновь объе-
диненными с помощью полупро грачной пластинки 2,
равны с погрешностью до 0,5 мкм. Мениски ртути в
рабочих камерах манометра 3 служа:' зеркалами ин-
терферометра. Камера 4 является демпферным объе-
мом. Подвижные детали оптики (двух- и трехгранные
призмы) 5 используются для изменения оптических
путей, проходимых лучами света. Отсчет перемеще-
ния оптических деталей, соответствующий перемеще-
нию интерференционных полос при нулевой разно-
сти высот менисков ртути (Л=0) или при заданной раз-
ности Л , берется по эталонной градуированной
линейке G и соответствует значению Л/4 . Интерфе-
ренция фиксируется при помоши осциллографа 11.
Температурное поле манометра контролируется при
помощи платинового термометра сопротивления 7 и
пяти дифференциальных термоэлектропреоразовате-
лей медь-константан-медь 8. Термометр помещается
в опорном медном блоке 9 и измеряет температуру ок-
ружающей среды t. Преобразователи измеряют раз-
ность температур между опорным блоком и функцио-
Рис. 1
Л] = 2 (L + Lo )|1 + aT (tr - 20 )- [3Hg fyHg
где , A), £ — высота ртутного столба, отсчитан-
ная по эталонной линейке, при р =0 и р = X соответ-
ственно, Сг — остаточное давление, Cr, Cit Са — по-
правки соответственно, к градуировке эталонной ли-
нейки; на коэффициент преломления среды, через
которую проходят лучи интерферометра; высотная;
6$ — ТКЛР инвара, из которого сделана эталонная ли-
нейка; Ajg —ТКОР ртути; в — коэффициент сжимае-
мости ртути, 1не , tr — температура ртути и эталон-
ной линейки соответственно.
Окончательный результат измерений давле-
ния ртутным манобарометром в мм рт.ст. приво-
дится к нормальным условиям (tr=20 °C,
g =9,80665 м/сек2). Внесистемная единица— мм рт.ст.
связана с единицей SI (Па) следующим соотношени-
ем: 1 мм рт.ст. =133,322 Па.
Грузопоршневой манометр на газовой смазке фир-
мы „Белл и Хоуэлл" показан на рис. 2. Зазор между со-
прягающимися поверхностями поршневой пары со-
ставляет десятые доли мкм, что получено микрохонин-
гованием данных поверхностей. В качестве среды,
передающей давление, используется сухой азот высо-
кой чистоты. Грузопоршневой манометр имеет две
сменные поршневые пары и два комплекта грузов, что
обеспечивает прецизионное воспроизведение едини-
цы давления или задание значений давления во всем
диапазоне. Верхняя подвесная часть поршневой пары
6, которая может быть как поршнем, так и цилиндром,
составляет единое целое с грузоприемной тарелкой 2.
Она приводится во вращение при помощи мотора 4,
на оси которого жестко закреплена муфта сцепления.
Контакт между муфтой сцепления и закрепленной ча-
стью поршневой пары 5 нарушается, когда скорость
вращения достигает заданной величины. Далее враще-
ние происходит по инерции в течение 5-10 минут.
Поршневая пара с грузами 7 закрыта герметично стек-
лянным колпаком 1. Остаточное давление, рост, не
превышает 1-2 Па и контролируется термопреобразо-
вателем. Грузопоршневой манометр позволяет зада-
рис. 2
378 "
- 20 )-В/0,760 (0,760 - L )J
вать значения и воспроизводить абсолютное давление
с шагом -100 Па. Задаваемые значения (воспроизво-
димого) давления, соответствующие использованным
поршневым парам и грузам, даны в таблицах в Па и в
мм рт.ст. Окончательный результат вычисляется из со-
отношения: р = р„о^+ 4+ 4)+А>™, где рно„- номи-
нальное значение давления для используемых порш-
невых пар и грузов, соответствующее нормальному зна-
чению gH =9,80665 м/сек2 и t =23,9 °C; = g/gH -1 —
поправка на местное значение ускорения свободного
падения; 4 — температурная поправка, которая вво-
дится согласно номограмме. Поправки на потерю ве-
са грузов и подвесной части поршневой пары, а также
на изменение эффективной площади поршня за счет
деформации не учитываются, так как они пренебре-
жимо малы.
УВТ абсолютного давления по своим точностным
характеристикам является уникальной в пределах Рос-
сии и стран СНГ. Ее суммарная погрешность приве-
дена ниже в сравнении с суммарной погрешностью
ГЭТ единицы абсолютного давления.
Ртутный манобарометр 0,71 Па
Грузопоршневой манометр 1,55 Па
Эталон 2,02 Па
Для подтверждения метрологических характери-
стик УВТ абсолютного давления периодически прово-
дится международное сличение с национальным эта-
лоном Франции в Международном Бюро Мер и Весов.
Эталоном сравнения служит грузопоршневой мано-
метр. В результате введения в эксплуатацию УВТ абсо-
лютного давления метрологическое обеспечение при-
боров и датчиков абсолютного давления по своим мет-
рологическим характеристикам практически не
уступает национальным эталонам развитых стран. Ос-
новным потребителем является военная и гражданская
авиация, которая в настоящее время проводит пере-
оснащение летательных аппаратов новыми бортовы-
ми системами. УВТ абсолютного давления предназна-
чена для поверки метрологической аттестации аэро-
метрических приборов нового поколения, которые
используются в процессе переоборудования сущест-
вующих самолетов для полетов через Северную Атлан-
тику, в Европу и другие регионы в условиях сокраще-
ния интервалов вертикального эшелонирования до
60 м на высотах до 10000 м. Высокая точность измере-
ний давления необходима при изучении р-Т кривых
равновесия различных веществ, в процессе создания
термодинамической шкалы давления, для совершенст-
вования Международной температурной шкалы.
Литература:
1. Жоховский М.К. Теория и расчет приборов с неуплот-
ненным поршнем. — М., 1980.
2. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения дав-
ления, расхода количества и уровня жидкости, газа и пара.
- М„ 1989.
3. BonhoureJ., TerrienJ. // Metrologia. — 1968. —V. 37.
С. И. Новикова
379
Государственный специальный эталон
единицы давления для области
периодических давлений
Создан в УНИИМ (1980-1984 гг.) и утвержден Постановлением Госстан-
дарта СССР от 16.02.1984 г. 12.
В основу построения эталона положен метод сравнения, с помощью
манометрического компаратора, приращения избы сочного давления с ам-
плитудой периодического давления на опорной частоте генератора.
В составе эталона:
— два генератора периодического давления — низкочастотный и высо-
кочастотный;
— компаратор манометрический;
— грузопоршневой манометр баростат — средст во задания уровня ста-
тического давления и исходного размера единицы амплитуды давления;
— датчик-калибратор, предназначенный для передачи амплитуды дав-
ления во всем диапазоне частот переменного давления;
— комплект измерительных приборов.
Метрологические характеристики
Диапазон амплитуд периодического давления, МПа
(при статическом давлении до 100 МПа) 0,1-1,0
Диапазон частот 10 Iij-10 кГц
СКО результата измерений 0,5-10’2
НСП 1-Ю2
Область применения
— Калибровка измерительных преобразователей переменного давле-
ния.
— Определение динамических характеристик средств измерений пе-
ременного давления.
— Авиационная и космическая техника.
— Транспорт (в том числе трубопроводный).
— Приборостроение.
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерение физико-химического
состава и свойств веществ
381
Физико-химические измерения
Данная область измерений охватывает большую
группу величин, характеризующих:
— химический состав и структуру вещественных
объектов: растворов, расплавов, смесей, коллойдных
систем;
— физические свойства объектов, непосредст-
венно зависящие от их химического состава;
— процессы, связанные с изменениями химиче-
ского состава и структуры объектов (в том числе с
изменением их агрегатного состояния).
Обозначения и определяющие уравнения для 65
наиболее важных с гносеологической точки зрения
измеряемых величин приведены в международном
стандарте ИСО 31/8 (1992 г.) „Величины и единицы.
Физическая химия и молекулярная физика". Среди
них — „количество вещества", единица которого —
моль является одной из семи основных единиц СИ, а
также постоянные Авогадро, Фарадея, Больцмана,
универсальная газовая постоянная и др.
Группа величин, наиболее распространенных в
практике физико-химических измерений (ФХИ),
представлена в таблице.
Применение величин, характеризующих состав и
структуру, как правило, связано с детальной специфи-
кацией, т.е. указанием химической природы компо-
нента и объекта исследования. Примеры: массовая
концентрация диоксида серы в атмосферном воздухе
(мг/м3); массовая доля углерода в чугуне (%).
При исследовании природных систем, контроле ка-
чества сырья и продукции часто измеряются величи-
ны, применение которых ограничено рамками данной
группы объектов. Примеры: кислотное число рыбье-
го жира — масса гидроксида калия (мг), необходимого
для нейтрализации свободных кислот, содержащихся
в 1 грамме исследуемого жира; относительная влаж-
ность воздуха (%) — отношение массовой концентра-
ции водяных паров к их массовой концентрации в со-
стоянии насыщения (при тех же значениях темпера-
туры и давления воздуха).
Физико-химические измерения (ФХИ) базируются
на достижениях физической и аналитической химии,
воплощенных в средствах и методиках выполнения из-
мерений, Область ФХИ частично пересекается с об-
ластью измерений оптических, теплофизических, маг-
нитных и др. величин. В то же время область ФХИ ве-
личин, характеризующих химический состав веществ
и материалов, по своим задачам совпадает с приклад-
ным разделом аналитической химии — количествен-
ным химическим анализом. В последние десятилетия
сближению принципов количественного химическо-
го анализа и метрологии способствовали работы таких
выдающихся ученых, как Юден, Тэйлор, Курье (США),
Измеряемая величина Обозначение единицы Типичные объекты исследований
Массовая концентрация компонента мг/м’ Воздух, промышленные выбросы, вода
Молярная концентрация компонента моль/м3 Биологические жидкости
Массовая доля компонента (« том числе влаги) %, млн' Минеральное сырье, металлы и сплавы, древесина,
Объемная доля компонента %, млн'1 зерно и зернопродукты, пищевые продукты, природный газ, почва Технологические газовые среды, дыхательные смеси,
Плотность кг/м3 чистые газы; жидкие пищевые продукты Нефтепродукты, строительные материалы,
Кинематическая вязкость м2/с природный газ, пищевые продукты Нефтепродукты, лаки, краски, растворители
Динамическая вязкость Па-с Строительные растворы, каучуки, пищевые продукты
Удельная электрическая проводимость См/м Морская вода
рн 1 Водные растворы, промышленные стоки
Поверхностное натяжение Н/м Краски, латексы
Показатель преломления - Стекла, химические и фармацевтические продукты
Угол вращения плоскости поляризации оптического излучения рад Сахаросодержащие растворы,
Относительная диэлектрическая фармацевтические препараты Электроизоляционные материалы,
проницаемость 1 органические растворители
Каталитическая активность ферментов кат Биологические жидкости
382
Доерффель, Кайзер (Германия), Маршалл (Франция),
Де Бьевр (Бельгия), Налимов, Коллеров, Шаевич (Рос-
сия).
Область ФХИ отличается исключительным разно-
образием исследуемых объектов, измеряемых специ-
фицированных величин, методов и средств измере-
ний, вариантов обеспечения единства измерений. В
метрологической практике область ФХИ принято
подразделять на виды измерений (газоаналитические
измерения, измерения электрохимических величин,
измерения плотности, измерения влажности и др.) и
подвиды измерений, ориентированные, прежде все-
го, на группы однородных средств измерений: кондук-
тометры, pH-метры, диэлькометры, поляриметры,
приборы для измерения влажности зерна и зернопро-
дуктов, запыленности воздуха и др.
Трансформация традиционного количественного
химического анализа в ФХИ стимулировалась его ав-
томатизацией в 50-70-е гг. XX в. Автоматические про-
мышленные анализаторы стали широко применять-
ся при оценке качества сырья и продукции, контроле
параметров технологических процессов, обеспече-
нии безопасных условий труда, оценке пригодности
природной среды для жизнедеятельности и производ-
ства. Для основных групп приборов были разработа-
ны государственные стандарты, содержащие требова-
ния к метрологическим характеристикам: диапазону
измерений, основной и дополнительной погрешно-
стям, быстродействию, стабильности. Для контроля
этих характеристик потребовались надежные техни-
ческие средства более высокого метрологического
уровня; поэтому в научных метрологических центрах
и поверочных службах были созданы специализиро-
ванные подразделения, обеспечивающие испытания
приборов и их поверку при выпуске из производства
и в эксплуатации. В последующем в ряде видов и под-
видов ФХИ, охватывающих наиболее массовые и при-
оритетные измерительные задачи, были созданы го-
сударственные первичные эталоны и системы пере-
дачи размеров единиц физических величин от
эталонов рабочим средствам измерений. Подробная
информация об этих видах (подвидах) ФХИ представ-
лена в семи публикуемых ниже статьях Энциклопе-
дии.
Наряду с созданием централизованных систем вос-
произведения единиц и передачи их размеров в об-
ласти ФХИ реализуются иные принципы обеспечения
единства измерений. Эти принципы включают:
— применение чистых веществ и стандартных
справочных данных об их свойствах;
— приготовление (по регламентированной проце-
дуре) искусственных композиций веществ (смесей,
растворов) заданного состава;
— применение стандартных образцов веществ и
материалов, адекватных по составу и физическим
свойствам исследуемым объектам;
— реализацию (в отсутствие адекватных стандарт-
ных образцов) методов добавок чистых веществ в про-
бы анализируемых объектов;
— проведение круговых (межлабораторных) экспе-
риментов.
В последнее десятилетие, в связи с ростом требо-
ваний к достоверности измерительной информации
при международном товарообмене, обоснованности
принятия решений в экологии и медицине, интенсив-
но развиваются представления о методиках выполне-
ния измерений как специфических многостадийных
процедурах получения измерительной информации.
Такие процедуры наиболее характерны при анализе
веществ с помощью приборов универсального назна-
чения: спектрофотометров, ИК-, УФ-, рентгеновских
спектрометров, газовых и жидкостных хроматогра-
фов, масс-спектрометров, ЯМР-анализаторов, поляро-
графов и др. Специфика связывается со стадиями от-
бора и подготовки проб, разделения и идентифика-
ции компонентов, влиянием мешающих веществ на
результаты измерений. Для достижения требуемой
достоверности в методики включают раздел, в кото-
ром регламентируются процедуры оперативного кон-
троля точности результатов измерений. Вновь созда-
ваемые методики подвергают метрологическим ис-
следованиям (аттестации) с целью установления
метрологических характеристик и проверки соответ-
ствия предъявляемым к методике измерений метро-
логическим требованиям.
Достоверность результатов ФХИ затрагивает важ-
нейшие экономические и экологические аспекты жиз-
ни. Это находит свое отражение в деятельности меж-
дународных метрологических организаций (Консуль-
тативный комитет по количеству вещества при
Международном комитете мер и весов, КООМЕТ, СИ-
ТАК), регулярно проводящих сличения результатов
измерений для наиболее значимых объектов. В 1998-
1999 гг. проведены сличения результатов по токсич-
ным газам и парам этанола в воздухе, холестерину и
глюкозе в плазме крови, тяжелым металлам в воде и
пищевых продуктах, pH-стандартам, по чистоте бен-
зойной кислоты и ксилола.
Литература:
1. Оствальд В. Физико-химические измерения // Пер.
с нем. — Л.: 1осхимиздат, 1934.
2. Коллеров Д.К. Метрологические проблемы физико-
химических измерений / Исследования в области физико-
химических измерений // Труды метрологических инсти-
тутов СССР, вып. 68 (128). ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. —
М.-Л.. 1963.
3. Шаевич А.Б. Измерение и нормирование химическо-
го состава веществ. — М.: Изд-во стандартов, 1971.
4. NAser К.Н., Peschel G. Physikalish-chemische
MeBmethoden. 6., bberarb. Auflage, VEB Deutscher Verlag fur
Grundstoffmdustrie, Leipzig, 1972.
5. Измерения в промышленности. Справочник // Под
ред. П. Профоса. — М.: Изд-во Металлургия, 1980.
6. Конопелько Л.А., Бегунов А.А. Физико-химические из-
мерения состава и свойств веществ (Учебное пособие). — М.:
Изд-во стандартов, 1984.
7. Измерения массы, плотности и вязкости // Под. ред.
Ю.В. Тарбеева. — М.: Изд-во стандартов, 1988.
8. Tarbeyev Yu.V. Reference standards of Russia in the field
of physicochemical measurements // Metrologia. — 1997. —
V. 34,- №3. — P. 31-33.
Л.А. Конопелъко, Г.Р. Нежиховский
383
Эталонная база России в области физико
химических измерений
Работы по эталонированию физико-химических
измерений были начаты в российских научных мет-
рологических центрах в начале 60-х гг. XX в. Стиму-
лом для этого явился бурный рост парка автоматизи-
рованных приборов: газоанализаторов, гигрометров,
плотномеров, pH-метров и др. — нуждавшихся в пе-
риодической настройке показаний. Эти приборы ста-
ли классифицировать как средства измерений и рас-
пространять на них действующие метрологические
правила и нормы [1]. Начиная с 80-х гг. направлен
ность проводимых исследований была существенно
расширена в связи с ростом требований к достовер-
ности информации о состоянии окружающей среды,
а также о качестве продукции при международной
торговле. Эталоны стали применяться не только для
установления шкал приборов, но и для контроля пра-
вильности методов измерений, в частности, методов
количественного химического анализа [2].
В 1993 г. в Российской Федерации был принят За-
кон „Об обеспечении единства измерений", в котором
определены сферы распространения государственно-
го метрологического контроля и надзора. К эти сфе-
рам отнесены:
— здравоохранение, ветеринария, охрана окру-
жающей среды, обеспечение безопасности труда;
— обеспечение обороны Государства;
— испытания и контроль качества продукции в це-
лях определения соответствия обязательным требо-
ваниям государственных стандартов Российской Фе-
дерации;
— производство продукции, поставляемой по кон-
трактам для государственных нужд в соответствии с
законодательством Российской Федерации;
— обязательная сертификация продукции и услуг.
В настоящее время деятельность научных метроло-
гических центров России направлена, прежде всего, на
создание эталонов для метрологического контроля и
надзора в вышеперечисленных сферах.
Специфика физико-химических измерений связа-
на с многообразием измерительных задач, применяе-
мых для их решения методов и средств, вариантов
обеспечения единства измерений. Эталоны в этой об-
ласти измерений могут иметь самую разную техниче-
скую реализацию: от сложных измерительных ком-
плексов до образцов веществ, стабильных в отноше-
нии воспроизводимых ими величин.
Исходя из характера взаимосвязи эталонов их
можно подразделить на две группы.
Первую группу составляют эталоны, не входящие
в иерархические системы эталонов и СИ. К таким эта-
лонам относятся многие стандартные образцы соста-
ва и свойств веществ (Certified reference material).
Имеются в виду стандартные образцы разового изго-
товления; характеристики таких образцов устанавли-
ваются по результатам специально спланированных
аттестационных экспериментов (в том числе межла-
бораторных экспериментов). В некоторых случаях по-
добные образцы приготавливаются путем смешива-
ния определенных количеств чистых веществ, при
этом размер воспроизводимой образцом единицы ве-
личины устанавливается на основе уравнения, связы-
вающего непосредственно измеряемые величины:
массу, объем и др., а также справочные данные, отно-
сящиеся к свойствам смешиваемых чистых веществ.
Ряд подобных эталонов создается научными метроло-
гическими центрами, однако чаще роль центров сво-
дится к экспертизе результатов аттестационных ис-
следований, выполненных в других организациях.
Вторую группу составляют эталоны, являющиеся
элементами иерархических систем. Создание систем
соподчиненных эталонов — это широко распростра-
ненный путь обеспечения единства при измерениях
геометрических, механических, электрических вели-
чин [3]. В России подобные системы дифференциру-
ются по группам средств измерений и описываются
специальными нормативными документами — пове-
рочными схемами. В области физико-химических из-
мерений в настоящее время действует 10 поверочных
схем (см. таблицу).
При существенных отличиях в содержательной
части эти схемы имеют ряд общих структурных при-
знаков. Это позволяет нам представить функциони-
рующие в России иерархические системы эталонов в
виде обобщенной поверочной схемы (рис. 1).
Высшим звеном системы является государствен-
ный первичный эталон единицы величины, характе-
ризующей физико-химические свойства либо химиче-
ский состав группы объектов (жидкостей, растворов,
газовых сред и т.п.). Государственный первичный эта-
лон представляет собой комплекс измерительной и
вспомогательной аппаратуры, обеспечивающей вос-
произведение единицы величины с наивысшей в стра-
не точностью. При этом реализуются методы измере-
ний, основанные на хорошо изученных зависимостях
между данной величиной и другими величинами (ча-
ще всего, такими как масса, объем, время, сила тока и
т.п.). Ответственными за создание и эксплуатацию та-
ких эталонов являются государственные научные мет-
рологические центры. Передача размера единицы ве-
личины от первичного эталона подчиненным элемен-
там системы осуществляется двумя способами. Один
384
Таблица.
Поверочные схемы в области физико-химических измерений
Измеряемая величина Год создания Количество уровней в иерархии эталонов
Плотность жидкостей 1975 3
Кинематическая вязкость 1975 3
Объемное влагосодержание нефти и нефтепродуктов 1976 3
Влажность зерна и зернопродуктов 1982 3
Влажность неводных жидкостей 1986 3
Относительная влажность газов 1986 3
Содержание компонентов в газовых средах 1990 4
Удельная электрическая проводимость растворов 1995 3
Рис. 1. Обобщенная поверочная схема для средств
физико-химических измерений
из них соответствует непосредственной стыковке эле-
ментов системы (левая ветвь схемы), другой связан с
использованием образцов веществ и материалов (пра-
вая ветвь схемы).
На следующем уровне в иерархии эталонов нахо-
дятся вторичные эталоны. Эти эталоны также пред-
ставляют собой комплексы аппаратуры. Вторичные
эталоны, включенные в левую ветвь, находятся в от-
дельных региональных поверочных центрах, а также
в некоторых приборостроительных фирмах. В правой
ветви схемы показаны вторичные эталоны, применяе-
мые крупными изготовителями стандартных образ-
цов (в том числе, стандартных образцов высокой точ-
ности). Связь между этими эталонами и первичным
эталоном осуществляется с помощью специальных об-
разцов веществ, имеющих статус эталонов сравнения.
Включение в схему вторичных эталонов обусловлено
территориальными особенностями России, стремле-
нием к сокращению затрат на транспортирование эта-
лонов.
Третий иерархический уровень представлен рабо-
чими эталонами. В левую ветвь включены рабочие эта-
лоны, непосредственно применяемые для калибров-
ки и поверки средств измерений. Эти эталоны нахо-
дятся в многочисленных метрологических службах,
расположенных во всех регионах страны. В правую
ветвь схемы включены рабочие эталоны (измеритель-
ные установки и приборы), применяемые при массо-
вом выпуске стандартных образцов.
Важной особенностью представленной иерархи-
ческой системы является ее пирамидальной характер:
при переходе от верхнего к последующим уровням по-
верочной схемы нарастает количество применяемых
эталонов. В этом отношении, особенно характерна
поверочная схема для средств измерений содержания
компонентов в газовых средах [4]. При создании этой
схемы было учтено то обстоятельство, что для различ-
ных измерительных задач оптимальным оказывается
разное количество уровней в иерархии эталонов. В
связи с этим измерительные задачи были классифи-
цированы на группы: А, В, С. С помощью государст-
венного первичного эталона, функционирующего в
институте метрологии им. Д.И. Менделеева, центра-
лизовано воспроизводят единицы молярной доли и
массовой концентрации компонентов для задач груп-
пы А. В эту группу включены массовые измеритель-
ные задачи, требования к точности измерений в этих
задачах установлены международными соглашениями
и государственными стандартами. В качестве приме-
ра укажем на задачу измерения содержания оксида уг-
лерода и оксидов азота в выхлопах автотранспорта.
Институт выпускает эталоны сравнения — 15 компо-
зиций газов в специализированных баллонах (а так-
же 22 типа источников микропотоков газов и паров
(„Permatlon tube")). На уровне вторичных эталонов
решаются как задачи группы А, так и задачи группы
В. К этой группе относят измерительные задачи меж-
отраслевого характера, как правило, менее сложные
с точки зрения эталонирования, чем задачи группы
А. Примером служит задача измерения водорода в воз-
духе. На основе вторичного эталона заводы в г. Бала-
385
шихе (Московская область) и г. Смоленске выпуска-
ют более 60 типов высокоточных стандартных образ-
цов состава газовых смесей. На уровне рабочих эта-
лонов решаются задачи всех трех групп: А, В, С. К по-
следней группе отнесены задачи ограниченного
распространения, решаемые, преимущественно, в од-
ной отрасли при незначительных требованиях к точ-
ности измерений. На основе рабочих эталонов восемь
российских предприятий выпускают более 400 типов
государственных стандартных образцов состава газо-
вых смесей.
При подобном расширении круга решаемых изме-
рительных задач рабочие эталоны оказываются свя-
занными с первичным эталоном лишь в рамках задач
группы А. Такое построение системы эталонов мож-
но рассматривать как компромисс между стремлени-
ем к максимальной точности и надежности рабочих
эталонов, с одной стороны, и стремлением к их дос-
тупности и окупаемости с другой стороны. В каждом
конкретным случае оптимальная иерархия эталонов
определяется на основе тщательного анализа техни-
ческих и экономических аспектов проблемы.
Перспективы развития эталонной базы России
связаны с появлением ряда новых иерархических сис-
тем эталонов. Технические и экономические предпо-
сылки для этого сложились, прежде всего, в области
измерений pH и массовой концентрации тяжелых ме-
таллов в воде и пищевых продуктах.
Накопленный опыт подтверждает, что реализация
системного подхода в отношении рабочих эталонов
во всех случаях дисциплинирует их владельцев (изго-
товителей стандартных образцов), упорядочивает их
взаимоотношения с научными метрологическими
центрами, ответственными за единство измерений,
увеличивает доверие к измерительной информации.
Отметим, что важнейшим фактором подобного дове-
рия становится подтверждение точности первичных
эталонов на основе результатов международных сли-
чений эталонов. В последние годы российские науч-
ные метрологические центры активно участвуют в по-
добных сличениях, добиваясь положительных резуль-
татов.
Литература:
1. Коллеров Д.К. Исследования в области физико-хими
ческих измерений // Труды ВНИИМ, вып.68 (128). — М.-Л.:
Стандартгиз, 1963. — 54 с.
2. Семенко Н.Г., Панова В.И., Лахов В.М. Стандартные
образцы в системе обеспечения единства измерений. — М.:
Изд-во стандартов, 1990. — С. 157-193.
3. Системные исследования в метрологии // Сб. научн.
трудов НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" // Под ред.
Ю.В. Тарбеева. - Л., 1986. - 78 с.
4. Козлов М.Г., Конопельке Л.А., Нежиховский Г.Р. Ibcy-
дарственная поверочная схема для средств измерений содер-
жания компонентов в газах // Измерительная техника. —
1990,-№7.-С. 52-54.
Ю.В. Тарбеев, Л.А. Конопелька
13 Зак 450
386
Методы и средства измерений плотности
Физические основы измерений
плотности
Из истории известно, что первым, кто опериро-
вал понятием близким к понятию „плотности", был
Архимед из Сиракуз (III в. до н.э.). Он создал шкалу
металлов, в которой за основу было взято чистое зо-
лото. Относительно него он расположил другие ме-
таллы, которые имели один и тот же вес в воздухе, в
зависимости от их веса в воде. Вес металлов в воде он
определял с помощью предложенных им гидростати-
ческих весов. В результате им был открыт известный
закон Архимеда: „Любое тело, погруженное в жид-
кость, теряет в весе ровно столько, сколько весит вы-
тесненная им жидкость". Этот принцип с успехом им
был проверен при определении содержания золота в
короне царя Гиерона. Таким образом, Архимед был
первым, кто провел количественный химический ана-
лиз. Понятие „плотности" впервые было введено
Ньютоном. Оно логически вытекало из понятия „мас-
сы", также введенное Ньютоном, как масса тела, от-
несенная к занимаемому им объему, т.е.
Р=т/у- (1)
Еще одной важной особенностью плотности, вы-
деляющей ее из многих других физических величин,
является то, что она играет роль связующего звена ме-
жду макро- и микромиром. Например, плотность мо-
нокристалла кремния, которая может быть измерена
на гидростатических весах, связана с его микрострук-
турой:
где М — молярная масса кремния; Nл — посто-
янная Авогадро; <z0 — постоянная решетки монокри-
сталла.
В нашей стране исследования в области измере-
ний плотности ведутся со времени основания Главной
палаты мер и весов. Еще А.Я. Купфером, Д.И. Менде-
леевым, Б.М. Колловичем, М.Д. Иппец и другими уче-
ными проводились фундаментальные исследования
плотности воды, ртути, воздуха, водных растворов
этилового спирта. Докторская диссертация Д.И. Мен-
делеева была посвящена изучению растворов спирта
с водой [2]. В частности, им было доказано, что спирт
с водой может смешиваться в любых соотношениях.
На основании исследований растворов спирта, вы-
полненных в 1950-1960 гг., разработаны таблицы
плотности водно-спиртовых растворов, позволяющие
определять концентрацию спирта в диапазоне темпе-
ратуры от -25 до +40 °C, которые в дальнейшем под-
вергались проверке и уточнению [3].
Основные понятия и определения
Диапазон измерений плотности веществ и сред,
существующих в природе, очень широк, от 10‘21 для
межзвездной среды до 1020 кг/м3 для нейтронных
звезд. Кроме чисто научной значимости, плотность
имеет важное прикладное значение: при количествен-
ных химических анализах в технологии пищевой,
нефтехимической, лакокрасочной и других отраслях
промышленности.
Из определения (1) видно, что размерность плот-
ности есть
[/?]=М£-3, (3)
где М— размерность массы; L — размерность длины.
Кроме плотности в некоторых разделах науки и тех-
ники в качестве характеристики вещества применяют
относительную плотность, которая представляет собой
отношение плотности вещества к плотности другого
вещества при определенных физических условиях. Со-
ответственно эта величина является безразмерной. В
качестве условного вещества обычно применяют дис-
тиллированную воду при 4 °C.
Относительную плотность газов обычно выража-
ют по отношению к сухому воздуху или водороду. От-
носительную плотность обозначают буквой р с дву-
мя индексами, вверху и внизу. Верхний индекс обозна-
чает температуру, при которой измерена плотность
исследуемого вещества, нижний — температуру воды,
к плотности которой отнесена плотность данного ве-
щества. Относительную плотность жидкости и твер-
дых тел принято выражать отношением плотности ве-
щества при температуре 20 °C к плотности дистилли-
рованной воды при температуре 4 °C. При этом
относительную плотность обозначают . Исключе-
нием из этого правила является морская вода, плот-
ность которой при температуре 17,5 °C относят к
плотности дистиллированной воды при температуре
17,5 °C. Тогда относительная плотность морской во-
ды имеет следующее обозначение . В области из-
мерений плотности применяют производные от нее
величины, такие как концентрациям массовая доля. Они
имеют следующие определения:
— концентрация — это выраженное в процентах от-
ношение объема вещества, измеренного при опреде-
ленной температуре (20 °C) и содержащегося в сме-
си, к общему объему смеси, измеренному при той же
температуре;
— массовая доля — это выраженное в процентах от-
ношение массы вещества, содержащегося в смеси, к
общей массе смеси.
387
Зависимость плотности жидкости от
температуры
Как правило, плотность веществ уменьшается с
возрастанием температуры и увеличивается с повы-
шением давления. При фазовых превращениях веще-
ства плотность изменяется скачкообразно, причем
при переходе из жидкого состояния в твердое плот-
ность обычно возрастает. Исключение составляет во-
да и чугун, плотность которых в твердом состоянии
меньше, чем в жидком Зависимость плотности веще-
ства от температуры выражается уравнением [4]:
(4)
где /4 — плотность вещества при температуре •
/Ь — плотность вещества при температуре t2 ; /3 —
коэффициент объемного теплового расширения ве-
щества.
У многих жидкостей, например, у нефтепродуктов
(бензин, керосин) наблюдается линейная зависи-
мость от температуры:
/f, = /4-4z-G), (5)
где а — постоянная для данной жидкости ьеличи
на.
Величина а представляет собой среднюю темпе-
ратурную поправку, показывающую насколько изменя-
ется плотность данной жидкости при изменении тем-
пература на 1 °C. Так как плотность вещества в значи-
тельной степени зависит от температуры, необходимо
указывать при какой температуре была измерена его
плотность. Обычно принято указывать плотность при
температуре 20 °C.
Следует иметь в виду, что есть жидкости, к кото-
рым формулы (4) и (5) не применимы, например, ма-
зуты, Поэтому плотность таких жидкостей нельзя пе-
ресчитывать на разные температуры. Их плотность
следует измерять при требуемой температуре.
Плотность газов
Уравнение состояние влаж: юго газа имеет вид [4]:
(Р-
р= л —p^rz— + m ’ (6)
где Рц — плотность сухого газа при нормальных
условиях; р — давление газа; Рй — максимальное дав-
ление водяного пара при т емпературе р ; <р — отно-
сительная влажность газа при давлении р и темпе-
ратуре Т Л — максимальная плотность водяного па-
ра при давлении р и температуре р.
Плотность смеси сухих газов заданного состава оп-
ределяется формулой:
N
P=YaiP>, (7)
1=1
где —концентрация (в долях единицы) j-го ком-
понента смеси; /) — плотность i -го компонента при
давлении и температуре смеси.
Или
где bj — массовая доля г -го компонента смеси.
Основные методы измерений
плотности
Для измерений плотности применяются самые
разнообразные методы, метод гидростатического
взвешивания, вибрационный метод, поплавковый ме-
тод, ареометрический метод, радиоизотопный метод
и др.
Метод гидростатического взвешивания. Много-
вековая история этого метода, введенного Архиме-
дом, не внесла практически никаких изменений в ме-
тодику — он до сих пор используется в первозданном
виде. Метод гидростатического взвешивания позво-
ляет измерять плотность газов, жидкости и твердых
тел с помощью гидростатических весов.
Для измерения плотности твердого тела его вна-
чале взвешивают в воздухе, а затем в жидкости. Как
правило, в качестве жидкости используют диетилли
рованную воду или очищенную ртуть, физические
свойства которых хорошо изучены.
Плотность твердого тела рассчитывают по фор-
муле:
G
Р Рж G-Gx ’
где рж — плотность жидкости, в которой взвеши-
валось твердое тело; G — вес тела в воздухе; Gx —
вес тела в жидкости.
Гидростатические весы применяются также и для
определения плотности жидкости. Взвешивая твер-
дое тело в воздухе и в двух жидкостях, в одной — с из-
вестной плотностью, например, в воде и в жидкости,
плотность которой подлежит определению, можно
рассчитать плотность этой жидкости по формуле:
G-Gx
А Л G-Ge’
где Рх — плотность исследуемой жидкости; рй —
плотность дистиллированной воды; G — вес твердо-
го тела в воздухе; Gx — вес твердого тела в исследуе-
мой жидкости; GB — вес твердого тела в жидкости с
известной плотностью.
Для измерений можно взять любое твердое тело,
знать его объем и плотность не обязательно. Точность
измерений зависит от точности взвешиваний в воз-
духе и в жидкости, а также от точности определения
плотности жидкости.
Плотность газов, жидкости и твердых тел может
быть измерена с помощью пикнометрического метода,
уступающего по точности только методу гидростати-
ческого взвешивания. Пикнометр представляет собой
сосуд с запорным краном (или кранами) определенной
=-' - 388 -.....
вместимости. Пикнометрический метод основан на
взвешивании исследуемого вещества, занимающего в
пикнометре определенный объем. Обычно для изме-
рения плотности выполняют три взвешивания. Напри-
мер, при измерении плотности твердого тела взвеши-
вают исследуемое твердое тело в воздухе, пикнометр,
заполненный жидкостью с известной плотностью, и
пикнометр, заполненный той же жидкостью с погру-
женным в нее твердым телом. Причем в последних
двух взвешиваниях пикнометр заполняют жидкостью
до одного и того же уровня. По результатам взвешива-
ний определяют объем твердого тела, численно рав-
ный массе вытесненной им воды, По массе и объему
рассчитывают его плотность. Для определения плот
пости жидкости пикнометром сначала определяют его
массу, а затем взвешивают пикнометр, заполненный по-
следовательно дистиллированной водой и исследуе-
мой жидкостью. Первое и второе взвешивания позво-
ляют определить вместимость пикнометра, а первое
и третье — массу исследуемой жидкости в объеме пик-
нометра. Деля первое на второе, получают плотность
исследуемой жидкости. К достоинствам пикнометри-
ческого метода следует отнести достаточно высокую
точность (до 0,001 %) при относительной его просто-
те. Это объясняется возможностью применения высо-
коточных лабораторных весов, не требующих каких-
либо дополнительных приспособлений, малой свобод-
ной поверхностью жидкости в пикнометре, что
практически исключает испарение жидкости и погло-
щение влаги из атмосферного воздуха. Также преиму-
ществом является то, что имеется возможность раз-
дельного проведения операций термостатирования и
последующего взвешивания, работать с небольшим ко-
личеством вещества.
Простейшим и наиболее распространенным явля-
ется метод измерения плотности жидкости при помо-
щи ареометра. Принцип действия ареометра, пред-
ставляющего собой полое стеклянное тело с грузом и
шкалой внутри, основан на законе Архимеда. Соглас-
но этому закону на всякое тело, погруженное в жид-
кость, действует сила, которая приложена к центру
тяжести погруженной части тела, направлена верти-
кально вверх и равна весу вытесненной телом жидко-
сти. т.е. весу жидкости в объеме погруженной части.
Эта сила называется выталкивающей или Архимедо-
вой силой.
Таким образом, если ареометр постепенно опус-
кать в жидкость, то он будет плавать так. что вес арео-
метра уравновешивается действующей на него Ар-
химедовой силой. Глубина погружения ареометра
определяется плотностью жидкости. Это позволяет
непосредственно определять плотность жидкости по
шкале ареометра, предварительно откалиброванной
в единицах плотности с помощью градуировочных
жидкостей или весовым методом калибровки ареомет
ров. Чем больше плотность жидкости, тем меньше
должна быть глубина погружения ареометра. Чем
меньше плотность жидкости, тем больше должна быть
глубина погружения. Поэтому числовые значения
плотности на шкале ареометра располагаются в воз-
растающем порядке сверху вниз. Поскольку объем по-
груженной части ареометра растет по мере его погру-
жения, то при постоянном диаметре стержня деление
уменьшается в направлении снизу вверх. На работу
ареометра оказывает сильное влияние поверхност-
ные натяжения жидкости, значения которых для раз-
ных жидкостей сильно различаются. В связи с этим
существует большое количество типов ареометров
для разных сортов жидкостей. Например, существу-
ют ареометры для морской воды, молока, спирта, неф-
ти, нефтепродуктов и др. Так как ареометры облада-
ют высокой чувствительностью, диапазон значений
плотности каждого cop ra жидкости охватывается 10-
15 приборами. Это можно отнести к недостаткам
ареометрического метода.
Вибрационный метод измерений плотности га-
зов и жидкости основан на использовании зависимо-
сти частоты колебаний механического вибратора от
плотности окружающей его среды. В процессе коле-
баний вибратор присоединяет некоторую массу сре-
ды, она будет тем больше, чем больше плотность сре-
ды. В результате период колебаний механического
вибратора в более плотной среде уменьшается. Виб-
ратор работает в режиме автоколебаний, его резо-
нансная частота (или период колебаний) будет зави-
сеть от плотности окружающей среды. Плотность сре-
ды рассчитывается по формуле:
р=К0 + К} Т + К2 Т2, (11)
где К() , А,, К2 — калибровочные коэффициенты;
Т --период колебаний вибратора.
Калибровочные коэффициенты определяются
при калибровке плотномера по трем градуировочным
жидкостям с известными значениями плотности при
температуре 20 °C. Плотность среды при температу-
ре, отличной от 20 °C, рассчитывается по формуле:
Я = />[1+^(«-20)]+Х4(«-20), (12)
где — плотность, скорректированная по темпе-
ратуре; и — константы, определяемые при тем-
пературной калибровке на заводе-изготовителе.
Вибрационные плотномеры выпускаются как в ла-
бораторном настольном исполнении, так и для рабо-
ты в потоке на трубопроводах. Точность вибраниоп
ных плотномеров лежит в пределах от 5-10 4 до 0,1 %.
Гидростатический метод измерения плотности
основан на зависимости давления жидкости от ее
плотности на определенной глубине, т.е.
P=gHp, (13)
где р — давление жидкости на глубине —ус-
корение свободного падения; р — плотность жидко-
сти.
Давление столба жидкости постоянной высоты мо-
жет быть мерой плотности.
Чтобы исключить влияние колебаний уровня жид-
кости, применяют дифференциальный метод. При
этом измеряют разность давлений двух столбов жид-
кости разной высоты. Тогда разность давлений др
будет:
AP = gV, (14)
где h — разность высот столбов жидкости.
Разность давлений в вертикальном трубопроводе
или резервуаре измеряют с помощью двух преобразо-
вателей давления, установленных на определенном
расстоянии по высоте друг от друга и подключенных
— ..... 389
к дифференциальному манометру. Гидростатические
плотномеры обладают сравнительно низкой точно-
стью: погрешность, отнесенная к диапазону измере-
ний, достигает ±(2-4) %.
Радиоизотопный метод измерений плотности ос-
нован на том, что интенсивность /-излучения, про-
шедшего через исследуемое вещество и зарегистри-
рованного детектором излучения, является экспонен-
циальной функцией плотности. В качестве источника
излучения применяют изотоп цезия-137, а в качестве
детектора излучения — ионизационную камеру. Важ-
ным достоинством радиоизотопного метода являет-
ся возможность контроля за ходом технологических
процессов в труднодоступных местах, в тех случаях,
когда другие методы практически неприменимы. По-
грешность радиоизотопных плотномеров составляет
около ±2 % диапазона измерений.
Ультразвуковой метод измерений основан на том,
что скорость распространения продольных звуковых
волн в жидкости является функцией ее плотности и
определяется из уравнения:
<15)
где с — скорость распространения звуковых волн;
^—коэффициент адиабатической сжимаемости жид-
кости; р — плотность жидкости.
Таким образом, измеряя скорость распростране-
ния ультразвуковых колебаний в жидкости, можно су-
дить о ее плотности.
В другой разновидности ультразвукового метода
используется зависимость акустического сопротивле-
ния Ra от плотности исследуемой жидкости р, т.е.
Ra= ср. (16)
Применяя в качестве источника ультразвуковых
колебаний пьезоэлектрический преобразователь, аку-
стически контактирующий с исследуемым веществом
и возбуждаемый на резонансной частоте, получают
выходной сигнал в виде электрического напряжения,
являющийся функцией Ra , а, следовательно, и плот-
ности. Погрешность измерений таким методом со-
ставляет ±(2-4) % диапазона измерений.
Государственный первичный эталон
единицы плотности
С целью сохранения исторической преемственно-
сти между единицей объема, выведенной из единицы
длины, и единицей объема, полученной при помощи
измерений плотности, при создании Метрической
Системы, килограмм был определен как масса куби-
ческого дециметра воды: таким образом, была сохра-
нена взаимосвязь между единицей массы и единицей
объема. Исторически сложилось так, что наличие та-
кого простого и точного метода как взвешивание, на
фоне несовершенства инструментальных средств, ко-
торые с достаточной степенью позволили бы перей-
ти от измерений длины к измерениям объема, приве-
ло к тому, что на практике измерения объема превра-
тились в измерения плотности. Другими словами,
переход к трехмерным измерениям происходил не по-
средством привлечения единицы длины, а при помо-
щи посредника в виде плотности жидкости. Уже в
1889 г. килограмм-прототип был принят в виде эталон-
ной гири из платино-иридиевого сплава, тем самым
было исключено посредничество воды из определе-
ния единицы массы, но лишь в 1964 г. было отменено
решение III Генеральной Конференции по Мерам и
Весам 1901 г., в котором говорилось, что единица объ-
ема, в целях обеспечения высокой точности измере-
ний, равна объему, занимаемому чистой водой массой
1 кг. Несмотря на то что вода исключена из определе-
ний массы и объема, она оставалась еще долгое вре-
мя абсолютной эталонной мерой плотности. Это обу-
словлено различными немаловажными причинами:
дистиллированную воду легко получить в лаборатор-
ных условиях, она легко поддается очистке и не ток-
сична. Плотность воды была определена в начале
XX в. Шаппиусом и Гийомом [5, 6]. Они производи-
ли измерения плотности воды с помощью гидроста-
тического взвешивания куба из кварца, объем кото-
рого был рассчитан исходя из интерферометриче-
ских измерений его линейных размеров. Затем была
исследована зависимость плотности воды от темпе-
ратуры, давления, изотопного состава и концентра-
ции растворенных газов, и составлены соответствую-
щие таблицы. На этой основе соответствующим об-
разом подготовленная и проверенная вода до сих пор
является эталонной мерой плотности с погрешно-
стью около (4-5)-106. В настоящее время на основа-
нии последних исследований были получены новые
таблицы плотности воды в диапазоне температур 0-
40 'С с учетом перехода на новую температурную шка-
лу МТШ-90 [7].
Однако вода имеет и ряд существенных недостат-
ков: сложность консервации, влияние изотопного со-
става воды и концентрации растворенных газов на ее
плотность. В связи с этим с целью повышения точно-
сти воспроизведения единицы плотности целый ряд
ведущих национальных метрологических лабораторий
перешли на эталон, основанный на использовании
твердого тела правильной геометрической формы,
плотность которого определяется без использования
жидкости, на основе его физического определения, т.е.
через массу и объем. Кроме возможности получить эта-
лон единицы плотности более высокой точности, име-
ются и другие причины, побуждающие отдать предпоч-
тение твердому телу. Так плотность любой жидкости
наиболее просто определять при помощи твердого те-
ла, а не при помощи воды. Кроме того, плотность двух
твердых тел легче и точнее определяется непосредст-
венным сличением, не посредством соотношения с
плотностью воды. В самом деле, при гидростатическом
взвешивании двух твердых тел в одной и той же жид-
кости отношение выталкивающих сил, действующих
на эти тела со стороны жидкости, соответствует отно-
шению их объемов и не зависит от плотности исполь-
зуемой жидкости.
Государственный первичный эталон (ГПЭ) едини-
цы плотности состоит из комплекса следующих
средств измерений:
— образцовые весы с наибольшим пределом
взвешивания 1 кг;
— набор эталонных поплавков переменного со-
става;
— набор ртутных термометров;
390
— аппаратура для измерений плотности воздуха;
— термостатированная ванна;
—циркуляционный термостат.
Эталон обеспечивает воспроизведение единицы
плотности со средним квадратическим отклонением
1-106и предназначен для передачи размера единицы
вторичным эталонам единицы плотности. От вторич-
ных эталонов размер единицы передается эталонным
и рабочим средствам измерений плотности в диапа-
зоне 650-2000 кг/м3.
В настоящее время ведущие национальные метро-
логические лаборатории США, Англии, Италии, Гер-
мании, Австралии и др. перешли на абсолютный ме-
тод воспроизведения единицы плотности с помощью
твердого тела правильной геометрической формы.
При этом единица плотности получает размер непо-
средственно от эталона единицы длины с помощью ин-
терференционных измерений и от эталона единицы
массы. В качестве твердого тела, как правило, приме-
няется сфера из ситалла с практически нулевым коэф-
фициентом температурного линейного расширения.
Успехи, достигнутые в развитии интерференцион-
ных измерениях линейных размеров эталонных сфер,
позволили снизить погрешность воспроизведения
единицы плотности до нескольких единиц седьмого
знака. Работы по созданию нового эталона, основан-
ного на абсолютном методе воспроизведения едини-
цы, ведутся в настоящее время в ГП „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева“.
Литература:
1. Силк Дж. Большой взрыв. Пер. с англ. — М.: Мир, 1982.
2. Менделеев Д.И. О соединении спирта с водой. — СПб •
Изд. Товарищества „Общественная польза", 1865.
3. Таблицы для определения содержания этилового спир-
та водно-спиртовых растворах. — М.: Изд-во стандартов,
1979.
4 Гаузнер С.И. и др. Измерения массы, объема, плотно-
сти. — М.: Изд-ьо стандартов, 1982.
5. Guillaume Ch.-Ed., Trav.Met. Bur. Int Poids et Mesures,
1910.
6. Chappius P., Trav.MeL. Bur. Int Poids et Mesures, 1910.
7. PattersonJ., Morrison E.C. // Metrologia. — 1994. — 31.
В.С. Снегов
391
Вискозиметрия
История развития
Вязкость — свойство жидкости, характеризующее
интенсивность процесса переноса количества движе-
ния. Вязкость представляет собой меру интенсивно-
сти диссипации работы, затрачиваемой на поддержа-
ние течения жидкости. Такое — интегральное — опре-
деление вязкости относится как к однородным, так и
гетерогенным средам и не связано с молекулярно-ки-
нетической теорией строения жидкости или с пред-
ставлениями о механизме ее течения.
Величина совершаемой работы зависит как от соб-
ственных свойств текущей жидкости, так и геометри-
ческих условий эксперимента. Определение вязкости
в терминах механики сплошных сред позволяет рас-
смотреть столь малый объем жидкости, что в его пре-
делах кинематические и динамические характеристи-
ки деформации постоянны.
Локальной характеристикой кинематики дефор-
мирования является тензор скоростей деформации.
Для простого сдвига характеристикой скорости де-
формации является величина y^-du/dx, где и —ско-
рость течения, ах— координата по оси, направлен-
ной перпендикулярно скорости.
Под вязкостью т) в этом случае понимают отно-
шение напряжения сдвига / к скорости сдвига dujdx ,
т.е. Т]= У у.
В системе СГС единицей вязкости является ди-
на-с/см1 2 или Пуаз (П). В системе СИ единица вязко-
сти — это Н-с/м2 или Па-с.
Если отношение i и du/dx остается постоянным,
то жидкость, обладающую таким свойством, называ-
ют ньютоновской. Практически такими являются
жидкости малого молекулярного веса, представляю-
щие собой чистые вещества или растворы, и большая
часть более сложных жидкостей при определенно за-
данных скоростях сдвига.
Такое определение вязкости относится только к
установившемуся ламинарному течению, когда ни на-
пряжение, ни скорость деформации не зависят от вре-
мени, вся совершаемая работа диссипирует, а дефор-
мации представляют собой вязкое течение.
Во многих методах измерения вязкость не опре-
деляется непосредственно. Измеряется кинематиче-
ская вязкость, и, т.е. отношение Т] к плотности р ис-
следуемой жидкости.
В системе СГС единицей кинематической вязко-
сти является см2/с или стокс (Ст). В системе СИ —
это м2/с. В отличие от кинематической вязкость Т) на-
зывают динамической вязкостью.
Если вязкость зависит от i или /, то жидкость на-
зывают неньютоновской или аномально-вязкой. Боль-
шинство систем с большим молекулярным весом, рас-
творы и расплавы, многофазные среды, такие как кол-
лоиды, суспензии, эмульсии, пасты и т.д. относятся к
этой категории. В этом случае отношение напряже-
ния сдвига к скорости сдвига иногда называют „кажу-
щейся вязкостью".
Это определение принято в BS 5168'. В стандар-
тах ASTM2 применяется термин „кажущаяся мягкость"
для обозначения вязкости, полученной по результа-
там измерений неньютоновских жидкостей, с помо-
щью уравнений, применяемых для ньютоновских
жидкостей.
В течение последних трех столетий вязкость ста-
ла объектом многочисленных исследований. Великий
русский ученый М.В. Ломоносов исследовал вязкость
жидкостей в XVIII в. и впервые предложил капилляр-
ный вискозиметр. Для теоретического эксперимен-
тального обоснования закона вязкого трения, в сере-
дине XIX в. большую роль сыграли классические ис-
следования творца гидродинамической теории
смазки профессора Н.П. Петрова. Гениальный уче-
ный Д.И. Менделеев, рассматривая связь между вяз-
костью веществ и другими их физическими и хими-
ческими свойствами, в 1869 г. пришел к выводу, что
величина внутреннего трения веществ займет важную
роль в обосновании теории молекулярной физики,
что полностью подтвердилось всем последующим раз-
витием науки.
Научные основы вискозиметрии покоятся на зако-
нах гидродинамики вязкой жидкости, развитие кото-
рой началось с исследований И. Ньютона. Им была вы-
сказана гипотеза, согласно которой вязкостью жидко-
сти называется свойство, заключающееся в появлении
в жидкости касательных напряжений при относитель-
ном скольжении ее слоев.
Касательные напряжения в жидкости возникают
лишь при ее движении. Эти касательные напряжения
характеризуют силы внутреннего трения, действие ко-
торых можно представить себе, рассматривая стацио-
нарное движение жидкости между двумя неограничен-
ными параллельными плоскостями, из которых одна
неподвижна, а другая перемещается с постоянной ско-
ростью {7 в направлении оси х. Скорость частиц жид-
кости, прилипшей к неподвижной пластине равна
нулю, а на подвижной пластине равна у . В зазоре
1 BS — Британский стандарт.
2 ASTM — Американское общество по испытаниям и
материалам.
— 392
(1)
устанавливается ламинарный режим течения с линей-
ным профилем скоростей. Согласно рис. 1 движение
передается от одного слоя жидкости к другому в на-
правлении, перпендикулярном движению, за счет сил
внутреннего трения — вязкости.
Чем больше поверхность соприкосновения слоев
S', тем больше сила р. Ньютон высказал предполо-
жение, что величина силы р , отнесенная к единице
площади, прямо пропорциональна разнице скоростей
между с лоями, т.е. отношению разности их скоростей
к расстоянию между ними. Тогда:
F dU
— = П
S dy
Дальнейшее развитие гидродинамики, продвинув-
шееся благодаря трудам Бернулли, Эйлера и др., про-
текало исключительно в области исследования
свойств идеальных жидкостей. Многочисленные экс-
периментальные исследования привели к общему за-
ключению, чго сопротивление потоку жидкости в ци-
линдрических трубках может быть выражено как сум-
ма двух членов, один из которых содержит первую
степень, а другой — вторую степень.
Применив совершенно новый метод исследования
сопротивления потоку очень медленно двигающейся
жидкости — метод коаксиальных цилиндров — Кулон
получил определение, идентичное с определением
внутреннего трения, выведенного из гипотезы Нью-
тона. Путем рассуждений он приходит к выводу, что
сопротивление движению жидкости при медленных
скоростях потока пропорционально первой степени
скорости.
Навье (1785-1836 гг.) вместе со Стоксом (1819-
1903 гг.) сформулировали уравнения движения, ис-
пользуемые в гидродинамике. Пуазейль (1799-
1869 гг.) провел тщательные эксперименты, позволив
шие установить закон ламинарного течения, носящий
его имя. Течение жидкости в капиллярных трубках,
характеризуемое параболическим распределением
скоростей, известно как течение Пуазейля-Хагепа.
Закон Пуазейля выражает полный расход Q по-
тока жидкости 2 xnidr , проходящего через круго-
вой элемент 2 тггдг площади поперечного сечения.
= лт4А/>
8 rjl
(2)
где р — перепад давления на концах капилляра;
Т] — вязкость жидкости; I — длина капилляра.
Г______________________
Рис. 1. Распределение скорости в ламинарном потоке
между параллельными стенками
Уравнение Пуазейля лежит в основе наиболее точ-
ного метода измерения вязкости.
Первое решение задачи о сопротивлении движе-
нию твердого тела в вязкой жидкости принадлежит
профессору Кембриджского университета сэру
Джорджу Стоксу. В своей работе, опубликованной в
„Филосовских трудах" Кембриджского университета,
он линеаризовал общие уравнения движения вязкой
несжимаемой жидкости и получил уравнения неста-
ционарного ползущего течения. Эти уравнения он
применил к рас чету затуханий колебаний маятника со
сферическим грузом под действием сил сопротивле-
ния воздуха (1851 г.). Когда частота колебаний маят-
ника приближается к нулю, он движется относитель-
но воздуха с практически постоянной скоростью.
Стокс развил в этой работе теорию сопротивления,
испытываемого падающим телом сферической фор-
мы. Полученное им соотношение носит название за-
кона Стокса, согласно которому сопротивление р для
сферы радиуса г , движущейся стационарно со скоро-
стью w в неограниченной жидкости, выражается в
виде:
F = б 7ГТ] rU . (3)
Формула Стокса лежит в основе классических ме-
тодов измерения вязкости жидкостей.
Работы Видемана и Гагенбаха способствовали ин-
терпретации результатов, полученных Пуазейлем, и
позволили получить вязкость в аб< олк >тных единицах.
Они нашли экспериментальным путем, что линейная
зависимость между потоком и давлением нарушается
при повышении давления или укорочении трубки
дальше известных пределов. Окончательное разреше-
ние этот вопрос получил благодаря работе Рейнольд-
са, который показал, что для данной трубки и жидко-
сти существует критическая скорость, по достижении
которой ноток перестает быть линейным (т.е. таким,
где каждая частица движется с постоянной скоростью
параллельно оси трубки) и становится турбулентным.
При прочих равных условиях критическая скорость
пропорциональна не вязкости, а вязкости, деленной
на плотность, т.е. постоянной, получившей название
„кинематической вязкости".
В течение послед ующих лет было произведено зна-
чительное количество измерений вязкости с помо-
щью различных капиллярных приборов, были также
разработаны другие методы, однако их математиче-
ская теория сложна и приводит лишь к приближен-
ным решениям.
В 1890 г. Куэтт занялся теорией концентрических
цилиндров, для которой распределение скоростей
уже было выяснено Стоксом. Им был вычислен мо
мент, сообщаемый наружным цилиндром внутренне-
му, и построив прибор, в котором мог быть измерен
этот момент, вычислил коэффициент внутреннего
трения. Последний оказался в соответствии с данны-
ми Пуазейля. Куэтз также нашел, что по достижении
известного значения скорости линейная зависимость
между угловой скоростью и моментом внезапно нару-
шалась аналогично тому превращению ламинарного
потока в турбулентный, который имеет место в капил-
лярных вискозиметрах. Он также установил крите-
рий, аналогичный критерию Рейнольдса для потока
в капиллярных вискозиметрах.
393
o=n-
С=0,001
C=0,01
0=0,1
C=I
0-0,003
0=0,03
0=0,3
0=3
0=30
Рис. 2. Схема аттестаций первичного эталона единицы кинематической вязкости
Величины „С“ даны в м2-с2-106 (в сст/с). Величины „V “ даны в м2-с'-101 (в ст)
Результаты этих исследований послужили основой
для развития приборостроения в области вискозимет-
рии.
Государственный первичный эталон
единицы кинематической вязкости
Шкалы вязкости для ньютоновских жидкостей ус-
тановлены всеми национальными организациями ио
стандартизации и метрологии с помощью эталонных
вискозиметров, представляющими собой стеклянные
капиллярные приборы с точно определенными по-
стянными вискозиметров, калиброванные по методу
„Step up“ (ступенчатой калибровки), рис. 2. При оп-
ределении постоянных эталонных вискозиметров
применяют ряд жидкостей, начиная от свежеприго-
товленной дистиллированной воды, вязкость кото-
рой определена абсолютным методом (1-6). Техни-
ческим Комитетом ИСО ТК 28 значение кинема-
тической вязкости дистиллированной воды при
температуре 20,00 “С принято равным 1,0034 мм2/с,
динамической вязкости — 1,0016 мПа-c. Суммарная
систематическая погрешность измерения согласно (7)
равна 0,17 %. Это значение кинематической вязкости
дистиллированной воды в соответствии с процедурой
„Step цр“ используется для определения пост оянных
С эталонных вискозиметров Той группы (рис. 2).
Эталонные капиллярные вискозиметры использу-
ются затем для определения кинематической вязкости
2-ой градуировочной жидкости. Определение посто-
янных всех остальных групп эталонных вискозимет-
ров осуществляется при использовании 9-ти градуиро-
вочных жидкостей таким образом, что три эталонных
вискозиметра одной группы, постоянные которой уже
определены и три эталонных вискозиметра после-
дующей группы заполняются одной и той же градуи-
ровочной жидкостью, и измерения времени течения
жидкости производят при одной и той же температу-
ре с отклонением не более 0,005 °C.
13* Зак. 450
394
Национальные метрологические центры переда-
ют затем размер единицы вязкости от первичных эта-
лонов — рабочим эталонам. Порядок передачи разме-
ра единицы вязкости и средства передачи регламен-
тированы национальными поверочными схемами для
СИ вязкости, а также документом МОЗМ № 17.1986 г.
Государственный первичный эталон единицы ки-
нематической вязкости (рис. 3) представляет собой
комплекс средств измерений, в составе:
— набор из 10-ти групп стеклянных капиллярных
вискозиметров;
— вспомогательного оборудования для обеспече-
ния требуемых условий измерений, включающего тер-
мостат и приборы контроля температуры;
— комплекса аппаратуры для автоматического от-
счета времени течения, включающего стойки для вис-
козиметров, блок управления и электронный секун-
домер;
Принцип действия эталона
В основе работы эталона лежит капиллярный ме-
тод измерения вязкости.
Для капиллярного вискозиметра имеет место сле-
дующая зависимость между вязкостью, размерами
прибора и временем течения жидкости:
!Г- г* gH Г e mV
? 8У(£ + пгД pj 8n(L + nr > -(4)
где /—кинематическая вязкость жидкости; /у —
разность уровней жидкости в коленах вискозиметра;
г — радиус капилляра; £ — длина капилляра; V — объ-
ем измерительного резервуара; t — время истечения
жидкости из измерительного резервуара; g —ускоре-
ние свободного падения; р — плотность жидкости; е
— плотность воздуха; т — безразмерный коэффици-
ент, учитывающий поправку на кинетическую энер-
гию; п — поправка Куэтта.
Рис. 3. Государственный первичный эталон единицы
кинематической вязкости
На практике применяется уравнение более про-
стого вида;
где с -
8V (L + nr )
В = -----------
8V (I + пг )
(5)
(6)
(7)
Величины, обозначенные через „С“ и „В приве-
денные в формулах (6) и (7), являются неизменными
для данного прибора. Величину д вычисляют из урав-
нения (7), а С определяют экспериментально, поль-
зуясь жидкостями с известной вязкостью.
Строго говоря, второй член уравнения (5) не яв-
ляется постоянной величиной, т.к. множитель т , вхо-
дящий в выражение для в > изменяется с увеличени-
ем числа Рейнольдса (Re):
о 2г'и
Re=—.(8)
где г — радиус капилляра; U — средняя скорость
течения; / — кинематическая вязкость жидкости.
Величина т выбирается из критериального соот-
ношения: m=0,037(Re)P’5.
В качестве рабочих эталонов используют наборы
стеклянных капиллярных вискозиметров, калибро-
ванных методом непосредственного сличения с госу-
дарственным первичным эталоном, а также стандарт-
ные образцы вязкости.
В качестве стандартных образцов вязкости приме-
няют индивидуальные углеводороды и их смеси,
имеющие ньютоновский характер течения.
Для неньютоновских жидкостей никаких эталонов
не существует. Однако на практике вискозиметры,
предназначенные для измерения вязкости неньюто-
новских жидкостей, калибруют с помощью стандарт-
ных образцов ньютоновской вязкости.
Литература:
1. Swindells J.E, CoeJ.R, Godfrey Т.В. Absolute Viscosity of
water at 20 °C //J. Res. NBS.— 1952. — 48. — P. 1-31.
2. ISO Technical Report 3666: Viscosity of water. 12.1977.
Genf. Techn.Committee ISO/TC 66.
3. Roscoe R., Bainbridge W. Viscosity Determination by the
Oscillating Vessel Method. 11. The Viscosity of Water at 20 °C. /
/ Proc. Phys. Soc.— 1958. — 72. — P. 585-595.
4. Маляров ГА. Определение вязкости воды при темпе-
ратуре 20 °C // Труды Всесоюзного научно-исследователь-
ского института метрологии им. Д.И. Менделеева. — 1959. —
37.-С. 125-140.
5. Torclep К., Оуе HA.,; An absolute oscillating-ciUnder (or
cup) viscometer for high temperatures//}. Phys. E: Sci Instr. -
1979,- 12.-P. 875-885.
6. KestinJ., Shankland J.R. The Free Disc as an Absolute
Viscometer and the Viscosity of Water in the Range 25-150 “C /
/J. Non-Equel. Thermodyn. — 1981. — 6. - P. 241-256.
7. Bauer H., Binas E.. Broeke H., Volkel L. New
recommended viscosity values for water as metrological basis of
viscometry// PTB-Mitteilungen 105, 2/95.
Н.Г. Домостроева
395
Кондуктометрия
Область и методы измерения удельной электри-
ческой проводимости (УЭП) растворов объединяют-
ся общим термином — кондуктометрия. Определение
УЭП вытекает из основных уравнений электродина-
мики. Электромагнитное поле в проводящей среде яв-
ляется причиной токов проводимости и токов смеще-
ния. Применительно к растворам электролитов соот-
ношение между токами проводимости и смещения
определяется условием квазистатического приближе-
ния ws^ « %. Для большинства растворов, охваты-
вающих область от 105до 150 См/м, условие выпол-
няется вплоть до w <100 МГц. Уравнение связи век-
тора плотности тока проводимости с вектором
напряженности электрического поля имеет вид:
] = -(1)
Уравнение справедливо для изотропных провод-
ников, для которых выполняется условие коллинеар-
ности векторов j и £. Для анизатропных растворов
(например, растворы сахарозы) значение УЭП зави-
сит от направления координат и представляет собой
тензор.
Из уравнения (1) следует определение единицы
УЭП:
j = IkH .
т.е. единица УЭП численно равна току (в амперах),
проходящему через слой электролита с постоянным
поперечным сечением, равным единице, под дейст-
вием градиента электрического поля в 1 В на едини-
цу длины 1 м. Размерность УЭП имеет вид =ь-3™2
и называется „сименс на метр".
Наряду с понятием УЭП для электролитов вводит-
ся понятие эквивалентной электропроводности д ,
которая учитывает зависимость УЭП от концентра-
ции С и вида конкретных ионов в растворе. Связь с
С для слабых электролитов полностью определяет^
ся изменением степени диссоциации в зависимости
от концентрации, при С—>0 Л —>Л0 (предельная
электропроводимость или эквивалентная электро-
проводимость при бесконечном разбавлении), а для
сильных электролитов эмпирическим законом Коль-
рауша Л = Ло - АС41,5 .
Физическая величина УЭП как не обладающая
свойством аддитивности непосредственно не может
быть измерена. На практике обычно измеряют функ-
ционально с ней связанные сопротивление (Я) или
проводимость (G).
Уравнение связи имеет вид
^=A/R=AG, (2)
где коэффициент связи д называется кондуктив-
ной постоянной и имеет размерность 1/м.
По принципу наличия или отсутствия гальваниче-
ского контакта исследуемого раствора с входными це-
пями измерителя проводимости (сопротивления)
кондуктометрические методы разделяют на контакт-
ные и бесконтактные. Первому (рис. 1) принадлежит
приоритет в становлении и развитии техники изме-
рения УЭП; они обладают высокой точностью и удоб-
ны для аппаратурного оформления. Основной недос-
таток этих методов — дополнительная погрешность
измерения, возникающая из-за поляризационных эф-
фектов на межфазной границе электрод-раствор, од-
нако ее можно значительно уменьшить применением
платиновых платинированных электродов и работы
на частотах (1-10) кГц. На рис. 1 приведены вариан-
ты построения ячеек для реализации контактного ме-
тода измерения. Бесконтактный — трансформатор-
ный метод измерения применяется, прежде всего, для
измерения концентрированных растворов электроли-
тов в потоках и нашел широкое применение в мор-
ской кондуктометрии. Принцип трансформаторного
метода (рис. 2) заключается в измерении э.д.с. взаи-
Рис. 1. Варианты конструкций контактных ячеек:
а) двухэлектродная контактная ячейка (G. Jones);
б) трехэлектродная контактная ячейка (ОКБА „Химавто-
матика", г. Барнаул)
Рис. 2. Бесконтактные датчики УЭП
396
моиндукции, возникающей в обмотке одного из то-
роидальных трансформаторов в результате индук-
титвной связи между ними через жидкостной виток
связи, образуемыми раствором. Дальнейшее развитие
метод нашел в разработанном В.Н. Хажуевым капил-
лярно-трансформаторном преобразователе УЭП.
Калибровка и поверка кондуктометров заключает-
ся, прежде всего, в определении кондуктивной посто-
янной чувствительного элемента (ячейки). Для про-
водников строго определенной формы, которой огра-
ничиваются все линии плотности электрического
тока, проходящего через проводник, кондуктивную по-
стоянную можно вычислить из соотношения: A = l/S ,
где I и $ — длина и площадь сечения проводника. При
измерении УЭП растворов кондуктивную постоянную
невозможно точно рассчитать из прямых измерений
длины и сечения вследствие рассеяния линий плотно-
сти тока, физической и геометрической неидентично-
сти электродов, сложной формы тела чувствительно-
го элемента измерительного преобразователя. Вместе
с тем на значение А могут влиять электрохимические
процессы на границе раздела фаз электрод-раствор, на-
пряжение и частота питания измерительного преоб-
разователя, концентрация раствора и др. Поэтому зна-
чение кондуктивной постоянной определяется экспе-
риментально для каждого преобразователя (ячейки)
косвенным методом с помощью эталонных (стандарт-
ных) растворов с известными значениями УЭП. Суть
метода заключается в измерении электрической про-
водимости Go (сопротивления ) при замещении рас-
твора эквивалентной мерой и вычислении А подста-
новкой соответствующих значений в выражение (2).
Кольрауш (1898 г.) впервые определил УЭП стан-
дартных растворов хлористого калия в абсолютной ме-
ре (см. табл.) и результаты его измерений использова-
Эталонные растворы УЭП
Растворы Кольрауша (1898 г.)
Тип раствора Значение УЭП, См/м, при Т
0°С 18 "С 20 "С 25 ’С
1NKC1 6,5441 9,822 10,207 11,180
0.1NKC1 0,715 1,119 1,167 1,288
0,01N КС1 0,0776 0,1225 0,1278 0,1413
Растворы Джонса (1933 г.)
Тип Значение УЭП, См/м, при Т
раствора 0"С 18 °C 20 °C 25 °C
IN КС1 6,5430 9,821 10,202 11,1733
0.1NKC1 0,71543 1,11846 1,167 1,288
0,01N КС1 0,077512 0,122268 0,127572 0,141145
1DKC1 6,5176 9,7838 11.1342
0.1DKC1 0,71379 1,11667 1,28560
0.01DKC1 0,077364 0,122052 0,140877
Растворы в соответствии с рекомендацией
МОЗМ (МР54)
Тип раствора Концент- рация КС1, г/кг р-ра Значение УЭП, См/м
о°с 18 °C 25 °C
1 D 71,1352 6,514 9,781 11,131
0,1 D 7,41913 0,7134 1,1163 1,2852
0,01 D 0,745263 0,07733 0,12201 0,14083
лись до 30-х гг. XX в., причем их точность не подверга-
лась сомнениям. В 1924 г. Г. Паркер и Е. Паркер прове-
ли повторные абсолютные измерения УЭП растворов
КС1, которые были признаны более достоверными и
вошли в различные справочники. В 1933-1937 гг.
Г. Джонс и Б. Бредшоу повторили исследования раство-
ров Кольрауша, взяв в качестве реперной точки зна-
чение УЭП ртути и соответственно привязав получен-
ные значения к Международному ому. Работы Джонса
и Бредшоу и сегодня являются фундаментальными в
области абсолютного определения УЭП растворов
электролитов, метод приготовления этих растворов
был безоговорочно принят во всем мире д ля приготов-
ления исходных эталонов УЭП. В последующие годы
стандарты Джонса проходили несколько перепрове-
рок, на основании которых NIST (США) подготовил
международную рекомендацию МОЗМ (OIML R56), в
которой указаны значения УЭП растворов хлористо-
го калия как исходного эталона. Последняя перепро-
верка стандартов Джонса была проведена в 1991 г. в
связи с переходом на МТШ-90. Серьезная перепровер-
ка стандартов УЭП была предпринята под эгидой
ЮНЕСКО в 1978-1979 гг. в связи с внедрением нового
практического определения солености морской воды
(ШПС-78). В основу определения солености положен
кондуктометрический метод, за исходный эталон со-
лености принят водный раствор хлористого калия с
концентрацией близкой к 35 %о (32,4356 г/кг), а вто-
ричным эталоном, по которому калибруются и пове-
ряются все солемеры, является „нормальная морская
вода" (для России — ГСО № 5494г90).
С 1985 по 1992 гг. функционировал государствен-
ный специальный эталон и государственная повероч-
ная схема для средств измерения УЭП растворов элек-
тролитов, разработанные в НПО „ИСАРИ“ (г. Тбили-
си). Эталон, созданный на основе исследований
Г. Чанишвили и Т. Ионатанишвили воспроизводил
единицу УЭП абсолютным методом. Постоянная
ячейки определялась непосредственными измерения-
ми ее линейных размеров; в диапазоне УЭП от 0,001
до 10 См/м эталон обеспечивал Qo=8-1O4H S'0=310‘4.
В 1995 г. первые в России эталонные комплексы
аппаратуры были созданы во ВНИИМ и ВНИИФТРИ,
на их основе в 1999 г. утвержден ГПЭ УЭП жидкостей
(ГЭТ 132-99). Учитывая тот факт, что в настоящее вре-
мя реализовать с помощью одной установки весь не-
обходимый диапазон воспроизведения УЭП не воз-
можно, а он перекрывает более четырех порядков от
дистиллированной воды до концентрированных ки-
слот, было принято решение о реализации эталона с
помощью двух взаимосвязанных установок.
Принцип построения эталона заключается в ис-
пользовании двух равноточных и независимых ме-
тодов воспроизведения единицы в перекрываемом
диапазоне УЭП жидкостей. Использование этого
принципа обеспечивает взаимное сличение кондукто-
метрических ячеек, реализующих каждый метод, и,
тем самым, метрологическую надежность характери-
стик эталона.
1-й метод реализует кондуктометрическая ячейка
с расчетно-экспериментальной кондуктивной посто-
янной, т.е., в конечном счете, размер единицы УЭП
получают от эталонов метра и ома.
397
2-й метод позволяет определить кондуктивную по-
стоянную ячейки с помощью реперного раствора, зна-
чение УЭП которого при выполнении процедуры
приготовления определяется международными стан-
дартами ISO, OIML, IUPAC и ASTM, т.е., в конечном
счете, размер единицы УЭП получают от эталонов ки-
лограмма и ома. Каждый метод реализуется в само-
стоятельном эталоне:
— эталоне единицы У ЭН ВНИИФТРИ в диапазо-
не измерений УЭП от 103до 10 См/м;
— эталоне единицы УЭП ВНИИМ в диапазоне из-
мерений УЭП от 0,1 до 50 См/м.
Реперные растворы, которым в соответствии с ме-
тодикой приготовления приписываются соответст-
вующие значения УЭП, включают:
— 0,1 моляльный водный раствор хлористого ка-
лия;
— 0,01 моляльный водный раствор хлористого ка-
лия
Моляльность Значение УЭП при
раствора температуре 25 °C, См/м
1 m 10,860
0,1 m 1,28246
0.01 ш 0.140823
Процедура определения значений УЭП на измери-
тельной установке основывается на контактном пере-
меппотоковом методе измерения сопротивления
ячейки, заполненной испытуемым раствором при ап-
проксимации измеряемого сопротивления ячейки „к
бесконечной частоте". Измерения выполняются в тер-
мостате ТВП-6 последовательно при четырех близких
к 25 ’С температурах. При каждой температуре изме-
рения выполняются последовательно на следующих
частотах: 1,0 кГц, 2,0 кГц, 4,0 кГц, 5,0 кГц, 10,0 кГц.
По результатам испытаний определено, что в диа-
пазоне от 1-10‘3до 50 См/м, в интервале температур
0-50 °C ГПЭ УЭП жидкостей обеспечивает воспроиз-
ведение значений УЭП со средним квадратическим
отклонением () результата измерений при 15 незави-
симых измерениях, не превышающем:
5-10’5 в диапазоне К)’3-!!)'1 См/м;
2-10’5 в диапазоне 104-5 См/м;
5-10’5в диапазоне 5-50 См/м.
Неисключенная систематическая погрешность ( )
не должна превышать:
5-104в диапазоне 10'3—10'1 См/м;
8-105в диапазоне 10 '-10 См/м;
2104в диапазоне 10-50 См/м.
Литература:
1. Грилихис М.С., Филаповский Г>.К. Контактная кондук-
тометрия. —Л.: Химия, 1980. — 175 с.
2. KhazhuevVN., Souvorov VL. New Method of
Construction of the Solution Electrical Conductivity Standard,
,,Sensor-93“, B12.2, p. 173-183.
3. Лопатин Б А. Теоретические основы электрохимиче-
ских методов анализа. — М.’ Высшая школа, 1975. — 295 с.
4. Овчинников Ю.А. Суворов В.И., Левцов В.И. Государ-
ственный первичный эталон и государственная поверочная
схема для средств измерений удельной электрической про-
водимости жидкостей // Измерительная техника. - 2000
-№ 11.-С. 18-20.
5. Харнед Г., Оуэн Б. Физическая химия растворов элек-
тролитов. — М.: ИЛ, 1952. - 628 с.
6. Хажуев В.Н., Колтик Е.Д. Методы и средства для из-
мерения пульсаций удельной электрической проводимости
в водных потоках. Обзорная информация.—М., 1982. —60 с.
В.И. Суворов
398
pH-метрия и ионометрия
рН-метрия
Первые представления о кислотности и щелочно-
сти водных сред и пищевых продуктов появились, пре-
жде всего, на основе вкусовых ощущений. Еще в XIX в.
химики определяли „крепость" кислоты, пробуя ее на
вкус. В начале XX в. датский химик С.П.Л. Зеренсен
ввел понятие величины pH как отрицательного деся-
тичного логарифма концентрации ионов водорода
[1]:
pH = -lg^+], (1)
Для определения значений pH Зеренсен измерял
ЭДС гальванических элементов с водородными и ка-
ломельными электродами. Позднее было установле-
но, что измерение ЭДС в большей мере отражает из-
менения активности ионов водорода, чем их концен-
трации. Поэтому было предложено определение
величины pH как отрицательного логарифма актив-
ности ионов водорода, которое используют и в настоя-
щее время [2]:
PH = -Iga„+. (2)
В качестве иллюстрации в таблице 1 представле-
на шкала кислотности на основе показателя pH. Здесь
же указаны наиболее часто встречающиеся среды с
характерным для них значением pH.
В настоящее время измерение pH — один из самых
распространенных методов контроля состава водных
растворов и других жидких сред. Средства измерений
pH, pH-метры, занимают одно из первых мест среди
Таблица 1
Значения pH, характерные для некоторых жидких сред
Область кислотности pH Концентрация ионов водорода, моль/кг Жидкости (pH)
кислая 0-2 1-Ю2
3 10’ пищевой уксус (3,2)
4 ю-1 апельсиновый сок (3,7)
5 10* пиво (4, 5), кофе (5)
6 10* дождевая вода (~6)
нейтральная 7 10’ молоко (6,6)
дистиллированная вода(-7)
щелочная 8 108
9 10’ растворы для стирки шелка (9, 2)
10 10“ сироп в процессе сахароварения (9-10)
11 1ОП растворы для стирки хлопка (11)
12-14 10 «-10й
анализаторов жидкостей и их парк в Российской Фе-
дерации составляет несколько миллионов приборов.
Они применяются практически во всех отраслях про-
мышленности, в сельском хозяйстве, экологии, меди-
цине, научных исследованиях, при сертификации раз-
личной продукции.
Большое значение измерения pH имеют при уста-
новлении качества продуктов питания. В настоящее
время существует несколько десятков стандартов, ре-
комендаций и других нормативно-технических доку-
ментов, регламентирующих определение pH при сер-
тификации продуктов пищевой промышленности: мя-
са [3], молока, молочных продуктов [4],
растительного масла [5], хлебобулочных изделий [6],
вина [7], пива [8].
Особое значение измерения pH приобрели в эко-
логии вследствие появления такого антропогенного
воздействия на окружающую среду, как кислотные до-
жди. Естественное значение pH дождевой воды рав-
но 5,6 из-за примеси угольной кислоты, образующей-
ся в результате взаимодействия атмосферного диок-
сида углерода с водой:
CQ, + Н20<=> H2CQ «• Нг + НССХ. .
Выпадение кислотных дождей (рН<5,6) вызвано
загрязнением атмосферы выбросами диоксида серы
и оксидов азота (ежегодно в мире — более 255 млн. т
[9])-
Величина pH является важным фактором разви-
тия растений, которых по реакции на pH почвы де-
лят на следующие группы (рис. 1).
Поскольку фактически все злаковые и плодоовощ-
ные культуры — нейтрофильные растения, то при
уменьшении pH почвы менее 5,0 начинается прогрес-
сивное уменьшение их урожайности, а при рН=3,0
почвы становятся практически бесплодными. Из-за
кислотных выпадений также резко снижается при-
рост лесов и ухудшается естественное лесовозобнов-
ление. Многие животные реагируют на pH почвы: до-
ждевые черви не переносят среды с pH ниже 4,4; мол-
люски предпочитают среду с рН=7,0 или чуть выше и
т.д. Поэтому при составлении эколого-химической ха-
рактеристики качества почвы обязательно определе-
ние величины водородного показателя.
От кислотных осадков сильно страдают поверхно-
стные воды, особенно озерные водоемы. Во многих
озерных экосистемах понижение величины pH при-
водит к деградации популяции рыб и других обитате-
лей.
Современное развитие медицины не возможно без
анализа кислотно-щелочного равновесия в человече-
399
Рис.1
ском организме. Сложный комплекс биохимических
реакций поддерживает значение pH в очень узких пре-
делах (табл. 2), и даже незначительные отклонения от
пего подчас свидетельствуют о нарушении функцио-
нирования внутренних органов, что используется для
диагностики патологий. Так, например, кровь - это хо-
рошо забуференная (главным образом, за счет гидро-
карбоната и диоксида углерода) система, в которой сме-
щение значения pH на 0,1- 0,2 может быть гибельным.
Таблица 2
Значения pH в биологических средах человеческо-
го организма
Биологическая среда Норма pH Примечания
Кровь: артериальная 7,40 Крайние значения,
венозная 7,35 наблюдавшиеся в
Моча 7,00-7,80 4,7-6,5 медицинской практике При питании мясом — 4,5;
Пищеваритель 5,8-7,4 у вегетарианцев — 8,5 При голоде — до 7,8;
ные соки, слюна желудочный сок 1,5-1,8 после еды имеет слегка кислую реакцию Поступление пищи
пилорический >7,0 увеличивает PH Секрет уменьшает
секрет сок подже- лудочной железы 7,8-8,4 перепад pH в кишечнике
печеночная желчь 7,3-8,0 —
в толстом 8,5-9.0 —
кишечнике Слезы 6,5-7,4
Пот 3,8-5,6 —
Роговой слой -5,0 Большая буферная
кожи емкость, повышающая защитные свойства
Шкала pH, эталон шкалы pH.
Измерения pH регламентируются двумя основопо-
лагающими стандартами: ГОСТ 8.134-98 „ГСИ. Шка-
ла pH водных растворов" и ГОСТ 8.120-99 „ГСИ. Госу-
дарственная поверочная схема для средств измерений
рН“, разработанными в ГП „ВНИИФТРИ".
Для хранения и передачи шкалы pH в ГП „ВНИ-
ИФТРИ" создан эталон шкалы pH, утвержденный в
1998 г. Нестандартом России в качестве государствен-
ного первичного эталона под регистрационным но-
мером ГЭТ 54-98.
Эталон шкалы pH предназначен для воспроизве-
дения, хранения и передачи шкалы pH в диапазоне
от 3,547 до 10,317 в интервале температур от Одо 95 ’С
и возглавляет поверочную схему (рис. 1), регламенти-
рующую метрологическое обеспечение в области рН-
метрии и распространяющуюся на следующие сред-
ства измерений: рН-мегры с диапазоном измерений
pH от 0 до 14, измерительные электроды с диапазо-
ном измерений pH от 0 до 14, вспомогательные элек-
троды, измерительные преобразователи рН-метров.
Схема учитывает состояние и ближайшую перспекти-
ву развития pH-метрии в России. Она составлена та-
ким образом, чтобы для каждого измерительного при-
бора был установлен порядок и способ соподчинения
в единой государственной системе поверок
В состав эталона входят:
— измерительная установка (рис. 2);
— набор буферных растворов: реперный буфер-
ный раствор (РБР) — раствор гидрофталата калия с
моляльностью 0,05 моль-кг1— и эталонные буферные
растворы (ЭБР) [12,13].
Измерительная установка включает в себя набор
электрохимических ячеек без переноса с водородны-
ми и хлорсеребряными электродами, водяной термо-
стат ТВП-6 емкостью 200 л, систему подачи газов, уча-
сток очистки и контроля чистоты воды, твердотель-
ный рабочий эталон напряжения постоянного тока
МН 2. эталонный цифровой платиновый термометр,
универсальный цифровой вольтметр В7-34А. Обра-
ботка результатов измерений и хранение полученных
данных производится на персональном компьютере
-Pentium 133".
Государственный первичный эталон шкалы pH
обеспечивает воспроизведение значений pH с неис-
ключенной систематической погрешностью (О), не
превышающей ±0,002 при температуре 25 °C, ±0,003
в диапазоне температур от 0 до G0 °C (кроме темпера-
туры 25 °C) и ±0,005 в диапазоне температур от 60 до
95 °C.
Среднее квадратическое отклонение (S) результа-
та измерений pH при девяти независимых измерени-
ях не превышает 0,001 при температуре 25 °C, 0,002 в
диапазоне температур от О до 60 °C (кроме температу-
ры 25 °C) и 0,003 в диапазоне температур от 60 до 95 °C.
Доверительные границы суммарной погрешности
результатов измерения pH при доверительной веро-
ятности, равной 0,99, составляют ±0,003 при темпе
ратуре 25 °C, ±0,005 в диапазоне температур от 0 до
60 °C (кроме температуры 25 °C) и ±0,009 в диапазоне
температур от 60 до 95 °C.
400
Государственный первичный эталон pH
Измерительная установка с комплектом электрохимических ячеек без переноса
Реперный буферный раствор pH 4,000-4,240 0-95 °C Набор эталонных буферных растворов РН 3,547-10,317 0-95 °C 0=0,005 S=0,003
t=25 °C 0=0,002 S=0,001 t=0—60 °C 0 0,003 S=0,002 t=60-95 °C 0 41,005 S=0,003
Метод
косвенных измерений
д=0,о01
Установка с электрохимической
ячейкой с жидкостным соединением
16 буферных растворив
pH 1 14
6=25 °C
t=0-o0°C
t=60-95 °C
0-95 °C
8=0,003
8=0,005
8-0,009
Непосредственное
сличение
Д=0,002
Дифференциальни-
потенциометрическая ячейка
16 оуферных растворов
pH 1- 14
t=25 °C
t=0-60°C
t=60-95°C
0 95 °C
8=0,004
8=0,006
8=0,010
Метод
прямых измерении
Д-0,002
рН-мегры
с водородным электродом
t=25 °C
t=0-60°C
t=60-95°C
8=0,004
8=0,006
8=0,010
Метод A С Сличение при
прямых измерений - - помигай компаратора — прямых измерений
Д=0,005
рН-мстры
pH 1-14
8=0,01
Метод
прямых измерений
Д=0,03
16 буферных растворов
Метод
Д=0,005
Метод
прямых измерений
Л=0,03
А-0,005
16 буферных растворов
pH 1-14
8=0,01
Метод
Метод
косвенных измерений
. Д=0,005
Электроды
сравнения
Д=0,5 мВ
С личение при
— косвенных измерений — помогай компаратора
Д=0,03
Л=0.03
Метод
Д=0,03
pH 1-14
Д-0,03
Меры ЭДС
Д=0,01-0,2 мВ
О .о ГОСТ 8.027)
Метод
прямых измерении
Метод Л
прямых измерений |- -j-| косвенных измерений —
Л=0,03
pH-метры
pH 0-14
Д=0,01-0,2
Измерительные электроды
pH 0-14
Д=0,03-0,2
Вспомогательные
электроды
Д=3 мВ
Измерительные
преобразователи
Д=0,06-9 мВ
Рис. 1. Государственная поверочная схема для средств измерений pH
401
Рис. 2. Блок-схема измерительной установки государственного первичного эталона шкалы pH
Метрологические характеристики эталона удовле-
творяют современному международному уровню [11].
Литература:
1. Sarensen S.P.L. // Biochem. Z. - 1909. - № 21 - Р. 131.
2. Бейтс Р. Определение pH. Теория и практика. — Л.: Хи-
мия, 1968.
3. ГОСТ 26188-84. Продукты переработки плодов и ово-
щей, консервы мясные и мясорастительные.
4. ГОСТ 8764-73. Консервы молочные. Методы контро-
ля.
5. ГОСТ 5476-80. Масла растительные. Методы опреде-
ления кислотного числа.
6. ГОСТ 5670-51. Хлеб и хлебобулочные изделия. Мето-
ды определения кислотности.
7. ГОСТ 14252-73. Вина и виноматериалы. Методы опре-
деления титруемых кислот.
8. ГОСТ 12788-87. Пиво. Методы определения кислотно-
сти.
9. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай А.П., Парлар Г.,
Шойнерт И. Экологическая химия. — М.: Мир, 1996.
10. Шкала pH водных растворов. Международная реко-
мендация МОЗМ № 54.
11. Covington А.К., Bates R.G., Durst R.A. Definition of pH
scales, standard reference values, measurement of pH and
related terminology // Pure Appl.Chem. —1985. — V. 57. — №°3.
-P. 531-542.
12. ГОСТ 8.134-98 „ГСИ. Шкала pH водных растворов".
13. ГОСТ 8.120-99 „ГСИ. Государственная поверочная
схема для средств измерений рН“.
Ионометрия
Ионометрия в настоящее время представляет собой
достаточно широкую область науки и техники и игра-
ет заметную роль в современных методах анализа.
Ионометрия применяется практически во всех от-
раслях промышленности, в сельском хозяйстве, эко-
логии, медицине, научных исследованиях.
Измерения с помощью ионоселективных электро-
дов представляет собой идеальный метод анализа,
прежде всего, водных растворов и проб, хорошо рас-
творимых в воде или содержащих легко растворимые
в водных растворах компоненты.
В экологии ионометрия используется, прежде
всего, в гидрохимических исследованиях для оп-
ределения качества питьевой и природных вод
(СанПиН 2.1.4.559-96) и включает в себя измерения
концентрации нитрат-ионов, фторид-ионов, ионов тя-
желых металлов (Hg2+ Pb2+’Cd2+ Cu2*H т.д.). Ряд нор-
мативно-технических документов регламентирует оп-
ределение содержания различных ионов в почве.
В медицине ионометрия используется для опреде-
ления различных биологически активных органиче-
ских соединений и лекарственных препаратов.
Для метрологического обеспечения ионометрии
в ГП „ВНИИФТРИ“ создана установка высшей точно-
сти для воспроизведения, хранения и передачи шкал
ионометрических показателей рХ и окислительно-
восстановительного потенциала Eh (УВТ 82-А-93).
Ионоселективные электроды используются для
определения концентрации (активности) различных
ионов в растворе, а также для анализа и контроля про-
цессов, протекание которых сопровождается измене-
нием ионного состава растворов.
Н.Н. Здориков, О.В. Карпов, НИ. Максимов,
Е.Е. Сейку, В.В. Соболь
402
Газоаналитические измерения
Историческая справка
Уже в XVII в. стало очевидным, что окружающий
людей воздух не элементарен. Так, при горении в нем
появлялись вещества, затрудняющие дыхание. Их, как
и прочие невидимые вещества, явно играющие роль
во многих химических процессах, по предложению
голландского химика Иоганна Ван-Гельмонта (1626 г.)
стали называть газами. Происхождение этого слова ча-
ще всего связывают с греческим „chaos" (хаос, беспо-
рядок), а также и с немецким „Geist" (дух) и голланд-
ским „gisten" (бродить). Открытия газообразных ве-
ществ и изучение их свойств стали важными этапами
в развитии химии и физики. Эти этапы связаны с име-
нами Бойля (1627-1691 гг.), Кавендиша (1731-1810 гг.),
Лавуазье (1743-1794 гг.), Шееле (1742-1786 гг.), При-
стли (1733-1804 гг.), Рамзая (1852-1916 гг.). Как прави-
ло, новые вещества были открыты в результате при-
менения новых методов физико-химического анализа.
Примером может служить открытие гелия по резуль-
татам спектрографирования излучения солнца в ходе
его затмения 18 февраля 1868 г. В свою очередь, появ-
ление новых веществ служило стимулом для разработ-
ки новых методов газового анализа. В конце XIX в. га-
зовый анализ перестал быть только лабораторным. В
1897 г. в Швеции был создан первый автоматический
промышленный газоанализатор, реализующий волю-
мометрический метод. В первые десятилетия XX в. ав-
томатические газоанализаторы, основанные на зави-
симости оптических, акустических, механических, те-
пловых свойств газов от их состава, стали применяться
на шахтах, горных выработках, тепловых электростан-
циях. Приборы имели шкалы, отградуированные в еди-
ницах содержания определяемого компонента, при-
чем для градуировки применялись искусственные га-
зовые смеси известного состава.
Бурное развитие автоматического газового анали-
за началось в конце 40-х гг. XX в. В нескольких респуб-
ликах СССР были организованы специализированные
конструкторские бюро и приборостроительные пред-
приятия. Их деятельность способствовала тому, что к
началу 70-х гг. в эксплуатации на территории страны
было около 1 млн. автоматических газоанализаторов.
Ответственность за достоверность показаний автома-
тических газоанализаторов возлагалась на службы
КИП и метрологии предприятий. Сложившаяся ситуа-
ция была детально проанализирована Д.К. Коллеро-
вым, возглавлявшим в период с 1960 по 1975 гг. отдел
физико-химических измерений ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева. Отметив, что в основе большинства газоана-
лизаторов лежит сравнение анализируемого объекта
с мерой (газовой смесью), он указал на необходимость
классификации газоанализаторов как средств измере-
ний и возможность построения централизованных
систем обеспечения единства измерений по аналогии
с поверочными схемами в области механических и
электрических измерений [1, 2]. Для проведения го-
сударственных испытаний газоанализаторов как
средств измерений, а также разработки методов и
средств их поверки во ВНИИМ в 1967 г. было создано
специализированное научное подразделение. Пример-
но в этот же период работы по созданию „газовых эта-
лонов" были начаты в метрологических центрах ГИТА,
Японии, 1олландии. В начале 70-х гг. в Международ-
ной организации по стандартизации был сформиро-
ван технический комитет № 158 „Газовый анализ"
(ИСО ТК 158).
В конце 70-х гг. руководимая Д.0.1Ъреликом лабо-
ратория газоаналитических измерений ВНИИМ раз-
работала (совместно с НПО „Химавтоматика") ком-
плект измерительной аппаратуры для контроля соста-
ва поверочных газовых смесей в баллонах. На основе
этого комплекта на десяти предприятиях, находящих-
ся в различных регионах СССР, было организовано
промышленное производство поверочных смесей, раз-
деленных по уровню точности на три разряда: нуле-
вой, первый и второй (впоследствии эти смеси полу-
чили статус государственных стандартных образцов со-
става). В 1987 г. во ВНИИМ были завершены работы
по созданию и метрологическому исследованию ком-
плекса прецизионной газосмесительной и газоанали-
тической аппаратуры, который был утвержден в каче-
стве государственного первичного эталона единицы
молярной доли компонентов в газовых средах. Эталон
стал верхним звеном многоуровневой государственной
поверочной схемы для средств измерений содержания
компонентов в газовых смесях. Работами по созданию
эталона и поверочной схемы руководил М.Г. Козлов;
основные исследования были проведены А.В. Бобыле-
вым, М.Ю. Гориной, ЛА. Конопелько, Г.Р. Нежихов-
ским, ЕА Хацкевичем, Ю.А. Кустиковым.
В последнее десятилетие направленность деятель-
ности метрологов в области газоаналитических изме-
рений была обусловлена, прежде всего, резко возрос-
шими требованиями к достоверности информации о
содержании загрязняющих веществ в атмосферном
воздухе, а также информации о составе природного
газа. Эффективные решения возникающих задач бы-
ли обоснованы и реализованы в лаборатории ВНИ-
ИМ под руководством ЛА. Конопелько. Были разра-
ботаны новые средства поверки, в частности, источ-
ники микропотоков газов, парофазные источники
- ------403
газовых смесей, фильтры для газов с аттестованным
значением массы осажденных металлов, динамиче-
ские генераторы газовых смесей с тепловыми регуля-
торами расходов. В результате применения специаль-
ных баллонов из нержавеющей стали и алюминия уда-
лось удовлетворить потребности метрологических
служб в стабильных высокоточных газовых смесях с
микросодержаниями таких химически активных
веществ, как диоксид азота и сероводород, а также
потребность в стабильных многокомпонентных сме-
сях — имитаторах природного газа. Другое активно
развивающееся направление метрологических иссле-
дований связано с методиками выполнения измере-
ний содержания компонентов в чистых газах и газо-
вых смесях.
Необходимым элементом обеспечения единства
газоаналитических измерений стали в последние го-
ды сличения „газовых эталонов", проводимые под эги-
дой Консультативного комитета МКМВ по количест-
ву вещества. Результаты этих сличений подтвержда-
ют эквивалентность эталона России аналогичным
эталонам США, Великобритании, Японии, Франции,
Германии, Голландии.
Объекты анализа и измеряемые
величины
В 95-ти случаях из 100 объектом газоаналитиче-
ских измерений является воздух. Сухой чистый воз-
дух состоит из азота (объемная доля — 78,084 %), ки-
слорода (20,946 %), аргона (0,934 %), диоксида угле-
рода (0,033 %), неона (0,002 %), криптона (0,0001 %),
гелия (0,00005 %), водорода (0,00005 %), ксенона
(0,000009 %).
Появление в воздухе производственных помеще-
ний и промплощадок горючих газов и паров создает
взрывоопасную ситуацию. Область опасности распо-
ложена межу нижним и верхним концентрационны-
ми пределами распространения пламени (НКПР и
ВКПР). Для водорода эти пределы соответствуют зна-
чениям объемной доли 4 и 75 %, для метана 5 и 15 %,
для бытового газа (6-8) % и (30-40) %. Потенциаль-
ными источниками газовыделений являются газовые
магистрали, газораспределительные станции, топли-
возаправочные узлы, аккумуляторные, горные вы-
работки, угольные пласты, химические и нефтехими-
ческие производства, связанные с применением ле-
тучих растворителей и др. Контроль содержания
горючих и взрывоопасных веществ проводится, как
правило, с помощью автоматических газосигнализа-
торов, имеющих настраиваемые пользователем поро-
ги срабатывания сигнализации. Приборы градуируют-
ся либо в единицах (%) объемной доли определяемо-
го компонента, либо в процентах от НКПР.
Для обеспечения жизнедеятельности в замкнутых
помещениях (шахтах, подводных лодках, кабинах ле-
тальных аппаратов и т.п.) необходимо, чтобы значе-
ния объемной доли кислорода и диоксида углерода на-
ходились в допустимых границах. Системой стандар-
тов безопасности труда (ССБТ) установлены нормы
содержания более 1,5 тыс. вредных веществ в возду-
хе производственных помещений. Нормы установле-
ны в виде максимально разовых и среднесменных пре-
дельно допустимые концентраций (ПДК), выражен-
ных в мг/м3 (при температуре 20 °C и давлении
101,3 кПа). ПДК для разных веществ колеблются в ши-
роких пределах: от 0,00015 мг/м3 для бенз(а)пирена
до 300 мг/м3 для бутана. Стандартизированы общие
требования к методам отбора проб и определения
вредных веществ. Согласно этим требованиям приме-
няемый метод должен обеспечивать измерение мас-
совой концентрации вредного вещества в интервале
от 0,5 до 10 ПДК; при этом относительная погреш-
ность результата измерений не должна превышать
25 %. (Если измеряется объемная доля вещества, то
ее значение пересчитывается в значения массовой
концентрации на основе данных о молярной массе
чистого вещества и молярном объеме воздуха.)
Нормы установлены также для более 300 загряз-
няющих веществ в воздухе населенных мест. Они вы-
ражены максимально разовыми и среднесуточными
предельно допустимыми концентрациями (в мг/м3
при температуре 0 °C и давлении 101,3 кПа).
Как правило, ПДК вещества в атмосферном воз-
духе на 1-2 порядка меньше ПДК того же вещества в
воздухе рабочей зоны. Требования к методам анали-
тического контроля загрязнения атмосферы установ-
лены в системе стандартов „Охрана природы". При
контроле осуществляется сопоставление найденного
значения массовой концентрации загрязняющего ве-
щества с его ПДК. В рамках экологического монито-
ринга проводится наблюдение за колебаниями уров-
ня содержания в атмосферном воздухе ряда наиболее
распространенных загрязнителей: диоксида серы, ок-
сидов азота, оксида углерода, сероводорода, аммиака,
углеводородов, а также диоксида углерода и озона, с
которыми связывается возможное глобальное изме-
нение климата [3].
В целях охраны атмосферного воздуха осуществ-
ляется газоаналитический контроль источников за-
грязнения атмосферы. В транспортных выбросах из-
меряется объемная доля оксида углерода (от 0,5 до
10 %), оксидов азота (от 0,002 до 1 %), углеводородов
(от 0,01 до 3 %). В газовых выбросах промышленных
предприятий измеряется массовая концентрация за-
грязняющих веществ, характерных для данного типа
производств. Для мартеновских и конверторных про-
изводств это — оксиды азота и углерода, диоксид се-
ры и пыль; для целлюлозного производства — диок-
сид серы, сероводород, метилмеркаптан, пыль; для
производств минеральных удобрений — оксиды азо-
та, аммиак, оксид углерода, диоксид серы и т.д.
Весьма разнообразны газоаналитические задачи,
решаемые при контроле и регулировании состава тех-
нологических газовых сред. Анализу подлежат как би-
нарные, так и многокомпонентные смеси; диапазон
измерений объемной доли компонентов составляет
от 0,1 млн'1 до 99 %. Газоаналитические задачи харак-
терны для процессов разделения воздуха, производ-
ства минеральных удобрений, получения тепловой
энергии, изготовления полупроводников, переработ-
ки „попутных" газов и др. В последние годы регули-
руемые газовые среды широко используются при свар-
ке металлов (защитные атмосферы), в сельском хозяй-
стве (выращивание овощей в теплицах), в пищевой
промышленности (хранение плодов), в медицине
(коррекция дыхания, анестезия). Измеряемыми вели-
чинами являются объемная и массовая доля, массовая
404
концентрация компонента, парциальное давление
компонента [4].
Важную роль играют газоаналитические измере-
ния при контроле качества газовой продукции: при-
родного газа, коммунально-бытовых и „топливных" га-
зов, чистых газов, технических газовых смесей, пове-
рочных газовых смесей. Требования к значениям
контролируемых характеристик (объемной, массо-
вой, молярной доле компонента, массовой концентра-
ции компонента) и процедуры контроля устанавлива-
ются в технических условия на соответствующий вид
продукта. Так, в газах особой чистоты измерения объ-
емной доли основного компонента проводятся на
уровне 99,999 %, а объемной доли лимитируемых при-
месей на уровне IO* %.
Газовый анализ—распространенный метод геоло-
горазведки, исследований газового состава космиче-
ских тел, исследований газопоглощательной и газо-
выделительной способности различных материалов,
агрохимических и биологических объектов.
На основании результатов измерений массовой
концентрации паров этанола в выдыхаемом воздухе
осуществляется экспертиза состояния алкогольного
опьянения.
К собственно газоаналитическим задачам примы-
кают задачи измерения количества газов, содержа-
щихся в жидкостях и твердых телах, а также задачи
измерения массовой концентрации пыли и аэрозолей
в газовых выбросах. Газоаналитические измерения
могут выполняться на промежуточных стадиях анали-
за твердых и жидких проб, переводимых в парообраз-
ное состояние.
Методы и средства измерений
При измерениях величин, характеризующих хими-
ческий состав газовых сред, применяется широкий ас-
сортимент аналитических методов [5].
Большинство методов основано на энергетиче-
ском или вещественном воздействии на газовую смесь
с целью получения аналитических сигналов, пропор-
циональных содержанию в ней определяемого ком-
понента. В зависимости от характера такого воздейст-
вия или обусловленного им эффекта, методы класси-
фицируют на оптические, механические, магнитные,
акустические, электрохимические, термохимические
и др. Каждый из перечисленных классов включает в
свою очередь несколько разновидностей и модифи-
каций. В частности, оптические методы подразделя-
ются на фотометрические (в т.ч. абсорбционные,
эмиссионные, флуоресцентные, хемилюминесцент-
ные, комбинационного рассеяния, турбидиметриче-
ские, нефелометрические, и др.), оптико-акустиче-
ские, интерферометрические, поляриметрические,
радиометрические, внутрирезонаторного лазерного
поглощения, методы Фурье-спектрометрии и др.
Некоторые из методов газоаналитических измере-
ний включает стадию выделения определяемого ком-
понента из анализируемой газовой пробы. Выделение
осуществляется с помощью процессов абсорбции, ад-
сорбции, диффузии, фильтрации и др. На следующих
стадиях измеряется количество (масса, объем) выде-
ленного вещества. Измерение может проводиться не-
посредственно — в этом случае реализуются волюмо-
метрические, манометрические, гравиметрические
методы. Если определяемый компонент был переведен
в раствор, то измерения проводятся на основе зависи-
мости свойств раствора от содержания в нем данного
вещества. При этом чаще всего применяются такие ме-
тоды анализа растворов, как фотоколориметрический,
спектрофотометрический, атомно-абсорбционный,
титриметрический, кондуктометрический, потенцио-
метрический, кулонометрический, рефрактометриче-
ский. При осаждении определяемых компонентов на
твердый сорбент применяются методы, основанные
на изменении оптических или электрических свойств
его поверхностного слоя.
Широкое применение находят так называемые
„комбинированные" методы, в которых стадии разде-
ления компонентов газовой пробы и измерения их ко-
личества протекают в рамках единого аналитическо-
го процесса. К таким методам обычно относят газовую
хроматографию и масс-спектрометрию [6, 7]. Эти ме-
тоды (как и методы оптического спектрального ана-
лиза) позволяют измерять в одной пробе содержание
нескольких компонентов, что делает их особенно эф-
фективными при анализе многокомпонентных смесей.
Средства газоаналитических измерений в зависи-
мости от своего назначения могут быть разделены на
несколько групп.
К первой группе относятся промышленные газо-
анализаторы, которые изготавливаются в виде пре-
образователей, приборов, установок и систем [8]. Га-
зоанализаторы предназначены для решения одной
или нескольких конкретных измерительных задач.
Чаще всего они градуируются изготовителем в едини-
цах объемной доли или массовой концентрации оп-
ределяемого компонента. Комплекс нормируемых
метрологических характеристик газоанализатора
включает диапазон измерений (преобразований), ос-
новную и дополнительные погрешности, изменение
показаний (выходного сигнала) за регламентируемый
интервал времени, динамические характеристики.
Разновидностью газоанализаторов являются газосиг-
нализаторы, у которых нормируется также погреш-
ность срабатывания сигнального устройства, а также
газоиндикаторы (в частности линейно-колористиче-
ские трубки). Информация о наиболее распростра-
ненных типах промышленных газоанализаторов
(классифицированных по реализуемым методам) при-
ведена в таблице 1.
Ко второй группе относятся приборы для измере-
ния величин, характеризующих физические свойст-
ва газовых смесей. Такими приборами являются, в ча-
стности, газовые интерферометры и плотномеры.
Объемная (молярная) доля определяемого компонен-
та в бинарной („псевдобинарной") смеси вычисляете
ся по уравнению, включающему непосредственно из-
меряемую величину и стандартные данные о свойст-
вах чистых веществ.
Третью группу составляют анализаторы универ-
сального назначения: газовые хроматографы и масс-
спектрометры. Эти приборы предназначены для ре-
шения широкого круга газоаналитических задач в ус-
ловиях аналитических лабораторий. Их градуировка
осуществляется пользователями исходя из поставлен-
ной задачи и применяемой методики. Комплекс нор-
мируемых метрологических характеристик анализа-
торов включает характеристики чувствительности к
405
Таблица 1
Тип газоанализатора Определяемые компоненты Диапазоны измерений объем- ной доли компонента, % Классы точности
Термохимический сн4, Сзн8, С4Н10, СО, Н2, сумма горючих газов и паров 0,2-5 (10-100 % НКПР) 5-10
Термокондуктометрический П2, Не, Аг, СН,, СО2, SO,, NH3, С,, 0,5-100 2-10
Термомагнитный О, 0,5-100 2-10
Магнитомеханический о, 1-100 2-5
Электрохимический о, 1-30 2-3
(жидкие электролиты) СО. SO,, H2S, NH3, Cl2, NO,, NO и др. l-IO’-З 15-25
Электрохимический (твердые электролиты) О, ыо^-юо 2-10
Оптико-акустический со, со,, сн4 CsH8,NO,SO2, ХСНидр. 110 s ЮО 1 10-3-2 4-10
Хемилюминес центный SO2, NH3, NO, NOX, О, и др. 2-10М 15-25
Ультрафиолетовый о, 1-10М1.5
Фо сою >лоримет рический NO, NO,, Cl,, H„S, CS, и др 1-105-5 10-20
Пламенно-ионизационный SCH 1-10'-0,1 10-20
Линейно-колористический О,, SO,, СО. NH,, ILS, NO,, О, ,СО,, 1-10^-30 углеводороды и др. (более 100) 15-25
контрольному веществу, дрейфа нулевого сигнала,
способности разделения сигналов от веществ с близ-
кими свойствами.
В четвертую группу входят комплекты средств из-
мерений, применяемых на отдельных стадиях газоана-
литической процедуры совместно с вспомогательны-
ми устройствами (поглотителями. Фильтрами, насо-
сами и т.п.) Такие комплекты включают измерители
объема или расхода газовой пробы (ротаметры, газо-
вые счетчики, газовые бюретки), а также лаборатор-
ные приборы для анализа растворов: фотоэлектроко-
лориметры, спектрофотометры, атомно-абсорбцион-
ные и рентгеновские спектрометры, титраторы,
полярографы, кондуктометры, жидкостные хромато-
графы и др.
Методики выполнения измерений
Большинство газоаналитических измерений в про-
мышленности проводится с помощью газоанализато-
ров, расположенных в непосредственной близости от
анализируемого объекта (точки отбора проб). Одна-
ко при экологическом и санитарном контроле воздуш-
ной среды отбираемые пробы часто транспортируют-
ся в лабораторию, где для их анализа применяются
средства измерений, отнесенные к третьей и четвер-
той из вышеперечисленных групп. В этом случае из-
мерения осуществляются в соответствии со специаль-
но разработанными методиками [9].
Методики выполнения измерений (методики ко-
личественного химического анализа) — это много-
этапные процедуры, предусматривающие использова-
ние, чаще всего, нескольких измерительных прибо-
ров, вспомогательных устройств, реактивов и мате-
риалов. Их разработка преследует цель оптимизации
процесса анализа, т.е. обеспечения требуемой точно-
сти при минимальных затратах.
Методики регламентируются различными доку-
ментами: инструкциями, рекомендациями, методиче-
скими указаниями и т.п. В некоторых ведомствах (Гос-
санэпиднадзор, Минприроды, Росгидромет) ведутся
реестры методик, предназначенных для применения
в соответствующих лабораторных сетях [10]. Мето-
дики анализа ряда выпускаемых промышленностью
чистых газов (кислорода, азота, аргона, криптона, ксе-
нона, диоксида углерода, водорода, фтористого водо-
рода, этилена, ацетилена, пропилена), а также при-
родного газа, регламентированы государственными
стандартами.
В документе на методику формулируется анали-
тическая задача, устанавливаются требования к сред-
ствам измерений, оборудованию, материалам, реак-
тивам, условиям измерений, квалификации персона-
ла, описываются правила и приемы выполнения
операций, приводятся алгоритмы обработки данных
и формы представления результатов измерений. Спе-
цифический этап в методиках газоаналитических из-
мерений связан с построением градуировочной харак-
теристики применяемого аналитического прибора.
Для этого применяются градуировочные растворы
(смеси), операции приготовления которых детально
регламентируются. В современных газоаналитиче-
ских методиках предусматриваются операции внутри-
лабораторного оперативного контроля. Наиболее
часто контролируются сходимость результатов парал-
406 ----- - ......... ..... -
лельных измерений, а также стабильность градуиро-
вочной характеристики.
В соответствии с Законом РФ „Об обеспечении
единства измерений “ подобные методики выполне-
ния измерений подлежат аттестации, входе которой
устанавливается соответствие методики предъявляе-
мым метрологическим требованиям. При аттестации,
как правило, экспериментально оценивают суммар-
ную погрешность измерений, применяя при этом ис-
кусственные газовые смеси, состав которых иденти-
чен составу смесей, для анализа которых предназна-
чена методика (см. ниже).
Выполнение измерений, в соответствии с аттесто-
ванной методикой, должно обеспечить получение ре-
зультатов, погрешность которых находится в установ-
ленных границах.
Техническая база обеспечения
единства газоаналитических
измерений
Для градуировки и поверки средств газоаналити-
ческих измерений, а также для контроля точности из-
мерений, выполняемых по методикам, применяются
искусственные газовые смеси с известным содержани-
ем определяемых компонентов. В отдельных случаях
применяются также чистые газы (например, при гра-
дуировке и поверке приборов в интервалах значений
объемной доли определяемого компонента, близких к
0 и 100 %). Для градуировки хроматографов, анализи-
рующих природный газ, применяются образцы этого
газа, имеющие аттестованные характеристики [11].
Газовые смеси могут приготавливаться заранее и
храниться в баллонах (сосудах) либо приготавливать-
ся непосредственно перед использованием.
Смеси в баллонах (т.н. „поверочные газовые сме-
си“) являются промышленной продукцией. В России
их выпускают более 10 предприятий, расположенных
в разных регионах. Комплекс характеристик, значения
которых указываются в паспорте на поверочную газо-
вую смесь, установлен международным стандартом, а
также общероссийскими техническими условиями на
группу однородной продукции. Этот комплекс вклю-
чает: содержание определяемого компонента, выра-
женное в единицах молярной или объемной доли; пре-
делы допускаемой погрешности; исходное давление
смеси (от 5 до 10 МПа в баллонах и от 1 до 2 МПа в
облегченных тонкостенных сосудах); минимальное ра-
бочее давление (от 300 до 500 кПа); минимальную тем-
пературу хранения. Кроме того, в паспорте приводят-
ся: наименование неопределяемого компонента сме-
си (разбавителя), дата приготовления и срок годности,
предупреждения о токсичности и воспламеняемости.
Значения характеристик отдельного экземпляра сме-
си должны соответствовать типовым характеристи-
кам, устанавливаемым при утверждении типа. С 1987 г.
утвержденным типам промышленно выпускаемых по-
верочных газовых смесей придается статус государст-
венных стандартных образцов состава. К 2001 г. в Го-
сударственном реестре зарегистрировано более
600 типов государственных стандартных образцов со-
става газовых смесей. Среди них смеси, включающие
от 2 до 5 компонентов. Сроки годности смесей состав-
ляют от 12 до 24 месяцев. Смеси выпускаются в балло-
нах вместимостью от 1 до 40 дм3. В зависимости от пре-
делов допускаемой погрешности поверочные газовые
смеси подразделены на три разряда: нулевой, первый
и второй (таблица 2).
Поверочные газовые смеси 1 и 2-го разрядов при-
готавливают манометрическими или объемно-мано-
метрическими методами, после чего измеряют дейст-
вительное значение объемной доли определяемых
компонентов аналитическими методами. Чаще всего
анализ проводится с помощью прецизионных автома-
тизированных газоанализаторов или газовых хрома-
тографов. Смеси нулевого разряда приготавливают
гравиметрическим или объемно-гравиметрическим
методом. Их состав выражают в единицах молярной
доли компонентов.
В последние годы для хранения поверочных газо-
вых смесей стали применяться баллоны из нержавею-
щей стали и алюминия. В таких баллонах обеспечива-
ется стабильность смесей с микросодержаниями хими-
чески активных компонентов (в частности, диоксида
азота и сероводорода).
Для приготовления газовых смесей непосредст-
венно перед их использованием применяют статиче-
ские и динамические установки [12].
Статические установки, представляющие собой
стеклянные сосуды или пластиковые емкости с пере-
мешивающими устройствами, применяют чаще всего
для приготовления газо- и паровоздушных смесей с
массовой концентрацией компонентов от 10 до
1000 мг/м3.
Динамические установки позволяют получать по-
ток газовой смеси с заданным содержанием компонен-
тов. Эти установки имеют наиболее широкую область
применения: с их помощью можно готовить смеси с
объемной долей компонентов от 10®до 50 %, в том
числе те, которые невозможно сохранить в баллонах.
Динамические установки подразделяют на два вида.
В установках первого вида происходит регулиро-
вание расходов и смешивание двух или нескольких по-
токов чистых газов (концентрированных смесей). По-
добные установки часто называют газовыми смесите-
лями. Для регулирования газовых потоков в них
применяются сменные капилляры и сопла, вращаю-
щиеся краны, а также тепловые регуляторы, получив-
шие в последние годы наиболее широкое распростра-
нение.
Динамические установки, относящиеся ко второму
виду, основаны на дозировании в регулируемый поток
газа-разбавителя микроколичеств целевого вещества,
которое в исходном состоянии находится в жидком или
Таблица 2
Молярная (объемная) доля компо- нента^ Допускаемая относительная (абсолютная *) погрешность, %
Разряд 0 Разряд 1 Разряд 2
(1-19)10^ 1,0-2,5 3,0-6 7-20
0,002-0,49 0,5-1,6 1,7-4,5 5-15
0,5-9,9 0,2-0,6 0,7-2,5 3,0-10
10-94 0,02-0,06* 0,07-0,3* 0,4-0,8*
95-99 0,01-0,03* 0,04-0,10* 0,2-0,8*
407
твердом состоянии. Такие установки называют генера-
торами газовых смесей. Для дозирования целевого ве-
щества используют эффекты его проницаемости через
полимерную мембрану, диффузии с поверхности жид-
кости, газовой экстракции из раствора, десорбции из
слоя сорбента, газовыделения при электролизе или
контролируемой химической реакции.
Наибольшее распространение получили генерато-
ры со сменными проницаемыми источниками микро-
потоков газов и паров. Такой источник представляет
собой полимерную трубку или ампулу длиной от 40 до
120 мм с проницаемыми стенками, металлический со-
суд с газопроницаемой мембраной, сочетание металли-
ческого или стеклянного сосуда с полимерной трубкой
д линой от 5 до 50 мм. При нагревании источника нахо-
дящееся внутри его целевое вещество (жидкость или
сжиженный газ) диффундирует через проницаемую
часть в поток газа-разбавителя. Источник микропото-
ка характеризуется производительностью (выражае-
мой в мкг/мин) при номинальном значении темпера-
туры. Значение производительности устанавливается
гравиметрическим или аналитическим методом с от-
носительной погрешностью не более ±7 % в интерва-
ле от 0,1)5 до 1,0 мкг/мин и не более ±5 % в интервале
свыше 1,0 до 30 мкг/мин. Если источник применяется
при температуре, отличающейся от номинальной, то
значение производительности умножается на попра-
вочный коэффициент, зависящий от разницы темпе-
ратур и конструкции источника. К началу 2001 г. в Госу-
дарственном реестре средств измерений было зареги-
стрировано более 70 типов источников микропотоков
[10]. Их выпуск освоен на четырех предприятиях Рос-
сии. Характеристики некоторых типов источников
микропотоков приведены в таблице 3.
В последние годы интенсивно разрабатывались ди-
намические генераторы, основанные на эффектах
газовой экстракции и десорбции веществ. Для получе-
ния смесей паров органических веществ с азотом (воз-
духом, гелием) в 1999 г. во ВНИИМ им. Д.И. Мендслее-
Таблица 3
Вещество Номинальное значение температуры (7w),eC Произ- води- тель- ность при 7w, мкг/с Массовая кон- центрация ве- щества в газо- вой смеси (при 7=20 °C, /*=101,3 кПа и расходе от 0,3 до 1 дм3/мин); мг/м3
Аммиак 30:40 0.1-6 0.1-20
Ацетон 80; 90; 100; ПО 0.5-20 0.5-65
Бензол 50: 80; 100; 110 0,1-30 0,1-100
Диоксид азота 30 0,2-6 0,2-20
Диоксид серы 30; 35; 40 0,1-12 0,1-40
(SO,)
Диэтиловый эфир 80 1-10 1-35
Изопропилбензол 120 1-10 1-35
М етилмеркаптан 40; 50; 70 0,3-10 0,3-35
О-ксилол 50; 80; 100; 120 0,1-10 0,1-35
Сероводород 30; 35 0,2-8 0,2-27
Толуол 50; 80; 100; 120 0,1-30 0,1-100
Формальдегид 80; 90 0,1-2 0,1-7
Хлор 30; 40 0,05-15 0,05-50
Хлорбензол 80; 100 0,2-10 0,2-35
Фтористый водород 60 0,1-0,5 0,1-17
Этанол 80; 90; 100; 120 0,5-20 0,5-65
ва был освоен выпуск парофазных источников газовых
смесей (ПИГС). Они представляют собой металличе-
ские сосуды вместимостью 1 дм3, заполненные уголь-
ным сорбентом с целевым веществом или раствором
целевого вещества в масле либо этиленгликоле. При
продувке через ПИГС газа-разбавителя целевое веще-
ство десорбируется (экстрагируется) из наполнителя.
Параметры ПИГС подбираются так, чтобы значение
массовой концентрации на выходе сосуда оставалось
практически постоянным до превышения ресурса по
объему пропущенного газа (от 500 до 2000 дм3). Диапа-
зон устанавливаемого расхода газа составляет от 10 до
300 см3/мин. Пределы допускаемой относительной по-
грешности значения массовой концентрации целево-
го вещества на выходе ПИГС составляют ±10 % в ин-
тервале от 0,01 до 1 мг/м3 и ±7 % в интервале свыше 1
до Ю00 мг/м3 [13].
При приготовлении смесей, включающих некото-
рые химически активные и легко конденсирующиеся
вещества, их массовая концентрация в смеси не мо-
жет быть рассчитана с требуемой точностью на осно-
ве измерений параметров дозируемого целевого ве-
щества и объемного расхода газа-разбавителя. В этом
случае газовую смесь на выходе генератора следует
подвергать точному анализу (чаще всего для этого
применяют лабораторные анализаторы универсаль-
ного назначения). На основе сочетания генератора
газовых смесей с анализатором и вспомогательными
устройствами были созданы измерительные установ-
ки, обеспечивающие градуировку и поверку сигнали-
заторов паров хладонов, синильной кислоты, хлори-
стого водорода и ряда других веществ.
Поверочные газовые смеси и чистые газы в балло-
нах, статические и динамические установки для при-
готовления газовых смесей, источники микропотоков
газов и парив, а также прецизионные приборы и мего-
дики, применяемые при анализе смесей и чистых га-
зов, являются элементами государственной повероч-
ной схемы для средств измерений содержания компо-
нентов в газовых средах [14]. В зависимости от
точности и функций в системе воспроизведения еди-
ниц величин, характеризующих состав газовых сред,
и передачи размеров единиц средствам газоаналити-
ческих измерений, эти элементы отнесены к рабочим
эталонам (образцовым средствам измерений) нулево-
го, первого или второго разряда. Высший уровень по-
верочной схемы представлен государственным пер-
вичным эталонам единиц молярной доли и массовой
концентрации компонентов в газовых средах (ТЭТ 154г
88). Поверочная схема охватывает все газоаналитиче-
ские задачи, при этом каждой из них соответствует оп-
ределенная структура соподчиненных элементов сис-
темы. Эта структура отвечает оптимальному уровню
централизации воспроизведения единицы, позволяю-
щему обеспечить требуемую точность измерений с наи-
меньшими затратами.
На высшем уровне системы воспроизводятся еди-
ницы для группы приоритетных задач общегосудар-
ственною значения; на следующих уровнях — для за-
дач межотраслевого и отраслевого значения.
Иерархические системы средств измерений содер-
жания компонентов в газовых средах функционируют
в США, Японии, ФРГ, Великобритании и ряде других
стран.
408
Государственный первичный эталон
единицы молярной доли и массовой
концентрации компонентов в
газовых средах
Государственный первичный эталон состоит из
комплексов высокоточной газоаналитической и газо-
смесительной аппаратуры, вспомогательного оборудо-
вания, а также наборов эталонов сравнения. В комплек-
се газоаналитической аппаратуры реализованы мето-
ды газовой хроматографии, хромато-масс-спектромет-
рии, эмиссионного и абсорбционного спектрального
анализа, кулонометрии. С помощью этого комплекса
устанавливается значение молярной доли примесей и
основного компонента в чистых газах, проводится кон-
троль стабильности состава газовых смесей в балло-
нах, сличаются смеси, приготавливаемые на динами-
ческих установках. Комплекс газосмесительной ап-
паратуры включает установки для приготовления
газовых смесей в баллонах гравиметрическим и объ-
емно-гравиметрическим методом, динамические сме-
сители газов и генераторы газовых смесей. Вспомога-
тельное оборудование применяется для подготовки
баллонов, получения и очистки веществ, взвешивания
источников микропотоков газов и паров, калибровки
регуляторов расхода газа и т.п. С помощью указанных
комплексов аппаратуры и вспомогательного оборудо-
вания производятся высокоточные газовые смеси в
баллонах и источники микропотоков, выполняющие
в соответствии с государственной поверочной схемой
функции эталонов сравнения. Наборы эталонов срав-
нения применяются при сличениях рабочих эталонов,
при испытаниях высокоточных газоаналитических
приборов и аттестациях методик выполнения наибо-
лее ответственных измерений.
Реализованная в государственном первичном эта-
лоне совокупность методов анализа и синтеза газовых
смесей обеспечивает возможность воспроизведения
единицы и передачи ее размера двумя или даже не-
сколькими способами. Это способствует выявлению
и ограничению систематических погрешностей, при-
сущих каждому способу. Структура государственного
первичного эталона позволяет оперативно расши-
рять его функции в случае появления новых приори-
тетных задач и объектов метрологического обслужи-
вания.
Характеристики государственного первичного
эталона представлены в таблице 4.
Международное сотрудничество
С начала 70-х гг. XX в. Международная организа-
ция по стандартизации (ИСО) разрабатывает стандар-
ты, распространяющиеся на методы анализа воздуха
и транспортных выбросов. Эта работа координирует-
ся техническими комитетами Ns 146 „Качество возду-
ха“ и № 22 „Дорожный транспорт". За прошедшие го-
ды ими разработано более 50 международных стан-
дартов [10]. Еще одним техническим комитетом —
Ns 193 — разработана серия из 10 стандартов, регла-
ментирующих методы анализа природного газа [11].
В начале 80-х гг. Международной электротехниче-
ской комиссией (МЭК) были разработаны документы,
посвященные выражению и нормированию характе-
ристик газоанализаторов. Деятельность в этом направ-
Таблица 4
Определяемый компонент Фоновый компонент Диапазон значений содержания определяемого компонент
Молярная доля, % Массовая концентра ция, мг/м3
Кислород Примеси 99,99-99,999
Азот 0,10-25
Метан Примеси 99,95-99,99
Азот (воздух) 0,0001-2
Сопутствующие компоненты природного газа 76,8-99,2
Оксид углерода Примеси 99,95-99,99
Азот (воздух) 0,0001-10 1-500
Диоксид углерода Примеси 99,95-99,99
Азот (воздух) 0,005-10
Пропан Примеси 99,95-99,99
Азот (воздух) 0,001-2
Гексан Азот (воздух) 0,01-0,6 0,07-400
Азот Примеси 99,99-99,999
Криптон Примеси 99,99-99,999
Ксенон Примеси 99,99-99,999
Гелий Примеси 99,99-99,999
Водород Примеси 99,99-99,999
Оксид азота Азот (воздух) 5.10-6-0,5 0,03-3
Диоксид азота Азот (воздух) г-ю-^-о.б 0,03-3
Сероводород Азот 2Ю-М 0,03-3
Диоксид серы Азот 540^-0,6 0,03-3
Аммиак Азот 0,002-0,5 0,03-3
Хлор Азот 0,002-0,1 0,03-3
Ацетон Азот (воздух) 1-100
Бензол Азот (воздух) 3-400
Ксилолы Азот (воздух) 1-100
Толуол Азот (воздух) 2-100
Этилацетат Азот (воздух) 2-100
Метанол Азот (воздух) 3-100
лении была продолжена ИСО, разработавшей стан-
дарт 8158-85 „Оценка эксплутационных характеристик
газоанализаторов" и Международной организацией за-
конодательной метрологии (МОЗМ), выпустившей в
1984 г. Рекомендацию МР № 70 „Определение основ-
ной погрешности и вариации газоанализаторов". Впо-
следствии МОЗМ были разработаны документы, рас-
пространяющиеся на анализаторы выхлопных газов
автомобилей, на портативные газовые хроматографы
и переносные средства измерений для оценки степе-
ни загрязнения воздуха промышленными выбросами.
Большое значение для достижения единства газо-
аналитических измерений в международном масшта-
бе имела деятельность в ИСО ТК № 158 „Газовый ана-
лиз". Этим комитетом были разработана серия из
12 стандартов, отражающих важнейшие метрологиче-
ские аспекты. Среди них стандарты, устанавливаю-
щие требования к паспорту поверочной газовой сме-
409
си в баллоне, регламентирующие основные методы
приготовления смесей и процедуры компарирования
при установлении состава поверочных смесей на ав-
томатизированных аналитических приборах.
Другое направление международного сотрудниче-
ства связано со сличениями поверочных газовых сме-
сей. Первое сличение, в котором участвовали три ор-
ганизации изСШАиЯпонии,было проведенов 1975 г.
В цикле сличений 1980-1983 гг., проведенном с уча-
стием организаций из 5 стран, сличались 30 образцов
газовых смесей. С середины 80-х гг. ВНИИМ стал уча-
ствовать в двухсторонних сличениях газовых смесей
с национальными метрологическими институтами
США и Голландии. С 1993 г. международные сличения
газовых смесей регулярно организует Консультатив-
ный комитет по количеству вещества, созданный при
Международном комитете по мерам и весам. Сличе-
ниям подвергались высокоточные образцы газовых
смесей CO/N2, SO2/N2, C,H8/N2, образцы природно-
го газа и др. Результаты этих сличений являются ос-
нованием для признания на международном уровне
протоколов калибровки (испытаний), выдаваемых на-
циональными метрологическими институтами.
Литература:
1. Коллеров Д.К. Метрологические основы газоаналити-
ческих измерений. — М.: Ставдартгиз, 1967. — 396 с.
2. Коллеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практиче-
ской метрологии. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 176 с.
3. Горелик Д.О., Конопелько ЛА. Мониторинг загрязне-
ния атмосферы и источников выбросов. Аэроаналитические
измерения. — М.: Издательство стандартов, 1992. — 433 с.
4. Козлов М.Г., Нежиховский Г.Р. Физические величины
и единицы в газоаналитических измерениях // Измеритель-
ная техника. — 1990. — № 7. — С. 55-57.
5. Методы анализа неорганических газов (под редакцией
В.М. Немеца) — СПб.: Химия, 1993. — 560 с.
6 Конопелько Л.А., Другое Ю.С. Газохроматографиче-
ский анализ газов. — М.: МОИМПЕКС, 1995. — 464 с.
7. Агафонов И_Л., Девятых ГГ. Масс-спектрометрический
анализ газов и паров особой чистоты. — М.: Наука, 1980. —
336 с.
8. Тхоржевский В.П. Автоматический анализ химическо-
го состава газов. — М.: Химия, 1969. — 324 с.
9. Муравьёва С.И. и др. Руководство по контролю вред-
ных веществ в воздухе рабочей зоны. Справочное издание. —
М.: Химия, 1991. — 368 с.
10. Контроль химических и биологических параметров
окружающей среды (под ред. Исаева Л.К.). — СПб.: Эколого-
аналитический информационный центр „Союз", 1998. — 896 с.
11. ХацкевичЕА. Контроль качества природных газов
хроматографическим методом. — СПб., 2000. — 218 с.
12. Рейман Л. В. Техника микродозирования газов. — Л.:
Химия, 1985. — 224 с.
13. МИ 2590-2000. Государственная система обеспечения
единства измерений. Эталонные материалы. Каталог 2000-
2001. - СПб.: ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 2000. - 56 с.
14. МИ 2001-89. Рекомендация. ГСИ. Государственная по-
верочная схема для средств измерений содержания компонен-
тов в газовых средах. (Козлов М.Г., Конопелько Л.А.,
Нежиховский Г.Р., Королёва Л.В.). — М.: Изд-во Стандартов,
1990,-11 с.
Г.Р. Нежиховский
410
Методы и средства измерения влажности газа
Содержание водяного пара в воздухе пытались оп-
ределить уже в XV-XVI вв. — известен гигрометр
Леонардо да Винчи. Это был шар из хлопка или шер-
сти, который изменял свою массу, поглощая влагу из
атмосферы. В конце XVIII в. был построен волосяной
деформационный гигрометр в том виде, в котором
применяется до настоящего времени.
Интенсивное развитие промышленности, сельско-
го хозяйства сделало востребованным измерение влаж-
ности практически во всех сферах жизнедеятельности
человека. Актуальность этих измерений объясняется
также тем, что вода, являясь наиболее распространен-
ным веществом на Земле, влияет практически на каж-
дый материал, процесс, устройство, прибор, продукт,
флору и фауну. Все это привело к активной разработ-
ке средств измерений влажности газов, основанных на
различных методах. По данным на 1987 г. ежегодно у
нас в стране выпускалось около 500 тыс. различных
гигрометров, а ежегодный объем продаж влагомеров
и гигрометров в США составляет 35-70 млн. долларов.
По своему функциональному назначению все при-
боры в гигрометрии можно разделить на две группы:
гигрометры и генераторы.
Генератор влажного газа — это устройство получе-
ния влажного газа с заданными значениями величин
влажности. Выпускаются генераторы, работающие в
статическом или динамическом режимах. Работа гене-
раторов влажного газа основана на различных методах.
Метод двух давлений основан на изотермическом на-
сыщении газа при повышенном давлении с последую-
щим дросселированием до рабочего давления. Этот ме-
тод является абсолютным и наиболее точным для по-
лучения заданной относительной влажности газов.
Широкое применение получил генератор „Родник-2“,
„Родник-2М“, „Родник-3", работающие на методе 2-х
давлений.
Метод двух температур основан на насыщении га-
за при определенной температуре с последующим уве-
личением температуры до рабочей. Этот метод поло-
жен в основу отечественного генератора „ПСГ-120".
Комбинированный метод объединяет методы двух
давлений и двух температур. Это позволяет расширить
диапазон условий и воспроизводимых величин влаж-
ности газа. Недостатком метода является конструктив-
ная сложность, большая трудоемкость при эксплуата-
ции, по-видимому, поэтому метод не был реализован в
серийном производстве. Известен отечественный ге-
нератор „Диполь" в единственном экземпляре.
В основу метода фазового равновесия положено по-
лучение парогазовой смеси над поверхностью жидкой
воды или льда растворами кислот, насыщенными рас-
творами солей, водно-глицериновыми растворами с из-
вестным значением величин влажности (парциальное
давление водяного пара, температура точки росы, от-
носительная влажность). На методе фазового равно-
весия основана работа: генератора „Полюс" (насыще-
ние над поверхностью льда), генераторов (гигроста-
тов) „ГСТ-510", „ГПТ-130" (насыщение над поверхно-
стью солей).
Метод смешения основан на смешивании потоков
сухого газа, газа с известной влажностью и определе-
нии результирующей влажности по известным значе-
ниям расходов, объемов или масс каждого из потоков
или с помощью контрольного гигрометра. На методе
смешения работает генератор малых влажностей газа
„ГМВГ".
Диффузионный метод основан на диффузии водяно-
го пара или воды через водопроницаемую мембрану
или вещество.
Метод сушки основан на полном или частичном уда-
лении влаги из влажного газа до заданного значения
величины влажности.
Метод парциальных давлений основан на испарении
воды в вакуумированный сосуд до определенного дав-
ления с последующим добавлением сухого газа до ра-
бочего давления.
Последние три метода не были реализованы в оте-
чественном серийном производстве, но известны ла-
бораторные установки.
Гигрометры — это приборы для измерения вели-
чин влажности газообразных веществ.
Известно несколько систем классификации мето-
дов и средств измерения влажности газов, основанных
на разных принципах (2-5(. Несмотря на существен-
ные отличия этих систем, общим является то, что в ка-
честве классификационного признака выбирается фи-
зический процесс или способ воздействия на влаж-
ность, присутствующую в газе, или водяного пара на
чувствительный элемент. При необходимости в каж-
дой из вышеназванных групп происходит дифферен-
циация по измеряемому параметру, физической вели-
чине. Такой принцип классификации представляется
наиболее удобным для унификации методов и средств
измерений влажности газов.
Самыми распространенными являются гигромет-
ры, основанные на психрометрическом методе, т.е. на
зависимости между влажностью газа и разностью по-
казаний сухого и смоченного термометров, находя-
щихся в термодинамическом равновесии с газом, влаж-
ность которого измеряется. Определение величин
влажности можно производить по соответствующим
формулам или таблицам. Общие требования к психро-
метрическим таблицам и правила их составления ус-
тановлены ГОСТ 8.524г85 (6(. Самыми массовыми в на-
шей стране являются психрометрические гигрометры
ВИТ-1, ВИТ-2, МВ-4М, М-34.
Деформационный метод основан на изменении раз-
меров, длины различных гигроскопических веществ
в зависимости от влажности газа, в котором они нахо-
дятся. В качестве чувствительного элемента использу-
411
ется волос человека, животные пленки, синтетические
нити. Дешевизна и работоспособность при отрица-
тельных температурах обусловили широкое распро-
странение таких деформационных гигрометров, как
М-19, М-68, МАРЗ, особенно в метеорологических ис-
следованиях и быту.
Конденсационный метод основан на конденсации ро-
сы или инея на поверхности охлаждаемого зеркала с
последующим измерением его температуры в момент
появления на нем конденсата. В отечественном при-
боростроении метод не получил широкого распростра-
нения. Конденсационные гигрометры „АГК-212Ф",
„ФЭГ-21М“, „Торос" выпускались лишь небольшими
партиями из-за технологических и производственных
трудностей.
Кулонометрический метод основан на сорбции плен-
кой Р2О5 влаги из потока газа при одновременном раз-
ложении поглощенной воды и измерении тока элек-
тролиза. Пирометры серии „Байкал" различного ис-
полнения и назначения широко применяются во
многих отраслях. Гигрометр „Кедр" расширил диапа-
зон измерения кулонометрии, но был выпущен неболь-
шой серией.
Гравиметрический метод основан на разделении ана-
лизируемого газа на водяной пар и сухой газ с после-
дующим измерением их масс или объемов. Метод от-
личается трудоемкостью, громоздкостью и большой
продолжительностью процесса измерения, что дела-
ет проблематичной реализацию его в серийно выпус-
каемых гигрометрах. Вместе с тем, высокие метроло-
гические возможности метода являются причиной
применения его в эталонных установках. На основе
гравиметрического метода была разработана установ-
ка высшей точности во ВНИИМ (3).
Диэлькометрический метод основан на измерении
диэлектрической проницаемости газа, зависящей от
его влажности. Метод реализован в отечественном гиг-
рометре ,Дргон-М“, предназначенном для измерения
влаги в азоте, аргоне, водороде, воздухе, смеси азота с
водородом. Переход на СВЧ-диапазон позволил суще-
ственно повысить метрологические характеристики
метода и рассматривать его как абсолютный. В
ВС НИИФТРИ на основе СВЧ-метода разработан вы-
сокоточный гигрометр
Большая группа гигрометров основана на различ-
ных модификациях сорбционного метода, в основе ко-
торого лежит зависимость измеряемого параметра или
физической величины влагосорбирующего вещества
от величины влажности газа, в котором он находится.
Так, широкое применение получили гигрометры „Вол-
на", ,Дельта" на основе пьезосорбционного метода. В этих
приборах чувствительным элементом является квар-
цевый резонатор, покрытый тонким слоем влагосор-
бирующего вещества. При изменении относительной
влажности газа изменяется собственная частота квар-
цевого резонатора.
Большую группу составляют гигрометры на осно-
ве сорбционнорезистивного метода, в котором исполь-
зуется зависимость электрического сопротивления
(электропроводности) гигроскопического элемента от
количества сорбированной им влаги, т.е. влажности
анализируемого газа. К этой группе относятся гигро-
метры „ВВ4", „ГС-210".
В подогревныхзлектролитическихгнгромесргск сорб-
ционного типа влагосорбирующим элементом являет-
ся раствор гигроскопической соли, покрывающий чув-
ствительный элемент температурного преобразовате-
ля. Раствор разогревается до температуры, при кото-
рой равновесная влажность над ним равна влажности
анализируемого газа. По температуре динамического
равновесия определяется температура точки росы.
Одновременное измерение температуры газа по-
зволяет определять относительную влажность газа. На
этом методе основана работа гигрометров „ГП-225",
преобразователей „ДВ-1К", „ПИТР".
Оптический метод основан на поглощении, рассея-
нии, отражении излучения водяным паром анализи-
руемого газа и зависимости спектральных характери-
стик от влагосодержания. В отечественной практике
метод реализован в гигрометре „Конг-Прима".
Измерения влажности газов регламентируются дву-
мя основополагающими стандартами:
— ГОСТ 8.221-76 „Влагометрия и гигрометрия. Тер-
мины и определения";
— ГОСТ 8.547-86 „Государственный первичный эта-
лон и государственная поверочная схема для средств
измерений относительной влажности газов".
На методы измерения влагосодержания природно-
го газа распространяется ГОСТ 8.0060-83 „Газы горю-
чие природные. Методы определения содержания во-
дяных паров и точки росы влаги".
Правила построения и применения психрометри-
ческих таблиц изложены в ГОСТ 8.524-85 „ГСИ. Таб-
лицы психрометрические. Построение, содержание,
расчетные соотношения".
Функции головного метрологического предпри-
ятия России в области гигрометрии выполняет Восточ-
но-Сибирский научно-исследовательский институт фи-
зико-технических и радиотехнических измерений
(ВС НИИФТРИ).
В ВС НИИФТРИ разработан и хранится Государст-
венный первичный эталон единицы относительной
влажности газа (ГПЭЕОВГ), утвержденный 26 апреля
1986 г. под регистрационным номером ГЭТ 151 и воз-
главляющий Государственную поверочную схему.
Государственный первичный эталон предназначен
для воспроизведения и хранения единицы относитель-
ной влажности газов от 5 до 98 % при рабочей темпе-
ратуре от -60 до +60 °C. Основу эталона составляют два
генератора влажного газа, работающих при темпера-
турах, соответственно,от-60до+15 °Сиот+5до+60 °C.
Среднее квадратическое отклонение случайной по-
грешности не более (0,05%, неисключенная система-
тическая погрешность не более ±0,1 % при положи-
тельных и ±0,2 % — при отрицательных температурах.
Государственный первичный эталон
единицы относительной влажности
газов
Государственный первичный эталон единицы отно-
сительной влажности газов ГПЭЕОВГ (далее эталон),
разработанный и изготовленный в Восточно-Сибир-
ском научно-исследовательском институте физико-тех-
нических и радиотехнических измерений (ВС НИИФ-
ТРИ, Россия, г. Иркутск), утвержден в 1986 г.
Эталон предназначен для воспроизведения и хра-
нения единицы относительной влажности газов (от 5
до 98 % при рабочей температуре от -60 до +60 °C) и
передачи размера единицы при помощи образцовых
412 ===================
средств рабочим средствам измерений с целью обес-
печения единства измерений в стране.
Передача размера единицы относительной влаж-
ности газов от эталона рабочим средствам измерений
осуществляется на основании ГОСТ 8.547-86.
Основу эталона составляют два генератора влаж-
ного газа, работающих при температурах, соответст-
венно, от -60 до +15 °C и от +5 до +60 °C.
Работа генераторов основана на методе двух дав-
лений, который является абсолютным и наиболее точ-
ным при воспроизведении единицы относительной
влажности газов. Суть метода заключается в насыще-
нии газа влагой при повышенном давлении и после-
дующем его изотермическом дросселировании до ра-
бочего давления. Различные комбинации этих давле-
ний позволяют воспроизводить различные значения
относительной влажности в широком диапазоне рабо-
чих температур.
Конструктивно эталон состоит из двух генераторов
влажного газа, комплексов измерительного и вспомо-
гательного оборудования, а также вычислительного
комплекса.
Структурная схема генераторов представлена на
рис. 1. Основными узлами генераторов являются сис-
тема насытителей 3, изотермический дроссель 4 и ра-
бочая камера 5, помещенные в общий термостат 11.
Пневматическая система генератора питается сжатым
газом от источника 1 через редуктор 2, а отработав-
ший газ сбрасывается в атмосферу, его расход измеря-
ется расходомером 12. Давление газа в насытителе и
рабочей камере измеряется манометрами 6 и 9, а тем-
пература — измерителями температуры 7 и 8.
Сжатый осушенный газ от источника 1 через по-
нижающий редуктор 2 поступает при определенном
давлении в систему насытителей 3, где насыщается вла-
гой при заданной рабочей температуре. Затем через
игольчатый изотермический дроссель 4 газ поступает
в рабочую камеру 5, где и воспроизводится заданная
величина относительной влажности газа.
Комплекс измерительного оборудования включает
измеритель температуры газа на базе термометра
ТСПН-5В, систему манометров ИПДУ и микробаро-
граф М-75 для измерения давления в насытителе и ра-
бочей камере.
Комплекс вспомогательного оборудования содер-
жит пневматическую систему задания давления в на-
сытителе, систему термостатирования, холодильный
Рис. 1. Структурная схема генераторов
1 — источник сжатого газа; 2 — редуктор; 3 — система
насытителей; 4 — изотермический дроссель; 5 — рабочая
камера; 6 и 9 — манометры; 7 и 8 — измерители темпера-
туры; 10 — барометр; 11 — термостат; 12 — расходомер.
агрегат, измеритель расхода газа, источник сжатого га-
за. Для термостатирования эталонных генераторов ис-
пользуются два прецизионных термостата, обеспечи-
вающих поддержание рабочей температуры от -60 до
+15 °C и от +5 до +60 °C.
Информация от измерителя температуры, давле-
ний поступает на вычислительный комплекс, где пре-
образуется в соответствующие значения относитель-
ной влажности газа.
Задание относительной влажности производится
с помощью клавиатуры компьютера вычислительного
комплекса.
Эталон воспроизводит единицу относительной
влажности газа от 5 до 98 % при рабочей температуре
от -60 до +60 °C.
Относительная влажность газа вычисляется по
формуле:
(1)
где
р-р +р
л к а ин ,
Р=Р +Р
где Рк, Рн — абсолютное давление в рабочей каме-
ре и насытителе; Рик, Рин — избыточное давление в ра-
бочей камере и насытителе; Ра — атмосферное давле-
ние; Тх , Тн — температура в рабочей камере и насыти-
теле; '(Т\}е(Тн) - парциальное давление насыщенного
водяного пара при соответствующих температурах в
рабочей камере и насытителе; f(TK, Рх\ f(Th, Рн) — по-
вышающий коэффициент, соответственно, для усло-
вий в рабочей камере и насытителе.
Используемые в эталоне средства измерений и ста-
билизации температуры, давления позволяют воспро-
изводить единицу относительной влажности газа со
среднеквадратичным отклонением случайной погреш-
ности не более ±0,5 %, при НСП — не более ±0,2%.
Литература:
1. ГОСТ 8.221-76. ГСИ. Влагометрия и гигрометрия. Тер-
мины и определения.
2. Берлинер М.А. Измерения влажности. — М.: Энергия,
1973.
3. Соков И.А. Метрологическое обеспечение гигромет-
рии // Обзорная информация. — М., 1987. — (Сер. „Инфор-
мационное обеспечение общесоюзных научно-технических
программ", вып. 1/ВНИИКИ).
4. Бегунов АЛ. Теоретические основы и технические сред-
с гва гигрометрии. Метрологические аспекты.—М.: Изд. Стан-
дартов, 1988. —176 с.
5. Wexler A. A study of the National humidity and moisture
measurement system.—Institute for Basic Standards, Washington,
D.C., 20234.
6. ГОСТ 8.524-85. ГСИ. Таблицы психрометрические. По-
строение, содержание, расчетные соотношения.
7. ГОСТ 8.547-86. Государственный первичный эталон и
государственная поверочная схема для средств измерений от-
носительной влажности газов.
Н.И. Дубовиков, О.О. Подмурная
413
Измерения влажности зерна и зернопродуктов
Влажность является одним из основных количест-
венных и качественных показателей зерна и зерно-
продуктов, влияющих на зачетный вес и потребитель-
ские свойства, и строго регламентируется государст-
венными стандартами.
Сдаточные цены на зерновые культуры зависят от
влажности, и при отклонении ее значений от базис-
ных кондиций производятся надбавки или скидки к
физической массе в размере 1 % за каждый процент
влажности.
Существенно влажность влияет на режимы хране-
ния и переработки зерна и продуктов его переработ-
ки. Например, для одной и той же партии зерна, по-
мещенной на хранение, не допускается отклонения
влажности более чем 1,5-2,0 %.
Метрологические вопросы обеспечения единства
измерений в области влагометрии зерна начали раз-
виваться в 60-е гг. XX в. в связи с появлением острой
необходимости в экспрессном и точном измерении
влажности на всех стадиях производства, переработ-
ки и хранения зерна и зернопродуктов.
Постановлением ЦК КПСС и Совета министров
от 17.12.1959 г. была поставлена задача организовать
серийный выпуск влагомеров, однако поскольку раз-
работка влагомеров велась без должной координации
и отсутствия метрологического обеспечения требуе-
мой точности, постановление правительства выпол-
нено не было.
В 1970 г. Свердловский филиал ВНИИМ провел
сравнительные испытания нескольких отечествен-
ных и зарубежных влагомеров зерна и на основании
результатов испытаний, показавших неудовлетвори-
тельное состояние в области влагометрии зерна, оп-
ределил основные задачи для развития проблемы
обеспечения единства и достоверности измерений.
Основными задачами при решении проблемы яв-
лялись:
— создание влагомеров на новой элементной базе,
организация их серийного выпуска и внедрение в прак-
тику производства и переработки зерна;
— разработка системы метрологического обеспе-
чения экспрессных измерителей влажности;
— разработка комплекса нормативных документов
на методы измерения влажности, методов испытаний
и поверки средств измерений влажности зерна и зер-
нопродуктов.
С этого времени в стране проводятся интенсивные
исследования методов определения влажности и соз-
дания влагомеров, основанных на различных методах
измерения.
Методы и средства измерения
влажности
Современная практическая влагометрия зерна ба-
зируется на методах, которые условно можно разде-
лить на прямые и косвенные. В основе прямых мето-
дов измерения влажности лежит разделение материа-
ла на сухое вещество и влагу. Косвенные методы
характеризуются тем, что влажность измеряется по
физическим параметрам, функционально с ней свя-
занными.
Прямые методы характеризуются высокой точно-
стью, однако требуют применения громоздкого обо-
рудования, длительны, отличаются малой производи-
тельностью. Указанные недостатки затрудняют их
применение при оперативном контроле в непрерыв-
ных технологических процессах. В национальных
стандартах нашли применение, главным образом, ме-
тоды сушки в вакууме (с дополнительными осушите-
лями или без них) и сушка при атмосферном давле-
нии. Эти методы стандартизованы и являются базо-
выми рабочими или базовыми контрольными в нашей
стране и за рубежом и нашли отражение в междуна-
родных рекомендациях ИСО и МОЗМ.
В последнее время распространение получили раз-
личные модификации термогравиметрического мето-
да (воздушно-тепловая сушка, вакуумно-тепловая, ИК-
сушка, СВЧ-сушка). Из числа современных экспресс-
ных термогравиметрических анализаторов на базе
метода ИК-сушки наиболее известны отечественный
анализатор Эвлас и зарубежные аналоги МА-30 (фир-
ма Sartorius), IR-200, IR-300 (фирма Denver Instrument
Companey, США), Toledo (фирма Sartorius) и галоген-
ные анализаторы HR73 и HG53 (фирма Mettler).
Из числа косвенных методов нашли применение
кондуктометрический (резистивный), высокочастот-
ный (диэлькометрический), ЯМР-метод, оптические
методы.
Одним из первых отечественных влагомеров был
кондуктометрический влагомер ВП-4 и его различные
модификации ВЭ-2, ВЭ-2М, в конструкцию которых
входят ручной пресс и вторичный измерительный
прибор (омметр или логометр). Кондуктометриче-
ские влагомеры широко применялись на хлебопере-
рабатывающих и хлебоприемных предприятиях
страны в 50-60 гг. XX в. Опыт мировой практики
показал, что кондуктометрический метод измерения
влажности зерна и зернопродуктов практически
исчерпан с точки зрения точности измерений, и в
70-х гг. в связи с развитием техники появляются
414
емкостные (диэлькометрические) влагомеры, кото-
рые становятся самой многочисленной и популярной
группой приборов в нашей стране и за рубежом.
Широкое распространение эти приборы получи-
ли благодаря ряду неоспоримых достоинств, главны-
ми из которых являются: возможность использования
их для широкого класса материалов, быстродействие,
малая энергоемкость, удовлетворяющая требованиям
производства точность измерений, простота конст-
рукций, возможность введения приборов в системы
автоматического управления и технологические про-
цессы.
Под диэлькометрическими влагомерами понимает-
ся широкий класс приборов, использующих емкост-
ной принцип или принцип фазочастотного разделе-
ния полезных и мешающих сигналов. Основными эле-
ментами структурной схемы влагомера являются
первичный измерительный преобразователь (датчик,
в котором происходит преобразование влажности кон-
тролируемого материала в электрический параметр).
В зависимости от принципа действия влагомера таки-
ми параметрам могут являться полное сопротивление
(проводимость), активная или реактивная составляю-
щая, тангенс угла диэлектрических потерь и др.
Конструкция и размеры ячеек, а также формы
электродов весьма многообразны и зависят от объек-
та и условий измерений.
Наиболее распространенными являются прибо-
ры, реализующие схему р -метра (реагирующие на из-
менение частоты автогенератора при включении его
в колебательный контур). Эти схемы дают высокую и
постоянную чувствительность к изменениям емкост-
ного сопротивления и, в то же время, практическую
независимость результатов измерения от сопротивле-
ния при добротности свыше 1,5. Кроме того, р -мет-
ры позволяют автоматизировать обработку измери-
тельной информации и широко использовать приме-
нение микропроцессорной техники. Сейчас на базе
Р -метров созданы и находятся в эксплуатации боль-
шая группа влагомеров дискретного и непрерывного
действия (ИВЗ-М1, ИВЗ-М1Т, ЦВЗ-З, ИРВЗ).
Особенностью развития влагометрии зерна по-
следних лет в стране является использование мето-
дологии системного подхода. Разработаны типы вла-
гомеров с обоснованием метрологических характери-
стик в зависимости от вида измеряемого материала и
условий применения влагомера. Разработана методо-
логия подхода к метрологическому контролю средств
измерений, разработаны рекомендации по примене-
нию средств измерений влажности в конкретных об-
ластях производства и переработки зерна.
Несмотря на все возрастающие усилия по совер-
шенствованию приборов, их схем и конструкций, до
сих пор не удалось достичь радикального решения про-
блемы увеличения точности. Погрешности влагоме-
ров обусловлены не столько несовершенством прин-
ципов и конструкций, сколько свойствами, связанны-
ми с природой материала как объекта измерения.
За рубежом среди многочисленного парка диэль-
кометрических влагомеров следует отметить влагоме-
ры, главными отличительными особенностями кото-
рых являются: наличие встроенных устройств для из-
мерения плотности анализируемого материала и
развитого программного обеспечения для работы
приборов в нескольких режимах. Примером таких
влагомеров являются: Hydrotesh (фирма Legg), Gac-
11 (фирма Dickeyjohn), Aquasearch-600 (фирма Kett).
Влагомер Hydrotesh (фирма Legg) имеет, кроме того,
программное обеспечение для аппроксимации градуи-
ровочных зависимостей, что создает большое удобст-
во для пользователей.
Анализ приводимых в рекламных проспектах оце-
нок погрешностей диэлькометрических влагомеров
показывает, что, как правило, фирмы используют
только выгодные для рекламы характеристики, при-
чем их значения даются для вполне конкретных со-
стояний материала. Например, гомогенный сухой ма-
териал. Нередко в проспектах характеристики точно-
сти вообще отсутствуют. Как правило, приводятся
следующие оценки точности: сходимость, инструмен-
тальная погрешность, точность считывания измери-
тельной информации.
В качестве оценок точности лабораторных влаго-
меров используют сходимость измерений на зерне кон-
диционной влажности, равную 0,1-0,2 %, или среднее
квадратическое отклонение в пределах 0,2-0,4 %. Ана-
логичные метрологические характеристики имеют и
отечественные влагомеры. Суммарная погрешность
измерения влажности влагомера складывается из ин-
струментальной погрешности и погрешности градуи-
ровки, оценка которой проводится с применением
представительного статистического массива экспери-
ментальных данных.
По назначению диэлькометрические влагомеры
делятся на полевые (переносные), лабораторные (ста-
ционарные) и поточные.
Полевые влагомеры используются для экспрессно-
го измерения влажности в период уборки урожая, для
определения оптимального режима и способа уборки
или переработки, для измерения влажности зерна в
зернохранилищах. Эти влагомеры, как правило, явля-
ются переносными приборами, поэтому должны иметь
малые габариты, вес и автономное питание, операции
измерений должны быть не сложными и легко выпол-
нимыми.
Из числа полевых влагомеров наибольшее распро-
странение получили диэлькометрические влагомеры
ПВЗ-10Д, Колос, АТПАЗ, ММ-1, Роса. Среди зарубеж-
ных влагомеров интерес представляют переносные
влагомеры Aquasearch-600 (фирмы Kett, Япония),
Grainmaster (Великобритания), Dj FMT (фирма Dickey-
john, США), Wile-35 (Финляндия).
Поточные автоматические влагомеры должны
обеспечивать непрерывный или дискретный контроль
влажности материала в технологических линиях по пе-
реработке продукции. Из числа поточных автомати-
ческих влагомеров наибольшее распространение по-
лучили различные модели ИАВЗ, ИРВЗ, ИАВЗ-МП.
Подготовлен к выпуску влагомер Микрорадар-111. Не-
смотря на большое экономическое значение измере-
ний влажности материала в технологических линиях
зернохранилищ, количество поточных автоматиче-
ских влагомеров, выпускаемых иностранными фирма-
ми, весьма ограничено. Известны СВЧ-влагомер
Wilmer MMW-63 (Польша), диэлькометрические DNSZ
(Венгрия), Тоте-56 (Япония) и Wile-500 (Финляндия).
Измерительные блоки таких влагомеров отличает ис-
-----= 415
пользование самой современной техники приборо-
строения, однако конструкции первичных преобразо-
вателей (датчиков), вносящих наибольшую долю в по-
грешность измерения, не всегда отвечают оптималь-
ным условиям измерения, что дает основание для
сомнений в достижении высоких точностных харак-
теристик, указанных в зарубежных проспектах.
Стационарные (лабораторные) влагомеры предна-
значены для определения влажности зерна при расче-
тах между хозяйствами и заготовительными организа-
циями. К лабораторным влагомерам предъявляются
более высокие требования к точности, правильности,
достоверности и воспроизводимости измерений, чем
к полевым и поточным влагомерам. Повышение точ-
ности и воспроизводимости результатов измерений ла-
бораторных влагомеров достигается за счет наличия
специальных устройств, формирующих пробу зерна ь
измерительной части датчика, или устройств, компен-
сирующих влияние мешающих факторов. С целью ис-
ключения возможности фальсификации результатов
требуется выдача показаний на цифропечать незави-
симо от оператора. Из числа диэлькометрических ла
бораторных влагомеров распространение получили
влагомеры ЦВЗ-З, ИВЗ-М1, ИВЗ-М1Т.
Первые исследования по применению метода
ЯМР во влагометрии были начаты на рубеже 60 х гг.
XX в. в нашей стране, США и ряде других стран. Пер-
вые отечественные ЯМР-анализаторы (ПРВ-63М и
ПРАИ) были предназначены д/1я измерения влажно-
сти зерновых культур, первые зарубежные ЯМР-ана-
лизаторы являлись приборами многофункционально-
го назначения и были предназначены для определе-
ния влажности и масличности сельскохозяйственных
материалов. Несмотря на избирательность метода,
возможность одновременного определения несколь-
ких компонентов в веществе метод Я МР не нашел ши-
рокого практического применения во влагометрии
зерна в нашей стране и за рубежом. Из числа ЯМР
анализаторов, доведенных до серийного выпуска, наи-
более популярным на предприятиях является ЯМР-
анализатор масличности и влажности АМВ 1006М.
Проводятся работы по расширению применения ана-
лизатора .для исследования показателей качества сель-
скохозяйственных материалов.
Основной тенденцией в развитии влагометрии
зерна в нашей стране и за рубежом является создание
быстродействующих приборов универсального или
многофункционального назначения.
В последние годы в практике измерений исполь-
зуются многофункциональные анализаторы, основан-
ные па методе ИК-спектроскопии. Главное достоин-
ство приборов — высокая скорость анализа и возмож-
ность одновременного определения нескольких
показателей: содержания белка, влаги, жира, крахма-
ла, клетчатки и др. За рубежом оптические ИК-анали-
заторы получили очень широкое распространение, на
их долю приходится самый значительный процент из
общего числа разработанных влагомеров.
Из числа ИК-анализаторов наибольший интерес
представляют приборы, основанные на методе диф-
фузной отражательной (ДО) спектроскопии в ближ-
ней ИК-области спектра (0,8-2,5 мкм). Метод ДО-
спектроскопии используется для анализа одновремен-
но нескольких компонентов зерновых культур.
Наибольшее распространение в нашей стране полу-
чили приборы фирм Labor Min (Венгрия), „Infrapid",
Bran Luebbe (Германия) „InfraAlyser" модели 450, 260,
500, FallingNumber (Швеция), Inframatic модели 8120,
8100. Среди отечественных ИК-анализаторов на зер-
новых и зернозаготовительных предприятиях стра-
ны нашел применение анализатор состава зерна
„Спектран-119“, который предназначен для определе-
ния показателей качества (влаги, белка, крахмала, жи-
ра, клетчатки, сахар, зольности и др.) зерновых куль-
турах и продуктов их переработки.
Тенденция к созданию и применению приборов
универсального назначения просматривается и в от-
ношении других методов измерег гия. Например, диэль-
кометрический влагомер И ВЗ-МТ—предназначен для
определения влажности зерна и зернонродуктов в ла-
бораторных и полевых условиях (предусмотрено авто-
номное питание и питание от сети); влагомер АТПАЗ
— предназначен для определения влажности и натур-
ного веса зерна
Термогравиметрическе анализаторы ЭЬЛАС-2,
MA, 1R-200 предназначены для определения влажно-
сти твердых, жидких, пастообразных, волокнистых и
порошковых материалов;
ЯМР-анализатор А МВ-1006М — предназначен для
определения влажност и и масличности (содержание
жира). Проводятся работы по расширению назначе-
ния прибора Для исследования других показателей ка
честна зерновых, зернобобовых и мае личных культур.
Требования к влагомерам, основанным на раз-
личных методах измерения, сформулированы в
ГОСТ 29027-91.
Состояние метрологического
обеспечения в области влагометрии
зерна и зернопродуктов
Целью системы метрологического обеспечения
(МО) в области влагометрии является обеспечение
единства и правильности измерений в стране.
Основными составляющими (МО) являются:
— государственные поверочные схемы, определяю-
щие порядок и средства передачи размера единиц;
— организация поверки средств измерений при из-
готовлении, эксплуатации и ремонте.
Исходя из определения метрологическое обеспе-
чение измерений влажности предполагает:
— принципы нормирования, оценки и контроля
метрологических характеристик СИ и показателей
точности МВИ;
— единый порядок и координация разработки, по-
становки на производство и выпуска в обращение
средств измерений;
— методы и технические средства воспроизведе-
ния, хранения и передачи размеров единиц физиче-
ских величин, характеризующих состав или свойства
анализируемых твердых веществ и материалов;
— методические и научно-организационные вопро-
сы поверки СИ;
— аттестацию и стандартизацию МВИ.
Метрологическим органами Госстандарта прово-
дятся испытания, аттестация, поверка и надзор за
качеством выпускаемых и находящихся в эксплуата-
ции СИ.
416
Создан парк образцовых СИ, позволяющий про-
водить градуировку и поверку приборов, аттестацию
методик измерения влажности.
Несмотря на то что история влагометрии насчи-
тывает не одно десятилетие, развитие ее метрологи-
ческого обеспечения как в нашей стране, так и в дру-
гих промышленно развитых странах далеко не завер-
шено.
Наибольшее развитие проблема метрологическо-
го обеспечения получила в начале 70-х гг. в связи с бур-
ным развитием влагометрии зерна и созданием боль-
шого парка влагомеров, основанных на различных ме-
тодах измерения.
В эти годы были разработаны основные методы
испытаний и поверки влагомеров. При испытаниях
и поверке проводилось определение погрешности
влагомера как электроизмерительного или физиче-
ского прибора с помощью образцовых СИ физиче-
ских величин и определение погрешности измерите-
ля влажности с применением измеряемого вещества.
Эти положения нашли отражение в отечествен-
ных документах на поверку влагомеров, а также в ря-
де международных документов: рекомендациях
PC 3294-71, 3694-71 и др.
Значительный интерес для практики поверки
представляет метод поверки влагомеров с примене-
нием стандартных образцов (СО) свойств. К досто-
инствам применения СО следует отнести:
— экспрессность и универсальность;
— возможность получения нескольких аттестован-
ных значений, равных числу воспроизводимых ими
физических величин (компонентов, веществ);
— простота и удобство в эксплуатации;
— высокая надежность;
— возможность проведения поверки СИ или атте-
стации МВИ непосредственно на месте эксплуатации.
Применение стандартных образцов незаменимо
при поверке и юстировке приборов на заводах при их
серийном выпуске; способ также трудно заменим при
поверке автоматических влагомеров, установленных
в технологических линиях, что исключает демонтаж
прибора и доставку его в поверочную лабораторию.
Применение стандартных образцов при поверке по
зволяет проверить прибор в сборе, т.к. возбужденный
при помощи СО сигнал в измерительном преобразо
вателе влагомера проходит через все функциональные
узды прибора до регистрирующего или отсчетного уст-
ройства.
Разработка и узаконение стандартных образков для
поверки влагомеров зерна (ГСО 713-75-ГСО 715-75)
обеспечило серийный выпуск лабораторных перенос
ных и поточных влагомеров зерна и успешное внедре-
ние их в практику измерений.
В настоящее время во влагометрии для поверки
влагомеров применяются СО, которые можно разде-
лить на СО натуральных веществ и СО-имитаторы.
Для поверки приборов, реализующих различные
модификации термогравиметрического метода, ис-
пользуются СО натуральных веществ в виде аттесто-
ванных проб зерна и зернопродуктов. Для поверки
приборов, реализующих физические и физико-хими-
ческие методы, применяются СО-имитаторы.
Правомерность применения имитаторов, ве-
ществ, не содержащих воду для поверки влагомеров,
основана на том, что влагомер фактически измеряет
не саму влажность, а физический параметр, функцио-
нально связанный с ней. Исходя из этого СО-имита-
тор должен воспроизводить физические параметры
вещества, информативные для данного типа влагоме-
ра и соответствующие его физической модели.
К примеру, стандартный образец для поверки ди-
элькометрических влагомеров имеет диэлектрические
свойства, соответствующие натуральному веществу.
СО для поверки инфракрасных влагомеров должен
имитировать коэффициенты отражения или поглоще-
ния ИК-лучей, соответствующие натуральным образ-
цам и т.д. Основное преимущество СО-имитатороь
заключается в том, что, будучи изготовленными из ста-
бильных материалов, они обладают большой времен-
ной стабильностью параметров. С помощью градуиро-
вочной зависимости стандартным образцам приписы-
вается значение имитируемой влажности, в этом
случае они становятся „эквивалентами1" влажности и
используются для проверки основной погрешности;
при достаточном наборе СО по диапазону влажности
они могут служить и как средство передачи всей гра-
дуировочной кривой Примером таких СО могут слу-
жить стандартные образцы для поверки и градуиров-
ки ЯМИ-апализаторов влажности и масличност и семян
подсолнечника (ГСО 3107-84-1СО 3112-84).
СО-имитаторы для поверки диэлькомегрических
влагомеров зерна (ГСО 713-75-ГСО 715-75, ГСО 4334-
89--ГСО 4336-89) представляют собой диэлектрики,
изготовленные из полимерного материала с неорга-
ническими наполнителями, с диэлектрической про-
ницаемостью 2-10 ед., что позволяет имитировать
влажность зерна в диапазоне 8-35 %
В настоящее время отработана технология полу-
чения стандартных образцов в виде гранулированных
и монолитных диэлектриков в диапазоне 2-45 единиц
диэлектрической проницаемости, что позволяет ими-
тировать влажность ряда сыпучих и монолитных ве-
ществ в диапазоне 10 -80 %.
Анализ зарубежных стандартов и международных
рекомендаций показал, что основным методом повер-
ки, принятым в ряде промышленно развитых странах,
является метод воздушно-тепловой сушки проб до по-
стоянной массы или сушки в вакууме при низких или
повышенных температурах. Наиболее отработанным
признавался французский эталонный метод (сушка в
вакууме при 50 °C, в вакууме 20 мм рт.ст.). Поэтому в
стране в 70 гг. был разработан базовый контрольный
метод на основе вакуумно-теплового метода, реализо-
ванный в образцовых ваккумно-тепловых установках
1 го разряда (ОВЗ).
Эти установки в качестве ОСИ 1-го разряда исполь-
зовалась на градуировочных пунктах Минзага и в ла-
бораториях территориальных органов Госстандарта
для целей поверки и градуировки влагомеров. С раз-
витием влагометрии и появлением влагомеров повы-
шенной точности установка ОВЗ перестала отвечать
техническим и метрологическим требованиям, и в
Свердловском филиале ВНИИМ были начаты работы
по совершенствованию имеющихся ОСИ. В 1976 г. бы-
ла разработана образцовая вакуумно-тепловая установ-
ка (УВТО), которая внесена в Госреестр средств изме-
рений. В данной разработке были учтены все недос-
татки ранее разработанной установки. Установка
417
8'(8) — абсолютная (относительная) погрешность метода передачи размера единицы
Рис. 1. Государственная поверочная схема для средств измерения влажности зерна и зернопродуктов
УВТО отличалась улучшенными теплотехническими
показателями, применением новых конструкций элек-
трического нагревателя и применением более совер-
шенных терморегуляторов, новой конструкцией бюк-
сов, предотвращающей потери массы при размоле зер-
на. Установка УВТО выполнена как единый комплекс
с рабочим местом оператора. Методика выполнения
измерений на УВТО стандартизована ГОСТ 8.432-81.
Накопленный опыт эксплуатации и высокие мет-
рологические характеристики УВТО позволили атте-
стовать группу из 3 специально изготовленных устано-
вок как Установку высшей точности в Государственной
поверочной схеме для средств измерений влажности
зерна и зернопродуктов (УВТ 15 А-81), рис. 1.
14 Зак. 450
============================ 418
Метрологические характеристики
УВТ 15А-81
Диапазон измерения влажности, % 5-45
Границы неисключенной систематической
погрешности, % 0,07
Среднее квадратическое отклонение
результатов измерений, % 0,02
Накопленный опыт в области МО влагометрии зер-
на позволяет констатировать, что система МО созда-
на и функционирует ь рамках действующей пове-
рочной схемы. Разработан и внедрен в практику изме-
рений больший парк приборов, основанных на
различных принципах измерения влажности. Разрабо-
таны ОСИ различного уровня точности, организован
их серийный выпуск. ОСИ внедрены в поверочную
деятельность терорганов страны; организованы рабо-
ты по поверке и аттестации ОСИ.
Разработаны комплектные стационарные и пере-
движные поверочные лаборатории для поверки всех
средств измерений, применяемых в зернозаготови-
тельных и перерабатывающих предприятиях непо-
средственно на местах эксплуатации. Лаборатория
ППЛ-ХП разработана на базе автофургонов УАЗ и
ЕРАЗ-762В. Лаборатория ППЛ-Х11 предназначена для
поверки средств измерений влажности, натурного ве-
са, приборов для измерения качества и количества
клейковины, средств измерений массы.
В.И. Коряков, А.И. Запорожец
419
Государственный первичный эталон единицы
объемного влагосодержания нефти и
нефтепродуктов
Одним из показателей качества нефти и нефтепро-
дуктов является их влагосодержание. Влагосодержа-
ние нефти измеряется при ее добыче, транспортиров-
ке, хранении, переработке и экспортных поставках.
Это позволяет оценивать качество и учитывать коли-
честводобываемой, перерабатываемой и экспортируе-
мой нефти. Достоверность и однозначность оценки
влагосодержания зависит от точности результатов из-
мерений. Поэтому проблема обеспечения единства и
достоверности измерений объемного влагосодержа-
ния нефти и нефтепродуктов имеет важнейшее народ-
нохозяйственное значение [1].
Широкое распространение при разработке влаго-
меров для нефти получил диэлькометрический метод
[2, 3], основанный на существовании вполне опреде-
ленной связи между объемным содержанием воды и
диэлькометрической проницаемостью водонефтяной
эмульсии.
Минерализация и степень дисперсности воды в
нефтяных эмульсиях не влияют на диэлектрическую
проницаемость, но оказывают существенное влияние
на величину потерь. Поэтому в диэлькометрических
влагомерах должна измеряться только емкостная со-
ставляющая полного сопротивления преобразователя.
Уровень современного развития измерительной тех-
ники позволяет определять емкостную составляющую
сопротивления с высокой степенью точности.
Государственный первичный эталон единицы объ-
емного влагосодержания нефти и нефтепродуктов
(далее эталон), разработанный совместно Тбилис-
ским филиалом ВНИИМ и Казанским филиалом ВНИ-
ИФТРИ и изготовленный в Казанском научно-иссле-
довательском институте физико-технических и радио-
технических измерений (ВС НИИФТРИ), утвержден
в 1975 г. [1].
Эталон предназначен для воспроизведения и хра-
нения объемного влагосодержания нефти и нефте-
продуктов (от 0,05 до 60 %) и передачи размера еди-
ницы при помощи образцовых средств рабочим сред-
ствам измерений с целью обеспечения единства
измерений в стране.
Передача размера единицы относительной влаж-
ности газов от эталона рабочим средствам измерений
осуществляется на основании ГОСТ 8.190-76.
Основу эталона составляет установка УТТВН-1 для
градуировки и поверки влагомеров нефти,
Работа установки основана на диэлькометриче-
ском методе определения влагосодержания нефте-
продуктов [2].
Конструктивно эталон состоит из установки
УПВН-1, комплекса по обезвоживанию нефти, приго-
товлению водонефтяных эмульсий, комплекса изме-
рительного и вспомогательного оборудования, а так-
же вычислительного комплекса.
Диэлькометрические влагомеры состоят из емко-
стного преобразователя и измерительного прибора,
который измеряет приращение емкости преобразо-
вателя, вызванное изменением диэлектрической про-
ницаемости эмульсии вследствие изменения содержа-
ния в ней влаги.
Комплекс по приготовлению эталонных водонеф-
тяных эмульсий с различным объемным влагосодер-
жанием обеспечивает выполнение следующих обяза-
тельных требований:
— равномерное распределение влаги по объему
нефтепродукта;
— основная фракция дисперсных частиц не пре-
вышает 10 мкм при определенном распределении дис-
персных частиц по размерам в нефтепродукте;
— учет температурных изменений объемного влаго-
содержания и содержания солей в дисперсной фазе;
— отсутствие во влажных нефтепродуктах свобод-
ной воды и пузырьков газа.
Комплекс вспомогательного оборудования содер-
жит систему термостатирования, систему сушки, холо-
дильный агрегат. Для термостатирования эталонных
генераторов используется прецизионный термостат,
обеспечивающий поддержание рабочей температуры
от +15 до +30 °C.
Информация от измерителя температуры посту-
пает на вычислительный комплекс, где преобразует-
ся в соответствующие значения объемного влагосо-
держания нефтепродукта.
Эталон воспроизводит единицу объемного влаго-
содержания нефти и нефтепродуктов от 0,05 до 60 %
при рабочей температуре от +15 до +30 °C.
Используемые в эталоне средства измерений и ста-
билизации температуры, давления позволяют воспро-
изводить единицу объемного влагосодержания неф-
ти и нефтепродуктов со среднеквадратичным откло-
нением случайной погрешности не более ±23-10'4%,
при НСП — не более ±1-10'3-65-10“* (в зависимости от
объемного влагосодержания в диапазоне 0,05-60 %).
Проблемы контроля влагосодержания нефти и
нефтепродуктов рассматриваются в следующих меж-
дународных документах:
— D 1094-85. Standard Test Method for Water
Reaction of Aviation Fuels;
— D 3240-91. Standard Test Method for Undissolved
Water in Aviation Turbine Fuels;
— E 100-92. Standard Specification for ASTM
Hydrometers.
...-..— 420
Наряду с диэлькометрическим методом измерения
объемного содержания воды находят применение и
другие методы, например, ультразвуковой, нейтрон-
ный, оптический, теплофизический и т.д. [3].
Литература:
1. Хусаинов Н.М. и др. // Измерительная техника. -
1976. — №3.
2. Мелкумян В.Е. и др. // Измерительная техника. —
1969. - № 8
3. Берлинер М.А. Электрические измерения, автомати-
ческий контроль и регулирование влажности. — М.: Энер-
гия, 1965.
В.В. Пеклер
421
Определение состава веществ методом
хроматографии
Хроматографический метод разделения и анали-
за сложных смесей был открыт русским ботаником
М.С. Цветом в 1903 г. Характеризуя принцип своего
метода, он писал: „При фильтрации смешанного рас-
твора через слой адсорбента пигменты ... расслаива-
ются в виде отдельных, различно окрашенных зон.
Подобно световым лучам в спектре различные ком-
поненты сложного пигмента закономерно распреде-
ляются друг за другом в столбе адсорбента и стано-
вятся доступными качественному определению".
Предложенный М.С. Цветом метод, названный им
хроматографическим, не был по достоинству оценен
его современниками. Лишь в 40-50 гг. XX в. трудами
А.Дж.П. Мартини и Р.Л.М. Синджа, А.Т. Джеймса,
А.А. Жуковицкого и др. были созданы различные ва-
рианты хроматографического разделения смесей ве-
ществ (ионнообменная, жидкостная-жидкостная,
газожидкостная), имеющие большое значение для
дальнейшего развития количественного хроматогра-
фического анализа. Любую разновидность хромато-
графии можно определить как динамический метод
разделения смеси веществ, основанный на многократ-
но повторяющемся процессе перераспределения ком-
понентов между двумя несмешивающимися фазами,
одна из которых является неподвижной, а другая —
подвижной. Начинаяс 1955 г. (вСССР — с 1958 г.) про-
мышленность приступает к выпуску специальных при-
боров — газовых хроматографов, предназначенных
для разделения сложных многокомпонентных смесей
в газожидкостном и газоадсорбционном вариантах.
Позднее на рынке аналитических приборов появи-
лись и вскоре заняли одно из ведущих мест жидкост-
ные хроматографы. Детектирование в хроматогра-
фии осуществляется на основе различных физико-хи-
мических принципов, в т.ч. по теплопроводности, по
оптическим свойствам веществ в инфракрасной, ульт-
рафиолетовой или видимой областях спектра, по
флюоресценции, электропроводности, диэлектриче-
ской проницаемости и т.д. Этим в значительной мере
обусловлены широкие аналитические возможности
хроматографов. В настоящее время практически не-
возможно найти отрасль науки и техники, в которой
не использовались бы хроматографические приборы,
обладающие аналитической гибкостью и универсаль-
ностью, высокой скоростью измерений и чувствитель-
ностью. Исследование состава атмосферы планет и
определение микропримесей в веществах высокой
чистоты, определение состава биологических жидко-
стей, пищевых продуктов и нефтепродуктов, иссле-
дование аромата кофе, душистых веществ — это дале-
ко не полный перечень областей применения совре-
менной хроматографии. Первые испытания хрома-
тографов как средств измерений показали, что су-
ществующие подходы к метрологическому обеспече-
нию аналитических приборов недостаточны. Они не
учитывают многофункциональность и универсаль-
ность хроматографических приборов. Работы по мет-
рологическому обеспечению хроматографических из-
мерений начались во ВНИИМС в начале 70-х гг. в
отделе хроматографии под руководством В.И. Ло-
шака и Г.Н. Воронова и при участии Е.А. Заец,
Ю.Н. Павлова, В.Б. Юдовича и были продолжены кол-
лективом ученых и специалистов Ш.Р. Фаткудиновой,
О.Л. Рутенберг, О.Н. Соколовой, В.В. Пебалком,
С.Б. Никитиной.
В 1977 г. сотрудниками ВНИИМС и ДОКБА
В.Г. Цейтлиным, Г.И. Вороновым и В.Г. Калмановским
был разработан первый нормативный документ по
нормированию и оценке метрологических характери-
стик хроматографических приборов [1]. В 1983 г.
Ш.Р. Фаткудиновой и Ю.Н. Павловым был разработан
ГОСТ [2], регламентирующий методику поверки газо-
вых хроматографов при их производстве и в эксплуа-
тации с учетом специфики индивидуально градуируе-
мых приборов, к которым относятся хроматографы.
В более поздних НД [3-4], разработанных сотрудни-
ками ВНИИМС, основы концепции метрологическо-
го обеспечения были развиты с учетом усовершенст-
вованной инструментальной базы и системы метроло-
гического обеспечения аналитического контроля.
Одновременно с развитием нормативной базы во
ВНИИМС разрабатывали эталонные средства для ис-
пытаний, поверки, градиуровки хроматографов, атте-
стации МВИ и контроля качества измерений. Основ-
ными средствами метрологического обеспечения хро-
матографических измерений являются СО в области
малых микроконцентраций. Во ВНИИМС разработа-
ны для газовой хроматографии ГСО состава многоком-
понентных газовых смесей 1 и 2-го разрядов в диапа-
зоне молярной доли 10 ’-104%, ГСО состава природ-
ного газа, ГСО состава чистых углеводородов С1-С5
(совместно с ВНИИУС) и для жидкостной хроматогра-
фии — ГСО состава растворов антрацена в ацетонит-
риле и растворов полициклических углеводородов в
ацетонитриле (совместно с НПО „Монокристаллреак-
тив“). Эталонная установка ВНИИМС [5] для приго-
товления и аттестации СО смесей, включая бинарные
и многокомпонентные смеси в баллонах под давлени-
ем в диапазоне молярной доли 10 '-10‘3 %, дает возмож-
ность использовать приготовленные на ней смеси для
испытаний наиболее чувствительных хроматографи-
ческих детекторов. Другой путь решения проблемы
422
испытаний и поверки хроматографов — введение в
прибор микрообъемов чистых веществ. Для этих це-
лей используют эталонные микродозаторы с дозирую-
щим объемом 0,5-30 мм3. Для их аттестации во ВНИ-
ИМС и ВНИИМ разработаны эталонные установки,
предназначенные для определения дозирующих объе-
мов в диапазоне 0,5-30 мм3 с относительной погреш-
ностью, не превышающей 1 % [6-7]. Современные
хроматографы являются достаточно сложными анали-
тическими системами. Комбинирование хроматогра-
фов с такими мощными средствами анализа, как масс-
спектрометры, ИК-Фурье-спекгрометры позволяет
проводить идентификацию веществ, дает большой
объем информации о составе и структуре веществ. При
этом обработ ка результатов измерений уже невозмож-
на без применения средств вычислительной техники.
Компьютеризация хроматографов сущест венно улуч-
шает не только технические и эксплуатационные, но
и метрологические характерист ики благодаря более
глубокой стабилизации режимных параметров, авто-
матизации операций дозирования, оптимизации алго-
ритмов обработки выходных сигналов. При разработ-
ке методики потребителю необходимо иметь инфор-
мацию о погрешности, вносимой в результате анализа
на этапе обработки хроматограммы В отдельных слу-
чаях эту погрешность можно оценивать эксперимен-
тальным путем с помощью стандартных образцов, со-
держащих индивидуальные компоненты и их смеси
Более эффективными средствами исследования этой
погрешности являются тесг-хроматограммы — физи-
ческие эквиваленты СО [8]. Во ВНИИМС разработан
программно-аппаратный комплекс-имитатор для вос-
произведения тест-хроматограмм с известными пара-
метрами пиков и базовой линии [9]. Имитатор вклю-
чает ЭВМ PC, 16-ти разрядный ЦАП. Моделирование
пиков и программа моделирования хроматограмм по-
зволяет варьировать амплитуду и ширину пика, уро-
вень шума и дрейфа базовой линии, положение пика в
группе пиков, форму пиков (гауссиана, экспонента,
кривая Лоренца, комбинация гауссианы и экспонен-
ты, комбинация гауссианы и Лоренцовой кривой, ком-
бинация Лоренцовой кривой и экспоненты). Относи-
тельная погрешность параметров пиков, воспроизво-
димых имитатором, не превышает 0,01 %. На рис. 1
представлена схема применения программно-аппарат-
ных средств для метрологической аттестации про-
грамм обработки хроматографических данных. Важ-
нейшим элементом в структуре метрологического
обеспечения инструментальных аналитических изме-
рений является градуировка приборов по СО состава
веществ. Если используемый СО адекватен ала ni иируе-
мой пробе, то таким путем может быть отградуирова-
на ься измерительная процедура: от дозирования про-
бы до вычисления параметров пиков и определения
значений концентраций. Одпако, как правило, СО
представляют собой упрощенные модели исследуемых
веществ и не воспроизводят их матрицу. Хроматограм-
мы реальных анализируемых СО содержат дополни-
тельный „шум" в виде дрейфа базовых линий , неполно-
го разделения пиков и дру ие особенности, затрудняю-
щие обработку. В этих случаях результаты градуировки
приборов по СО, имеющим хроматограммы с хорошо
разделенными пиками, не могут быть использованы
для получения достоверной оценки погрешности
Рис. 1. Схема использования цифровой модели хроматограммы для определения погрешности анализа веществ, обуслов-
ленной влиянием программ обрабо гки данных Т — время удерживания; С — концентрация.
Рис. 2. Определение погрешности цифровой обработки хроматограммы
А — амплитуда пика; Т — время удерживания; S — площадь пика; С — концентрация.
- 423
результатов химического анализа. Для решения этой
проблемы предложен метод апостериорного модели-
рования с параметрами хроматографических пиков,
установленными при анализе пробы исследуемого ве-
щества. Варьируя параметры модели, ее подгоняют к
форме реальной хроматограммы. Для контроля бли-
зости подгонки используются графические средства
современных компьютеров. После завершения моде-
лирования и подгонки модели она направляется на
вход той же штатной программы, с помощью которой
была обработана хроматограмма исследуемой пробы.
Площади каждого отдельного пика известны с высо-
кой точностью, что позволяет оценивать искомую по-
грешность обработки данных разностью между резуль-
татами обработки модели и известными параметрами
этой модели. Рис. 2 иллюстрирует описанную проце-
дуру. Реальная хроматограмма обрабатывается при по-
ложении „1“ условных ключей, а подогнанная под нее
модель — при положении „2“ этих ключей. Метод циф-
рового моделирования реальных хроматограмм суще-
ственно сокращает объем экспериментальных иссле-
дований при метрологической аттестации МВИ.
Литература:
1. МИ 137-77. ГСИ. Методика по нормированию метро-
логических характеристик, градуировке, поверке хромато-
графических приборов универсального назначения и оцен-
ке точности результатов хроматографических измерений.
2. ГОСТ 8.485-83. ГСИ. Хроматографы аналитические га-
зовые лабораторные. Методы и средства поверки.
3. МИ 640-84. Методические указания по аттестации ме-
тодик выполнения хроматографических измерений.
4. МИ 2402-97. ГСИ. Хроматографы газовые аналитиче-
ские лабораторные. Методика поверки.
5. Воронов Г.Н., Массарская С.М. Установка для приго-
товления газовых смесей в диапазоне концентраций (10's-
1) % мол. // Измерительная техника. — 1979. — № 9.
6. Воронов Г.Н., Гутенберг О.Л., Синюгина К.Н.,
Фаткудинова Ш.Р. Методика аттестации микродозаторов для
градуировки хроматографов по чистым газам. Автоматиза-
ция, КИП. - 1976. - № 10.
7. Бобылев А.В., Хацкевич Е.А. Устройство для измере-
ния объемов дозирующих устройств газоанализаторов. Авт.
свид. № 539221 // Бюлл.изобр. — 1976. — № 46.
8. Papas A.N. //Anal.Chem.- 1990.-V. 62. -№ 3.
9. Фаткудинова Ш.Р., Левина И.Е., Солопченко Г.Н.,
Серегина Н.И. // Законодательная и прикладная метроло-
гия. — 1992. — № 1.
О.Л. Рутенберг, Ш.Р. Фаткудинова
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
1еплофизические и температурные
измерения
t > । f । । 1 । ।
425
Введение
Термодинамика, наука о наиболее общих свойствах макроско-
пических систем, находящихся в состоянии термодинамического
равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.
Физические величины, используемые для описания термодина-
мических свойств тел или систем тел, а также процессов перерас-
пределения тепловой энергии относятся к области исследований в
термодинамике.
Все многообразие физических величин, используемых в термо-
динамике, можно разделить на несколько классов
К первому из них относится фундаментальная физическая ве-
личина — температура, единица которой является основной в Меж-
дународной системе СИ.
Вторую группу образуют калориметрические величины, к кото-
рым относятся теплоты химических, физических и биологических
процессов. В том числе, теплоты сгорания, сорбции, десорбции,
фазовых переходов, обмена веществ, а также теплоемкость.
Третий класс образует физические величины, характеризующие
свойства переноса тепла в вещественных средах. Он включает в се-
бя теплопроводность, температуропроводность, а также некоторые
производные величины, включающие в себя теплопроводность, в
частности, коэффициент тепловой активности и показатель теп-
лоусвоения.
К четвертой группе относятся физические величины, характе-
ризующие тсплоперенос излучением.
Пятая группа включает в себя физические величины, выражаю-
щие зависимость свойств тел от температуры. В частности, такой
физической величиной является температурный коэффициент ли-
нейного расширения.
Наиболее важную роль в науке и промышленности и) рают сле-
дующие физические величины: температура, количество теплоты,
удельная теплоемкость, теплопроводность, энергетическая яр-
кость, температурный коэффициент линейного расширения.
А.И. Походун
14* Зак. 450
426
Термометрия
Историческая справка
Температура, физическая величина, позволяющая
описать тепловое равновесие между двумя системами,
находящимися в тепловом контакте.
Понятие температуры тесно связано с термодина-
микой и статистической механикой, поэтому термо-
метрия возникла и развивалась по мере развития ес-
тествознания.
Возможность измерения температуры предопре-
деляется связью между совершенно определенными
и точно воспроизводимыми тепловыми состояниями
и приписанными им числовыми значениями. Суще-
ственно важным является общее физическое обосно-
вание всей совокупности этих числовых значений,
объединяющее их в единую температурную шкалу.
Честь изобретения первого термометра принято
приписывать Галилею, который изобрел воздушный
термометр примерно в 1592 г.
В 1632 г. Джин Рей использовал воду в качестве
термометрического вещества. В 1641 г. был создан за-
паянный спиртовой стеклянный термометр.
В период с 1708 по 1724 гг. Фаренгейт разработал
метод установления шкалы, основанный на двух фик-
сированных точках с делением интервала между ни-
ми на удобное число градусов. Одной из фиксирован-
ных точек служила температура человеческого тела,
которое он принял за 96 градусов, второй фиксиро-
ванной точкой была точка кипения льда 32 градуса. В
этот же период, французским ученым Амонтоном был
разработан газовый термометр постоянного объема.
Амонтон сделал вывод, что самая возможно низкая
температура должна соответствовать нулевому давле-
нию газа, а для создания шкалы необходима лишь од-
на фиксированная точка.
Работы Амонтона и Фаренгейта положили нача-
ла двум направлениям развития термометрии. Пер-
вый из них, основанный на развитии газовой термо-
метрии, ведет к созданию термодинамической темпе-
ратурной шкалы, базирующейся на единственной
фиксированной точке и не зависящей от свойств ис-
пользуемого термометрического вещества.
Такая температурная шкала, охватывающая все
практически достижимые температуры и не связан-
ная с какими-либо частными свойствами тел, была
предложена в середине XIX в. Томпсоном (лордом
Кельвином) и известна ныне под названием „абсолют-
ной термодинамической шкалы температур".
Второй путь основанный на использовании про-
извольных фиксированных точек и интерполяцион-
ных термометров, ведет к созданию практических
температурных шкал.
В 1875 г. была подписана Метрическая Конвенция
и учреждено Международное бюро мер и весов
(МБМВ). Термометрия была включена в сферу дея-
тельности МБМВ.
Первые шаги к установлению Международного
единства в измерениях температуры относятся к
1887 г., когда Международным комитетом но мерам и
весам (МКМВ) была принята для Международной
службы и научных исследований шкала водородного
газового термометра постоянного объема, основан-
ная на реперных точках плавления льда (0 °C) и кипе-
ния воды (100 °C).
В 1889 г. решение МКМВ было утверждено на 1-й
Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ).
В 1899 г. Каллендар предложил принять платино-
вый термометр сопротивления, градуированный в
точке затвердевания воды и точках кипения воды и
серы, в качестве основы температурной шкалы. Кал-
лендар представил перечень значений температур
вторичных реперных точек, основанный на анализе
результатов измерений газовым термометром.
Большие экспериментальные трудности, связан-
ные с применением газовых термометров явились
причиной отказа от газового термометра в качестве
прибора, осуществляющего термодинамическую шка-
лу температур, и заставили ввести практическую шка-
лу, удобную в экспериментальном отношении и незна-
чительно отличающуюся от термодинамической шка-
лы в широком интервале температур.
В 1911 г. тремя метрологическими институтами
(Национальным Бюро эталонов США; Национальной
физической лабораторией Англии; Государственным
физико-техническим институтом 1ермании) были на-
чаты переговоры об установлении единой темпера-
турной шкалы.
В 1913 г., в Лондоне представители этих институ-
тов выработали предложения о температурной шка-
ле, приняв во внимание соображения Лейденской
Криостатной лаборатории, касающиеся низких тем-
ператур.
В 1927 г. на 7-й сессии ГКМВ была одобрена прак-
тическая температурная шкала, получившая название
Международная температурная шкала 1927 г. (МТШ-
27).
В 1937 г. МКМВ учредил Консультативный коми-
тет по термометрии (ККТ), возложив на него работу
по совершенствованию международной температур-
ной шкалы.
Совершенствование международной температур-
ной шкалы осуществляется примерно через каждые
20 лет.
=^=—=^=— 427 .
В 1948 г. был осуществлен первый пересмотр, ре-
зультатом которого стала Международная практиче-
ская температурная шкала 1948 г, (МПТШ-48).
Отличие этой шкалы от МТШ-27 заключалось в
следующем: нижний предел области применения пла-
тиновых термометров сопротивления был ограничен
точкой кипения кислорода ( 182,97 °C) вместо —
190 °C, а точка стыковки участков шкал, определяе-
мых термометрами сопротивления и термопарой, бы-
ла перенесена с 660 °C в точку затвердевания сурьмы
(около 630 °C); было уточнено значение точки затвер-
девания серебра, которое принято равным 960,8 °C
вместо 960,5 “С, точка затвердевания золота замени-
ла точку плавления золота (1063 °C); закон излучения
Планка заменил закон Вина; было принято новое зна-
чение второй константы излучения, которое стало
равным 0,01438 мК вместо 0,01432 мК; были измене-
ны допустимые для эталонных термометров сопро-
тивления и термопар пределы изменения значений
коэффициентов в интерполяционных уравнениях; ог-
раничение, накладываемое на у для оптической пи-
рометрии (A.T<3-10'3mK), было заменено требованием
использовать „видимое" излучение.
Исправленная редакция МПТШ 48 была принята
в 1960 г. 11-й Генеральной Конференцией по мерам и
весам, после того как 10-й Генеральной Конференци-
ей уже была принята тройная точка воды как единст-
венная точка, определяющая размер единицы термо-
динамической температуры — кельвина. В наимено-
вании шкалы было введено слово „практическая".
Численные значения температур в МПТШ-48 оста-
лись такими же, как в МТШ-48.
В 1968 г. Международный Комитет мер и весов
ввел Международную практическую температурную
шкалу 1968 г. (МПТШ-68).
В МПТШ-68 внесены многочисленные и сущест-
венные изменения по сравнению с МПТШ-48. В част-
ности, она включает в себя изменения численных зна-
чений температур, приближающие их к термодина-
мическим температурам.
В области низких температур шкала была продле-
на до 13,8 К. Было введено шесть новых реперных то-
чек шкалы. Интерполяционные уравнения для плати-
нового термометра значительно усложнились. Значе-
ние второй константы излучения С? было установлено
равным 1,4388 10 ’м К.
В 1976 г. была принята Временная температурная
шкала ВТШ-76. Целью введения шкалы была необхо-
димость значительного снижения погрешностей шка-
лы МПТШ-68 относительно термодинамической шка
лы в области температур ниже 27 К, а также с целью
обеспечения возможности измерений температуры
ниже 13,81 К, вплоть до 0,5 К.
В 1989 г. Международным комитетом мер и весов
была принята Международная температурная шкала
1990 г. (МТШ-90). Эта шкала заменила Международ-
ную температурную шкалу 1968 г. и Временную тем
пературную шкалу 1976 г.
В России первые метрологические работы по тер-
мометрии были начаты в 1886 г., когда ученый храни-
тель Депо образцовых мер и весов профессор В.С. Глу-
хов приобрел во Франции ртутный термометр № 4532.
Этот термометр, являвшийся первым эталоном едини-
цы температуры в России, был изучен в 1887 г. в Меж-
дународном бюро мер и весов.
В 1894 г. у фирмы Тблац в Париже был приобретен
водородный термометр, имевший конструкцию, при-
нятую в Международном бюро мер и весоь.
В Главной палате мер и весов было организовано
термометрическое отделение, развившееся затем в
термометрическую лабораторию.
В 1912 г. от Кембриджского общества научных при-
боров были получены шесть платиновых термомет-
ров сопротивления, два из которых после изучения
были приняты в 1924 г. в качестве эталонных.
В 1927 г., когда на 7-й Генеральной конференции
по мерам и весам была принята Международная тем-
пературная шкала (МТШ 27), в которой было приня-
то измерение температур выше точки затвердевания
золота на основании законов излучения абсолютно
черного тела, академикАН СССРА.А. Байков органи-
зовал в Главной палате мер и весов термометрическую
лабораторию высоких температур с целью обеспече-
ния потребностей металлургии.
В 1940 г. руководителем термометрической лабо-
раторией В.И. Парвицким было завершено создание
группового эталона единицы температуры в диапазо-
не от 630 до 1063 °C, состоящего из нескольких пла-
тинородий-платиновых термопар.
В период с 1933 по 1940 гг. под руководством проф.
В.Н. Божовского и В.И. Парвицкого были выполнены
работы по осуществлению Международной темпера-
турной шкалы в диапазоне температур выше точки за-
твердевания золота.
После образования в 1937 г. Консультативного ко-
митета по термометрии (ККТ) термометрическая ла-
боратория 1лавной Палаты мер и весов (позже Всесо-
юзного научно-исследовательского института мет роло-
гии им. Д.И. Менделеева) наряд}' с метрологическими
институтами других крупнейших стран активно участ
вуст в совершенствовании международных темпера-
турных шкал и системы обеспечения единства изме
рений температуры.
Представителем СССР на первой сессии ККТ был
проф. Г.М. Кондратьев, внесший значительный вклад
в развитие отечественной термометрии. Он первым
разработал теорию тепловой инерции термометров,
ввел понятие постоянной тепловой инерции.
В последующие годы под руководством и при уча-
стии известных советских метрологов Г.М. Кондрать-
ева, АН. Гордова, И.И. Киренкова была разработана
и создана аппаратура, воспроизводящая температур
ную шкалу МТШ-48 (а затем — МПТШ-48, МПТШ-68)
по тепловому излучению абсолютно черно! о тела в ви-
димой области спектра в реперной точке золота, а так-
же ряд прецизионных методов и средств эталонного
назначения в области радиационных измерений тем-
пературы и метрологического обеспечения этих изме-
рений в отечественной промышленности.
В 1950-1960 гг. во ВНИИМ при участии К.С. Из-
раилова, А.Н. Гордова и И.И. Киренкова был создан
газовый термометр и проведены измерения термоди-
намической температуры затвердевания цинка и зо-
лота, результаты которых были учтены при подготов-
ке шкалы МПТШ-68.
428 ""
Значительный вклад в повышение точности по-
строения температурной шкалы в 1955-1960 гг. внесен
работами Б.И. Пилипчука и Ф.З. Алиевой по созданию
высоко-температурных платиновых термометров со-
противления (ВТС) взамен платинородий-платиновых
термопар.
Начиная с 1956 г., во ВНИИМ проводятся работы
по переходу от визуального метода воспроизведения
температурной шкалы на фотоэлектрический метод.
В Харьковском ГНИИМ впервые в мире были разра-
ботаны несколько типов фотоэлектрических спектро-
компараторов на основе нулевого модуляционного ме-
тода.
Термометрическая лаборатория ВНИИМ в 1975-
1980 гг. под руководством Б.Н. Олейника одна из пер-
вых провела исследование воспроизводимости новых
реперных точек для будущей шкалы (МТШ-90): точек
затвердевания индия и плавления галлия и подтвер-
дила целесообразность их введения в шкалу.
В 1980-е гг. в рамках подготовки новой темпера тур-
ной шкалы ВНИИМ участвовал в международных сли-
чениях новых реперных точек, а также в международ-
ных работах по оценке неединственности шкалы
МПТШ-68.
Работы термометрической лаборатории ВНИИМ
по исследованию влияния методики реализации ре-
перных точек на характер фазовых переходов и зна-
чения их температур нашли отражение в международ-
ном нормативном документе, регламентирующем их
практическое воспроизведение.
В лаборатории под руководством А.И. Походуна
были продолжены работы по совершенствованию и
исследованию ВТС для измерения температуры до
точки затвердевания золота. Совместное исследова-
ние таких термометров в НИСТ (США) в 90-х гг. под-
твердили их высокую стабильность. В настоящее вре-
мя эти ВТС востребованы на мировом рынке, нацио-
нальных эталонных лабораториях. В лаборатории
также разработана конструкция отечественного эта-
лонного 25-Омного платинового термометра сопро-
тивления.
В последние годы выполнены поисковые и научно-
исследовательские работы, позволяющие сопостав-
лять реализацию шкалы контактными и неконтактны-
ми методами. Для этого в лаборатории разработана
принципиально новая конструкция термометров, тер-
мочувствительный элемент которых совмещен с ми-
ниатюрной моделью черного тела, и платинородиевых
термопар, у которых один из электродов выполнен в
виде излучающей полости. Результаты исследований
этих приборов совместно с Институтом Метрологии
им. Дж. Колонетти (Италия) и Национальным метро-
логическим институтом Франции показали возмож-
ность их использования в качестве интерполирующих
приборов и средств передачи части температурной
шкалы, что позволит повысить в 5-10 раз, по сравне-
нию с МТШ-90, воспроизводимость международной
температурной шкалы.
В настоящее время ведутся работы по совершен-
ствованию методики реализации международной тем-
пературной шкалы МТШ-90 и по определению источ-
ников и количественной оценке неопределенности ее
воспроизведения.
Государственный первичный эталон
единицы температуры для диапазона
выше 0 °C, ГЭТ 34-92
Диапазон температур от 0 до 961,78 °C
Принцип действия
Государственный первичный эталон единицы тем-
пературы осуществляет практическую реализацию ме-
ждународной температурной шкалы МТШ-90 в соот-
ветствии с ее определением.
В соответствии с МТШ-90 единицей основной фи-
зической величины термодинамической температуры
является кельвин, символ К, определенный как 1/
273,16 часть термодинамической температуры трой-
ной точки воды. Принимая во внимание способ опре-
деления предшествующих температурных шкал, сохра-
нена практика выражения температуры в виде разно-
сти ее значения относительно температуры 273,15 К
— точки плавления льда.
Выраженная таким образом термодинамическая
температура f известна как температура Цельсия,
символ и определяется как
Т/°С = Т/К- 273,15.
Единицей температуры Цельсия является градус
Цельсия, символ °C, размер которого равен кельвину
по определению. Разность температур может быть вы-
ражена в кельвинах или градусах Цельсия.
В Международной температурной шкале 1990 г. ис-
пользуются как международные температуры Кельви-
на, символ Тж, так и международные температуры
Цельсия, символ tgg. Соотношение между и та-
кое же, как между у и t, т.е.
«9o/°C=T9O/K-27M5.
МТШ-90 охватывает область от 0,65 К до наивыс-
шей температуры практически доступной измерению
в соответствии с законом излучения Планка для мо-
нохроматического излучения.
МТШ-90 включает в себя ряд диапазонов и поддиа-
пазонов, в каждом из которых установлено свое опре-
деление температуры Тж. Некоторые из этих диапа-
зонов и поддиапазонов перекрываются и там, где име-
ет место такое перекрытие, существуют различные
определения Т,м , причем эти определения эквивалент-
ны, и ни одно из них не является предпочтительным.
При очень точных измерениях могут быть обнаруже-
ны расхождения между результатами измерений, вы-
полненных при одной и той же температуре, но в со-
ответствии с различными определениями Tw .
МТШ-90 построена таким образом, чтобы во всем
диапазоне температур численные значения Тж мини-
мально отличались от наиболее точных значений тер-
модинамической температуры.
В диапазоне температур от тройной точки равно-
весного водорода (13,8033 К) до точки затвердевания
серебра (961,78 °C) температура определяется
платиновым термометром сопротивления, градуиро-
ванным в установленных группах реперных точек.
============= 429
Для интерполяции используются стандартные функ-
ции и функции отклонения.
Температура определяется с помощью отношения
сопротивления термометра Т^Т^) при температуре
Тч0 к его сопротивлению R (273,16 К) в тройной точ-
ке воды.
ГГ(Т9О)=7?(Г9О)/й(273,16К).
Хороший термометр сопротивления должен быть
изготовлен из чистой платины, свободной от всех на-
пряжений и удовлетворять, по крайне мере, одному
из двух соотношений:
W(29,7646°C)> 1,11807,
W(- 38,8344 °С)> 0,844235.
Для термометра, пригодного для работы до точки
затвердевания серебра, кроме того, должно выпол-
няться условие:
И'(961,78 °С)> 4,2844.
Температуру Тж вычисляют исходя из соответст-
вующих стандартных функций И’/Тэд) и отклонений
ДТТ(Т90)=1Т(Т90)-И;(Г9()). Функция AWfe) учитыва-
ет индивидуальные свойства каждого конкретного
термометра и отклонения его функции преобразова-
ния от ТТДТ'эо).
Таким образом температура рассчитывается из со-
отношения:
^(тда)= Wr(T90)+AW(7'90).
В реперных точках значения этого отклонения по-
лучают непосредственно при градуировке термомет-
ра, а при промежуточных температурах — из соответ-
ствующих функций отклонения.
В области от 13,8033 К до 273,16 К установлена сле-
дующая стандартная функция:
12
InkCTgo )]= Д) + £ ДфпСг^о/278,16 К)+1,5^1,5} ,
i=i
Aq , Aj — известные константы.
Термометр может быть отградуирован для исполь-
зования либо во всем температурном диапазоне, либо
при использовании для градуировки все меньшего
количества реперных точек для поддиапазонов с ниж-
ней границей 24,5561 К, 543584 К или 83,8058 К и верх-
ней — 273,16 К, одинаковой для всех этих областей.
Для диапазона от 0 до 961,78 °C установлена сле-
дующая стандартная функция:
^(7-^)=с0+1 J.
Термометр может быть отградуирован для исполь-
зования либо во всем температурном диапазоне, ли-
бо используя меньшее количество реперных точек в
поддиапазонах от 0 до 660,323 °C; от 0 до 419,527 °C;
от 0 до 231,928 °C; от 0 до 156,5985 °C или от 0 до
29,7646 °C.
В диапазоне температур от 0 до 961,78 °C функция
отклонения имеет вид:
A W (7^ )= -Wr (Т^ )- Wr (Тж )= a[Wr (Тж )- 1]+ b[w^
В соответствии с определением МТШ-90 Государ-
ственный первичный эталон единицы температуры
содержит два комплекта платиновых термометров со-
противления, комплекс аппаратуры для реализации
реперных точек и прецизионное средство измерения
сопротивления термометров.
Чувствительный элемент платинового термомет-
ра сопротивления представляет собой резистор, из-
готовленный из чистой платины в виде двойной спи-
рали, расположенной на поверхностях геликоида, сде-
ланного из кварцевой пластины. Резистор имеет две
пары выводов из платиновой проволоки.
Чувствительный элемент и его выводы помещены
в кварцевую пробирку длиной от 500 до 700 мм. Про-
бирка герметично закрыта и заполнена внутри сухим
воздухом или инертным газом с добавлением кислоро-
да. В верхней части платиновый термометр сопротив-
ления имеет головку, в которой платиновые выводы
соединены с медным проводом, используемым для под-
ключения термометра к прибору, измеряющему его со-
противление.
Для разных диапазонов температур используются
термометры, отличающиеся между собой конструкци-
ей.
Для диапазона температур от 0 до 660 °C номиналь-
ное значение сопротивления термометра в тройной
точке воды составляет 25,5 Ом.
Для диапазона температур выше 660 °C номиналь-
ное значение сопротивления термометров в тройной
точки воды может быть от 0,2 до 5,0 Ом.
В качестве реперных точек Международной темпе-
ратурной шкалы МТШ-90 используются температуры
фазового равновесия чистых веществ. В диапазоне тем-
ператур выше 0 °C реперными точками являются:
тройная точка воды — 273,16 К (0,01 °C);
температура плавления галлия — 302,9146 К
(29,7646 °C);
температура затвердевания индия — 429,7485 К
(156,5985 °C);
температура затвердевания олова — 505,078 К
(231,928 °C);
температура затвердевания цинка — 692,677 К
(419,527 °C);
температура затвердевания алюминия — 933,473 К
(660,323 °C);
температура затвердевания серебра — 1234,93 К
(961,78 °C);
точка затвердевания золота — 1337,33 К
(1064,18 °C);
точка затвердевания меди—1357,77 К (1084,62 °C).
Под температурой тройной точки воды понима-
ется температура равновесия между твердой, жидкой
фазами и паром.
Под температурой плавления или затвердевания
понимается температура равновесия жидкой и твер-
дой фаз металла при давлении 101325 Па.
Комплекс аппаратуры эталона, используемого для
реализации температур реперных точек МТШ-90, пред-
ставляет собой набор шахтных печей, в рабочем про-
странстве которых помещены ампулы, содержащие пе-
речисленные выше металлы, чистота которых должна
быть не хуже 99,9999 %.
)-1J + c[lVr (7^ )- If + d [lVr (Тя,)- W (660,323 °C )}
430
В рабочем объеме печей обеспечивается высокая
однородность температурного поля, что достигается
использованием тепловых труб или нескольких нагре-
вательных элементов.
Ампулы представляют собой кварцевые сосуды, в
которых помещены тигли из особо плотного графи-
та высокой чистоты. В тиглях находятся металлы, ис-
пользуемые для воспроизведения температур репер-
ных точек. Ампулы герметично закрыты и соедине-
ны системой подачи инертного газа и регулирования
его давления.
Печи имеют систему регулирования температуры,
которая обеспечивает равномерность температурно-
го поля и последовательность режимов, необходимых
для получения требуемого фазового равновесия при
реализации температур реперных точек.
Аппаратура, используемая для измерения сопро-
тивления, представляет собой мосты переменного и
постоянного тока.
Основные метрологические характеристики в диа-
пазоне температур от 0 до 961,78 °C:
неисключенная составляющая систематической
погрешности: от 0,00005 до 0,002 К;
среднее квадратическое отклонение: от 0,00005 до
0,002 К.
Диапазон температур выше 961,78 °C
Принцип действия
Воспроизведение единицы температуры осущест-
вляется в соответствии с определением Международ-
ной температурной шкалы МТШ-90 из уравнения:
_ ехР (сг 1) ']
А (?90 )) еХР (с2 [^90 Г1)
где Tgo(X) может относиться к любой из трех то-
чек затвердевания серебра [79o(Ag)=1234,93 К], золо-
та [79o(Au)=1337,33K] или меди [7'<ю(СМ)=1357,77 К];
•^лСТэо) и ^(ТдоОО) — спектральные плотности энер-
гетического параметра излучения черного тела для
длины волны (в вакууме) Л при температурах Т<& и
Гдо(Х), соответственно, и о, =0,014388 м-К.
Черное тело для реализации вышеуказанных точек
затвердевания (реперных точек температурной шка-
лы) выполнено в виде модели, представляющей собой
цилиндрическую полость в графитовом тигле, окру-
женную расплавляемым металлом. Тигель помещает-
ся в трубчатую печь, в которой пропусканием электри-
ческого тока через каждую из трех ее обмоток создает-
ся стационарное однородное температурное поле со
значением температуры, необходимым для расплавле-
ния находящегося в тигле металла. После уменьшения
подводимой к печи мощности начинается процесс ос-
тывания расплава и его последующего затвердевания.
В результате выделения скрытой теплоты плавления
температура расплава, а при достаточно медленном
процессе — и температура полости модели черного те-
ла (МЧТ) стабилизируется и остается постоянной, по-
ка не закончится процесс кристаллизации расплава. В
это время и происходит факт воспроизведения темпе-
ратуры реперной точки, а яркость излучения МЧТ
сравнивается с яркостью другой меры температуры —
вольфрамовой ленточной лампы (температурной лам-
пы), являющейся мерой хранения единицы темпера-
туры. Параметром, характеризующим достижение
лентой лампы хранимой температуры, является про-
пускаемая через нее сила тока. В процессе метрологи-
ческого обеспечения проводится периодическое срав-
нение МЧТ и меры хранения.
Кроме МЧТ, печи для реализации реперных точек
МТШ-90, устройств для регулирования, контроля тем-
пературы и ее распределения вдоль жаровой трубы
печи, ГПЭ единицы температуры в диапазоне выше
962 °C включает в себя компаратор на основе моно-
хроматического спектропирометра, оснащенного
зеркальным вибрационным модулятором, который в
процессе работы поочередно направляет на входную
щель монохроматора сформированные соответствую-
щей оптической системой два изображения: эталон-
ного излучателя и вспомогательной лампы сравнения,
являющейся временной мерой единицы температуры;
лампы сравнения на следующем этапе служит исход-
ной мерой для передачи единицы температуры посто-
янной мере хранения единицы температуры. То есть
сравнение яркостей проводится методом замещения
с временным хранением измеряемого значения на
вспомогательном источнике излучения.
Схема компаратора приведена на рис. 1.
Прибор имеет два симметричных оптических ка-
нала. Изображения сравниваемых излучателей 1 лин-
зовыми объективами 2 фокусируются в плоскостях диа-
фрагм 3, где предварительно задерживается излучение
от периферийных излучающих участков. Выделенные
излучения с помощью объективов 4 и призмы 5 направ-
ляются на зеркало 6 струнного модулятора 7, с кото-
рого зеркалом 8 и объективом 9 проецируются на
входную щель двойного призменного монохроматора
10 поочередно с частотой модуляции (около 1 кГц). По-
ложение изображений сравниваемых источников ви-
зируется с помощью микроскопа 11. Замещение одно-
го потока другим осуществляется модулятором таким
образом, что при равных яркостях изображений ис-
точников суммарный поток, попадающий на прием-
ник излучения 12, остается постоянным, а при нерав-
ных — имеет переменную составляющую с частотой
модуляции. Равенство яркостей констатируется нуль-
индикатором 13 после синхронного детектора 14 и
селективного усилителя 15 по минимуму переменной
составляющей фототока на частоте модуляции, зада-
ваемой генератором 16. В качестве приемника излуче-
ния применен фотоэлектронный фотоумножитель
ФЭУ-84-6 (для сравнения яркостей в области длин волн
видимого участка спектра) или кремниевый фотоди-
од специальной конструкции (для ближнего инфра-
красного участка спектра).
Для экстраполяции шкалы в сторону более высо-
ких температур в составе ГПЭ имеется зеркальный
экстраполятор, позволяющий имитировать вспомо-
гательные источники, яркость которых L, связана с
яркостью МЧТ Lg формулой:
А =А> 2*,
где г = ±(0,1,2,3...).
431
1
2
3
4
Рис 1 Схема спектрального пирометрического
компаратора СП-4КМ
1 — сравниваемый излучатель;
2 — линзовые объективы;
3—диафрагма; 4 — объектив;
5 — призма; 6 — модуляционное зеркало:
7 — струнный модулятор;
8 — зеркало; 9 — объектив;
10 — двойной монохроматор;
11 — микроскоп; 12 — приемник излучения;
13 — нуль-индикатор; 14 — синхронный детектор;
15 — селективный усилитель; 16 — генератор
входное
отверстие
Рис. 2. Принципиальная
схема экстраполятора
1 — температурная лампа;
2 — объектив с диафрагмой;
3, 7 — заслонки;
4, 8 — полупрозрачные
зеркала;
5, 9 — компенсаторы;
6, 10 —зеркала
выходное
отверстие
Схема экстраполятора приведена на рис. 2.
Также в состав ГПЭ входят устройства для стаби-
лизации, регулирования, контроля и измерения силы
тока в цепи температурных ламп, с которыми прово-
дятся операции в процессе воспроизведения едини-
цы температуры и в процессе последующей экстрапо-
ляции шкалы.
Метрологические характеристики ГПЭ:
Температура, °C НСП, °C СКО, °C
961,78 0,1 0,15
2500 0,3 1,4
Предыстория создания и
совершенствования
1950-е гг. Гордое А.Н. — основные принципиаль-
ные моменты конструкции, реализующей данный ме-
тод измерений.
1960-е гг. Киренков И.И. — детальная разработка
конструкции и теоретические оценки составляющих
погрешности. Реализация точки затвердевания золота.
1970-е гг. Крахмальникова Г.А. — эксперименталь-
ные исследования метрологических характеристик
аппаратуры для воспроизведения реперной точки зо-
лота; отбор, исследование и калибровка температур-
ных ламп для создания мер хранения единицы темпе-
ратуры. Реализация точки затвердевания платины.
1980-е гг. Жагулло О.М. — отбор и исследование
температурных ламп для создания группового этало-
на СЭВ. Проведение сличений со странами СЭВ.
1990-е гг. Походун А.И., Матвеев М.С. — модерни-
зация аппаратуры ГПЭ. Реализация точек затвердева-
ния серебра и меди. Разработка и исследование поло-
стных термометров сопротивления, проведение сли-
чений контактного и бесконтактного методов в
диапазоне 962-1085 °C с помощью полостного термо-
метра, проведение сличений с лабораториями стран
СЭВ, с НФЛ (Англия), ключевых сличений ККТ, раз-
работка и исследование полостных палладий-плати-
новых и платинородий-платинородиевых термопар в
диапазоне температур 800-1600 °C,
Номер ГПЭ по Госреестру — ГЭТ 34-92.
Назначение и области применения
ГПЭ единицы температуры обеспечивает как реа-
лизацию температурной шкалы МТШ-90, ее передачу
соподчиненным по ГОСТ 8.553.93 эталонным средст-
вам измерений с наивысшей точностью и близостью к
термодинамической температуре, так реализацию и
единство измерений температуры неконтактными ме-
тодами — радиационными термометрами, которые
весьма широко применяются в металлургии, машино-
строении, сырьедобывающей промышленности, энер-
гетике, строительстве, авиационной технике и др.
Все более широкое применение получает термо-
метрия в технологических процессах: контроль тем-
пературы деталей и узлов агрегатов в авиационной,
космической, автомобильной, станкостроительной
промышленности. Расширяются области применения
радиационных термометров для дистанционных из-
мерений температуры с космических летательных ап-
паратов, обеспечивая мониторинг тепловых полей с
целью получения информации об экологическом со-
стоянии крупномасштабных объектов, энергопотерях
и тепловом загрязнении окружающей среды.
Очень актуально внедрение неконтактных мето-
дов измерения температуры в энергетической про-
мышленности. Повышение точности измерений тем-
пературы в теплотурбинных системах в 2-3 раза при-
водит к повышению КПД на 8-25 %, и, как результат,
при широком внедрении — экономия мощности до не-
скольких сотен гигаватт.
Общее число применяемых термометров в России
— более 200 миллионов.
Метрологическое обеспечение радиационной тер-
мометрии осуществляется через 6 территориальных
органов Госстандарта, оснащенных рабочими этало-
нами, периодическая поверка которых проводится во
ВНИИМ.
Основные научные результаты
ГПЭ единицы температуры в течение всего време-
ни своего существования являлся эпицентром наибо-
лее значимых исследований в СССР и странах СЭВ (а
затем и поныне — в России и странах СНГ), имеющих
целью воспроизведение и передачу с наивысшей точ-
ностью размера единицы температуры и всей темпе-
ратурной шкалы национальным эталонам стран СЭВ
(в ныне — большинству стран СНГ) и региональным
метрологическим центрам СССР (в ныне — России).
В результате исследований, проводившихся на ап-
паратуре ГПЭ, были с высокой достоверностью уста-
новлены метрологические характеристики множест-
ва типов и конкретных экземпляров средств измере-
ния температуры, разработаны методические правила
и рекомендации, конструкции поверочных установок
и измерительных приборов. Обеспечено оснащение
комплектных лабораторий ЦСМ Госстандарта СССР,
ведомственных приборостроительных организаций.
В последние десятилетия разработаны новые при-
боры, позволившие не только повысить на порядок
точность измерений, но и обеспечить возможность
контроля метрологических характеристик средств из-
мерений температуры и технологических процессов
непосредственно на промышленных объектах.
В частности, следует отметить разработку и ши-
рокое внедрение для прецизионных измерений тем-
пературы платиновых термометров сопротивления
до 660 °C и высокотемпературных термометров высо-
кой стабильности до 1085 °C.
Созданные во ВНИИМ прецизионные термоста-
тирующие установки, укомплектованные ампулами с
чистыми металлами и эвтектиками, представляют со-
бой переносные малогабаритные эталоны, которые
используются не только в лабораторных условиях, но
и на производстве.
Температурные лампы, в течение более чем двух де-
сятилетий в массовых количествах выпускавшиеся в
СССР, были созданы на основе многочисленных дли-
тельных исследований макетов и опытных образцов,
разработанных и изготовленных в лаборатории высо-
ких температур ВНИИМ. Эти приборы составили 80 %
всего парка образцовых СИ, участвующих в повероч-
ной службе и обеспечили единство измерений темпе-
ратуры на всех уровнях поверочной схемы от ГПЭ до
рабочих СИ, успешно конкурируя с зарубежными ана-
логами.
433
В последние годы разработаны, созданы и иссле-
дованы универсальные меры температуры, представ-
ляющие малогабаритные модели черного тела, объе-
диненные с контактными преобразователями темпера-
туры в виде платинового термометра сопротивления
или трех термопар (палладий-платиновых или плати-
нородий-платинородиевых). Исследования показали
перспективность применения таких мер вместо тем-
пературных ламп в диапазоне 800-1600 °C, при этом
не используются шкалы „условных температур" и обес-
печивается снижение погрешности передачи темпера-
турной шкалы в 1,5-2 раза. Проведенные совместно с
Институтом Метрологии им. Дж. Колонетти (Италия)
и Национальным Институтом Метрологии (Франция)
измерения, подтвердили результаты, полученные во
ВНИИМ на ГЭТ 34-92.
Уникальность и преимущества
ГПЭ единицы температуры является уникальным
комплексом аппаратуры, позволяющим с наиболее вы-
сокой точностью воспроизводить и передавать раз-
мер единицы температуры в точках фазового перехо-
да — реперных точках МТШ-90, осуществлять интер-
поляцию и экстраполяцию значений температуры как
вниз от любой из реперных точек, так и вверх, вплоть
до температур 2500-2800 °C, при использовании пла-
тиновых термометров сопротивления, термоэлектри-
ческих термометров, вольфрамовых ленточных ламп
и других многозначных мер температуры, имеющих
необходимые метрологические характеристики (вос-
производимость и стабильность) в заданном диапазо-
не температур.
В области неконтактных измерений аппаратура
ГПЭ позволяет проводить сличения двух мер темпе-
ратуры или других источников теплового излучения
по спектру в диапазоне длин волн от 300 до 2000 нм,
позволяя определять спектральные радиационные ха-
рактеристики как в относительных, так и в абсолют-
ных единицах (температуры, спектральной плотно-
сти энергетической яркости и т.п.). Возможны иссле-
дования приемников излучения в части спектральных
характеристик для указанной области спектра. Нали-
чие методической и расчетной базы позволяет на ее
основе проводить расчеты характеристик излучате-
лей и приемников, температурных полей, оценивать
метрологические параметры и необходимые коррек-
тирующие факторы и с высокой достоверностью вы-
полнять калибровку СИ различных метрологических
уровней и принципа действия.
Международное сотрудничество
ВНИИМ является членом Консультативных коми-
тетов по термометрии, по фотометрии и радиомет-
рии Международного комитета по мерам и весам, а
также Технических комитетов Международной орга-
низации законодательной метрологии. Активно уча-
ствует в организации и проведении международных
сличений температурных шкал.
На протяжении многих лет ВНИИМ активно со-
трудничает в области термометрии со многими нацио-
нальными метрологическими институтами мира:
НИСТ (США), НФЛ (Англия), ИНМ (Франция), ИМК
(Италия), ПТБ (ФРГ). С 1997 г. ВНИИМ принял уча-
стие в ключевых сличениях, организованных Между-
народным комитетом по мерам и весам между более
чем 14 национальными лабораториями. На основа-
нии предварительных результатов сличений можно
утверждать, что ГПЭ кельвина находится на уровне
лучших национальных лабораторий.
ГПЭ единицы температуры постоянно осуществ-
ляет контакты с ведущими метрологическими лабо-
раториями мира. В период существования СЭВ един-
ство и точность измерений поддерживалась путем по-
стоянных сличений эталонов стран-участниц под
руководством СССР и ГДР. Аппаратура и методология
этих двух стран была положена в основу группового
эталона СЭВ, посредством которого проводилась ка-
либровка национальных эталонных средств других
стран-членов СЭВ.
В 1993-1995 гг. проведены сличения с эталоном На-
циональной Физической Лабораторией (Великобрита-
ния). По результатам сличений расхождения состави-
ли 0,3-0,8 ст, где ст — оценка суммарной погрешности
измерений двумя лабораториями.
В настоящее время лаборатория термодинамики
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева поддерживает постоян-
ные контакты в области радиационной термометрии
с национальными метрологическими лабораториями
Великобритании, Германии, Италии, Словакии, Фран-
ции как на уровне двустороннего сотрудничества, так
и в рамках конкретных вопросов, дискуссий и обме-
на мнениями между специалистами, участия и публи-
каций в международных конференциях.
Литература:
1. ПарицкийВ.И. Экстраполяция температур от точки
плавления золота при помощи оптического пирометра и ус-
тановления шкалы высоких температур от 1063 до 3000 °C /
/ Сб. трудов ВНИИМ. Исследования в области тепловых из-
мерений. — М.-Л.: Стандартгиз, 1941. — вып. 2(47).
2. Кондратьев Г.М. Об основных положениях теории ре-
гулярного режима. О тепловой инерции эталонных платино-
вых термометров сопротивления // Труды ВННИМ. — Л.,
1947.-вып. 4(59)
3. Гордое А.Н. О точности воспроизведения термодина-
мической шкалы температур в области выше 1063 °C // Сб.
трудов ВНИИМ. Исследования в области тепловых измере-
ний. — М.-Л.: Стандартгиз, 1949. — вып. 5(65).
4. Piliptchouk B.I. Les Thermometers a resistance de platine
dance le domaine de 0 a 1063 (С. CCT, 1954, Doc. T17.
5. Боярский Л.А., ГордовА.Н., Иосельсон Г.Л., Канды-
ба В.В., Киренков И.И., Ковалевский В.А., Крахмальни-
кова ГА, Тараянц К.Г. Применение фотоэлектрического ме-
тода для точных работ в области оптической пирометрии.
Сообщения НИИ Комитета ККТ // Труды ВНИИМ. — М.-Л.:
Стандартгиз, 1958. — вып. 36(96).
6. Kirenkov I.I., GordovA.N., Israilov K.S., Diykov U.V.
Measurements of Thermodynamic Temperatures by a Gas
Thermometer. Temperature, it’s measurement and Control in
Science and Industry. [TMCSI] v. 3, p. 1. 1962, p. 147-150, New
York.
7. Киренков И.И., Крахмальникова ГА. Спектропиромет-
рическая установка для построения температурной шкалы фо-
тоэлектрическим методом // Сб. трудов ВНИИМ. Исследо-
вания в области тепловых измерений. — М.-Л.: Стандартгиз,
1963.-вып. 7(131).
8. Алиева Ф.З. Новый платиновый термометр сопротив-
ления для измерения высоких температур // Измеритель-
ная техника. — 1964. — №6. — С. 21-22.
434
9. Киренков И.И., Крахмальникова Г.А. Государственный
первичный эталон единицы температуры — кельвина в диа-
пазоне 1337-2800 К // Измерительная техника. — 1973. —
№ 4.
10. Oleinik B.N., IvanovaA.G., Zamkovets VA., ErgartN.N.
Realization of the melting point of gallium. [TMCSI], 1982, v. 5,
p. 317-320.
11. Олейник Б.Н. Первичные и вторичные эталоны еди-
ницы термодинамической температуры по МПТШ-68 и по
ТТШ в области пирометрии. Методы и средства оптической
пирометрии. — М.: Наука, 1983.
12. Oleinik В.N., IvanovaA.G, Dvinianinov М.М.,
Zamkovets V.A. Realization of the indium freezing point. 1984,
CCT, 15e Session Doc. CCT/84-1.
13. IvanovaA.G., Pokhodun A.I. Realization of the freezing
point of indium. [TMCSI], 1992,v. 6, p.311-314.
14. Strouse G.F., Mangum B.W., Pokhodun A.I., Moiseeva N.P.
Investigation of HTPRTs at temperatures up to 962 (C, and, in
some cases, 1064(C. TMCSI, 1992, v. 6, p. 389-395.
15. AlexandrovU.I., IvanovaA.G., Pokhodun Al. On the
definition of Freezing Point in the ITS-90. Metrologia, 1993, 30,
p. 49-52.
16. Pokhodun A.I., Moiseeva N.P., Kovalev A.V.,
Khovanskaya E.V. Investigation of the characteristics of a HTPRT
up to the gold point. Measurement, 1993, v. 11, p. 309-318.
17. Походун А.И., Матвеев M.C., Моисеева Н.П. Стандарт-
ная функция платинового термометра сопротивления при
температуре выше точки затвердевания серебра // Измери-
тельная техника. — 1993. — № 9. — С. 39-42.
18. Походун А.И., Матвеев М.С., Сильд Ю.А. Новая мера
эталонного назначения для интерполяции и передачи тем-
пературной шкалы в диапазоне 800-1600 ?С // Измеритель-
ная техника. — 2000. — № 10. — С. 45-48.
А.И. Походун, М.С. Матвеев, А.Г. Иванова
435
Калориметрия
Калориметрия (от лат. слова calor— тепло и греч.
ретреаэ — измеряю) - совокупность методов измере-
ния тепловых эффектов, сопровождающих различ-
ные физические, химические и биологические про-
цессы. По классификации по видам измерений кало-
риметрию относят к теплофизическим измерениям.
По научному содержанию — к экспериментальной тер-
модинамике.
Измеряемыми величинами в калориметрии явля-
ются определенные виды энергии, в частности такая фор-
ма ее проявления как теплота, а также такое связан-
ное с энергией свойство как теплоемкость.
Единицей измерения количества теплоты до вве-
дения с 01.01.1963 г. международной системы единиц
(СИ) была калория. Обозначение: русское кал, между-
народное — caL
Название калория (термин Caloricum, le calarique),
введен впервые, по-видимому, А.Л. Лавуазье (1743-
1794 гг.), имеет свои исторические корни в теории те-
плорода — особой невесомой материи, входящей в со-
став каждого тела и обусловливающей теплоту тел, —
и в близкой к ней теории флогистона (от греч.
phlogistos — горючий).
Эта единица неразрывно связана с теплоемкостью
воды и определялась по уравнению Qp - т Cp(t2 - ),
поэтому ее размер зависел от выбора единицы массы
и температуры, а также от температурного интерва-
ла. Отсюда все разнообразие калорий: 0-, 15-, 20-, 25-
градусная; средняя, термохимическая.
Так „пятнадцатиградусная" калория ранее наибо-
лее часто употреблявшаяся, представляет количест-
во теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды при
давлении в 1 атм. от 14,5 °C до 15,5 °C.
В Великобритании и США использовалась т.н. бри-
танская тепловая единица (Btu), представляющая 1/
180 часть энергии, необходимой для подъема темпе-
ратуры 1 фунта воды от 32 °F до 212 °F при атмосфер-
ном давлении. Имеется еще ряд вариантов определе-
ния „британской тепловой единицы", зависящих от
температуры, при которой происходит измерение те-
плоемкости воды.
Энергия, характеризуемая как способность совер-
шать действие, проявляется во многих формах, из ко-
торых теплота является одной из главных. Однако ра-
нее, когда первоначально устанавливали основные
единицы энергии, не признавалась связь между меха-
ническими единицами энергии и калорией. Закон со-
хранения механической энергии был установлен
Г.В. Лейбницем (1646-1716 гг.) еще в 1686 г. М.В. Ло-
моносов (1711-1765 гг.), выдвинув в 1744—1748 гг. ки-
нетическую теорию тепла, внес значительный вклад
в осознание того факта, что теплота является одной
из форм энергии. Б. Томпсон (граф Румфорд) (1753-
1814 гг.) в 1798 г. провел экспериментальное доказа-
тельство того, что теплота не является особого рода
веществом (теплородом). Только в середине XIX в.
трудами Ю.Р. Майера (1842 г.), Д.П. Джоуля (1843-
1850 гг.) и Г.Л. Гельмгольца (1847 г.) был открыт закон
сохранения энергии, получивший название перво-
го начала термодинамики, установивший эквива-
лентность тепловой и механической энергии.
Первое начало термодинамики объединяет идеи
существования функции внутренней энергии (обозна-
чаемой U ), сохранения энергии и концепции теп-
лоты (обозначаемой Q) как энергии перехода:
Q = Д U + А . Отсюда следует, что когда термодинами-
ческая система подвергается изменениям состояния,
энергия, передаваемая немеханическими способами
(Q ), равна изменению внутренней энергии (Д£7) и
совершенной механической работе (А). Таким обра-
зом, такие физические величины как теплота, внутрен-
няя энергия, работа являются различными видами од-
ного и того же более общего свойства — энергии.
Закон сохранения энергии является основой
для измерения всех известных видов энергии в од-
ной и той же единице.
Первый шаг в этом направлении был сделан в
1929 г. 1-я Мировая конференция по свойствам воды
и пара ввела международную Ккал, определив ее как
1/861,1 международного квт-ч. В 1948 г. решением 9-
ой Генеральной конференции по мерам и весам
(ГКМВ) за единицу количества теплоты был принят
Джоуль. С учетом этого в 1954 и 1956 гг. на Междуна-
родных конференциях по свойствам воды и пара был
подтвержден переход от калории к новой единице —
абсолютному джоулю.
Переход от калории к другим единицам энергии
был выполнен с использованием т.н. механического эк-
вивалента теплоты (М.Э.Т.). Первые тщательные из-
мерения М.Э.Т. были выполнены Дж. Джоулем в 1843-
1878 гг., Э. Эдмундом в 1865 г. и Г. Роуландом в 1879 г.
В период 1908(1948 гг. сосуществовали две систе-
мы единиц — международная и абсолютная и соотно-
шение между международным джоулем и абсолютным
периодически уточнялось.
Еще в 1934 г. Международная термохимическая ко-
миссия приняла в качестве единицы энергии „услов-
ную" калорию, численное значение которой полно-
стью определялось соотношением с международным
джоулем:
1„условная#алори^5°С)=4,1833межд. Джоуля .
После перехода с 1948 г. на единую абсолютную сис-
тему электрических единиц приведенное выше соот-
ношение было заменено:
436
1„условная£алори(150С)=4,1840абсДжоуля .
После перехода с 1963 г. на Международную систему
единиц размер „условной" калории остался неизмен-
ным. В настоящее время эту калорию чаще обознача-
ют как „термохимическая", чтобы подчеркнуть, что
ее размер (4,1840 Дж) определяется лишь соотноше-
нием с джоулем и не связан с теплоемкостью воды.
При использовании справочников, в которых те-
пловые эффекты приведены в калориях, необходимо
учитывать современные данные по теплоемкости во-
ды (для работ выполненных до 1908 г.) и изменение
размера электрических единиц (для работ с = 1910 по
1948 гг.).
Вид физической величины, определяемой при про-
ведении калориметрических измерений, зависит
от выбранных параметров термодинамической систе-
мы — температуры, давления, объема. Так, теплота,
подводимая к закрытой термодинамической системе
при постоянном объеме, равна увеличению внутрен-
ней энергии системы: (dU\ п =dQy , а теплота, подве-
денная к закрытой системе при постоянном давлении,
равна увеличению энтальпии (Н): (dH)Pn =dQp Пер-
востепенная значимость энтальпии обусловлена тем,
что тепловые эффекты различных процессов (обозна-
чаемые также как тепловые эффекты реакции) измере-
ны в большинстве случаев при постоянном давлении.
Энтальпию, определяемую уравнением
Н = U + р V , можно рассматривать как новое свойст-
во системы, имеющее размерность энергии, характе-
ризующее „полную энергию", т.е. сумму внутренней
энергии U и „объемной энергии" р V. Физический
смысл энтальпии заключается в том, что разность эн-
тальпий в двух состояниях системы равна тепловому
эффекту изобарного процесса:
0Р=Н2-Н1=ДЯ.
Тепловой эффект при постоянном давлении Qj> = АН
называют энтальпией реакции. В 1836 г. Г.И. Гесс устано-
вил, что „тепловой эффект процесса не зависит от про-
межуточных стадий, а определяется лишь начальным
и конечным состояниями системы". На основании это-
го основного закона термохимии (известного как за-
кон Гесса) определяют тепловые эффекты реакций, ко-
торые невозможно измерить непосредственно.
Для отдельных типов реакций вместо термина „те-
пловой эффект реакции" применяют специальные тер-
мины: теплота фазового перехода, теплота образова-
ния, теплота сгорания и т.п. В свою очередь теплоты
фазовых переходов подразделяют в зависимости от ви-
да фазового перехода на теплоты плавления (кристал-
лизации), испарения (конденсации), сублимации.
Тепловые эффекты реакций для их сравнения и
термодинамических расчетов всегда относят к стан-
дартным условиями обозначают дн°29в- Введение стан-
дартных условий обусловлено зависимостью тепло-
вых эффектов от температуры и от давления, хотя и
в меньшей степени. Обычно в качестве стандартных
условий используют значения тепловых эффектов
при р =1 атм. и t =25 °C. Тепловые эффекты реакций
являются удельными величинами. Различают тепло-
вые эффекты: отнесенные к единице массы — &Нт
[Дж/г]; отнесенные к единице количества вещества
(т.н. молярные энтальпии) — ДИ„ [Дж/моль]; отне-
сенные к единице объема — AHV [Дж/м:!].
Калориметр — прибор, применяемый для калори-
метрических измерений. Термин „калориметр" был
предложен А.Л. Лавуазье в 1780 г. Калориметр состо-
ит из оболочки с температурой То и калориметриче-
ской системы с температурой Тс. Принцип калоримет-
рических измерений состоит в том, что, проводя в
калориметре исследуемый процесс, наблюдают изме-
нение состояния калориметрической системы, и по ве-
личине этого изменения судят о количестве теплоты,
выделенной (или поглощенной) при этом процессе.
Конструкция калориметра определяется темпера-
турным интервалом, требуемой точностью и видом из-
меряемого теплового эффекта. Современные калори-
метры работают в диапазоне температур от 0,1 К до
3500 К. Различают (границы весьма условные) низко-
температурные — (Т <90 К), калориметры среднего
диапазона — (90 К < р <500 К) и высокотемператур-
ные-(Т>500 К).
Первый калориметр был сконструирован Дж. Блэ-
ком (1728-1799 гг.) примерное 1760 г. Это был т.н. „ле-
дяной калориметр". На этом калориметре в 1762 г.
Дж. Блэк впервые измерил теплоту плавления, что по-
служило ему основанием для введения понятия скры-
той теплоты (теплота фазового перехода по современ-
ной терминологии). А.Л. Лавуазье и П.С. Лаплас в
1783 г. усовершенствовали конструкцию калориметра
данного типа. Наиболее известен с 1870 г. ледяной ка-
лориметр Р.В. Бунзена (1811-1899 гг.), нашедший ши-
рокое применение.
Классификация калориметров может быть самой
различной. Примером классификации по виду изме-
ряемой величины являются калориметры для опре-
деления энергии космических частиц (ионизацион-
ные), калориметры для измерения энергии рентге-
новского и радиоактивного излучения, калориметры
для измерения энтальпий химических реакций, кало-
риметры для измерения теплоемкости и теплот фа-
зовых переходов. В рамках другой классификации ка-
лориметры делят на две основные группы: одна — по
имени конструктора калориметра, другая — по мето-
ду измерения теплоты. Калориметры Бунзена, Каль-
ве — пример одной группы, изотермические и неизо-
термические — пример другой группы.
В основу современной классификации калоримет-
ров положены три признака: метод измерения, режим
измерения, принцип конструкции прибора. Среди ме-
тодов измерения для классификации выделяют сле-
дующие: компенсация фазовым переходом, компенса-
ция термоэлектрическим эффектом, измерение раз-
ности температур, измерение локальной разности
температур. Среди режимов измерений с этой же це-
лью выделяют: изотермический (Той Тс постоянны),
изопериболический (Т = const, а Тс = ф(Р')), адиаба-
тический (То= Тс), сканирующий (То= (р (Z)). По прин-
ципу конструкции выделяют калориметры с одной ка-
лориметрической системой или с двумя.
Однако даже такая многопараметрическая класси-
фикация не исчерпывает всего многообразия конст-
рукций калориметров. В ней не нашел отражения, на-
437
пример, такой признак, как способ осуществления
взаимодействия компонентов: дискретная их подача
или непрерывная. Примером последней являются
проточные калориметры.
Именно наблюдаемое изменение системы послу-
жило для деления калориметров на изотермические
и неизотермические. Если в неизотермических кало-
риметрах измеряемой величиной является изменение
температуры, то в изотермических — количество ка-
лориметрического вещества, претерпевшего фазо-
вый переход, или мощность электрического тока, за-
траченная на компенсацию теплового эффекта.
Развитие калориметрии — это цепь изобретений,
сделанных учеными. Основные вехи этого процесса
представлены ниже в виде табличного обзора. Совре-
менный этап калориметрии характеризуется тем, что
на смену уникальным лабораторным калориметрам
приходят серийно выпускаемые, не уступающие по
точности лучшим лабораторным образцам, реализую-
щие многие перечисленные ниже идеи.
Создание особого направления в калориметрии —
микрокалориметрии — базируется на идеях, заложен-
ных М. Тианом и Е. Кальве. Дифференциально-ска-
нирующие калориметры самых различных конструк-
ций — наиболее быстро развивающееся направление
в калориметрическом приборостроении — пример ис-
пользования метода непрерывного нагрева, предло-
женного С. Сайксом для измерения истинных тепло-
емкостей при высоких температурах.
За делением калориметров на изотермические и
неизотермические скрывается их принципиальное от-
личие в способе передачи размера единицы измере-
ния —джоуля. Все неизотермические калориметры тре-
буют проведения такой метрологической процедуры,
как градуировка. Изотермические калориметры, напро-
тив, такой градуировки не требуют. Таким образом, с
помощью изотермических калориметров производят
абсолютные измерения тепловых эффектов, а с помо-
щью неизотермических — относительные измерения.
Тепловой эффект реакции, проводимой в неизо-
термическом калориметре, вычисляют по уравнению
Qx =WA(X,
где W — энергетический эквивалент калоримет-
ра, Дж/К; — истинный подъем температуры ка-
лориметрической системы, К.
Градуировка калориметра заключается в установ-
лении соотношения между количеством введенной в
калориметр теплоты (Qmsb) и изменением наблюдае-
мого свойства калориметрической системы (ее тем-
пературы) — . В результате градуировки опреде-
ляют энергетический эквивалент калориметра (W).
По своему содержанию ^представляет собой градуи-
ровочный параметр калориметра.
Измерения тепловых эффектов с использованием
неизотермических калориметров производятся мето-
дом сравнения, т.к. по сути сравнивается известный
тепловой эффект Оизв (воспроизводимый при
градуировке) с неизвестным Qx : Q_x = 0изв ^х/^гр)-
Это обстоятельство связано с требованием соблюдать
идентичность начальных и конечных температур ка-
Калориметры с компенсацией измеряемого
теплового эффекта
Год Автор Основные этапы
1760 Дж. Блэк Скрытая теплота плавления. Ледяной калориметр
1781 Дж. Вилке Теплота фазового перехода. Принцип калориметра, основанного на фазовом переходе
1783 А.Л. Лавуазье, Ледяной калориметр П.С. Лаплас
1870 РВ. Бунзен Прецизионный ледяной калориметр
1870 М.Дж. Джамин Измерение теплот испарения с помощью электрического нагрева
1870 В. Ренольт Использование теплоты химиче- ской реакции для компенсации измеряемого теплового эффекта
1887 ЕВ. Бунзен Паровой калориметр
1901 X. Штайнвер Электрический нагрев
1910 В. Дюан Изотермический двойной калори метр с электрической компенсацией
1923 М.Тиан Электрический нагрев и охлаждение
1935 С. Сайкс Электрическая компенсация в режиме адиабатического сканирования
1952 Л.М. Клейброу Электрическая компенсация в режиме адиабатического сканирования двойного калоориметра
1957 Ф.Х. Мюллер, Ад. Энгелтер Изопериболический двойной калориметр калориметр с электрической компенсацией
1960 X. Волленбергер, М. Вутгиг Двойной адиабатический сканирующий калориметр с бесконтактной подводкой энергии
1984 С.Г. Шуринов Газовый дифференциальный сканирующий калориметр
1997 Ю.И. Александров Изотермический проточный газовый калориметр с электрической компенсацией
Калориметры, измеряющие разность температур
Год Автор Основные этапы
1760 Дж. Блэк Калориметрия смешения. Измерения теплоемкости
1781 Дж. Вилке Калориметр смешения
1788 А. Крауфорд Калориметры смешения различных конструкций
1840 В. Ренольт Прецизионные измерения на калориметрах смешения
1845 Дж. Джоуль Измерения теплоемкости с электриче- ским нагревом
1881 М. Бертло Калориметрическая бомба
1870 М.Дж. Джамин Проточный калориметр для измерений теплоемкости
1895 Г. Юнкере Проточный газовый калориметр
1909 А. Ойкен, В. Нернст Измерения теплоемкости при низких температурах
1910 В. Нернст и др. Анероидный калориметр
1923 М. Тиан Теплопроводящий калориметр с дифф, батареей
1925 А. Ойкен, Л. Майер Анероидный калориметр сгорания
1935 С. Сайкс Дифференциально-термический сканирующий калориметр
1948 Е. Кальве Двойной теплопроводящий калориметр с дифф, батареей
1955 С.Л. Берсма Расширение области применения ДТАдоДСК
438 -..................,
лориметрической системы и одинаковую продолжи-
тельность опытов. При использовании метода сравне-
ния обычно отказываются от измерения абсолютных
значений температуры и используют непосредствен-
но измерения сопротивления термометра, э.д.с. тер-
мобатареи и т.д.
Градуировку неизотермических калориметров
производят одним из двух способов:
1. нагреванием калориметрической системы элек-
трическим током при измерении с необходимой точ-
ностью поданной в калориметрическую систему теп-
ловой энергии (Qh3b);
2. проведением в калориметре процесса, тепловой
эффект которого известен с необходимой точностью
( Д/Лав)'
Градуировка электрическим способом — наиболее
универсальный и наиболее широко распростра-
ненный способ передачи размера единицы измере-
ния — джоуль.
Джоуль представляет производную единицу в меж-
дународной системе единиц (СИ). Размерность джо-
уля [L2MT2]. Воспроизведение и передача размера джоуля
при калориметрических измерениях тепловых эффек-
тов с использованием неизотермических калоримет-
ров осуществляется т.н. децентрализованным способом.
Теоретической основой воспроизведения установ-
ленного размера джоуля является закон Джоуля-Лен-
ца, согласно которому количество теплоты Q, вы-
деляющейся на участке электрической цепи с сопро-
тивлением R при протекании по нему за время Z
постоянного тока I, равно Q=RI2Z . Закон был уста-
новлен Дж. Джоулем (1818-1889 гг.) в 1841 г. (опубли-
кован в 1843 г.) и независимо Э.Х. Ленцом (1804-
1865 гг.) в 1842 г. Если /измеряется в амперах, R— в
омах, Z— в секундах, то Qвыражается в джоулях.
Для проведения градуировки электрическим спо-
собом подавляющее большинство неизотермических
калориметров снабжено электрическим нагревате-
лем. Исключение составляют бомбовые калориметры
сжигания, но и среди калориметров данного типа есть
очень небольшая группа прецизионных калоримет-
ров метрологического назначения, также оснащен-
ных электрическими нагревателями.
Погрешность измерения Qusb при проведении гра-
дуировки электрическим способом может быть
(Z0,01 %. Для точного определения истинного подъ-
ема температуры (At) или вводят поправку на тепло-
обмен или сводят теплообмен к минимуму. Поправку
на теплообмен рассчитывают на основании закона те-
плообмена И. Ньютона (1643-1727 гг.), согласно ко-
торому количество теплоты, получаемое или те-
ряемое в единицу времени, пропорционально разно-
сти температур тела и окружающей его среды:
Aq ~ К(Тп -Тс). Уменьшение поправки на теплообмен
обеспечивается или увеличением теплового сопро-
тивления, т.е. изоляцией калориметрической систе-
мы, или уменьшением разности температур между ка-
лориметрической системой и оболочкой. Калори-
метрические системы с использованием сосудов
Дьюара — пример первого подхода, адиабатические
калориметры — второго.
Экспериментальное определение энтальпий тепло-
вых эффектов включает две части, каждая из которых
по-своему является принципиально важной. Одна из
них — собственно калориметрическая — состоит в точ-
ном измерении энергии, вторая — условно обозначае-
мая как химическая — состоит в точном описании на-
чального и конечного состояния системы в калоримет-
рическом опыте. Теплоты всех побочных процессов
должны быть учтены с необходимой точностью.
Обеспечение единства и требуемой точности из-
мерений энтальпий тепловых процессов с использо-
ванием неизотермических калориметров достигается:
1. проведением их градуировки (как правило, элек-
трической);
2. применением особой категории метрологиче-
ских средств (стандартных образцов — СО), обеспе-
чивающих контроль правильности химической части.
Контроль правильности измерений энтальпий
осуществляется проведением (при соблюдении стро-
го регламентированных условий) т.н. процесса „эта-
лонного", энтальпия которого известна с требуемой
точностью. В ряде случаев эти процессы могут быть
использованы и для проведения градуировки. Далее
в таблице приведен перечень рекомендованных ИЮ-
ПАК важнейших типов эталонных процессов и хими-
ческих реакций, а также веществ (СО) для осуществ-
ления данных эталонных процессов.
При использовании изотермических калоримет-
ров отпадает необходимость в проведении их градуи-
ровки, но сохраняется необходимость в контроле пра-
вильности прежде всего химической части калори-
метрической методики.
Энтальпия теплового процесса для калориметров
данной группы определяется в зависимости от спосо-
ба компенсации проводимого в калориметре процес-
са по одному из двух уравнений:
1. для калориметров, основанных на измерении ко-
личества вещества, претерпевшего фазовый переход:
\Н = q([, Am,
где — удельная теплота фазового перехода;
Дтп — количество вещества, претерпевшего фазовый
переход.
2. для калориметров, основанных на электриче-
ской компенсации: АН=^U(z)-l(z)dz .
Сканирующие калориметры несколько выделяют-
ся в отношении их градуировки. Наряду с градуиров-
кой по теплоте, они должны быть отградуированы еще
и по температуре. Градуировка по теплоте производит-
ся или с использованием электрического нагревателя,
которым снабжен каждый сканирующий калориметр,
или с использованием веществ, энтальпия фазового пе-
рехода которых известна с требуемой точностью. Эти
же вещества применяются одновременно и для градуи-
ровки по температуре, используя уже известные зна-
чения температуры фазовых переходов данных ве-
ществ. К настоящему времени предложен целый ряд
веществ для градуировки сканирующих калориметров:
Циклопентан с двумя фазовыми переходами (138,06 К
и 179,12 К), вода (273,15 К), галлий (302,9146 К), ин-
дий (429,7485 К), олово (505,078 К), свинец (600,61 К),
цинк (692,677 К), сульфат лития (851,00 К), алюминий
(933,473 К), серебро (1234,93 К), золото (1337,33 К).
Однако их номенклатура еще не устоялась.
439
Эталонные калориметрические реакции и стандартные образцы
Наименование и обозначение и обозначение Энтальпия ДН''2М, реакц., кДж/моль Рабочие калориметры Метрологическое наз- назначение образцо- вого вещества
Типы Наличие нагревателя Мера СО
1 2 3 4 5 6
1. Энтальпии фазовых переходов
1.1. Энтальпии плавления
Бензойная кислота с7н„о2(тв)^с7н6о2(ж) 18,007±0,003 7^=395,52 К Адиабатические да +
Дифениловый эфир '-'12^10^1») 17,217±0,001 Т^ЗОО.О! К Смешения Изотермические да нет +
Бензол СК, ,->С.Н„ , 6 6(тв) 6 б(ж) 9,837 7’Г7.=278,68 К ДСК да +
1.2. Энтальпии испарения
Бензол е6н6(ж)^с6н6(г1 33,844-17,90 (298-510)К Все типы статических калориметров (для DHV) да +
Вода 43,981-18,486 (0-340)К +
1.3. Энтальпия сублимации
Бензойная кислота с7н6о8(т>)->с7н6о2(г) 89,7±0,5 298,15 К Все типы статических калориметров да +
Нафталин CloH8(TB>-»CloH8(r) 72,5±0,25 298 К +
2. Энтальпии реакций
2.1. Энтальпия реакций между двумя твердыми веществами
3Zr<T.>+2BaCr!°7<T»>-> 3ZrO2(„)+2BaO(„)+2Cr2O5(„) •1460±4,8 (Дж/г) (SRM 1651) Изопериболический да +
2.2. Энтальпии реакций между двумя жидкостями
H2SO,(8H2O) +2,5[NaOH(10H2O)] =(Na2SO4+0,5NaOH)(35H2O)w 150,80±0,02 Изопериболический Адиабатический да +
2.3. Энтальпия реакций между двумя газами
0,5Н2(г)+0,5С12(г=НС1(г) -92,31±0,13 Проточные да +
0,5Н2(г+0,5С12(г|+ГН20(ж)= =НС1(Г)(ГН2О)(Ж) -167,080±0,088 Проточные да +
3. Энтальпия растворения
3-I-Si2O(Tbbm)+155[HF(3,44H2O)]w= =(H2SiFe+149HF)(535,2H2O)w -141,93±0,07 +
3.2. КС1(т,т200Н20(жГ =КС1(200НгО)(ж) 17,55±0,04 Неизотермические да +
3.3. Трис(т,+НС1(ЮН2О)(ж = =ТрисНС1(ЮН2О)(ж) -245,50±0,06 +
3.4. Трисж+№ОН(20НгО)(ж)= =ТрисМаОН(20Н2О)(ж1 -141,90±0,08 +
4. Энтальпия смешения
Циклогексан+п-гексан С.Н,.+С6Н,, 6 12 6 14 0,2214 (для 0,4 мол.доли п-гексана) Неизотермические да +
Раствор сахарозы (С,2Н22О„)(ж1+Н2О(ж) (для mJ2,2) 563,2m-29,50m2
5. Энергии сгорания
5.1. Сжигание газообразных веществ в кислороде
5.1.1. Сжигание водорода -285,830±0,042 Проточные нет + +
Н2(г)+0.5О2(г)=Н2О(ж) адиабатические да
изопериболические нет + +
изотермические нет
440
5.1.2. Сжигание метана СН4(г>.+2О2(г)=СО2+2Н2О(ж) -890,31+0,29 Проточные адиабатические изопериболические изотермические нет да нет нет + + +
5.2. Сжигание во фторе
5.2.1. WK+3F2r=WF6r -411,45+0,17 Калориметры с калориметрической нет +
5-2.2. SKPOMB+3F2=SFer -291,1+0,3 бомбой +
Наименование и обозначение Изменение энергии [кДж/кг] Рабочие калориметры Метрологическое наз- назначение образцо- вого вещества
Типы Наличие нагревателя Мера со
1 2 3 4 5 6
5.3. Сжигание твердых веществ 5.3.1. Бензойная кислота С7Н6О2(„+7,5О2г=СО2(г)+ЗН2О(ж) 5.3.2. Янтарная кислота С4НвО4(„+3,5О2(г=СО2(г)+ЗН2О(ж) 5.3.3. Гипуровая кислота C9H9O3N(„+9.75O2(r)= =9СО2(г)+4,5Н2О(ж)+0,5М2(г) 5.3.4. Трис C4HnO,N(„)+5.25O = =4СО2(г)+5,5НгО(ж)+0,5Ы2(г) 5.3.5. Мочевина СН40Х2(„,Л1,5О2(г)>СО2(г)+2Н2О(ж)+М2(г) 5.3.6. Тиантрен ClsH8S2r(„+17O2+228H2O.= =12CO2(r)+2(H2SO4l 15Н2О)ж 5.3.7. п-Хлорбензойная к-та С,Н5С1О2(„+7Оад+518Н2О(ж)= =7С021г)+НС1(600Н20)(ж) 5.3.8. п-Фторбензойная к-та С7Н5ГО2(1ж)+7О2(, + 18Н2О(ж = =7CO2(r+HF(20H2O)w 5.3.9. ПентаФторбензойная кислота С7НР5О2(т.)Л5О2(г)+Ю2Н2О(ж = =7CO2(r)+5[HF(20H2O)]w -26434,4±0,6 -12638,0+1,6 -23548 -20030,3+3,4 -10537 -33466 -19562,7±3,2 -21862,7±6,4 -10262,4+4,8 Бомбовые калоримет- ры (статические и дина- мические) всех типов Статические Статические Статические Статические Динамические Статические Динамические Динамические нет нет нет нет Динамические нет ! рет йет нет + нет + + + + + + + + +
5.4. Сжигание жидких веществ
5.4.1. 2,2,4-Триметилпентан С8Н18(ж)+12,5О2(г=8СО2(г)+9Н2О(ж) 47712 Бомбовые калориметры (статические) нет +
Теплота сгорания (энтальпия сгорания, тепло-
творная способность, калорийность, теплопроизво-
дительность) — количество теплоты, выделяющейся
при полном сгорании вещества (топлива). Теплота
сгорания представляет, если это специально не ого-
ворено, тепловой эффект реакции окисления с уча-
стием кислорода в качестве окислителя. Вместе с тем
реакции окисления весьма разнообразны. Из реакций
окисления с использованием газообразных окислите-
лей в особую группу выделяется сжигание во фторе —
фторная калориметрия.
Теплота сгорания твердых и жидких веществ вы-
ражается в виде удельной величины, отнесенной к еди-
нице массы — [кДж/кг] или к единице количества ве-
щества — [кДж/моль]. Теплота сгорания i-азообразных
веществ выражается дополнительно в виде удельной
величины, отнесенной к единице объема — [кДж/м3].
Измерения теплот сгорания имеют наибольшее
значение среди всех калориметрических методов. Во-
первых, из чисто практических интересов — опреде-
ление калорийности самых разнообразных топлив, и,
во-вторых, из научной значимости, представляя один
из основных источников данных для расчета, на ос-
новании закона И. Гесса, энтальпий реакций образо-
вания химических соединений.
Применение закона И. Гесса основано на том фак-
те, что с химическими уравнениями можно опериро-
вать так же, как с алгебраическими уравнениями. Так,
энтальпия химической реакции может быть рассчи-
тана из алгебраической суммы энтальпий сгорания
всех ее участников. Значение энтальпии химической
реакции получается при этом преимущественно как
сравнительно малая разность больших чисел, пред-
ставляющих энтальпии сгорания. Отсюда следует, что
441
для получения данных по энтальпиям химических ре-
акций с необходимой точностью, требуется еще
большая точность при измерениях теплот сгорания.
Этим объясняется тот факт, что последние являются
наиболее точными из всех калориметрических изме-
рений ( < 0,01 %).
Независимо от вида газообразного окислителя (ки-
слород, хлор, фтор и его соединения) различают два
направления в калориметрии сжигания:
1. сжигание в калориметрической бомбе — для
твердых и жидких веществ (топлив);
2. сжигание в проточных калориметрах — для га-
зообразных веществ (топлив).
При сжигании в калориметрической бомбе
(V=const), предложенной М. Бертло еще в 1881 г., из-
меряемой величиной является изменение внутренней
энергии (Д U), а не энтальпии (АН), как это имеет ме-
сто при р =const.
В бомбовой калориметрии из чисто практических
соображений градуировку калориметра производят
не электрическим способом, а с использованием ре-
акции окисления, тепловой эффект которой известен
с необходимой точностью. В качестве такой реакции
выбрано окисление бензойной кислоты. Сжигание
бензойной кислоты для проведения градуировки бы-
ло предложено Е.Р. Вивером в 1913 г. и независимо
М.М. Поповым с В.В. Светославским в 1914 г. В 1921 г.
на 2-ой Международной конференции по химии ИЮ-
ПАК бензойная кислота была утверждена в качестве
„термохимического эталона" для градуировки бомбо-
вых калориметров.
Условия сжигания при проведении такой градуи-
ровки строго регламентированы (т.н. „стандартные
бомбовые условия"):
1. Масса образца высокочистой бензойной кисло-
ты (степень чистоты не менее 99,95 % моль) берется
из расчета 3 г на 1 дм3 емкости бомбы.
2. Масса воды, вводимой перед опытом в бомбу, бе-
рется из расчета 3 г на 1 дм3 емкости бомбы.
3. Начальное давление чистого кислорода в бом-
бе при 25 °C равно 3,04 МПа.
4. Реакция сгорания образца протекает при посто-
янном объеме изотермически при 25 °C.
Для этих стандартных бомбовых условий измене-
ние энергии системы при сгорании бензойной кисло-
ты принято равным А(7Й = (264344 ±0,6) кДж/кг.
Это значение установлено в результате обобщения
прецизионных измерений энергии сгорания высоко-
чистых образцов бензойной кислоты, выполненных
на самых различных по методам получения и очист-
ки образцах кислоты в ведущих метрологических и
термохимических лабораториях мира на бомбовых ка-
лориметрах с электрической градуировкой. Его мож-
но рассматривать как индивидуальную физическую
константу.
Таким образом, градуировка бомбовых калоримет-
ров с использованием эталонной бензойной кислоты
является примером перехода на естественные этало-
ны при передаче размера единицы физической вели-
чины.
Контроль химической части эксперимента по изме-
рению теплоты сгорания осуществляется проведени-
ем соответствующей эталонной реакции (см. таблицу).
Измерение теплот сгорания газообразных ве-
ществ (топлив) производится в проточных калори-
метрах при постоянном давлении. Газовая горелка бы-
ла изобретена Р.В. Бунзеном в 1855 г. Позднее (1877 г.)
он усовершенствовал газовую горелку, сконструиро-
ванную Ф.М. Раулем.
Различают высшую теплоту сгорания и низшую теп-
лоту сгорания.
Высшая теплота сгорания — количество теплоты,
выделившейся при полном сгорании сухого газа в воз-
душном потоке с образованием в качестве продуктов
сгорания диоксида углерода (СО2), диоксида серы
(SO2), азота (N2) и воды (Н2Ожидк( При этом темпе-
ратура и давление как продуктов сгорания, так и ис-
ходных газов должны отвечать стандартным услови-
ям: р =101,325 кПа, т =298,15 К.
Низшая теплота сгорания отличается от высшей
только тем, что образующаяся при сгорании вода ос-
тается в газовой фазе.
В России, ФРГ и ряде других стран расчеты за по-
ставку газа производятся по низшей теплоте сгора-
ния. В США, Великобритании, Франции — по высшей.
Несмотря на разнообразие конструкций, все про-
точные калориметры требуют градуировки. Градуи-
ровка производится с использованием одной из двух
эталонных реакций. Это — окисление водорода и ме-
тана (см. таблицу). Использование в качестве эталон-
ной реакции сгорания водорода в потоке кислорода
было рекомендовано Постоянной термохимической
комиссией ИЮПАК в 1934 г. В 1974 г. аналогичная ре-
комендация была дана комиссией по физико-химиче-
ским измерениям и стандартным образцам ИЮПАК,
но уже для обеих реакций. Значения энтальпий дан-
ных реакций получены, как и для сжигания бензой-
ной кислоты, с использованием калориметров, снаб-
женных электрическим нагревателем, но работаю-
щих в режиме периодической подачи газа.
Хотя энтальпии сгорания водорода и метана мож-
но рассматривать как индивидуальные физические
константы подобно энергии сгорания бензойной ки-
слоты, однако их точность пока еще не достаточна
(доверительная погрешность составляет = 0,05 %).
Характерной особенностью обеспечения единст-
ва измерений в калориметрии является:
1. Децентрализованное, принимая во внимание
все разнообразие форм энергии, воспроизведение
единицы количества теплоты (джоуль).
2. Проведение градуировки и поверки калоримет-
ров непосредственно на рабочих местах (т.н. само-
стоятельная поверка).
Литература:
1. White W.P. The Modern Calorimeter. American Chemical
Society Monograph Series. Book Department, The Chemical
CatalogCompany Inc. New York, 1928
2. Swietoslawski W. Microcalorimetry, New York, 1946.
3. Попов М.М. Термометрия и калориметрия. 2-е изд. —
М.: Изд. МГУ, 1954.
4. Rossini F.D. (Ed.) Experimental Thermochemistry. Vol. 1.
Interscience Publishers, 1956.
5. Roth W.A., Becker E Kalorimetrische Methoden. Friedr.
Vieweg & Sohn, Braunschwieg, 1956.
6. Hyde C.G., Jones M.W. Gas Calorimetry: The
Determination of the Calorific Value of Gaseous Fuels. Verlag
Ernest Benn Limited. London, 1960.
..................... 442
7. Skinner H.A. (Ed.) Experimental Thermochemistry.
Vol. 2. Interscience Publishers, 1962.
8. CalvetE., PratH. Recent Progress in Microcalorimetry.
Pergamon Press, Oxford, London, New York, Paris, 1963.
9. Скуратов C.M., Колесов В.П., Воробьев А.Ф. Термохи-
мия. Том 1. — М.: Изд. МГУ, 1964
10. Скуратов С.М., Колесов В.П., Воробьев А.Ф. Термо-
химия. Том 2. — М.: Изд. МГУ, 1966.
11. McCullogh J.P., Scott D.W., (Ed.) Experimental
Thermodynamics. Vol. 1. Butterworths, London, 1968.
12. Олейник Б.Н. Точная калориметрия. — M.: Изд. Стан-
дартов, 1973.
13. Weber Н. Isothermal Calorimetry. Herbert Lang, Bern,
Peter Lang, Frankfurt, 1973.
14. Recommended Reference Materials for Realization of
Physicochemical Properties. Comission on physicochemical
measurement and standard IUPAC. Ed. E.F.G. Herrington. //
Pure & Applied Chemistry, 1974, V. 40, p. 400-450.
15. Le Neindre B., Vodar B., (Ed.) Experimental
Thermodynamics, Vol. 2. Butterworths, London, 1975.
16. Гаджиев C.H. Бомбовая калориметрия. — M.: Изд. Хи-
мия, 1978.
17. Леонидов В.Я., Медведев ВА. Фторная калоримет-
рия. — М.: Изд. Наука, 1978.
18. Hemminger W., H(hne G. Grundlagen der Kalorimertie.
Verlag Chemie, Weinheim, New York, 1979.
19. SunnerS., M(nssonM., Ed. Combustion Calorimetry.
Oxford, 1979.
20. H(hne G., Hemminger W., Flammerscheim H.-J.
Differential Scanning Calorimetry, An Introduction for
Practitioners. Springer Verlag, Berlin, 1996.
21. Колесов В.П. Основы термохимии. — М.: Изд. МГУ,
1996.
Ю.И. Александров
443
Государственный первичный эталон единицы
энергии сгорания, ГЭТ 16-96
Для определения энтальпии сгорания или удель-
ной энергии сгорания любого вида топлива могут при-
меняться различные методы и средства измерения.
Среди них наиболее распространенным как в про-
мышленности, так и при научных исследованиях яв-
ляется прямой калориметрический метод. Кало-
риметрия имеет своей задачей точное измерение
энергии, полученной калориметром в результате про-
веденной в нем реакции.
Поскольку градуировка и поверка всех калоримет-
ров сжигания, включая проточные газовые калори-
метры, производится по эталонным (образцовым) ве-
ществам, то необходимо надежно и точно аттестовы-
вать эти вещества прямыми методами с наивысшей
возможной точностью, отвечающей поставленной за-
даче. Поиск эталонных веществ в калориметрии при-
вел еще в начале XX в. к применению в качестве пер-
вичного эталонного вещества высокочистой бензой-
ной кислоты [1].
й 1921 г. высокочистая бензойная кислота была ут-
верждена 2-ой Международной конференцией по хи-
мии ИЮПАК в качестве международного термохими-
ческого эталона для калибровки бомбовых калориметр
ров. Позднее в рекомендациях ИЮПАК приводился
анализ данных по энергиям сгорания высокочистой
бензойной кислоты. В качестве наиболее достоверно-
го приведено значение 26434,0 кДж/кг. Б.Н. Олейни-
ком по результатам международных исследований
1934-1968 гг. в качестве совокупного среднего было
получено значение 26434,1±0,8 кДж/кг, которое прак-
тически совпадает со значением 26434 кДж/кг, утвер-
жденным в 1961 г. Советом ВНИИМ для энергии
сгорания бензойной кислоты. Наконец, в рамках го-
сударственной службы стандартных справочных дан-
ных (ГСССД) в лаборатории ВНИИМ под руково-
дством Ю.И. Александрова была проведена специаль-
ная работа по выбору и обоснованию наиболее
достоверного значения этой физической константы,
в результате чего было рекомендовано значение
(26434,4±0,6) кДж/кг [1].
Вопросами обеспечения единства измерений
в области калориметрии сжигания во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева занимаются с 1924 г. В 1925 г. бы-
ла выпущена первая партия (500 г) эталонной бензой-
ной кислоты по технологии NBS (США).
По инициативе Б.Н. Олейника был проведен ком-
плекс работ по созданию „эталонного калориметра".
В 1971 г. Госстандарт утвердил в качестве государствен-
ного первичный эталон (ГПЭ) единицы количества те-
плоты —джоуля в области калориметрии органических
соединений, а в 1977 г. — специальный эталон едини-
цы количества теплоты в области калориметрии эле-
ментоорганических соединений. Ученым-хранителем
была назначена В.Д. Микина.
С целью объединения двух поверочных схем и соз-
дания единого исходного звена для воспроизведения
джоуля в 1978 г. был создан новый эталонный ком-
плекс (ГЭТ 16-78). Первичный эталон представлял со-
бой комплекс средств измерений, в состав которых
входил водяной калориметр со статической бомбой,
водяной калориметр с вращающейся бомбой, установ-
ка для измерений температуры в калориметрах, уста-
новка для измерений количества электрической энер-
гии, выделенной в калориметрическом сосуде при
проведении электрической градуировки.
В первые годы после создания эталона он исполь-
зовался для передачи размера джоуля образцовым и
рабочим средствам измерений в области калоримет-
рии органических и элементоорганических соедине-
ний. На эталоне были проведены аттестации бензой-
ной, янтарной, гиппуровой кислот, которые были ут-
верждены в качестве государственных стандартных
образцов [2-4].
В 1987-1992 гг. была проведена модернизация не-
которых узлов калориметра, коснувшаяся степени его
автоматизации.
С целью выработки оптимального подхода к вос-
произведению джоуля был проведен теоретический
анализ различных путей воспроизведения единицы:
путем подачи электрической мощности и путем сжи-
гания термохимического стандарта. В результате срав-
нительного анализа воспроизведения и существую-
щей метрологической практики был выбран подход,
явившийся основой для разработки новой повероч-
ной схемы, — переход на „естественные" эталоны.
Основу нового подхода составляет использование
при воспроизведении единицы энергии сгорания-
джоуля физической константы, в качестве которой
принимают удельную энергию сгорания высокочис-
той бензойной кислоты (молярная доля основного
компонента должна быть не менее 99,995 мол. %).
При этих условиях в эталонном калориметре путем
сжигания в калориметрической бомбе точно взвешен-
ной массы, равной (1,00±0,01) г бензойной кислоты
марки „К-1", воспроизводится количество энергии
сгорания, эквивалентное произведению удельной
энергии сгорания бензойной кислоты на ее массу.
В 1996 г. было проведено переутверждение этало-
на в новом составе, и разработана новая поверочная
схема для средств измерений энергии и удельной
энергии сгорания (калориметров сжигания) [5].
В качестве эталонной меры д ля передачи размера
единицы рабочим средствам измерений целесо-
образно использовать бензойную кислоту с меньшей
444
степенью чистоты (молярная доля основного компо-
нента не менее 99,99 мол. %). Для этой кислоты также
целесообразно в качестве ее энергии сгорания при-
нять значение (26434+5) кДж/кг.
В NBS (США) применяется бензойная кислота 39i
с чистотой 99,997 мол. %, энергии сгорания которой
приписано значение 26434±3 кДж/кг, а для менее от-
ветственных измерений ранее использовалась кисло-
та 39h чистотой 99,97 мол. %, которой приписана та
же самая энергия сгорания.
В 1998 г. состав действующего эталона ГЭТ 16-96
был изменен в связи с расширением его применения
для аттестации газообразных веществ. Для этого бы-
ла разработана микрогорелка, теплообменник и сис-
тема подготовки, подачи и дозирования газов.
Состав эталона (ГЭТ 16-96) по данным паспорта
на 1999 г.:
— меры энергии сгорания — бензойная кислота
марки К-1 и высокочистый метан (99,95 % мол.);
— весы микроаналитические с пределом взвеши-
вания до 1 г;
— компаратор — жидкостный калориметр со ста-
тической бомбой и газовой горелкой, В-06МЗ-1;
— установка для измерений температуры в калори-
метрическом сосуде, УИТ-2;
— установка для установления суммарной моляр-
ной доли примесей в бензойной кислоте марки К-1,
„Дельта".
Метрологические характеристики
эталона
Диапазон значений энергии сгорания, воспроиз-
водимых эталоном, составляет 7-85 кДж.
Эталон обеспечивает воспроизведение единицы
энергии сгорания джоуля со средним квадратическим
отклонением результата измерений (&), не превы-
шающим 4-10‘5и 6-104при 7-ми независимых измере-
ниях для бензойной кислоты и метана соответствен-
но. Неисключенная систематическая погрешность
(0о) не превышает 5-10'5и 15-104 соответственно.
Значение высшей удельной энергии сгорания вы-
сокочистого метана, объем которого приведен к тем-
пературе 20 °C и давлению 101,325 кПа, принято рав-
ным (37,095±0,050) МДж/м3.
Среднее квадратическое отклонение результата из-
мерений (Sei) не превышает 8-10"5и 13-10+при переда-
че размера единицы бензойной кислоте К-3 и чистым
углеводородным газам и их смесям соответственно.
Принцип действия эталона
Калориметр, входящий в состав эталона, относит-
ся к наиболее распространенному типу — калоримет-
ру переменной температуры с изотермической оболоч-
кой (т.н. изопериболический жидкостной калори-
метр). Любой калориметр переменной температуры
можно представить себе состоящим из двух частей —
калориметрической системы и оболочки [7]. Калори-
метрической системой называют совокупность всех
частей калориметра, между которыми происходит рас-
пределение измеряемой теплоты. Оболочка окружает
калориметрическую систему и обеспечивает опреде-
ленные, строго фиксированные условия теплообмена
калориметрической системы с окружающей средой.
Расчет измеряемой энергии сгорания Q из опы-
та, проведенного в калориметре переменной темпе-
ратуры, вычисляют по уравнению:
= , (1)
где Д< — изменение температуры калориметриче-
ской системы; W — теплоемкость системы или энер-
гетический эквивалент.
Величину Д/, которую называют истинным изме-
нением температуры, нельзя измерить непосредствен-
но. На эту величину влияет теплообмен калоримет-
рической системы с окружающей средой, а также
побочные источники энергии: трение мешалки кало-
риметра, энергия тока термометра сопротивления и
т.д. Поэтому непосредственно измеряемое в опыте из-
менение температуры Д/ всегда отличается от истин-
ного. Чтобы получить истинное изменение темпера-
туры, необходимо к величине Д/ ввести поправку на
теплообмен и на побочные эффекты. Таким образом,
в отсутствие побочных тепловых эффектов
Дг = Д£'-<У, (2)
где 8— поправка на теплообмен. Для вычисления
8 существует целый ряд разработанных способов.
Численное значение УТопределяют, сообщая кало-
риметру известное количество энергии и измеряя
вызванный этим подъем температуры. При этом коли-
чество энергии ((2), выделяющееся в результате сжи-
гания бензойной кислоты марки „К-1“ в бомбе, пере-
дается калориметрической жидкости — воде, в резуль-
тате чего изменяется ее температура. Измерения
подъема температуры осуществляются с помощью
кварцевого термометра фирмы „Hewlett-Packard", про-
шедшего метрологическую аттестацию в термометри-
ческой лаборатории ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Измерив массу навески бензойной кислоты (пн) и оп-
ределив температурный подъем (Дч), находят энерге-
тический эквивалент калориметра (УТ):
Д«]
(3)
где Q.yd j — удельная энергия сгорания эталона —
бензойной кислоты „К-1".
В дальнейшем, в калориметре, выполняющем роль
компаратора, производится сравнение энергии сго-
рания двух процессов, разделенных во времени: энер-
гии сгорания бензойной кислоты „К-1" и энергии сго-
рания эталонного вещества более низкого разряда.
Компарирующим параметром служит подъем темпе-
ратуры.
Таким образом, при передаче размера единицы
джоуля от эталона к эталонным мерам энергии сгора-
ния (например, бензойной кислоте „К-3") путем их ат-
тестации реализуются условия компарирования, от-
вечающие формуле:
УУ-Д^ Д<2
- ‘~Г~ О.уд1 , (4)
’ ту ту 3tt 1 ’ ' '
где »П], ту — масса бензойной кислоты „К-1" и „К-3"
соответственно; Atj, Дг2 — исправленный на тепло-
обмен подъем температуры калориметрической сис-
- ----- 445
темы в результате сгорания бензойной кислоты „К-1“
и „К-3“ соответственно.
Для передачи размера единицы газообразным эта-
лонным мерам вместо калориметрической бомбы в ка-
лориметрический сосуд устанавливают теплообмен-
ник с газовой горелкой. Градуировка калориметра
(воспроизведение единицы) проводится по высоко-
чистому метану, теплота сгорания которого получе-
на как средневзвешенное значение всех полученных
на настоящий момент прецизионных данных. С по-
явлением новых значений теплоты сгорания указан-
ная цифра корректируется, что наблюдается по но-
вым редакциям ИСО 6976 [6].
Хранение, исследование и совершенствование
эталона с 1986 г. осуществляет лаборатория калори-
метрии, возглавляемая доктором химических наук
Ю.И. Александровым, ученый хранитель — к.т.н.
Е.Н. Корчагина.
Назначение и области применения
ГПЭ единицы энергии сгорания является метро-
логической основой прецизионной калориметрии,
которая обеспечивает потребности: научного прибо-
ростроения в методах и средствах измерения, в атте-
стованных образцовых веществах для градуировки и
поверки теплофизических приборов, химической
термодинамики, проектных и промышленных пред-
приятий в стандартных справочных данных об эн-
тальпиях сгорания. Калориметры сжигания широко
используются в теплоэнергетике, где практически ни
одна тепловая станция не обходится без СИ энергии
(теплоты) сгорания, в угольной, металлургической,
нефтехимической промышленности. Калориметры
сжигания с бомбой применяются при измерениях
энергии сгорания твердых и жидких топлив, в то вре-
мя как проточные газовые калориметры используют-
ся при определении калорийности газов, в частности,
природного газа.
В стране в обращении находится около тысячи ка-
лориметров с бомбой и несколько сот газовых кало-
риметров.
Обеспечение единства измерений энергии сгора-
ния (калорийности) всех видов топлива в настоящее
время достигается на основе принципа самостоятель-
ной поверки с использованием эталонных мер энер-
гии сгорания в виде стандартных образцов бензойной
кислоты марки „К-3“, аттестуемой на первичном эта-
лоне единицы энергии сгорания, и в виде рабочих эта-
лонов для газовой калориметрии, представляющих со-
бой чистые газы и газовые смеси, также аттестуемые
на первичном эталоне.
Поверка СИ энергии сгорания осуществляется в
соответствии с поверочной схемой ГОСТ 8.026-96 [5].
Литература:
1. ГСССД 50-83. Бензойная кислота. Энергия сгорания.
2. ГСССД 51-83. Парафторбензойная кислота. Энергия
сгорания.
3. ГСССД 52-83. Парахлорбензойная кислота. Энергия
сгорания.
4. ГСССД 53-83. Янтарная кислота. Энергия сгорания.
5. ГОСТ 8.026-96. ГСИ. ГЬсударственная поверочная схе-
ма для средств измерений энергии сгорания и удельной энер-
гии сгорания (калориметров сжигания).
6. ISO / DIS 6976:1996. Natural Gas — Calculation of
calorific value, density, relative density and Wobbe index from
composition. — 75 p.
7. Колесов В.П. Основы термохимии. — М.: Изд-во МГУ,
1996. - 205 с.
Е.Н. Корчагина
446
Теплоемкость
Теплоемкость — физическая величина, характери-
зующая количество теплоты, которое вещество долж-
но получить от окружающей среды при определенных
условиях, чтобы его температура поднялась на один
градус.
В зависимости от условий теплообмена различа-
ют теплоемкость при постоянном объеме (Сп) и теп-
лоемкость при постоянном давлении (Ср). Теплоем-
кость веществ чаще всего выражается в виде удельной
величины, отнесенной к единице массы — [Дж/
(кг-К)], к единице количества вещества — [Дж/
(моль-К)] или к единице объема — [Дж/(м’-К)].
Необходимость знания теплоемкости веществ оп-
ределяется в первую очередь двумя важнейшими фак-
торами:
во-первых, из научной значимости, являясь цен-
нейшим источником информации при исследовани-
ях в термодинамике, в физике твердого тела при ис-
следованиях структуры веществ, сил взаимодействия,
фазовых переходов, критических явлений и т.д.;
во-вторых, из практической значимости, вытекаю-
щей из необходимости знаний этой физической ве-
личины наряду с другими во многих инженерных рас-
четах тепловых процессов и аппаратов современных
технологий. При этом точность таких знаний во мно-
гом определяет рациональность выбранных конструк-
ций, размеров, режимов работы и, в конечном счете,
эффективность разработки в целом.
Впервые понятие теплоемкость было введено
Дж. Блэком в 1760 г. и исторически развивалось не-
разрывно с понятиями теплота, калория.
Так как по определению C=dQ/dT , то из основ-
ного( 1-го) начала термодинамики в зависимости от ус-
ловий протекания процесса следует
Разница между изобарной и изохорной теплоем-
костями определяет количество теплоты, пошедшее
на работу Р ' и на изменение внутренней энер-
гии системы
связанное с измене-
нием объема. Для жидких и твердых тел эта разница
обычно невелика, поэтому в технических расчетах ею
часто пренебрегают, пользуясь без особых оговорок
экспериментальными значениями изобарной тепло-
емкости. Определенная таким образом удельная теп-
лоемкость в единицах энергии, (в которых мы опре-
деляем и количество теплоты), на градус температу-
ры в избранной шкале. Следовательно, величина те-
плоемкости зависит от температурной шкалы.
Началом систематических измерений теплоемко-
сти веществ можно считать середину XIX в., когда в
1845 г. Джоуль провел эксперименты по определению
удельной теплоемкости жидкостей. Причем можно
считать, что Джоуль был первым, кто применил диф-
ференциальный метод в калориметрии д ля измерения
теплоемкости. Использованный им калориметр пред-
ставлял собой два совершенно одинаковых сосуда. В
один из них наливали жидкость, теплоемкость кото-
рой требовалось определить, в другой — воду. Массы
исследуемой жидкости и воды были равны. В каждый
сосуд помещали нагревательные спирали приблизи-
тельно равного сопротивления. Через некоторое вре-
мя после включения электрического тока измеряли по-
вышение температуры воды Д7[ и исследуемой жид-
кости Д Т2. Если принять теплоемкость воды за эталон,
равный единице, то искомая удельная теплоемкость
жидкости будет равна Сх = Св + Д Tj/Д Т2 .
Началом нового этапа в развитии аппаратуры и ме-
тодики измерения удельной теплоемкости веществ
стали работы В. Нернста в начале XX в. В 1909-
1911 гг. Нернст использовал разработанный им кало-
риметр для проверки собственной тепловой теории
— III начала термодинамики. Он измерял удельную те-
плоемкость как функцию температуры при низких
температурах в достаточно широком интервале тем-
ператур. При низких температурах согласно теории
П. Дебая удельная теплоемкость уменьшается соглас-
но кубу температуры, т.е. С= г- Т3, так что Для того
чтобы это выявить, необходимо было получить зна-
чительное число экспериментальных точек в некото-
ром интервале температур. Причем с понижением
температуры повышались требования к точности из-
мерения, так как при этом уменьшалось измеряемое
значение удельной теплоемкости.
Появление в свет в 1912 г. работы П. Дебая по тео-
рии теплоемкости твердых тел и возросший при этом
интерес к физике твердого тела стимулировали раз-
витие экспериментальных методов и приборов изме-
рения теплоемкости твердых тел. В последующие три-
дцать лет были разработаны основные калориметри-
ческие методы измерения теплоемкости, теплот
фазовых переходов, а также сконструированы боль-
шинство типов калориметров. С развитием общеиз-
мерительной техники и электроники за период с
--------- 447
40-х гг. до нашего времени калориметрические мето-
ды и приборы непрерывно совершенствовались.
(Подробно о современных калориметрах и их клас-
сификации см. раздел „Калориметрия".) Здесь толь-
ко необходимо отметить, что из всего многообразия
представленных калориметров для измерения удель-
ной теплоемкости подходят только калориметры, от-
несенные к группе неизотермических.
Однако перечень методов, применяемых для изме-
рения теплоемкости веществ, не ограничивается из-
ложенными в разделе „Калориметрия". Начиная с се-
редины 40-х гг. нашего столетия начинают появлять-
ся методы и устройства их реализующие, в основе
которых заложены идеи, принципиально отличающие-
ся от классических калориметрических. Все эти новые
методы имеют две принципиально общих черты:
— методы измерения теплоемкости основаны на
аналитическом решении уравнения теплопроводности
при различных граничных и начальных условиях;
— методы так или иначе основываются на прину-
дительном переводе исследуемого образца (путем по-
глощения заданного количества теплоты) из исходно-
го состояния с температурой у в близкое к нему со-
стояние с температурой Т + &Т-
Разнообразие же разработанных методов измере-
ния удельной теплоемкости обусловлено только раз-
личиями в видах и способах теплового воздействия
на образец, теплоемкость которого является искомой
величиной. Все эти методы можно отнести к классу
динамических (в отличии от квазистатических кало-
риметрических) методов, так как лежащее в их осно-
ве уравнение, связывающее искомую теплоемкость с
измеряемыми экспериментальными параметрами, по-
лучено из решения нестационарного уравнения теп-
лопроводности.
Динамические методы, используемые для опреде-
ления теплоемкости веществ, в зависимости от вида
теплового воздействия на образец можно разделить
на три группы:
— модуляционный метод;
— импульсный метод;
— метод монотонного разогрева.
Модуляционный метод — заключается в создании
периодических колебаний подводимой к образцу мощ-
ности и регистрации возникающих при этом колеба-
ний температуры образца. Односторонний подвод
мощности к образцу перерождается в „метод темпе-
ратурных волн". Данный метод является одним из са-
мых информативных, так как он позволяет измерять
помимо теплоемкости свойства переноса (теплопро-
водность, температуропроводность), коэффициент
теплового расширения и ряд др. Метод применяется
в широком интервале температур — от долей Кельви-
на до точки плавления тугоплавких металлов. Метод
наиболее эффективен для изучения металлов и спла-
вов, то есть электрических проводников, когда ис-
пользуется прямой нагрев образца электрическим то-
ком или электронной бомбардировкой. Для образцов,
являющихся диэлектриками, применяют отдельные
нагреватели. В этом случае на образец воздействует
не объемный гармонический источник мощности, а
поверхностный. При этом в периферийных по отно-
шению к местоположению нагревателя слоях образ-
ца распространяются затухающие температурные вол-
ны. Существуют варианты модуляционной калоримет-
рии, когда определение амплитуды колебаний темпе-
ратуры образца заменяется измерением их частоты и
сдвига фазы. Достигнутая в настоящий момент точ-
ность измерения такими методами не слишком высо-
ка: для металлов—(3-4) %, для диэлектриков —(5-7) %.
Однако при соответствующей метрологической про-
работке, использовании достижений современных
технологий и электроники можно ожидать достиже-
ния точности до 0,5 % и выше.
Импульсный метод — базируется на скоростном
самонагреве образца под воздействием импульса элек-
трического тока и измерении изменения температу-
ры в зависимости от времени. Развитие этого метода
стало возможным в связи с появлением пирометрии
высокоскоростного разрешения и быстродействую-
щих (микро- и наносекундных) аналого-цифровых
преобразователей, позволяющих без потерь заносить
информацию в память ЭВМ. Исследования в этом на-
правлении в первую очередь связаны с именами Се-
зерлиана и Руффино. Импульсные методы особенно
перспективны для исследования теплоемкости и дру-
гих теплофизических свойств в экстремальных усло-
виях (вблизи точки плавления, в условиях теплового
удара и т.д.), когда длительное поддержание системы
на столь высоком температурном уровне представля-
ет технически очень сложную задачу. В настоящий мо-
мент этот метод разработан для металлов и сплавов и
дает погрешность (1-2) %. При использовании им-
пульсных методов следует иметь в виду, что в силу рез-
кого изменения температуры образца во времени они
зачастую неприменимы для материалов с большим
временем релаксации тепловых процессов, напри-
мер, полимеров. С другой стороны, именно эта осо-
бенность при возможности варьировать мощностью
импульсов может оказаться полезной при исследова-
нии именно релаксационных процессов в веществах.
Метод монотонного разогрева базируется на за-
кономерностях разогрева образца источником квази-
постоянной мощности. Причем информативной ис-
пользуется квазистационарная стадия теплового про-
цесса, при которой температурное поле образца
перестает зависеть от начальных условий. Изменяет-
ся лишь общий уровень температуры, причем в пер-
вом приближении по линейному закону. Измерение те-
плоемкости основано на уравнении С = Р(г)- dTjdl, где
Р(г) — мощность, подаваемая к образцу, dljd т — ско-
рость разогрева. Рассматриваемый вариант чаще все-
го используется для измерения теплоемкости металлов
и сплавов. Измерения при этом проводятся на стерж-
нях, проволочках или полосках тонкого сечения, разо-
греваемых электрическим током. Режим адиабатиче-
ского линейного (монотонного) разогрева в последние
годы стали использовать для определения теплоемко-
сти и разнообразных неэлектропроводных материа-
лов. С этой целью исследуемое вещество помещают в
специальную металлическую ампулу для лучшего вы-
равнивания температуры по образцу. Но наибольшее
развитие метод монотонного разогрева получил в
448 ------- -------
варианте дифференциального калориметра, где не-
адиабатичностью можно пренебречь. Это так называе-
мые дифференциальные сканирующие калориметры.
В этих приборах в процессе монотонного разогрева
измеряется разность мощностей, необходимых для ра-
зогрева двух образцов, теплоемкость одного из кото-
рых — известная величина, с заданной скоростью. В
настоящее время приборы, основанные на этом мето-
де, нашли широчайшее применение в различных
областях науки и техники, включая промышленное
производство при контроле качества выпускаемой
продукции. Факторами, определившими широкое рас-
пространение этих приборов явились:
— разрешающая способность, или порог реагиро-
вания, находящийся на уровне единиц микроватт;
— высокая производительность;
— небольшие (до единиц миллиграмм) массы проб,
что особенно важно при исследованиях редких или
дорогостоящих в получении веществ;
— высокая информативность, позволяющая в хо-
де одного эксперимента определять ряд параметров
(теплоемкость, теплоту физико-химического процес-
са, кинетические параметры, степень чистоты мате-
риала).
Литература:
1. Низкотемпературная калориметрия / Перевод с англ,
под ред. Улыбина СА. — М.: Мир, 1971. — 264 с.
2. В. Химмингер, Г. Хене. Калориметрия. — М.: Химия,
1989. - 175 с.
3. Compendium of Thermophysical Property Measurement
Methods. Ed. D.K. Maglic, A.A. Cezairliyan, V.E. Peletsky. N.-Y.
// Plenum Press. — 1984. — vol. 1-2.
В.И. Кулагин
449
Государственный первичный эталон единицы
удельной теплоемкости твердых тел
Основные метрологические характеристики
эталона
диапазон температур, К 273,15-700
диапазон значений удельной теплоемкости,
Дж/(кг-К) 50-2000
среднеквадратическое отклонение результата
измерений ЗЮ4
неисключенная систематическая погрешность
измерений 5-10‘4
За рубежом измерительный комплекс аналогично-
го назначения имеется только в NIST (США), метро-
логические характеристики которого практически
имеют такие же значения.
В основу работы ГПЭ положен метод адиабатиче-
ского калориметра с периодическим вводом тепла,
при котором в контейнер со специальной мерой
(рис. 1), находящийся в адиабатических условиях (за
счет поддержания ду =0 между контейнером и адиа-
батической оболочкой) подается определенное коли-
чество тепловой энергии AQ > и измеряется вызван-
ный этим нагревом подъем температуры ду . По оп-
ределению теплоемкость C = &Q/&T.
Комплекс ГПЭ включает:
— адиабатический калориметр типа С-2;
— измерительный стенд;
— специальные эталонные меры.
Адиабатический калориметр типа С-2 обеспечива-
ет непосредственный периодический нагрев специ-
альной меры или исследуемого вещества в адиабати-
ческих условиях. Подъем температуры регистрирует-
ся платиновым термометром сопротивления, предел
допускаемой погрешности которого при измерениях
температуры составляет 0,01 К, а при измерениях раз-
ности температур до 50 К — 0,002 К.
В качестве специальной меры используется корунд
(ГОСТ 9618-61).
Эталон был утвержден Госстандартом СССР в ка-
честве Государственного первичного в 1974 г. Основ-
ные создатели ГПЭ единицы удельной теплоемкости
твердых тел: О.А. Сергеев, И.М. Френкель и В.И. Ку-
лагин. Научный руководитель разработки — О.А. Сер-
геев. С 1988 г. ученым-хранителем является В.И. Ку-
лагин
В процессе создания эталона и в период его после-
дующей эксплуатации были выполнены обширные сис-
тематические исследования корунда, оптического
кварцевого стекла и полиметилметакрилата. Эти ма-
териалы утверждены в качестве рабочих эталонов и
используются для передачи размера единицы ниже-
стоящим вторичным эталонам.
Кроме первичных эталонов во ВНИИМ разрабо-
таны и эксплуатируются:
— эталонный компаратор теплоемкости — диффе-
ренциальный сканирующий калориметр;
— эталонные меры удельной теплоемкости, пред-
назначенные для передачи размера единицы рабочим
средствам измерений.
Область применения
— калибровка приборов, используемых для фунда-
ментальных научных исследований в области физи-
ки твердого тела, микробиологии;
— калибровка приборов, используемых для контро-
ля качества строительных и теплоизоляционных ма-
териалов;
— калибровка приборов, используемых в материа-
ловедении при создании материалов с заданными
свойствами.
В.И. Кулагин
15 Зак. 450
450
Теплопроводность
Историческая справка
Теплопроводность — физическая величина, харак-
теризующая процесс передачи тепловой энергии от
частиц, обладающих большей энергией, к частицам с
меньшей энергией вследствие непосредственного со-
прикосновения этих частиц (молекул, атомов, элек-
тронов) .
В 1789 г. Ингенгуз впервые исследовал теплопро-
водность различных металлов, В 1791 г. граф Румфорд
(Бенжамен Томсон), также руководствуясь довольно
смутным представлением об этой величине, сделал
прибор, предназначенный для сравнения теплопро-
водности теплоизоляторов. Стройную теорию удалось
создать великому физику и математику Фурье (1822 г.).
Впервые было дано четкое определение нового свой-
ства материалов — теплопроводности. В начале XX в.
в связи с интенсивным использованием тепловой энер-
гии в технике таких выдающихся исследователей-фи-
зиков XVIII-XIX вв., как Био, Максвелл, Кельвин, Коль-
рауш сменили исследователи-теплотехники Гребер,
Нуссельт, Якоб, Гриффитс и др. Практическое изме-
рение тепловых свойств веществ признается одной из
труднейших задач технической физики. В связи с этим
с двадцатых годов XX в. измерение теплопроводности
вошло в практику государственных метрологических
институтов наиболее развитых стран; Великобрита
нии, США. Франции.
В России с учетом потребностей промышленности
технические тепловые измерения стали развиваться
в тридцатые годы, когда М.П. Стаценко в Физикотех
нической лаборатории, руководимой А.Ф. Иоффе и
М В. Кирпичевым, был построен прибор для измере-
ния теплопроводности теплоизоляторов, отвечавший
современным требованиям науки. Систематические
исследования были начаты Г.М. Кондратьевым, орга-
низовавшим кафедру тепловых измерений в Ленин-
градском институте точной механики и оптики и соз-
давшим научную школу в области теплофизических
измерений (Г.Н. Дульнев, Б.Н. Олейник, О.А. Серге-
ев, Е.С. Платунов, Н.А. Ярышев и др.). Теоретические
основы современных методов измерений теплопро-
водности заложены в работах Г. Карслоу и Д. Егера, а
также А.В. Лыкова и А. Г. Шашкова.
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева начал свою работу в
этом направлении с середины XX в. С целью создания
стандартного образца теплопроводности Б.Н. Олейни-
ком был исследован полиметилметакрилат. В шести-
десятых годах под руководством О.А. Сергеева создан
государственный первичный эталон единицы тепло-
проводности. В настоящее время он охватывает тем-
пературный диапазон от 90 до 1100 К.
В области низких температур точными измерения-
ми теплопроводности занимаются ВНИИФТРИ
(В.А. Медведев, К.В. Куриленок, Н.Г. Рыбкин) и ДАЛЬ-
СТАНДДР Г (Ю.Р. Чашкин). В области высоких темпе-
ратур — ИВТ РАН (Д.Л. Тимрот, В.Я. Чеховской,
В.Э. Пелецкий) и Институт огнеупоров в Санкт-Петер-
бурге (Е.Я Литовский).
Большой вклад в теорию точных методов измере-
ния теплопроводности, равно как и в развитие отече-
ственного теплофизического приборостроения,сде-
лали Е.С. Платунов и его ученики В.В. Курепин,
С.Е. Еуравой (С.-Петербургская академия холода и пи-
щевых продуктов).
Физические основы и
закономерности
Явление теплопроводности возникает при нали-
чии градиента температуры gradT и в одномерном
стационарном случае описывается уравнением Фурье
q = - Agrad Т ,
где <7 — плотность теплового потока; ^ — коэффи-
циент теплопроводности, или в системе СИ просто
^теплопроводность".
Для практического решения уравнения теплопро-
водности должны быть заданы начальные и гранич-
ные условия.
За единицу теплопроводности как физической ве-
личины принят ватт на метр-кельвин |Вт/(м-К)], чис-
ленно равный теплопроводности вещества, в котором
при стационарном режиме с поверхностной плотно-
стью теплового потока 1 Вт/м2 устанавливается темпе-
ратурный градиент 1 К/м.
В общем случае теплопроводность является функ-
цией структуры, плотности, влажности, давления и
температуры, при которой находится исследуемое ве-
щество. Если оно находится в газообразном состоя-
нии, то согласно элементарной кинетической теории
Л = и vpcv /?> ,
где и — средняя скорость теплового движения мо-
лекул; У — средняя длина свободного пробега; Р —
плотность газа; cv — удельная теплоемкость газа при
постоянном объеме.
В металлах теплопроводность осуществляется в ос-
новном за счет переноса энергии свободными элек-
тронами. В классическом приближении идеального
электронного газа
f tvw tv г j
I
где — постоянная Больцмана; ' — средняя ско-
451
рость теплового движения электронов; п — число
электронов в единичном объеме металла.
В металлических кристаллах механизмом тепло-
проводности служит передача энергии электронами
проводимости. В кристаллических диэлектриках ос-
новную роль играет передача энергии связанных ко-
лебаний узлов решетки. В первом приближении этот
процесс можно представить в виде распространения
в кристалле набора гармонических упругих волн. В
квантовой теории этим волнам сопоставляются квази-
частицы — фононы. Процесс решеточной теплопро-
водности может быть рассмотрен как перемещение
фононов по кристаллу. Средняя длина свободного про-
бега фононов является кинетической характеристи-
кой, аналогичной средней длине свободного пробега
молекулы. Решегочная теплопроводность кристаллов
определяется как
Л= WjKc/З , где и, — скорость звука;
с —теплоемкость единицы объема
При исследовании жидкостей и i-азов необходимо
учитывать возможное влияние конвекции и теплово-
го излучения.
Теплопроводность газов находится в пределах
0,00э-0,5 Вт/(м К). С повышением температуры она
возрастает; от давления в диапазоне от 2-103 до
2-108 Па практически не зависит. Закон аддитивности
здесь неприменим, поэтому для смеси газов теплопро-
водность достоверно может быть определена только
опытным путем.
Теплопроводность капельных жидкостей находит-
ся в пределах 0,08-0,7 Вт/(м-К). С повышением тем-
пературы для большинства жидкостей она убывает, за
исключением воды и глицерина.
Теплопроводность строительных и теплоизоляци-
онных материалов находится ь пределах 0,02-8,0
Вт/(м К). С повышением температуры она возраста
ст; зависит от структуры, пористости и влажности ма-
териала.
Теплопроводность металлов и сплавов находится
в пределах 5-400 Вт/(м-К). Для большинства металлов
характерно уменьшение теплопроводности с повыше-
нием температуры.
Теплопроводность каждого конкретного вещест-
ва точно предсказать теоретически невозможно. По-
этому лишь непосредственный опыт является един-
ственным способом определения достоверного зна-
чения теплопроводности.
Точные методы и средства измерения
При разработке методов определения А практиче-
ский интерес представляют только простейшие внут-
ренние обратные задачи теории теплопроводности,
явным образом связывающие А с тепловым воздейст-
вием, температурным полем и геометрией образца.
Иными словами, теоретическую основу большинства
современных точных методов определения теплопро
водности составляют аналитические закономерности
одномерных плоских или цилиндрических тепловых
и температурных стационарных полей в образцах, ко-
торые могут быть отнесены соответственно либо к
классу пластины или цилиндра, либо к классу плоско-
го или цилиндрического полупространства [11].
Приборы с горячей плоской плитой, снабженной
охранным кольцом для адиабатизации боковых по-
верхностей, широко применяются в качестве первич-
ных приборов для определения теплопроводности те-
плоизоляционных материалов. Метод, использован-
ный в этих приборах, был принят в качестве
стандартного в 1954 г. Международным объединени-
ем лабораторий испытаний строительных материа-
лов (RILEM) [6], а в шестидесятых — восьмидесятых
годах использован для эталонных измерений ведущи-
ми метрологическими лабораториями [13-15]. Воз-
можны варианты расположения горячей плиты меж-
ду двух холодных [9]. Возможно также использования
центрального нагревателя и цилиндрического иссле-
дуемого образца [10]. Приборы изготавливаются с на-
гревательными элементами, как равномерно распре-
деленными по площади квадратной, круглой или пря-
моугольной пластины, так и выполненными в виде
линейного источника тепла.
Дальнейшее повышение точности здесь, очевид-
но, возможно лишь путем использования результатов
более совершенных термометрических и электриче-
ских измерений, а также за счет тщательности изго-
товления образцов исследуемых материалов и компь-
ютерной обработки информации.
Области применения, роль
измерений физической величины в
науке и промышленности
Точные измерения теплопроводности необходи-
мы при фундаментальных исследованиях в физике
твердого тела, а также при решении таких, например,
вопросов прикладного характера, как исследование
возможностей создания и применения новых конст-
рукционных материалов с заданными свойствами
(сплавов, композитов, теплоизоляторов и т.д.), рас-
чет тепловых режимов энергетических установок,
приборов, зданий и сооружений, разработка техно-
логических процессов, связанных с нагревом и охла-
ждением.
В промышленности точные измерения теплопро-
водности в настоящее время, прежде всего, необхо-
димы для решения задач энергосбережения (уменьше-
ние тепловых потерь в отапливаемых зданиях и со-
оружениях, трубопроводах). Проведение таких
измерений требуется также для метрологического
обеспечения целой гаммы рабочих приборов — изме-
рил елей теплопроводности (поверка, создание образ-
цовых мер).
Система обеспечения единства
измерений
Целью прецизионных исследований теплопровод-
ности является достижение единсл ва измерений при
необходимом для современного состояния науки и тех-
ники уровне точности. Достижение поставленной це-
ли по созданию системы метрологического обеспече-
ния осуществляется путем комплексного решения
вопросов обеспечения полноты, единства и досто-
верности измерений на основе создания государствен-
ного эталона единицы теплопроводности и образцо-
вых средств со схемой передачи значений единицы
452 —
теплопроводности от эталона рабочим средствам из-
мерений, а также разработки, производства, испыта-
ния новых типов средств измерений теплопроводно-
сти, обеспечения ими предприятий и научных органи-
заций и создания системы их метрологического
обслуживания, методов и средств их поверки.
Для обеспечения единства измерений созданы го-
сударственные первичные и специальные эталоны
единицы теплопроводности (ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева, ВНИИФТРИ и ДАЛЬСТАНДАРТ) со следую-
щими обобщенными характеристиками:
температурный диапазон ВНИИФТРИ, К
от 4,2 до 90
температурный диапазон ДАЛЬСТАНДАРТ, К
от 90 до 300
температурный диапазон ВНИИМ, К
от 90 до 1100
неисключенная систематическая погрешность, %
от 0,45 до 2,0
среднее квадратическое отклонение результата изме-
рений, % от 0,3 до 1,0
Достигнутый уровень точности соответствует эта-
лонным средствам ведущих зарубежных метрологиче-
ских центров (NIST — США; NPL — Англия; РТВ — Гер-
мания).
Государственный первичный эталон в области из-
мерений теплопроводности представляет собой эта-
лонный комплекс установок, предназначенный для
воспроизведения, хранения единицы теплопроводно-
сти и передачи ее размера вторичным эталонам — ме-
рам теплопроводности и компараторам, которые в
свою очередь служат для передачи размера единицы
образцовым и рабочим средствам измерения.
В качестве эталонных мер теплопроводности ис-
пользуются следующие материалы:
оптическое кварцевое стекло марки КВ по
ГОСТ 15130-69
органическое стекло по ГОСТ 17622-72
оптическое стекло марки ТФ1 по ГОСТ 13659-78
оптическое стекло марки ЛК5 по ГОСТ 13659-78
нержавеющая сталь 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72
сплав ВТ6 по ГОСТ 19807-74
молибден марки МЧВП с чистотой 99,98 %.
Поверочные схемы (ГОСТ 8.140-82 и ГОСТ 8.177-
85) регламентируют методы и средства передачи раз-
мера единицы рабочим эталонам — мерам теплопро-
водности в комплекте с компараторами, и образцо-
вым мерам теплопроводности для поверки рабочих
средств измерений. В качестве РСИ применяются из-
мерители теплопроводности различных систем, в том
числе нестандартные исследовательские лаборатор-
ные установки.
В области измерений теплопроводности жидко-
стей и газов государственные эталоны и соответствую-
щие поверочные схемы отсутствуют.
Перспективы дальнейшего развития
Разработанная комплексная программа метроло-
гического обеспечения измерений теплопроводности
направлена на совершенствование эталонной базы
страны с учетом современных требований народно-
го хозяйства. Наиболее крупной из задач является соз-
дание эталона единицы теплопроводности нового по-
коления, что позволит:
— сохранить метрологические характеристики и
научно-технические параметры государственного
первичного эталона единицы теплопроводности на
современном мировом уровне;
— повысить точность измерения теплопроводно-
сти;
— расширить диапазон измеряемых значений теп-
лопроводности в область низких значений теплопро-
водности до 0,03 Вт/(м-К) с целью метрологическо-
го обеспечения наиболее эффективных современных
теплоизоляторов;
— создать новые эталонные меры теплопроводно-
сти из теплоизоляционных материалов для примене-
ния в органах Госстандарта и в ведомственных мет-
рологических службах;
— повысить производительность эталона и досто-
верность результатов за счет автоматизации процес-
сов измерений, сбора информации и обработки дан-
ных.
Литература:
1. Варгафтик Н.Б., Филиппов Л.П., Тарзиманов А.А.,
Тоцкий Е.Е. Справочник по теплопроводности жидкостей и
газов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 350 с.
2. ГОСТ 8.140-82 ГСИ. Государственный первичный эта-
лон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений
теплопроводности твердых тел в диапазоне температур 90-
500 К.
3. ГОСТ 8.177-85 ГСИ. 1Ъсударственный первичный эта-
лон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений
теплопроводности твердых тел в диапазоне температур 90-
300 К.
4. КарслоуГ.С., ЕгерД. Теплопроводность твердых тел.
Пер. с англ. - М.: Наука, 1964. - 487 с.
5. Кондратьев ГМ. Регулярный тепловой режим. — М.: Гос.
издательство технико-теоретической литературы, 1954. —
408 с.
6. Кондратьев ГМ. Тепловые измерения. — М.: Машгиз,
1957. - 244 с.
7. Лыков А.В. Теория теплопроводности. — М.: Высшая
школа, 1967. — 599 с.
8. Сергеев О.А. Метрологические основы теплофизиче-
ских измерений. — М.: Издательство стандартов, 1972. —156 с.
9. Сиу М., Булик С. Новый прибор НБС для измерения эф
фективной теплопроводности теплоизоляционных материа-
лов // Приборы для научных исследований. — 1981. — № 11.
-С. 115-123.
10. Татарашвили ДА., Сергеев ОА., Чистяков Ю.А. Госу-
дарственный первичный эталон единицы теплопроводности
твердых веществ // Измерительная техника. — 1975. — № 4.
-С. 18-21.
11. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Пла-
тунов, С.Е. Буравой, В.В. Курепин, Г.С. Петров; под общ. ред.
Е.С. Платунова. — Л.: Машиностроение, 1986. — 256 с.
12. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н.,
Козлов В.П. Методы определения теплопроводности и тем-
пературопроводности. — М.: Энергия, 1973. — 336 с.
13. Шашков А.Г., Абраменко Т.М. Теплопроводность газо-
вых смесей. — М.: Энергия, 1970. — 320 с.
14. DIN, 1959, „Bestimmung der Warmeleitfahigkeit mit der
Plattengerat", DIN 52612 (Deutsch Normenausschuss), West
Berlin.
15. „Methods for Determining Thermal Properties, B.S. 874;
1975“, British Standards Institute, London, England.
16. Annuai Book of ASTM Standards, Amer. Soc. for Testing
and Materials, Pt. 18, Philadelphia, Pennsylvania, 1980, p. 20-53.
Н.А. Соколов
453
Государственный первичный эталон единицы
теплопроводности твердых тел
Е области измерений теплопроводности твердых
тел в России существует целая группа государствен-
ных первичных и специальных эталонов, хранящих-
ся в институтах Нестандарта (ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева, ВНИИФТРИ, ДАЛЬСТАНДАРТ). Они охва-
тывают температурный диапазон от 4,2 до 1100 К.
ВНИИМ является хранителем государственного
первичного эталона единицы теплопроводности твер-
дых тел (ГЭТ 59-82), который включает в себя [1]: ус-
тановку А-2 для диапазона температур от 90 до 500 К,
установку А 3 для диапазона температур от 300 до
1100 К и специальные меры для конт роля с табильно-
сти эталонных установок. Основные метрологические
характеристики эталона:
— диапазон значений теплопроводности
при температурах от 90 до 500 К
0,1-5,0 Вт/(м-К)
при температурах от 300 до 1100 К
5-20 Вт/(м-К)
— среднеквадратическое отклонение результата из-
мерений 3-10'3-1-10'2
— неисключенная систематическая погрешность
измерений 6-10'3-2-10'2
В установке А-2 реализуется стационарный метод
радиального теплового потока, (Специальная мера име-
ет форму цилиндра диаметром 40 мм и длиной 120 мм.
По оси цилиндра просверлено отверстие для размеще-
ния центрального нагревателя. Параллельно оси ци-
линдра просверлено 8 каналов до его середины. Рас-
стояния между каналами в радиальном направлении
равно 10 мм. Эти каналы служат для размещения тер-
моэлектрических термометров (медь-константаловых
термопар). В первой парс каналов размещены две аб-
солютные термопары, служащие для определения тем-
пературы отнесения, а в остальных трех парах каналов
—три дифференциальных термопары, измеряющие ра-
бочую разность температур в радиальных направлени-
ях. Специальная мера помещена в медный цилиндри-
ческий стакан с намотанным на его наружной поверх-
ности фоновым нагревателем. Вся эта конструкция
охлаждается жидким азотом или проточной водой в за-
висимости от диапазона температур измерений.
В установке А-3 используется стационарный метод
осевого теплового потока. Специальная мера, имею-
щая форму цилиндра диаметром 20 мм и длину 60 мм,
окружена экранной изоляцией с засыпкой из легковес-
ного шамота и помещена в высокотемпературную печь.
Температура отнесения и рабочие разности темпера-
тур (перепад температур по оси цилиндрической ме-
ры) измеряются хромель-алюмелевыми термопарами.
Эталон был утвержден Госстандартом СССР в каче-
стве Государственного первичного в 1975 г (для диапа-
зона температур от 90 до 5U0 К) и персутвержден в рас-
ширенном диапазоне температур (до 1100 К) в 1982 г.
Основные создатели эталона: О.А. Сергеев,
Д.А. Татарашвили, Ю.А. Чистяков, А.З. Чечельниц-
кий, В.Г. Сурин. Научный руководитель разработки —
О.А. Сергеев. Первым ученым хранителем эталона
был О.А. Сергеев, в последующие годы учеными хра-
нителями были: Б Н. Олейник, В.Г Сурин, Н.А. Соко-
лов, Ю.А. Чистяков. С 2001 г. ученым хранителем яв-
ляется Н.А. Соколов.
В процессе создания эталона и в период его после-
дующей эксплуатации были выполнены обширные сис-
тематические исследования целого ряда материалов
(оптические стекла марок КВ, ЛК-5, ТФ-1, органиче-
ское стекло, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, титано-
вый сплав ВТ-6). Эти материалы утверждены в качест-
ве рабочих эталонов и используются для передачи еди-
ницы измерений вторичным эталонам. Выполненные
исследования показали высокую стабильность метро-
логических характеристик эталонных установок и ста-
бильность значений теплопроводности рабочих эта-
лонов.
Кроме первичных эталонов, во ВНИИМ разрабо-
тан и эксплуатируется целый комплекс вторичных эта-
лонов.
— эталонный компаратор теплопроводности;
— эталонный прибор для измерений теплопровод-
ности ИТО-5;
— эталонные меры теплопроводности, предназна-
ченные для передачи размера единицы образцовым
и рабочим средствам измерений.
Основные научные результаты.
Уникальность эталона. Сличения,
включая международные
Основным научным результатом работы по созда-
нию и последующих исследований эталонов являет-
ся достижение точности измерений теплопроводно-
сти на мировом уровне с обеспечением высокой ста-
бильности результатов. Это подтверждается прямыми
сличениями с другими государственными специаль-
ными эталонами на краях диапазонов первичных эта-
лонов, а также косвенными сличениями с результата-
ми измерений, полученными на установках эталонно-
го уровня на оптическом кварцевом стекле, в ведущих
метрологических зарубежных центрах (NIST — США,
РТВ — Германия, NPL — Великобритания).
....... 454 -------- ------
Государственный эталон единицы теплопровод-
ности является уникальным научным объектом, обес-
печивающим единство и правильность измерений в
России в данной области. В случае его утраты будет
нанесен непоправимый ущерб практически всем
отраслям народного хозяйства, поскольку все они в
той или иной степени имеют дело с тепловыми про-
цессами.
Назначение и области применения
Как указано выше, государственный эталон едини-
цы теплопроводности предназначен для обеспечения
единства и правильность измерений теплофизиче-
ских свойств веществ и материалов в России.
Знание теплофизических свойств веществ и мате-
риалов необходимо для расчетов тепловых режимов
энергетических установок, машин, аппаратов, прибо-
ров, зданий и сооружений, а также при разработке и
проведении различных технологических процессов,
связанных с нагревом и охлаждением.
Область применения результатов теплофизиче-
ских измерений охватывает практически все отрас-
ли народного хозяйства. Это прежде всего: энергети-
ка, машиностроение, приборостроение, авиация, кос-
мическая техника, строительство и производство
строительных материалов, сельское хозяйство (про-
мерзание почв, тепловые режимы теплиц и овощехра-
нилищ и т.д.), разработка и проведение различных
технологических процессов, связанных с нагревом и
охлаждением практически во всех отраслях промыш-
ленности, а также медицина, биология, экология и т.д.
Большую роль теплофизические измерения игра-
ют в настоящее время при решении проблемы энер-
госбережения. Это, прежде всего, снижение тепловых
потерь в зданиях жилого и промышленного назначе-
ния, а также в тепловых сетях и коммуникациях и вы-
полнение комплекса работ по энергоаудиту и серти-
фикации строительных и теплоизоляционных мате-
риалов по теплофизическим свойствам.
Существующий в России парк теплофизических
приборов и установок насчитывает в настоящее вре-
мя приблизительно 3000 единиц. Сюда входят уста-
новки, разработанные на отдельных предприятиях
для собственных нужд, серийно выпускаемые в СССР,
а в дальнейшем в России, приборы и экспортируемые
средства измерений.
Из серийно выпущенных приборов следует отме-
тить прежде всего разработки ЛТИХП (ныне С.-Пе-
тербургская академия холода и пищевых продуктов)
и ГСКБ „Теплофизприбор“ с участием ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева (приборы для измерений те-
плопроводности: ИТО-20, ИТЭМ-1М, ИТ--400,
ИТСМ-1М). В настоящее время в связи с экономиче-
скими трудностями производителей отечественных
приборов резко возрастает доля импортных средств
измерений. В России и за рубежом существуют десят-
ки приборостроительных фирм, предлагающих ши-
рокий спектр измерительной аппаратуры для тепло-
физических исследований. В США это в первую оче-
редь „Дюпон", „Линзайс", „Перкин-Элмер Корп.“,
„Галотекс". Во Франции — это приборостроительный
гигант широкого профиля „Сетарам". Японию на дан-
ном рынке приборов, в основном, представляет тор-
говая фирма „Ульван Синку-Рико", предлагающая
заинтересованным покупателям теплофизичекие при-
боры разработки ряда фирм, таких как „Ригаку Ден-
ки“, „Шимадзу", „Синку Рику" и ряд других. Высокий
авторитет в последние годы на международной аре-
не завоевала немецкая фирма „Нейтч", выпускающая
аппаратуру для широкой гаммы испытаний материа-
лов, включая и теплофизическую аппаратуру.
Система обеспечения единства
измерений (современное состояние)
Единство и правильность измерений теплофизи-
ческих свойств твердых тел обеспечивается наличи-
ем Государственных первичных, вторичных эталонов
и средств передачи единицы измерений рабочим при-
борам. Порядок передачи единицы измерений и нор-
мируемые погрешности отдельных звеньев регламен-
тируется соответствующей поверочной схемой [2].
Литература:
1. Татарашвили Д.А., Сергеев О.А., Чистяков Ю.А. Госу-
дарственный первичный эталон единицы теплопроводно-
сти твердых тел в интервале температур от 90 до 500 К. //
Измерительная техника. — 1975. — № 4. — С. 49-51.
2. ГОСТ 8.140-82.ГСИ. Государственный первичный эта-
лон и государственная поверочная схема для средств изме-
рений теплопроводности твердых тел в диапазоне темпера-
тур от 90 до 1100 К.
Н.А. Соколов
455
Дилатометрия
Историческая справка
Дилатометрия (от латинского dilato—расширяю) —
область измерений, изучающая изменение размеров
тел при изменении внешних условий — температуры,
электрических и магнитных полей, ионизирующих из-
лучений и т.д. В основном предметом дилатометрии
является тепловое расширение тел, являющееся все-
общим свойством конденсированных материалов. Ис-
следования теплового расширения позволяют полу-
чать сведения о силах, действующих между атомами, а
также оценивать анизотропию и ангармонизм меж-
атомного взаимодействия в твердых телах.
Первые работы по изучению теплового расшире-
ния относятся к последней четверти XIX в. Физо
(Fizeau) в 1862 г. применил интерференцию света для
измерения удлинения образца при тепловом расши-
рении [1]. В 1907 г. Хенинг (Henning) [2] предложил
конструкцию прибора, в котором тепловое расшире-
ние веществ измерялось относительно изученного за-
ранее теплового расширения кварцевого стекла. В
России отдельные работы по изучению теплового рас-
ширения материалов выполнялись еще в Главной па-
лате мер и весов. В 1899 г. И. Лебедевым [3] методом
весового термометра измерялся температурный коэф-
фициент объемного расширения кварцевого стекла,
необходимого для выполнения работ по созданию во-
дородного термометра. П.Г. Стрелковым в 1953-
1954 гг. была разработана конструкция дилатометра,
пригодного для проведения относительных измере-
ний ТКЛР в широком диапазоне температур [4]. Во
ВНИИМ проводились работы по изучению теплово-
го расширения эталонов длины под руководством про-
фессора В.А. Баринова [5] и позднее к.т.н. Л.К. Кая-
ка [6]. В 1958 г. для координации усилий ученых была
организована лаборатория дилатометрии под руково-
дством к.т.н. А.Н. Аматуни.
В 1972 г. был утвержден первый государственный
эталон единицы температурного коэффициента ли-
нейного расширения (ТКЛР). Далее в состав эталона
были включены вновь созданные установки, расши-
рен диапазон рабочих температур, улучшены метро-
логические характеристики, и в 1982 г. государствен-
ный первичный эталон (ГПЭ) единицы ТКЛР был ут-
вержден в новом составе. В 1983-1985 гг. были
проведены международные сличения между СССР,
Болгарией, Чехословакией, Польшей и Германией, и
по их результатам ГПЭ единицы ТКЛР был утвержден
как эталон Совета Экономической Взаимопомощи.
Физические основы и
закономерности
Основы современных представлений о тепловом
расширении тел были заложены Ферми, Френкелем,
Грюнайзеном. В соответствии с развитыми ими моде-
лями в основе теплового расширения лежит фундамен-
тальная закономерность строения конденсированной
материи: асимметрия сил притяжения и отталкивания
между частицами (атомами), составляющими макро-
скопическое тело. Баланс сил определяет устойчивое
расстояние между частицами в твердом теле, однако
минимум потенциала в точке равновесия остается
асимметричным, и при повышении температуры (и
энергии частицы в минимуме) частица смещается в сто-
рону более пологого края потенциальной ямы, что со-
ответствует типичному случаю — расширению при на-
гревании. В отдельных случаях причинами изменения
размеров могут являться структурные или фазовые пе-
реходы, происходящие при изменении температуры.
Величины коэффициентов (а) теплового линейного
расширения (ТКЛР) большинства веществ в области
комнатных температур отличаются друг от друга в пре-
делах одного порядка величины. Универсальность это-
го свойства является отражением общих законов, дик-
тующих характер взаимодействий в конденсирован-
ных средах. Близость численных значений ТКЛР
различных материалов и, как правило, слабая зависи-
мость этой величины от чистоты и предыстории ма-
териалов дополнительно подчеркивают фундамен-
тальный характер этой величины и ее связь с основ-
ными константами материала и его внутренним
строением. Таким образом, тепловое расширение яв-
ляется важной и информативной характеристикой
твердых тел, связанной с термодинамическими (сво-
бодная энергия, энтальпия), и структурными (фонон-
ный спектр, ангармонизм решетки, дефекты.) харак-
теристиками материала.
Тепловое расширение принято описывать с помо-
щью коэффициентов теплового линейного (или объ-
емного) расширения для твердых (или жидких) тел,
соответственно [7]. Для количественной характери-
стики теплового расширения твердых тел преимуще-
ственно используется ТКЛР (), получивший название
истинного (или дифференциального), определяемый
как
а=1/Т(Т)[ЭТ(Т)/ЭТ], (1)
где L(T) — длина тела при температуре у. Для
456 ------
удобства инженерных расчетов тепловое расширение
тел также характеризуют интегральным (средним)
ТКЛР на температурном интервале (Т{ - То)
^=1/LO[(L1-LO)/(T1-7O)]. (2)
В случае анизотропной среды температурные ко-
эффициенты линейного расширения кристаллов всех
кристаллографических классов, кроме кубического,
зависят от направления относительно кристаллогра-
фических осей. В этом случае ТКЛР является тензор-
ной величиной ctjj.
Объемное расширение по аналогии с линейным
характеризуется дифференциальным и интеграль-
ным коэффициентами объемного расширения (а), оп-
ределяемыми из выражений
^=1/У(ЭТ)[ЭУ(Г)/Эт], (3)
Л=1/^о[(^1-^)/(Т1-То)].(4)
В соответствии с формулами (1-4) единицей из-
мерения для линейного и для объемного расширения
является (градус Кельвина)1 или (1/К).
Информация о точных методах и средствах изме-
рений, принципы действия и классификация
Измерение ТКЛР материалов представляет собой
совместное измерение удлинения исследуемого образ-
ца и изменения температуры, вызвавшего это удлине-
ние.
Приборы для измерения ТКЛР—дилатометры раз-
деляют по принципу действия устройств для измере-
ния длины и удлинения на несколько групп: интерфе-
ренционные, компараторные, рентгеновские, меха-
нические с толкателями, использующие различные
способы регистрации перемещения толкателя; другие
дилатометры с различными принципами действия,
как правило, оптимизированные для специальных за-
дач и использующиеся преимущественно в исследо-
вательской практике (емкостные, лазерные и т.д.).
Интерференционные дилатометры используют мо-
нохроматические источники света с большой длиной
когерентности и высокой стабильностью длины вол-
ны излучения и обеспечивают максимальную точность
в определении размеров и изменения размеров образ-
цов. Существуют прецизионные интерференционные
дилатометры, построенные по схеме Физо [8-11],
Майкельсона [12], Фабри-Перо [13], поляризацион-
ные лазерные интерферометры [14-16]. СКО измере-
ния удлинения интерференционных дилатометров со-
ставляет величину порядка 0,01-0,003 мкм.
Компараторные дилатометры используются для
измерения ТКЛР образцов больших размеров, в осо-
бенности при высоких температурах. Компаратор-
ный метод реализуется как абсолютный, так и отно-
сительный метод измерения ТКЛР. Относительным
он является в том случае, когда измеряется разность
длин двух мер, одна из которых образец, вторая — ис-
ходная мера, у которой известен ТКЛР и ее длина.
Наиболее совершенные дилатометры компараторно-
го типа, созданные в ряде метрологических институ-
тов различных стран [17-20], обеспечивают возмож-
ность измерения удлинения с СКО порядка 0,6 мкм.
Рентгеновские дилатометры применяются для из-
мерений ТКЛР кристаллических тел, в т.ч. у микро-
образцов. Выполненный анализ точности измерений
на наиболее совершенных рентгеновских дилатомет-
рах [21-24] показал, что они могут обеспечить СКО
результата измерения относительного удлинения по-
рядка 1-105.
Механические дилатометры реализуют относитель-
ное измерение ТКЛР. Для относительных дилатомет-
ров является обязательным наличие либо промежуточ-
ного звена, передающего удлинение, либо меры, отно-
сительно которой ведется измерение удлинения
образца. Относительные дилатометры наиболее широ-
ко распространены в практике лабораторных и про-
мышленных измерений, так как они более производи-
тельны и в большинстве случаев не требуют операто-
ров высокой квалификации.
По принципу действия устройства, преобразующе-
го уд линение испытуемого образца, относительные ди-
латометры подразделяются на механические, оптиче-
ские и оптико-механические, электрические и электро-
механические. При измерении удлинения на подобных
дилатометрах тепловое расширение образца вызыва-
ет перемещение рычага, которое механически пере-
дается либо стрелке показывающего прибора (инди-
каторы, оптикаторы), либо автоматически регистри-
руются. Такого типа дилатометры могут работать в
атмосфере, вакууме или защитной среде.
В мировой лабораторной практике используются
серийно выпускаемые дилатометры фирм: Linseis,
Netzsch (Германия), Theta (США), Adamel, Lomardgi
(Франция), Sinko-Riko, Formaster (Япония), кварцевые
вертикальные дилатометры системы ДКВ (Россия)
[25, 26]. В зависимости от рабочего диапазона темпе-
ратур передающая система дилатометров изготовлена
из кварцевого стекла или монокристаллического ок-
сида алюминия.
Точность дилатометра, в котором реализуется от-
носительное измерение ТКЛР, ограничивается точно-
стью, с которой известен ТКЛР меры сравнения — пе-
редающего устройства, и погрешностями измерения
температуры всех звеньев кинематической цепи ди-
латометра. Для лучших типов относительных дила-
тометров погрешность измерения ТКЛР составляет
(2-3). 10’К1.
Области применения, роль
измерений физической величины в
науке и промышленности
Точные измерения ТКЛР необходимы при фунда-
ментальных исследованиях в физике твердого тела
(образование точечных дефектов, фазовые превраще-
ния) , при решении вопросов прикладного характера,
таких как исследование возможностей применения
новых конструкционных материалов с заданными
свойствами (прецизионных сплавов, оптических ма-
териалов, композитов ит.д.), соединений материалов
с различными ТКЛР, а также материалов, работающих
в сложных температурных условиях.
Потребности техники и технологии в измерении
теплового расширения не столь велики, как в изме-
рении основных единиц, однако эта потребность су-
ществует практически во всех наиболее современных
отраслях техники и технологий, использующих точ-
ное сопряжение деталей, функционирующих при пе-
457
ременных температурах. Точные дилатометрические
данные необходимы в вакуумной и полупроводнико-
вой электронике, использующих соединение разно-
родных материалов, а также в полупроводниковой
технике при создании гетеропереходов, лежащих в ос-
нове оптоэлектронной техники; работоспособность
устройств на гетеропереходах ограничивается нако-
плением деформаций из-за несогласованности ТКЛР
составляющих материалов.
Система обеспечения единства
измерений
Целью метрологического обеспечения в области ди-
латометрии является достижение единства измерений
при необходимом для современного состояния науки
и техники уровне точности. Достижение поставленной
цели по созданию системы метрологического обеспе-
чения осуществляется путем комплексного решения во-
просов обеспечения полноты, единства и достоверно-
сти измерений на основе создания государственного
эталона единицы ТКЛР и образцовых средств со схе-
мой передачи значений единицы ТКЛР от эталона ра-
бочим средствам измерений, а также разработкой, про-
изводством, испытанием новых типов средств измере-
ний ТКЛР, обеспечением ими предприятий и научных
организаций и созданием системы их метрологическо-
го обслуживания, методов и средств их поверки.
Для обеспечения единства измерений в области
дилатометрии созданы государственные первичные
и специальные эталоны единицы ТКЛР:
— для диапазона температур от 4,2 до 90 К — спе-
циальный эталон (ВНИИФТРИ) [27];
— для диапазона температур 90-1800 К — Государ-
ственный первичный эталон (ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева) [281;
— для диапазона температур 1800-2100 К — установ-
ка высшей точности (НПО „Дальстандарт") 129].
ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" является го-
ловным в области дилатометрических исследований
в России и обеспечиваел единст во измерений ТКЛГ
твердых тел в диапазоне температур 90-1800 К; до не-
давнего времени осущест влял т акже координацию ра
бот в этой области между метрологическими инсти-
тутами Госстандарта.
Государственный первичный эталон в области из-
мерений ТКЛР представляет собой эталонный ком-
плекс интерференционных дилатометров, служащий
для воспроизведения, хранения единицы ТКЛГ и пе-
редачи ее размера вторичным эталонам — мерам
ТКЛР. Передача размера единицы вторичным этало-
нам — мерам производится с помощью аттестации по-
следних на ГПЭ путем абсолютных совместных изме-
рений удлинения и изменения температуры меры,
вызвавшего это удлинение, и последующего вычисле-
ния значений ТКЛР в соответствующем диапазоне
температур. Методика обработки результатов измере-
ний на эталоне базируется на общих статистических
методах обработки экспериментальных данных, на
оценке неисключенных систематических погрешно-
стей (НСП) путем анализа измерительных систем,
объектов измерений, условий эксперимента [30, 31].
Поверочная схема (ГОСТ 8.018-82) (рис. 1) регла-
ментирует методы и средства передачи размера еди-
ницы рабочим эталонам — мерам ТКЛР, разрядным
эталонам — дилатометрам для различных диапазонов
температур и мерам ТКЛР для поверки рабочих
средств измерений (РСИ) [32]. В качестве РСИ при-
меняются дилатометры различных систем, в том чис-
ле нестандартные исследовательские лабораторные
установки.
Испытания, калибровка и
сертификация СИ, аккредитация
лабораторий и испытательных
центров
Для решения разнообразных научных и практиче-
ских задач в стране имеется достаточно широкая но-
менклатура дилатометров при общей численности по-
рядка четырех тысяч рабочих дилатометров. В соот-
ветствии с разработанной системой обеспечения
единства измерений в области дилатометрии эталоны
единицы ТКЛР обеспечивают поверку средств измере-
ний ТКЛР метрологических центров России и базовых
лабораторий ведомственных метрологических служб.
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева осуществляются:
— работы по калибровке и поверке эталонных и
рабочих СИ ТКЛР, включая дилатометры и меры
ТКЛР;
— работы по сертификации материалов по ТКЛР.
как для расширения номенклатуры эталонных мер
ТКЛР, так и по заказам науки и промышленности;
— аккредитация лабораторий на право сертифи-
кации и калибровки РСИ.
Международное сотрудничество
В 1983-1985 гг. были проведены международные
сличения между СССР. Болгарией, Чехословакией,
Польшей и Германией и по их результатам ГПЭ едини
цы ТКЛР был утвержден как эталон СЭВ.
На сегодняшний день ГПЭ единицы ТКЛР функ
ционирует и по своим метрологическим характери-
стикам находится на уровне высокоточных дилато
метров метрологических институтов развитых стран
мира. (Табл. 1)
Таблица 1
Вид характеристики Россия ВНИИМ США NIST Япония NRLM Канада NRC Великобрита ния NPL Словакия СНИМ
Диапазон температур, К 90-1800 90-1900 300-1300 300-1500 250-800 300-1123
Диапазон ТКЛР, ИГ*1 К'1 0,05-25 0,05-25 0,5-0,15 0,05-20 0,1-15 0,1 -25
Погрешность, S( 108 К1 0,2-16 0,2-30 1-15 0,5-25 2-9 0,5-25
15* Зак. 450
458
Рис. 1. Государственная поверочная схема для средств измерений температурного коэффициента линейного расшире-
ния твердых тел в диапазоне температур 90-1800 К
459
Перспективы дальнейшего развития
Разработанная комплексная программа метроло-
гического обеспечения дилатометрических измере-
ний направлена на совершенствование эталонной ба-
зы страны с учетом современных требований народ-
ного хозяйства. Наиболее крупной из задач является
создание эталона единицы ТКЛР нового поколения,
что позволит:
— сохранить метрологические характеристики и
научно-технические параметры ГПЭ единицы ТКЛР
на современном мировом уровне;
— повысить точность измерения ТКЛР;
— расширить диапазон измеряемых ТКЛР и тем-
ператур;
— повысить производительность эталона и досто-
верность результатов за счет автоматизации процес-
сов измерений, сбора информации и обработки дан-
ных;
— повысить экономичность функционирования
эталона за счет уменьшения количества установок, их
материалоемкости, использования современных тех-
нологий при их конструировании, уменьшения чис-
ла операторов благодаря максимальной автоматиза-
ции процесса измерения.
Необходимо продолжить работы по разработке
средств передачи размера единицы ТКЛР. Эта рабо-
та должна включать:
— создание мер ТКЛР с различными физически-
ми свойствами для применения в органах Госстандар-
та и в ведомственных метрологических службах;
— создание средств и методов поверки существую-
щих и вновь создаваемых образцовых и рабочих дила-
тометров, что повысит точность измерения ТКЛР но-
вых конструкционных материалов и обеспечит их кон-
курентоспособность на мировом рынке.
Тенденцией развития современной науки и про-
мышленности следует считать тот факт, что современ-
ная техника все больше ориентируется на новые ма-
териалы. Поэтому важным направлением деятельно-
сти в дилатометрии должна стать разработка и
создание системы метрологического обеспечения из-
мерений ТКЛР новых материалов в широком диапа-
зоне температур.
Контроль ТКЛР создаваемых материалов и их сер-
тификация повышают конкурентоспособность на ми-
ровом рынке, позволяют производить обоснованный
выбор материалов для конструкций, работающих в экс-
тремальных условиях при переменных температурах.
Это имеет принципиальное значение для повышения
качества продукции высокотехнологичных отраслей
промышленности: электронной, аэрокосмической тех-
ники, приборостроения, материаловедения (сплавов
разнородных материалов, композитов и керамик, оп-
тических и малорасширяющихся материалов).
Эталоны и средства измерения ТКЛР высшей точ-
ности основаны на классических принципах. Исполь-
зуемые методы требуют для реализации измерений
ТКЛР точно изготовленных образцов специальной
конфигурации. Однако в настоящее время во многих
случаях требуется информация о ТКЛР для материа-
лов, не допускающих возможности изготовления не-
обходимых специальных образцов: пленок, волокон,
пористых тел. Поэтому актуальной задачей является
также разработка методов и создание устройств, ко-
торые позволят распространить методы измерения
высшей точности на широкий круг современных ма-
териалов.
Литература:
1. Fizeau Н. // Ann. Chim. Chys. — 1868. — v. 8. — Т 4. —
P. 335.
2. Henning F.//Ann. Physic. — 1907, —v. 22 (4). —P. 631.
3. И. Лебедев. Водородный термометр Главной палаты
мер и весов / Временник Главной палаты мер и весов, ч. 4.
- СПб, 1899.
4. Стрелков П.Г., Косоуров Г.И., Самойлов В.Н. // Изв.
АН СССР, серия физ. - 1953. - № 17. - С. 383.
5. Баринов ВА. Современное состояние эталонов дли-
ны. -Л.: Изд-во ВНИИМ, 1941.
6. Каяк Л.К. Эталоны длины и результаты их сличений
// Труды институтов комитета. — М.-Л.: Стандартгиз, 1961.
— вып. 47 (107).
7. Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения тем-
пературных коэффициентов линейного расширения мате-
риалов. — М.: Изд-во стандартов, 1972. — С. 140.
8. Hahn ТА. Thermal Expansion of Copper from 20 to 800 К
— Standard Reference Material 736. //J. Appl. Phys. — 1970. —
vol. 41. - N 13. - p. 5096-5101.
9. Schauer A. Thermal Expansion, Gruaneisen parameter
attd temperature dependence of Cattice vibration frequencies
of aluminium oxide. // Canad. J. of Phis. — 1965. — vol. 43. —
N 4.-P. 523-531.
10. Rubin T., Altman H.W., Johnston H.L. Coefficients of
Thermal Expansion of solids at Low Temperaturies. //J.Am.
Ceram. Soc. - 1954. - vol. 76. - N 5. - P. 5289-5293.
11. Аматуни A.H., Компан Т.А., Малютина T.И.,
Романов B.H., Шевченко Е.Б. Создание комплекса эталон-
ных средств измерений ТКЛР на основе применения ОКТ,
автоматики и вычислительной техники // Метрология и
точные измерения. — 1981. — № 12. — С. 10-13.
12. Droting W.R. Development of a Laser Intenferometric
Dilatometr. — Thermal Expansion — 7, Plenum Press., N.J.Lon.,
1982, p. 55-65.
13. Blankinship E.A., Guenther A.H. An automate! optical
dilatometr for inhomogeneously expanding material. —
„Thermal Expansion — 1973“, AJP. Conference Proceedings N17
NJ., 1974, p. 167-176.
14. Roberts R.B. Absolute dilatometry using a polarization
interferometer. //J. of Phys. E: Scientific Instruments. — 1981.
-v. 14. - N 12. - P. 1386-1388.
15. White A.D. Use of Cer-Vit Material in Low Expansion
Reference Optical Cavitits. // Appl. Opt. — 1967. — vol. 6. —
P. 1138-1139.
16. Foster J.D., FinnieJ. Method for Meausung Small
Thermal Expansion with Single Frequency He-Ne Laser. — Rev.
Scient. Instr., 1968, vol. 39, N 5, p. 654-657.
17. Wilmer Souder W., Hidnert P. Measurement of the
thermel expansion of fused silica. // Sci. Pap. Bur. Sstand. —
1926. - P. 524.
18. Rothrock B.D., Kirby R.K.,An Apparatus for Measuring
thermal Expansion at Elevated Temperatures.'*// J. Res. NBS,
Engin. Instr. — 1967. — 71C, 2.
19. Otto J., Thomas W. „Die thermische Ausdehnung von
Quarzglas im Temperaturbereich von 0 bis 1060 °C.“ // Z. Phys.
- 1963,-175.-P. 337-344.
20. Oishi L, Kimura T. „Thermal Expansion of Fused
Quartz" // Metrologia. — 1969. — 5. — P. 2.
21. Dale A. Vaughan, Charles, Schwartz M. // Advances in
X — ray analysis. — 1962. — 5.
22. Интрейтер, Смит. Высокотемпературная камера Де-
бая — Шерера // Приборы для научных исследований. —
1968.-39,- 10.-С. 88.
23. Simmons R.O., Balluffi R.W. // Phys.Rev. -1958. -109.
-4.-P. 1142.
24. Batchelder D.N., Simmons R.O. //J .Appl. Phys. —1965.
- 36. - P. 6.
460 —
25. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. —
М.: Наука, 1974.
26. Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения
ТКЛР материалов. — М.: Изд-во стандартов, 1972.
27. Агранович Я.С., Малышев В.М. Установка для изме-
рения ТКЛР твердых тел интерференционным способом /
/ Измерительная техника. — 1974. — № 7. — С. 34-35.
28. Аматуни А.Н., Малютина Т.И., Шевченко Е.Б.,
Компан ТА., Коренев А.С. Государственные первичный эта-
лон и поверочная схема для средств измерений ТКЛР твер-
дых тел в диапазоне температур 90-1800 К // Измеритель-
ная техника. — 1986. — № 9. — С. 34-35.
29. Поснов Н.П., Гуревич В.М., Деминев А.Е. Высокоточ-
ный абсолютный интерференционный дилатометр ДИВА-
1 // Измерительная техника. — 1979. — № 12. — С. 54.
30. Аматуни А.Н., Романов В.Н., Малютина Т.И. Сравне-
ние моделей, применяемых для описания дилатометриче-
ских экспериментов // Теплофизика высоких температур.
- 1978. - № 5. - С. 1041-1045.
31. Аматуни А.Н., Романов В.Н., Малютина Т.И. Обра-
ботка результатов дилатометрических измерений // Изме-
рительная техника. — 1980. — № 1. — С. 39-42.
32. Романова М.Ф. Интерференция света и ее примене-
ние. — М.-Л.: Объединенное научно-техническое издатель-
ство. — 1937.
33. Аматуни А.Н., Компан Т.А., Коренев А.С.,
Малютина Т.И. Автоматизированный комплекс интерферен-
ционных дилатометров // Электронная техника. — 1991. —
серия 8. — вып. 5 (147). — С. 16-18.
ТА. Компан
461
Государственный первичный эталон единицы
температурного коэффициента линейного
расширения твердых тел
Описание и состав эталона
Работы в области дилатометрии в диапазоне тем-
ператур 4,2-90 К выполнялись во ВНИИФТРИ (спе-
циальный эталон); в диапазоне температур 1800-
2100 К— НПО „Дальстандарт“ (установка высшей точ-
ности)
Для обеспечения единства измерений во ВНИИМ
создан и функционирует Государственный первичный
эталон единицы ТКЛР твердых тел (ГЭТ 24-82) для об-
ласти температур 90-1800 К. Первичный эталон еди-
ницы ТКЛР представляет собой эталонный комплекс
средств измерений, служащий для воспроизведения,
хранения единицы ТКЛР и передачи ее размера вто-
ричным эталонам [1, 2] (рис. 2).
Единица ТКЛР воспроизводится на эталонных ин-
терференционных дилатометрах на основе использо-
вания эталонов единиц длины и температуры и пере-
дается вторичным эталонам — мерам ТКЛР путем аб-
солютного совместного измерения удлинения меры
и изменения температуры, вызвавшего это удлине-
ние, и последующего вычисления значений ТКЛР в
соответствующем диапазоне температур. Результаты
совместных измерений обрабатываются по алгорит-
му, позволяющему определять параметры аппрокси-
мирующей функции, ТКЛР и их дисперсии [3, 4].
Исходя из технических возможностей для обеспе-
чения требуемой точности измерений ТКЛР в диапа-
зоне температур 90-1800 К оказалось необходимым
создание трех интерференционных дилатометров
ДИС-7, ДИ-8 и ДИВ-6 для диапазонов температур со-
ответственно 90-450 К, 300-1100 К и 600-1800 К[5].
Для измерения удлинения в этих дилатометрах при-
менен интерференционный принцип, что позволяет
измерять удлинение мер во вторичных эталонах в дли-
нах волн излучения гелий-неоновых лазеров. Измеряе-
мая мера с интерференционными пластинами образу-
ет интерферометр Физо с углом клина порядка 30 ", при
освещении которого параллельным пучком монохро-
матического света образуются полосы равной толщи-
ны [6]. При изменении температуры меры меняется
ее длина и, соответственно, разность хода интерфе-
рирующих лучей, что приводит к смещению полос; по-
следнее регистрируется с помощью автоматизирован-
ной системы счета полос, использующей линейные оп-
тоэлектронные преобразователи на ПЗС и ПЭВМ типа
IBM PC [7].
Температура вторичных эталонов — мер ТКЛР из-
меряется платиновым термометром сопротивления
в диапазоне температур 90-450 К, платинородий —
платиновой термопарой в диапазоне температур 300-
1100 К и платинородий — платинородиевой термопа-
рой в диапазоне температур 600-1800 К.
Основные метрологические
характеристики ГПЭ единицы ТКЛР
Диапазон значений ТКЛР, в котором воспроизво-
дится единица — от 0,05-100до 25.10 '6 К'1. Эталон обес-
печивает воспроизведение единицы со средним квад-
ратическим отклонением результата измерений, не
превышающим 0,20-10 •8-1,5-10’®К1 при трех независи-
мых измерениях в зависимости от значений темпера-
туры и ТКЛР. Неисключенная систематическая по-
грешность не превышает 0,03-10 d-30 10 8K ’ в зависи-
мости от значений температуры и ТКЛР (здесь и далее
величины погрешностей указываются для стоградус-
ного интервала температур).
Основные метрологические характеристики дила-
тометров, входящих в ГПЭ единицы ТКЛР, приведе-
ны в таблице 2.
ГПЭ единицы ТКЛР по своим метрологическим ха-
рактеристикам находится на уровне высокоточных
дилатометров метрологических институтов развитых
стран мира (см. табл. 1).
Номер по государственному реестру ГЭТ 24-82.
Рис. 2
462
Назначение и области применения
Государственный первичный эталон единицы
ТКЛР предназначен для воспроизведения, хранения
единицы ТКЛР и передачи ее размера вторичным эта-
лонам
Потребность техники и технологии в измерении
теплового расширения существует практически во
всех современных отраслях техники и технологий, ис-
пользующих точное сопряжение деталей, функциони-
рующих при переменных температурах. К ним отно-
сятся авиационная и космическая техника, электрон-
ная промышленность, приборо- и машиностроение.
При производстве новых конструкционных материа-
лов различного назначения возникает необходимость
технологического контроля и сертификации по
ТКЛР. Применение этих материалов в сложных тем-
пературных условиях, использование соединений ма-
териалов с разными ТКЛР также требуют знания ве-
личины ТКЛР с высокой точностью Таким образом,
в развитом технологическом обществе потребность
в измерениях ТКЛР почти столь же высока, как и ь
основных видах измерений.
Для решения разнообразных научных и практи-
ческих задач в стране эксплуатируется порядка чегы-
рехтысяч рабочих дилатометров различных типов. В
ихчисло входят относительные дилатометры, выпус-
каемые в России, и дилатометры различных типов,
разра ботанные предприятиями и отраслевыми НИИ
для специальных целей исследований, а также им-
портные дилатометры, не обеспеченные техниче-
ской документацией, регламентирующей погреш-
ность измерения на них. Все эти РСИ требуют для сво-
ей поверки образцовых мер различной конфигурации
с различными физическими свойствами. Кроме того,
растет число отраслей науки и техники, которым нуж-
ны РСИ, по точностным характеристикам замыкаю-
щиеся непосредственно на ГПЭ единицы ТКЛР.
Э)алоны единицы ТКЛР, работающие во ВНИИМ.
обеспечивают поверку практически всех средств из-
мерений ТКЛР метрологических центров России и
базовых лабораторий ведомственных метрологиче-
ских служб.
Основные научные результаты
В настоящее время научная работа во ВНИИМ в
области дилатометрии ведется по нескольким направ-
лениям:
— храпение и поддержание ГПЭ единицы ТКЛР:
— основное внимание уделяется обеспечению не-
прерывного функционирования эталона, поддержа-
нию его метрологических характеристик, переходу на
новый аппаратно-программный комплекс автоматиза-
ции измерений ТКЛР;
— работы по калибровке и поверке эталонных и ра-
бочих СИ ТКЛР, включая дилатометры и меры ТКЛР;
— работы но сертификации материалов по ТКЛР
как для расширения номенклатуры эталонных мер
ТКЛР, так и по заказам науки и промышленности;
— работы по созданию ГССД в области теплового
расширения
Работы по разработке новых методов и средств из-
мерений ТКЛР.
Научные исследования по совершенствованию
эталонных установок с целью улучшения их ме гроло-
гических характеристик проводятся по двум основ-
ным направлениям: повышение точности и достовер-
ности определения параметров интерференционной
картины на эталонных дилатометрах и улучшение ха-
рактеристик системы регулирования температуры в
криостате и печах - термостатах дилатометров. При-
менение современных средств высокоточной измери-
тельной и вычислительной техники позволяет ре-
шить эти проблемы в рамках комплексной системы
автоматизации дилатометрических измерений. Высо-
кая точность отсчета дробной части порядка интер-
ференции достигается за счет использования твердо-
тельного матричного видео-преобразователя высоко-
го разрешения с быстродействующими устройствами
ввода изображений в ЭВМ и эффективными алгорит-
мами обработки получаемой информации. Данное
техническое решение позволяет осуществить слеже-
ние за положением образца и осуществить эффектив-
ную привязку начала отсчета порядка интерференции
к его координатам, что позволяет снизить случайную
и систематическую погрешности измерений, вызван-
ные изменением положения образца в процессе из-
мерений, связанные с неоднородностью его рас-
ширения. Улучшение характеристик регулирования
температуры обеспечивается применением многока-
нальной прецизионной компьютерной системы изме-
рения температуры и многоканального управления
нагревателями. Специальные а лгоритмы управления
позволяют сократить длительность эксперимента за
счет оптимизации динамических характеристик и
обеспечит ь операт ивный контроль за распределени
ем температур в термокриостатах во всех режимах ра-
боты, что особенно важно при исследовании быстро
расширяющихся материалов.
Таблица 2
Погрешности результата измерений ТКЛР на эталонных дилатометрах
Эта- лон- ный дилато- метр Значение погрешности результата измерений СКО (5), НСП(0) на эталонных дилатометрах, Ct-Ю8 К’1 для материалов
«=0,05-10* К1 а=5-10*к1 a=io-io*K' а=25-10-6К-'
Ss sa Sr
ДИС-7 0,21 0,02 0,21 0,21 0,18 0,23 0,21 0,18 0,23 0,22 0,84 0,53
ДИ-8 0,22 0,19 0,25 0,25 1,1-1,2 0,69-1,3 0,32 2,2-4,3 1,3-2,5 0,58 5,4-11,0 3,2-6,3
ДИВ-6 1,5 1,0 1,7 1,5 7,0 4,3 1,5 10,0 6,0 1,5 28,0 16,0
463
Уникальность и преимущества
Измеряемые на практике ТКЛР различаются на че-
тыре порядка и лежат в диапазоне ЫО^К'-З-Ю^К'1.
Диапазон рабочих температур составляет 4,2-3000 К.
Основной тенденцией на сегодняшний день мож-
но считать тот факт, что потребности высокотехноло-
гичных отраслей науки и промышленности находятся
на уровне возможностей эталона по точности. Это в
свою очередь ставит задачу по созданию эталона еди-
ницы ТКЛР нового поколения для того, чтобы сделать
высшие достижения эталонной техники более доступ-
ными для отраслевых потребителей.
Тепловое расширение твердых тел мало относи-
тельно размеров этих тел. Это является причиной то-
го, что измерения теплового расширения являются
технически сложными, требующими высокой квали-
фикации и использующими отдельные виды измере-
ний, входящие в общий процесс измерения Т КЛР, па
уровне возможных высших точностей. Имеющийся
опыт позволяет прогнозировать, что измерение ТКЛР
не будет сведено к простым процедурам, доступным не
подготовленным измерителям, и всегда будет требо-
вать метрологической ассистенции Поэт ому высокий
уровень точности измерений ТКЛР является таким же
национальным достоянием, как высокий уровень точ-
ности в обрабатывающей промышленности или вла-
дение высокими технологиями производства совре-
менных материалов. Утеря методов контроля ТКЛР ма-
териалов явится серьезным шагом назад в техническом
прогрессе страны, поскольку высокие технологии и ме-
тоды контроля являются звеньями неразрывной цепи.
Этот фактор осознается в высокоразвитых странах, в
которых производство дилатометров осуществляется
многими фирмами.
Международные сличения и
сотрудничество
В 1983- 1985 гг. были проведены международные
сличения национальных эталонов единицы ТКЛР ме-
жду СССР, Болгарией, Чехословакией, Польшей и Гер-
манией.
В настоящее время работы с зарубежными иссле-
довательскими центрами ведутся на контрактной ос-
нове.
Т.А. Кимпан
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерения
времени и частоты
465
История создания в России единой службы
времени и частоты
Время—основная независимая единица всех систем,
объединяющих физические величины. Первые измере-
ния этой величины относятся к глубокой древности. Уже
в древнем Вавилоне и античных Греции и Риме исполь-
зовались различные устройства для измерений време-
ни. Единица времени связана с периодом обращения
Земли вокруг своей оси, наблюдаемым по моментам про-
хождения звезд, путем астрономических наблюдений.
Такое представление о единице времени было, по край-
ней мере, до 50-х гг. В настоящее время точнее воспро-
изводится ее обратная величина — частота с помощью
молекулярных и атомных генераторов, являющихся ес-
тественными реперами частоты. Вместе с тем важность
астрономических наблюдений сохранится для многих
приложений науки и техники и в будущем.
Служба времени в России связана с историей созда-
ния Пулковской астрономической обсерватории, начав-
шей свою деятельность под руководством академика
В.Я. Струве в 1839 г. Ее основными задачами было изме-
рение абсолютного времени по астрономическим на-
блюдениям за положением звезд и связь с зарубежны-
ми астрономическими обсерваториями.
Те же задачи были поставлены и перед созданной в
1893 г. Главной Палатой мер и весов. Эталонная лабора-
тория времени ВНИИМ была организована по инициа-
тиве Д.И. Менделеева в 1895 г. проф. Ф.И. Блумбахом,
руководившим ею до 1921 г. Первоначально лаборато-
рия обладала небольшим фондом часов иностранного
производства, который к 1905 г. пополнился четырьмя
высокоточными для того времени астрономическими
часами системы Рифлера со случайным изменением су-
точного хода порядка 0,01-0,02 с, составившими впо-
следствии государственный групповой эталон, храня-
щий единицу времени — секунду. Одни из таких часов
были установлены в Зимнем дворце, и с ними поддер-
живалась постоянная проводная связь.
С 1900 г. во ВНИИМ начались регулярные астроно-
мические наблюдения с помощью пассажного инстру-
мента, обработка их результатов и передача учрежде-
ниям науки и промышленности сигналов точного вре-
мени.
Для наблюдений в специально построенном по ини-
циативе Д.И. Менделеева зданий в 1902 г. оборудуется
обсерватория Главной палаты, получившая впоследст-
вии наименование „Ленинград”, в которой устанавли-
вается изготовленный в 1890 г. пассажный инструмент
Бамберга и ряд вспомогательных приборов и устройств.
В дальнейшем как сам инструмент, так и условия его экс-
плуатации постоянно совершенствовались вплоть до
консервации обсерватории в 80-е гт.
В последующие годы проводились работы по даль-
нейшему совершенствованию средств и методик опре-
деления точных моментов времени, передачи радиосиг-
налов точного времени и исследованию в смежных об-
ластях измерений.
В дореволюционный период в лаборатории работа-
ли такие видные ученые, как профессор С.-Петербург-
ского университета А.А. Иванов (1901-1911 гг. и 1929-
1938 гг.), известный специалист в области астрономии
и геодезии, а также В.Д. Баскаков, Л.Д. Исаков,
М.Н. Младенцев, Радченко, В.И. Старцев и др.
В 1917 г. во ВНИИМ начал работать проф.
Н.Х. Прейпич, ставший в последствии видным ученым
института. В 1922 г. он был назначен (после смерти
Ф.Н. Блумбаха) руководителем лаборатории точного
времени и проработал в этой должности почти 25 лет
до 1946 г. Он вывел лабораторию на уровень лучших ино-
странных учреждений в данной области измерений и
принимал активное участие в Международной службе
времени.
В институте более 40 лет (с 1894 по 1937 гг.) работал
удивительный умелец и механик И.И. Кварнберг, кото-
рый в сотрудничестве с Ф.Н. Блумбахом и Н.Х. Прейпи-
чем создал много точных измерительных приборов для
службы времени и других видов измерений.
В 1934 г. И.И. Кварнбергом и Н.Х. Прейпичем были
начаты работы по созданию новых высокоточных астро-
номических маятниковых часов, которые были завер-
шены только в послевоенное время с участием лабора-
тории времени и Ленинградского завода „Эталон”, по-
лучившие наименование часов Шорта-Кварнберга типа
АЧЭ. В их создании и исследовании активную роль сыг-
рали к.т.н. С.С. Товчигречко, к.т.н Л.И. Соловьева, а так-
же механик завода К.Д. Анисимов. Было выпущено не-
сколько десятков часов АЧЭ для оснащения служб вре-
мени СССР.
В 1924 г. лаборатория времени ВНИИМ включается
в международную службу времени и устанавливает связь
с международным бюро времени (Париж), являясь в то
время единственным представителем СССР в этой ор-
ганизации. Под именем „Ленинград” лаборатория вре-
мени вошла в группу 9 обсерваторий, игравших в тече-
ние многих лет основную роль в мировой службе време-
ни. В дальнейшем в эту службу от СССР вошли:
астрономический институт им. Штернберга (Москва-ас-
трономическая), Центральный институт геодезии (Мо-
сква-геодезическая), ХГНИИМ (Харьков) и Ташкент-
ская астрономическая обсерватория (Ташкент).
К началу 30-х гт. относится организация лаборатори-
ей времени ВНИИМ регулярной передачи сигналов вре-
мени через Ленинградскую широковещательную радио-
станцию РВ-53, что и положило начало государственной
службе времени в СССР. В эти годы были выполнены
работы по усовершенствованию методов приема радио-
сигналов времени, что позволило снизить погрешность
приема до 0,001-0,004 с не только для лабораторных, но
466
и полевых условий. Были выполнены исследования по
автоматической регистрации радиосигналов и работы
по исследованию всей группы эталонных часов. В эту
группу были введены усовершенствованные И.И. Кварн-
бергом под руководством проф. Н.Х. Прейпича астро-
номические часы Шорта, освоенные в послевоенный пе-
риод производством на заводе „Эталон" при ВНИИМ,
точность которых была перекрыта только в 50-е гг. со-
трудником ХГНИИМФ.М. Федченко, создавшим астро-
номические часы АЧФ с суточным ходом порядка деся-
титысячных долей секунды. Необходимо отметить, что
до 1941 г. лабораторией под руководством Н.Х. Прейпи-
ча было выполнено много научно-исследовательских и
метрологических работ по повышению точности изме-
рений времени и передаче и регистрации радиосигна-
лов точного времени. В период времени с 1929 по
1941 гг. в лаборатории работали проф. А.Н. Доброхотов,
П.Н. Долгов, И.Д. Жончалович, Н.К. Михельсон,
Б.И. Рак, А.Ф. Родынский, МА. Родынский и др.
Великая Отечественная война (ВОВ) нарушила нор-
мальные эталонные работы лаборатории времени ВНИ-
ИМ (в частности астрономические наблюдения), пере-
ключившейся на задачи, диктуемые Ленинградским
фронтом, но не прерывали ее круглосуточного функцио-
нирования. При этом часть сотрудников лаборатории
была эвакуирована в тыл страны, а некоторые из них
погибли в дни блокады Ленинграда. Бесперебойная ра-
бота лаборатории по трансляции сигналов точного вре-
мени имела неоценимое значение для фронта, т.к. Пул-
ковская служба времени прервала свою деятельность, а
обсерватория была полностью разрушена. В те дни в
лаборатории был установлен простой прибор с мерно
качающимся маятником — метроном, извещающий жи-
телей блокадного города об исправности радиотрансля-
ционной сети. Все дни блокады Ленинграда в лабора-
тории работал один из старейших сотрудников инсти-
тута — Федотов И.Ф., обслуживавший башенные часы
ВНИИМ с тремя огромными циферблатами с „оцифров-
кой" на 12 и 24 часа, установленные еще в 1905 г. и иду-
щие непрерывно и поныне (за исключением периодов
их ремонта и профилактики).
После ВОВ лаборатория восполнила свой кадровый
составил, в ее коллектив влились новые сотрудники —
проф. Пулковской астрономической обсерватории
Н.Н. Павлов, к.т.н. С.С. Товчигречко, к.т.н. ЛА. Соловь-
ева, к.т.н. А.Д. Вейсбрут, к.т.н. Е.М. Винников и др. При
этом перед лабораторией встала дополнительная зада-
ча — высокоточного воспроизведения частоты для це-
лей службы времени с помощью кварцевых генераторов
и передачи значений единицы частоты. Эти работы бы-
ли начаты еще до ВОВ в параллельной лаборатории то-
ков высокой частоты ВНИИМ, руководимой проф.
В.С. Габелем и проф. Б.К. Шембелем, и в ХГНИИМ под
руководством проф. Л.Д. Брызжева.
В конце 40-х гт. создание и исследование кварцевых
эталонов частоты было завершено. По сравнению с ча-
сами Шорта-Кварнберга эти устройства имеют несрав-
ненно более высокую точность. Кроме того, они явля-
ются хранителями единицы частоты в удобной для при-
менения форме. За создание и внедрение в службу
времени и частоты кварцевых эталонов группе специа-
листов ВНИИМ в 1950 г. была присуждена 1осударствен-
ная премия СССР.
В 1951 г. Ученый совет ВНИИМ утвердил новую эта-
лонную группу часов, в которую были включены три эк-
земпляра кварцевых часов и одни маятниковые часы ти-
па АЧЭ со случайным изменением суточного хода поряд-
ка 0,001-0,002 с. Одновременно из состава эталонной
группы были выведены все часы Рифлера как не удовле-
творяющие требованиям того времени [11].
В 50-е гг. лаборатория времени ВНИИМ была пере-
именована в лабораторию времени и частоты, которой
после кончины Н.Х. Прейпича руководили к.т.н.
М.Ф. Павлов (1946-1951 гг.), В.Д. Деревянко (1951-
1952 гг.), а с 1952 г. — к.т.н. С.С. Товчигречко. После его
ухода в 1971 г. на пенсию руководителем лаборатории
был назначен В.М. Сизиков. В это время произведено
существенное обновление эталонной аппаратуры для
воспроизведения и передачи сигналов единицы време-
ни и частоты.
В1964 г. в институте были спроектированы, изготов-
лены и установлены над фасадным зданием ВНИИМ
оригинальные уличные часы ЧИЛ (часы импульсные ле-
пестковые), замененные в 70-е гг. световым табло с ука-
занием текущего времени, температуры и атмосферно-
го давления. Под руководством директора института
проф. В.О. Арутюнова был разработан проект часофи-
кации города с централизованным управлением улич-
ными часами. В 70-е гг. в связи с усилением роли ВНИ-
ИФТРИ (был создан в 1995 г.) и функционированием в
нем государственной службы времени и частоты рабо-
ты в этой области измерений во ВНИИМ начали посте-
пенно свертываться. Лаборатория времени и частоты
была преобразована в отдел Ленинградского центра
стандартизации и метрологии (ЛЦСМ), входившего в
НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". Начальником от-
дела был назначен В.М. Сизиков. При этом во ВНИИМ
были прекращены астрономические наблюдения, и ла-
боратория вышла из международной службы времени.
В послевоенный период астрономические наблюде-
ния и их обработка выполнялись специалистами:
С.И. Алексеевым, В.Д. Деревянко, Т.К. Никольской,
А.И. Орловой, М.П. Павловым, Л.А. Соловьевой,
С.М. Терешковой, С.С. Товчигречко и др.
Разработку и совершенствование эталонных и вспо-
могательных средств измерений частоты на различных
этапах выполняли: П.Н. Агалецкий, А.Д. Вейсбрут,
Е.М. Винников, В.Л. Лассан, Д.П. Марковский, М.Х. Ма-
кашев, В.М. Сизиков, Р.Е. Тайманов, С.С. Товчигречко,
О.А. Тхоржевский, Б.К. Шембель и др.
Работы по совершенствованию, хранению и поддер-
жанию первичного государственного эталона единиц
времени и частоты проводятся во ВНИИФТРИ.
Литература:
1. Сто лет государственной службы мер и весов в СССР. —
М.-Л: Ibc. издательство технико-теоретической литературы,
1945.
2. Всесоюзный научно-исследовательский институт мет-
рологии им. Д.И. Менделеева. — Л.: Энергия, 1967. — С. 126-
132.
3. Бушкевич А.В., Ганьшин В.Н., Хренов АС. Время и ка-
лендарь. — М.: Высшая школа, 1961. — С. 34-65.
4. Радченко В.Г. Часы Ленинграда. — Л.: Лениздат, 1975.
5. Товчигречко С.С. История измерения времени //
Блокнот агитатора. — 1965. — № 14.
6. Брянский Л.Н. Ее величество — частота. // Законода-
тельная и прикладная метрология, 1999. — № 1.
А.М. Федоров
467
Государственный первичный эталон единиц
времени (секунда), частоты и национальной
шкалы времени
Впервые эталон был создан во ВНИИФТРИ в 1967 г. После неоднократ-
ных модернизаций утвержден Постановлением Госстандарта России от
27.09.1998 г. №315.
Постоянное совершенствование измерительной аппаратуры эталона, обу-
словленное все возрастающими требованиями к его точности, позволило су-
щественно улучшить его основные метрологические характеристики.
Непрерывную работу эталона обеспечивает комплекс измерительных
средств, входящий в его состав:
— аппаратура воспроизведения единиц времени и частоты — метрологи-
ческий цезиевый репер частоты;
— аппаратура хранения единиц и шкал времени — группы водородных
хранителей частоты и времени;
— аппаратура формирования шкалы времени;
— комплекс аппаратуры радиооптического частотного моста (РОЧМ).
Метрологические характеристики
Диапазон измерений
времени, с 1-10’°-1-108
частоты, Гц 1- 10м
СКО результата измерений 1-10м
для измерений частоты РОЧМ (1-1010-1-10м Гц) 1-1012
НСП 510 м
Области применения
Потребность в точных измерениях времени и частоты существует во мно-
гих областях науки и производственной деятельности: при фундаменталь-
ных исследованиях (уточнениях основных законов природы, расширении
знаний о вселенной, космосе, Земле, микромире); навигации, связи, теле-
коммуникации и др.
469
История развития метрологии
электрических измерений
Вторая половина XIX в. (до организации Главной
палаты мер и весов) была характерна развитием но-
вой для того времени отрасли знаний — электротех-
ники. С начала XIX в. известные ученые Гальвани,
Вольт, Максвелл, Фарадей, Ампер, Кулон, Ом своими
теоретическими и экспериментальными исследова-
ниями заложили основы науки об электричестве; раз-
витие электротехники привело к созданию и практи-
ческому применению различного рода электрических
устройств, однако исследования электромагнитных
процессов были невыполнимы без их количественной
оценки.
В начале XVIII в. основоположником русской нау-
ки М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом при изучении
атмосферного электричества были созданы электро-
измерительные устройства, явившиеся прототипами
будущих электрометров. Значительную роль в облас-
ти электрических измерений сыграл русский ученый
М.А. Шателен, являющийся создателем электроизме-
рительных приборов и длительное время работавший
в Главной палате мер и весов. В 1893 г. он совместно с
В.Ф. Миткевичем впервые создал прибор для наблю-
дения за характеристиками кривых переменного то-
ка и подготовил курс лекций „Электрические измере-
ния", изданный в 1900 г. Большой вклад в развитие
электроизмерительной техники (во второй полови-
не XIX и в начале XX вв.) внес известный русский
электротехник М.О. Доливо-Добровольский, впервые
разработавший электромагнитные амперметры,
вольтметры, электродинамические ваттметры и дру-
гие экспериментальные образцы приборов (серийно
выпускаемых электроизмерительных приборов в Рос-
сии длительное время не было).
Развитие электротехники и разработка ряда опыт-
ных электроизмерительных приборов потребовали
развития метрологии в области электрических изме-
рений. Для решения этой проблемы по инициативе
Д.И. Менделеева — управляющего Главной палатой
мер и весов — 1 февраля 1900 г. было организовано
Электрическое отделение. Начало промышленного
применения электроэнергии и необходимость ее уче-
та для расчета с потребителями определили началь-
ную задачу созданного электрического отделения
Главной палаты мер и весов, а именно: организацию
поверки и государственных испытаний счетчиков
электроэнергии и стрелочных электроизмеритель-
ных приборов (амперметров, вольтметров, ваттмет-
ров). В 1903 г. в организованном Д.И. Менделеевым
издании „Временник Главной палаты мер и весов"
впервые были опубликованы „Временные правила для
испытания и поверки электрических измерительных
приборов, представляемых в Главную палату мер и ве-
сов". В 1905 г. в Главной палате были созданы лабора-
тории слабых и сильных токов, и в первые годы рабо-
ты электрического отделения в поверку принимались
вольтметры постоянного тока (до 101 В), ампермет-
ры постоянного тока (до 500 А) и переменного тока
(до 300 А), счетчики электроэнергии постоянного и
переменного тока, нормальные элементы, магазины
сопротивления. Проводились исследования внешних
влияний (в основном температуры) на испытуемые
приборы.
В начале XX в. в электрическом отделении еще не
было эталонов электрических единиц. При поверках
электроизмерительных приборов в качестве образцо-
вых мер применялись катушки электрического сопро-
тивления и нормальные элементы, создаваемые и ат-
тестуемые в иностранных лабораториях. Организа-
цию, совершенствование и разработку дальнейших
направлений деятельности электроизмерительных
лабораторий Главной палаты предложил и осуществ-
лял Д.И. Менделеев, а позднее заменивший Д.И. Мен-
делеева профессор Н.Г. Егоров, выполнявший основ-
ные рекомендации Дмитрия Ивановича.
После Лондонской международной конференции
по электрическим измерениям и эталонам (1908 г.) и
принятия спецификаций для осуществления эталонов
Международных электрических единиц (ома, ампера
и вольта) в Главной палате в 1909 г. были начаты ра-
боты по изготовлению отечественных нормальных
элементов (Вестона) и изучению возможностей сереб-
ряного вольтаметра на основе константы Фарадея. В
организованной к тому времени лаборатории нор-
мальных элементов, приступившей к созданию этало-
на вольта (на основе группы созданных нормальных
элементов), одновременно начались работы по вос-
произведению международного ампера (с помощью
серебряного вольтаметра). В 1909 г. сотрудник Глав-
ной палаты А.Н. 1еоргиевский приступил к созданию
ртутных образцов международного ома. Эти работы
получили существенное развитие при участии в них
М.Ф. Маликова, успешно завершившего создание пер-
вого отечественного эталона ома. Все упомянутые ра-
боты стали фундаментом метрологической базы Рос-
сии в области электрических измерений.
Увеличение количества электроизмерительных
приборов, используемых в промышленности и на
транспорте, привело к необходимости дальнейшего
развития их метрологического обеспечения. В тече-
ние 1909-1914 гг. в Главной палате силами лаборатор-
ных механиков и научных сотрудников с использова-
нием производственной базы других предприятий
1 ---------- 470 —....
были впервые созданы средства передачи размеров
единиц от эталонов к рабочим приборам. Эти работы
проводились под руководством и непосредственном
участии Д.И. Менделеева (до 1907 г.), М.А. Шателена,
Н.Г. Егорова, М.Ф. Маликова, А.Н. Георгиевского и др.
Большой вклад был внесен учеными Политехническо-
го института и его механическими мастерскими. Од-
нако научные исследования в области метрологии су-
щественно затормозились в связи с Первой мировой
войной.
Качественно новое развитие метрологии началось
после Октябрьской Социалистической революции. В
1918 г. Совет Народных Комиссаров РСФСР по пред-
ложению Главной палаты мер и весов принял декрет
о введении Метрической системы мер в нашей стра-
не. В 1921 г. Правительством было подписано Поста-
новление о всероссийской поверке мер и весов; в
1922 г. Совет Труда и Обороны утвердил положение о
Главной палате мер и весов. Этим было положено на-
чало большим работам как по совершенствованию,
созданию и хранению новых эталонов, так и по орга-
низации поверочного дела на всей территории наше-
го государства.
В эти годы получило существенное развитие элек-
троприборостроение, был организован ряд исследо-
вательских организаций и приборостроительных
предприятий. Это потребовало от метрологических
органов Советского Союза решения большого числа
сложных проблем, связанных с поддержанием на не-
обходимом уровне единства измерений электромаг-
нитных величин в стране. Для решения задач, свя-
занных с созданием новых эталонов электрических
единиц и научно обоснованной системы передачи раз-
меров единиц, воспроизводимых эталонами, новым об-
разцовым средствам и рабочим приборам, в электри-
ческом отделении Главной палаты мер и весов (пере-
именованной в 1931 г. в ВИМС, а в 1934 г. во ВНИИМ)
были организованы новые лаборатории, работавшие
под руководством и при непосредственном участии
М.А. Шателена, М.Ф. Маликова, Е.Г. Шрамкова,
Л.В. Залуцкого, Б.М. Яновского, С.В. Горбацевича,
К.П. Широкова, И.Н. Кроткова, Е.Т. Чернышева,
А.К. Колосова и др. Одним из основных направлений
развития метрологических работ в области электри-
ческих измерений до Великой Отечественной войны
являлось создание на основе теоретических и экспе-
риментальных исследований спецификации для изго-
товления более совершенных отечественных нормаль-
ных элементов. Эта спецификация была улучшенной
по сравнению с ранее известной международной. Ра-
боты М.Ф. Маликова, А.К. Колосова, В.В. Мюллер и
А.С. Чураевой привели к организации отечественно-
го производства и прекращению импорта зарубежных
нормальных элементов. В предвоенные годы Л.В. За-
луцким впервые была разработана теория токовых ве-
сов, необходимая для создания эталона ампера.
Уже в 30-е гг. значительно расширилось участие
Главной палаты мер и весов в международных рабо-
тах по метрологии и стандартизации. Большую роль
в подготовке научных кадров метрологов-электриков
и электроприборостроителей сыграли капитальные
труды специалистов, сотрудников Главной палаты.
Книга Е.Г. Шрамкова „Электрические и магнитные из-
мерения", изданная в 1937 г., на высоком научном
уровне освещала принципы действия, особенности
конструкций средств измерений электрических и маг-
нитных величин. В ней были также описаны методы
оценки их точности. Большую роль сыграла книга
М.Ф. Маликова „Основы метрологии", в которой был
сконцентрирован многолетний опыт автора, даны
четкие определения понятий эталонов, образцовых
средств, погрешностей измерений и др., и даны пред-
ложения по дальнейшему развитию метрологии. Эта
книга была завершена М.Ф. Маликовым в тяжелые
дни блокады Ленинграда.
С 1931 г. сотрудники ВИМС впервые в нашей стра-
не начали заниматься проблемами точных измерений
электрической емкости и индуктивности, созданием
эталонов единиц этих величин (фарада и генри), на-
учно обоснованной системы передачи размеров еди-
ниц от эталонов образцовым и рабочим средствам из-
мерений. Разрабатывались новые принципы построе-
ния измерительных мостов и образцовых средств
измерений параметров электрических цепей. Работы
этих направлений были продолжены после Великой
Отечественной войны И.Н. Кротковым.
Начавшаяся война нанесла большой ущерб выпол-
ненным работам и временно задержала развитие оте-
чественной метрологии. После окончания Великой
Отечественной войны (1946-1960 гг.) основную руко-
водящую роль в области метрологического обеспече-
ния средств электрических измерений и в деле подго-
товки научных кадров играли профессор Е.Г. Шрамков
— руководитель (до 1960 г.) вновь организованного от-
дела электромагнитных измерений ВНИИМ, профес-
сор Е.Т. Чернышев (руководивший в 1960-1967 гг. элек-
тромагнитным отделом). В послевоенные годы во
ВНИИМ существенное значение имели дальнейшие
исследования путей развития и совершенствования ра-
нее созданных первичных государственных эталонов.
Развитие электроизмерительной техники и энергети-
ки вызвало, кроме того, необходимость разработки и
создания ряда специальных эталонов, т.е. по опреде-
лению М.Ф. Маликова, „эталонов, предназначенных
для особых целей", например, для воспроизведения
электрических единиц переменного тока при низкой
и повышенной частотах, переменного напряжения
также при повышенных и высоких частотах, единицы
мощности при высоких частотах и др.
В 1945 г. было торжественно отмечено 100-летие
отечественной службы мер и весов, и ВНИИМ было
присвоено имя великого ученого-метролога — осно-
вателя Главной палаты мер и весов — Д.И. Менделее-
ва. В 1946 г. при участии представителей ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева было достигнуто международное
соглашение о переходе (с 1 января 1948 г.) от между-
народных электрических единиц (воспроизводимых
эталонами в соответствии с принятыми ранее между-
народными спецификациями) к абсолютным практи-
ческим единицам электрических величин, определяе-
мым и воспроизводимым через основные единицы
(длины, массы, времени) с предельно возможной точ-
ностью, достигаемой на основе новейших достижений
науки и техники. Основные работы в первую очередь
были выполнены для воспроизведения абсолютным
методом ампера, ома и фарада. Исследования профес-
соров Б.М. Яновского и С.В. Горбацевича и совершен-
ствование теории токовых весов (разработанной
— ....— 471
ранее Л.В. Залуцким) привели к созданию нового эта-
лона (вместо ранее созданного И.А. Лебедевым воль-
таметра), обеспечивающего абсолютное воспроизве-
дение ампера и утвержденного в 1968 г, в качестве Го-
сударственного первичного эталона. Воспроизведение
ома с 1953 г. осуществлялось групповым эталоном, со-
стоящим из катушек электрического сопротивления,
значение которых определялось в абсолютной мере с
помощью расчетной индуктивности. При создании
эталона были использованы результаты исследований,
проведенных М.Ф. Маликовым, А.Н. Марениной,
И.Н. Кротковым, Е.К. Вессо-Адо, Н.Л. Аматуни.
На основе теоретических и экспериментальных ис-
следований, выполненных профессором И.Н. Кротко-
вым, впервые в СССР был создан эталон, воспроизво-
дящий в абсолютной мере единицу электрической ем-
кости (фарада) на основе расчетного конденсатора, ут-
вержденный в качестве Государственного первичного.
Разработанные в шестидесятых годах абсолютные
методы воспроизведения ампера и ома обеспечили оп-
ределение в абсолютной мере значений ЭДС эталон-
ных нормальных элементов, входящих в состав ранее
созданного эталона вольта. При создании эталонов по-
стоянно разрабатывалась система передачи размеров
воспроизводимых единиц образцовым и рабочим сред-
ствам измерений. Выполненные работы по созданию
эталонов электрических единиц и поверочных схем
для передачи размеров единиц длительное время удов-
летворяли потребности народного хозяйства страны,
однако по мере дальнейшего развития науки и техни-
ки требования к точности метрологического обеспе-
чения единства измерений электрических и магнит-
ных величин постоянно возрастали наилучшие пути
дальнейшего повышения точности воспроизведения
единиц электрических величин и системы передачи
размеров единиц являлось (ранее и до настоящего вре-
мени) использование новейших достижений физики
и техники. В семидесятых годах по инициативе дирек-
тора ВНИИМ профессора В.О. Арутюнова и одного из
видных физиков-метрологов профессора С.В. Горбаце-
вича во ВНИИМ была организована лаборатория
физико-технических проблем метрологии, изучавшая
пути создания современных эталонов на принципиаль-
но новых основах с использованием новейших дости-
жений квантовой физики, уточнения значений фунда-
ментальных физических констант и соотношений ме-
жду ними. Следует отметить, что еще при организации
Главной палаты мер и весов Д.И. Менделеев считал оп-
ределение точных значений физических констант важ-
ной задачей научной метрологии. Лабораторией фи-
зико-технических проблем метрологии под руково-
дством профессора С.В. Горбацевича были проведены
исследования туннельных эффектов в сверхпроводни-
ках, исследования эффекта Джозефсона и возможно-
сти применения его в метрологии, разработаны метод
и макет аппаратуры для контроля стабильности нор-
мальных элементов, а также разработана методика со-
гласования ФФК.
На основе работ, выполненных лабораторией фи-
зико-технических проблем метрологии, и анализа из-
вестных международных исследований того же на-
правления В.О. Арутюновым были разработаны пути
совершенствования системы эталонов единиц элек-
трических величин, частично реализованные отде-
лом электрических измерений ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева под руководством профессора Т.Б. Рождест-
венской (руководитель отдела 1967-1977 гг.).
Дальнейшее развитие и совершенствование новой
системы эталонов единиц электрических величин бы-
ли достигнуты после организации в 1977 г. Научно-
производственного объединения (НПО „ВНИИМ им.
Д.И. Менделеева"). Общее научное руководство во
ВНИИМ исследованиями путей создания эталонов на
основе достижений квантовой физики возглавил про-
фессор Ю.В. Тарбеев.
В том же 1977 г. на базе электрического и магнит-
ного отделов и отдела информационно-измеритель-
ных систем было создано электромагнитное отделе-
ние. Руководство отделением, которое в дальнейшем
вновь преобразовывалось в отдел, было поручено про-
фессору Е.Д. Колтику (являлся руководителем в 1977-
1997 гг.).
Подсистема взаимосвязанных первичных и специ-
альных эталонов (рис. 1) в области измерения режи-
мов электрических цепей в настоящее время возглав-
ляется первичным эталоном вольта (э.д.с.) на основе
использования эффекта Джозефсона. Проведенные
исследования и международные сличения (2000 г.) по-
казали, что погрешность воспроизведения и передачи
единицы постоянного напряжения 1-10 В не превыша-
ет 110°. В создании эталона (1990-1999 гг.) участвова-
ли А.С. Катков, В.И. Кржимовский, Е.Д. Колтик,
С.В. Потапов, Б.С, Таубе, Г.П. Телитченко, В.Э, Ловцюс.
Стандарт
частоты
(время)
Герц
Рис. 1. Подсистема взаимосвязанных эталонов в
области режимов электрических цепей
----- — ---------_ 472 . —.......
Новый эталон единицы силы постоянного тока
создавался в 1988-1991 гг, и имеет в своем составе две
части. Основными элементами первой части аппара-
туры, воспроизводящей значение силы тока 1 мА и
1 А, является мера напряжения (на основе эффекта
Джозефсона), криогенная мера сопротивления в ви-
де набора равнономинальных резисторов, коммути-
руемых сверхпроводящим переключателем, и крио-
генный компаратор постоянного тока. В качестве
нуль-индикатора магнитного потока применяется
многопетлевой радиочастотный сквид. Значение
размера единицы сопротивления передается от пер-
вичного эталона ома (холловской установки). По-
грешность полученных значений тока не превышает
5-Ю8. Вторая часть аппаратуры, обеспечивающая вос-
произведение малых значений тока в диапазоне
(I-IO'^-I-IO16) А, включает в себя многозначную меру
тока, состоящую измеры линейно изменяющегося на-
пряжения с набором герметизированных конденсато-
ров на выходе, измерителя напряжения, измерителя
времени и компаратора. Диапазон воспроизводимых
токов зависит от значений крутизны линейно изме-
няющегося напряжения и емкости конденсатора. Та-
ким образом, воспроизведение малых значений тока
осуществляется через фарад, вольт и секунду с исполь-
зованием методов, принятых в электрометрии. По-
грешность воспроизведения малых токов не превы-
шает значений 3-10'5-1-10 2. Аппаратурно первая часть
эталона постоянного тока совмещена с первичным
эталоном вольта, что позволяет, при определенных
условиях, повышать точность определения силы то-
ка. Использование квантовых эффектов и значений
физических констант позволяет воспроизводить зна-
чение силы тока, независимое от свойств применяе-
мых материалов и времени, а также получать наивыс-
шую чувствительность и точность.
В создание специальных эталонов и систем пере-
дачи напряжения и тока большой вклад внесли О.П. Га-
лахова, А.М. Федоров, Г.П. Телитченко, В.А. Щеглов,
В.М. Байков, И.В. Короткова, В.В. Крестовский,
О.М. Павлов, Д.И. Антонова и др. Более подробно их
работы отражены в статьях-справках по электриче-
ским эталонам.
Особо хочется подчеркнуть основополагающий
вклад в создание специальных эталонов, внесенный
профессорами К.П. Широковым и Т.Б. Рождествен-
ской (вторая половина 50-х гг.). По их инициативе и
научном руководстве создавалось первое поколение го-
сударственных специальных эталонов единиц пере-
менного тока и напряжения на широкий диапазон час-
тот. Эталоны основаны на применении разработанных
термоэлектрических преобразователей и компарато-
ров, обеспечивающих сравнение единиц, воспроизво-
димых специальными эталонами, с соответствующи-
ми единицами постоянного тока и напряжения, вос-
производимыми первичными эталонами вольта и
ампера. Значительные работы этого же направления
были проведены А.Я. Безикович, Д.И. Зориным и
О.П. Галаховой.
Уровень точности второго поколения государст-
венных специальных эталонов на переменном токе
(разработки девяностых годов) соответствуют требо-
ваниям науки и техники. По результатам их периоди-
ческой аттестации с использованием первичного
эталона вольта и данным международных сличений
погрешности эталонов напряжения не превышают
5-10’6-5-10’5 (в диапазоне 20 Гц-30 МГц); 5-10’s-5-103
(в диапазоне 30 МГц-3 ГГц). Погрешность эталона си-
лы тока (действующие значения 1 мА-20 А) находит-
ся в пределах 5-10’6-1-10^ (в диапазоне 20 Гц-1 МГц).
Согласно проведенным во ВНИИМ исследованиям
получены обнадеживающие результаты в части повы-
шения точности специальных эталонов (на 0,5-1 по-
рядка), а также расширения их частотного и динами-
ческого диапазонов.
В области измерения параметров электрических
цепей главным эталоном этой подсистемы взаимосвя-
занных эталонов считается государственный первич-
ный эталон единицы электрического сопротивления
на основе использования квантового эффекта Холла.
Хранение размера единицы осуществляется при помо-
щи группового эталона, состоящего из 10 эталонных
мер электрического сопротивления с номинальным
значением 1 Ом. Суммарная погрешность передачи
размера единицы в диапазоне от 0,001 Ом до 1 Ом на-
ходится в пределах от 5-10'8до Ы0А В разработке эта-
лона принимали участие А.В. Плошинский, О.А. Мяз-
дриков, Е.Д. Колтик, Ю.П. Семенов, Б.Я. Литвинов,
В.А. Гусев. В создании мер электрического сопротив-
ления на переменном токе до 1 МГц большую роль сыг-
рали работы И.Я. Клебанова.
В подсистеме взаимосвязанных эталонов, в облас-
ти измерения параметров электрических цепей, вос-
произведение единицы электрической емкости — фа-
рада обеспечивается созданным во ВНИИМ расчет-
ным перекрестным конденсатором (РПК). Впервые
понятие РПК было введено в 1956 г. А. Томпсоном и
Д. Лэмпардом. Впоследствии идеи РПК были развиты
В. Клотье, Ван дер Поу, Пейджем, И.Н. Кротковым,
В.В. Викторовым и Ю.П. Семеновым. Работы по соз-
данию РПК во ВНИИМ начаты в 1962 г. И.Н. Кротко-
вым и несколько позднее в СНИИМ Н.И. Гиржманом.
РПК нового поколения, созданный под руководством
Ю.П. Семенова, был введен в практику измерений в
1998 г. Комплекс аппаратуры обеспечивает воспроиз-
ведение емкости 0,2 пФ с погрешностью менее 2-10’.
Большой вклад в создание оптико-механической час-
ти расчетного конденсатора с использованием лазер-
ной техники внесен Т.Ф. Фрудко. Разработка системы
передачи размера емкости в промышленность, этало-
нирование вторичных параметров были успешно ре-
шены Т.М. Гущиной, М.Д. Клионским, И.Я. Клебано-
вым, О.А. Шведовым.
Воспроизведение единицы емкости посредством
расчетного конденсатора является также частью про-
цесса абсолютного воспроизведения ома, т.е. установ-
ления национального размеры единицы сопротивле-
ния через размеры основных механических величин.
Таким образом, обеспечивается взаимосвязь электри-
ческой и механической систем единиц.
Угол потерь 3, выражаемый значением тангенса
угла потерь tg3, является одним из важнейших пара-
метров конденсаторов, варикапов, диэлектриков и
других элементов электрических цепей, имеющих ем-
костной характер. Приборы для измерения емкости,
как правило, оценивают и tg 3. Единство измерений
угла потерь в масштабах страны обеспечивается пу-
тем централизации воспроизведения единицы угла
473
потерь первичным эталоном (создан под руководством
М.Д. Клионского в 1985 г.). Эталон имеет следующие
метрологические характеристики: погрешность вос-
произведения — 0,1 мкрад; диапазон емкости —
1-100 пФ; частота — 1 кГц.
Средства передачи единицы обеспечивают повер-
ку рабочих средств в диапазоне измерения tg 3 от
Ы0’5до 1,0 при частотах 50 Гц-1,0 МГц.
Особенности катушек, предназначенных для соз-
дания на их основе мер индуктивности, впервые бы
ли опубликованы М. Вином в 1896 г. Во ВНИИМ под
руководством М.Ф. Маликова и Л.В. Залуцкого к соз-
данию исходных средств в области измерения индук-
тивности приступили в 19Я4 г. В ] 937 г. И.Н. Крогко-
вым была разработана методика точного измерения
индуктивности и создана установка по схеме резистив-
но-емкостпого шестиппечего моста. В 1940-1958 гг.
И.Н. Кротковым разработаны 4 катушки, намотанные
на кварцевых и пирексовьц каркасах с номинальным
значением 20 мГн. Эти катушки в 1975 г. были утвер-
ждены в качестве группового первичного эталона.
Значения индуктивности определялись расчетным пу-
тем по основным геометрическим размерам соленои-
да и магнитной постоянной. Погрешность воспроиз-
ведения генри составляла 1-Ю’5. Из-за трудностей из-
готовления цилиндра каркаса правильной геомет рии
и значительной погрешности определения размеров
обмот ки дальнейшее снижение погрешности эталона
оказалось неосуществимо.
Результаты проведенных во ВНИИМ исследований
показали, что повышение точности воспроизведения
единицы индуктивности до уровня 5-КУ6 может быть
осуществлено методом косвенных измерений в едини-
цах электрической емкости и сопротивления. Для осу-
ществления этой задачи в 1965 г. начались работы по
созданию нового типа эталонных катушек индуктив-
ности — тороидальной формы (авторы — И.Н. Крот
ков и Ф.Е. Курочкин). Эти катушки значительно мень-
ше подвержены воздействию внешних электромагнит^
ных полей. Результаты исследований легли в основу
нового группового эталона единицы индуктивности,
который был введен в эксплуатацию в 1979 г. На 2001 г.
эталон индуктивности по точности (ТКУ8) находится
на уровне лучших зарубежных разработок и превосхо-
дит их по диапазонам номинальных значений и час-
тот, в которых осуществляется передача размера еди-
ницы индуктивности вторичным и рабочим эталонам.
Создана система метрологического обеспечения
средств измерения индуктивности на основе торои-
дальных мер в диапазоне 1 мкГн-1 Гн при частотах
40 Гц-100 МГц. Завершены работы П.М. Егорова по ис-
следованию возможностей создания мер индуктивно-
сти с большими поминальными значениями (до тысяч
генри) на основе использования в качестве индуктив-
ности ее „электронного" эквивалента.
В конце 50-х гг. по инициативе и при участии
Е.Д. Колтика во ВНИИМ начались работы в области
фазометрии. В результате С.А. Кравченко и В.Е. Но-
водережкиным был создан эталон единицы угла сдви-
га фаз между двумя напряжениями. Эталон обеспечи-
вает воспроизведение и передачу значений углов сдви-
га фаз от 0 до 360° образцовым и рабочим средствам
измерений при частотах 0,01 Гц-10 МГц с погрешно-
стями, не превышающими 0,01-0,001° в оптимальных
поддиапазонах частот и уровнях сравниваемых напря-
жений. Высокая точность воспроизведения единицы
обеспечивается использованием при измерениях в ка-
честве меры „периода" когерентного высокочастотно-
го напряжения. Количество периодов, укладывающих-
ся между точками перехода сравниваемых по фазе на-
пряжений через нулевой уровень, дает информацию
о значении угла фазового сдвига. Так как при преобра-
зовании частоты фазовые соотношения двух напряже-
ний сохраняются, представляется возможным измери-
тельные процедуры осуществлять при оптимальных
частотах. Развитие работ по фазометрии получило в
СНИИМ и ВНИИФТРИ.
В эти же годы во ВНИИМ начались систематиче-
ские работы по метрологическому обеспечению
средств измерения электроэнергетических величин —
мощности, энергии и др. Усилиями ведущих в этой об-
ласти ученых; К.П. Широкова, Д.И. Зорина, А.Я. Без-
икович, В.С. Попова были созданы первые образцовые
установки на основе электростатических и термоэлек-
трических компараторов, обеспечившие в то время
точность, сопоставимую с точностью лучших образцов
аналогичной аппаратуры, созданных в ведущих лабо-
раториях Германии, Канады, Англии, Австралии, Япо-
нии. Далее, ь 70-е гг следующим поколением метроло-
гов ВНИИМ Е.З. Шапиро, В.С. Беловым, Ю.В. Ники-
тиным погрешность измерения мощности была
уменьшена до 2-Ю4. Достигнутые результаты во мно-
гом были обеспечены благодаря уникальным метроло-
гическим характеристикам многоэлементных термо-
электрических преобразователей, созданных механи-
ком-технологом Э.В. Ловцюсом. Следующий шаг в
повышении точности измерения мощности был сде-
лан в 80-е гг. В созданном специальном эталоне едини-
цы электрической мощности погрешность воспро-
изведения составила 0.и03-0,01 %. Полученные ре-
зультаты достигнуты за счет использования новых
структурных методов, не требующих высокого качест-
ва функциональных преобразован елей. В первом деся-
тилетии нового XXI в. эталонные работы в области из-
мерения электроэнергетических величин (руководи
тель — д.т.н. Е.З. Шапиро) будут направлены на
оценивание качества этих величин, например, ог влпя
ния искажений формы кривой тока и напряжения.
В 1965 г. Постановлением Правительства институ-
ту метрологии поручается решение проблемы раз-
работки новых ме годов и повышения точности из-
мерения параметров физических полей кораблей
ВМФ (ИПФПК) и создание их метрологического обес-
печения.
Б области электрических измерений (электрополе-
метрии — научный руководитель—Ю.В. Тарбеев) в ре-
зультате проведенных в течение 1965-1990 гг. иссле-
дований создан комплекс образцовых средств измере-
ний и высокоточной контрольно-измерительной
аппаратуры, успешно эксплуатируемой на кораблях и
полигонах ВМФ. Научно-техническое руководство
работами по другим направлениям, решаемым в рам-
ках проблемы ИПФПК, осуществлялось Е.Д. Колти-
ком, В.П. Пиастро, В.А. Слаевым, Г.П. Цивирко,
Т.Б. Рождественской, В.И. Фоменко, А.М. Шлаковым,
Ю.С. Грачевым, С.Я. Антоновым, В.Н. Хажуевым,
В.И. Суворовым, Н.В. Студенцовым, ТМ. Пащенко.
------ 474 "
Организация в 1975 г. Метрологической службы
Вооруженных Сил РФ, имеющей в своем составе на-
учную структуру — Государственный Научно-исследо-
вательский испытательный институт МО (ГНИИИ
МО), потребовала от метрологов разработки специ-
альных эталонов, получивших название — „военные"
эталоны. Для основных направлений электрических
измерений ученые ВНИИМ им. Д.И. Менделеева со-
вместно с ГНИИИ МО создали 10 военных эталонов.
По точности эти эталоны близки к уровню, необхо-
димому для верхних звеньев (полей) поверочных схем
государственных эталонов.
При решении этой проблемы учитывалась концеп-
ция: метрологическое обеспечение Вооруженных Сил
РФ относится к сфере государственного метрологиче-
ского контроля и надзора, является частью метроло-
гического обеспечения обороны государства и осуще-
ствляется Вооруженными Силами РФ во взаимодейст-
вии с Государственной метрологической службой,
оборонным промышленным комплексом, другими вой-
сками, воинскими формированиями и органами, ре-
шающими задачи в области обороны и безопасности
Российской Федерации. (Журнал „Измерительная тех-
ника" № 4, 2000 г.)
Область измерения электрических величин ис-
ключительно обширна. Уровень ее развития и метро-
логической обеспеченности создают необходимые
предпосылки развития средств вычислительной тех-
ники, информатики, исследований Космоса, Мирово-
го океана, других областей науки и техники. В фунда-
ментальных исследованиях усилия метрологов-элек-
триков сосредоточены на следующих направлениях:
— разработка новой концепции хранения и пред-
ставления вольта на постоянном и переменном токе
посредством матриц (в том числе управляемых) Джо-
зефсона;
—повышение точности воспроизведения фарада и
ома посредством усовершенствования расчетного
конденсатора и оптимизации системы измерений,
связывающих эталоны электрической емкости и со-
противления;
—развитие техники передачи размеров единиц в
„произвольном" отношении на основе применения
электрических цепей с тесной индуктивной связью,
резисторных цепей с последовательно-параллельным
переключением и криокомпараторов.
Е.Д. Колтик
475
Государственный первичный эталон единицы
силы постоянного электрического тока
Принцип действия
Основными элементами аппаратуры, воспроизво-
дящей значения силы тока 1 мА и 1А на основе кван-
товых эффектов в сверхпроводниках, являются мера
напряжения на основе эффекта Джозефсона, криоген-
ная мера сопротивления в виде набора равнономиналь-
ных резисторов, коммутируемых сверхпроводящим пе-
реключателем, криогенный компаратор постоянного
тока, использующий в качестве нуль-индикатора маг-
нитного потока многопетлевой радиочастотный
сквид.
Воспроизведение единицы силы тока происходит
в два этапа. На первом осуществляется передача раз-
мера единицы сопротивления от эталона ома, вклю-
чающего установку на квантовом эффекте Холла, а на
втором реализуется процесс воспроизведения силы
тока заданного значения.
Передача размера единицы сопротивления осуще-
ствляется с помощью одноомной меры, аттестован-
ной по эталону ома, путем сравнения напряжения на
мере Rq (1 мВ) с напряжением криогенной меры Rc
(4 мВ) с помощью меры напряжения па эффекте Джо-
зефсона и сквид-гальванометра при одном и том же
токе, протекающем через меры сопротивления
(рис. 1).
Значение криогенной меры определяется как:
„ п F2N2
R=R.------- (1)
с 41 ЯАП ’ 1 ’
где fl, F2 , > А2 — значения частот облучения
и номера ступенек вольтамперной характеристики
(ВАХ) перехода Джозефсона (ПД) при сравнении на-
пряжений на Rc и Д), соответственно.
Значение воспроизводимого тока (1 мА), проте-
кающего через Rc, определяется как:
FIN1F3N3
FZ NZ Kj Rq Л2)
где F3 , АЗ — частота облучения и номер ВАХ
ПД в процессе воспроизведения тока Ц, Kj ~
константа Джозефсона.
Значение воспроизводимого тока (1 А), проте-
кающего через обмотку криогенного компарато-
ра тока определяется как:
I2 = IIKW,(3)
где Kw — масштабный коэффициент передачи
криогенного компаратора тока.
Основными элементами аппаратуры, воспро-
изводящей силу постоянного тока в диапазоне
0,1 фА-1 нА, являются многозначная мера тока, со-
стоящая из меры линейно изменяющегося напря-
жения (МЛИН) с набором герметизированных
конденсаторов на выходе (Со), измерителя напря-
жения (dU), измерителя времени (dT) и компара-
тора (рис. 2).
Аппаратура работает в двух режимах: воспро-
изведения и компарирования токов. При воспро-
изведении выходной ток многозначной меры оп-
ределяется как:
г du
1о~С°1т <4>
Диапазон воспроизводимых токов зависит от
значений крутизны линейно изменяющегося на-
пряжения и емкости конденсатора. При компарир-
овании токов осуществляется компенсация заря-
да, создаваемого на одной из пластин конденсато-
ра измеряемым током (1х), зарядом, создаваемым
Рис. 1
- — — —1 - 476 ------ -
на другой пластине конденсатора током известного
значения (1о), т.е. осуществляется встречное включе-
ние многозначной меры тока (1о) и аттестуемого ис-
точника (А), т.о.
т dU т
Предыстория создания
Существовавший ранее эталон ампера (ампер-весы,
ГОСТ 8.022-75) был предназначен для реализации свя-
зи электрических и механических единиц согласно оп-
ределению ампера в системе СИ и, совместно с эта-
лоном единицы электрического сопротивления, осу-
ществлял эту связь посредством воспроизведения
размера единицы напряжения, хранение и передача
которой другим средствам измерений (в том числе
средствам измерения силы тока) производилась с по-
мощью эталона вольта на основе группы нормальных
элементов. В связи с введением в метрологическую
практику эталона вольта на основе эффекта Джозеф-
сона, назначение ампер-весов как средства, необходи-
мого для воспроизведения единицы напряжения, утра-
тило смысл, так как применение эффекта Джозефсо-
на для аппаратурной реализации эталона, а константы
Джозефсона — для воспроизведения единицы напря-
жения позволило повысить точность воспроизведения
единицы силы тока примерно на два порядка.
Единство измерений силы постоянного электри-
ческого тока в соответствии с поверочной схемой
(ГОСТ 8.022-75) обеспечивалось применением мето-
да косвенных измерений. Разработка высокоточных
средств измерения постоянного тока — цифровых ам-
перметров, калибраторов, мер тока на стабилитро-
нах, а также необходимость решения научных проб-
лем, связанных с высокоточными измерениями силы
постоянного тока (магнитные измерения, уточнение
фундаментальных физических констант, уточнение
связи электрических и механических единиц), поста-
вили задачу создания эталона ампера на новом уров-
не точности с применением последних достижений
науки и техники. Эта задача была решена в период
1988-1991 гг. путем создания нового эталона ампера,
состоящего из двух комплексов, в одном из которых
заложен принцип воспроизведения размера единицы
силы тока через вольт и ом с использованием кванто-
вых эффектов Джозефсона и Холла, а в другом через
фарад, вольт и секунду с использованием методов
электрометрии.
В разработке эталона ампера приняли участие
О.П. Галахова, А.С. Катков, О.М. Павлов, В.И. Кржи-
мовский, Е.Д. Колтик, Д.И. Антонова, А.С. Мжень,
В.М. Гуревич, Л.М. Степанова.
Эталон введен в эксплуатацию с 1 июля 1992 г. Уче-
ным хранителем комплекса эталона на основе кван-
товых эффектов является А.С. Катков, ученым храни-
телем комплекса эталона на основе методов электро-
метрии является О.М. Павлов. Номер эталона по
государственному реестру — ГЭТ 4-91.
Назначение и области применения
Обеспечение единства измерений силы постоян-
ного электрического тока, метрологическое обеспе-
чение разработки высокоточных средств измерения
постоянного тока — цифровых амперметров, калибра-
торов, мер тока на стабилитронах, а также метроло-
гическое обеспечение научных задач, связанных с вы-
сокоточными измерениями силы постоянного тока
при проведении магнитных измерений, при проведе-
нии измерений, связанных с уточнением фундамен-
тальных физических констант, уточнением связи
электрических и механических единиц.
Основные научные результаты
Разработан, изготовлен и внедрен в метрологиче-
скую практику комплекс аппаратуры эталона ампера
со следующими характеристиками
Диапазон А Среднее квадратическое отклонение результата измерения Неисключенная систематическая погрешность
1,0 5-Ю8 2-10’7(*)
НО’ 5-Ю8 2-Ю7 (*)
1-ю* З-Ю5 5-Ю-4
1-10-10-I10!S 2-Ю4 1-Ю5
1-1014 2-Ю4 1,5-Ю9
1-1015 5-Ю4 5-Ю'3
1-ю16 1-Ю2 2,5-Ю2
(*) — без учета погрешности Kj и Ry .
Уникальность и преимущества эталона ампера за-
ключается в том, что в него конструктивно входят час-
ти и узлы квантового эталона вольта, обеспечиваю-
щие его высокую точность.
Использование квантовых эффектов и значений
физических постоянных позволяет воспроизводить
значение силы тока, не зависимое от свойств приме-
няемых материалов и времени, а также получать наи-
высшую чувствительность и точность в данном диапа-
зоне значений силы тока.
Рис. 2
— -------------477
Комплекс аппаратуры на основе методов электро-
метрии построен на основе проведения многолетних
исследований и разработки оригинальных техниче-
ских решений, защищенных авторскими свидетельст-
вами на изобретение. Данный комплекс позволяет по-
лучать точность измерений, близкую к предельной
при проведении измерений в условиях комнатных
температур.
Международные сличения и
сотрудничество
До настоящего времени международные сличения
эталонов ампера не проводились ввиду отсутствия
транспортируемых мер тока необходимой временной
стабильности. В настоящее время во ВНИИМ разра-
ботана транспортируемая мера тока в диапазоне 10’9-
1015 А. Проводятся совместные работы с ПТБ (Герма-
ния) по подготовке аппаратуры ПТБ к проведению
сличений.
Литература:
1. КолтикЕ.Д., Галахова О.П., Катков А.С., Кржимовс-
кий В.И. Единый эталон вольта и ампера // Всесоюзное со-
вещание „Квантовая метрология и фундаментальные физи-
ческие константы". — Тезисы доклада — Л.: ВНИИМ, 1982. —
С. 160.
2. Катков А.С. Меры постоянного тока на основе кванто-
вых эффектов в сверхпроводниках // Всесоюзное совеща-
ние „Квантовая метрология и фундаментальные физические
константы". — Тезисы доклада. — Л.: ВНИИМ, 1982. — С. 165.
3. Koltik E.D., Galachova О.Р., Katkov A.S., Krzhimovsky V.I.
A unified ampere and volt standard // CPEM’84 Dig. Conf. —
Delft. - Netherlands. - 1984. - P. 230.
4. КолтикЕ.Д., ГалаховаО.П., КатковA.C., Кржимовс-
кий В.И. Единый эталон вольта и ампера. Принципы постро-
ения // Сб.: Проблемы квантовой метрологии. — Л.: ВНИ-
ИМ, 1985.-С. 56.
5. Галахова О.П., Катков А.С. Абсолютное воспроизведе-
ние ампера. Методы. Погрешности // Сб.: Теоретическая
метрология. — Л.: ВНИИМ, 1986. — С. 133.
6. Galakhova О.Р., Katkov A.S., Krzhimovsky V.I. The
procedure and apparatus for precise ampere realization //
CPEM’90. - Suppl. Inform. - 1990. - P. 12.
7. Katkov A.S., Pavlov O.M., Galakhova O.P., Koltik E.D.
Primary Standard of Current Developed of VNIIM // 2ND
International Symposium on Electromagnetic Metrology (2ND
ISEM’93). - Beijing. - 1993. - P. 47.
8. Галахова О.П., Барбарович В.Ю., Катков A.C., Литви-
нов Б.Я. Анализ современного уровня точности измерений
силы постоянного электрического тока косвенным методом
// Приборы и системы управления. — 1994. — № 1. — С. 20.
9. Катков А.С., Павлов О.М., Галахова О.П, Кржимовс-
кий В.И., Колтик Е.Д. Государственный первичный эталон си-
лы постоянного электрического тока / / Измерительная тех-
ника. — 1995.—№ 1.—С. 3.
10. Антонова Д.И., Галахова О.П., КолтикЕ.Д., Пав-
лов О.М., Степанова Л.М. Современное состояние элек-
трометрии, проблемы ее развития и метрологическое
обеспечение // Сборник научных трудов НПО „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева". — 1990. — С. 3.
11. ГОСТ 8.022-91 Государственный первичный эталон и
государственная поверочная схема для средств измерений си-
лы постоянного электрического тока в диапазоне 1 1016-30 А
//Комитет стандартизации и метрологии СССР. — Москва.
-1991.-8 с.
Катков А.С., Павлов О.М.
478
Токовые весы для абсолютных измерений силы
постоянного электрического тока
Основная электрическая единица международной
системы единиц СИ (SI) — ампер — имеет следующее
определение: .Ампер равен силе неизменяющегося
электрического тока, который при прохождении по
двум параллельным прямолинейным проводникам
бесконечной длины и ничтожно малой площади кру-
гового поперечного сечения, расположенным в вакуу-
ме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на
каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимо-
действия, равную 2-10’7Н“ [1].
Для определения ампера выбран простейший слу-
чай взаимодействия токов в прямолинейных провод-
никах, которое описывается законом Ампера. Указан-
ные в определении бесконечно тонкие и бесконечно
длинные проводники неосуществимы на практике, и
сила взаимодействия между ними слишком мала, что-
бы ее можно было точно измерить. Однако пользуясь
методами теории электромагнитного поля и исходя из
принятого определения, можно рассчитать силу взаи-
модействия между соленоидами конечных размеров,
возникающую при пропускании по ним электрическо-
го тока. Принятие системы СИ в 1960 г. и ее практиче-
ское внедрение для электрических и магнитных еди-
ниц потребовало в первую очередь разработки этало-
на ампера, основанного на абсолютных измерениях
силы тока. К этому моменту в ведущих метрологиче-
ских организациях мира абсолютные измерения силы
тока, основанные на взаимодействии соленоидальных
систем с током, были уже достаточно развиты. Элек-
тродинамическая сила взаимодействия уравновешива-
лась механической силой (или моментом сил) при вер-
тикальном перемещении (или повороте вокруг оси)
подвижного соленоида. Таким образом устанавлива-
лась связь силы тока с основными механическими ве-
личинами — длиной, массой и временем, а значение
тока вычислялось по соответствующей формуле через
значения этих величин.
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева для абсолютных
измерений силы тока была принята конструкция то-
ковых весов, в которой подвижный и неподвижный
соленоиды расположены коаксиально друг относи-
тельно друга, обмотки их соединены последователь-
но, взаимодействие соленоидов уравновешивается на
весах силой тяжести гири. Уравнение равновесия в
этом случае имеет вид:
’е=,‘ — •' <»
где т — масса гири; g —ускорение свободного па-
дения; 1х=1г = 1 —ток в первом и втором соленоидах,
М — взаимная индуктивность; / — координата пере-
мещения подвижного соленоида по вертикальному на-
правлению.
Первое применение законов электродинамики для
абсолютных измерений электрических величин бы-
ло выполнено русскими учеными Якоби и Ленцем в
середине XIX в. Последующие работы возобновились
только в 1938 г., когда во ВНИИМ им. Д.И. Менделее-
ва профессором Л.В. Залуцким была разработана тео-
рия и созданы токовые весы с многослойными катуш-
ками [2]. Однако дальнейшие работы были прерва-
ны из-за Второй мировой войны.
После войны профессором С.В. Горбацевичем бы-
ли начаты работы по исследованиям теории и разра-
ботке конструкции токовых весов с однослойными ка-
тушками. Комплекс аппаратуры токовых весов был из-
готовлен в 1947 г. на заводе „Эталон" при ВНИИМ.
Исследования и ввод в действие аппаратуры были вы-
полнены проф. С.В. Горбацевичем, ст.н.с. П.Н. Лукь-
яновым и ст.н.с. НА. Волковым. Работы по созданию
токовых весов проводились под общим руководством
проф. Б.М. Яновского и были закончены к 1955 г. аб-
солютным определением размера единицы силы то-
ка j и установлением значения £ ЭДС эталона воль-
та как
£ = (2)
где R — сопротивление эталонного резистора.
В последующие годы продолжались исследования,
накапливались результаты измерений, проводилась
апробация их на международном уровне посредством
международных сличений эталонов вольта. В 1968 г.
комплекс аппаратуры токовых весов был утвержден
Госстандартом СССР в качестве государственного пер-
вичного эталона (ГПЭ) единицы силы постоянного
электрического тока—ампера (ГЭТ 4-68). Ученым хра-
нителем была назначена к.т.н. О.П. Галахова.
Основной частью ГПЭ являются токовые весы, со-
стоящие из рычажных весов и электродинамической
системы катушек (соленоидов). Помимо этого в уста-
новку входят оптическая система, устройство автома-
тической регистрации колебаний весов, система
управления, система охлаждения, источники питания
и измерительная установка.
Рычажные весы представляют собой точные лабо-
раторные равноплечие весы грузоподъемностью до
3 кг. Длина коромысла весов 34 см, высота колонки
22 см. В результате тщательного изготовления и сбор-
ки весы характеризуются повышенной устойчиво-
стью и чувствительностью. Весы смонтированы на
мраморной панели с тремя установочными винтами,
479
при помощи которых они устанавливаются по уров-
ням в горизонтальной плоскости. Опорная и грузо-
подъемная призмы и соответствующие им опорные
подушки изготовлены из агата. На коромысле с перед-
ней его стороны укреплена рейтерная шкала, разде-
ленная на 100 делений. К серьгам коромысла подве-
шены удлиненные стержни. К нижнему концу одного
стержня прикреплены два жестко скрепленных меж-
ду собой подвижных соленоида, которые расположе-
ны внутри неподвижного соленоида. К другому стерж-
ню прикреплены противовес и системы для размеще-
ния уравновешивающей гири. Все детали весов
изготовлены из немагнитных материалов. Весы смон-
тированы в верхней части стеклянного футляра.
Электродинамическая система — главный элемент
токовых весов — состоит из двух подвижных и одного
неподвижного соленоидов и специальных „безмо-
ментных“ токовых подводок. Соленоиды предназна-
чены для получения электродинамического взаимо-
действия. Токовые подводки служат для подвода тока
к обмоткам подвижных соленоидов.
Неподвижный соленоид в процессе взвешивания
на весах находится в неподвижном состоянии. Этот со-
леноид представляет собой полый цилиндр, на наруж-
ной поверхности которого спирально навита одно-
слойная обмотка из медной проволоки. Каркас непод-
вижного соленоида имеет длину 500 мм, диаметр
270 мм, толщину стенок до 20 мм и изготовлен из спе-
циального стекла „пирекс". Этот материал характери-
зуется весьма малым температурным коэффициентом
расширения, хорошими изоляционными свойствами
и ничтожной магнитной восприимчивостью. На на-
ружной тщательно обработанной поверхности карка-
са нарезана винтовая канавка с шагом 1 мм, в которую
под определенным постоянным натяжением заложе-
на обмотка. Обмотка состоит из 450 витков голой ка-
либрованной медной проволоки диаметром 0,8 мм. От-
ступая от концов обмотки, к определенным виткам
припаяны „отводы", так что между ними и каждым
крайним отводом размещено по 200 витков. Неподвиж-
ный соленоид установлен на подставке с регулировоч-
ным устройством, которое позволяет производить
независимо друг от друга регулировку положения со-
леноида по уровню в горизонтальной плоскости и плав-
но перемещать его в трех взаимно перпендикулярных
направлениях: в горизонтальной плоскости — парал-
лельно и перпендикулярно плоскости коромысла ве-
сов — и в вертикальном направлении. Все указанные
перемещения можно измерять с погрешностью до
0,01 мм. Неподвижный соленоид вместе с регулировоч-
ным устройством установлены на мраморной плите в
нижней части стеклянного футляра.
Подвижные соленоиды представляют собой систе-
му из двух однослойных соленоидов, связанных кон-
центрично и жестко между собой при помощи центри-
рующих фланцев. Диаметр одного из них 215 мм и дру-
гого 187 мм, высота их равна 45,5 мм. Оба соленоида
намотаны голым медным проводом на фарфоровых по-
лых цилиндрах, толщина стенок которых около 8 мм.
Число витков каждого соленоида 58. Шаг винтовой на-
резки, по которой намотана проволока, равен 0,8 мм.
Диаметр намотанной проволоки равен 0,6 мм. Обмот-
ки обоих соленоидов соединены последовательно.
Подвижный соленоид оснащен специальной армату-
рой для подвешивания к удлиненному стержню (2) ко-
ромысла весов. На арматуре установлен круговой уро-
вень для нивелирования подвижного соленоида в го-
ризонтальной плоскости. „Безмоментные" токовые
подводки для подвода тока к подвижному соленоиду
выполнены из серебряных ленточек длиной 300 мм с
поперечным сечением 1 х 0,03 мм, свободно подвешен-
ных между подвижными и неподвижными деталями
электрической цепи. Монтаж подводок выполнен в ви-
де двух параллельных шлейфов для исключения иска-
жающих магнитных полей. Параллельные ленточки
подведены к подвижному соленоиду с двух диаметраль-
но противоположных сторон, чтобы исключить сме-
щение его по вертикали.
Для наблюдения за колебаниями коромысла весов
установлена оптическая система, с помощью которой
луч света, отражаемый от зеркальца весов, передает-
ся на шкалу в соседнем помещении на расстояние бо-
лее 4 м. Путем преобразования колебаний светового
луча в электрический сигнал, колебания весов реги-
стрируются на самописце.
Стабильный температурный режим обеспечивает-
ся установлением футляра с токовыми весами в от-
дельном помещении, а управление весами в процессе
измерений (пуск и остановка весов, снятие и наложе-
ние гирьки, перемещение рейтера) выполняется из
соседнего помещения с помощью специальных меха-
низмов.
Для исключения влияния на колебания весов из-
менения температуры воздуха внутри соленоидов
вследствие нагрева обмоток проходящим током, ме-
жду неподвижным и подвижным соленоидами введе-
на специальная водоохлаждающая система.
В качестве источника постоянного тока для пита-
ния электродинамической системы была использова-
на аккумуляторная батарея напряжением до 24 В и ем-
костью 100 Ач, вынесенная в отдельное помещение.
Измерительная установка содержит устройство
для регулирования тока в обмотках соленоидов, пе-
реключения направления тока в отдельных обмотках
или во всех одновременно. В цепь тока соленоидо
включен специальный эталонный термостатирован-
ный резистор сопротивлением 1 Ом (ток 1 А). Паде-
ние напряжения на этом резисторе сравнивается с
ЭДС нормального элемента с помощью потенциомет-
ра постоянного тока для предварительного установ-
ления значения тока в соленоидах, близкого к 1 А.
Процесс абсолютного воспроизведения силы то-
ка на токовых весах производится следующим обра-
зом. Сначала устанавливается ток, близкий к 1 А. За-
тем производится уравновешивание весов изменени-
ем массы уравновешивающего груза. Гирька массой 8 г
находится над противовесом на правом стержне ко-
ромысла. Изменение массы достигается перемещени-
ем рейтера по рейтерной шкале и плавным измене-
нием силы тока. При достижении равновесия весов,
сила тока определяется исходя из формулы (1) как:
ЭМ
где gz — производная от взаимной индуктив-
ности по вертикальному направлению называется
постоянной электродинамической системы.
480 "
Вычислив по формуле (3) силу тока / , одновремен-
но можно сравнить падение напряжения на эталонном
резисторе, вызванное этим током, с ЭДС нормальных
элементов (эталонов сравнения). Таким образом, оп-
ределялась ЭДС эталона вольта в абсолютных едини-
цах (формула (2)).
Из результатов абсолютных измерений определя-
ли также отношение силы тока, выраженной в абсо-
лютных единицах, к силе тока, выраженной в между-
народных единицах, если известны £ и R в между-
народных единицах.
Измерениям на токовых весах предшествовал дос-
таточно кропотливый процесс юстировки весов и
электродинамической системы—установление их эле-
ментов по горизонтальному уровню, обеспечение тре-
буемого положения подвижного соленоида относи-
тельно неподвижного и др.
Постоянная токовых весов определяется по фор-
мулам, полученным из теории расчета сил взаимодей-
ствия между соленоидами [3] на основании результа-
тов измерений геометрических размеров обмоток со-
леноидов (диаметра, длины) [4].
Составляющими погрешности определения силы
тока, как следует из формулы (3), являются [5]: по-
грешность определения массы уравновешивающего
груза; погрешность значения ускорения свободного
падения для места расположения токовых весов; по-
грешность расчета электродинамической постоян-
ной, вызываемая погрешностями при определении
геометрических размеров соленоидов, в том числе и
отклонение соленоидов от цилиндрической формы.
Ряд погрешностей обусловлены особенностями кон-
струкции и методики измерений. К ним относятся:
влияние междувитковой проводимости; влияние
внешних магнитных полей и поля тока в подводках к
подвижным соленоидам; влияние поля контура тока
в подводах к неподвижному соленоиду; погрешность
из-за смещения системы от центрального положения;
изменение размеров соленоидов вследствие измене-
ния их температуры в процессе измерения.
На момент утверждения ГЭТ 4-68 его погрешности
имели значения: НСП=8-10'ви СКО=4-1(У6.
Дальнейшее совершенствование ГПЭ ампера свя-
зано с именами Н.Л. Аматуни, О.П. Галаховой,
А.Б. Свердловой. В период до 1976 г. была создана вто-
рая электродинамическая система и проведены иссле-
дования токовых весов с двумя системами, что позво-
лило уменьшить СКО в два раза.
ГПЭ ампера — токовые весы — совместно с эталон-
ным резистором в соответствии с формулой (2) при-
менялся и для абсолютного воспроизведения вольта
и установления среднего значения ЭДС ГПЭ вольта
(группы из 24 эталонных нормальных элементов).
Прямая передача размера единицы силы тока от
ГПЭ измерительным приборам была практически не-
возможна ввиду сложности измерений на токовых ве-
сах. Поэтому ГОСТ 8.022-75 [7] предусматривал по-
верку наиболее точных приборов косвенным методом
с использованием мер ЭДС и сопротивления.
Начиная с 1978 г. учеными ВНИИМ Е.Д. Колтиком,
О.П. Галаховой, А.С. Катковым, О.М. Павловым,
В.И. Кржимовским проводились исследования, завер-
шившиеся в 1991 г. созданием и утверждением нового
эталона ампера ГЭТ 4-91, в котором размер единицы
силы тока воспроизводится через вольт (определяе-
мый через константу Джозефсона) и ом (определяе-
мый через константу Клитцинга) [6].
Литература:
1. ГОСТ 8.417-81. Единицы физических величин. — Изд.
Стандартов, 1981 г.
2. Залуцкий Л.В. Введение в теорию ампер-весов. — Ленин-
градское газетно-журнальное и книжное издательство, 1945.
3. Яновский Б.М., Горбацевич С.В., Волков Н.А Абсолют-
ные измерения силы тока // Труды ВНИИМ, вып. 15(75). —
М.-Л.: 1Ьсэнергоиздат, 1953.
4. Горбацевич С.В., Мюллер В.В., Лукьянов П.Н. Токовые
весы и установление значения эталона вольта / / Труды ВНИ-
ИМ, вып. 31(91). —М.: Стандартгиз, 1957.
5. Горбацевич С.В. Анализ погрешностей при измерении
на токовых весах ЭДС эталонных нормальных элементов / /
Труды ВНИИМ, вып. 38(98). — М.-Л.: Стандартгиз, 1959.
6. Катков А.С., Павлов О.М., Галахова О.П., Кржимовс-
кий В.И., Колтик Е.Д. Государственный первичный эталон
единицы силы постоянного электрического тока — ампера /
/ Измерительная техника. — М.: Изд. стандартов. — 1995. —
№ 1.
Галахова О.П., Колтик Е.Д.
481
Государственный специальный эталон единицы
силы электрического тока в диапазоне частот
20-1 106Гц, ГЭТ 88-88
Принцип действия
Государственный специальный эталон (ГСЭ) еди-
ницы силы электрического тока — ампера — в диапазо-
не частот 20-1-106 Гц создан во ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева в 1988 г. [1, 2]. ГСЭ основан на использовании
метода сравнения (компарирования) переменного то-
ка с постоянным по их одинаковому воздействию на
измерительный преобразователь. Поскольку для прак-
тики важно измерение действующего переменного
тока и большинство средств измерений (СИ) предна-
значено для измерений этого вида тока, в ГСЭ приме-
няются измерительные компарирующие преобразова-
тели действующего тока—термоэлектрические преоб-
разователи (ТП). ТП состоит из металлического
нагревателя и термопары, имеющей с нагревателем те-
пловой контакт и электрически изолированной от не-
го. При включении нагревателя в цепь постоянного
тока и условии, что его токоподводы находятся при
одинаковой температуре, равной температуре окру-
жающей среды, в установившемся режиме состояние
элемента нагревателя длиной dx характеризуется [3]
уравнением теплового равновесия:
/S^X+Г2 А+ *T-T0)]-k(T-T0)p-ЬБ ^(Т4-7*)р =0
dx~ о
(1)
где А—коэффициент теплопроводности материа-
ла нагревателя; 5 — площадь его поперечного сече-
ния; [ — ток в нагревателе; р — удельное электри-
ческое сопротивление материала нагревателя; а —
температурный коэффициент электрического сопро-
тивления нагревателя; k — коэффициент теплооб-
мена с окружающей средой; рн — периметр сечения
нагревателя; ЬБ — постоянная Стефана-Больцмана;
ор — коэффициент неполноты излучения; То — тем-
пература концов нагревателя (равная температуре ок-
ружающей среды); у — температура нагревателя на
элементе dx.
Для воздушных ТП делается допущение, что отвод
тепла происходит в результате теплопередачи по на-
гревателю к токоподводам и рассеивания конвектив-
ным путем, а потери тепла на излучение существенно
меньше и не учитываются. В нагревателе длиной I в
точке на расстоянии х от одного из его концов с уче-
том, что Т = Тд при х =0и х =1,температура 0Х=Т -Тд
определяется уравнением:
? Wo j sh^m/ AS(l- х)+ sh-jm/ ASx
x m sh^m/ AS I
(2)
где T%=/2p/S , m = kp-I2pa/S, т.е. распределяет-
ся вдоль нагревателя по параболическому закону и
имеет максимальное значение в середине нагревате-
ля при х =1/2. ТЭДС термопары £ при малых разно-
стях температуры линейно связана с 0, т.е. Е=е0,
где е — удельная ТЭДС (В/°С).
На постоянном токе £_ = KI2 , где К ~ коэффици-
ент, учитывающий характеристики нагревателя, ука-
занные в формуле (1). При включении нагревателя в
цепь переменного тока вследствие инерционности
ТП ТЭДС Е_ пропорциональна среднему значению
температуры перегрева, т.е.
E.=K^i2dt = KI21 (3)
*- о
где Т_ — период изменения переменного тока; г —
мгновенное значение тока; I. — действующий пере-
менный ток.
Если ТЭДС £_=£., то действующий ток I. равен
постоянному току I, таким образом, выполняется
сравнение переменного тока с постоянным. При этом
имеется ввиду, что коэффициент к сохраняется не-
изменным в заданных пределах, определяемых no-
г.-Г
грешностью компарирования 7к ~—у— или, как ее
также называют, погрешностью перехода с перемен-
ного тока на постоянный. Постоянный ток измеря-
ют с помощью СИ постоянного тока, в том числе мер
ЭДС и электрического сопротивления, через которые
осуществляется связь с эталонами вольта и ома на по-
стоянном токе.
Погрешность определения переменного тока /
на ГСЭ зависит, таким образом, от погрешности ком-
парирования /к и погрешности измерения посто-
янного тока:
Г. = Гк + Г- (4)
В ГСЭ использован метод разновременного срав-
нения переменного и постоянного токов, когда
ТП поочередно включается в цепь определяемого
16 Зак. 450
482
переменного тока, а затем в цепь постоянного тока.
Высокая точность обеспечивается как самим мето-
дом — сравнение измеряемого переменного тока с ме-
рами постоянного тока осуществляется при каждом
измерении, — так и требованиями к характеристикам
ТП. Современные эталонные ТП ВНИИМ имеют
весьма высокие характеристики: погрешность пере-
хода с переменного тока на постоянный составляет
менее ПО-8; погрешность от влияния остаточных
реактивностей при изменении частоты (20 Гц-
1 МГц) 110’7-3-10'5; погрешность от влияния поверх-
ностного эффекта в цепи нагревателя <2-10'8; погреш-
ность от влияния емкостных утечек цепей нагревате-
ля и термопары <1- 10к; погрешность от изменения
внешней температуры <110'7. В силу очевидных пре-
имуществ ТП по сравнению с компарирующими пре-
образователями других видов они используются в эта-
лонах переменного тока метрологических организа-
ций зарубежных стран [5, 6, 7].
Состав и основные характеристики
ГСЭ состоит из комплекса СИ, включающего в се-
бя: наборы эталонных ТП, измерительную установку,
источники питания измерительных цепей эталона по-
стоянного и переменного тока.
Наборы эталонных ТП на номинальные токи 1, 3,
5,10, 30, 50,100 мА в диапазоне частот 20-1-10й Гц со-
держат по 2 ТП различной конструкции — вакуумные
одноэлементные и воздушные многоэлементные — на
каждом из приведенных значений номинальных то-
ков (рис. 1).
Наборы эталонных ТП на номинальные токи 0,3;
0,5; 1: 2,5; 5; 10; 20 А в диапазоне частот 40-2-104,
1-105 Гц содержат по 3 ТП различной конструкции —
различные формы поперечного сечения нагревате-
лей, одно — и многоэлементные воздушные — на каж-
дом из указанных номинальных токов (рис. 2).
Групповая структура эталонного ТП обеспечива-
ет повышение точности передачи размера единицы
силы переменного тока от ГСЭ рабочим эталонам
(РЭ). При групповой структуре путем взаимных сли-
чений внутри группы и ТП со смежными номиналь-
ными токами осуществляется оценка погрешностей
эталона и контроль их стабильности во времени.
ТП в составе ГСЭ являются уникальными по кон-
струкции и технологии изготовления. Основными ТП
каждой группы являются воздушные многоэлемент-
ные ТП, представляющие собой нагреватель и термо-
батарею из нескольких (10-40) последовательно со-
единенных термопар. Впервые в практике во ВНИ-
ИМ разработаны многоэлементные ТП на токи 1, 3,
50, 100 мА, а также многоэлементные ТП прямого
включения на большие токи от 0,3 до 20 А. Это обес-
печило более высокую точность и более широкий час-
тотный диапазон, чем применение шунтов с ТП на ток
5-10 мА, как в большинстве зарубежных эталонов [8].
Специальные конструкции, обеспечивающие малые
остаточные реактивности цепи нагревателя воздуш-
ных и вакуумных ТП, позволили увеличить диапазон
частот ТП на токи 1-100 мА до 1 МГц. Нагреватели ТП
выполнены из материалов, имеющих высокую вре-
менную стабильность электрического сопротивле-
ния, малый температурный коэффициент сопротив-
ления, малые коэффициент Томсона и коэффициент
Пельтье в паре с медью. Таким характеристикам удов-
летворяют использованные в ТП материалы: терми-
нал, манганин, новые сплавы на основе нихрома, раз-
работанные во ВНИИМ.
Измерительная установка ГСЭ включает в себя СИ
постоянного тока — термостатированные меры ЭДС
и электрического сопротивления с годовой неста-
бильностью менее 1-10 6; компараторы напряжения
постоянного тока с погрешностью 2-10’6и разрешаю-
щей способностью нулевых индикаторов 1-10’8; в ус-
тановку входят устройства защиты от перегрузок; пе-
реключатели рода тока и направления постоянного
тока; дополнительные регулировочные устройства
для изменения тока; приборы для измерения темпе-
ратуры, контроля атмосферного давления, относи-
тельной влажности воздуха, контроля напряжения се-
ти питания. Источники питания измерительных це-
пей эталона состоят из задающих генераторов, в
качестве которых используются высокостабильные
калибраторы переменного напряжения, в сочетании
с усилителями мощности на диапазоны частот 20-
1-10сГц, 40-2-10'* Гц, 40-1-105Гц. Питание цепей эта-
лона на постоянном токе осуществляется от калибра-
торов постоянного тока.
ГСЭ имеет режим работы с компьютерным управ-
лением.
ГСЭ имеет следующие характеристики: диапазон
значений переменного тока при частотах:
1-100 мА; 20-ЬЮ6 Гц
0,3-0,5 А; 40-1-105Гц
1-20 А; 40-2-10" Гц.
Рис. 1
Рис. 2
.... 483
Суммарная неопределенность компарирования пе-
ременного и постоянного тока на ГСЭ составляет
5-10'7-3-104 в зависимости от значений тока и частоты.
Предыстория создания
Точные измерения переменного тока с конца
XIX в. и до 40-х гг. XX в основывались на применении
электродинамических приборов непосредственной
оценки [9, 10]. Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева под
руководством проф. К.П. Широкова проводились ра-
боты по исследованию погрешностей электродинами-
ческих приборов при переходе с постоянного тока,
па котором они градуировались, на переменный ток
[11]. Погрешности этих приборов на промышленных
частотах (40-60 Гц) в то время в лучшем случае состав-
ляли 0,5-0,2 %.
По мере развития науки и техники — использова-
ния, в частности, токов высокой частоты, появления
новых областей, таких как радиоэлектроника, теле-
видение, развития приборостроения, освоения но-
вых технологий в химии и металлургии, повышались
требования к точности, а также существенно увели-
чился частотный диапазон измерений переменного
тока. Это поставило ноьые метрологические задачи
в данном виде измерений.
Поиски новых пут ей привели к разработке мет ода
сравнения (компарирования) величин переменного
тока с эквивалентными им по действию i ia измеритель-
ный преобразователь величинами постоянного тока.
Наиболее перспективным по точности и широкому
частотному диапазону был признан термоэлектриче-
ский измерительный преобразователь для примене-
ния в качестве компаратора. У истоков этих разрабо-
ток стояли видные ученые ВНИИМ им. Д.И. Менделее-
ва — проф. К.П. Широков, Т.Б. Рождественская,
А.Я, Безикович, Д.И. Зорин, а в США (NBS) —
f.L. Hermach [12, 13, 14].
Дальнейшие исследования метода термоэлектри-
ческого компарирования, разработка и внедрение ря-
да поверочных установок — У3551, УПМА2, УПАВ-
2М, новых видов ТП привело к созданию во ВНИИМ
в 1975 г. первого ГСЭ единицы силы переменного то-
ка в диапазоне частот 40-1 • 105 Гц (ГЭТ 88-75). Работы
были выполнены под руководством к.т.н. О.П. Гала-
ховой, которая стала ученым хранителем ГСЭ [15].
Диапазон тока эталона составил 10 мА-10 А, погреш
ности: НСП < 3-10*-2-1О4 СКО < 1-10М -104. Одновре-
менно была разработана первая поверочная схема для
СИ переменного тока (ГОСТ 8.183-76).
Для обеспечения возрастающих требований оте-
чественной промышленности но повышению точно-
сти и частотного диапазона измерений переменного
тока в 1988 г. был создан ГСЭ единицы силы перемен-
ного тока — ампера — в диапазоне частот 20-1-106 Гц.
Диапазон значений тока ГСЭ от 1 мА до 20 А,
НСП< 1-10'5-3-104 СКО < 5-10ь-1-10’4. Руководителем
этих работ и ученым хранителем ГСЭ по настоящее
время является к.т.н. О.П. Галахова.
Совершенствование ГСЭ до обеспечения его со-
временных характеристик проводилось в плане совер-
шенствования аппаратуры эталона и методик его ис-
следований [16].
Назначение и область применения
Размер единицы силы переменного тока от ГСЭ в
соответствии с Государственной поверочной схемой
по МИ 1940-88 [17] передается вторичным рабочим
эталонам 2, 3-го разрядов и рабочим СИ. Ввиду того
что переменный электрический ток является физиче-
ской величиной, измерение которой важно в основ-
ных областях современной техники: электроэнергети-
ке, электротехнике, металлургии, химии, радиоэлек-
тронике, связи, приборостроении при производстве
изделий и ведении технологических процессов, ис-
пользование СИ переменного тока ь этих областях
весьма широко. Парк находящихся в обращении СИ
составляет десятки миллионов при достаточно обшир-
ной номенклатуре: от приборов непосредственной
оценки, в настоящее время ь основном цифровых, до
точных цифровых приборов; калибраторов; аналого-
цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, ра-
ботающих в сочетании с различными преобразовате-
лями неэлектрических величин ь ток; элементов ин-
формационно-измерительных систем. Погрешности
измерения применяемых СИ составляют от несколь-
ких единиц % до 0,005 %.
Единство измерений ь данной об ласти обеспечи-
вается системой государственных и ведомственных
метрологических организаций, оснащенных эталона-
ми и работающими в ряде случаев по локальным пове-
рочным схемам, отражающим конкретные задачи мет-
рологического обеспечения региона или ведомства.
Основные научные результаты
ГСЭ в настоящее время по точности находится на
уровне лучших зарубежных эталонов, а по диапазону
измерений и частоты превосходит их. Этому способ-
ствует ряд оригинальных решений, выполненных в
процессе постоянного совершенствования эталона
создание групповой структуры ТП на каждый номи
нальный ток; разработка новых многоэлементных ТП
на малые токи (до 1 мА) и большие токи (до 20 А); раз-
работка новых методик исследований эталонных ТП
и методик передачи размера единицы путем взаимных
сличений [18]. Впервые в мировой практике прове-
дены исследования ТП на эталоне переменного тока
высокой частоты [19] — определена их частотная по-
грешность при частотах от 100 кГц до 25 МГц.
Уникальность и преимущества
Преимуществом ГСИ является го, что групповая
структура и наличие весьма точных вторичных этало-
нов исключают возможность полной утери достаточ
но уникальных ТП. СИ постоянного тока и источники
питания ГСЭ могут быть заменены лучшим!i серийны-
ми отечественными и зарубежными приборами.
Международные сличения и
сотрудничество
Международные сличения как способ контроля
единообразия измерений в международном масштабе
проводятся с участием эталонных ТП ВНИИМ, начи-
ная с 1978 г. Эти сличения эталонов США, СССР, Анг-
лии и Японии показали согласованность погрешностей
==========—^—= 484 1
эталонов в пределах 0,001 % [20, 21]. В дальнейшем
проводилось активное сотрудничество с НФЛ Индии,
странами бывшего СЭВ. Международные сличения с
13 странами Европы, Америки, Азии подтвердили воз-
росший уровень точности эталонов. Эталонные ТП
ВНИИМ имели один из лучших результатов — отли-
чие от среднего результата составило 3-10*-2-10 5 [22].
Таким образом, подтверждается соответствие ГСЭ ме-
ждународному уровню.
Литература:
1. Shcheglov V.A., Galakhova О.Р., Belyaeva M.S. /
Alternating Current Standard Based on AC/DC Thermal
Current Converters. CPEM Conference Digest. Canada, Ottava,
1990.
2. Галахова О.П., Беляева M.C., Таубе Б.С., Филиповс-
кая Н.В. Новый государственный специальный эталон еди-
ницы силы переменного тока // Третье всесоюзное сове-
щание. Точные электрические величины: переменного то-
ка, напряжения, мощности, энергии и угла фазового сдвига.
Тезисы докладов. — Л., 1988.
8. Попов В.С. Металлические подогреваемые сопротив-
ления в электроизмерительной технике и автоматике. — М
Л.: Изд. Наука, 1964.
4. F.L. Hermach. Thermal converters as dc/ac transfer
standards for current and voltage measurements at audio
frequencies //J.Res.NBS v. 48, № 2, 1952.
5. Т.Б. Рождественская. Электрические компараторы для
точных измерений тока, напряжения и мощности. — М.: Из-
дательство стандартов, 1964.
6. Hermach F.L., Kinard J.R., HastingsJ.R. Multijunction
Thermal Converters as NBS Primary AC-DC Transfer Standards
for AC Current and Voltage Measurements. IEEE Trans. Instr,
and Meas. vol. IM-36 № 2, June, 1987.
7. Klonz M. AC-DC Transfer Reference of the PTB
Multijunction Converter in the Frequency Range from 10 Hz to
100 kHz // IEEE Trans. Instr. And Meas. — № 2. —June 1987. —
Vol. IM-36.
8. Williams E.S. Thermal current converters for accurate AC
current measurements.//IEEE Tr.Instr.Meas. — № 4. —
Dec. 1976.-Vol. IM-25.
9. Кейнат Г. Электроизмерительная техника. — Л.: Изд.
Кубуч, 1935.
10. Электродинамический прибор Рапса. E.T.Z. Bericht
ubervortag, am.28., Februar, 1899.
11. Каяндер М.С. Погрешности амперметров и вольтмет-
ров электромагнитной и электродинамической систем при
повышенной частоте // Труды ВНИИМ. — Вып. 24(84). —
М-Л., 1954.
12. Широков К.П. Комплектная установка для поверки
амперметров и вольтметров при повышенной частоте пере-
менного тока // Труды ВНИИМ. — Вып. 24(84). — М.-Л.,
1954.
13. Безикович А.Я., Зорин Д.И. Установка для поверки
ваттметров, амперметров и вольтметров на переменном то-
ке нормальной и повышенной частоты // Труды ВНИИМ.
- Вып. 28(88). - М.-Л., 1956.
14. Hermach F.L. AC-DC transfer instruments for current
and voltage measurements. // IEE Trans, on Instr. — № 3-4. —
1958.-V. 1-7.
15. Галахова О.П., Дранишникова E.K., Беляева М.С. Ib-
сударственный специальный эталон единицы силы перемен-
ного тока в диапазоне частот 40-1 • 105 Гц // Измерительная
техника. — 1976. — № 3.
16. Галахова О.П. Уменьшение погрешности термоэлек-
трических преобразователей переменного тока // 53-я на-
учно-техническая конференция, посвященная Дню радио.
— С.-Пб НТОРЭС им. А.С. Попова. — Тезисы докладов. — С.-
Пб., 1998.
17. МИ 1940-88. ГСИ. 1осударственная поверочная схе-
ма для средств измерений силы переменного электрическо-
го тока от 110“ до 25 А в диапазоне частот 20-1-106 Гц. — М.:
Государственный комитет СССР по стандартам, 1989.
18. Галахова О.П. Эталоны и система передачи единицы
силы переменного тока в диапазоне частот 20 Гц-1 МГц //
5-я Всероссийская научно-техническая конференция „со-
стояние и проблемы технических измерений". — Тезисы док-
ладов. - РМА, ВНИИМ. - М„ 1998.
19. ЛопаньВ.Р. Государственный специальный эталон
единицы силы тока высокой частоты и его применение в
метрологической практике. Измерительная техника № 4
1977.
20. Galakhova О.Р., Harkness S., Hermach F.L., Hirayama H.
et. al. International Comparison of Thermal Converters as AC/
DC Transfer Standards.//IEEE Trans. Instr. Meas. — № 4. -
Dec. 1980.-Vol. IM-29.
21. КолтикЕД., Рожденственская Т.Б. Развитие метро-
логии электрических измерений от Д.И. Менделеева до на-
ших дней // Измерительная техника. — 1984. — № 2.
21. J.P.M. de Vreede. ССЕ Intercomparison of AC-DC
Transfer Standards. IEEE Trans. Instr. Meas. — April 1993. — № 2.
-Vol. 42.
Галахова О.П.
485
Государственный специальный эталон
единицы силы тока высокой частоты в
диапазоне 0,1-300 МГц
Разработан во ВНИИФТРИ (1969-1974 гг.) и утвержден Постановле-
нием Госстандарта СССР 19.09.1974 г. № 32.
В основу построения эталона положен метод воспроизведения разме-
ра единицы силы тока высокой частоты, основанный на эффекте элек-
тродинамического преобразования энергии электромагнитного поля вы-
сокой частоты в механическую энергию колебаний подвижной системы
прибора.
В составе эталона:
— электродинамический амперметр с двумя коаксиальными измери-
тельными секциями;
— калибровочное устройство, включающее фотоэлектрический компа-
ратор и измерительный трансформатор тока высокой частоты;
— пульт управления и индикации с комплектом источников (генерато-
ров) тока высокой частоты.
В1982 г. эталон был дополнен вторичным эталоном, включающим элек-
тродинамический компаратор тока высокой частоты, существенно расши-
ривший диапазоны измерений и частот.
Метрологические характеристики (в комплекте с вторичным эта-
лоном)
Диапазон измерений, А 0,04-300
Частота, МГц 0,1-1000
СКО результата измерений 1-10‘3
НСП 8,5104
Область применения
— Контроль параметров средств радиосвязи, радионавигации, кабель-
ной связи.
— Контроль качества изделий радиотехнической, приборостроитель-
ной, электронной промышленности.
— Обеспечение единства измерений в научных исследованиях, в меди-
цине, по проблеме электромагнитной совместимости и электромагнит-
ной защите, включая измерения в электрических цепях сложной формы
и наличии близко расположенных экранов.
486
Методы сличений эталонов переменного тока
при первичной оценке и периодическом
контроле их погрешностей
Государственный специальный эталон единицы си-
лы электрического тока — ампера — в диапазоне час-
тот 20 Гц-1 МГц — ГЭТ 88-88 [1] основан на использо-
вании метода сравнения(компарирования)перемен-
ного тока с постоянным по одинаковому воздействию
на термоэлектрический преобразователь, поочеред-
но включаемый в цепь каждого тока. Значение дейст-
вующего переменного тока определяют по точно из-
меренному постоянному току с помощью мер ЭДС,
мер электрического сопротивления и компараторов.
Эталон имеет диапазон переменного тока 1 мА-20 А,
погрешности 5-10'7-3-104 в зависимости от тока и час-
тоты. Комплекс средств измерений эталона включа-
ет: эталонные термоэлектрические преобразователи
(ЭТП); средства измерений постоянного тока, высо-
костабильные источники питания постоянного и пе-
ременного тока для измерительных цепей эталона,
коммутационные устройства.
Основу эталона составляют группы ЭТП — по два-
три преобразователя на каждый из следующих номи-
нальных токов: 1, 3, 5, 10, 30, 50, 100 мА для частот
20 Гц-1 МГц; 0,3 и 0,5 А для частот 40 Гц-100 кГц и 1; 2,5;
5; 10; 20 А для частот 40 Гц-20 кГц. Групповая структура
обеспечивает исследование метрологических характе-
ристик ЭТП, контроль их стабильности, повышение
точности передачи размера единицы [2]. Группы ЭТП
отличаются друг от друга по конструкции, технологии
изготовления, используемым материалам. Так ЭТП на
номинальные токи 1-100 мА составлены из двух групп:
многоэлементных воздушных и одноэлементных ваку-
умных. Группы ЭТП на токи 0,3-20 А состоят из одно-
и многоэлементных воздушных преобразователей не-
посредственного включения, на каждый номинальный
ток имеется три ЭТП разных конструкций.
При экспериментальной первичной оценке по-
грешности компарирования переменного тока с посто-
янным ЭТП производится взаимное сличение двух —
трех ЭТП при равных и смежных номинальных значе-
ниях токов. Например, сличают воздушные многоэле-
ментные ЭТП с вакуумными одноэлементными ЭТП
при токах 1-100 мА; воздушные многоэлементные и од-
ноэлементные ЭТП разных конструкций и с различ-
ными материалами нагревателей для токов 0,3-20 А.
Полученные результаты сопоставляют с теорети-
ческой оценкой погрешностей ЭТП. Разности погреш-
ностей компарирования при сличениях не должны
превышать нормированную для ЭТП погрешность.
При сличениях ЭТП со смежными номинальными то-
ками суммарное среднее квадратическое отклонение
(СКО) для исследуемого ЭТП по отношению к опор-
ному вычисляют по формуле
где — неисключенные систематические по-
грешности, полученные при сличениях двух термо-
преобразователей внутри ступени сличений соответ-
ственно на исходной частоте, например на 1 кГц, и
при изменении частоты; S — СКО результата сличе-
ний; k — число ступеней сличений ЭТП.
Правильность предложенных методов оценки по-
грешностей ЭТП подтверждена при исследованиях
ЭТП независимыми методами — определением частот-
ных характеристик на ГСЭ единицы силы тока высо-
кой частоты. Международные сличения ЭТП [3] по-
казывают, что ГЭТ 88-88 находится на уровне этало-
нов ведущих зарубежных стран.
Литература:
1. Галахова О.П. // Радиоэлектроника и связь. Научно-
практический журнал. — 1999. — № 2 (16). — С. 37-42.
2. Галахова О.П. // Тез. докл. 53 науч.-техн. конф. НТО-
РЭС им. А.С. Попова. — С.-Пб. — 1998. — С. 64-65.
3. De Vreede I.P.M. // IEEE Trans. Instr, and Meas. —1993.
— V. 42. — № 2. — P. 99-108.
О.П. Галахова
487
Государственный первичный эталон единицы
электродвижущей силы и электрического
напряжения — вольта
Постоянное напряжение и электродвижущая сила
(ЭДС) являются одними из важнейших физических ве-
личин, измерения которых широко используется как
в научных исследованиях, так и в промышленности.
Начало разработки и создания эталонов вольта отно-
сится к 1908 г., когда Международная конференция по
электрическим единицам и эталонам, состоявшаяся в
Лондоне в 1908 г., приняла Международную систему
электрических единиц; в качестве эталона международ-
ного вольта конференция рекомендовала насыщенный
нормальный элемент (НЭ) Вестона. В 1900 г. под руко-
водством Д.И. Менделеева в России, в Главной Палате
мер и весов, была создана лаборатория электрических
эталонов, а уже в 1910 г. был введен в практику первый
национальный эталон вольта, состоящий из группы на-
сыщенных НЭ [ 1 ]. Эталоны, основанные на использо-
вании электродвижущей силы НЭ, носили название
эталонов единицы ЭДС. Размер вольта, воспроизводи-
мый и хранимый созданным первичным групповым
эталоном, определялся в то время по закону Ома че-
рез размер ома, воспроизводимого ртутным образцом,
и ампера, воспроизводимого серебряным вольтамет-
ром на основе константы Фарадея. Работы по совер-
шенствованию эталона единицы ЭДС были продолже-
ны в 1922-1929 гг. по инициативе профессора М.Ф. Ма-
ликова и в дальнейшем проводились профессором
А.К. Колосовым, А.С. Чураевой и В.В. Мюллер, разра-
ботавшими более совершенную технологию изготов-
ления стабильных во времени насыщенных НЭ. В
результате этих работ был создан отечественный груп-
повой эталон единицы ЭДС, состоящий из 20 насыщен-
ных НЭ, изготовленных во ВНИИМ в соответствии с
разработанной спецификацией. В1946 г. Международ-
ный Комитет по мерам и весам (МКМВ) принял реше-
ние о переходе на абсолютную систему электрических
единиц, и, в связи с этим, с 1949 г. значения ЭДС пер-
вичных эталонов различных стран были выражены в
единицах абсолютной системы путем пересчета с уче-
том коэффициента, утвержденного МКМВ. Создание
во ВНИИМ под руководством профессоров В.М. Янов-
ского и С.В. Горбацевича токовых весов обеспечило
возможность воспроизведения абсолютного ампера и
соответствующего уточнения размера вольта с погреш-
ностью 8-КУ6 на основе абсолютных измерений ампе-
ра (определенного через основные единицы абсо-
лютной системы) и ома, размер которого был воспро-
изведен через расчетную индуктивность. В 1969 г.
Международное Бюро Мери Весов (МБМВ) поданным
абсолютных измерений и с учетом результатов между-
народных сличений эталонных НЭ, проводившихся
через каждые три года, приняло решение об измене-
нии размера вольта МБМВ на 11 мкВ. В то же время во
ВНИИМ были проведены работы по уточнению раз-
мера вольта на основе абсолютных измерений, выпол-
ненных двумя независимыми методами — посредством
усовершенствованных токовых весов и измерений ги-
ромагнитного отношения протона в слабом и сильном
магнитных полях. Многолетние исследования сотруд-
никами ВНИИМ группы НЭ были воплощены в
ГЭТ 13-70 (ученый-хранитель О.П. Галахова) [2].
В 1962 г. Б. Джозефсоном было предсказано, а за-
тем подтверждено экспериментально наличие ранее
неизвестных эффектов в сверхпроводниках. Особый
интерес для уточнения размера вольта во всем мире
вызвал так называемый „нестационарный эффект
Джозефсона", заключающийся в том, что при прило-
жении постоянного напряжения U между двумя
сверхпроводниками, разделенными тонким слоем
изолятора (переход Джозефсона), возникает пере-
менная составляющая тока с частотой и, связанной
линейной зависимостью с напряжением. Обнаруже-
но было также и другое проявление этого эффекта:
если переход Джозефсона облучить электромагнит-
ной энергией с частотой и, то при приложении к пе-
реходу постоянного напряжения на его вольтампер-
ной характеристике (ВАХ) появляются ступени на-
пряжения, связанные с частотой зависимостью:
гг h
U = nr — г л)
2е Д '
где пс — номер ступени ВАХ перехода; h — посто-
янная Планка; е — заряд электрона; V — частота элек-
тромагнитного облучения перехода.
Указанные выше эффекты связаны с туннелирова-
нием электронов через потенциальный барьер. Рас-
смотрим подробнее это явление. Как известно из со-
временной теории сверхпроводимости, электроны в
сверхпроводнике объединены в куперовские пары.
При этом энергия пары меньше энергии двух отдель-
ных электронов на величину 2Д > называемую энерги-
ей связи пары. Все пары находятся в едином энергети-
ческом состоянии, отделенном от возможных состоя-
ний одиночных электронов энергетической щелью
2Д . Отсюда следует, что все пары описываются еди-
ной волновой функцией, являющейся также макроско-
пической характеристикой всего сверхпроводника. Из
наличия в энергетическом спектре электронов щели
следует, что пары не могут обмениваться с окружаю-
щей средой энергией, меньшей 2Д • Это означаег, что
обмен энергией может происходить только в случае
---------- 488 .......................................... =
перехода в область энергетического спектра одиноч-
ных электронов, т.е. в случае разрыва пары. Вернемся
к системе из двух сверхпроводников, разделенных сло-
ем диэлектрика. При достаточно большой толщине ди-
электрика волновые функции сверхпроводников не
связаны, а при соединении этих сверхпроводников в
один, они имеют единую волновую функцию. В про-
межуточном случае, когда толщина диэлектрика мала
(меньше размера пары), между волновыми функция-
ми сверхпроводников устанавливается связь в виде по-
стоянной разности фаз этих функций. Это означает,
чти пары мо1ут без падения напряжения на диэлектри-
ческом слое, переходить из одного сверхпроводника
в другой. При этом возникает переменный ток — так
называемый ток Джозефсона, плотность которого опи-
сывается выражением:
J = ksin^.
где jm — максимальное значение тока Джозефсо-
на; <р — разность фаз волновых функций сверхпро-
водников.
Стационарный эффект Джозефсона может наблю-
даться до тех пор, пока ток пе превысит некоторого
максимального значения ( jm ) После этого на диэлек-
трике наблюдается падение напряжения, и пара, про-
ходя через пего, приобретает энергию 2eU Однако
при напряжениях, меньших чем то, которое соответ-
ствует щели, т.е. когда 2eU < 2Д. пара по-прежнему пе-
реходит из одного сверхпроводника в другой не раз-
рушаясь, а приобретенную энергию отдает в виде
квантов излучения (нестационарный эффект Джозеф-
сона) в соответствии с соотношением (1).
В 1972 г. МБМВ рекомендовало к применению
(при измерениях на основе эффекта Джозефсо-
на) значение кванта магнитного потока
Фо =Л/2е-2,0678503-10"16 Вб, определенное исходя
из размера вольта МБМВ V№BI, принятого в 1969 г. При
согласовании констант КОДАТА в 1973 г. было реко-
мендовано для применения значение
Фо = 2,0678506-10-15 Вб, (2)
(при среднем квадратическом отклонении 2-10'6),
определенное через значения постоянной Планка и
заряда электрона. В 1974 г. во ВНИИМ К.А. Красно-
вым, Э.Т. Французом, В.П. Мазуровым под руково-
дством С.В. Горбацевича была создана опытная аппа-
ратура и проведено первое определение ЭДС ИЭ с по-
мощью эффекта Джозефсона. В этом же году
С.В. Горбацевич, В.М. Холин и В.С. Тунинский пред-
ложили новый метод определения значения кванта
магнитного потока Фо па основе уравнения связи ме-
жду константами, определенными через основные
единицы международной системы единиц СИ (м, кг,
с, А) без использования производных единиц электри-
ческих величин:
. _ h _ с0
°~2е~ 4^ mtNAR. '
где с0 — скорость света в вакууме, м-с'1; тс — масса
электрона, кг; - масса прогона, кг; -атомная
масса протона, кг; АА — число Авогадро, кг-моль1; а
— постоянная тонкой структуры (безразмерная вели-
чина); R. — постоянная Ридберга, м1; д — магнит-
ная постоянная, м-кг-сЛА'2.
В 1980 г. во ВНИИМ был создан первый в России
квантовый эталон вольта ГЭТ 13-80 (ученый-храни-
тель В.И. Кржимовский) [2], позволивший воспроиз-
водить единицу с аппаратурной погрешностью 7-Ю’8.
Анализ результатов экспериментального опреде-
ления фундаментальных физических констант, полу-
ченных в 1980 -1987 гг. в различных странах, показал,
что значение Фп (2) выпадает из доверительного ин-
тервала, определяемого экспериментальными по-
ФВ АТТ 77 ГГц
Рис. 1. Блок-схема государственного первичного эталона единицы электрического напряжения
========== 489
грешностями. Для обработки вновь полученных экс-
периментальных данных по инициативе МБМВ в
1986 г. была образована рабочая группа. В результате
на 18-й сессии ККЭ константе 2е/А присвоено наиме-
нование „константа Джозефсона" и обозначение Кj ,
С 1 января 1990 г. странам-участницам ККЭ, воспро-
изводящим вольт на основе эффекта Джозефсона, ре-
комендовано применять значение
Kj = 483597,9 ГГц/В, (4)
которому приписана погрешность 4-10'7 (Рекомен-
дация Е1 88).
В период с 1984 по 1989 гг. во ВНИИМ был создан
комплекс аппаратуры второго поколения, утвержден
пый в качестве государственного эталона вольга
ГЭТ 13-89 (ученый хранитель В.И. Кржимовский) [3].
Данный эталонный комплекс с J990 г. перешел к ис-
пользованию рекомендованного ККЭ значения кон-
станты Джозефсона (4), при этом размер вольтаВНИ-
ИМ изменился лишь на 3,58 мкВ, в то время как меж-
дународный размер вольта изменился на 8,06 мкВ, что
подтвердило высокий уровень научных исследова-
ний, проводимых во ВНИИМ. Суммарная аппаратур-
ная погрешность ГЭТ 13-89 не превышала 7 10'9
Научно-технический прогресс и интеграция Рос-
сии в мировое сообщество ставят задачу дальнейше-
го совершенствования эталонной базы. Уже сейчас в
обращение поступают 8,5 разрядные калибраторы и
вольтметры, разрабатываются прецизионные меры
напряжения на стабилитронах, создаются новые ти-
пы мер напряжения на эффекте Джозефсона, что, со-
ответственно, вызывает необходимость совершенст-
вования как первичного эталона, так и методов и
средств передачи размера вольта высокоточным сред-
ствам измерений. Актуальной задачей сегодняшнего
дня является подтверждение эквивалентности основ-
ных национальных эталонов, к которым отнесен и
эталон вольта.
Учитывая тенденции развития данной области из-
мерений, в ГУП „ВНИИМ им. Д. И. Менделеева" при
участии А.С. Каткова. В.И. Кржимовского. Е.Д. Кол
тика, С.В. Потапова, Б.С. Таубе, Г.П. Телитченко,
В.Э. Ловцюса, И.В. Коротковой на основе теоретиче-
ских и экспериментальных работ, выполненных в пе-
риод с 1991 по 1999 гг., создан комплекс эталонной
аппаратуры третьего поколения и новая поверочная
схема. При создании эталона использованы инте-
гральные джозефсоновские микросхемы, полученные
в результате проведения совместных работ со специа-
листами Физико-технического института Германии
(ПГБ) Ю. Нимайером и Р. Бэром.
Комплекс средств измерений, утвержденный Гос-
стандартом в апреле 2001 г. в качестве государствен-
ного первичного эталона единицы электрического на-
пряжения ГЭТ 13-01 (ученый-хранитель А.С. Катков),
имеет следующий состав:
— мера напряжения для воспроизведения вольта,
состоящая из криогенных преобразователей частоты
в напряжение на основе эффекта Джозефсона и аппа-
ратуры для синтеза частоты облучения криогенных
преобразователей, включая стандарт частоты и време-
ни, синтезатор и генератор СВЧ диапазона, блок фа-
зовой автоподстройки частоты;
— аппаратура для контроля условий измерений и
неизменности воспроизводимого размера единицы;
— аппаратура для передачи размера единицы.
Блок-схема эталона (рис. 1) содержит стандарт час-
тоты и времени, генерирующий сигнал опорной час-
тоты 5 МГц, который подается на синтезатор частот
и на блок фазовой автоподстройки частоты (ФА11Ч).
Синтезатор частот формирует опорный сигнал в диа-
пазоне частот 8,5-18 ГГц, синхронизированный с
опорной частотой 5 МГц, который подается на сме-
ситель (СМ), Сигнал генератора через ферритовый
вентиль (ФВ) подается на аттенюатор (АТТ) и через
ответвитель на смеситель. Разностная частота со сме-
сителя подается на блок ФАПЧ, который формирует
управляющий сигнал на входе генератора для стаби-
лизации частоты на его выходе в диапазоне 60-80 ГГц.
С выхода ответвителя сигнал проходит через аттенюа-
тор и подается на криогенный преобразователь, со-
держащий зонд с интегральной джозефсоповской
микросхемой (ИДМ), в которой реализованы послед-
ние достижения современной технологии, позволяю-
щей соединять последовательно десятки тысяч пере-
ходов Джозефсона. Рабочая температура микросхемы
составляет 4 К и обеспечивается путем погружения
зонда в среду с жидким гелием. Установка необходи-
мых выходных напряжений (1 В и 10 В) и контроль
параметров микросхемы осуществляется блоком ви-
деоконтроля и осциллографом
Передача размера вольта вторичным эталонам осу-
ществляется с помощью компаратора, содержащего на-
новольтметр и коммутатор, который осуществляет вы-
бор элементов группового вторичного эталона, пере-
ключение полярности и измерение разности напряже-
ний. Значение вторичного эталона определяется как:
тт — г V +Д17
U вэг foK j +---g-----, (5)
где дТ7+ ’ &U~ ~ усредненные значения разности
напряжений встречно включенных первичного и вто-
ричного эталонов при положительной и отрицатель-
ной полярностях выходною напряжения эталонов.
Управление процессом измерений, сбор данных и
математическая обработка результатов измерений
осуществляется персональным компьютером.
Реализация уравнения (5) с помощью технических
средств накладывает определенные ограничения на
точность воспроизведения единицы напряжения, оп-
ределяемой влиянием технических характеристик и
физических свойств применяемых устройств и мате-
риалов, а также методикой исключения этих влияний.
При определении погрешности проводи пись ис-
следования ее составляющих, обусловленных погреш-
ностями, вносимыми стандартом частоты, синтезато-
ром и системой фазовой автоподстройки частоты СВЧ
генератора; утечками в выходной цепи эталона; нали-
чием термо-ЭДС в выходной цепи, а также наличием
возможных дефектов в интегральной джозефсонов-
ской микросхеме, которые могут вызвать появление
дополнительного напряжения от наклона ступени на
ВАХ микросхемы, дополнительного напряжения из-за
детектирования приложенного СВЧ сигнала; до-
полнительного напряжения из-за „перескоков" между
ступенями ВАХ.
16* Зак. 450
... 490 ===^===_=^==
Передача размера единицы вторичным эталонам
производится методом сличения с помощью компа-
ратора.
При определении погрешности компарирования
проводились исследования составляющих погрешно-
сти, обусловленных утечками в цепи компаратора; шу-
мами, отнесенными ко входу нуль-индикатора; по-
грешностью нуль-индикатора; наличием термо-ЭДС в
измерительной цепи.
В период с ноября 1998 г. по февраль 1999 г. про-
ведены сличения разработанного эталона и междуна-
родного эталона вольта МБМВ посредством транспор-
тировки двух мер напряжения типа Fluke 732 В, при-
надлежащих МБМВ.
Результаты сличений при выходном напряжении
мер 1 В:
Увниим-Умбмв=0,00 мкВ, при мс=0,03 мкВ
В мае-июне 1999 г. во ВНИИМ был доставлен эта-
лон вольта Германии и проведены прямые сличения
эталонов ПТБ и ВНИИМ.
Результаты сличений при выходном напряжении
1 В:
Увниим-Уптб=0,05 нВ, при ис =0,17 нВ.
Сравнивая результаты сличений проведенных
ВНИИМ с аналогичными международными сличения-
ми ведущих зарубежных метрологических организа-
ций можно сделать вывод, что метрологические ха-
рактеристики нового эталона находятся на уровне
лучших мировых аналогов.
Проведенные теоретические и эксперименталь-
ные исследования позволяют сделать вывод о том, что
метрологические характеристики эталона удовлетво-
ряют требованиям государственной поверочной схе-
мы и паспорта эталона, а именно:
воспроизводимое напряжение 1 В и 10 В;
СКО не более 1- 10’9, НСП не более 1-10’9;
стандартная неопределенность типа А, иА не бо-
лее 1-10'9,
стандартная неопределенность типа В, ив не бо-
лее 0,5-10'9;
суммарная стандартная неопределенность, ис не
более 1,1-10’9,
расширенная стандартная неопределенность, U.
не более З.ЫО’9;
В соответствии с рекомендацией ККЭ (EI-88) не-
определенность значения Kj (wc=4-10‘7) принимает-
ся во внимание только в особых случаях, например,
таких как определение фундаментальных физических
констант, согласование размеров единиц. Во всех ос-
тальных случаях рекомендовано использовать услов-
ный размер вольта, в котором принимается ис =0, при
условии что используется рекомендованный размер
константы Kj.
В настоящее время в России парк средств измере-
ний постоянного напряжения превышает 100 млн. еди-
ниц и включает средства измерения классов точности
от 0,00005 до 5,0 с пределами измерений до 1000 В. Для
метрологического обеспечения средств измерений,
помимо государственного эталона и эталона-копии,
созданы и находятся в эксплуатации в государственной
и метрологических службах юридических лиц 9 рабо-
чих эталонов единицы ЭДС 0-го разряда. В террито-
риальных органах Госстандарта и метрологических
службах юридических лиц эксплуатируются около ста
рабочих эталонов 1-го разряда, свыше трехсот 2-го раз-
ряда и более тысячи рабочих эталонов 3-го разряда.
При введении в эксплуатацию ГЭТ 13-01 планиру-
ется более высокое, чем ранее, качество поверки, ко-
торое будет обеспечено выполнением плана меро-
приятий, включающего разработку и внедрение в экс-
плуатацию транспортируемого эталона на эффекте
Джозефсона, высокоточных рабочих эталонов 0-го
разряда с применением установок на эффекте Джо-
зефсона, рабочих эталонов 1-го разряда с диапазоном
напряжений 10 В-1000 В, нормативных документов
по поверке средств измерения постоянного напряже-
ния. Кроме того, качество поверки будет повышено
за счет применения в составе рабочих эталонов Гго
разряда мер напряжения на стабилитронах и приме-
нения цифровых приборов в качестве эталонов 2-го
и 3-го разрядов. В результате внедрения поверочной
схемы, возглавляемой ГЭТ 13-01, обеспечена возмож-
ность поверки рабочих средств измерения с погреш-
ностью до 5-10’8, что является предпосылкой для по-
вышения общего уровня точности электрических из-
мерений в стране.
Перспективы дальнейшего совершенствования
эталона вольта связаны с повышением устойчивости
и управляемости воспроизводимого напряжения в диа-
пазоне до 10 В. Метрологические характеристики эта-
лона планируется улучшать за счет применения более
совершенных преобразователей на эффекте Джозеф-
сона и электронной аппаратуры. В результате прове-
дения исследований ожидается повышение точности
и качества поверки и калибровки, более высокий уро-
вень автоматизации, расширение частотного диапазо-
на применения эталона как в область инфразвуковых,
так и звуковых частот путем формирования прецизи-
онных сигналов заданной формы с помощью ИДМ.
Литература:
1. Маликов М.Ф. Эталон международного вольта // Вре-
менник Главной палаты мер и весов. — 1925. — вып 1(13).
2. Галахова О.П. 1Ьсударственный первичный эталон еди-
ницы электродвижущей силы — вольта. // Измерительная
техника. — 1971. — №12. — С. 12-15.
3. Тарбеев Ю.В., Колтик Е.Д., Рождественская Т.Б.,
Галахова О.П., Краснов КА., Кржимовский В.И. Новый го-
сударственный первичный эталон единицы электродвижу-
щей силы — вольта // Измерительная техника. — 1981. —
№ 12. - С. 3-5.
4. Колтик Е.Д., Галахова О.П., Кржимовский В.И.,
Катков А.С., Ловцюс В.Э., МженьА.С., Гуревич В.М.,
Короткова И.В. 1Ьсударственный первичный эталон едини-
цы ЭДС и переход на новый размер вольта // Измеритель-
ная техника. — 1990. — № 11. — С. 6-7.
5. Крутиков В.Н., Катков А.С. Эталон вольта России //
Контрольно-измерительные приборы и системы. — 2000. —
№ 3. - С. 25.
А.С. Катков, В.И. Кржимовский, Е.Д. Колтик
491
Эталон единицы электрического
сопротивления
Государственный первичный эталон единицы
электрического сопротивления (ома) состоит из ком-
плекса средств измерений для воспроизведения, хра-
нения и передачи размера единицы, контроля усло-
вий измерений и неизменности воспроизводимого и
хранимого размера единицы.
Эталон основан на использовании квантового эф-
фекта Холла, позволяющего определять размер еди-
ницы сопротивления независимым способом [1].
Суть используемого эффекта состоит в том, что при
определенных условиях квантовое сопротивление
Холла (далее — КСХ) в двумерных слоях носителей то-
ка в полупроводниках, помещенных в перпендикуляр-
ное магнитное поле при температурах жидкого гелия,
не зависит от концентрации носителей и выражает-
ся через комбинацию фундаментальных физических
констант
R - *
ге
где д — постоянная Планка; е — заряд электрона;
i — натуральное число. Современные технические
средства позволяют получать наиболее устойчивые
ступени квантования для i =2,4, что соответствует зна-
чениям КСХ 12,906... и 6,453... кОм соответственно.
Хранение размера единицы осуществляется при
помощи группового эталона, состоящего из десяти
эталонных мер электрического сопротивления с но-
минальным значением 1 Ом. Передача размера еди-
ницы к другим номинальным значениям и взаимо-
связь между групповым эталоном и КСХ осуществля-
ется при помощи компараторов и переходных мер
электрического сопротивления.
В соответствии с используемыми методами изме-
рений в состав эталона входит комплекс средств из-
мерений, разработанный и созданный во ВНИИМ в
результате проведения научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ, включающий:
— установку У КС-1 (совместно с криогенным и ин-
женерно-техническим обеспечением) для воспроиз-
ведения значения КСХ — размера единицы;
— группу из 10 манганиновых мер электрического
сопротивления с номинальным значением 1 Ом—хра-
нение национального размера единицы;
— мостовую измерительную установку УМКС-1;
— набор переходных мер электрического сопро-
тивления для передачи размера единицы вторичным
и рабочим эталонам в диапазоне от 0,001 Ом до 1 ГОм.
Суммарная погрешность воспроизведения едини-
цы с учетом передачи ее размера от КСХ к эталонным
мерам не превышает 45-10'9.
Суммарное СКО передачи размера единицы в пре-
делах диапазона от 0,001 Ом до 1 ГОм находится в пре-
делах от 5-10’8до 1-10'6 [2].
Первый российский эталон единицы электрическо-
го сопротивления был создан в 1848 г. академиком
Б.С. Якоби [3]. После решений, принятых на междуна-
родном конгрессе в Чикаго в 1893 г. и на основе пред-
писаний Лондонской конференции 1908 г., А.Н. Геор-
гиевский и М.Ф. Маликов в период 1910-1913 гг. созда-
ли эталон на основе ртутных образцов. Как показали
международные сличения, российская единица сопро-
тивления оказалась полностью согласованной с едини-
цами сопротивления других государств [4]. В последую-
щие годы под руководством проф. М.Ф. Маликова и при
участии А.И. Марениной, Е.К. Вессо-Адо, И.Н. Кротко-
ва был создан первый групповой эталон на основе ман-
ганиновых мер отечественного производства и разра-
ботаны средства передачи размера единицы в диапа-
зоне от 0,001 Ом до 100 кОм [5]. В послевоенные годы
работы по созданию нового эталона были продолже-
ны в лаборатории проф. С.В. Горбацевича. Были соз-
даны новые компараторы и средства передачи разме-
ра единицы в диапазоне от 0,001 Ом до 1 ГОм, новый
групповой эталон [6, 7]. Ученым хранителем нового
эталона стал В.П. Шигорин.
После открытия К. фон Клитцингом в 1980 г. кван-
тового эффекта Холла во ВНИИМ были начаты ис-
следования по его использованию для контроля ста-
бильности во времени групповых эталонов [8]. Ана-
логичные работы проводились во ВНИИМС под
руководством В.М. Пудалова и С.Г. Семенчинского
[9]. В середине 80-х гг. во ВНИИМ в лаборатории
проф. О.А. Мяздрикова группа под руководством
А.В. Плошинского начала основные работы по созда-
нию эталонного комплекса на основе КСХ, успешно
завершенные к 1989 г. Результаты первых же между-
народных сличений (1989-1990 гг.) подтвердили вы-
сокие метрологические характеристики нового эта-
лона [10, 11]. После принятия на 18 сессии Междуна-
родного консультативного комитета рекомендации о
переходе с 1.01.90 г. на новый способ представления
единицы электрического сопротивления, эталонный
комплекс был введен в состав государственного пер-
вичного эталона ГЭТ 14-91. После утверждения этало-
на в лаборатории Госэталонов в области параметров
электрических цепей, руководимой Ю.П. Семеновым,
проводятся постоянные научные исследования,
направленные на перспективное совершенствование
методов передачи размера единицы, повышение ста-
бильности ее поддержания, расширения функциональ-
ных возможностей эталона и диапазона, в котором
492 ----------- -- -
осуществляется передача размера единицы. Учитывая
широкий спектр работ с эталоном как в сфере чисто
практического использования, так и при проведении
фундаментальных исследований в соответствии с со-
временными требованиями науки и техники, были на-
значены два ученых хранителя эталона — А.В. Пло-
шинский и Б.Я. Литвинов.
В соответствии с существующей поверочной схе-
мой размер единицы передается вторичным и рабочим
эталонам. В РФ существуют и функционируют десять
вторичных эталонов, несколько сотен рабочих этало-
нов. Общее число средств измерений, приборов и из-
делий, которым передается размер единицы, состав-
ляет около одного миллиона. В поверочной схеме пре-
дусмотрено две ветви—для передачи размера единицы
на постоянном и переменном токе. Во главе второй вет-
ви стоит вторичный эталон электрического сопротив-
ления переменного тока (активного сопротивления),
включающий эталонные компараторы переменного
тока, аппаратуру для определения частотных попра-
вок, меры с расчетными частотными характеристика-
ми и наборы мер активного сопротивления в диапазо-
не от 0,1 Ом до 10 МОм. Передача размера единицы
осуществляется на частотах до 1 МГц [12,13].Во ВНИ-
ИМ работы по созданию и совершенствованию этало-
нов активного сопротивления проводятся И.Я. Клеба-
новым. Размер единицы, воспроизводимый и храни-
мый ГЭТ 14-91, используется при функционировании
первичных эталонов в области магнитных измерений,
термометрии, электрической мощности, индуктивно-
сти. При помощи эталона единицы электрического со-
противления исследуются свойства прецизионных мер
электрического сопротивления и резисторов, служа-
щих опорными элементами и элементной базой при
создании высокоточных многоразрядных калибрато-
ров и мультиметров, приборов, используемых в авиа-
ции, ракетостроении, исследуются характеристики
датчиков, используемых при измерениях неэлектри-
ческих величин электрическими методами в экологи-
ческих измерениях, при разработке энергосберегаю-
щих технологий.
Целый ряд работ с применением эталона связан с
фундаментальными исследованиями в области согла-
сования фундаментальных физических констант (на-
пример уточнения гиромагнитного отношения про-
тона), разработки системы взаимосвязи эталонов
электрических единиц. Постоянные метрологиче-
ские работы связаны с проведением многолетнего мо-
ниторинга мер электрического сопротивления, на ос-
нове которого составляется база данных для прогно-
зирования поведения и дальнейшего развития
эталонных мер и прецизионных резистивных элемен-
тов, являющихся основными „элементами памяти”
при передаче размера единицы и составляющих ос-
новное звено в данном виде измерений.
На сегодняшний день эталон представляет собой
комплекс средств измерений, полностью соответст-
вующих современным международным требованиям.
Разработаны методы и средства для передачи размера
ома для целей осуществления связи между единицей
электрической емкости, воспроизводимой на основе
расчетного конденсатора, и единицей сопротивления,
представляемой посредством квантового эффекта Хол-
ла. Выполнены теоретические и экспериментальные
исследования по переходу на эталонные меры нового
поколения, созданы меры с расчетными частотными
характеристиками для значений, кратных постоянной
Клитцинга, разработана система „базовых эталонов"
и одноканальная система передачи размера ома к вто-
ричным и рабочим эталонам. На основе многолетних
исследований создана уникальная база данных, позво-
ляющая проводить анализ и оценку текущего и пер-
спективного состояния эталонной базы РФ в данном
виде измерений, осуществлять разработку новых мето-
дов передачи размера ома во всех звеньях поверочной
схемы с учетом современных требований и перехода
на качественно новые средства измерений [14-16].
В случае утраты эталона произойдет не только уте-
ря размера единицы. Будет нарушена система функцио-
нирования электрических эталонов и эталонов в об-
ласти термометрии и экологического мониторинга.
Произойдет утрата используемых метрологических
технологий и системы накопленных статистических
данных. Восстановление эталона в полном объеме по-
требует не менее 10-15 лет при значительных ка-
питальных затратах. Уникальность эталона состоит в
возможности выполнять метрологические работы и
исследования во всем практическом диапазоне изме-
рений как стандартизованных, так и уникальных, еди-
ничных средств измерений.
Международные сличения и сотрудничество с уча-
стием эталона ома проводятся постоянно с момента
создания ртутных образцов международного ома [4,5].
Литература:
1. Тарбеев Ю.В. Квантовый эффект Холла и его примене-
ние в метрологии // Измерительная техника. - № 8. —1988.
2. Шигорин В.П., Литвинов Б.Я., Погосова Л.И., Никанд-
рова И.А. Повышение уровня точности метрологических ра-
бот в области измерения электрического сопротивления. —
В сб.: Исследования в области электрических измерений. —
Л.: Энергоатомиздат, 1989. — С. 7-11.
3. Шостьин НА. Очерки истории русской метрологии. XI
- начало XX века. — М.: Издательство стандартов, 1990. — 280 с.
4. Георгиевский АН., Маликов М.Ф. Ртутные образцы ме-
ждународного ома.—Петроград: Типография М.П. Фроловой,
1918.-216 с.
5. Маликов М.Ф. Методи оборудование для сравнения эта-
лонов электрического сопротивления. Сообщения Главной
палаты мер и весов СССР консультативному комитету по элек-
тричеству и фотометрии. — Издание ВИМС, № 100, Ленин-
град, 1932.-С. 87-94.
6. Торбацевич С.В., ЛопатниковаА.Н., Светлакова Л.Ф.,
Шигорин В.П. О переходе в СССР на новые эталоны электри-
ческого сопротивления // Труды Институтов Комитета, вып.
67(127). — М.: Стандартгиз, 1962. — С. 5-8.
7. Шигорин В.П., Клебанов И.Я. Эталоны и образцовые
средства измерений электрического сопротивления. // Из-
мерительная техника. — 1981. — № 6. — С. 41-43.
8. Тарбеев Ю.В., Герасимов Н.П., Козырев С.В., Пота-
пов С.В., Славинская Н.С. Особенности квантования холлов-
ского сопротивления в инверсионных слоях кремниевых
МДП-структур. - Физические проблемы точных измерений
// Сборник научных трудов НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менде-
леева". - 1984. - С. 47-51.
9. Пудалов В.М., Семенчинский С.Г. Физические пробле-
мы использования квантового эффекта Холла для воспроиз-
ведения единицы электрического сопротивления. — Физиче-
ские проблемы точных измерений // Сборник научных тру-
дов НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". - 1984. - С. 52-55.
10. Курочкин Ф.Е., Плошинский А.В., Семенов Ю.П.,
Хахамов И.В., Шигорин В.П. 1осударственный эталон едини-
493
цы электрического сопротивления и новое представление
ома на основе использования квантового эффекта Холла.
11. Yu.V. Tarbeev, A.V. Ploshinsky, I.V. Khakhamov,
P. Warnecke, and E. Pesel Comparison of Quantized Hal
Resistance Measurements between IMM and PTB, Digest Conf.
Prec. Electron. Meas. CEPM’92, Paris, p. 290-291,1992.
12. Клебанов И.Я. Рабочие эталоны единицы электриче-
ского сопротивления (активного) // Метрология и точные
измерения. — 1982. — № 1. — С. 11-18.
13. Клебанов И.Я. Литвинов Б.Я. Новые эталонные меры
электрического сопротивления постоянного/переменного то-
ка. — В сб. материалов пятой Всероссийской НТК „Состояние
и проблемы технических измерений" —М., 1988, —С. 159-160.
14. В. Litvinov, A. Ploshinsky, Yu. Semyonov. Development
and investigation „base" and transportable resistance standards.
CCE Documents, CCE/97-38, 1997.
15. Yu. Semyonov, I. Klebanov, Rae Duk Lee, Han Jun Kim.
Bifilar AC-DC Resistor Using a Microwire. / / TF.F.F. Trans, on Instr,
and Measur. - v 46. - № 2. - 1997. - P. 333-336.
16. Колтик Е..Д., Литвинов Б.Я. Новое поколение компа-
раторов мери электрического сопротивления // Законода-
тельная и прикладная метрология. — 2000. — № 4.
Б.Я. Литвинов, АВ, Плогаинский
494
Методологические особенности сличений
эталонов ома
В целях дальнейшего совершенствования единст-
ва измерений на заседании Международного комите-
та мер и весов (МКМВ) в 1996 г. было предложено вве-
сти понятие эквивалентности национальных эталонов
индустриально развитых стран мира. Одним из важ-
нейших следствий этого предложения стало подписа-
ние в октябре 1999 г. директорами НМИ Договорен-
ности о взаимном признании национальных измери-
тельных эталонов и сертификатов калибровки и
измерения, выдаваемых национальными метрологиче-
скими институтами.
Для практической реализации этого мероприятия
Консультативными комитетами при МКМВ было пред-
ложено периодически проводить среди национальных
метрологических институтов так называемые ключе
вые сличения. Виды и периодичность этих сличений
выбраны таким образом, чтобы охватить все основные
области высокоточных измерений.
Процедура проведения ключевых сличений в об-
ласти измерения электрического сопротивления пре-
дусматривает первоначальную аттестацию высоко-
стабильной транспортируемой меры лабораторией —
пилотом и последующие последовательные сертифи-
кации ее национальными метрологическими лабора-
ториями. Номинальное значение сопрот ивления ме-
ры может соответствовать одной или нескольким ре-
перным точкам в пределах диапазона, в котором
передается размер единицы электрического сопротив-
ления. Таким образом, в ходе выполнения ключевых
сличений выявляется эквивалентность первичных эта-
лонов участвующих стран не только ла уровне номи
нальных значений, воспроизводимых и хранимых эта-
лонами, но и в пределах всего диапазона, в котором
осуществляется передача размера единицы.
Погрешность воспроизведения единицы сопротив-
ления — ома — в системе СИ, реализуемой с 1.01.1990 г.
при использовании квантового эффекта Холла, в
настоящее время ограничена погрешностью согласо-
вания константы Клитцинга и составляет 2-10 ’, что зна-
чительно превышает расхождение между результатами,
достигаемыми при ключевых сличениях. Прогнозируе-
мое в ближайшее время уточнение значения этой кон-
станты будет способствовать как достижению большей
эквивалентности национальных эталонов, так и сниже-
нию неисключенной систематической погрешности
(НСП) государственного первичного эталона единицы
электрического сопротивления ГЭТ 14-91 [1]. Это, в
свою очередь, потребует корректировки стандарта [2]
и изменения требований к метрологическим характе-
ристикам вторичных и рабочих эталонов в области из-
мерения электрического сопротивления.
Функционирование вторичных эталонов (ВЭТ)
России в данном виде измерений основано на однока-
нальной системе передачи размера единицы ома на
уровне одного номинального значения, хранимого
группой эталонных мер электрического сопротивле-
ния (МЭС) из состава поверяемого ВЭТ. Передача раз-
мера единицы эталонным МЭС (ЭМЭС) другого номи-
нального значения осуществляется автономно на
месте дислокации ВЭТ. При подобной процедуре пе-
редачи размера единицы контролю подлежит только
одна составная часть ВЭТ, которая является важным
звеном во всей системе передачи, но не отражает дей-
ствителвного состояния всего эталонного комплекса.
Многолетний опыт работы во ВН ИИ'М и других на-
циональных метрологических центрах [3, 4] позволя-
ет сделать вывод о зависимости погрешности переда-
чи размера единицы от квалификации и опыта обслу-
живающего персонала, правильности использования
методик выполнения измерений, технического состоя-
ния компараторов и периферийного оборудования и
т.д. Оснащение метрологических центров дорогостоя-
щим современным метрологическим оборудованием
не является гарантией обеспечения необходимой точ-
ности измерений. Специфика одноканальной переда-
чи размера единицы состоит и в том. что МЭС из со
става ВЭТ (кроме группового эталона) исследуются и
вводятся в состав эталона (исключаются из состава)
непосредственно на месте эксплуатации ВЭТ.
Подобная практика может приносить некоторый
кратковременный экономический эффект для органи-
зации-хранителя ВЭТ, но может нарушить единство из-
мерений в России. Во ВНИИМ зафиксировано не-
сколько случаев превышения погрешности при пере-
даче размера единицы от ВЭТ рабочим эталонам
первого разряда для отдельных номинальных значе-
ний сопротивлений. Б связи с этим целесообразно в
ближайшее время провести сличения, аналогичные
ключевым, на уровне ВЭТ на территории России с це-
лью анализа единства средств измерений и свиде-
тельств, выдаваемых региональными метрологически-
ми центрами.
Сличения можно проводить по радиальному и кру
говому принципам. При радиальных сличениях
(рис. 1а) одновременно с МЭС из состава группового
эталона поверке подлежит контрольный комплект
МЭС с различными номинальными значениями, иссле-
дованный в лаборатории-хранителе ВЭТ. По сходимо-
сти результатов, полученных в головном метрологиче-
ском центре и в лаборатории-хранителе ВЭТ, можно
судить о точности передачи размера единицы на мес-
те дислокации ВЭТ. При круговых сличениях (рис. 16)
Рис. 1. Радиальные (а) и круговые (б) сличения
495 ....
комплект эталонных МЭС, исследованных в головном
метрологическом центре, посылают во все лаборато-
рии (метрологические центры), где проводят его ис-
следования с использованием аппаратуры, входящей
в состав ВЭТ.
Методика проведения радиальных сличений, раз-
работанная ио ВНИИМ, проверена на практике при
создании ряда ВЭТ д ля метрологических центров Рос-
сии и стран СНГ. На основе проведения многолетних
работ, связанных с международными сличениями, во
ВНИИМ разработана методологическая и техническая
база для реализации предлагаемых гл ичений ВЭТ с це-
лью обеспечения единства измерений электрическо-
го сопротивления в России при одноканальной систе-
ме передачи размера единицы.
Литература:
1. Курочкин Ф.Е. идр. // Измерительная техника.
-1990. №12.-С. 3.
2. ГОСТ 8.028-86. ГСИ. Государственный первич-
ный эталон и государственная поверочная схема длм
средств измерений электрического сопротивления.
3. Шигорин В.П. и др. //'Исследования в области
электрических измерений //Тр. ВНИИМ.—Л., 1984.
-С.З.
4. Witt T.I. //Rev. Sci. Instr. - 1998. - V. 69 - № 8 -
P. 2823.
А. В. Плошинский, Б.Я. Литвинов
496
Государственный первичный этатон единицы
индуктивности
Собственные и взаимные индуктивности принад-
лежат к числу основных параметров электрических це-
пей, и их определение представляет одну из важней-
ших задач, возникающих при расчете цепей и иссле-
довании происходящих в них физических процессов.
Принцип действия
Государственный первичный эталон (ГПЭ) едини-
цы индуктивности — генри - создан во ВНИИМ
им. Д И Менделеева в 1979 г. В системе взаимосвязан-
ных эталонов электрических величин размер едини-
цы индуктивности устанавливается на основе уравне-
ния связи между единицами индуктивности, емкости
и сопротивления [1-3].
L = A1CR2, (1)
где А’] — постоянный коэффициент, зависящий от
выбранных номинальных значений величин, входя-
щих в уравнение. Размер единиц емкости и сопротив-
ления воспроизводится соответственно с помощью
расчетного конденсатора и квантового аффекта Хол-
ла. Хранение единицы индуктивности, размер кото-
рой получен косвенным методом через единицы ем-
кости и сопротивления, осуществляется с помощью
тороидальных катушек индуктивности, составляю-
щих групповой эталон (рис. 1)
При создании эталона основной задачей являлась
разработка и теоретическое исследование методов
расчета и анализа характеристик тороидальных кату-
шек индуктивности. Расчет индуктивности проводил-
ся при стационарном и квазистационарном режимах
электромагнитного поля [4,5], При расчете парамет-
ров катушек индуктивности в случае низкой частоты
принято равномерное распределение плотности то-
ка по сечению проводника Расчет индуктивности ка-
тушек производился методом вычитания индуктивно-
сти слоя тока, полагая. что намотка <>сущес гвлена бес-
конечно гонкой лентой, полностью покрывающей
сердечник, а изоляция между витками имеет пренеб-
режимо малу ю толщину. При переходе к реальным об-
моткам учитывалась поправка на конечность сечения
провода. Получены выражения для расчета индуктив-
ности катушек тороидальной формы с различной гео-
метрией поперечного сечения каркаса. Индуктив-
ность катушки с каркасом прямоугольного сечения
, 2 , О+Г
L.= — wain— (9\
2лг D-r'U)
где — магнитная постоянная: — чисто вит-
ков катушки; а и г — аксиальный и радиальный раз-
меры среднего витка обмотки соответственно; р —
средний диаметр катушки. Индуктивность катушки с
каркасом кругового сечения
г -
2 d + ^Id2-^ ’
где d — диаметр среднего витка обмотки.
При расчете индуктивности в области средних и
высоких частот дополн ительно учитывалось дейс гвие
остаточных параметров (собственной емкости и со-
противления потерь) и поверхностного эффекта. В
основу расчета положена методика, согласно которой
искомая индуктивность выражается в виде функции
приращения эффективных размеров тороида
Ад, = А-(D+ДО, а+Да, г+Дг), каждый из которых пред-
ставляет переменную величину, зависящую от режи-
ма электромагнитного поля.
На основании проведенных расчетов было впер-
вые получено выражение для индуктивности торои-
дальных катушек в области средних и высоких частот
для катушки с каркасом прямоугольного сечения
Рис. 1. Катушки Государственного первичного эталона единицы индуктивности
497
Да + Дг2 Ari
a r2 /j
(4)
D-r D + r
где Л--— , г2 2~•
При создании катушек эталона также был прове-
ден анализ и найдены оптимальные соотношения раз-
меров катушек тороидальной формы с различной гео-
метрией поперечного сечения, обеспечивающие наи-
большую добротность при заданной индуктивности
L(@w)=const, (R— искомая величина) и внешнем диа-
метре катушки В+ b- const, где В — внешний радиус
тора, Ь — внутренний радиус тора. Сопротивление
провода при условии плотной намотки можно выра-
зить следующей формулой
„ 2р b 3
^'(B-bJW ’
где р — удельное сопротивление провода. Расчет
минимального значения сопротивления обмотки ка-
тушки связан с отысканием минимума функции (5).
Оптимальными соотношениями размеров являются
^=0,35 для катушки с прямоугольным, овальным и
эллипсным поперечным сечением каркаса и <р= 0,41
для катушек с круглым сечением каркаса. Наибольшую
добротность имеет катушка с прямоугольной формой
сечения каркаса. Однако, учитывая необходимость
плотного прилегания витков катушки к каркасу, при
изготовлении катушек эталона были применены ка-
тушки с овальным поперечным сечением каркаса. Ин-
дуктивность катушки с каркасом овального сечения
т 2( а . D+d D-^D'-d- '
Sln5T7+----------------2-----.И
k 7
Для точных измерений параметров катушек индук-
тивности с целью воспроизведения единицы приме-
няется схема индуктивно-емкостного моста Мак-
свелла-Вина (рис. 2). При измерениях индуктивности
катушек эталона используется метод двух уравновеши-
ваний с применением замещающего элемента, что
позволяет практически исключить влияние остаточ-
ных параметров плеч моста.
Индуктивность катушек эталона, определяемая
косвенным методом с помощью индуктивно-емкост-
ного моста, рассчитывается по формуле
Lx = RzRjp^ -С3„)+ Ln, (7)
где R^ , Д4 — сопротивление резисторов в плечах
моста; С3х — емкость конденсатора в плече моста при
рабочем уравновешивании; Cin — емкость конденса-
тора в плече моста при уравновешивании с включен-
ным замещающим элементом; £„ — индуктивность за-
мещающего элемента.
Методика определения значения индуктивности
группового эталона включает в себя:
1. Определение параметров элементов индуктив-
но-емкостного моста, входящих в уравнение измере-
ния (7).
2. Измерение индуктивности катушек группового
эталона и определение среднего значения группово-
го эталона, которое в период между воспроизведени-
ем единицы принимается неизменным.
Рис. 2. Схема установки УМИЕ-1
498 ---- - -------- ------------
3. Взаимное сличение катушек группового эталона
и определение их индуктивности, исходя из среднего
значения группового эталона, для передачи размера
единицы вторичным эталонам.
Состав и основные характеристики
Первичный эталон единицы индуктивности состо-
ит из следующих средств измерений:
1. Группа из четырех тороидальных катушек индук-
тивности значением 10 мГн (групповой эталон), рис. 1.
2. Эталонный индуктивно-емкостной мост, рис. 2,
используемый при воспроизведении единицы индук-
тивности, взаимных сличениях эталонных катушек
при хранении единицы и для передачи ее размера вто-
ричным эталонам.
Государственный эталон работает при частоте
1 кГц и имеет следующие метрологические характе-
ристики: CKO 1-106, НСП 5-106.
Конструктивно тороидальная катушка индуктивно-
сти типа состоит из керамического основания, на ко-
тором намотана обмотка с последующей вакуумной
пропиткой компаундом в смеси с касторовым маслом.
Температурный коэффициент линейного расширения
компаунда равен температурному коэффициенту ли-
нейного расширения провода обмотки, что не приво-
дит к сдвигу витков при изменении температуры. Для
точной подгонки индуктивности катушки к номиналь-
ному значению частью витка в керамическом торои-
дальном основании в радиальном направлении по
высоте выполнено 8 отверстий. Тороид с обмоткой за-
креплен посредством специальных стоек из стеклотек-
столита между двумя пластинами. Катушка помещена
в экран и закреплена в токоведущем цилиндрическом
корпусе. Выводы обмотки подключены к коаксиаль-
ным разъемам, расположенным по оси катушки на про-
тивоположных сторонах корпуса. Один из разъемов
снабжен замыкающей заглушкой. Пространство меж-
ду экраном и корпусом заполнено пенополиуретаном
для обеспечения герметичности и увеличения тепло-
вой инерции всей системы катушки.
Для включения катушки используется специальная
подставка, которая подключается к измерительному
мосту.
Основными элементами индуктивно-емкостного
моста являются сменные шестизажимные резисторы
> -^4 и конденсатор С3 . Полюса резисторов Л2 , Т?4
являются узловыми вершинами моста. Соединитель-
ные элементы, с помощью которых эти резисторы
включены в плечи моста, не вносят дополнительных
погрешностей в результат измерения, так как актив-
ные и реактивные составляющие полного сопротив-
ления этих соединительных элементов исключаются
из уравнения измерения при использовании метода
двух уравновешиваний.
Предыстория создания
Первые сведения о конструктивных формах кату-
шек, предназначенных для применения в качестве
мер индуктивности, опубликованы М. Вином в 1896 г.
[6]. В нашей стране работы по созданию средств, не-
обходимых для обеспечения единства измерений ин-
дуктивности, начались во ВНИИМ с 1934 г. под руко-
водством М.Ф. Маликова и Л.В. Залуцкого. В 1937 г.
И.Н. Кротковым была разработана методика измере-
ния индуктивности и создана установка по схеме ре-
зистивно-емкостного шестиплечего моста.
Работы по созданию первичного эталона едини-
цы индуктивности начались во ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева в 1939-1940 гг. В период 1940-1958 гг. под ру-
ководством И.Н. Кроткова были разработаны и изго-
товлены катушки, намотанные на кварцевых каркасах
и на пирексовых каркасах с номинальным значением
индуктивности 20 мГн. Эти катушки были утвержде-
ны в качестве группового первичного эталона [7].
Действительные значения индуктивности определя-
лись расчетным путем по основным геометрическим
размерам соленоида и магнитной постоянной. По-
грешность результата воспроизведения генри состав-
ляла 1 • 10'5. Дальнейшее существенное повышение точ-
ности воспроизведения единицы путем обновления
катушек эталона было неосуществимо из-за техниче-
ских и технологических трудностей изготовления ци-
линдра каркаса правильной геометрии и значитель-
ной погрешности определения размеров обмотки.
Результаты теоретических и экспериментальных
исследований показали, что уменьшение погрешно-
сти воспроизведения единицы индуктивности может
быть осуществлено методом косвенных измерений в
единицах электрической емкости и сопротивления.
Реальная возможность осуществления этого метода
появилась после создания во ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева под руководством И.Н. Кроткова и при уча-
стии Ю.П. Семенова, В.В. Викторова, Т.Ф. Фруцко эта-
лона электрической емкости на основе расчетного
конденсатора с погрешностью воспроизведения еди-
ницы порядка ЮЛ
Для осуществления этой задачи в 1965 г. начались
работы по созданию нового типа эталонных катушек
индуктивности — тороидальной формы, под руково-
дством И.Н. Кроткова и Ф.Е. Курочкина. Тороидаль-
ные катушки при достаточно плотной намотке вит-
ков обладают ничтожно малыми магнитными потока-
ми рассеивания по сравнению с соленоидами и
поэтому не подвержены воздействию внешних элек-
тромагнитных полей. Соответствующее экранирова-
ние еще более усиливает это свойство [4, 5].
В результате этих работ были созданы тороидаль-
ные катушки индуктивности ЭИ-1. С их помощью по-
вышена точность воспроизведения генри на порядок.
Катушки ЭИ-1 легли в основу нового группового эта-
лона [1, 8].
Новый групповой эталон единицы индуктивности
был введен в эксплуатацию в 1979 г. (ГЭТ 15-79), уче-
ным хранителем является Ю.П. Семенов.
Назначение и области применения
ГПЭ и комплекс вторичных эталонов и средств из-
мерений обеспечивают воспроизведение и хранение
национального размера единицы индуктивности и его
передачу в диапазоне номинальных значений 107-
10s Гн при частотах 40 Гц-1 МГц в соответствии с Го-
сударственной поверочной схемой [9]. Наряду с этим,
поверочная схема содержит вторую часть, которая
распространяет область частот до 100 МГц.
Индуктивность — один из основных параметров
электрических цепей. С метрологическим обеспече-
нием средств измерений индуктивности неразрывно
— - — 499
связано повышение качества продукции таких отрас-
лей, как приборостроение, электротехника, электро-
ника, радиотехника, промышленность средств связи.
В первую очередь это относится к производству кату-
шек индуктивности, трансформаторов, ферромагнит-
ных сердечников, к созданию новых материалов, к
разработке новых измерительных приборов, мостов
переменного тока, информационно-измерительных
систем и информационно-вычислительных комплек-
сов. Парк находящихся в обращении средств измере-
ний (СИ) очень обширен: от приборов непосредст-
венной оценки, в настоящее время в основном циф-
ровых, до мостов переменного тока и измерителей
иммитанса — универсальных и специального назначе-
ния, автоматических и с ручным уравновешиванием,
диапазон измерения которых составляет от 1-10'9до
1-107 Гн, погрешности от 0,02 до нескольких %.
Единство измерения индуктивности осуществля-
ется путем централизации воспроизведения единицы
индуктивности — генри — ГПЭ и передачи размера
единицы индуктивности рабочим средствам измере-
ний индуктивности с помощью вторичных и рабочих
эталонов в соответствии с поверочной схемой [9], а
также путем соблюдения государственных стандартов
на технические требования, предъявляемые к сред-
ствам измерений индуктивности и применения мето-
дов и средств поверки, установленных государствен-
ными стандартами и другими нормативными докумен-
тами (ГОСТы 8.029-80, 8.294-85, МИ 1985-89 и др.).
Основные научные результаты
ГПЭ в настоящее время по точности находится на
уровне лучших зарубежных эталонов и превосходит
их по диапазонам номинальных значений и частот, в
которых осуществляется передача размера единицы
индуктивности вторичным и рабочим эталонам. Это-
му способствует ряд оригинальных решений, выпол-
ненных в процессе постоянного совершенствования
эталона:
1. Разработаны и исследованы новые тороидаль-
ные катушки индуктивности повышенной стабильно-
сти, на основе которых создан групповой первичный
эталон.
2. Теоретически и экспериментально определены
оптимальные соотношения геометрических размеров
обмотки тороидов с различной геометрией попереч-
ного сечения, обеспечивающие наибольшую доброт-
ность при заданной индуктивности и внешнем диамет-
ре катушки.
3. Разработаны новые методы расчета индуктив-
ности и активного сопротивления тороидальных ка-
тушек при стационарном и квазистационарном режи-
мах в измерительной цепи, основанные на вычитании
индуктивности слоя тока обмотки.
4. Разработаны методы передачи размера едини-
цы индуктивности от первичного эталона вторичным
эталонам и рабочим СИ с помощью трансформатор-
ных мостов-компараторов, повышающие производи-
тельность поверочных работ.
В результате выполнения работы создана система
метрологического обеспечения средств измерений
индуктивности в диапазоне частот от 40 Гц до
100 МГц; на основе тороидальных катушек были соз-
даны [8] рабочие эталоны индуктивности РЭИ-1,
ЭИ-2, ЭИ-3; был освоен серийный выпуск тороидаль-
ных мер индуктивности Р596 и Р5101-Р5115 с номи-
нальным значением 1 мкГн-1 Гн, применяемых как ра-
бочие эталоны 1-3-го разрядов. Проведены исследо-
вания новых типов многозначных мер индуктивности
на основе тороидальных катушек и электронных ими-
таторов [10, 11]; разработана и внедрена норматив-
но-техническая документация, обеспечивающая един-
ство измерений индуктивности [9, 12, 13].
Международные сличения и
сотрудничество
Проведены ключевые сличения эталонов индук-
тивности 10 мГн в 1988 г., а также сличения по линии
КООМЕТ в 1995 г. Отклонение размера единицы, вос-
производимой ГЭ во ВНИИМ, от среднего результа-
та ключевых сличений составило 2-10'6 [14], что соот-
ветствует международному уровню точности и не пре-
вышает НСП, указанного выше для ГЭ.
В 1999-2001 гг. под руководством Ю.П. Семенова
проводятся работы по созданию национального эта-
лона индуктивности Республики Корея.
Литература:
1. Курочкин Ф.Е., Кроткое И.Н. Государственный пер-
вичный эталон единицы индуктивности // Метрология и
точные измерения. Научно-технический реферативный
сборник. — 1980. — № 5. — С. 8-9.
2. Семенов Ю.П., Гущина Т.М., Кротков И.Н. Хранение
единиц электрической емкости, сопротивления и индуктив-
ности // Измерительная техника. — 1976. — № 4.
3. Гущина Т.М., Курочкин Ф.Е., Кротков И.Н. Передача
размеров единицы электрической емкости, сопротивления
и индуктивности в новой системе эталонов // Измеритель-
ная техника. — 1976. — № 4.
4. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивно-
стей. — Л.: Энергия, 1970. — 416 с.
5. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров ка-
тушек индуктивности. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 192 с.
6. Wien. Einheitsrollen der Selbstinduktion / / Wied. Ann.
— 1896. — № 58. — S. 554.
7. Кротков И.Н. Точные измерения электрических ем-
кости и индуктивности. — М.: Изд-во стандартов, 1966. —
272 с.
8. Курочкин Ф.Е. Катушки индуктивности для рабочего
эталона // Исследования в области электрических измере-
ний. Сборник научных трудов ВНИИМ им. Д.И. Менделее-
ва.-Л„ 1980.-С. 35-41.
9. ГОСТ 8.029-80. ГСИ. Государственный первичный эта-
лон и общесоюзная поверочная схема для средств измере-
ний индуктивности. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 7 с.
10. Колтик Е.Д., Егоров П.М. Многозначные катушки ин-
дуктивности для рабочего эталона // Измерительная тех-
ника. - 1997. - № 10. - С. 21-24.
11. Egorov Р.М. A Transportable Multivalue Inductance
Standard for the Range 0,1-1000 H // Conference on Precision
Electromagnetic Measurements (CPEM-98): Didgest. —
Washington, USA, 1998, p. 38-39.
12. ГОСТ 8.294-85. ГСИ. Мосты переменного тока урав-
новешенные. Методика поверки. — М.: Изд-во стандартов,
1985.-37 с.
13. МИ 1985-89. ГСИ. Меры индуктивности и взаимной
индуктивности. Методика поверки. — М.: Изд-во стандартов,
1990.-17 с.
14. Eckardt Н. International Comparison of 10 mH
Inductance Standards // Doc. CCE/95-36.
Ю.П. Семенов, П.М. Егоров
500
Государственный первичный эталон единицы
электрической емкости — фарада
Создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (1978-1979 гг.) и утвержден
Постановлением Госстандарта СССР от 20.12.1979 г. № 222.
Электрическая емкость является одной из двух электрических вели-
чин, позволяющих в рамках физического эксперимента осуществить со-
гласование размеров электрических и механических величин. Эталон еди-
ницы электрической емкости — единственный из электрических этало-
нов, размер которого определяется размером основной единицы СИ
—метра путем прямых измерений. Теоретической основой эталона служит
основная теорема электростатики (теорема Томпсона-Лэмпарда) [ 1 ]. Уст-
ройство, реализующее эту теорему (перекрестный расчетный конденса-
тор), обладает емкостью, определяемой только одним линейным измере-
нием вне зависимости от формы и размеров оболочки [2-4].
В составе эталона:
— расчетный конденсатор;
— интерферометр;
— емкостной трансформаторный мост.
Метрологические характеристики
Номинальное значение емкости, пФ 0,2
СКО результата измерений 2-10’7
НСП 5-10-7
Область ирименения
— Обеспечение единства измерений электрической емкости в отрас-
лях промышленности, связанных с приоритетными направлениями раз-
вития науки и техники:
- наноэлектронные технологии и микросенсорика;
- энергетика;
- создание композитных материалов и полимеров.
— Фундаментальные исследования по уточнению значений физических
констант (постоянная тонкой структуры, константа Клитцинга и др.)
Литература:
1. Thompson А.М., Lampard D.G. Anew theorem in electrostaticsand in application
to calculable standards of capacitance. Nature. - 1956. — v. 177.
2. Кротков И.Н. Точные измерения электрических емкости и индуктивности.
— М.: Изд-во комитета стандартов, 1966.
3. Семенов Ю.П., Литвинов Б.Я., Клионский М.Д., Клебанов И.Я., Фрудко Т.Ф.
Развитие эталонной базы России в области измерения параметров электрических
цепей. // Сб. Метрология. — Минск, 1997.
4. Кротков И.Н., Фрудко Т.Ф. Государственный первичный эталон единицы элек-
трической емкости — фарада. // Метрология и точные измерения. — 1980. — № 5.
Ю.П. Семенов
501
Государственный специальный эталон
единицы электрической емкости в диапазоне
частот от 1 до 100 МГц
Создан в СНИИМ (1972-1977 гг.) и утвержден Постановлением Госстан-
дарта СССР 30.06.1977 г. № 28.
Основой метода воспроизведения эталоном единицы емкости являет-
ся классическая теория длинных линий, устанавливающая зависимость ем-
кости отрезка проводящей линии от его линейных размеров, скорости
распространения волны в линии и электромагнитных характеристик сре-
ды, в которой распространяется волна.
В составе эталона:
— группа из 4-х идентичных отрезков безопорных коаксиальных ли-
ний (группа эталонных конденсаторов);
— высокочастотный компаратор электрической емкости.
Метрологические характеристики
Номинальное значение, пФ
СКО результата измерений
нсп
10
з-ю-м-ю5
5-10М-10-4
Область применения
— Калибровка контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой
при производстве радиокомпонентов, в том числе конденсаторов
— Калибровка контрольно-измерительной аппаратуры, применяемой
при поиске нефтяных месторождений
— Калибровка контрольно-измерительной аппаратуры для контроля па-
раметров изделий радиосвязи, электроники, микроэлектроники, бытовой
видео- и телевизионной техники и др.
— Научные исследования, связанные с созданием новых материалов,
новых изделий нано- и микроэлектроники; исследования в медицине, хи-
мии, геологии
— Калибровка емкостных первичных преобразователей, применяемых
в точном машино- и станкостроении, в авиации, химической промышлен-
ности, сельском хозяйстве и др.
502
Государственный первичный эталон единицы
угла потерь
Область применения
Угол потерь J, выражаемый значением тангенса
угла потерь tg3, является важнейшим (вторым после
емкости) параметром конденсаторов, варикапов, ди-
электриков и других элементов электрических цепей,
имеющих емкостной характер. Необходимость изме-
рения этого параметра определяется следующими
причинами:
— активные потери энергии р в конденсато-
рах, изоляторах, кабелях пропорциональны tg3
(P = Ua£- tg3, где U — напряжение, а)— круговая час-
тота, С — емкость). Это приводит к безвозвратным
потерям при передаче электрической энергии, к ос-
лаблению сигнала в телефонии и т.д.;
— добротность Q колебательного контура, опре-
деляющая его избирательность и остроту настройки,
зависит от угла потерь включенного в контур конден-
сатора или варикапа (= VQz.+ где Qz. ~ доб-
ротность катушки индуктивности).
Это обусловливает необходимость контроля это-
го параметра в радиотехнике и телевидении.
Основные понятия и определения
Наиболее универсальным определением для тан-
генса угла потерь является энергетическое определе-
ние, согласно которому
1 Wj
UW, ' W
где W; — энергия, рассеянная в конденсаторе за
период; W2 — наибольшая энергия, запасенная в нем.
Энергетическое выражение tg3 малоудобно для
измерительной практики из-за трудностей, возникаю-
щих при определении запасенной и теряемой энер-
гии , поэтому стали пользоваться более удобным „прак-
тическим" определением угла потерь, основанном на
векторной диаграмме конденсатора. В идеальном кон-
денсаторе угол сдвига между векторами тока и напря-
жения составляет 90°. В реальном конденсаторе с по-
терями это условие не выдерживается. Угол J, допол-
няющий угол сдвига до 90°, называют углом потерь.
Реальный конденсатор можно заменить эквивалент-
ной схемой замещения, последовательной или парал-
лельной, где Rt и Rp представляют собой сопротив-
ление, эквивалентное потерям.
Основными причинами потерь энергии в воздуш-
ном (газовом) конденсаторе являются:
— сопротивление электродов, вводов и контактов;
— токи Фуко в металле электродов;
— проводимость воздуха и диэлектрические поте-
ри в твердых диэлектриках, находящихся в электри-
ческом поле конденсатора;
— диэлектрическая абсорбция в пыли и пленке на
поверхности электродов.
Основное требование к элементам электрической
цепи емкостного характера:
— чем меньше угол потерь, тем они качественнее.
Поэтому требования к высокой точности возникают
при измерении малых значений угла потерь (Zg J=10 ’-
lO5).
Информация о методах и средствах
измерений
Приборы для измерения емкости, как правило, из-
меряют и tg8. Поэтому количество приборов для из-
мерения tg8 исчисляется несколькими десятками ты-
сяч, а вторичные и рабочие эталоны емкости поверя-
ются не только по емкости, но и по tg8. По принципу
действия эти приборы являются мостами перемен-
ного тока или резонансными измерителями. Кроме
того, существуют специальные меры угла потерь,
отражающие необходимость получения целочис-
ленных значений этой величины. Диапазон из-
мерений tg8 составляет 1-10'5-1, диапазон частот
50 Гц-1 (10) МГц. Погрешность д приборов обычно
указывают в абсолютной форме в виде двухчленной
формулы. Например, для наиболее точных мостов
Л = ±[(0,0005-0,01)-ZgJ+(l-5)-10~5], а для резонанс-
ных приборов A = ±[(0,05-0,l)-ZgJ+(l-10)10~4].
Система обеспечения единства
измерений
Единство измерений угла потерь и тангенса угла
потерь в стране обеспечивается путем централизации
воспроизведения единицы угла потерь государствен-
ным первичным эталоном (ГЭ) и передачи размера
единицы рабочим СИ тангенса угла потерь с помощью
эталонных СИ в соответствии с ГПС (ГОСТ 8.019), а
также путем соблюдения требований государствен-
ных стандартов на технические требования и на мето-
- ' 503
дики поверки по tg<3 мер электрической емкости и
мостов переменного тока (ГОСТы 6.746; 9.486; 8.255;
8.294).
Методы воспроизведения единицы,
применяемые в государственном
эталоне
ГЭ единицы угла потерь утвержден в 1985 г. со сле-
дующими метрологическими характеристиками: СКО
0,1 мкрад, НСП 0,5 мкрад. Диапазон емкости 1-
100 пФ, частота 1 кГц. В аппаратуре ГЭ используются
описанные ниже различные методы воспроизведения
единицы, что позволяет правильно оценить НСП эта-
лона.
Метод с использованием плоскопараллельного пе-
ременного конденсатора с охранным кольцом впер-
вые был разработан в NIST, США в конце 80-х гг. [ 1] и
с тех пор применяется практически во всех странах,
где проводится воспроизведение единицы угла по-
терь. Его можно считать классическим. Метод осно-
ван на применении системы электродов, в которой
выполняется условие неизменности конфигурации
силовых линий электрического поля и постоянства
эффективной площади электродов при изменении
расстояния между ними. В такой системе имеется
близкая к линейной зависимость угла потерь от емко-
сти: S~tg^= КС. Путем сравнения угла потерь 4 этой
системы электродов при различных установках ее ем-
кости С( с углом потерь 4 постоянного конденсато-
ра С(, принятым для хранения единицы, и решения
соответствующей системы уравнений определяют
действительные значения углов потерь сличаемых
объектов.
Метод перекрестного конденсатора стал извест-
ным после появления расчетных конденсаторов по
Лэмпарду-Томпсону и явился результатом их дальней-
шего теоретического исследования [2]. Он заключа-
ется в использовании свойства конденсатора с пере-
крестной системой электродов: независимости сред-
него значения угла потерь для двух перекрестных
емкостей Сг1 и Сс2 от наличия на его электродах ди-
электрических или полупроводниковых пленок.
В геометрически и электрически ( Сл = Сс2 ) сим-
метричной конструкции углы потерь перекрестных
емкостей равны, и среднее значение угла потерь близ-
ко к нулю:
4.»tgja=tg4, (2)
Сс1+Сс2
где tg$ — потери в диэлектрике, заполняющем ме-
жэлектродное пространство; ig4i и ^4‘2 — тангенсы
угла потерь, соответствующие перекрестным емко-
стям Сс1 и Сс2 .
Метод с использованием отношения плеч транс-
форматорного моста был разработан во ВНИИМ в по-
следние годы [3] и является дальнейшим развитием
классического метода. Он позволяет исключить один
из источников погрешности, связанный с суммирова-
нием конденсаторов, и упрощает процедуру измере-
ний. В соответствии с методом установка различной
емкости в системе электродов плоскопараллельного
конденсатора проводится при различных отношени-
ях в измерительном плече трансформаторного мос-
та п=0,1; 0,2;...1. Смежное плечо имеет отношение
витков пе и содержит постоянный конденсатор С, и
компоненты для уравновешивания моста по емкости
и активной проводимости G
При двух установках емкости в системе электро-
дов Cj и С2 =CJn углы потерь 4 плоскопараллель-
ного конденсатора и 4 конденсатора Се определя-
ются по формулам:
(4)
где Gj и Gj - значения активной проводимости
на отсчетном устройстве моста; /3 м. — квадратур-
ные погрешности коэффициентов п и пе.
Выражения (2) и (3) дополнительно содержат
квадратурные погрешности /7 и Д трансформатора
отношений (ТО) моста, однако современные методы
калибровки трансфоматорных мостов позволяют оп-
ределить эти величины с достаточно высокой точно-
стью (погрешность порядка 1-10’8).
Аппаратура государственного эталона
Аппаратура содержит два плоскопараллельных пе-
ременных конденсатора емкостью 5-30 и 20-100 pF,
два перекрестных конденсатора емкостью 1 pF, транс-
форматорный мост и вакуумную систему.
Отличительная особенность плоскопараллельно-
го конденсатора 5-30 pF состоит в том, что в него
встроен дополнительный постоянный конденсатор
10 pF, включаемый в измерительное или смежное пле-
чо моста в зависимости от применяемого метода вос-
произведения единицы, причем низкопотенциаль-
ный (НП) электрод является общим для обоих кон-
денсаторов. Другая особенность заключается в
наличии дополнительных экранов, окружающих ка-
ждый электрод и электрически присоединенных не-
посредственно к заземленной средней точке ТО мос-
та [4]. Электроды имеют следующие диаметры: НП —
50 мм, высокопотенциальный (ВП) — 76 мм.
Плоскопараллельный конденсатор 20-100 pF со-
держит два плоских электрода, устройства для дис-
кретной и плавной установки расстояния между ни-
ми и механизм разгрузки верхнего электрода [5]. Диа-
метры электродов: НП — 200 мм, ВП — 300 мм.
При создании перекрестных конденсаторов осо-
бое внимание было уделено повышению их емкости
до значения 1 pF и устранению влияния краевой ем-
кости на угол потерь. Один из перекрестных конден-
саторов содержит систему из расположенных соосно
двух цилиндрических и трех кольцевых электродов,
рабочие поверхности которых образуют два соосных
тороида с прямоугольным поперечным сечением. Во
втором перекрестном конденсаторе электроды
504 — -.... — -....
выполнены в виде двух соосных цилиндрических обо-
лочек, каждая из которых разделена изолирующими
зазорами по образующим на 8 равных секций [6]. Дли-
на каждого из зазоров определяется положением двух
охранных электродов, расположенных на торцах
внутренней оболочки.
Трансформаторный мост содержит устройство
компенсации нагрузочного тока в ТО. Имеются так-
же устройства для исключения влияния соединитель-
ных проводников к измеряемому объекту и компен-
сации потерь встроенных конденсаторов. При часто-
те 1 кГц мост имеет разрешающую способность по углу
потерь 0,02 Дгай. Квадратурная погрешность для ко-
эффициентов п=0,5и пе=1 составляет Д=2-108и
Д < 1 • 10"8 соответственно.
Была создана также многозначная мера угла
потерь плавнопеременного значения в диапазоне
1-10’5-1, названная вариометром угла потерь ВТУП,
которая используется в качестве РЭ.
Благодаря независимому воспроизведению едини-
цы и достигнутому при этом высокому уровню точно-
сти ГЭ единицы угла потерь является „базовым" для
эталонов других производных параметров электриче-
ских цепей, таких как добротность катушки индуктив-
ности, постоянная времени и фазовый угол резисто-
ра. Связь между размерами этих единиц осуществля-
ется в специальных мостовых схемах (индуктивно-ем-
костной мост, квадратурный мост).
Работы по воспроизведению единицы угла потерь
проводятся в большинстве промышленно-развитых
стран. Последними (по времени) в этом ряду находят-
ся Республика Корея (1995 г., при участии ВНИИМ)
и Швеция (1996 г.).
Сопоставление метрологических характеристик
эталона с зарубежными аналогами показывает, что
эталон находится на уровне, достигнутом в США, Гер-
мании, Австралии.
Литература:
1. Astin A.V. “Measurement of relative and true power factors
of air capacitors” in // J.Res.NBS, Vol. 21. — 1938. — P. 425-456.
2. Shields J. Absolute measurement of loss angle using a
toroidal cross capasitor. // IEEE Trans.IM. — 1978. — № 4. — v. 1.
-M27.
3. Klionsky M.D. Improved method for reproduction of the
loss angle unit. XIV IMEKO WORLD CONGRESS, v. IVB, Finland.
-1997.-P. 103-108.
4. Клионский М.Д. Эталон единицы угла потерь. Авт.св.
№ 1107656 // Б.и. - 1986. - № 45.
5. Семенов Ю.П., Могилин Ю.В., Пескарей К.И. Конден-
сатор переменной емкости. Авт.св. № 1355018, 1987.
6. Перекрестный конденсатор. Авт.св. № 1272876 //Б.и.
- 1986. - № 35.
М..Д. Клионский
505
Государственный специальный эталон единицы
напряжения переменного тока в диапазоне
частот 20 Гц-30 МГц, ГЭТ 89-75
Принцип действия
Государственный специальный эталон единицы на-
пряжения переменного тока в диапазоне частот
20 Гц-30 МГц и в диапазоне напряжений 0,1-10 В [1]
создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в 1975 г.; тща-
тельные исследования эталона в последующие годы
(1976-1999 гг.) показали возможность его существен-
ной модернизации: расширение диапазона напряже-
ний до 1000 В, диапазона частот до 10 Гц, повышения
точности в 5-10 раз.
В эталоне воспроизведение единицы электриче-
ского напряжения — вольта — в диапазоне частот
20 Гц-30 МГц производится методом разновременно-
го сравнения переменного напряжения с постоянным
напряжением с помощью термоэлектрического пре-
образователя. Термоэлектрический преобразователь
напряжения (ТПН) представляет собой устройство,
состоящее из двух основных частей:
1) нагревателя, выполненного в виде нити или пла-
стины, который нагревается током, создаваемым при-
ложенным к ТПН напряжением;
2) термопары или нескольких термопар, измеряю-
щих температуру нагрева нагревателя. Вследствие
инерционности нагревателя термоэлектродвижущая
сила „е“ на выходе термопары прямо пропорциональ-
на активной мощности р, выделяемой в нагревате-
ле, е = кР , где к — коэффициент, зависящий от кон-
струкции ТПН. На переменном токе активная мощ-
ность
где |Z| — модуль полного сопротивления нагрева-
теля; Г, — эквивалентное активное сопротивление на-
гревателя; U— действующее значение переменного
напряжения, На постоянном токе активная мощность
U2
•Ро =-, где Uo — напряжение постоянного тока на
входе ТПН; г — сопротивление нагревателя на посто-
янном токе. При равенстве мощностей, выделяемых
в нагревателе на переменном и постоянном токе,
Р. = Ро значение переменного напряжения равно
и. =а0-й= г— „
° /ГТ и при l^]-Jr3r действующее значение
yr3f *
воспроизводимого переменного напряжения 1/. рав-
но значению постоянного напряжения Uo , которое
измеряется средствами измерений напряжения по-
ния, рассчитываемая по формуле Т'
стоянного тока с высокой точностью. С целью исклю-
чения влияния эффектов Пельтье и Томсона в цепи
нагревателя на результат измерения постоянное на-
пряжение на вход ТПН подается дважды: вначале по-
ложительной полярности U+ , а затем отрицательной
полярности U_ . Воспроизводимое переменное напря-
жение U. рассчитывается по среднему значению этих
Т7 U+ + U_
двух напряжений постоянного тока ио~ По-
грешность воспроизведения переменного напряже-
и0-Ц-
’ опреде-
ляется погрешностью сравнения переменного и по-
стоянного напряжений (погрешностью
компарирования) и погрешностью средств измере-
ний постоянного напряжения /= ук+ %.
Государственный специальный эталон ГЭТ 89-75
предназначен, в основном, для поверки ТПН, входя-
щих в состав вторичных эталонов РЭН-2 и РЭН-2М.
Метод поверки ТПН заключается в следующем: эта-
лонный и поверяемый ТПН подключаются параллель-
но друг другу с помощью специального тройниково-
го соединителя (рис. 1). На них одновременно пода-
ется переменное напряжение U. , которое измеряется
обоими ТПН описанным выше методом, по расхож-
дению полученных значений переменного напряже-
ния U. вычисляется погрешность поверяемого ТПН.
Эталон ГЭТ 89-75 является универсальным средством
измерения: он может быть использован не только для
поверки ТПН, входящих в состав вторичных этало-
нов, но и для поверки и калибровки рабочих этало-
нов 1-го и 2-го разрядов, а также прецизионных оте-
чественных и зарубежных калибраторов переменно-
го напряжения высокой точности.
Состав и основные характеристики
Государственный специальный эталон единицы
электрического напряжения — вольта — в диапазоне
частот 20 Гц-30 МГц представляет собой следующий
комплекс средств измерений (рис. 1):
— комплект эталонных низкочастотных преобра-
зователей напряжения с диапазоном частот 20 Гц-
100 кГц;
— комплект эталонных высокочастотных преобра-
.............................. 506 --------------------
зователей напряжения с диапазоном частот 100 кГц-
30 МГц;
— высокостабильные калибраторы переменного и
постоянного напряжений;
— комплект тройниковых соединительных элемен-
тов;
— измерительная установка, содержащая переклю-
чатели режима работы, потенциометры постоянного
тока и меры ЭДС (нормальные элементы).
Эталонные низкочастотные преобразователи со-
держат воздушные многоэлементные термопреобразо-
ватели типа ТЭМ, впервые в мире разработанные во
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в 50-х гг. [2]. При напря-
жениях выше 1 В последовательно с термопреобразо-
вателями ТЭМ включены безреактивные добавочные
резисторы.
Эталонные высокочастотные преобразователи на-
пряжения содержат вакуумные одноэлементные тер-
мопреобразователи типа ТВБ с безреактивными доба-
вочными резисторами при напряжениях выше 0,5 В.
Государственный специальный эталон был утвер-
жден в 1975 г. со следующими характеристиками: диа-
пазон напряжений (0,1-10) В; диапазон частот 20 Гц-
30 МГц; СКО результата измерений 5-10*-5-10's; НСП
110М-104.
Работы, проведенные в последующие годы, пока-
зали возможность существенного расширения диапа-
зона напряжений и частот эталона и значительного по-
вышения его точности благодаря совершенствованию
методик исследования эталона и разработке новых тер-
мопреобразователей. Работы показали возможность
утверждения эталона со следующими характеристика-
ми: диапазон напряжений (0,1-1000) В; диапазон час-
тот 10 Гц-30 МГц; СКО результата измерений 5'10‘7-
5-10s; НСП ЫО^-З-Ю4.
Предыстория создания
До настоящего времени наукой не открыт такой
физический эффект, который позволил бы непосред-
ственно воспроизвести значение переменного напря-
жения с высокой точностью. Поэтому работы метро-
логов по воспроизведению переменного напряжения
с самого начала были направлены на разработку мето-
да сравнения неизвестного переменного напряжения
с известным постоянным напряжением. Для этого на-
до было найти такое устройство, которое одинаково
реагировало бы на переменное и постоянное напря-
жения. Первыми такими устройствами — компарато-
рами — явились электростатические [3] и электроди-
намические [4] механизмы, разработанные в начале
XX в. Они обеспечивали погрешность (0,1-0,2) % на
низких частотах (40-60) Гц и использовались как об-
разцовые средства вплоть до 40-х гг.
Дальнейшие требования к расширению частотно-
го диапазона и повышению точности измерений при-
вели к применению в качестве компараторов термо-
электрических преобразователей напряжения. Авто-
рами первых работ по применению термоэлектриче-
ских компараторов в 50-е гг. были советский ученый
К.П. Широков [2] и зарубежный ученый F.L. Hermach
[7]. В 60-е гг. эти работы получили широкое развитие
в трудах советских метрологов Т.Б. Рождественской,
А.Я. Безикович, Д.И. Зорина [5, 6] и зарубежных мет-
рологов E.S. Williams, ЕС. Widdis, F.L. Wilkins [8,9, 10].
В дальнейшем, измерению переменного напряжения
с помощью термоэлектрических компараторов было
посвящено большое количество работ отечественных
и зарубежных авторов.
Работы по созданию эталона ГЭТ 89-75 были выпол-
нены в период с 1968 по 1975 гг. под руководством д.т.н.
Т.Б. Рождественской. Эталон был введен в эксплуата-
цию в 1975 г., первым ученым хранителем, которого
стала Т.Б. Рождественская [1]. Одновременно была
разработана первая поверочная схема для средств из-
мерений переменного напряжения (ГОСТ 8.184-76).
Дальнейшие работы по совершенствованию этало-
на, расширению его диапазона напряжений и частот,
повышению точности проводились сотрудниками
ВНИИМ Р.Ф. Акнаевым, к.т.н. В.М. Байковым, к.т.н.
Г.П. Телитченко. В настоящее время ученым храните-
лем ГЭТ 89-75 является к.т.н. В.М. Байков.
Назначение и область применения
Размер единицы напряжения переменного тока пе-
редается от Государственного специального эталона
вторичным эталонам и рабочим эталонам 1-го разря-
Рис. 1. Структурная схема ГЭТ 89-75
U_ — калибратор переменного напряжения;
Uo — калибратор постоянного напряжения;
П — переключатель „РОД РАБОТЫ";
ПП1, ПП2 — переключатели „ПОЛЯРНОСТЬ";
Тр — тройниковое соединительное устройство;
ППТ1, ППТ2 — потенциометры постоянного тока;
НЭ1, НЭ2 — нормальные элементы;
ДН — делитель напряжения постоянного тока.
НЭ2
507
да, а от них — рабочим эталонам 2-го разряда и рабо-
чим средствам измерений в соответствии с МИ 1935-
88 [11].
Электрическое напряжение в диапазоне частот
20 Гц-30 МГц является одной из наиболее распростра-
ненных физических величин, используемых в совре-
менных промышленных энергетических установках,
в металлургии, химии, радиовещании, телевидении,
радиосвязи, приборостроении.
Парк современных СИ переменного напряжения
составляет десятки миллионов единиц и имеет широ-
кую номенклатуру: от „грубых" стрелочных приборов
до точных цифровых вольтметров, калибраторов, ана-
лого-цифровых и цифро-аналоговых преобразовате-
лей, работающих в сочетании с различными преобра-
зователями неэлектрических величин в электрические
и в различных информационно-измерительных систе-
мах. Погрешности современных СИ переменного на-
пряжения находится в пределах от 0,01 до 1-10 %.
Единство измерений в данной области обеспечива-
ется системой государственных и ведомственных мет-
рологических организаций, оснащенных вторичными
эталонами РЭН-2 и РЭН-2М и рабочими эталонами 1 и
2-го разрядов. В настоящее время на территории Рос-
сии функционируют 5 вторичных эталонов, принадле-
жащих РосТЕСТ, г. Москва; ТЕСТ-СПб; Нижегородской
ЦСМ, Татарской ЦСМС, Краснодарской ЦСМС; на тер-
ритории СНГ функционируют 4 вторичных эталона
(Минский ЦСМ, Украинский ЦСМ, Львовский ЦСМС,
Киргизский ЦСМС). Рабочими эталонами 1 и 2-го раз-
рядов, в качестве которых используются термоэлектри-
ческие преобразователи типа ПНТЭ-6А, ПНТЭ-12, ПН-
1, КПП-1, оснащены десятки государственных и ведом-
ственных организаций в России и в СНГ.
Государственный специальный эталон ГЭТ 89-75 на-
ходится на уровне лучших зарубежных эталонов. Он
имеет широкий диапазон напряжений и частот, высо-
кую точность, что позволяет решать с его помощью все
метрологические задачи, возникающие в настоящее
время и в ближайшем будущем в области измерения пе-
ременного напряжения в диапазоне частот 10 Гц-
30 МГц.
Уникальность Государственного специального эта-
лона состоит в обеспечении высокой точности изме-
рений переменного напряжения в диапазоне частот
20 Гц-30 МГц, что обеспечивается выбранным мето-
дом измерения переменного напряжения путем срав-
нения с постоянным напряжением, разработкой уни-
кальных термопреобразователей, позволяющих осуще-
ствить это сравнение с высокой точностью, создани-
ем групповой структуры эталона, предусматривающей
наличие группы термопреобразователей на каждое но-
минальное напряжение, методикой взаимных сличе-
ний эталонных термопреобразователей, входящих в
состав эталона, позволяющий воспроизводить едини-
цу переменного напряжения с высокой точностью,
Уникальность и преимущество эталона состоит
так-же в том, что групповая структура построения эта-
лона и целая серия точных вторичных эталонов РЭН-
2 и РЭН-2М (в России — 5, в СНГ — 4, во всех странах
бывшего СССР — 17) практически исключает возмож-
ность полной утери размера единицы переменного на-
пряжения.
Международные сличения и
сотрудничество
Эталонные термопреобразователи ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева принимают участие в междуна-
родных сличениях с сентября 1972 г. по настоящее вре-
мя. За этот период проведены сличения с националь-
ными эталонами всех ведущих стран мира. В 1986 г. эта-
лон ГЭТ 89-75 был утвержден в качестве эталона СЭВ
(Совет Экономической Взаимопомощи, в который вхо-
дили социалистические страны Восточной Европы).
В последние годы (в период с 1993 по 1998 гг.) эталон
участвовал в 4-х ключевых международных сличениях
термопреобразователей, организованных Консульта-
тивным Комитетом по электричеству МКМВ: ССЕ 92-
63 (1993 г.), ССЕ 92-05 (1995 г.), ССЕ 92-03 (1997 г.),
ССЕ 92-04 (1998 г.). Сличения подтвердили соответст-
вие эталона ГЭТ 89-75. международному уровню. Эта-
лонные преобразователи ВНИИМ имеют отклонения
от среднего результата измерений всех стран в преде-
лах от 2-10‘6до 5-Ю'5 [12].
За весь указанный период времени ВНИИМ актив-
но сотрудничал с национальными метрологическими
институтами многих стран мира: с метрологически-
ми институтами стран Восточной Европы, Германии,
Индии.
Литература:
1. Рождественская Т.Б., Акнаев Р.Ф., Галахова О.П. Государ-
ственный специальный эталон единицы напряжения пере-
менного тока в диапазоне частот 20-3-1 О’ Гц // Измеритель-
ная техника. — № 3. — 1976.
2. Широков К.П. Комплектная установка для поверки ам-
перметров и вольтметров при повышенной частоте перемен-
ного тока // Труды ВНИИМ, вып. 24(84). — 1954.
3. Orlich Е. Elektrometrische Untersuchungen // Zeitschrift
fur Instrumentenkunde, 23 (1903).
4. Harris EK. A suppressed zero electrodynamic voltmeter /
/J. Res. NBS. — 1929. — v. 3.
5. Рождественская Т.Б. Электрические компараторы для
точных измерений тока, напряжения и мощности. — М.: Изд.
Тосстандарта СССР, 1964.
6. Безикович А.Я., Зорин Д.И., Рождественская Т.Б. Но-
вая аппаратура для точного измерения тока, напряжения и
мощности в широком диапазоне частот // Труды ИМЕКО,
25-ЕИ-101. Будапешт, 1961.
7. Hermach F.L. Thermal converters as dc/ac transfer
standards for current and voltage measurements at audio
frequencies //J.Res. NBS. — 1952. —v. 48. — № 2.
8. F.L. Hermach, E.S. Williams. Thermal voltage converters
for accurate voltage measurements to 30 megacycles per second
// Communication and Electronics, 1960, July.
9. EC. Widdis. The theory of Peltier and Thomson effects in
thermal ac-dc transfer devices // Proc. IEE (London),
Monograph 497M, January 1962.
10. F.L. Wilkins et al. Multijuction thermal converter. // Proc.
IEE (London). - 1965. -v. 112. -P. 794-806.
11. МИ 1935-88. Государственная поверочная схема для
средств измерений электрического напряжения до 1000 В в
диапазоне частот 0,01-3109 Гц.
12. J.P.M. de Vreede. ССЕ Intercomparison of AC-DC Transfer
Standards.// IEEE Trans. Instr. Meas. —1993. — v. 42. — № 2.
B.M. Байков
508
Государственный специальный эталон единицы
электрического напряжения в диапазоне частот
30-3000 МГц
Эталон предназначен для воспроизведения, хране-
ния и передачи размера единицы вторичным и рабо-
чим эталонам напряжения в диапазоне частот 30-
3000 МГц.
Принцип действия эталона основан на одновремен-
ном сравнении среднеквадратического значения
(СКЗ) напряжения переменного тока и напряжения
постоянного тока, размер которого согласован с госу-
дарственным первичным эталоном ЭДС (ГЭТ 13-89).
В качестве первичного измерительного преобразо-
вателя в эталоне применяется проволочный болометр
(терморезистор с положительным температурным ко-
эффициентом сопротивления) в виде тонкой платино-
вой нити диаметром 2 мкм и рабочей длиной 2,5 мм.
Для индикации равенства указанных напряжений
используется тепловое приращение сопротивления
болометра, включенного в одно из плеч моста посто-
янного тока с автоматическим уравновешиванием,
фиксируемое с помощью высокоточного цифрового
вольтметра постоянного тока.
Обоснованная теоретически и подтвержденная
экспериментально эквивалентная схема эталонного
терморезисторного преобразователя в рабочем диа-
пазоне частот [1] позволяет определить его система-
тические частотные поправки независимым методом
по специально разработанной расчетно-эксперимен-
тальной методике [2, 3] путем измерений, проводи-
мых на постоянном токе.
Эталон ГЭТ 27-82 имеет следующие основные тех-
нические характеристики:
— диапазон воспроизводимых напряжений, В
0,1-1,0;
— диапазон частот, МГц 30-3000;
— среднее квадратическое отклонение (СКО) ре-
зультата измерений 5-10’5-5-10'3;
— неисключенная систематическая погрешность
5104-2-10-2.
В состав эталона ГЭТ 27-82 входят:
— установка формирования переменного напряже-
ния в диапазоне частот 30-3000 МГц;
— набор терморезисторных (болометрических)
преобразователей постоянного и переменного напря-
жения;
— цифровой вольтметр д ля измерения постоянно-
го напряжения;
— компаратор переменного напряжения (диодный
компенсационный вольтметр) для передачи размера
единицы напряжения вторичным эталонам.
Эталонная установка включает в себя также блок
обработки измерительной информации, позволяю-
щий получать прямой отсчет воспроизводимого пе-
ременного напряжения и рассчитывать систематиче-
скую частотную погрешность поверяемого средства
измерений напряжения (СИ) при передаче размера
единицы.
Эталон хранится и применяется во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева, г. Санкт-Петербург.
Предыстория создания эталона восходит к нача-
лу 50-х гг. после того, как в 1948 г. во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева была организована специальная
радиотехническая лаборатория под руководством
Б.Е. Рабиновича (1914-1968 гг.). Основным направле-
нием деятельности лаборатории стали разработка и
создание методов и эталонной аппаратуры для мет-
рологического обеспечения средств измерений на-
пряжения, мощности и их отношений при высоких
частотах [4]. Это было необходимо в связи с быстрым
развитием в послевоенные годы таких важнейших об-
ластей радиотехники, как радиолокация, радионави-
гация, дальняя и космическая связь, радиоастроно-
мия, медицинское приборостроение, вычислитель-
ная техника, производство электронных вакуумных и
полупроводниковых приборов и т.д.
К 70-м гг. был создан и доведен до серийного про-
изводства широкий парк вольтметров и калибраторов
напряжения на диапазон частот до 1000-1500 МГц, и
возникла задача централизованной передачи разме-
ра единицы напряжения при высоких частотах. В
1973 г. были утверждены государственная поверочная
схема и государственный специальный эталон едини-
цы напряжения в диапазоне частот 100-1500 МГц.
Первым ученым хранителем эталона был назначен ру-
ководитель лаборатории, получившей к этому време-
ни название „лаборатории высокочастотных измере-
ний" к.т.н. А.М. Федоров.
При разработке конструкции эталонного терморе-
зисторного преобразователя напряжения были ис-
пользованы теоретические исследования физических
процессов в болометре, проведенные к.т.н. В.И. Кржи-
мовским, а при его создании большой практический
вклад внес механик-универсал ленинградского завода
„Эталон" Э.В. Ловцюс.
Дальнейшие исследования эталона были направ-
лены как на уточнение его метрологических характе-
ристик в расширенном частотном диапазоне, так и на
улучшение эксплутационных возможностей.
Результаты теоретических работ специалистов ла-
боратории к.т.н. В.В. Крестовского, к.т.н. Г.П. Телит-
ченко, к.т.н. В.А. Щеглова позволили создать практи-
чески новую эталонную установку, которая в 1982 г.
была утверждена в качестве Государственного специ-
ального эталона единицы электрического напряже-
— 509
ния в диапазоне частот 30-3000 МГц, зарегистриро-
ванном в Государственном реестре как ГЭТ 27-82 [5].
С 1998 г. ученым хранителем эталона назначен
В.В. Крестовский.
Эталон ГЭТ 27-82 возглавляет поверочную схему
для высокоточных СИ переменного напряжения и по
точности обеспечивает правильность передачи раз-
мера единицы напряжения рабочим СИ посредством
вторичных эталонов и двух разрядов рабочих этало-
нов.
Правильность размера единицы напряжения, вос-
производимого эталоном ГЭТ 27-82, подтверждена не-
однократным участием в международных сличениях с
национальными эталонами ведущих стран в данной об-
ласти измерений. Из наиболее важных международ-
ных сличений, проведенных за весь период метроло-
гической эксплуатации эталона до настоящего време-
ни, следует считать сличения, организованные
радиочастотной рабочей группой при Консультатив-
ном Комитете по Электричеству (ККЕ) в период 1977-
1982 гг. с участием Австралии, Англии, США, Германии
и Венгрии [6].
Отклонения размера единицы напряжения, вос-
производимого эталоном ГЭТ 27-82 от среднего меж-
дународного значения составили 2-10"*-2-10'3в диапа-
зоне частот от 100 до 1000 МГц.
Ввиду очевидной важности работ по поддержанию
единства измерений напряжения при высоких часто-
тах с 1992 г. под эгидой ККЕ начат новый цикл между-
народных сличений в диапазоне частот до 1000 МГц
национальных эталонов ведущих метрологических
центров, включая ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Литература:
1. Крестовский В.В. Результаты теоретического анали-
за эквивалентной схемы терморезисторного преобразова-
теля напряжения в диапазоне частот до 3000 МГц // „Ис-
следования в области электрических измерений. Сборник
научных трудов НПО „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева". —
1984.-С. 16-23.
2. Федоров А.М., Крестовский В.В. Методика аттестации
эталонных терморезисторных преобразователей напряже-
ния // Измерительная техника. — 1989. — № 2, С. 25-27.
3. V. Scheglov, V. Krestovski, G. Telitchenko. Method of
determination of frequency errors of voltage transformers with
2 thermoresistors. — 10-th Internation Symposium on
metrology/ Bratislava. September, 1990.
4. Рабинович Б.Е. Точные измерения мощности и напря-
жения при высоких частотах // Труды институтов госко-
митета. — 1965. — вып. 76 (136).
5. КолтикЕ.Д., Кланберг В.В., Колшук В.А., Телит-
ченко Г.П., Щеглов В.А. Пути повышения точности измере-
ния переменного напряжения электронными вольтметрами
в коаксиальных трактах линий передач // Повышение кон-
курентоспособности радиоэлектронной аппаратуры. — Тал-
линн: Изд-во „Валгус", 1985.
6. Федоров А.М., Крестовский В.В. Результаты междуна-
родных сличений эталонов единицы электрического напря-
жения при частотах до 1000 МГц // Исследование метро-
логических характеристик эталонов и образцовых приборов
в области радиоизмерений СВЧ. Сборник научных трудов.
- М.: Издательство ВНИИФТРИ, 1983. - С. 7-13.
В.В. Крестовский
510
Методологические особенности проведения
международных сличений эталонов
переменного напряжения
Все основные международные сличения, также и
ключевые, в области переменного напряжения орга-
низует Консультативный комитет по электричеству и
магнетизму (ККЭМ). Следует подчеркнуть, что прак-
тически во всех сличениях от имени России успешно
принимал участие ВНИИМ им. Д.И. Менделеева [1,
2]. Только за последние годы с участием ВНИИМ бы-
ли проведены или находятся в стадии завершения ме-
ждународные сличения эталонов переменного напря-
жения на уровне 1 (1,5) В при частотах 10 Гц-1 МГц,
на уровне 1000 (500) В при частотах 1-100 кГц, на уров-
не 3 В при частотах 1-50 (100) МГц, на уровне 1 В при
частотах 1-300 (1000) МГц.
Как видно, особенностью сличения эталонов в об-
ласти переменного напряжения является очень ши-
рокий диапазон частот (10 Гц-1000 МГц) и диапазон
напряжений 1-1000 В при частотах до 100 кГц и 1-3 В
при частотах до 1000 МГц. Лаборатория, ответствен-
ная за проведение сличений и назначаемая ККЭМ, на-
правляет в национальные центры в качестве транс-
портируемых эталонов только первичные преобразо-
ватели, а все остальное необходимое оборудование
национальные центры используют свое. При этом воз-
никает ряд дополнительных условий при проведении
измерений. Так, при частотах до 100 кГц националь-
ные эталоны воспроизводят размер вольта с наимень-
шей погрешностью (5-10'6-5-10’5), для чего необходи-
мо выполнить ряд требований: нестабильность тем-
пературы окружающей среды в месте расположения
сличаемых преобразователей не должна превышать
0,1 °C в час; уровень электромагнитных помех не дол-
жен превышать 0,1-0,5 мВ/м [3]; суммарные инерци-
онности (инерционность измерительного преобразо-
вателя плюс инерционность компенсатора) для каж-
дого из сличаемых эталонов должны быть близки;
входное сопротивление применяемых компенсаторов
(измерительных потенциометров) при сличении но-
вого поколения первичных преобразователей на ос-
нове пленочных интегральных термоэлементов долж-
но быть не менее 108 Ом.
При сличениях измерительные преобразователи
включают параллельно и в одном сечении линии пе-
редачи, для чего используют специальное соедини-
тельное устройство — тройник. Это особенно важно
при сличении эталонов в диапазоне высоких частот,
поскольку во многих национальных метрологических
центрах градуировка эталонов в значениях единицы
переменного напряжения проводится с помощью на-
циональных эталонов единицы мощности переменно-
го тока в коаксиальных трактах. При этом напряже-
ние высокой частоты однозначно нормируют только
в определенном сечении коаксиальной линии по ре-
зультатам измерений мощности и полного входного со-
противления измерительного преобразователя.
Для сличений вместе с преобразователями часто
поставляют и тройник, представляющий собой сим-
метричную Т-образную конструкцию на коаксиальных
(для диапазона низких частот) или коаксиально-по-
лосковых переходах (для диапазона высоких частот).
В тройнике соблюдены жесткие требования к равен-
ству расстояний от его центральной плоскости, куда
подается измеряемое напряжение от генератора, до
плоскости, проходящей через поперечное сечение
выходных соединителей обоих плеч тройника, где
подключаются сличаемы первичные преобразовате-
ли. При сличениях нормируют напряжение либо в
центральной плоскости тройника, либо в плоскости
его выходных соединителей. Применяемые при меж-
дународных сличениях тройники обычно снабжены
соединителями типа GR-874 или N, которые отлича-
ются от отечественных соединителей, выполненных
по ГОСТ 13317-89-Е [4], присоединительными разме-
рами и дюймовой наружной резьбой вместо метриче-
ской. Поэтому при сличениях отечественные эталон-
ные преобразователи необходимо снабдить переход-
ными устройствами.
При использовании дополнительного коаксиально-
го элемента при переходе с одного типа соединителя
на другой меняется электрическая длина между сече-
ниями, в которых нормируется и измеряется напряже-
ние. Это приводит к возникновению дополнительной
погрешности, которая может доминировать при вы-
соких частотах. Так, при разнице в расстояниях 5 мм
указанная погрешность на частоте 1000 МГц может со-
ставлять 0,5-4 % в зависимости от входного импедан-
са измерительного преобразователя [5]. Поэтому для
каждого конкретного сличения используют тот трой-
ник из специального набора тройников ВНИИМ, в од-
ном плече которого установлен требуемый электриче-
ский соединитель, изготовленный с учетом междуна-
родного стандарта, а в другом плече — отечественный
соединитель, выполненный в соответствии с [4]. При
этом должно быть обязательно сохранено равенство
расстояний от обоих плеч тройника до его централь-
ной плоскости. Когда указанные выше условия выпол-
нить полностью не удается, приходится вводить рас-
четную поправку в результат измерения, что неизбеж-
но увеличивает погрешность сличений [6].
Таким образом, при проведении международных
сличений эталонов переменного напряжения основ-
ная задача методологического подхода состоит в ана-
лизе аппаратурных и методических погрешностей
сличаемых средств измерений. Чтобы снизить или
устранить указанные погрешности необходима меж-
дународная стандартизация присоединительных раз-
меров сличаемых средств измерений и условий выпол-
нения высокоточных измерений.
Литература:
1. De VredeJ.P. М. // IEEE Trans. Instr, and Meas. — 1993.
— V. 42. — № 2. — P. 99-108.
2. Bayer H., Janik D. // BIPM, 1984, — Monographic 84/1.
3. Байков В.М. // Законодательная и прикладная мет-
рология. — 1993. — № 6. — С. 45-48.
4. ГОСТ 13317-89-Е (МЭК 169-15-79, МЭК 169-16-82). Эле-
менты соединения СВЧ трактов радиоизмерительных при-
боров. Присоединительные размеры.
5. Крестовский В.В., Телитченко Г.П., Шевцов В.И. //
Материалы IV Всерос. научн. — техн. конф. „Состояние и
проблемы технических измерений". — М., 1997. —С. 130-131.
6. Телитченко Г.П. // Известия Метрологической ака-
демии. — 1998. — № 2. — С. 49-59.
В.М. Байков, В.В. Крестовский,
Г.П. Телитченко, В.И. Шевцов
512
Исходные методы измерения высоких
электрических напряжений
Первые опыты с высоким напряжением в России
были проведены еще в XVII в. Именно при изучении
явлений атмосферного электричества от удара мол-
нии погиб в 1753 г. соратник М.В. Ломоносова акаде-
мик Г.В. Рихман. Техника высоких напряжений, а вме-
сте с нею методы и средства измерений высоких на-
пряжений, активно развиваются с конца XIX в., что
связано с широким применением электротехниче-
ских устройств, прежде всего — в электроэнергетике.
В частности, трансформатор напряжения — устрой-
ство, которое и в настоящее время используется не
только для преобразования уровня напряжений в сис-
темах передачи электроэнергии и силовых установ-
ках, но и как основное средство измерений высоких
напряжений переменного тока, был изобретен
П.Н. Яблочковым в 1876 г. В СССР система метроло-
гического обеспечения техники высоких напряжений
и больших токов разрабатывалось различными иссле-
довательскими центрами. Так, УкрЦСМ (г. Киев) и
НПО „ИСАРИ“ (г. Тбилиси) работали в области изме-
рений высоких напряжений переменного тока, ВНИ-
ИМСО (г. Свердловск) разрабатывал точные методы
и эталонные средства измерений больших токов,
ВНИИМС (г. Москва) развивал технику измерений
высоких напряжений постоянного тока, пульсирую-
щих и импульсных напряжений. После распада СССР,
поскольку все эталонные центры, работавшие в облас-
ти высоких напряжений переменного тока, оказались
за пределами Российской Федерации, работы в этой
области также начали проводиться во ВНИИМС. Раз-
витие во ВНИИМС работ в области метрологии вы-
соких напряжений связано с именем Э.Н. Журавлева,
возглавлявшего это направление с 1975 по 1989 гг. Ра-
боты выполнялись большим коллективом ученых и
специалистов, среди которых особый вклад внесли
В.Д. Авербух, И.П. Зубков, В.В. Киселев, Т.В. Мишук,
В.С. Штиллерман, В.Н. Ярославский. Единица элек-
трического напряжения — Вольт воспроизводится в
настоящее время квантовыми эталонами, основанны-
ми на эффекте Джозефсона, на уровне 1-10 В с по-
грешностью 10'9, однако передача единицы в область
высоких напряжений сопряжена с рядом технических
сложностей, поэтому достигнутый здесь уровень точ-
ности примерно на два порядка хуже, чем в области
низких напряжений. Наиболее распространенными
техническими средствами, используемыми для изме-
рений высоких напряжений, являются масштабные
преобразователи — трансформаторы и делители на-
пряжения, позволяющие приводить измеряемые на-
пряжения к уровню, который может быть измерен
стандартными средствами измерений напряжения до
1 кВ. Кроме того, используют различные физические
эффекты, связанные с явлениями электрического
пробоя в газовых диэлектриках (шаровые и стержне-
вые измерительные разрядники), механическим дей-
ствием сил электрического поля (электростатические
вольтметры, электрические весы), ускорением и из-
менением траектории движения заряженных частиц
в электрическом поле, воздействием электрического
поля на свойства вещества (электрооптические пре-
образователи, измерители, основанные на эффекте
Штарка), ряд других. Достаточно полное описание
применяемых методов измерений и основанных на
них технических устройств можно найти в работах
[1-4]. Точные методы и эталонные средства измере-
ний описаны в [5-7]. Основные сферы применения,
где необходимы точные измерения высоких электри-
ческих напряжений, связаны с электротехникой и
электроэнергетикой. Это, прежде всего — учет элек-
трической энергии и управление режимами работы
электрических высоковольтных сетей, испытания
электрической прочности изоляции электротехниче-
ских устройств, контроль и управление работой си-
ловых и преобразовательных установок. Наряду с
этим, сегодня трудно найти область техники, где бы
не использовались высокие напряжения и, соответ-
ственно, не возникала бы потребность в их измере-
ниях с той или иной точностью. Здесь можно указать
и медицинскую технику, и автомобилестроение, и
электрофильтры для очистки воздуха, и теле- и радио-
технику, и физику высоких энергий, и лазерную тех-
нику и многие другие. Различен и требуемый уровень
точности технических измерений. Если в физическом
эксперименте требуется и достигается погрешность
измерений на уровне 10'5, то при учете электрической
энергии погрешность измерений находится на уров-
не десятых долей процента, при испытаниях электри-
ческой прочности изоляции — на уровне единиц про-
центов, а, например, при измерениях коротких им-
пульсов напряжения — десятков процентов. Ниже
приведено краткое описание основных эталонных
средств измерений высокого напряжения, разрабо-
танных и используемых во ВНИИМС, и методов пе-
редачи размера единицы соподчиненным средствам
измерений.
Постоянное напряжение. Система обеспечения
единства измерений в данной области определяется
поверочной схемой [8]. Во главе поверочной схемы
стоит установка высшей точности УВТ74-А-91, соз-
данная в 1991 г. Ее основным элементом является диф-
ференциальный измеритель высоких напряжений
ДВИНА-800. Установка обеспечивает воспроизведе-
513
ние единицы напряжения постоянного тока с НСП
2-104и СКО 1-106и поверку соподчиненных средств
измерений непосредственным сличением на полном
рабочем напряжении до 800 кВ.
Принцип действия СИ типа ДВИНА основан на
использовании нелинейных свойств кремниевых ста-
билитронов. Блок-схема СИ типа ДВИНА показана на
рис. 1. Устройство состоит из блока высокого напря-
жения (БВН), представляющего собой цепочку после-
довательно соединенных стабилитронов, и блока низ-
кого напряжения (БНН), являющегося стабилизато-
ром тока и фиксирующего рабочую точку на
вольтамперной характеристике БВН. Благодаря мало-
му дифференциальному сопротивлению стабилитро-
нов в режиме лавинного пробоя, эквивалентное вход-
ное сопротивление устройства оказывается на 2-3 по-
рядка менее, чем у традиционно используемых
высокоомных делителей напряжения, и, соответст-
венно, в такой же степени устройство оказывается ме-
нее чувствительным к характерным для высоких на-
пряжений нелинейным эффектам, связанным с воз-
никновением токов короны и токов утечек по
изоляции высоковольтной конструкции. Более под-
робно принцип действия СИ ДВИНА описан в статье,
посвященной УВТ74-А-91. В качестве эталонных
средств измерений 3-го разряда используются изме-
рительные системы с резистивными делителями на-
пряжения. В числе таких делителей необходимо упо-
мянуть специально разработанный для передвижных
поверочных лабораторий, устойчивый к воздействию
транспортной тряски и внешних воздействий дели-
тель ДНО-ЮО на напряжения до 100 кВ, имеющий
класс точности 0,1. Отдельную проблему представля-
ет измерение напряжений с большим уровнем пуль-
саций, что характерно, например, для рентгеновской
Рис. 1. Блок-схема СИ ДВИНА
техники. Измеритель ИАН-4 класса точности 0,2, со-
стоящий из смешанного резистивно-емкостного дели-
теля и встроенного измерителя амплитудных значе-
ний напряжения, разработан для обеспечения повер-
ки СИ напряжений до 125 кВ с уровнем пульсаций до
40%.
Переменные напряжения. Измерения высоких
напряжений переменного тока имеют наибольшее
значение в двух основных областях применения: при
учете электрической энергии и обеспечении аварий-
ной защиты в высоковольтных электрических сетях
и при испытаниях электрической прочности изоля-
ции высоковольтных конструкций. В первом случае
применяются, в основном, индуктивные и емкостные
трансформаторы напряжения, во втором — емкост-
ные и резистивно-емкостные делители напряжения.
Поверка трансформаторов и емкостных делителей на-
пряжения осуществляется по мостовой схеме с при-
менением магнитного компаратора токов в соответ-
ствии с требованиями ГОСТ 8.216-88 [9]. При этом
используется мост МЕП-03 разработки НПО „ПСА-
РИ" и набор эталонных газонаполненных конденса-
торов с номинальными напряжениями 10, 100, 350 и
900 кВ. Та же методика используется и для измерений
емкости и тангенса угла диэлектрических потерь при
высоком напряжении. Имеющееся оборудование
обеспечивает погрешность при измерениях не хуже
0,05 %. В дальнейшем планируется доведение уровня
погрешности измерений до 0,002 % и придание мо-
дернизированной установке статуса УВТ. При испы-
таниях электрической прочности изоляции необхо-
димы, как правило, измерения амплитудных значений
переменного напряжения. Для поверки применяемых
в этих целях делителей напряжения, измерительных
систем на основе делителей, иных средств измерений
предназначены, в частности, измерительные систе-
мы MCF-ВИКА, состоящие из емкостного делителя на
базе эталонных газонаполненных конденсаторов ти-
па MCF и специализированного двухканального ам-
плитудного вольтметра ВИКА. Установки обеспечива-
ют поверку с погрешностью до 0,1 % непосредствен-
ным сличением при напряжениях, определяемых
номинальным напряжением используемого эталонно-
го конденсатора, вплоть до 1200 кВ.
Импульсные напряжения. Основными средства-
ми измерений, используемыми в этой области, явля-
ются измерительные системы, состоящие из делите-
лей напряжения различных конструкций (низкоом-
ные резистивные, емкостные с различной степенью
демпфирования, смешанные резистивно-емкостные
параллельного типа) и вторичных регистрирующих
приборов (пиковые вольтметры, запоминающие и
цифровые осциллографы). Существует несколько эта-
лонных систем для измерений амплитуды импульсных
напряжений. Для относительно длинных, так назы-
ваемых коммутационных импульсов напряжения с
временем от 200 мкс до максимума и более, это, пре-
жде всего, СИ типа ДВИНА, описанные выше и обес-
печивающие погрешность измерений до 0,1 %, и из-
мерительные системы MCF-ВИКА, имеющие погреш-
ность до 0,2 %. Для более коротких, так называемых
грозовых импульсов с временем фронта от 0,8 мкс и
более, используются устройства типа ВИКИНГ, элек-
трооптические преобразователи напряжения на ос-
17 Зак. 450
514 —
нове эффекта Керра и измерительные системы, со-
стоящие из низкоомных резистивных делителей и
специализированных амплитудных вольтметров типа
ПРОК, или РТ-1. СИ ВИКИНГ [7,10] являются моди-
фикацией СИ ДВИНА и отличаются еще более низ-
ким дифференциальным сопротивлением блока вы-
сокого напряжения. Это обеспечивается введением
дополнительных транзисторов, параллельных цепи
стабилитронов (рис. 2). Имеются модификации таких
устройств на номинальные напряжения 50 и 100 кВ,
обеспечивающие погрешность при измерении ампли-
туды грозовых импульсов до 0,1 %.
Электрооптические преобразователи основаны на
использовании эффекта Керра, т.е. эффекта квадра-
тичного двулучепреломления в жидкости (нитробен-
золе) при воздействии внешнего электрического по-
ля. Измерители осуществляют модуляцию интенсив-
ности проходящего плоско поляризованного луча
света, реализуя следующую функцию преобразования:
///m =sin2 , где / — интенсивность света на вы-
ходе преобразователя; 1т — максимальное значение
интенсивности света; U — приложенное к ячейке Кер-
ра напряжение; Um — определяемое при калибровке
характерное напряжение ячейки, при котором функ-
ция преобразования достигает своего первого макси-
мума. Имеющиеся ячейки Керра [7,11] рассчитаны на
напряжения до 80 кВ и обеспечивают погрешность
при измерениях до 0,2 %. Характерной особенностью
электрооптических преобразователей является то, что
они дают возможность измерений не только амплитуд-
ных, но и мгновенных значений напряжения и тем са-
мым позволяют оценивать параметры формы импуль-
сов, такие как время фронта, время до максимума, вре-
мя до среза, длительность импульса. При более
высоких уровнях напряжения (вплоть до 2 МВ) исполь-
зуются резистивные делители напряжения, имеющие
входное сопротивление порядка 10 кОм. Благодаря
низкому сопротивлению эти делители обладают малой
чувствительностью к токам коронных разрядов и к рас-
пределенным емкостям на окружающие предметы. В
качестве вторичных приборов при измерениях ампли-
туды импульсов используются специализированные из-
мерители амплитуды напряжения до 1 кВ типа ПРОК
или РТ-1, характеризующиеся погрешностью до 0,1 %.
Рис. 2. Элемент измерительной цепи СИ ВИКИНГ
Оба прибора реализуют дифференциальный принцип
измерений и обеспечивают выделение и измерения
разности между входным импульсным напряжением и
заранее заданным точно известным постоянным на-
пряжением. В первом случае использованы схемы на
электронных ключах, во втором — на прецизионных
дифференциальных усилителях. Те же приборы ис-
пользуются для поверки амплитудных вольтметров и
осциллографов, применяемых для высоковольтных из-
мерений. Для этого, в частности, был разработан ка-
либратор импульсных напряжений, воспроизводящий
коммутационные и грозовые импульсы напряжения до
1 кВ, в котором точность воспроизведения амплитуды
импульса обеспечивается встроенным преобразовате-
лем ПРОК.
Одной из проблем, возникающих при настройке,
калибровке и поверке делителей высоких напряже-
ний, является исследование неравномерности их ам-
плитудно-, фазочастотных и переходных характери-
стик. Известно, например, что из-за различия танген-
сов углов диэлектрических потерь конденсаторов,
применяемых в плечах высокого и низкого напряже-
ния делителя, в силу ряда иных причин, неравномер-
ность плоской части переходной характеристики де-
лителя может достигать нескольких процентов [7].
Для исследования подобных эффектов служит измери-
тель ИКПИ-1К, обеспечивающий измерения коэффи-
циентов передачи делителей и их зависимости от вре-
мени с момента приложения ступенчатого импульса на-
пряжения с погрешностью 0,1 % [12]. Прибор имеет
встроенный генератор ступенчатых напряжений до
1 кВ, регулируемый эталонный делитель напряжения,
дифференциальный усилитель, выделяющий разность
между выходными сигналами эталонного и исследуе-
мого делителей и осциллограф для наблюдения этого
разностного сигнала. Эталонный делитель настраива-
ют таким образом, чтобы в требуемый момент време-
ни разностный сигнал был равен нулю. При этом ко-
эффициенты передачи эталонного и исследуемого де-
лителей оказываются равными друг другу. Указанный
прбор позволяет не только поверять делители напря-
жения на местах эксплуатации, но и исследовать раз-
личные функции влияния и, более того, вводить соот-
ветствующие поправки в результаты измерений в слу-
чаях, когда этими влияниями нельзя пренебречь (см.,
например, [13]). Характеристики описанных средств
измерений были подтверждены многочисленными ме-
ждународными сличениями. Некоторые результаты та-
ких сличений приведены в работах [14-16].
Литература:
1. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. — М.:
Энергоатомиздат, 1983.
2. Ашнер А.М. Получение и измерение импульсных вы-
соких напряжений. — М.: Энергия, 1980.
3. Рябов Б.М. Измерение высоких импульсных напряже-
ний. — Л.: Энергоатомиздат, 1983.
4. Кужекин И.П. Испытательные установки и измерения
на высоком напряжении. — М.: Энергия, 1980.
5. Журавлев Э.Н. Методы и средства измерений высоких
напряжений постоянного тока и их метрологическое обес-
печение. — М.: Машиностроение, 1982.
6. Журавлев Э.Н. Анализ состояния и методы аттестации
средств измерений высоких и сверхвысоких напряжений.
Обзорная информация. — М.: ВНИИКИ, 1982.
....... 515
7. Журавлев Э.Н., Ярославский В.Н. Современные мето-
ды и средства аттестации установок для измерения импульс-
ных и постоянных сверхвысоких напряжений. Обзорная ин-
формация. - М.: ВНИИКИ, 1988.
8. МИ 2156-91. Государственная поверочная схема для
средств измерений электрического напряжения постоянно-
го тока в диапазоне 1-800 кВ.
9. ГОСТ 8.216-88. Трансформаторы напряжения. Мето-
дика поверки.
10. Kiseliev V.V. Reference meter of differential type up to
100 kV. 9-th International Symposium on High Voltage
Ingeneering. Graz, Austria, 1995. Paper 4536.
11 Журавлев Э.Н., Боярин H.А., Куземченко Ю.Н .,
Ярославский В.Н. Разработка поверочного комплекса пара-
метров импульсов высокого напряжения // Измерительная
техника. — 1985.— № 1.
12. Авербух Б.Д., Ярославский В.Н. Разработка измери-
теля коэффициентов передачи делителей высокого напря-
жения. В сб. трудов ВНИИМС „Метрологические обеспече-
ние разработки, производства и эксплуатации средств изме-
рений", М„ ВНИИМС, 1989.
13. Jaroslawski V., et al. Calibration of the Large Capacitive
Divider According to New IEC 60 Requirements. 8-th
International Symposium on High Voltage Ingeneering.
Yokohama, Japan, 1993. Paper 52.02.
14. Халльстром И. и др. Международные сличения изме-
рительных систем высокого напряжения постоянного тока
и коммутационного импульса с эталоном ДВИНА-100. Зако-
нодательная и прикладная метрология. — 1998. — № 1.
15. HallstromJ., et al. Compaiisoii of three methods for
calibrating lightning impulse voltage measuring devices.
European Conference on High Voltage Measurements and
Calibraiion. Arnhem, Netherlands, 1994. Paper P4.
16. Maukcsh S., et al. Calibration of HV Measuring Svstems
for the Mutual Recognition of HV Test Results in Western and
Eastern Europe. European Conference on High Voltage
Measurements and Calibration. Milan, Italy, 1996. Paper 3.3.
В.Н Ярославский
516
Установка высшей точности УВТ 74-А-91
УВТ 74-А-91 создана в 1991 г и предназначена для
воспроизведения единицы электрического напряже-
ния постоянного тока в диапазоне 1-800 кВ и переда-
чи ее размера нижестоящим эталонным и рабочим
средствам измерений в соответствии с МИ 2156-91
„ГСИ. Государственная поверочная схема для средств
измерений электрического напряжения постоянного
тока в диапазоне 1-800 кВ“. Основные метрологиче-
ские характеристики установки; неисключенная сис-
тематическая погрешности— 110чдо 100 кВ и 3-Ю-4 до
800 кВ; среднее квадратическое отклонение результа-
та измерений — 1 10*, нестабилвноств характеристик
за год — 1-Ю4. Установка состоит из генератора высо-
ких напряжений постоянного тока, сглаживающего
фильгра и дифференциального измерителя высоких
напряжений ДВИНА. 800. Основная особенность изме-
рителей типа ДВИНА состоит в использовании нели-
нейных характеристик стабилитронов, обычно приме-
няемых для стабилизации напряжения: при относи-
тельно высоком напряжении стабилизации они имеют
малое дифференциальное сопротивление и, соответ-
ственно, малое изменение напряжения в зависимости
от тока (рис. 1). Это позволяет пренебрегать влияни-
ем таких типичных для высоких напряжений явлений,
как коронные разряды, токи утечки и влияние окру-
жающих предметов. Чтобы повысить точность изме-
рений, ток, протекающий через стабилитроны, за
фиксирован точным стабилизатором тока — блоком
низкого напряжения (БНН), соединенным последова-
тельно со стабилитронами. В результате рабочая точ-
ка устройства на вольтамперной характеристике ока-
зывается жестко заданной, падение напряжения на ста-
билитронах, сгруппированных в блоке высокого
напряжения (БВН), оказывается постоянным ( на
рис. 1), и все изменения измеряемого напряжения вы-
деляются в реальном масштабе на БНН.
Если напряжение стабилизации БВН оценено за-
ранее и известно с высокой точностью, падение
напряжения на БНН (ГТвых) может быть измерено
стандартным вольтметром а значение измеряемого
высокого напряжения Um рассчитано как сумма:
um=uz+u^.
Чтобы уменьшить температурную зависимость на-
пряжения стабилизации, используются специальные
термокомпенсированные стабилитроны. Вся цепоч-
ка стабилитронов БВН разбита на участки с номиналь-
ным напряжением стабилизации 1 кВ. При этом
стабилитроны в каждой группе комбинируются таким
образом, чтобы добиться минимального температур-
ного коэффициента группы. Стабилитроны смонти-
рованы на платах по три группы (3 кВ) на каждой, а
платы, в свою очередь, объединены в модулях с но-
минальным напряжением по 50 кВ. Модули смонти-
рованы на опорной фарфоровой колонне, снабжен-
ной сверху высоковольтным экраном. Высота БВН со-
ставляет 6,8 м. Переключение пределов измерений
осуществляется с шагом 1 кВ закорачиванием части
модулей и плат БВН. Калибровка устройства осуще-
ствляется путем измерений напряжения стабилиза-
ции каждой группы стабилитронов и последующего
суммирования этих напряжений для групп, входящих
в измерительную цепь. Таким образом, все операции
калибровки осуществляются на уровне напряжений
до 1 кВ и, тем самым обеспечивается точность калиб-
ровки, достижимая при этом уровне напряжений. По-
мимо измерений постоянных напряжений, установ-
ка обеспечивает измерения с погрешпос тью 0,1% ам-
плитуды т ак называемых коммутационных импульсов,
используемых при испытаниях электрической проч-
ности изоляции высоковольтных электротехниче-
ских конструкций. С помощью УВТ было испытано,
аттестовано, поверено или прокалибровано большое
количество СИ высокого напряжения постоянного
тока различных типов — ИС с делителями напряже-
ния и добавочными сопротивлениями, электростати-
ческих киловольтметров, рентгенометрических и
рентгеноспектральных измерителей, электрооптиче-
ских преобразователей, других измерительных уст-
ройств. Основные области применения таких уст-
ройств - энергетика, электротехника, электрофизи-
ка, медицинская техника, автомобилестроение.
Наиболее жесткие требования к точности измерений
предъявляются в технике физического эксперимен
та и при учете электроэнергии в высоковольтных се-
тях постоянного напряжения. Именно с потребностя-
ми последней сферы применения и были связаны раз-
работки устройств типа ДВИНА.
Существуют различные модификации измерителей
типа ДВИНА, на различные уровни напряжений — от
100 кВ (ДВИНА-100) до 1 МВ (ДВИНА-1000). Первые
измерители типа ДВИНА с номинальным напряжени-
ем 100 кВ были разработаны в 1979 г. [1]. В 1983 г. с
участием института трансформаторостроения (ВИТ,
г. Запорожье) были созданы два измерителя ДВИНА-
800 [2], один из которых используется в составе
УВТ 74-А91, а второй — в качестве исходного эталон-
ного измерителя ВИТ. Установки такого рода облада-
ют рекордно высокими метрологическими характери-
стиками, достигаемые уровни точности обеспечивают
все практические потребности современной техники,
в связи с чем ряд зарубежных высоковольтных лабора-
торий выразил интерес в приобретении таких уст-
ройств. Исходя из этого в 1992-1993 гг. было разрабо-
тано новое поколение таких измерителей с использо-
ванием современных типов стабилитронов [3],
которые были поставлены, в частности, в высоковольт-
ные лаборатории Италии (CESI, ДВИНА-100) и Кана-
517
ды (IREQ, ДВИНА-1000). При исследованиях СИ вы-
сокого напряжения, как правило, обнаруживались ти-
пичные для высоковольтной техники эффекты, такие
как нелинейность СИ в диапазоне измеряемых напря-
жений, влияние самопрогрева, токов короны и утечек.
Так, влияние токов короны демонстрируется на рис. 2,
где представлены результаты сличений устройства
ДВИНА-100 и эталонной измерительной системы с ре-
зистивным делителем напряжений итальянской на-
циональной метрологической лаборатории Италии
(IEN) [4].
На рисунке представлены графики изменения во
времени показаний эталона ДВИНА-100, измеритель-
ной системы IEN и их расхождения (Д) в двух режи-
мах — при напряжении 100 кВ в отсутствии коронных
разрядов (рис. 2а) и при 80 кВ в условиях искусствен-
но инициированного коронного разряда на проводе
высокого напряжения (рис. 26). В отсутствии короны
показания обеих измерительных систем синхронно
изменяются, что свидетельствует о нестабильности
источника высокого напряжения; при появлении же
коронного разряда характер сигнала с выхода изме-
рителя ДВИНА-100 остается неизменным, тогда как
показания измерительной системы IEN становятся
неустойчивыми. Следует отметить, что сложность по-
лучения высокой точности измерений существенно
возрастает с ростом измеряемого напряжения. Один
из ранее не наблюдавшихся эффектов, которые уда-
лось обнаружить с помощью установок ДВИНА-800 и
ДВИНА-1000, состоит в изменении погрешности из-
мерений при долговременном приложении высоко-
го напряжения [5]. Связано это с накоплением объ-
емных и поверхностных зарядов в ближайшей окре-
стности и на элементах конструкции СИ и, как
следствие, с ростом токов утечек по поверхности изо-
ляции. При этом, если для измерителей ДВИНА та-
кие эффекты приводят к возрастанию погрешности
измерений на уровне нескольких единиц на Ю'4, то
518
Рис. 2. Расхождение измерительной системы IEN и эталона ДВИНА-100
а — в отсутствие коронных разрядов; б — при коронном разряде на подводящем проводе
для традиционно используемых в этой области тех-
ники делителей напряжения погрешность изменяет-
ся на единицы и десятки процентов. Высокие метро-
логические характеристики устройств типа ДВИНА
подтверждены целым рядом международных сличе-
ний [4, 6-7]. Так, сличения при напряжениях до
100 кВ, проведенные в метрологических центрах Ита-
лии (IEN), Финляндии (HUT), Швеции (SP), проде-
монстрировали расхождения в пределах 20-10'6.
Литература:
1. Журавлев Э.Н., Твердое Ю.М., Штиллерман В.С. Изме-
ритель высокого напряжения. А.с. 661355 СССР. // Бюлл. —
1979.— № 17.
2. Журавлев Э.Н. и др. Образцовые средства измерений
сверхвысокого напряжения 1600 кВ для оснащения метроло-
гической службы // Сб.научн.тр. ВНИИМС. Научные осно-
вы организации и управления метрологической службой,
1984.
3. Боярин Н.А., Владимиров Г.А., Мищук ТВ.,
Ярославский В.Н. Новое поколение эталонов высокого на-
пряжения // Законодательная и прикладная метрология. —
1995,-№4.
4. Bolognesi F. et al. Reference Measuring System for High
Direct Voltages. 9th International Symposium on High Voltage
Engineering, Graz, Austria, Paper 4915, 1995.
5Jaroslawski. Measuring systems nonlinearity in dependence
of time of voltage application. 9th International Symposium on
High Voltage Engineering, Graz, Austria, Paper 4537, 1995.
6. Халльстром Й. и др. Международные сличения измери-
тельных систем высокого напряжения постоянного тока и
коммутационного импульса с эталоном ДВИНА-100 / / Зако-
нодательная и прикладная метрология. — 1998. — № 1.
7. Bergman A.. Absolute Calibration of а 100 kV DC Divider.
Conference on Precision Electromagnetic Measurements, CPEM-
96, Braunschweig, June 1996, Conference Digest, Paper THP1-8.
В.Н. Ярославский
- 519
Государственный первичный эталон единицы
электрической мощности в диапазоне частот
40-2500 Гц, ГЭТ 153-86
Развитие топливно-энергетического комплекса,
энергомашиностроения, энергоприборостроения и
расширение внутреннего и внешнего энергетических
рынков требует постоянного повышения точности из-
мерений электроэнергетических величин, а также
обеспечения международного признания размеров
отечественных единиц электрической мощности и
энергии и достоверности результатов учетных опера-
ций при международной торговле электрической
энергией.
Эти требования промышленности и экономики
определили состав эталонного комплекса средств из-
мерений, включающего в себя:
— независимый первичный эталон, воспроизводя-
щий основную в этой области измерений величину —
ватт на основе национальных единиц напряжения и
сопротивления;
— развитую систему вторичных эталонов, обеспе-
чивающих передачу размера единицы электрической
мощности широкому кругу различных однофазных и
трехфазных средств измерений (СИ) электрической
энергии, мощности и других энергетических величин;
— высокостабильные транспортируемые эталоны
сравнения, обеспечивающие возможность проведе-
ния международных сличений эталонов.
Государственный эталон единицы электрической
мощности (ГЭМ) [1, 2], созданный в стране впервые
в 1986 г., обеспечил централизованное воспроизведе-
ние единицы ватт и передачу ее размера вторичным
эталонам в широких диапазонах напряжений, токов
и коэффициентов мощности в области частот от 40
до 2500 Гц. Эталон обеспечил также воспроизведение
ряда значений коэффициента мощности.
Принцип действия
Государственный эталон единицы мощности осно-
ван на предложенных и исследованных во ВНИИМ [3,
4] методах моделирования нагрузки. Суть метода мо-
делирования нагрузки при измерении мощности в ре-
альной электрической цепи (рис. 1) состоит в том, что
параллельно с нагрузкой , в которой измеряется ак-
тивная мощность Рн , включается модель нагрузки
ZM , в которой известны и могут быть физически вы-
делены активная RM и реактивная Хм составляющие
полного сопротивления. Модель адекватна нагрузке,
если токи модели 1М и нагрузки 1Н синфазны, т.е. ко-
эффициенты мощности модели и нагрузки одинаковы,
КРМ = Крн Синфазность токов обеспечивается, на-
пример, путем регулирования RM и Хм дополучения
нулевых показаний индикатора НИ. Измеренная мощ-
ность Рн в этом случае равна активной мощности рас-
сеиваемой в модели Рм , умноженной на отношение
токов нагрузки и модели Рн -Рм ^н/^м • Мощность
Рм при известном активном сопротивлении модели
RM и возможности измерить напряжение Vm опре-
деляется как Рм = и~т/Рм В данном случае модель
нагрузки можно рассматривать как масштабный пре-
образователь мощности, подобный делителю напряже-
ния или шунту при измерении напряжения или тока.
В ходе создания первичного эталона единицы
электрической мощности были исследованы несколь-
ко вариантов метода моделирования нагрузки, каж-
дый из которых обеспечивает наибольшую точность
воспроизведения единицы в определенной области
коэффициентов мощности.
Общим для этих методов является то, что едини-
ца электрической мощности — ватт воспроизводится
в виде реальной активной мощности небольшого раз-
мера (0,1-10 Вт), поглощаемой в специальном устрой-
стве, называемом преобразователем мощности погло-
щения (ПМП), а затем ее размер передается в цепи
фиктивной мощности при различных комбинациях
значений напряжения, тока и коэффициента мощно-
сти.
Процесс воспроизведения единицы мощности мо-
жет быть проиллюстрирован схемой (рис. 2), где Вт0
— единица мощности, воспроизведенная в форме мощ-
ности поглощения на постоянном токе; Вт- — единица
на переменном токе; Втф — единица мощности воспро-
изведения на переменном токе в форме фиктивной
Рис. 1
520
мощности, СП(Вт0 —> Вт-) и СП(Вт0 —> Втф) — системы
передачи размера единицы от мощности поглощения
к фиктивной мощности.
Структура аппаратуры, реализующей методы вос-
произведения фиктивной мощности при коэффици-
ентах К’р=1и0<^р<1с использованием физических
моделей нагрузки, представлена на рис. За. В ее состав
входят:
— источник фиктивной мощности переменного то-
ка (ИФМ), обеспечивающий получение необходимых
значений напряжения U , тока у и любого угла сдви-
га фаз между их векторами;
— преобразователь мощности поглощения (ПМП),
обеспечивающий воспроизведение реальной актив-
ной мощности известного размера, поглощаемой в ре-
зисторе Rn;
— модель нагрузки, состоящая из активного эле-
мента — резистивного делителя напряжения (ДН) при
Кр=1 или из ДН и реактивного элемента — конденса-
тора (С) при 0<Кр<1 и НИ-селективного нуль-инди-
катора переменного тока.
Процесс воспроизведения мощности при Кр =1 и
КР<1 иллюстрируется векторными диаграммами
рис. 36 и Зв соответственно.
Если через ПМП протекает переменный ток у, то
в его активном элементе-резисторе Rn поглощается
активная мощность Рп = I2 Rn . В то же время на Rn
возникает падение напряжения Uп , которое с помо-
щью селективного нуль-индикатора сравнивается с
выходным напряжением Uд делителя ДН, к которо-
Рис. 2
му приложено напряжение U от ИФМ (вариант КР=1,
конденсатор С „закорочен1*). Нулевые показания НИ,
соответствующие равенству Uп =U д, обеспечивают-
ся путем регулирования коэффициента деления ( Кд )
и угла сдвига фаз ( между напряжением и током.
При синусоидальных U и у и безреактивных Rn и
ДН, напряжение на зажимах »U“ ИФМ может быть
представлено как U = IRn Кд , а фиктивная мощ-
ность, воспроизведенная на зажимах „U" и „Г‘ ИФМ,
будет равна мощности поглощения в ПМП, умножен-
ной на коэффициент деления делителя:
Рф=Рп Кд .
Для воспроизведения фиктивной мощности при
КР <1 используется RC-модель нагрузки. В цепь напря-
жения (рис. За) вводится конденсатор С, значение ем-
кости которого устанавливается в зависимости от же-
лаемого коэффициента мощности, сопротивления де-
лителя напряжения R^H и частоты
с_ 1 Кр
71-4
Как следует из векторной диаграммы (рис. Зв), на-
пряжение на ДН равно полному напряжению, умно-
женному на КР: Ua = U Кр , Если, так же, как и в пре-
дыдущем случае, обеспечено равенство векторов Un
и U;, фиктивная мощность Рф на зажимах и „17“
ИФМ определяется выражением Рф=РпКд .
Таким образом, воспроизведение фиктивной мощ-
ности Рф известного размера в обоих случаях сводит-
ся к воспроизведению реальной мощности поглоще-
ния Рп и измерению коэффициента деления делите-
ля напряжения.
Мощность поглощения Рп воспроизводится в
преобразователе мощности поглощения методом ком-
парирования постоянного и переменного тока с по-
мощью эталонного термопреобразователя ТП.
В качестве основного метода воспроизведения
единицы мощности предложен метод геометрическо-
го моделирования нагрузки или метод „Равнобедрен-
ного треугольника** [5].
Этот метод, сохраняя основной принцип методов
моделирования нагрузки — воспроизведение реаль-
ной мощности и передачи ее размера фиктивной мощ-
ности, свободен от ряда недостатков методов, реали-
зующих физическую модель. Здесь используется воз-
можность, предоставленная источником фиктивной
мощности ИФМ, произвольно манипулировать векто-
рами напряжения U и тока у , образуя такие геомет-
рические фигуры векторов, которые имитируют век-
торные диаграммы реальных нагрузок.
Метод геометрического моделирования (рис. 4а)
использует те же преобразователь мощности погло-
щения ПМП и делитель напряжения ДН, выходные
521
Рис. За
Рис. 4а
17* Зак. 450
Рис. Зв
522
напряжения которых Un и Ud сравниваются с помо-
щью фазонечувствительного органа сравнения — ин-
дикатора равенства модулей ИРМ. Процесс воспроиз-
ведения Рф иллюстрируется векторной диаграммой
(рис. 46). В ПМП тем же путем, как это было показано
ранее, воспроизводятся мощность поглощения Рп и
напряжение Uп , совпадающее по фазе с током у. В
ИРМ формируется разность векторов Un -Uд , а за-
тем производится сравнение модулей векторов
|Un -Пд | и |ид | по действующему значению напря-
жений. Коэффициент деления делителя Кд изменяют
до получения равенства |Un -Un | = |ид |. При этом
треугольник векторов становится равнобедренным и
выполняются равенства:
0,5Un = Uд cos <р, или 0,bIiRnKd = VI cos <р,
Рф=0,5РпКд .
Уравнение воспроизведения фиктивной мощно-
сти здесь имеет тот же вид, что и при физической мо-
дели нагрузки. Однако аппаратная реализация мето-
да и процесс измерения существенно упрощаются. Ос-
новное преимущество метода геометрического
моделирования состоит в том, что желаемое значение
КР может быть установлено без подбора высокока-
чественных конденсаторов, имеющих ограниченную
область рабочих напряжений и вносящих угловую по-
грешность 0 & . Важным для дальнейшей передачи
размера единицы достоинством метода является воз-
можность получения необходимых КР при опере-
жающих и отстающих от напряжения токах. Переход
от селективного нульиндикатора переменного тока к
индикатору равенства модулей обеспечивает возмож-
ность уравновешивания системы по одному парамет-
ру, что сокращает время измерения, уменьшает слу-
чайные погрешности.
Состав и основные характеристики
эталона
Состав и упрощенная структурная схема эталона
показаны на рис. 5.
Структура измерительной части эталона реализу-
ет рассмотренные ранее (рис. 3, 4) методы физиче-
ского и геометрического моделирования нагрузки. Ее
основными звеньями являются: система воспроизве-
дения мощности поглощения (СВМП) (рис. За) и сис-
тема передачи размера единицы от мощности погло-
щения к фиктивной мощности (СПРФ), а также ин-
тегратор мощности (И), обеспечивающий
воспроизведение фиктивной энергии. СПРФ обеспе-
чивает формирование любого вида модели нагрузки,
выбор которого определяется, в основном, значения-
ми Кр и частоты
Процессы измерения, введения поправок на влияю-
щие факторы, обработки и представления результатов
частично автоматизированы с помощью ЭВМ, рабо-
тающей с оператором в диалоговом режиме.
В ходе разработки ГЭМ и последующего исследо-
вания составляющих его неисключенной системати-
ческой погрешности НСП (0рф) основное внимание
было уделено исследованию составляющих, опреде-
ляющих погрешность перехода от мощности погло-
щения постоянного тока Рп0 к мощности поглоще-
ния переменного тока Рп ( 0та , 0f ) и погрешность
перехода от Рп к фиктивной мощности -Рфх (; 0fg ;
®<я; ®л; ®л; ®и).
Погрешности перехода от Рц0 к Рп и от Рп к
-Рфх определяются, в основном, реактивностью рези-
стора (шунта) в ПМП и делителя напряжения в СПРФ,
а также tg<5 конденсатора для метода физического мо-
делирования.
В ГЭМ использован комплект специальных мно-
гоэлементных шунтов с номинальными сопротивле-
ниями от 0,1 до 10 Ом [6]. Каждый из шунтов содер-
жит 50 металлопленочных резисторов со специаль-
ной системой токопроводов, уменьшающей влияние
взаимной индуктивности токовых и потенциальных
выводов. Оценка частотных и угловых погрешностей
шунтов выполнена на основании определения их элек-
тромагнитной постоянной времени ( гш). Значения
для всего комплекта составляют от 5 до 15 нс при
суммарной неопределенности их измерения 5 нс.
Шунт с номинальным сопротивлением 1 Ом был ис-
следован путем сличений с аналогичным шунтом, вхо-
дящим в состав эталона нулевого коэффициента мощ-
ности Австралии [7]. Расхождение угловых погреш-
ностей шунтов составило 4,8 Арад, что соответствует
разности 14 нс при суммарной неопределенности
результата 1,6 Арад. Таким образом, угловая погреш-
ность ©а-,, вносимая шунтом, лежит в зоне от (2-6)-10’
6 при f =50 Гц до (100-300)-IO'6 при / =2500 Гц, а час-
тотная погрешность 0f пренебрежимо мала во всем
диапазоне частот.
Основные технические
характеристики ГЭМ
Диапазон значений электрической мощности, вос-
производимых эталоном, составляет 1-10’2-6-103 Вт
при напряжении 1-600 В, токе I-IOMO А, коэффици-
енте мощности Кр от -1 до +1 в диапазоне частот
45-2500 Гц.
Диапазон значений коэффициента мощности, вос-
производимых эталоном, составляет от -1 до +1 с дис-
кретностью 0,1 при напряжении 1-600 В, токе 1 • 10’2—
10 А, в диапазоне частот 45-2500 Гц.
Государственный эталон единицы электрической
мощности обеспечивает воспроизведение:
— единицы электрической мощности со средним
квадратическим отклонением результата измерений
(0,5-1)-10'5в зависимости от КР и метода измерений.
Неисключенные систематические погрешности
523
составляют (2-4)-10'5 в зависимости от КР в диапазо-
не частот 45-65 Гци (5-30)-10‘®в зависимости от КР в
диапазоне частот 45-2500 Гц.
— коэффициента мощности со средним квад-
ратическим отклонением результата измерений
(1-3)-10'5рад. Неисключенная систематическая по-
грешность составляет (5-70)-105 рад, выраженных в
единицах эквивалентного угла сдвига фаз.
Для воспроизведения единицы электрической
мощности в диапазоне частот 45-2500 Гц и значений
коэффициента мощности с указанной точностью долж-
ны быть соблюдены правила хранения и применения
эталона, утвержденные в установленном порядке.
Предыстория создания
Повышение точности измерений количественных
и качественных показателей энергоносителей всегда
было приоритетной задачей метрологии и измери-
тельной техники, поскольку результаты этих измере-
ний служат основанием для финансовых расчетов ме-
жду производителем и потребителем энергии, а так-
же позволяют оценить экономическую эффективность
технологических процессов и оборудования, управ-
лять ими или создавать новые энергосберегающие тех-
нологии.
Систематические работы по метрологическому
обеспечению средств измерений (СИ) электроэнерге-
тических величин были начаты во ВНИИМ в первой
половине 50-х гг. XX в. Усилиями ведущих в этой облас-
ти ученых: К.П. Широкова, М.С. Каяндер, Д.И. Зори-
на, А.Я. Безикович, В.С. Попова [8-10] были созданы
первые установки на основе электростатических и тер-
моэлектрических компараторов, обеспечившие в то
время точность, сопоставимую с точностью лучших об-
разцов аналогичной аппаратуры, созданных в ведущих
в данной области измерений метрологических лабо-
раториях Германии (R. Bergest, М. Klonz); США
(N. Oldham, G. Stenbaken); Канады (Р. Filipski); Англии
(FJ. Wilkins); Японии (К. Takahashi); Австралии
(В. Inglis) [11-13].
С начала 50-х гг. во ВНИИМ традиционно развива-
лись методы измерений переменного тока, напряже-
ния и мощности, основанные на сравнении измеряе-
мых величин с однородными величинами постоянно-
го тока с помощью различных видов компараторов.
Усилиями упомянутых выше ученых и специалистов
ВНИИМ в 60-е гг. была обеспечена возможность изме-
рения электрической мощности с погрешностью
5-10ч-2-10'3 (в зависимости от области частот и коэф-
фициентов мощности).
В 70-е гг. эта погрешность была уменьшена до
2-10"*-5-10'4 в созданных следующим поколением
метрологов ВНИИМ (Е.З. Шапиро, В.С. Белов,
Ю.В. Никитин [14, стр. 615]) поверочных установках
УППУ-1М и УПМВ. Достигнутые результаты во мно-
гом были обеспечены благодаря уникальным метро-
логическим характеристикам многоэлементных тер-
моэлектрических преобразователей ТЭМ, созданных
во ВНИИМ Э.В. Ловцюсом, однако технологические
возможности дальнейшего улучшения их характери-
стик и снижения таким путем погрешности измере-
ний мощности были практически исчерпаны.
Следующий шаг в повышении точности измере-
ний мощности был сделан в 80-е гг., когда на основе
углубленного теоретического анализа физической
природы погрешностей сравнения мощностей посто-
янного и переменного тока и разработки новых ме-
тодов измерений, не требующих высокого качества
функциональных преобразователей, был создан эта-
лон единицы электрической мощности с погрешно-
стью воспроизведения единицы 0,003-0,01 % и ряд
вторичных эталонов, обеспечивших передачу разме-
ра единицы мощности СИ электрической мощности
и энергии [16, 17]. Руководителем этих работ и уче-
ным-хранителем эталона по настоящее время являет-
ся д.т.н. Е.З. Шапиро.
Назначение и область применения
Основной целью создания рассмотренных выше
первичного и вторичных эталонов было и остается
метрологическое обеспечение разработки, производ-
ства и эксплуатации широкого круга СИ электроэнер-
гетических величин, парк которых в стране превы-
шает 100 млн. единиц.
В 1986 г. параллельно с созданием ГЭМ была раз-
работана „Государственная поверочная схема для
средств измерения электрической мощности и коэф-
фициента мощности в диапазоне частот 40-20000 Гц“
[ 1], которая регламентировала приемлемый для того
времени порядок передачи размера единицы части
СИ электроэнергетических величин. Развитие энер-
гоприборостроения в 90-е гг. потребовало существен-
ного расширения области применения эталонных
СИ, что стимулировало создание одно- и трехфазных
вторичных эталонов, не предусмотренных повероч-
ной схемой.
Работы по совершенствованию системы передачи
размеров основных единиц ватт и джоуль различным
видам электроэнергетических величин проводятся в
соответствии с долгосрочной концепцией развития
эталонной базы страны, которая предусматривает по-
этапное расширение функциональных возможностей
энергетического эталонного комплекса в сочетании
с рациональными затратами на его создание и обес-
печение функционирования.
Сочетание этих требований реализуется путем на-
ращивания базовой структуры ГЭМ подсистемами
передачи размера единицы мощности СИ других
энергетических величин. Каждая подсистема при
этом использует значительную аппаратную часть и
программное обеспечение базовой структуры ГЭМ
или ранее созданной подсистемы, что обеспечивает
экономию времени и средств, затрачиваемых на ее
реализацию.
Международные сличения и
сотрудничество
Достоверность результатов, полученных в ходе
создания и многолетней эксплуатации Государствен-
ного эталона единицы электрической мощности, под-
тверждена его международными сличениями, кото-
рые позволили уточнить размер национальной еди-
ницы электрической мощности и обеспечили
международное признание эталона России.
....... 524 ---
Первые сличения эталонов России и Финляндии
проведены в 1991 г. в г. Хельсинки. В качестве транс-
портируемого эталона сравнения при сличениях был
использован транспортируемый эталон сравнения
Трансватт-1 Расхождение результатов измерений
мощности при напряжении 120 В, токе 5 А и коэффи-
циентах мощности 1,0 и 0,2 составили 10-Ю^и 55-10'6
соответственно.
Сличения эталонов России, Республики Корея и
Австралии проведены в апреле 1995 г. в Националь-
ной Физической Лаборатории (NML) Австралии
(г. Сидней). В качестве транспортируемого эталона
был использован центральный узел эталона Респуб-
лики Корея — четырехтактный компаратор мощно-
сти, который является копией транспортируемого
эталона ВНИИМ — Трансватт 1.2.
Сличения проведены на частоте 53 Гц, при напря-
жении 120 В, токе 1 А и Кр=1,0; 0,5инд.0,5емк Оинд
и Оемк
Полученные расхождения результатов измерений
оказались существенно меньше расчетных значений
доверительных границ погрешностей для эталонов
ВНИИМ и NML и не превосходили 1-10'5.
В 1998 г. государственный эталон единицы элек-
трической мощности России принял участие в клю-
чевых сличениях эталонов электрической мощности,
проведенных Консультативным Комитетом по Элек-
тричеству (ККЭ) Международного Комитета Мер и
Весов с целью установления эквивалентности нацио-
нальных эталонов ведущих в этой области измерений
стран мира.
Отклонение результатов измерений ГЭМ России
от среднего для 10 стран значения результатов изме-
рений мощности при значениях коэффициента мощ-
ности КР=1,0; 0,5ияд.; 0,5емк.;0инД. и Оемк. не превосхо-
дит 2-10'°.
Литература:
1. ГОСТ 8.551-86. ГСОЕИ. Государственный специальный
эталон и государственная поверочная схема для средств из-
мерений электрической мощности и коэффициента мощно-
сти в диапазоне частот 40-20000 Гц.
2. Шапиро Е. 3., Белов В.С. и др. Государственный специ-
альный эталон единицы электрической мощности // Изме-
рительная техника. — 1990. — № 8.
3. Шапиро Е.З., Кащеев А.И. Способ поверки ваттметров
и варметров. А.с. № 780060(СССР). // Б.И. - 1980. - № 47.
4. Колтик Е.Д., Кравченко С.А., Шапиро Е.З.. Развитие
системы метрологического обеспечения средств измерений
мощности // Точные измерения энергетических величин. —
Л., 1982.
5. Шапиро Е.З. Способ поверки ваттметров. Ac. N 958-
995(СССР). // Б.И. - 1982. - № 34.
6. Белов В.С., Клебанов И.Я. и др. Образцовые низкоом-
ные меры сопротивления // Измерительная техника. —1994.
— № 10.
7. Shapiro Е. (VNIIM), I. Budovsky (NML), М. Cibbs (NML),
Y. Park (KRIS). New Power Transfer Standard, Its Investigation
and Intercomparison // IEEE Transactions on Instrum, and
Meas., 1997. - Vol. 46. - № 2.
8. Безикович А.Я., Зорин Д.И. Установка для поверки ватт-
метров, амперметров и ваттметров на переменном токе нор-
мальной и повышенной частоты // Труды ВНИИМ,
вып.28(88). —М-Л., Машгиз, 1956.
9. Безикович А.Я., Зорин Д.И. Термоэлектрические при-
боры повышенной точности.// Приборы для измерения
электрических и магнитных величин, вып. 4, тема 32, 1960
(ЦИТЭИ).
10. Безикович А.Я., Зорин Д.И. Многопредельные термо-
электрические приборы повышенной точности для звуково-
го диапазона частот.// Труды институтов Комитета по стан-
дартам, вып. 39(99). — Стандартгиз, 1960.
11. Oldham N.M., Petersons О., Waltrip В.С. Audio-
frequency current comparator bridge: Development and design
considerations // IEEE Trans. Instrum. Meas. — 1989. — Vol. 38.
-C.8.
12. Miljanic P., Stojanovic B., Bosnjakovic P. The development
of a high precision power meter // Proc. IEEE Conf, on Precision
Electromagnetic, 1998.
13. Shuster G. Thermal instrument for measuring of voltage,
current, power and energy at power frequencies // IEEE Trans.
Instrum. Meas. — 1980. - -Vol. IM-29.
14. Белов B.C., Никитин Ю.В., Шапиро Е.З. Полуавтома-
тическая установка УППУ-1М для поверки амперметров,
вольтметров и ваттметров.// Измерительная техника,
1981,N3.
15. Безикович А.Я., Шапиро Е.З. Измерение активной
мощности в звуковом диапазоне частот (монография). — Л.:
Энергия, 1980.
16. Shapiro Е., Budovsky I. Thermal watt-transfer standard /
/ IEEE Transactions on Instrum, and Meas. — 1995. — Vol. 44. —
№2.
17. Shapiro E., Nikitin A. A Single Channel Three Phase Power
Transfer Standard.// CPEM’98. Digest. Washington, 1998.
Е.З. Шапиро
525
Государственный специальный эталон единицы
угла фазового сдвига между двумя
электрическими напряжениями в диапазоне
частот 0,01 Гц-20 МГц
Для обеспечения единства измерений в области
фазометрии необходимо наличие исходного средс т-
ва измерений, имеющего наивысшую точность в стра-
не на данном этапе развития науки и техники, с уче-
том всех современных достижений. Такое средство на-
зывают эталоном и применительно к фазометрии
электрических и радиотехнических измерений — это
эталон единицы угла фазового сдвига (УФС). Угловая
единица по системе СИ имеет статус дополнительной
системной единицы исходя из плоского угла в меха-
нике и является поэтому случаем плоского угла в спе-
циальных условиях, а именно между двумя электри-
ческими напряжениями в заданном диапазоне частот.
УФС выражают в единицах „радиан”, градациями ко-
торого являются значения „градус” с соответствую-
щей разбивкой на минуты и секунды по шкале време-
ни или по десятичной шкале. Наиболее точные эта-
лоны основываются на естественных физических
константах. Эталон УФС восходит к эталону частоты,
который имеет в настоящее время наивысшую точ-
ность 10 м. При этом он является расчетным этало-
ном, т.к. основан на простых соотношениях.
Принцип действия расчетного эталона основан на
использовании эффекта линейной зависимости фазы
от времени с помощью манипуляции двух когерент-
ных, близких по частоте сигналов, получаемых от рабо-
чего эталона частоты с последующим делением часто-
ты (фазы) в двух каналах для воспроизведения едини-
цы угла фазового сдвига (УФС). Уравнение измерения
(воспроизведения) приращения УФС Д <р имеет вид:
Д <р= - <р = (а>+ Д co)At - «Дг, (1)
где <р, и <р> — значения фазы в начале и в конце
процесса задания УФС; со, А со— точные значения кру-
говой частоты и приращения частоты, которые обес-
печивают расчетное значение УФС за точно заданный
промежуток времени Д/.
Структурная схема эталона единицы угла фазово-
го сдвига (далее эталон фазы) представлена на рис. 1.
От образцовой меры частоты ОМЧ, входящей в пове-
рочную схему средств измерения времени и частоты,
сигнал с частотой /0 поступает к системе устройств
воспроизведения СУВ УФС. В СУВ используются ме-
тоды преобразования опорной частоты /0 для полу-
чения выходных сигналов с требуемыми фазовыми со-
отношениями на частотах fK, равных 0,01 и 1000 Гц,
100 кГц, 1,10,20 и 30 МГц. Параллельно выходным за-
жимам Ср и С2 подключена система устройств атте-
стации СУАУФС, которая состоит из фазоизмеритель-
ных устройств, имеющих наивысшую точность на ука-
занных частотах. СУА синхронизируется от ОМЧ.
Устройства аттестации предназначены также для пе-
редачи размера единицы рабочим эталонам 1-го раз-
ряда (ОСИ) — калибраторам фазы методом прямых
измерений (см. штриховые линии на рис. 1). При не-
равных некратных частотах fK и f'K это обеспечива-
ется с помощью автоматизированного компаратора
Рис. 1. Структурная схема эталона фазового сдвига
АТСУФС. Для управления всеми процедурами измере-
ния эталона служит система автоматизации СА.
Устройство воспроизведения УФС на высоких час-
тотах (100 кГц, 1, 10, 20 и 30 МГц) работает следую-
щим образом (рис. 2). От ОМЧсигнал с частотой /0
поступает в блок опорных частот (БОЧ), в котором
из одной опорной частоты вырабатываются десять це-
лых когерентных частот /о1 ••/оз с разницей в /о.Из
них получается декада сигналов ^.../^=0,1 (/О1---/о9 )•
Сигналы с частотами /2.../9 подводятся к блокам син-
теза частот (БСЧ1), а выходы последних связаны с
выходами U1 и U2 СУВ эталона УФС. Датчики нуль-
переходов (ДНП) позволяют определить на выходе
схемы совпадений (СС) моменты совмещения во вре-
мени сигналов с частотами J\ = 0,1 • /01 и А - ' /й2 >
т.е. получить управляющие синхроимпульсы. Эти син-
хроимпульсы фиксируют моменты совпадений двух
сигналов только при синфазном переходе их через
нуль. Минимальное время «min , в течение которого
происходит процесс задания дискретного УФС,
определяется из следующего выражения
fmin=V(A_/i)=VA/- Это время является естествен-
ной эталонной единицей (временным квантом) для
процесса задания минимального значения точной рас-
четной фазовой информации (кванта угла фазового
сдвига, равного 360°) на частоте Д/ . Меньшее значе-
ние УФС ввести невозможно, большее значение оп-
ределяется конструкциейустройств, которые обеспе-
чивают подсчет большого количества синхроимпуль-
сов, которые поступают с частотой повторения не бо-
лее (/2 -/])=Д/ . Упомянутые синхроимпульсы посту-
пают через таймер (Т), имеющий кодовое управление
(КУ), на электронный релейный элемент (ЭРЭ). По-
следний обеспечивает переключение частоты на
частоту /2 , подводимую на второй вход БСЧ2, в то вре-
мя как на БСЧ1 поступает частота ft , и таким обра-
зом фаза в канале 2 начинает обгонять фазу канала 1.
Учитывая, что фазовые состояния начинают менять-
ся в каналах при замене частот в момент переходов
этих напряжений через нуль, то фазовые переходные
процессы и соотношения при синтезе частот внутри
блоков происходят плавно, без разрыва ранее устано-
вившихся там в избирательных LC-системах фазовых
соотношений. На выходах Г, и включен измери-
тель УФС ИУФС. При подаче команды управления КУ
от ЭВМ или от руки на выходах U1 и U2 появляются
сигналы с частотой fB =30 МГц, между которыми УФС
может изменяться от 0 до 360° до нескольких десят-
ков тысяч градусов. Значение воспроизводимого рас-
четного УФС определяется согласно выражения:
Д Д а> Дt = [(/2 - fx > Д «min • 2 -1Д/10™ , (2)
где m — число разрядов в блоке синтеза частот;
N>2 — число синхроимпульсов, прошедших через
таймер (счетчик) во время задания УФС; Дгт1п — вре-
мя для минимального дискрета УФС.
Наиболее оптимальными для коммутируемых сиг-
налов являются частоты / =3 МГц и /2 =3,1 МГц, т.к.
Рис. 2. Устройство воспроизведения угла фазового сдвига
........— 527
ширина полосы пропускания избирательных LC-це-
пей применяемого синтезатора частот (типа 46-31)
позволяет пропускать эти частоты без заметного за-
тухания. Тогда минимальный дискрет при т-Ч, N =2,
А/ =105 Гц и tmin =10’sc равен
^in = ^60°[10'5 • 105]• (2 - 1)У107 = 0,000036°. (3)
Максимальный УФС определяются емкостью тай-
мера (счетчика), например для программируемого
счетчика типа Ф5264 с емкостью 107 единиц
=359,999°. Требуемое значение N зависит от УФС и
выходной частоты /еых определяется по формуле
N = • 107360°)+1]- [30 МГц //J. (4)
Например, для ^>=10,000° при т =6 и тех же дан-
ных и 30 МГц, N= 27777,9. Для 20; 10; 1; 0,1 МГц
N =41666,7; 83333,3; 833333,3; 8333333.
Состав и основные характеристики
Эталон создан в стоечном варианте (6 стоек и
пульт), где размещена электронная аппаратура из спе-
циализированных фазометрических блоков и серий-
ных приборов, обеспечивающих функционирование
вышеописанного принципа воспроизведения точных
фазовых соотношений во всем рабочем диапазоне.
Так, в частности, применены: рабочий эталон часто-
ты 41-50, синтезаторы частоты типа 46-31, генерато-
ры ГЗ-110, ГЗ-119, серийные блоки питания БЗ-43, ка-
либраторы фазы Ф1-4, Ф1-5, фазокомпаратор КУФСА-
1, фазометры Ф2-34, ФК2-35, и вспомогательные
приборы — измерители напряжения В7-34, частото-
меры 43-63 и др. Эталон автоматизирован по магист-
рали общего пользования согласно ГОСТ 26.003-80.
ЭВМ рассчитывает требуемое число синхроимпуль-
сов по формуле 4, вводит кодом это число в счетчик и
дает команду Пуск, после чего начинается списыва-
ние установленного кодом числа до нуля.
После измерения введенного УФС, ЭВМ дает ко-
манду на второй шаг процесса, затем третий и т.д. до
360°. Выходные напряжения — 1 В. Метрологические
характеристики эталона приведены в таблице 1.
Таблица 1
Частота УФС Погрешности воспроизведения единицы
УФС и передачи ее размера
Герц градус Se° 6в° Sn°
ю-2 0-360 0,003 0,003 0,005
1000 0-360 0,0003 (до 0,5”) 0,001 (до 360”) 0,001 (до 90”) 0,002 (до.360°) 0,001
10s 0-360 0-1000 0,002 0,002 0,002
106 0-360 0-3000 0,002 0,002 0,002
107 0-360 0-5000 0,004 0,002 0,005
2-10’ 0-360 0-10000 0,008 0,002 0,009
Предыстория создания
Первый калибратор фазы (ранее называвшиеся об-
разцовыми средствами измерений ОСИ, а ныне рабо-
чими эталонами РЭ) создал во ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева в 1965 г. Е.Д. Колтик. Это был прибор на час-
тоты 50, 500 и 1000 Гц, УФС 0-360°, погрешность 0,1°.
Фазометрия в СССР энергично развивалась, осваива-
лись новые диапазоны частот. В 1965 г. С.А. Кравчен-
ко создал установку УФАМП-1 на частоты от 0,001 до
1000 Гц, УФС 0-360°, погрешность 0,1°, а в 1969 г. для
ВО „Эталон" разработал стандарт фазы СФ-2М (в се-
рийном изготовлении Ф1-2) на частоты от 5 до 200 кГц
с погрешностью 0,03-0,05°. Расширение номенклату-
ры и точности фазометров и калибраторов, необходи-
мость обеспечения единства измерений привело к соз-
данию в 1974 г. во ВНИИМ Государственного эталона
единицы угла фазового сдвига на частоту 1000 Гц с
погрешностью от 0,0003 до 0,01°. Под руководством
д.т.н. Е.Д. Колтика в фазометрической группе к.т.н.
Кравченко С.А. и Новодережкин В.Е. создали эталон
ГЭТ 61-74 на принципе бегущей волны в LC звенной
линии задержки с калибровкой от RC цепи мостовым
методом. 12 лет он возглавлял поверочную схему по фа-
зовым измерениям согласно ГОСТ 8.139-75 в диапазо-
не частот до 200 кГц. Появление новых фазометров Ф2-
28, Ф2-34, калибраторов Ф1-4, а также вторичных эта-
лонов с частотой до 10 Мгц выявило невозможность
эффективно обеспечивать единство измерений. За пе-
риод с 1985 по 1988 гг. в лаборатории фазометрии под
руководством С.А. Кравченко был разработан новый
Государственный эталон единицы угла фазового сдви-
га ГЭТ 61-88. Большую работу в поиске методов, отра-
ботке схем и наладке провели к.т.н. В.Е. Новодереж-
кин и вед. инж. В.В. Фоменков. Автоматизированный
компаратор разрабатывал вед. инж. В.В. Кудряшев.
Всю документацию разработал ст. инж. И.Х. Шохор.
Назначение и область применения
Государственный эталон единицы УФС предназна-
чен для обеспечения единства и правильности фазо-
вых измерений в стране путем воспроизведения, хра-
нения и передачи размера единицы рабочим эталонам
и далее рабочим средствам измерений в диапазоне час-
тот от 0,01 Гц до 20 МГц в соответствии с рекоменда-
цией МИ 1949-88.
Измерения УФС между двумя электрическими на-
пряжениями представляют собой самостоятельную
подотрасль электрических измерений. Информация,
заложенная в УФС, позволяет получить наиболее вы-
сокие точности определения пространственного по-
ложения космических объектов, кораблей и самоле-
тов, а также скоростей и расхода опасных жидких
радиоактивных или агрессивных потоков. Дальномер-
ные фазометрические системы обеспечивают опреде-
ление местоположения нефтяных вышек в северных
морях и расстояние до них в условиях зимней темно-
ты с точностью до 20 см. Фазовые методы повышают
точность изготовления рабочих колес гидротурбин до
нескольких микрон при задании информации с магнит-
ного носителя. С помощью фазометра можно опреде-
лить емкость аккумулятора, находящегося на другой
планете, в частности на луноходе. И классическое ис-
пользование фазы — это применение в энергетике, в
528 .
электрических измерениях неэлектрических величин,
в системах автоматизации. Размер единицы передает-
ся 2-м вторичным эталонам в 32 центре МО РФ (Мы-
тищи) и Москве, а также рабочим эталонам (ОСИ) в
23-х пунктах по стране, где проводятся исследования
по навигации, по измерению толщин кристаллов и ЧИ-
Пов в радиоэлектронике при производстве микросхем,
при определении качества оптиковолоконных линий
связи и, в частности, в измерениях на эталоне длины
ВНИИМ и ВНИЦПВ Госстандарта РФ, а также в Вин-
ницком политехническом институте (Украина).
Литература:
1. Колтик Е.Д. Фазосдвигающие устройства. — М.: Изд-
во стандартов, 1981.
2. Кравченко С А. Калибраторы фазы — Л.: Энергоиздат,
1981.
3. Новодерёжкин В.Е. Низкочастотный калибратор фа-
зы. А.С.1087921 СССР // Б.И. 1984. - № 15.
4. Фоменков В.В., Кравченко СА. Способ дискретного
задания фазовых сдвигов в широком диапазоне частот, А.С.
1337818 СССР // Б.И. - 1987,- № 34.
5. Кравченко С А. Шохор И.Х. МИ 1949-89 ГСИ. Государ-
ственная поверочная схема для средств измерений угла фа-
зового сдвига в диапазоне частот от 0,001 Гц до 20 МГц. Ре-
комендация. — М.: Изд-во стандартов, 1989.
6. Turgel R.S. A precision Phase Angle calibration Standard
for frequencyes up to 50 kHz // IEEE Trans, an Instr, and
Measur. - 1985. - Vol. № 4. - P. 509-516.
C.A. Кравченко
529
Методологические вопросы проведения
сличения эталонов угла фазового сдвига
Единица угла фазового сдвига (УФС) — электриче-
ский градус — является одной из разновидностей су-
ществования единицы плоского угла международной
системы СИ в специальных условиях, а именно меж-
ду двумя электрическими переменными напряжения-
ми в широком диапазоне частот, в отличие от УФС ме-
жду током и напряжением, который находит приме-
нение в энергетике и выражается через свой косинус
(cos(P) и измеряется электрическими фазометрами
(косинусофиметрами) при частотах силовой сети 50,
60,400 Гц со шкалами от 0 до 1 (cos Сможет изменять-
ся от -1 до 0 и до +1).
УФС между двумя напряжениями нельзя выразить
одним числом, так как напряжения могут изменяться
как по диапазону частот (от инфранизких, называе-
мых иногда инфразвуковыми до высоких и сверхвы-
соких частот, например от 0,001 Гц до 20 или до
100 МГц), так и по амплитуде от долей милливольта
до сотен вольт. К воздействию на УФС имеют также
значения параметров цепей (R, L , С), в которых ра-
ботают или могут работать переменные напряжения.
Измеряют УФС между двумя электрическими напря-
жениями с помощью измерителей разности фаз, ино-
гда в практике называемыми электронными фазомет-
рами со шкалами от 0 до 180 или до 360°.
Эталоны единицы УФС, начиная от Государствен-
ного до рабочего эталона любых разрядов, являются
2-х канальными генераторами переменных гармони-
ческих напряжений, частоты которых могут совпа-
дать только в особых случаях, если приняты соответ-
ствующие меры по их синхронизации. Во всех осталь-
ных случаях частоты различны и будут появляться
биения, нарушая процессы измерения. Поэтому пря-
мо сличить такие эталоны невозможно.
Сличение возможно с использованием широкопо-
лосных по частоте и высокоточных измерителей раз-
ности фаз (ИРФ). Но серийно такие ИРФ (электрон-
ных фазометров) не выпускаются. Серийные прибо-
ры имеют высокие метрологические характеристики
только в относительно узком рабочем диапазоне час-
тот — примерно от 100 Гц до 500 кГц. Движение по час-
тоте вниз до 0,01-0,001 Гц и движение по частоте
вверх до 5-10 МГц и выше приводит к подъему погреш-
ности в 4-5 раз (говорят о подъеме левого и правого
крыльев погрешности). Таким образом, вместо желае-
мой прямой линии частотно-фазовой погрешности
получается корытообразная. Использование таких из-
мерителей разности фаз возможно только при одном
условии, чтобы эта корытообразная характеристика
не смещалась за время сличения, т.е. чтобы не было
добавления погрешности от временных или от теп-
ловых уходов. Временные уходы сказываются в тече-
ние лет, а тепловые — довольно быстро от изменения
температуры, от проветривания при открытии окон,
форточек и т.д. Если приборы прогреты, тепловых
уходов нет, можно начинать сличение при обязатель-
ном условии: полного соответствия частот поверяе-
мых эталонов. Например, 100,003 кГц и 100,01 кГц.
Расхождение в 0,01 % вызовет погрешность в 0,001-
0,002°. Сличение в диапазоне „взмаха крыльев"
требует более жесткого совмещения частот, ибо та же
разница частот дает в 3-4 раза больше погрешности
из за крутизны подъема крыльев. Сличение на-
чинают снятием фазо-фазовой характеристики
~ = д <Р\ междуГЭТУФСиИРФ.Затемнара-
бочем эталон РЭ УФС устанавливают те же значения
частоты, уровня напряжений по каналам, те же
значения сопротивлений, кабелей, что и в первом
случае, и снимают фазо-фазовую характеристику
между РЭТ УФС и ИРФ. Я^|(2 = д й • При
Д^ = Д^ 1- 0,0002-3°. Учитывая, что на сличение
требуется двойное время, возможен более высокий
уровень погрешности. Более точно происходит сли-
чение с помощью компаратора УФС типа КУФСА-1, в
котором каждый канал (один ИРФ) соединен со сво-
им эталоном ГЭТ и РЭТ. Каналы выполняются совер-
шенно идентичными, но и для них остаются в силе те
же правила о частотах и о других диапазонах величин,
связанных с напряжениями в каналах. При этом,
вследствие того что измерение идет сразу на двух эта-
лонах, время на сличение уменьшается вдвое и также
снижается погрешность сличения. Разрешающая спо-
собность компаратора УФС равна 0,0001°, среднее
квадратичное отклонение случайной погрешности
0,003 и до 0,009° на частотах от 0,01 Гц и до 1 МГц со-
ответственно. На более высоких частотах 5, 10 и
20 МГц необходимо применять преобразователи час-
тот, причем, как показали экспериментальные иссле-
дования, выходная частота преобразователя должна
быть равна 65-70 кГц, чтобы погрешность не превы-
шала 0,004-0,005°. Компаратор может работать с ус-
реднением от одного периода для инфранизких час-
тот до 50 — для высоких от 1 кГц до 20 МГц и с време-
нем измерения от 1 до 5 с. Входная амплитуда
сигналов 0,1-1 В. Прибор имеет выход на канал об-
щего пользования.
Литература:
1А.С. 900214 СССР/А.С. Глинченкоидр. //Открытия.
Изобретения. — 1982 — № 3.
2. А.С. 1734037 СССР/ С.А. Кравченко и др. // Откры-
тия. Изобретения. — 1989. — № 18.
С.А. Кравченко
530
Государственный специальный эталон единиц
коэффициента и угла масштабного
преобразования синусоидального тока (МПСТ),
ГЭТ 152-86
В 1986 г. в УНИИМ был создан специальный госу-
дарственный эталон единиц коэффициента и угла мас-
штабного преобразования синусоидального тока
(МПСТ) — ГЭТ 152-86 [1], в 1988 г. введен в действие
ГОСТ 8.550-86 на указанный эталон и государственную
поверочную схему для трансформаторов тока [2].
ГЭТ 152-86 предназначен для воспроизведения и хра-
нения единиц коэффициента и угла МПСТ на часто-
тах 50 и 400-Ы04 Гц в диапазоне токов 5-120 % номи-
нальных значений при потенциалах относительно зем-
ли от Ы0'2до 2-102 В и передачи размера единиц при
помощи вторичных эталонов и образцовых средств из-
мерений рабочим средствам измерений, применяе-
мым в народном хозяйстве, с целью обеспечения един-
ства измерений в стране. Воспроизведение единиц ко-
эффициента и угла МПСТ осуществлено при помощи
магнитных компараторов (КТ) и двухступенчатых
трансформаторов тока (ДТТ) и основано на магнит-
ном действии токов в соответствии с законом полно-
го тока. В ферромагнитном магнитопроводе КТ (ДТТ)
производится практически полное уравновешивание
противоположно направленных синусоидальных м.д.с.
При идеальном равновесии математическое выраже-
ние закона полного тока переходит в следующее равен-
ство:
-А/^2+4)=«;1М -
где Д , Ic>, /, — токи первичной, вторичной и тре-
тичной обмоток КТ (ДТТ); (/2 +/s ) — выходной ток;
wl , и>2 — число витков первичной и вторичной (тре-
тичной) обмоток.
Действительное равновесие м.д.с. отличается от
идеального, что приводит к появлению погрешностей
КТ (ДТТ): токовой, т.е. разности между номинальным
и истинным значениями коэффициента МПСТ, и уг-
ловой — разности между истинным и номинальным
значениями угла МПСТ.
ГЭТ 152-86 состоит из комплекса следующих
средств измерений:
— набор магнитных компараторов тока и двухсту-
пенчатых трансформаторов тока;
— эталонная установка для сличения единиц коэф-
фициента и угла МПСТ, воспроизводимых магнитны-
ми компараторами и трансформаторами тока, с еди-
ницами коэффициента и угла МПСТ, воспроизводи-
мыми эталонными магнитными компараторами тока,
на частоте 50 Гц;
— эталонная установка для сличения единиц коэф-
фициента и угла МПСТ, воспроизводимых трансфор-
маторами тока, с единицами коэффициента и угла
МПСТ, воспроизводимыми эталонным магнитным
компаратором (двухступенчатым трансформатором)
тока, на частотах 400-1-104 Гц.
Диапазоны номинальных значений коэффициен-
та МПСТ, воспроизводимых эталоном, составляют в
А/А: (0,5-5-104)/1;5 на частоте 50 Гц и (5—1-103)/5 на
частотах 400-1-104 Гц.
Номинальное значение угла МПСТ, воспроизводи-
мое эталоном, составляет 180°.
Номинальные значения первичного тока составля-
ют : 0,5; 1; 2; 2,5; 3; 4; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60;75;
80; 100; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 750; 800 А; 1;
1,2; 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 14; 15; 16; 18; 20; 25; 28; 30;
32; 35; 40; 50 кА.
ГЭТ 152-86 обеспечивает воспроизведение едини-
цы коэффициента МПСТ со средним квадратическим
отклонением результата измерений , не превышаю-
щим 5-1 О'6 на частоте 50 Гц и 1-10'5на частотах 400-
Ы04Гц при 20 независимых наблюдениях. Неисклю-
ченная систематическая токовая погрешность ©,,/ не
превышает 1-Ю4.
Нестабильность эталона за год по коэффициенту
МПСТ Л/ составляет 3-Ю"6на частоте 50 Гц и 3-10-5на
частотах 400-1-104 Гц.
ГЭТ 152-86 обеспечивает воспроизведение едини-
цы угла МПСТ со средним квадратическим отклонени-
ем результата измерений Ss, не превышающим 0,05'
на частоте 50 Гц и 0,15' на частотах 400-1-104 Гц при 20
независимых наблюдениях. Неисключенная система-
тическая угловая погрешность ©> г не превышает 0,5'
на частоте 50 Гц и 1,5' на частотах 400-1-104 Гц.
Нестабильность эталона за год по углу МПСТ ys
составляет 0,03' на частоте 50 Гц и 0,5' на частотах
400-1-104Гц.
ГЭТ 152-86 применяют для передачи размера еди-
ниц коэффициента и угла МПСТ вторичным эталонам
и образцовым средствам измерений 1-го разряда ме-
тодом прямых измерений.
В качестве эталона сравнения применяют набор
трансформаторов тока частоты 50 Гц в диапазоне но-
минальных значений коэффициента МПСТ
0,5-ЫО4 А
---------— и угла МПСТ 180°. Средние квадрати-
ческие отклонения результатов сличения (по ко-
эффициенту МПСТ) и (по углу МПСТ) эталона
531
сравнения с государственным не должны превышать
1,5-10‘5и 0,Г.
В качестве рабочих эталонов применяют набор
двухступенчатых трансформаторов тока частоты
50 Гц в диапазоне номинальных значений коэффици-
0,5-1104 А
ентаМПСТ-----—------- иугла МПСТ 180°. Средние
квадратические отклонения результатов сличений
S-£oj (по коэффициенту МПСТ) и (поуглу МПСТ)
рабочих эталонов с государственным не должны пре-
вышать 1,5-10'5и 0,Г.
Рабочие эталоны применяют для передачи разме-
ра единиц образцовым средствам измерений 1-го раз-
ряда сличением при помощи дифференциального
прибора сравнения.
Эталон хранится в УНИИМ.
Литература:
1. Государственный специальный эталон единиц коэф-
фициента и угла масштабного преобразования синусоидаль-
ного тока. Доклад Государственному Комитету СССР по стан-
дартам. Свердловский филиал ВНИИМ, г. Свердловск, 1986.
2. ГОСТ 8.550-86. „ГСИ. Государственный специальный
эталон и государственная поверочная схема для средств из-
мерений коэффициента и угла масштабного преобразования
синусоидального тока“.
Б. В. Захаров
532
Измерение диэлектрических свойств веществ
Диэлькометрия ~ область измерительной техни-
ки, в которой изучаются диэлектрические свойства ве-
ществ, способы и средства измерений параметров,
факторы, влияющие на измеряемые величины. Ди-
электрические свойства вещества проявляются при
взаимодействии его с электромагнитным полем. Если
поместить диэлектрик в электрическое поле, проис-
ходит смещение и поворот электрических зарядов, что
приводит к поляризации. Внешним проявлением ее яв-
ляется изменение емкости конденсатора на низких час-
тотах или частоты резонаторы на высоких частотах
на величину, пропорциональную диэлектрической
проницаемости вещества. В переменном электриче-
ском поле между диэлектрической поляризацией и на-
пряженностью электрического поля имеется сдвиг
фаз, что приводит к диэлектрическим потерям, поэто-
му диэлектрическая проницаемость является ком-
плексной величиной
4 = з(^-Х)>
где — электрическая постоянная, которая харак-
теризует электрическое поле при отсутствии взаимо-
действия его с веществом; — абсолютная комплекс-
ная диэлектрическая проницаемость; / — коэффици-
ент, характеризующий способность диэлектрика
накапливать энергию в веществе и степень поляриза-
ции; Z — коэффициент, характеризующий способ-
ность ее рассеивать.
Для того чтобы характеризовать среду по отноше-
нию к вакууму, вводят относительную комплексную ди-
электрическую проницаемость
^* = 4М>
Отношение // i называют тангенсом угла диэлек-
трических потерь (^).
Диэлектрические свойства — это отражение и
проявление молекулярных свойств и состава веществ.
Диэлектрические измерения насчитывают более
чем вековую историю. Методы измерений диэлектри-
ков в полях высокой частоты получили реальную базу
в последние 20-25 лет в связи с бурным развитием тех-
ники сверхвысоких частот. Развитию диэлькометрии
в значительной мере способствовали работы Хиппе-
ля [1, 2], Брандта [3], Эме [4], Брауна [5] и др.
В настоящее время во многих отраслях промышлен-
ности (электронной, радиотехнической, электротех-
нической, химической, нефтехимической, кабельной
и др.), в научных исследованиях широко используют
измерения диэлектрических параметров веществ и ма-
териалов при решении различных народнохозяйствен-
ных задач. К важнейшим из них следует отнести:
— контроль качества и готовности выпускаемой
продукции, например, диэлектрических подложек для
интегральных микросхем, диэлектрических материа-
лов для СВЧ фильтров, электроизоляционных мате-
риалов для систем связи и кабельной промышленно-
сти;
— осуществление экспресс-анализа продукции на
технологических линиях химических производств;
— изучение свойств и структуры веществ при соз-
дании новых материалов, в том числе с наперед задан-
ными свойствами;
— исследование молекулярных и атомных констант
(дипольные моменты, времена релаксации, вириаль-
ные коэффициенты и др.), позволяющие уточнить ряд
теоретических положений физики диэлектриков.
Методы диэлькометрии получили широкое распро-
странение благодаря высокой чувствительности, уни-
версальности в выборе объекта исследований, приме-
нимости для измерений в широком диапазоне частот,
температур и других воздействующих факторов, воз-
можности ведения непрерывной цифровой регистра-
ции получаемой информации.
Измерение диэлектрических параметров веществ
и материалов в заданном диапазоне частот сводится к
измерению параметров измерительной ячейки (ИЯ),
в которую помещается образец диэлектрика, при этом
связь между ними заведомо известна. К измеряемым
параметрам ИЯ в зависимости от рабочей частоты от-
носятся: емкость, сопротивление, длина волны, коэф-
фициент затухания, коэффициент стоячей волны, час-
тота и добротность. Параметры ИЯ измеряют с помо-
щью мостовых, дифференциальных, резонансных и
генераторных схем, применяя при этом прямые, ком-
пенсационные и вариационные методы [3, 4, 6].
Задача измерения диэлектрических свойств мате-
риалов на низких частотах, когда правомочно исполь-
зование модели с сосредоточенными параметрами, су-
щественно отличается от задачи измерения на высо-
ких частотах, когда модель должна рассматриваться
как система с распределенными параметрами.
При измерениях диэлектрических свойств мате-
риалов исследуемый образец диэлектрика обычно
представляет собой диск, металлизированный для
улучшения контакта образца с электродами ИЯ и, тем
самым, уменьшения погрешности измерения за счет
воздушного зазора между образцом и электродами ИЯ.
Если испытуемый материал обладает низкой диэлек-
трической проницаемостью, то применяют метод из-
— 533
мерения, при котором в ИЯ специально создается воз-
душный зазор между исследуемым образцом и электро-
дами [7].
При жесткой неизменной системе электродов ИЯ
емкость системы изменяется при введении исследуе-
мого образца материала; в случае использования ИЯ с
подвижным электродом емкость обычно подбирается
так, чтобы она оставалась неизменной при наличии и
отсутствии материала. Обе модели должны учитывать
краевой эффект.
В связи с этим предусмотрены методы, учитываю-
щие краевой эффект. Основными из них являются им-
мерсионный метод измерений, когда исследуемый об-
разец погружается в жидкость, диэлектрическая про-
ницаемость которой почти равна диэлектрической
проницаемости исследуемого материала, краевой эф-
фект отсутствует [8J.
Второй метод— это использование охранного коль-
ца, измерительная система в этом случае является трех-
электродной.
Для измерений параметров ИЯ в диапазоне частот
100 Гц-1 МГц применяют почти исключительно транс-
форматорные мостовые средства измерений.
Несмотря на наличие мостовых средств измерений
для частот до 300 МГц, резонансные схемы вполне со-
поставимы с мостовыми, начиная с частот 1 МГц и вы-
ше, поскольку при этом измерительные цепи получа-
ются более простыми и различные паразитные влия-
ния меньше.
При частотах вплоть до 10'6 Гц используют времен-
ные методы измерений, основанные на измерении то-
ка, протекающего после приложения к измерительной
цепи скачка или пилообразного напряжения. Это эк-
вивалентно одновременной подаче широкой полосы
частот. По форме результирующего сигнала можно вы-
числить составляющие g методом преобразования
Фурье [9].
При частотах от 200 МГц до 1 ГГц, для которых ис-
следуемый образец необходимо рассматривать как эле-
мент с распределенными параметрами, для измерений
применяют коаксиальные линии.
Для частот свыше 3 ГГц исследуемый образец раз-
мещают внутри волновода, в замкнутом резонаторе, в
открытом резонаторе или в свободном пространстве
на пути прохождения электромагнитных колебаний.
Здесь же используются методы временной диэлектри-
ческой спектроскопии.
В производственной практике нашей страны изме-
рения диэлектрических параметров регламентирова-
ны рядом стандартов. Основные из них: ГОСТ 22372-
77 [10], ГОСТ 6433.4-71 [11], ГОСТ 8.358-79 [12],
ГОСТ 8.544-86 [13]. В США для измерений диэлектри-
ческих параметров применяют аналогичные стандар-
ты, например ASTM D 150-70 [ 14]. Кроме того, в нашей
стране создан парк специализированных средств изме-
рений диэлектрических параметров материалов — ди-
электриков. Это — измерители диэлектрических пара-
метров типов Ш2-3, Ш2-4, Ш2-5, Ш2-6, Ш2-7, Ш2-8, Ш2-
9, Ш2-10.
Метрологическое обеспечение в области диэлько-
метрии осуществляется при помощи государственных
эталонов относительной диэлектрической проницае-
мости. В частотном диапазоне практической диэлько-
метрии от 10 до 1010 Гц функционируют четыре госу-
дарственных специальных эталона единицы относи-
тельной диэлектрической проницаемости. В диапазо-
не частот 10-10’Гц (ГЭТ 121-80, поверочная схема
ГОСТ 8.403-80, разработчик ГП ВС НИИФТРИ), 106—
2-108 Гц (ГЭТ 129-80, поверочная схема ГОСТ 8.412-81,
разработчик ГП СНИИМ), 2-108-10!1Гц (ГЭТ 111-85,
ГОСТ 8.274-85, разработчик ГП СНИИМ), 109-Ю10 Гц
(ГЭТ 110-77, ГОСТ 8.284-78, разработчик ГП ВС НИ-
ИФТРИ).
При этом эталонный комплекс ГП ВС НИИФТРИ,
включающий два государственных специальных этало-
на единицы относительной диэлектрической прони-
цаемости, обеспечивает воспроизведение и передачу
размера единицы £ на частотах 10s и 1010 Гц и оценку
дисперсии в частотном диапазоне от 10 до 1О10 Гц. Диа-
пазон воспроизводимых значений £ перекрывается
набором веществ с номинальными значениями диэлек-
трической проницаемости порядка 2, 4,10, 20, 40, 60,
80, 100, диэлектрические свойства которых отвечают
ряду критериев (стабильность свойств во времени, ма-
лое значение диэлектрических потерь, малая частот-
ная дисперсия, однородность по составу). Диапазон
воспроизводимых значений £ жидких диэлектриков
составляет 1-3.
Передача размера единицы £ от эталонов по по-
верочным схемам рабочим средствам измерений осу-
ществляется при помощи вторичных эталонов и стан-
дартных образцов диэлектрической проницаемости,
номенклатура которых в настоящее время достаточно
широка. Это дает возможность проведения поверки,
градуировки и калибровки имеющегося парка средств
измерений диэлектрических параметров веществ и ма-
териалов и аппаратуры, реализующей методики выпол-
нения измерений, указанные выше [15].
Государственный специальный эталон единицы от-
носительной диэлектрической проницаемости твер-
дых и жидких диэлектриков в диапазоне частот
10-10’Гц [16] обеспечивает воспроизведение едини-
цы со средним квадратическим отклонением резуль-
тата измерений, не превышающим:
3-10-*— для твердых диэлектриков;
5-10 5 — для жидких диэлектриков.
Неисключенная систематическая погрешность со-
ставляет:
5-10'*-7-10ч— для твердых диэлектриков;
1-10ч-3-10ч— для жидких диэлектриков.
В состав эталона входит:
— установка для воспроизведения единицы относи-
тельной диэлектрической проницаемости на частоте
10 s Гц;
— установка д ля определения частотной дисперсии
диэлектрической проницаемости твердых и жидких
диэлектриков в диапазоне частот 10-10’ Гц;
— набор твердых и жидких образцов диэлектриков;
— средства измерений линейных размеров.
Государственный специальный эталон единицы от-
носительной диэлектрической проницаемости жид-
ких, твердых и газообразных диэлектриков в диапазо-
не частот 1-10 ГГц [17] обеспечивает воспроизведение
единицы со средним квадратическим отклонением ре-
зультата измерений, не превышающим:
5-10’5— для жидких диэлектриков;
534
1-10'*— для твердых диэлектриков;
2-1(У8-2-10'6— для газообразных диэлектриков.
Неисключенная систематическая погрешность со-
ставляет:
5-10'5-8,5-10'5— для жидких диэлектриков;
1-10ч-3-10 '—для твердых диэлектриков;
2-КУ8—для газообразных диэлектриков.
В состав эталона входит:
— набор измерительных ячеек;
— блоки подготовки жидких и газообразных диэлек-
триков;
— установка для определения частотной дисперсии
диэлектрической проницаемости жидких и твердых
диэлектриков, включающая набор сверхвысокочастот-
ных генераторов, перекрывающих указанный диапа-
зон частот;
— блок индикации.
Перспективы развития метрологического обеспе-
чения диэлектрических измерений заключаются в по-
вышении точности измерений е до 105-106; расшире-
нии частотного диапазона измерений в сторону высо-
ких частот до 70-100 ГГц и от 10 до 10’5Гц в сторону
низких частот [18].
Литература:
1. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение (пер. с англ.). —
М.: Энергия, 1959.
2. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны (пер. с англ.). — М.: ИИЛ,
1960.
3. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких
частотах. —М.: Физматгиз, 1963.
4. Эме Ф. Диэлектрические измерения (пер. с нем.). — М.: Хи-
мия, 1967.
5. Браун В. Диэлектрики (пер. с нем.). — М.: ИИЛ, 1961.
6. Lynch А.С. Precise measurements on dielectric and magnetic
materials// IEEE Trans. Instrum, and Meas. — 1974. — V. 23. — N 4.
7. Scott A.H. Techniques for using the air-cap method for the
precise determination of the dielectric constant and loss angle of solid
disk specimens// 1963 Annual Report Conference on Electrical
Insulation, Nat. Acad, of Sci. — Nat. Res. Council Publication 1141,
NBS, Washington.
8. Harris WP. and Scott A.H. Precise Measurement of dielectric
constant by the two-fluid technique// 1962 Annual Report Conference
on Electrical Insulation, NAS-NRC, Publication 1080.
9. Мопсик. Прецизионный временной спектрометр для диэлек-
трических измерений//ПНИ. — 1984.-№ 1.
10. ГОСТ 22372-77. Материалы диэлектрические. Методы оп-
ределения диэлектрической проницаемости и тангенса угла ди-
электрических потерь в диапазоне частот от 15 до 300-106 Гц.
11. ГОСТ 6433.4-71. Материалы электроизоляционные твер-
дые. Методы определения тангенсауглы диэлектрических потерь
и диэлектрической проницаемости при частоте 50 Гц.
12. ГОСТ 8.358-79. ГСИ. Методика выполнения измерений от-
носительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла ди-
электрических потерь в диапазоне частот 0,2-1 ГГц.
13. ГОСТ 8.544-86. ГСИ. Относительная диэлектрическая про-
ницаемость и тангенс угла потерь твердых диэлектриков. Методи-
ка выполнения измерений в диапазоне частот 10э—10 *" Гц.
14. ASTM D 150-70. Методы определения диэлектрической про-
ницаемости и диэлектрических потерь твердых электроизоляци-
онных материалов при переменном токе.
15. Гудков О.И., Кащенко М.В. Стандартные образцы относи-
тельной диэлектрической проницаемости // Обзорная информа-
ция. Сер. „Образцовые и высокоточные средства измерений". —
М.: ВНИИКИ. - 1986. - Вып. 3.
16. Гуцков О.И. и др. Государственный специальный эталон еди-
ницы относительной диэлектрической проницаемости твердых и
жидких диэлектриков в диапазоне частот 10-107 Гц // Измеритель-
ная техника. -1981. -№ 2.
17. Гудков О.И. и др. Государственный специальный эталон еди-
ницы относительной диэлектрической проницаемости жидких,
твердых и газообразных диэлектриков в диапазоне частот 1-10 ГГц
// Измерительная техника. -1978. - № 9.
18. Гудков О.И. и др. Современное состояние и перспективы
метрологического обеспечения диэлектрических измерений //
Измерительная техника. -1994. -№ 12.
О.И. Гудков
535
Государственный специальный эталон единицы
относительной диэлектрической проницаемо-
сти твердых и жидких диэлектриков в диапазо-
не частот Ы0-1107 Гц, ГЭТ 121-80
Предназначен для воспроизведения и хранения
единицы относительной диэлектрической проницае-
мости (относительной единицы) твердых и жидких ди-
электриков в диапазоне частот 1-10-1-107 Гц и переда-
чи размера единицы при помощи вторичных эталонов
и образцовых средств измерений рабочим средствам
измерений, применяемых в народном хозяйстве с це-
лью обеспечения единства измерений в стране.
Диапазон значений относительной диэлектриче-
ской проницаемости ( е), воспроизводимых эталоном
в дискретных точках, составляет 1-100.
Воспроизведение единицы относительной диэлек-
трической проницаемости осуществляется эталоном
на частоте 103 Гц емкостным методом. Измерение ди-
электрической проницаемости твердых диэлектриков
производится надисковых эталонных образцах, торце-
вые поверхности которых металлизированы. Металли-
зация производится путем напыления в вакууме меди.
Из напыленных электродов выполняется система
в виде трех электродов: измерительного, охранного и
потенциального. Зазор между охранным и измеритель-
ным электродами составляет величину порядка 50 мкм.
Диэлектрическая проницаемость определяется по из-
меренной емкости Се между измерительным и потен-
циальным электродами образца и расчетной емкости
Cdrex же электродов при замене диэлектрика вакуумом:
^=^/С0,
где Со = <$(S3?s/«),
где — абсолютная диэлектрическая проницае-
мость вакуума; $эф — эффективная площадь измери-
тельного электрода, равная [Хп + g J р4 , где g — за-
зор между измерительным и охранным электродами;
t — толщина образца.
Воспроизведение единицы относительной диэлек-
трической проницаемости жидких диэлектриков про-
изводится с применением трехэлектродной измери-
тельной ячейки, подключаемой по трехзажимной схе-
ме к измерителю емкостей.
Измерительная ячейка термостатирована, точ-
ность поддержания температуры +0,1 °C.
^Cf/C0,
где Се — емкость ячейки с образцом жидкого ди-
электрика; Со— емкость вакуумированной ячейки.
Носители диэлектрических свойств (эталонные об-
разцы) перекрывают диапазон воспроизведения еди-
ницы в ряде дискретных точках (1,9; 2; 2,3; 3,8; 5,3; 10;
20; 40; 60; 80; 100).
Процедура воспроизведения соответствующего
размера единицы в диапазоне частот 10-10’ Гц вклю-
чает в себя определение частотной дисперсии едини-
цы диэлектрической проницаемости образца с приме-
нением установки для оценки дисперсии £ в диапазо-
не частот 10-107 Гц.
Воспроизведение единицы эталон обеспечивает со
средним квадратическим отклонением результата из-
мерений, не превышающим:
ЗЮ4— для твердых диэлектриков;
5-Ю'5—для жидких диэлектриков при пяти незави-
симых наблюдениях.
Неисключенная систематическая погрешность со-
ставляет:
5-Ю4-7-Ю4— для твердых диэлектриков;
1 • 104-3-104— для жидких диэлектриков в зависимо-
сти от частоты измерения.
В состав эталона входит:
— установка для воспроизведения единицы относи-
тельной диэлектрической проницаемости твердых и
жидких диэлектриков на частоте 10s Гц;
— установка для измерения относительного изме-
нения единицы относительной диэлектрической про-
ницаемости твердых и жидких диэлектриков в диапа-
зоне частот 1-10-1-Ю7 Гц;
— набор твердых и жидких образцов диэлектриков:
— средства измерений линейных размеров.
Эталон применяют для передачи размера единицы
относительной диэлектрической проницаемости твер-
дых и жидких диэлектриков в диапазоне частот 1-10-
1 107 Гц вторичным эталонам и образцовым средствам
измерений непосредственным сличением.
Институт — хранитель эталона: Восточно-Сибир-
ский научно-исследовательский институт физико-тех-
нических и радиотехнических измерений (ВС НИИФ-
ТРИ), Россия, г. Иркутск.
Разработчики эталона: О.И. Гудков, канд. ф.м. нау-к
(руководитель), М.А. Кащенко, А.М. Рубис, А.А. Фи-
люк, РП. Шулунов, А.П. Щербаков.
Литература:
1. Эме Ф. Диэлектрические измерения. — М.: Химия, 1967.
2. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. — М.: ИЛЛ, 1960.
3. Гудков О.И. и др. Государственный специальный эталон
единицы относительной диэлектрической проницаемости
твердых и жидких диэлектриков в диапазоне частот 10-1 О’ Гц
// Измерительная техника. - 1981. — № 2.
4. Гуцков О.И. и др. Современные состояния и перспек-
тивы метрологического обеспечения диэлектрических изме-
рений // Измерительная техника. — 1994. — № 12.
536
Государственный специальный эталон единицы
относительной диэлектрической
проницаемости жидких, твердых и
газообразных диэлектриков в диапазоне частот
1-10 ГГц
Создан в ВС НИИФТРИ (1975-1977 гг.) и утвержден Постановлением Госстан-
дарта СССР от 29.09.1977 г. № 45.
Воспроизведение размера единицы относительной диэлектрической прони-
цаемости в диапазоне частот 1-10 ГГц основано на измерении параметров спек-
тра резонансных частот объемного цилиндрического резонатора, заполненно-
го диэлектрическим материалом, и точной связи их с размерами резонатора и
диэлектрической проницаемостью среды, заполняющей резонатор. Точное из-
мерение размеров резонатора проводится по его спектру резонансных частот в
отсутствии диэлектрического материала.
В составе эталона:
— комплект измерительных объемных резонаторов с СВЧ-трактом,
— блоки подготовки жидких и газообразных диэлектриков,
— установка для выявления дисперсии диэлектрической проницаемости ди-
электриков, включающая комплект сверхвысокочастотных генераторов с отно-
сительной нестабильностью частоты не более 10'5-10‘6, частотомер,
— блок индикации резонанса и персональный компьютер.
Метрологические характеристики
Диапазон значений
жидкие диэлектрики 1-3
твердые диэлектрики 1-10
газообразные диэлектрики 1-1,01
СКО результата измерений
жидкие диэлектрики 5-10'5
твердые диэлектрики 1 • 10'4
газообразные диэлектрики 2-10'8-2-10'6
НСП
жидкие диэлектрики 5-10'5-8,5-10’5
твердых диэлектрики 1-104-3-104
газообразные диэлектрики 2-10'8
Размер единицы передается эталонам Молдовы и Казахстана.
Область применения
— Поверка и калибровка средств измерений параметров диэлектриков в ра-
диоэлектронной и электротехнической промышленности
— Контроль параметров диэлектрических подложек интегральных СВЧ-мик-
росхем, диэлектрических резонаторов и других электронных компонентов
— Контроль качества материалов обтекателей антенн, радиопрозрачных по-
крытий и окон вывода энергии мощного СВЧ-излучения в военной, авиацион-
ной и ракетно-космической технике
— Контроль качества диэлектрических материалов и изделий
537
Государственный специальный эталон единицы
относительной диэлектрической
проницаемости в диапазоне частот 1—200 МГц
Создан в СНИИМ (1975-1980 гг.) и утвержден Постановлением Госстандарта
СССР от 18.12.1980 г. № 159.
В основу эталона положена расчетная мера диэлектрической проницаемости,
заполненная воздухом. Размер единицы передается рабочему эталону и стандарт-
ным образцам при помощи компаратора.
В составе эталона:
— мера диэлектрической проницаемости
— компаратор типа КДПР.
Метрологические характеристики
Номинальное значение
СКО результата измерений
НСП
1,0006
зло4
5104
Область применения
— Поверка и калибровка приборов, используемых для измерения электромаг-
нитных параметров материалов.
— Контроль параметров при технологическом процессе разработки и изго-
товлении диэлектрических материалов.
— Определение диэлектрических свойств материалов.
— Сертификация приборов и материалов по электромагнитным параметрам.
— Исследование материалов и внесение параметров диэлектрических свойств
в банк данных Государственной службы стандартных справочных данных.
— Калибровка аппаратуры контроля параметров подложек микросхем для
электроники.
— Калибровка аппаратуры контроля влажности материалов диэлектрически-
ми методами.
538
Государственный специальный эталон единиц
бикомплексной проницаемости в диапазоне
частот 0,2-1,0 ГГЦ
Создан в СНИИМ (1981-1985 гг.) и утвержден Постановлением Госстандарта
от 17.10.1985 г. № 118.
В основу эталона положен принцип сравнения бикомплексной проницаемо-
сти расчетных отрезков линии передачи с воздушным заполнением с отрезками
того же диаметра, заполненными исследуемым материалом.
В составе эталона:
— комплект эталонных двухполюсников;
— комплект эталонных четырехполюсников;
— компаратор для воспроизведения бикомплексной проницаемости и пере-
дачи ее размера вторичным эталонам и образцовым средствам измерений 1-го
разряда.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений
действительная часть (относительные диэлектрическая
и магнитная проницаемости), 1-10
мнимая часть (тангенсы угла диэлектрических
и магнитных потерь) 1-10'4-1
СКО результата измерений
действительная часть (относительные диэлектрическая
и магнитная проницаемости), 1-10’4
мнимая часть (тангенсы угла диэлектрических
и магнитных потерь) гПО'М-Ю'1
НСП
действительная часть (относительные диэлектрическая
и магнитная проницаемости), 2-10'4
мнимая часть (тангенсы угла диэлектрических
и магнитных потерь) 5-102-2-10'
Область применения
— Калибровка приборов, используемых для измерения электромагнитных па-
раметров радиоматериалов.
— Контроль электромагнитных параметров при технологическом процессе
разработки и изготовлении композиционных материалов.
— Калибровка аппаратуры контроля параметров подложек микросхем для
электроники.
— Калибровка аппаратуры контроля влажности материалов (в том числе сы-
пучих) диэлектрическими методами.
539
История развития радиотехнических
измерений
История развития метрологии радиотехнических
измерений началась благодаря деятельности двух вы-
дающихся российских ученых конца XIX начала
XX вв. — А.С. Попова и Д.И. Менделеева в стенах все-
мирно известных институтов — С.-Петербургского
электротехнического института (ныне СПбГЭТУ ,ДЭ-
ТИ“) и Главной палаты мер и весов (ныне ГУП „ВНИ-
ИМ им. Д.И. Менделеева") [1-8].
Ее необходимость была предопределена, во-пер-
вых, изобретением А.С. Поповым в 1895 г. аппарату-
ры для беспроводной передачи информации на отно-
сительно большие расстояния с помощью радиосиг-
налов [2-4]. Уже в 1900 г. во время Гогландской
операции по спасению севшего на камни броненосца
„Генерал-адмирал Апраксин" была построена под ру-
ководством А.С. Попова радиостанция на острове Кут-
сало вблизи почтово-телеграфной конторы г. Котка.
Вторая радиостанция была возведена на о. Гогланд,
вблизи от места аварии броненосца. Двухсторонняя
радиосвязь между станциями была установлена 6 фев-
раля 1900 г.
Успешная работа первой практической радиоли-
нии связи ускорила решение вопроса о принятии на
вооружение военно-морского флота России радиоте-
леграфа. В Кронштадте при участии А.С. Попова в
1900 г. была построена радиомастерская для изготов-
ления и ремонта корабельных радиостанций [4].
Уже в начале века А.С. Попов со своими ученика-
ми начал конструирование радиоизмерительных при-
боров [4]. На первых порах начала работ по радио-
техническим измерениям в ГПМВ возникла необхо-
димость оснащения эталонной лаборатории времени,
организованной по поручению Д.И. Менделеева
проф. Ф.И. Блумбахом в 1895 г., радиотехническими
измерительными приборами и устройствами [ 1 ]. К то-
му же построенная по инициативе Д.И. Менделеева
обсерватория для астрономических наблюдений так-
же нуждалась в таких устройствах.
Первоначально указанный вид измерений, в ос-
новном, предназначался для метрологического обес-
печения радиосвязи и был назван радиотехнически-
ми измерениями (иногда высокочастотными электри-
ческими измерениями). К настоящему времени он
охватывает большинство отраслей науки и техники и
называется электронными или радиоэлектронными
измерениями, что закреплено ГОСТ 15094 [6,7,8,9].
В МИ 2222-92 по классификации видов измерений,
как указывалось раньше, электронные измерения
представлены двумя видами — радиотехнические (ра-
диоэлектронные) измерения и измерения времени и
частоты. Для высших эталонных звеньев (разрядов)
поверочных схем такое разделение целесообразно, т.к.
время и частота являются самостоятельными, хоть и
взаимосвязанными простой зависимостью, величина-
ми и выражаются разными единицами с обратной за-
висимостью (1 с=1/1 Гц и 1 Гц=1/1 с). К тому же час-
тота не всегда является электрической величиной.
О начальном этапе развития радиоэлектронных
измерений во ВНИИМ имеются лишь отрывочные и
иногда противоречивые сведения [1, 6, 7, 8]. Это же
относится и к именам специалистов, работавших в ин-
ституте в дореволюционное время. Многие из них бы-
ли совместителями и консультантами, служившими на
постоянной основе в различных организациях, в ча-
стности в Акционерном обществе Русских электротех-
нических заводов „Сименс и Гальске" [5].
Работы в области радиоэлектронных измерений
начались на базе открытого Д.И. Менделеевым элек-
трического отделения [10]. В 1910 г. по инициативе
Управляющего Главной палатой проф. Егорова Н.Г.
было организовано радиотелеграфное отделение, ко-
торое в советское время развилось в лабораторию то-
ков высокой (большой) частоты. В дореволюционный
период отделение выполняло, в основном, работы по
обеспечению деятельности эталонной лаборатории
времени [1]. В 1917 г. в отделении начал работать
проф. В.С. Габель, до того служивший в 1904-1917 гг.
в АО РЭЗ „Сименс и Гальске". В 20-е гг. он возглавил
лабораторию токов высокой частоты (ТВЧ), которой
руководил до кончины в результате хирургической
операции в 1987 г. В лаборатории с 1924 по 1941 гг.
(последние три года — по совместительству) работал
проф. Г.А. Кьяндский, прошедший путь от лаборанта
до профессора. С 1938 г. он заведовал кафедрой ра-
диотехнических (электрических) измерений ЛЭТИ.
На первых порах после организации лаборатории
ТВЧ перед ней была поставлена задача создания Госу-
дарственного эталона частоты для службы времени
ВНИИМ. В 20-30-е гг. В.С. Габелем и ГА. Кьяндским бы-
ли разработаны первые эталоны частоты с колебатель-
ной системой на камертонах, а затем и электронные
кварцевые генераторы. Каждый эталон состоял из ста-
билизированного по частоте генератора и дополни-
тельных устройств, позволяющих сличать частоту ге-
нератора с данными службы времени. Ими были про-
ведены тщательные исследования созданных эталонов
частоты и показано, что их нестабильность не превы-
шает ±10’7, что по тому времени превосходило требо-
вания радиотехники и связи. Выполненные в 40-е гг.
дальнейшие исследования и усовершенствования квар-
цевых генераторов позволили создать более высо-
коточный эталон частоты. За создание и внедрение
— 540
этого эталона в службу времени страны группе учени-
ков и последователей В.С. Габеля и Г.А. Кьяндского в
1950 г. была присуждена Сталинская премия СССР
(проф. Б.К. Шембель — руководитель, проф. П.Н. Ага-
лецкий, к.т.н. О.А. Тхоржевский, механик М.Х. Ма-
кашев).
Параллельно с работами во ВНИИМ исследования
по созданию кварцевых генераторов успешно прово-
дились под руководством проф. Л.Д. Брызжева и в
Харьковском государственном институте мер и изме-
рительных приборов.
Лаборатория ТВЧ параллельно с основной зада-
чей — созданием Государственного эталона частоты —
вела работы в области разработки методов и средств
измерений других электрических величин при высо-
ких частотах. Так в конце 20-х гг. Г.А. Кьяндским было
проведено исследование образцового амперметра Мул-
лена. Им же проводились исследования в области ус-
тановления оптимальности длин волн для передающих
радиостанций, разработки образцовых гетеродинных
волномеров для измерения коротких волн, создания
методик точного измерения частоты и емкости при по-
мощи пьезокварца и др. В 30-е гг. В.С. Габелем и
Г.А. Кьяндским были начаты работы по созданию ме-
тодов и образцовых средств измерений для поверки
других радиоизмерительных приборов — электронных
вольтметров и измерительных генераторов. Однако
начало Великой Отечественной войны не позволило
завершить эти работы и организовать поверку указан-
ных средств измерений. Только в 1943 г. была введена
обязательная государственная поверка волномеров,
кварцевых калибраторов, электронных вольтметров и
других радиоизмерительных приборов. Вместе с тем,
до начала 40-х гг. система метрологического обеспече-
ния радиоэлектронных измерительных устройств бы-
ла решена лишь частично и не в полном объеме. По-
прежнему практиковалась т.н. „частичная" поверка в
ограниченных диапазонах частот и уровней электри-
ческих сигналов и с контролем только отдельных мет-
рологических характеристик радиоизмерительных
приборов.
Особо необходимо отметить подготовку и издание
Г.А Кьяндским одной из первых в России книг по ра-
диотехническим измерениям, по которой учились в
30-40 гг. многочисленные кадры специалистов и сту-
дентов радиоэлектронных специальностей.
После В.С. Габеля лабораторией ТВЧ руководили
проф. Б.К. Шембель (с 1939 по 1946 гг.) и проф.
П.Н. Агалецкий (с 1946 по 1948 гг.). Их научные инте-
ресы касались разработки, исследования и внедрения
эталона частоты.
В 1948 г. руководителем лаборатории был назначен
к.т.н. Б.Е. Рабинович, начавший работу во ВНИИМ в
1939 г. в должности младшего научного сотрудника.
При нем лаборатория начала работы по созданию вы-
сокоточных методов и средств измерений напряжений
и их отношений. Сохранились и прежние направления
ее деятельности по совершенствованию эталона час-
тоты, исследованиям в области измерения коротких
интервалов времени и др. В это время в лаборатории
работали проф. П.Н. Агалецкий, к.т.н. АД. Вейсбрут,
к.т.н. В.И. Ермаков, к.т.н. Т.Л. Залуцкая, к.т.н.
В.В. Кшимовский, к.т.н. О.В. Стоякина, инж.
Е.И. Стрелкова и др.
Радикальные изменения в области радиоизмери-
тельного приборостроения произошли в 1952 г. в
результате выпуска Постановления Правительства
СССР о развитии в стране научно-исследовательских,
опытно-конструкторских и производственных работ
по развитию радиосвязи, радиолокации и радионави-
гации. Необходимость указанного Постановления дик-
товалась научными, хозяйственными и оборонными
задачами, вставшими перед страной в послевоенный
период.
В соответствии с Постановлением во ВНИИМ бы-
ло создано две специальные радиотехнические лабо-
ратории. Первая из них была организована в 1953 г.
на базе лаборатории ТВЧ и возглавил ее Б.Е. Рабино-
вич. Основными направлениями деятельности лабора-
тории было установлено проведение научно-исследо-
вательских и опытно-конструкторских работ в облас-
ти измерений напряжения, мощности и ослабления
(затухания) при высоких частотах в коаксиальных
трактах передачи. В связи с созданием лаборатории бы-
ла произведена реорганизация лаборатории ТВЧ, и
она была преобразована в лабораторию высокой час-
тоты, которой в 50-е гг. руководил к.т.н. А.Д. Вейсбрут,
В последствии лаборатория высокой частоты была
объединена с эталонной лабораторией времени во гла-
ве с к.т.н. С.С. Товчигречко. Новая лаборатория полу-
чила наименование лаборатории времени и частоты.
В соответствии с Постановлением 1952 г. специ-
альные научные радиотехнические лаборатории бы-
ли созданы также в Харьковском, Новосибирском,
Свердловском НИИ метрологии и начато строитель-
ство в поселке Менделееве Московской области спе-
циализированного на современных технологиях Все-
союзного научно-исследовательского института физи-
ко-технических и радиотехнических измерений
(ВНИИФТРИ).
В 60-80-е гг. метрологические НИИ или их филиа-
лы были организованы и в других городах страны. При
этом во многих из них были открыты лаборатории ра-
диоэлектронного профиля или радиоэлектронных из-
мерений. Обобщенная характеристика эталонных ра-
бот этих лабораторий прослеживается по результатам
создания государственных эталонов единиц электри-
ческих величин [10].
Научные лаборатории радиотехнических измере-
ний Госстандарта СССР охватывали почти все направ-
ления измерений и метрологического обеспечения
электрических и магнитных величин в диапазоне час-
тот от долей герца до десятков гигагерц.
Лаборатория радиотехнических измерений ВНИ-
ИМ под руководством Б.Е. Рабиновича за десятилетний
период своего функционирования выполнила и дове-
ла до практического внедрения много опытно-конст-
рукторских работ и методических разработок по мет-
рологическому обеспечению высокочастотных средств
измерений напряжения, мощности и ослабления.
В области измерений напряжения Б.Е. Рабинови-
чем и А.М. Федоровым были разработаны наиболее
точные в мире до настоящего времени образцовые ди-
одные компенсационные вольтметры типов ОКВ-2-
ОКВ-5. Первый из них был внедрен в производство на
Ленинградском з-де „Эталон" в составе разработанной
ими установки типа УПВ-1000-1 для поверки электрон-
ных вольтметров при частотах до 1000 МГц. Была соз-
дана также установка типа УПГС для поверки измери-
тельных генераторов при высоких частотах, в состав
которой входили компенсационный вольтметр ОКВ-
2 или ОКВ-ЗА и образцовый измерительный приемник
ИП-2. Были разработаны также методы косвенного из-
мерения напряжения в коаксиальных линиях переда-
чи через мощность при известном волновом сопротив-
лении линии.
В области измерений ослабления был разработан
указанный ранее измерительный приемник ИП-2 и об-
разцовый аттенюатор типа АСО-3. Последний приме-
нялся для поверки электронных милливольтметров и
промышленных аттенюаторов.
В области измерений мощности в коаксиальных
трактах передачи Т.Л. Залуцкой, В.В. Кшимовским и
В.И. Кржимовским были разработаны калориметри-
ческий и болометрический ваттметры с верхней ра-
бочей частотой до 1-3 ГГц. Были созданы и внедрены
в производство на з-де „Эталон" установки типа
УПИМ-1-2 для поверки измерителей малой мощности
в диапазоне частот 0,15-1 ГГц. В эти же годы
Стрелковой Е.И. была разработана методика и аппа-
ратура для поверки измерителей импульсной мощно-
сти в диапазоне частот 0,03-1 ГГц. В результате за де-
сятилетний срок деятельности лаборатории радио-
технических измерений ВНИИМ в области точных
измерений напряжения, мощности и их отношений
при высоких частотах были заложены основы созда-
ния эталонной базы обеспечения единства измерений
этих величин в диапазоне частот от 100 кГц до 1-3 ГГц.
В 1964 г. Б.Е. Рабинович назначается руководите-
лем отдела высокочастотных измерений, которым он
руководил до кончины в 1968 г. Руководителем лабо-
ратории радиотехнических измерений в 1964 г. был на-
значен его ученик и соратник — к.т.н. А.М. Федоров.
При этом лаборатория была переименована в лабора-
торию высокочастотных электрических измерений.
Лаборатория под руководством AM. Федорова в те-
чение всего времени продолжала начатые при Б.Е. Ра-
биновиче работы в области создания методов и эталон-
ных средств для измерений напряжения, мощности и
ослабления при высоких частотах.
В завершение создания системы обеспечения един-
ства измерений переменного напряжения при высо-
ких частотах А.М. Федоровым и В.В. Крестовским в
1972 г. был разработан, исследован и аттестован Госу-
дарственный специальный эталон ГЭТ 27-72 единицы
переменного напряжения в диапазоне частот от 100
до 1500 МГц и соответствующая поверочная схема. В
1982 г. был исследован и утвержден Госстандартом мо-
дифицированный эталон ГЭТ 27-82 единицы перемен-
ного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц
с улучшенными за 10 лет метрологическими характе-
ристиками [5]. Были проведены международные кру-
говые сличения эталона ГЭТ 27-82 с национальными
эталонами США, Германии, Англии, Австралии и Венг-
рии на частотах 0,1; 0,25; 0,5; и 1 ГГц при напряжении
1 В, подтвердившие правильность оценок точности
эталона СССР (отклонение от среднего международ-
ного значения на указанных частотах не превышало
0,02-0,2 % при оценке неисключенной систематиче-
ской погрешности эталона ВНИИМ 0,05-0,35 %).
В отдельных работах по точным измерениям на-
пряжения и ослабления принимали участие к.т.н.
Г.П. Телитченко, к.т.н. В.А. Щеглов и аспиранты лабо-
ратории — к.т.н. Н.Я. Сидоренков, к.т.н. М.Д. Вайс-
банд, к.т.н. П. Пакаи, к.т.н. Э.А. Саркисов, к.т.н.
А.А. Петрищев.
В области измерений мощности под руководством
В.И. Кржимовского и Т.Б. Морозовой были разработа-
ны и исследованы новые образцовые средства изме-
рений мощности в коаксиальных трактах при частотах
до 10 ГГц — первичные болометрические преобразо-
ватели типа БГД-ЗА, БГД-4А, БГД-6А, микрокалоримет-
ры типа МКВ-1А, МКВ-2А, МКВ-ЗАдля аттестации пер-
вичных болометрических преобразователей с тремя
стандартными сечениями 16x4,6; 16x6,95 и
10x4,34 мм коаксиальных трактов, образцовый мост
постоянного тока типа ИМО-1, образцовые преобра-
зователи подающей мощности с.в.ч. типа Я2М, уста-
новка для поверки измерителей проходящей и падаю-
щей мощности (ваттметров) типа УПИМ-6 и другие
измерительные и вспомогательные устройства. Указан-
ные образцовые средства измерений были внедрены
в мелкосерийное производство на Ленинградском и
Горьковском заводах „Эталон".
В 1972 г. лабораторией были завершены работы по
созданию и исследованию Государственного специаль-
ного эталона единицы мощности переменного тока в
коаксиальных трактах передачи для диапазона частот
от 30 МГц до 10 ГГц.
В области измерений ослабления в лаборатории
к.т.н. АА Осейко была разработана и исследована ус-
тановка для аттестации и поверки образцовых и рабо-
чих мер ослабления до 40-50 дБ в диапазоне частот 200-
1800 МГц. Оцененная погрешность измерения не пре-
вышала 0,02 дБ при КСВ поверяемой меры не более 1,1.
После перевода А.М. Федорова в ЛФ ВИСМ на
должность заведующего кафедрой электромагнитных
измерений руководителем лаборатории высокочастот-
ных электрических измерений ВНИИМ был назначен
к.т.н. Г.П. Телитченко. Им были выполнены работы по
созданию образцовых средств измерений мощности
импульсно-модулированных колебаний. Под его руко-
водством были разработаны так называемые рабочие
эталоны „нулевого" разряда РЭН-1-РЭН-3 переменно-
го напряжения высокой частоты, внедренные в метро-
логические органы России и ряда стран СНГ в качест-
ве вторичных эталонов. В эти же годы были созданы
военные эталоны единицы переменного напряжения
в диапазоне частот от 20 Гц до 3 ГГц.
В связи с уточнением специализации институтов
Госстандарта РФ работы в области исследований и раз-
работки эталонов радиотехнического профиля были
сосредоточены во ВНИИФТРИ.
Государственный специальный эталон напряжения
на диапазон частот 30-3000 МГц включен в систему
взаимосвязанных эталонов в области электрических
измерений (ВНИИМ). В перспективе предполагается
создание единого эталона в области вольтметрии,
ядром которого станет установка на эффекте Джозеф-
сона. В настоящее время исследования в этом направ-
лении проводятся в лаборатории Государственных эта-
лонов в области режимов электрических цепей, воз-
главляемой к.т.н. Г.П. Телитченко.
Ниже приводятся основные метрологические ха-
рактеристики ряда эталонов области радиотехниче-
ских измерений [11].
542
Литература:
1. ШембельБ.К. Кварцевый генератор Государственно-
го эталона частоты СССР, Докторская диссертация. — Л.:
ВНИИМ, 1949.
2. Aiken С.В., Birdsall L.C. Sharp cutoff, in vacuum tubes
with applications to the slide back voltmeter. — „Trans. Amer.Inst.
Electr. Eng.“, 1938, v. 57.
3. Рабинович Б.Е. Анализ основных систематических по-
грешностей метода измерения переменного напряжения пу-
тем компенсации тока детектирования. Труды ВНИИМ,
вып. 13 (73), М — Л.: Госэнергоиздат, 1953.
4. Рабинович Б.Е., Федоров А.М. Электронный диодный
вольтметр. А.с. 119931 СССР, — Бюлл. Изобр. 1959. — № 10.
5. Федоров А.М., Крестовский В.В. Государственный спе-
циальный эталон единицы напряжения переменного тока
при высоких частотах // Измерительная техника. — 1974.
— № 11.
6. Кржимовский В.И., Кшимовский В.В., Сергеев И.А.
Коаксиальные болометрические головки для точного изме-
рения мощности в диапазоне частот 0,03-10 ГГц // Изме-
рительная техника. — 1967. — № 5.
7. Коробов В.К., Агалецкий П.Н. и др. Актуальные про-
блемы метрологии в радиоэлектронике. М. Издательство
стандартов 1985.
8. Байков В.М., Крестовский В.В., Телитченко Г.П.,
Шевцов В.И. Методологические особенности проведения
международных сличений эталонов переменного напряже-
ния. Труды Всероссийской конференции „Методологиче-
ские проблемы разработки и внедрения методик выполне-
ния измерений", Тез. Докл., С.-Пб, май-июнь 1999.
9. Эталоны России.
А.М. Федоров, С.А. Кравченко
543
Государственный специальный эталон единицы
напряженности электрического поля в
диапазоне частот 0-20 кГц
Создан во ВНИИФТРИ (1992-1994 гг.) и утвержден Постановлением
Госстандарта России от 19.06.1996 г. № 10.
Эталонное электрическое поле воспроизводится в экранированном
конденсаторе, коэффициент преобразования которого рассчитывается с
высокой точностью.
В составе эталона:
— экранированный конденсатор;
— генераторы постоянного и переменного напряжения;
— вольтметры постоянного и переменного напряжения;
— измерительные антенны.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, В/м 10-2000
СКО результата измерений, % 0,3
НСП, %
при частотах: 1-10 кГц 1,4
10-20 кГц 2,6
Область применения
— Определение соответствия уровня электромагнитного излучения
нормам по электромагнитной безопасности (охрана труда и здоровье гра
жданского населения).
— Контроль экологической обстановки (электромагнитные загрязне-
ния).
544
Государственный первичный эталон
единицы мощности электромагнитных
колебаний в волноводных трактах в
диапазоне частот 0,03-37,5 ГГц
Создан во ВНИИФТРИ (1969-1972 гг.). В период с 1989 по 1994 гг. усовер-
шенствован и переутвержден Постановлением Госстандарта от 06.07.1994 г. № 13
в новом составе и с новыми метрологическими характеристиками.
Принцип воспроизведения единицы мощности электромагнитных колебаний
СВЧ — закон Джоуля-Ленца и закон сохранения энергии. Единица мощности —
ватт — воспроизводится при помощи набора эталонных термисторных и термо-
электрических измерителей мощности для коаксиального тракта и набора эта-
лонных термисторных и термоэлектрических измерителей мощности для вол-
новодных трактов. В эталонных измерителях реализован метод замещения мощ-
ности СВЧ мощностью постоянного тока. Погрешности из-за неэквивалентности
замещения (неравенства поглощенных мощностей СВЧ и постоянного тока) оп-
ределяются при помощи набора микрокалориметров.
В составе эталона:
— набор эталонных коаксиальных и волноводных термисторных измерите-
лей мощности, состоящих из первичных преобразователей и термисторных из-
мерителей мощности;
— набор эталонных коаксиальных и волноводных широкополосных измери-
телей мощности для измерений при произвольных частотах;
— набор коаксиальных и волноводных ваттметров проходящей мощности, ис-
пользуемых в качестве компараторов;
— набор коаксиальных и волноводных эталонов сравнения;
— набор микрокалориметров;
— рабочие эталоны напряжения и сопротивления для измерения мощности
постоянного тока;
— генераторы, вспомогательные средства измерений, средства автоматиза-
ции и обработки результатов измерений.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, Вт 10'4-10'1
СКО результата измерений 104
НСП 2-Ю’
Область применения
— Калибровка ваттметров СВЧ всех видов и измерительных генераторов, ис-
пользуемых в радиолокационной технике, технике связи, в радиовещании и те-
левидении.
— Калибровка всех видов измерительных приемников.
— Калибровка всех видов измерителей плотности потока энергии при кон-
троле электромагнитной обстановки и безопасности условий труда.
— Калибровка аппаратуры контроля качества электронных компонентов и
узлов радиотехнических устройств и систем.
545
Государственный специальный эталон
единицы волнового сопротивления в
коаксиальных волноводах
Создан в СНИИМ (1983-1986 гг ) взамен государственных специальных эта-
лонов единицы волнового сопротивления в коаксиальных волноводах попереч-
ного сечения 16/6,95 и 7/3,04 мм. Утвержден Постановлением Госстандарта
СССР от 21.05.1987 г. № 49.
В составе эталона:
— набор мер волнового сопротивления 50 Ом, состоящий из отрезков воз-
душного коаксиального волновода поперечного сечения 16/6,95 мм, нагрузок с
расчетными параметрами и отрезков воздушного коаксиального волновода по-
перечного сечения 7/3,04 мм, нагрузок с расчетными параметрами и отрезков
воздушного коаксиального волновода поперечного сечения 3,5/1,52 мм;
— набор мер волнового сопротивления 75 Ом, состоящий из отрезков воз-
душного коаксиального волновода поперечного сечения 16/4,58 мм;
— компаратор на основе направленного ответвителя с векторным вольтмет-
ром в измерительном плече.
В основу метода передачи положен метод сравнения входного сопротивле-
ния компарируемой меры с волновым сопротивлением эталонной меры.
Определение входного сопротивления компарируемой меры производится
в два этапа. На первом этапе размер единицы, воспроизводимой эталонными
мерами передается компаратору путем определения параметров основного урав-
нения анализатора цепей, на втором — измеряется входное сопротивление ком-
парируемой меры с учетом значений параметров компаратора, полученных на
первом этапе.
Метрологические характеристики
Номинальные значения, Ом
СКО результата измерений 50 и 75
канал 16/4,58 мм. диапазон частот 1-3 ГГц мо4
канал 16/6,95 мм, диапазон частот 1-7 ГГц 2-10*
канал 7/3,04 мм, диапазон частот 1-18 ГГц 810'1
канал 3,5/1,52 мм, диапазон частот 2-18 ГГц 8-1 О'4
НСП
канал 16/4,58 мм 9-Ю4
канал 16/6,95 мм МО’
канал 7/3,04 мм 3-103
капал 3,5/1,52 мм 6.10-3
Эталон обеспечивает передачу размера единицы волнового сопротивления
эталонам Казахстана, Узбекистана, Киргизии.
Область применения
Эталон применяется для поверки и калибровки измерителей параметров ра-
диоцепей на сверхвысоких частотах, используемых в следующих областях:
— дальняя и космическая связь;
— радиолокация, радионаведение, радиообнаружение;
— сверхвысокочастотная энергетика в пищевой и деревообрабатывающей
промышленности;
— медицина и экология.
18 Зак. 450
1 546 -
Государственный первичный эталон
единицы электрической добротности
Создан в СНИИМ (1976-1983 гг.) и утвержден Постановлением Госстандарта
СССР от 8.12.1983 г. № 128.
Метод воспроизведения эталоном единицы добротности основан на теории
электромагнитных колебаний, устанавливающей зависимость между добротно-
стью колебательного контура и параметрами его амплитудно-частотной харак-
теристики.
В составе эталона:
— эталонная установка для воспроизведения единицы электрической доброт-
ности;
— микропроцессорная система для автоматизации измерительного процесса.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений электрической добротности 5-600
Диапазон измерений частоты, МГц 0,05-300
СКО результата измерений 3-10“*-3-10'3
НСП б-ю^-г-ю2
Область применения
— Метрологическое обеспечение систем многоканальной связи.
— Калибровка аппаратуры, применяемой при производстве радиокомпонен-
тов индуктивного характера.
— Калибровка аппаратуры для контроля параметров изделий радиосвязи, на-
вигации, электроники, микроэлектроники, вычислительной техники, бытовой
видео- и телевизионной техники и др.
— Научные исследования, связанные с созданием новых материалов, погло-
щающих покрытий, химических веществ и др.
547
Государственный первичный эталон
единицы спектральной плотности мощности
шумового радиоизлучения (СПМШ) в
диапазоне частот 0,002-178,3 ГГц
Создан во ВНИИФТРИ впервые в 1971 г. для диапазона частот 2,6-17,4 ГГц. Поста-
новлением Госстандарта СССР от 14.11.1991 г № 15 эталон ут вержден в расширенном
диапазоне частот 0,002-178,3 ГГц.
Принцип действия эталона основан на воспроизведении единицы СПМШ (или эк-
вивалентной единицы шумовой температуры — Кельвина) низкотемпературным гене-
ратором шума — устройством, реализующим с достаточной точностью на сверхвысо-
ких частотах интенсивность излучения „абсолютно черного тела“ при температуре,
близкой к точке кипения азота Размер воспроизводимой единицы передает ся вторич-
ным эталонам с помощью эталонного компаратора — высокочувствительного измери-
тельного радиоприемного устройства радиометрического типа. Диапазон частот
0,002 178,3 ГГц перекрывается набором из 9 низкотемпературных генераторов шума и
16 эталонных компараторов.
Метрологические характеристики
Диапазон частот, ГГц 0,002-37,5 Диапазон измерений СПМШ, Вт/Гц 1,07-10'21-1,10-10'21 (шумовой температуры, К) (77,4- 153,5) СКО результата измерений, К 0,1 НСП, К 0,2-0,4 37,5-178,3 1,17-10‘21-2,12-10’21 (85,0-153,5) 0,5-0,7 0,6-1,0
Область применения
В настоящее время эталон обеспечивает поверку и калибровку рабочих эталонов
единицы и рабочих средств измерений высокой точности, используемых в России и
странах CHI' при создании, сертификации и эксплуатации информационно-тслеком
муникационных систем, систем вооружений, глобального мониторинга и т.д., чувстви-
тельных приемно-усилительных устройств и их активных компонентов (СВЧ микро-
схемы, транзисторы и т.п.).
548
Государственный специальный эталон
единиц максимальных значений
напряженностей импульсных
электрического и магнитного полей
Эталон разработан, создан и исследован во ВНИИОФИ (1987-1993 гг.).
Размер единиц от государственного специального эталона рабочим эта-
лонам передается непосредственным сличением и методом прямых изме-
рений.
В качестве рабочих средств измерений применяют:
— высокоточные измерительные преобразователи максимального зна-
чения напряженности импульсных электрического и магнитного полей в
диапазонах l-102-5-10s В/м и 1,0-1,5-103 А/м;
— измерительные преобразователи максимального значения напряжен-
ности импульсных электрического и магнитного полей (микросекундно-
го, наносекундного и субнаносекундного диапазонов) в диапазонах 1-102-
5-105 В/м и 1,0-1,5-103 А/м.
Метрологические характеристики
Диапазоны измерений, В/м
А/м
Диапазон длительностей фронта, с
СКО результата измерений
НСП
20-2-105
5-102-500
0,3-10‘9-8-109
0,4-Ю2
(1-6)-102
Область применения
— Военная техника.
— Научное приборостроение.
— Электроника.
— Средства связи.
— Экологический мониторинг.
— Здравоохранение.
— Технологические процессы.
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерение
магнитных величин
.............. 550
Историческая справка
Магнитные явления наблюдались и применялись
в процессе человеческой деятельности с древних вре-
мен. В древнем Китае знали о существовании магнит-
ного поля Земли уже в 3 в. до н.э. и применяли маг-
нитный компас для ориентации на местности при
дальних и близких путешествиях.
Первым известным исследователем магнитных яв-
лений считается английский ученый У. Гильберт
(1544-1603 гг.), опубликовавший в 1600 г. книгу „О маг-
ните, магнитных телах и о большом магните — Зем-
ле". Если Гильберт впервые дал, не утратившее и сей-
час объяснение физической природы земного магне-
тизма, то Ш. Кулон в 1785 г., а затем М. Фарадей
(1791-1867 гг.) предложили, соответственно, первые
методы измерений напряженности магнитного ноля
Земли и магнитной восприимчивости материалов. Ра-
бота Гаусса (1832 г.) „Интенсивность земной магнит-
ной силы, приведенная к абсолютной мере" не толь-
ко положила начало теории абсолютных магнитных
измерений, но также дала толчок к развитию общего
учения о системах единиц измерений.
Среди русских ученых XIX в., внесших наиболь-
ший вклад в развитие магнитных измерений, необхо-
димо отметить А.Г. Столетова, который предложил и
обосновал (1872 г.) методы измерений магнитных
свойств материалов, в том числе кольцевую форму об-
разцов и баллистический метод измерений их пара-
MeipoB, и академика Л.Я. Купфера (1799-1865 гг.), ос-
нователя первого метрологического учреждения Рос-
сии — Депо образцовых мер и весов, которому при-
надлежит заслуга в организации систематических на
блюдений за компонентами магнитного поля Земли.
Начало истории развития метрологического на-
правления магнитных измерений было положено в
1918 г. проф. Л.В. Залуцким - основателем и первым
руководителем магнитной лаборатории ВНИИМ
им Д.И. Менделеева. Он написал первую отечествен-
ную книгу по магнитным измерениям.
На период 1927-1942 гг. приходит ся этап создания
первых эталонов единиц магнитных величин, кото-
рый связан с именами известных российских ученых-
метрологов проф. Б.М. Яновского и проф. Е.Г. Шрам-
кова. Под руководством проф. Б.М. Яновского во
ВНИИМ были поставлены и реализованы работы но
абсолютному воспроизведению единиц магнитных ве-
личин (1946-1957 гг.), поставлены работы по опреде-
лению гиромагнитного отношения протона (1957 г.).
С именами учеников Б.М. Яновского связаны из-
вестные международному метрологическому сообще-
ству завершенные и успешно продолжающиеся фун-
дамс нтальные исследования по созданию современ-
ной эталонной базы — государственных эталонов
единиц магнитных величин и системы метрологиче
ского обеспечения области измерений, по уточнению
гиромагнитного отношения протона и изотопов ге-
лия, а также исследования по воспроизведению ам
пера через гиромагнитное отношение протона и маг-
нитных величин.
Р.Я. Шифрин
551
Физические основы магнитных измерений.
Магнитные величины и единицы
Основные законы
электромагнетизма
Теоретическим фундаментом изучения электро-
магнитных процессов, включая измерительные пре-
образования, в результате которых получают сведе-
ния о значениях параметров магнитного поля и его
источников, служат уравнения Максвелла, записывае-
мые применительно к неподвижным средам в следую-
щем виде:
- - дЬ
rotH = ]+— (1,а)
at
-
rolE= (1,6)
ot
divD= р, (1,в)
divB = Q. (1,г)
Здесь £ и н — векторы напряженности электри-
ческого и магнитного полей соответственно; д и j
— векторы электрической и магнитной индукции; j
— вектор плотности тока; р — объемная плотность
электрического заряда.
Поскольку векторы £ и //,каки р и £,введены
независимо, к уравнениям (1) добавляют связи:
В=<ф])- (2,а)
5=2^1), (2,6)
j = (2,В)
где <р, % и у, — вектор-функции, в общем случае
описывающие анизотропные и нелинейные свойст-
ва сред; при этом квадратные скобки указывают на воз
можное существование гистерезиса.
Обобщения на случай движущихся сред получают
на основании преобразований Лоренца. Для медлен-
ных движений ( v«c, где v — скорость среды и с —
скорость света) имеем:
Ё' = Ё+ИхВ, (3,а)
H'^H-vxD, (3,6)
где Ё' и й' — напряженности электрического и
магнитного полей в движущейся системе отсчета.
Принимая во внимание, что электрический заряд
? является величиной инвариантной (независимой
от выбранной системы отсчета), умножая на Ч левую
и правую части (3, а), находим:
7>Л+Лэ=?(ё+«хв), (4)
здесь ]"л — сила Лоренца; f3 и — составляющие
этой силы, наблюдаемые в неподвижной системе от-
счета и называемые соответственно электрической и
электродинамической силами. Посколькуэлектроди•
намическая сила проявляется только при наличии век-
тора £ , то ее можно назвать также магнитной силой.
Из выражения (4) следует, что движущийся элек
трический заряд яь л яется как бы „пробным телом“ для
магнитного поля, так как о существовании последне-
го мы можем судить по наличию электродинамиче-
ской силы.
Полагая в (4) р = О и переходя от одиночных дви-
жущихся зарядов к току (для этого случая электроди-
намическую силу обозначим Ё^), получаем:
dF3d = I<2xB. (5)
Это — закон Ампера. Электродинамическая сила
dF^ выступает здесь в виде механической силы, при-
ложенной к элементу тока id/ (/—ток, I — длина).
Иную форму записи закона Ампера нетрудно по-
лечить. интегрируя (5) и переходя от механической
силы Ё^ к механическому моменту р :
Р = МхВ< (6)
здесь M—IS — JV — магнитный момент материаль-
ного контура или однородно намагниченного тела, не-
сущих соответственно свободные макроскопические
или связанные микроскопические токи; / — свобод-
ный ток; 5 — векторное представление площади кон-
тура; J — вектор намагниченности; V — объем тела.
Силовое взаимодействие с током — не единствен
нос проявление магнитного поля. Другим его проявле-
нием выступает электромагнитная индукция.
Интегрируя выражение (3, а) по замкнутому контуру
£ и используя инвариантное относительно систем от-
счета уравнение (1,6), находим:
$E'dl =-— $BdS =-j— dS + f(vxB]dl (7)
L & S S & L
Это — закон электромагнитной индукции (закон Фа-
радея-Максвелла), обобщенный на случай движущих-
ся сред.
552
Этот же закон часто записывают в виде:
где еъ = vE'dl — суммарная э.д.с., наводимая в дви-
Ф = f BdS
жущемся контуре £; J — магнитный поток,
пронизывающий контур площадью $ •
Сопоставляя выражения (6) и (7), видим, что за-
кон Ампера и закон электромагнитной индукции свя-
зывают вектор р с механическими и электрически-
ми величинами.
Проявляясь в форме сил, действующих на электри-
ческие токи, либо вызывающих индукционные токи,
магнитное поле также и порождается токами. В этом
заключена электржинетическая природа магнитного
поля.
Напряженность магнитного поля, создаваемая
электрическим током, определяется выражением:
Л I tdlxra
.2
(9)
где Idl ~ элемент тока; г — расстояние от элемен-
та 1сй до точки, в которой определяется вектор ;
7° — единичный вектор.
Это — закон Био-Савара. В современной трактов-
ке этот закон выступает как следствие закона Кулона,
примененного к движущемуся электрическому заря-
ду.
Далее, интегрируя выражение (3, б) по замкнуто-
му контуру £ и используя инвариантное относитель-
но систем отсчета уравнение (1, а), находим:
(Ю)
$H’dl=\ j + ----rotvxD dS =1,1
l dt J
Это — закон полного тока. Закон гласит: циркуля-
ция вектора jj' равна охватываемой контуром £ сум-
ме токов проводимости, переноса и смещения, а так-
же тока, вызванного движением среды в электриче-
ском поле.
Сопоставляя выражения (9) и (10), нетрудно ви-
деть, что закон Био-Савара и закон полного тока свя-
зывают вектор н с макроскопическими токами, не-
зависимо от причин, вызывающих эти токи, и с коор-
динатами элементов этих токов относительно точки
приложения вектора ][.
Перечисленные законы лежат в основе магнитных
измерений.
Прямые и обратные
магнитоизмерительные
преобразования
По современным воззрениям измерительный про-
цесс делят на ряд относительно независимых опера-
ций, называемых измерительными преобразованиями.
Так, различают первичные, промежуточные и око-
нечные преобразования. При первичных преобразо-
ваниях измеряемая величина преобразуется в другую
физическую величину, например, в электрическое на-
пряжение, которое служит сигналом, переносящим
измерительную информацию. Целью промежуточных
преобразований является, в общем случае, модуляция,
усиление и демодуляция сигнала. Оконечные преоб-
разования необходимы для восприятия измеритель-
ной информации органами чувств человека.
Целесообразно различать также прямые и обратные
преобразования.
Прямыми преобразованиями назовем такие, при
которых измеряемая физическая величина оказыва-
ется аргументом, тогда как функцией служит уже дру-
гая физическая величина, несущая информацию о
значении исходной величины. Очевидно, что приме-
нительно к магнитным измерениям прямые преобра-
зования могут быть реализованы на основе закона Ам-
пера или закона электромагнитной индукции. Дейст-
вительно, в выражениях (6) и (7) вектор р можно
рассматривать в качестве аргумента, функцией же ока-
зывается механический момент р , приложенный к
материальному объекту, либо э.д.с. , наводимая в ма-
териальном контуре.
Обратными преобразованиями назовем такие,
при которых данная физическая величина воспроиз-
водится, т.е. оказывается функцией, тогда как аргумен-
тами служат другие физические величины. Примени-
тельно к магнитным измерениям обратные преобра-
зования реализуются на основе закона Био-Савара или
закона полного тока. Действительно, в выражениях
(9) и (10) функцией является вектор у или циркуля-
ция этого вектора, аргументами же служат ток J и ра-
диус-вектор г-
По смыслу введенных понятий величина, воспро-
изводимая в процессе обратных преобразований,
должна иметь такую же размерность, как и величина,
обнаруживаемая и воспринимаемая в результате пря-
мых преобразований. Это правило должно соблюдать-
ся и применительно к магнитным измерениям.
Поскольку в системе единиц СИ векторы р и //
имеют разную размерность, то при осуществлении об-
ратных преобразований необходимо пользоваться
связью (2, а), которая в общем случае достаточно
сложна, однако для вакуума (воздуха) принимает про-
стой вид:
Я = (П)
где =4^-10’7 Гн/м — магнитная постоянная,
найденная в результате сопряжения механических
единиц с электрическими единицами.
В процессе измерения прямые и обратные преоб-
разования взаимосвязаны. Осуществляя прямые пре-
образования, например, с целью измерения магнит-
ной индукции, мы неминуемо пользуемся результатом
обратных преобразований, который оказывается за-
печатленным в градуировочной характеристике изме-
рительного прибора. Осуществляя преобразования,
например, воспроизводя единицу магнитной индук-
ции в эталонной катушке с током, мы не можем пере-
дать эту единицу другим мерам, не использовав в той
или иной степени результата прямых преобразова-
ний.
553
В этой взаимосвязи прямых и обратных преобра-
зований заключена сущность измерения как процес-
са сравнения данной физической величины с величи-
ной того же наименования, принятой за единицу.
Очевидна и относительная самостоятельность пря-
мых и обратных преобразований. По каждому виду из-
мерений принято различать две группы СИ: измери-
тельные приборы и меры. В измерительных приборах,
как правило, осуществляются прямые преобразования,
в мерах—обратные. Изучение особенностей и предель-
ных возможностей обратных преобразований в смыс-
ле достижения наивысшей точности воспроизведения
единиц измерения, реализуемых в эталонах, является
одной из основных задач метрологии.
Магнитные величины и единицы
Перечень наиболее употребительных магнитных
величин и единиц приведен в таблице 1. Ниже дан не-
большой комментарий к таблице
Как отмечалось, магнитная постоянная
=4^1Q”7 Гн/м получена в рационализированной
системе единиц СИ в результате сопряжения механи-
ческих единиц с электрическими единицами. Дейст-
вительно, значение и размерность постоянной Д не-
трудно получить, если силу тока измерять в амперах
(А), расстояние — в метрах (м), а механическую (рав-
но: электродинамическую) силу — в ньютонах (Н). Оп
ределяющее уравнение приведено в таблице. Оно по-
лучено на основании выражений (5, 9 и 11).
Напряженность магнитного поля Н является в
системе единиц СИ величиной расчетной, опосредо-
ванной в опыте. В основу ее определения может быть
положен закон Био-Савара. Как следует из выражения
(9), единицей напряженности служит ампер на метр
(А/м).
Непосредственно данной в опыте является маг-
нитная индукция д . Она может быть определена по
силе, действующей в магнитном поле на проводник с
током (закон Ампера), либо — по э.д.с.. наводимой в
контуре, помещенном в это поле (закон электромаг-
нитной индукции), т.е. в результате прямых магнито-
измерительных преобразований.
В вакууме (воздухе) магнитная индукция может
быть определена также и в результате обратных пре-
образований. Так. используя выражение (9) (закон
Био-Савара) и равенство (11), находим:
В0^Кв1, (12)
где Кв — постоянная катушки (вычисляемая с уче-
том геометрических размеров катушки, количества
витков и значения Д ); / — электрический ток, про-
текающий по катушке. Зная численное значение по-
стоянной Кв , и измеряя с надлежащей точностью ток
I, можно воспроизвести в объеме катушки заданное
значение магнитной индукции. Именно такой прин-
цип воспроизведения положен в основу ныне дейст-
вующего государственного эталона единицы магнит-
ной индукции. В системе СИ этой единице присвое-
но наименование тесла (Тл).
Поскольку В и Bq суть величины, непосредствен-
но данные в опыте, a есть величина опосредство-
ванная, расчетная, то градуировать измерительные
приборы — магнитометры — следует именно в едини-
цах магнитной индукции, независимо от того, где — в
намагничиваемых средах или вне их — предполагает-
ся проводить измерения. Однако по самим показани-
ям магнитометров еще нельзя судить о том, какая из
двух величин, т.е. jj или В,.. измерена в каждом кон-
кретном случае. Для однозначного суждения необхо-
димо располагать дополнительными сведениями о
магнитных свойствах среды и форме полости, обра-
зуемой в ней первичным преобразователем (датчи-
ком) магнитометра.
Часто о значении судят по измеренному значе-
нию магнитного потока
(13)
или потокосцепления
ЧИ = шФ , (14)
где w — количество витков измерительной катуш-
ки. Единицей этих величин является вебер (Вб). Диф-
ференцируя (13) или (14), можно определить и изме-
рить величину как плотность магнитного потока:
— то Эф
г = ,‘эТ- (15>
где i$ — единичный вектор, совпадающий с нор-
малью к плоскости витков измерительной катушки.
Схожим образом могут быть определены и изме-
рены и другие магнитные величины.
Так, магнитодвижущая сила (м.д.с.) между двумя
точками а и Ь
(1б)
а
где — элемент длины, может быть измерена с
помощью гибкой однослойной катушки (пояса Рогов-
ского). Если на единицу длины такой катушки прихо-
дится w0 витков, то при проведении измерений в ва-
кууме или в воздухе м.д.с. вычисляют по формуле [ 16]:
„ *
<1Т>
Основной величиной, характеризующей интен-
сивность источника магнитного поля — катушки с то-
ком или намагниченного тела — является дипольный
магнитный момент м . Для катушки с током имеем:
М = IwS , (18)
откуда следует, что единицей магнитного момента
будет ампер-квадратный метр (А-м2). В основу измере-
ния вектора м может быть положено выражение (6)
или связь М с магнитным потоком ф или . Ориги-
нальный метод измерения магнитного момента намаг-
ниченных тел предложен Н.М. Колядиным. Согласно
этому методу, намагниченное тело перемещают сквозь
измерительную катушку, с помощью флюксметра реги-
стрируют кривую магнитного потока, сцепляющегося
18* Зак. 450
^^======^======^=^ 554 =============^
Таблица 1
Основные магнитные величины и единицы измерения в системе СИ
Магнитные величины Единицы измерения
Наименование Обозначение Определяющее уравнение Наименование Размерность Коэф. ССГС/СИ
Магнитная постоянная Л . 2 dL,xdl}xr0 4 я г Генри на метр (Гн/м) LMT2P 4л-10’7
Напряженность магнитного поля н Выражение (9) (закон Био-Савара) Ампер на метр (А/м) L4 1074л
Магнитная индукция в вакууме Во Выражения (11) и (12) Тесла (Тл) МТ2!’1 ю-1
Магнитная индукция в среде в Выражения (2,а) и (15)
Магнитный поток (скаляр) ф Выражение (13) Вебер (Вб) РМГ2!1 10’8
Магнитное потоко- сцепление (скаляр) 4х Выражение (14)
Магнитодвижущая сила (скаляр) F Выражения (16) и (17) Ампер (А) I 110/4Л
Магнитный момент м Выражения (18) и (19) Ампер квадратный метр (Ам2) L2! 103
Градиент вектора магнитной индукции (тензор) gradB^ ® £ ) grad В = двх эву эв/ Эх Эх Эх эв, эву двг Эу Эу Эу ЭВ, ЭВ? dBz dz dz dz . Тесла на метр (Тл/м) L'MT2!1 Ю2
Дивергенция вектора магнитной индукции (скаляр) divB^-в] J - dB ЭВ dBz Л divB=—*- +—1 + —— = 0 Эх ду oz
Ротор вектора магнитной индукции (вектор) гМВ^хв) rot В + 5°( = -оГЭВ£_^> Эу Эг Эх Эх J + 'ЭВ, эв, Эх Эу
Градиент модуля вектора магнитной индукции (вектор) j gra j=| -о ЭВ -0ЭВ _0ЭВ сЯВ = х°—+ уи— + zu — II Эх Эу dz
с витками катушки, затем вычисляют площадь, огра-
ниченную зарегистрированной кривой. Измеренную
компоненту вектора находят по формуле:
м-=-£Ь(,1>". (г»
-ее
где х — индекс направления, совпадающего с нор-
малью к плоскости витков измерительной катушки, и
текущая координата движущегося в этом же направ-
лении намагниченного тела. Измерение двух других
компонент вектора возможно путем предваритель-
ных 90-градусных разворотов намагниченного тела и
повторения описанных операций, либо благодаря
применению дополнительных (поперечных) измери-
тельных катушек.
В последние годы проявлен интерес к измерению
дифференциальных величин, характеризующих неод-
нородность магнитного поля. Полной величиной яв-
ляется градиент вектора магнитной индукции
gradB=V®B, (20)
555
правило, не равны нулю и могут быть измерены.
где dz - дифференциальный оператор (набла); ® — знак тензорного произведе- ния. Матрица этой величины приведена в таблице. Входящие в эту матрицу производные достаточны для определения двух частных величин — дивергенции и ротора вектора g: divB=V-B ,(21) rotB-^-x.B. (22) Несмотря на то, что всегда div В - 0 , а в ряде слу- чаев и rot В - 0 , входящие в них производные, как Часто пользуются также величиной, называемой градиентом модуля магнитной индукции: = V -|в|. (23) Эта величина является вектором, причем опреде- Э|в| ляющие ее производные --— — суть значения про- ст 1( екций этого вектора на соответствующие оси выбран- ной системы координат. Во всех случаях единицей неоднородности магнит- ного поля является тесла на метр (Тл/м). К).В. Афанасьев
===========^— 556
Средства измерений параметров магнитного
поля
Меры магнитных величин
Меры магнитной индукции
В современной физике и технике необходимо соз-
давать и измерять магнитные поля в чрезвычайно ши-
роком диапазоне индукций — от сверхслабых косми-
ческих (порядка 1042Т) до сверхсильных (50 Т и бо-
лее) , соответствующих эффективному полю атомных
ядер. Для воспроизведения значения магнитной ин-
дукции с заданной точностью используются меры маг-
нитной индукции различных типов.
Наиболее точные меры выполняются в виде пре-
цизионных катушек с однослойной шаговой обмоткой
на кварцевом основании. Магнитная индукция таких
катушек определяется путем расчета по результатам
измерений геометрических размеров обмотки и си-
лы тока. Относительная погрешность воспроизведе-
ния в диапазоне 10s-10'sT составляет около 5-10'6.
Именно так воспроизводится тесла государственным
первичным эталоном единицы магнитной индукции.
Катушки разнообразных конструкций (маловитко-
вые, однослойные, многослойные, специальной фор-
мы и т.д.) используются также для получения полей в
более широком диапазоне (от весьма слабых до 0,2 Т),
но с большей погрешностью (10“‘ и более). Поскольку
индукция магнитного поля в катушке без ферромаг-
нитного сердечника строго пропорциональна проте-
кающему по обмотке току, то вместо диапазона полей
мера можег быть охарактеризована постоянной по
индукции . определяемой как отношение создавав
мой магнит ной индукции к силе тока. Направление
вектора Кв в центре рабочего пространства называ
ется магнитной осью меры. Часто пользуются и по-
стоянной по напряженности поля Кн , однозначно
связанной с постоянной по индукции соотношением
Подобные катушки должны удовлетворять самым
разнообразным требованиям, предъявляемым к про-
странственным свойствам создаваемого Mai питного
поля, таким как высокая степень однородности поля,
наличие области с нулевым полем, ничтожно малые
поля рассеяния и др. Кроме того, необходимо выпол-
нять многочисленные конструктивные и иные требо-
вания: достижения максимального значения индук-
ции при ограниченных затрачиваемой мощности или
длине провода; особой формы и размеров рабочего
пространства; обеспечения свободного доступа в не-
го; ограничений габаритов катушки, размеров отвер-
стий и промежутков в обмотке, связанных с условия-
ми ее эксплуатации и т.д.
Разработка катушки, создающей заданное сложное
магнитное поле в пределах обусловленной заранее по-
грешности, обычно является нелегкой задачей. В за-
висимости от конкретных условий применяют разные
методы синтеза.
Локальный метод (метод внутренних рядов).
Этот метод, исторически наиболее ранний, развит в
работах Максвелла, Мак-Кихена, Гаррета и др. Он ос-
нован на разложении напряженности поля катушки ь
ряд и таком выборе геометрии и (или) числа витков
обмотки, при котором несколько коэффициентов ря-
да становятся равными пулю.
Интегральный метод. Характерным примером
применения интегрального метода служит задача о
выравнивании поля на участке оси соленоида путем
отыскания соответствующего распределения поверх-
ностной плотности тока.
Метод внешних рядов. В некоторых случаях бы-
вает необходимо задавать изменение напряженности
не внутри катушки, а в отдалении от нее. Метод со-
стоит в обращении в нуль коэффициентов ряда и
вполне аналогичен локальному методу.
Метод подбора вблизи поверхности обмотки.
Экспериментальный, графический или численный
подбор токов и размеров катушек применяется до-
вольно широко, когда требуемая точность невелика ,
а число варьируемых параметров не больше трех.
Пт решность меры в виде катушки без ферромагне-
тика, главным образом, бывает обусловлена погрешно
стью определения постоянной, так как сила тока обыч-
но может быть измерена с более высокой точностью.
Постоянные прецизионных катушек определяются тео-
ретически. из расчета, постоянные же остальных ка-
тушек целесообразнее определять экспериментально.
Меры более сильных полей (до 4 Т) чаще всего
представляют собой электромагниты. В этом случае,
постоянная по индукции неоднозначна и может быть
оценена лишь с грубым приближением. Поэтому в та-
ких мерах индукцию измеряют с помощью образцо-
вого измерительного прибора.
Еще более сильные стационарные поля (до 20 Т)
получают в специальных сверхмощных соленоидах,
подвергаемых интенсивному охлаждению. Более эко-
номично получение полей в диапазоне 2-10 Т с помо-
щью сверхпроводящих соленоидов. В обоих случаях
точность обусловлена приборами, измеряющими ин-
дукцию и процессе работы. „Гибридные" системы, яв-
ляющиеся комбинацией охлаждаемых и сверхпрово-
дящих соленоидов, позволяют создавать стационар-
ные поля с индукцией до 30 Т, максимально возможные
в настоящее время.
======^========== 557 -- ..-
Сверхсильные поля с индукцией более 30 Т полу-
чают кратковременно в импульсном режиме или ме-
тодом взрывной концентрации магнитного потока.
Практически точность воспроизведения полей с
индукцией более 0,2 Т определяется прибором для из-
мерения магнитной индукции — тесламетром. От ме-
ры требуется лишь обеспечение возможности точно-
го измерения — достаточная стабильность и однород-
ность магнитного поля, свободный доступ в рабочее
пространство и т.д. Следовательно, такие меры неот-
делимы от тесламетра. Меры в виде катушек без фер-
ромагнетика не требуют применения тесламетров и
в сочетании с амперметром служат для непосредст-
венного воспроизведения поля. Такие меры имеют
наибольшее распространение, так как обслуживают
широкую область измерения слабых полей, геомаг-
нитные и космические измерения, магнитную развед-
ку полезных ископаемых и т.п.
Меры магнитного потока
Мерой магнитного потока называют средство из-
мерения, предназначенное для воспроизведения оп-
ределенного значения магнитного потока с заданной
погрешностью. За редким исключением мера магнит-
ного потока представляет собой катушку, состоящую
из двух обмоток — первичной, или намагничивающей,
и вторичной. При пропускании тока у по первичной
обмотке со вторичной обмоткой сцепляется магнит-
ный поток Ф = КФ1 , где Кф — коэффициент потокос-
цепления или взаимной индуктивности. Величина Кф
называется также постоянной меры по магнитному
потоку и измеряется в веберах на ампер, или генри.
Меры магнитного потока применяются для градуи-
ровки веберметров, флюксметров и баллистических
гальванометров, а также при определении постоян-
ных измерительных катушек. Наиболее употребитель-
ные меры с постоянной от 104до 10'2Вб/А.
Меры магнитного потока обычно используются в
схемах на постоянном токе (при переключении тока)
или на низких частотах (до 300 Гц), при которых пе-
реходные процессы еще не сказываются. Вследствие
этого для мер магнитного потока не имеют особого
значения такие параметры, как индуктивности обмо-
ток, емкость между обмотками и межвитковые емко-
сти. В области более высоких частот меры магнитно-
го потока принято называть мерами взаимной индук-
тивности.
Основными характеристиками мер магнитного по-
тока являются: значение постоянной, ее погрешность
и стабильность (или класс точности), а также значе-
ние максимального магнитного потока или макси-
мально допустимого тока в первичной обмотке.
Почти все меры магнитного потока представляют
собой сочетание двух коаксиальных обмоток.
Мера из двух обмоток одинакового радиуса распростра-
нена наиболее широко благодаря простоте и относи-
тельно большому коэффициенту связи, если обмотки
расположены близко друг к другу. Постоянную такой
меры можно приближенно, без учета поперечных раз-
меров сечения обмоток, вычислить по формуле
Кф = а\а^т0 , где Of и й? — число витков первичной
и вторичной обмоток; иг» — коэффициент потокос-
цепления контуров. При необходимости более точно-
го расчета прибегают к численному интегрированию
формул.
Мера из двух обмоток разного радиуса обладает при-
мерно такими же свойствами, по несколько сложнее
в изготовлении. Постоянная оценивается из выраже-
ния Кф = а\ ai,mu.
Для уменьшения зависимости постоянной меры от
температуры применяют специальную компенсацию.
С этой целью каркас меры выполняют из двух мате-
риалов с неодинаковыми коэффициентами термиче-
ского расширения, подобранных так, чтобы возрас-
тание потокосцепления от увеличения диаметра ком-
пенсировалось уменьшением потокосцепления,
обусловленным увеличением длины катушки. Благо-
даря такому приему для мер удается снизить темпера-
турный коэффициент постоянной до 5-10'“K‘I.
Мера с первичной обмоткой в виде соленоида и вторич-
ной, расположенной поверх первичной в центральной ее час-
ти интересна тем, что в районе вторичной обмотки
напряженность поля первичной обмотки весьма сла-
ба. Благодаря этому величина коэффициента потокос-
цепления несущественно зависит от положения и раз-
меров вторичной обмотки. Это свойство тем сильнее,
чем больше длина соленоида. При достаточной дли-
не постоянная по потоку Кф = KBxR2 , где Кв —
постоянная по индукции в центре соленоида. Однако
подобные меры не получили распространения вслед-
ствие малого коэффициента связи и неудобных раз-
меров, так как для получения хороших результатов
длина соленоида должна в 10 и более раз превосхо-
дить диаметр.
Мера с тороидальной первичной обмоткой во многих
отношениях является наилучшей, так как в этом слу-
чае, размеры и форма вторичных витков совершен-
но несущественны, необходимо лишь, чтобы они ох-
ватывали магнитный поток, замыкающийся внутри
первичной обмотки. Кроме того, тороидальные ме-
ры легко выполнить безмоментными и астатически-
ми, т.е. не создающими магнитных полей и нечувст-
вительными к внешним полям. Потокосцепление не-
трудно вычислить, проинтегрировав напряженность
поля по сечению тороида. Однако сложность изготов-
ления тороидальных мер магнитного потока ограни-
чивает их применение.
Отметим, что меры магнитного потока перечис-
ленных типов не могут быть рассчитаны по геомет-
рическим размерам с погрешностью менее 0,5-5 %.
Поэтому расчеты носят лишь прикидочный характер,
а постоянные мер определяют экспериментально с
погрешностью 0,01-2 %.
Мера, первичной обмоткой которой служит мера маг-
нитной индукции, а вторичной — расположенная в ее цен-
тре измерительная катушка, удобна в эксплуатации и
допускает расчет постоянной с высокой точностью.
Первичной обмоткой могут служить соленоид, коль-
ца Гельмгольца и т.д.
Катушка типа Кэмпбелла отличается тем, что ее по-
стоянная может быть рассчитана с наивысшей точно-
стью. Первичная обмотка катушки Кэмпбелла состо-
ит из двух однослойных цилиндрических секций оди-
накового диаметра, включенных последовательно. В
плоскости симметрии такой разорванной обмотки
558
имеется окружность, где напряженность поля обмот-
ки равна нулю. Именно в районе этой окружности по-
мещаются витки вторичной обмотки, благодаря чему
потокосцепление слабо зависит от небольших измене-
ний диаметра или расположения вторичной обмотки.
Меры магнитного потока с расширенной бесполевой об
ластъю в районе вторичной обмотки имеют много пре-
имуществ и являются весьма перспективными. Основ-
ная трудность при создании таких мер заключается в
разработке намагничивающей обмотки, обладающей
кольцеобразной областью нулевого поля значитель-
ного объема.
Меры магнитного потока с расширенной кольце-
образной бесполевой областью как бы соединяет в се-
бе достоинства тороидальных и цилиндрических об-
моток, так как потокосцепление зависит только от чис-
ла витков вторичной обмотки, а не от их размеров и
формы, и в то же время мера достаточно проста в из-
готовлении. Важным достоинством меры с расширен-
ной бесполевой областью является возможность обес-
печения высокой стабильности постоянной, аналогич-
ной стабильности катушек Кэмпбелла. Для этого
достаточно первичную обмотку выполнить на карка-
се из кварца или фарфора.
С целью уменьшения паразитных наводок от внеш-
них магнитных полей вторичную обмотку мер магнит-
ного потока часто выполняют астатической, так что
ее дипольная постоянная приближается к нулю. Это
особенно существенно для магазинов взаимных индук-
тивностей, представляющих собой набор близко рас-
положенных катушек, индуктивно влияющих друг на
друга. Стремятся также уменьшить магнитные потоки
рассеяния, используя безмоментную первичную обмот-
ку. Как астатичность, так и безмоментность обычно
достигаются путем удвоения и встречного включения
обмоток. Наилучшими астатическими (и безмомент-
ными) свойствами обладает тороидальная обмотка.
Меры магнитного момента
Необходимость в измерении магнитного момен-
та возникает при исследовании постоянных магни-
тов, магнитной восприимчивости образцов полезных
ископаемых, в архео- и палеомагнетизме, при контро-
ле остаточной намагниченности деталей приборов,
при изучении структуры магнитного поля различных
объектов и т.д. При градуировке приборов, предна-
значенных для измерения магнитного момента, ис-
пользуются меры, которые характеризуются значени-
ем и направлением дипольного магнитного момента,
классом точности и в некоторых случаях магнитны-
ми моментами высших порядков. Класс точности мер
магнитного момента в диапазоне 0,1-10 А.м2 состав-
ляет от 0,05 до 10 %.
Конструктивно меры магнитного момента выпол-
няют в виде катушек с током или постоянных магни-
тов. Катушки имеют более высокую стабильность, по-
зволяют изменять магнитный момент в широких пре-
делах путем регулировки тока, допускают точный
расчет моментов всех порядков и синтез благоприят-
ной формы обмоток. Магнитный момент, создаваемый
катушками с током, обычно не превышает 2-3 А-м2.
Магнитный момент всякой катушки зависит от про-
текающего по обмотке тока; характеристиками же соб-
ственно катушки являются величины вида р'„ =рп/1,
называемые мультипольными постоянными порядка
п . Очевидно, дипольная постоянная (или постоянная
по магнитному моменту) всегда равна суммарной пло-
щади витков: Км =p'n=s . Как и мультиполи, мульти-
польные постоянные являются тензорами.
Методы расчета полей однородно намагниченных
тел аналогичны методам расчета полей катушек с то-
ком. Магнитное поле контура с током совпадает с по-
лем „магнитного листка", т.е. поверхности s, ограни-
ченной этим контуром, в каждой точке которой по-
мещен диполь с моментом Ids, направленный по
нормали к поверхности. Отсюда следует, что магнит-
ное поле вне однородно намагниченного тела тожде-
ственно полю, создаваемому током, обтекающим те-
ло по поверхности, перпендикулярной направлению
вектора намагниченности. При этом плотность по-
верхностного тока на единицу длины тела в направ-
лении намагниченности одинакова по всей длине и
численно равна J.
Аналогия между полем магнита и полем поверхно-
стного тока называется принципом Ампера. Этот
принцип применим и для расчета поля внутри одно-
родно намагниченного тела, если принять во внима-
ние, что напряженность Hj поля, создаваемого соб-
ственной намагниченностью, отличается внутри те-
ла от напряженности поля н , создаваемого
эквивалентным поверхностным током, на вектор на-
магниченности: H = Hj + J. Благодаря принципу Ам-
пера при расчете магнитного поля однородно намаг-
ниченных тел могут быть использованы описанные
выше методы расчета поля катушек соответствующей
конфигурации. Нужно лишь заменить линейную плот-
ность тока вдоль оси катушки cr=/fi/(2Z) на намагни-
ченность J . В частности, при такой замене поле ци-
линдрического магнита в случае однородной намаг-
ниченности полностью совпадает с внешним полем
равновеликого соленоида. Поэтому магнит с отноше-
нием длины к диаметру, равным ->/з/2, является наи-
более подходящей мерой магнитного момента, так как
его октипольный момент равен нулю.
Магниты эллипсоидальной формы применяются
благодаря тому обстоятельству, что они в однородном
внешнем поле намагничиваются однородно, так как
внутреннее поле, создаваемое собственной намагни-
ченностью также является однородным.
Цилиндр или куб можно намагнитить однородно
в замкнутой магнитной цепи. Если магнит выполнен
из материала с очень высокой коэрцитивной силой,
то при извлечении его из замкнутой цепи намагничен-
ность остается в первом приближении однородной,
так как перемагничиванием от собственного поля
можно пренебречь. Другим важным для приложений
случаем, когда намагничивание можно считать одно-
родным независимо от формы тела, является случай
весьма слабой намагниченности, возникающей под
действием однородного внешнего поля.
С вопросами расчета величины М дипольного мо-
мента постоянных магнитов на основании магнитных
свойств применяемых материалов как в случае одно-
родного, так и неоднородного намагничивания мож-
но ознакомиться по книгам. Стабильность магнитно-
го момента магнитов может достигать 0,1-0,2 %.
========^= 559 .
Меры градиента магнитной индукции
В последние годы в магнитометрии расширился
круг задач, связанных с исследованием неоднородно-
го магнитного поля, в которых измерение вектора маг-
нитной индукции в точке оказывается недостаточным
и требуется измерять пространственный градиент маг-
нитной индукции, являющийся тензором. Типичной за-
дачей такого рода является определение местонахож-
дения объекта, например намагниченного тела, по соз-
даваемому им ь пространстве магнитному полю. Как
известно, если источник поля в первом приближении
считать сосредоточенным диполем, то измерение маг-
нитной индукции и ее градиента в какой-либо одной
точке позволяет опр< делить расстояние до объекта, на-
правление на него и вектор его магнитного момента.
В настоящее время приборы для измерения гра-
диента — магнитные градиентометры — находят при-
менение в магниторазведочных работах, каротажных
исследованиях, магнитной дефектоскопии, в поиске
затонувших судов, ь исследовании магнитных полей
биологических объек тов и т.д. Для градуировки подоб-
ных приборов, очевидно, необходимы меры градиен-
та магнитной индукции. Класс точности мер гради-
ента в диапазоне IO ’-Ю1 Т/м обычно соответствует
погрешности 1,0- 10 %
Известно, что градиент вектора В = (Вх >&, Д ) маг-
нитной индукции постоянного ноля описывается де-
вятью компонентами, образующими тензор. Посколь
ку для всякого магнитного поля dwB-О (т.е. сумма
членов вдоль главной диагонали матрицы тензора рав-
на нулю), то из девяти компонент независимыми яв-
ляются только восемь. В большинстве случаев среда,
в которой производятся измерения (воздух), не содер-
жит токов ( ), однородна и изотропна (), так что
rotb = д гогН = 0 и, следовательно, компоненты тен-
зора, симметричные относительно главной диагона-
ли, равны. При этом остается только пять независи-
мых компонент тензора градиента, подлежащих из-
мсрению, например — , — , , — .
Очевидно, для аттестации градиентометров необ-
ходимо иметь меры компонент градиента двух типов:
— задающие значение производной от какой-либо
составляющей вектора магнитной индукции в направ-
лении этой составляющей (диагональные, или про-
дольные компоненты тензора);
— задающие значение производной от составляю-
щей вектора индукции в поперечном направлении
(нсдиагональные, или поперечные компоненты).
Чувствительная система однокомпонентного гра-
диентометра обычно состоит из двух включенных
дифференциально измерительных преобразователей
магнитной индукции, разнесенных на некоторое рас-
стояние, называемое базой. В некоторых случаях, ко-
гда база достаточно велика и ее можно точно изме-
рить, имеется возможность отградуировать градиен-
тометр при помощи двух мер магнитной индукции, в
рабочие области которых помещены измерительные
преобразователи. При этом роль меры градиента иг-
рает пара мер магнитной индукции в сочетании с из-
вестной базой чувствительной системы. Однако в по-
давляющем числе случаев база либо неизвестна, либо
не может быть достаточно точно определена. Для гра-
дуировки таких градиентометров необходимы специ-
альные меры градиента магнитной индукции.
Меры градиента характеризуются значением соз-
даваемого градиента магнитной индукции или посто-
янной по градиенту Кс , однородностью градиента в
определенном рабочем пространстве, классом точно-
сти и двумя направлениями, совпадающими или пер-
пендикулярными, в зависимости от типа меры.
Меры градиента разрабатываются при помощи ме-
тодов аналогично катушкам с однородным магнитным
полем. Отличие состоит в том, что синтезируемое в ра-
бочем пространстве поле, точнее, определенная его со-
ставляющая изменяется по линейному закону в преде-
лах некоторой погрешности
Во многих приложениях, например, в магнитной
дефектоскопии, магнитном контроле деталей и т.д.,
достаточно измерять только одну продольную компо-
ненту тензора. Поэтому в настоящее время больше
распространены меры градиента первого типа. Наи-
более простые меры градиента первого типа можно
создать на основе круговых токов.
Методом локального синтеза разработаны систе-
мы из четырех и шести контуров с более однородной
величиной дВ./'дг . Их можно подраздели сь по геомет-
pi 1ческому признаку на системы типа Максвелла, Бар-
кера, Браунбека и Гаррета.
Упомянутые меры градиента первого типа имеют
рабочее пространство в форме сферы. Однако чаще
более удобны меры с рабочим пространством удлинен-
ной формы, так как измерительные преобразователи
градиентометров обычно продолговаты.
Аналогично бесконечно длинному соленоиду с рав-
номерной обмоткой, создающему однородное поле,
теоретически возможен бесконечный соленоид с од-
нородным градиентом поля, если плотность тока из-
меняется по длине по линейному закону.
1радиентный соленоид с ограниченной длиной
можно практически осуществить, например, в виде
соединенных последовательно равноотстоящих сек-
ций, числа витков в которых составляют арифмети-
ческую прогрессию.
При помощи градиентного соленоида с достаточ-
но большим отношением длины к диаметру ( Л) мож-
н< > полу1 гить сколь yi одно длинную область с однород-
ным градиентом поля. Разумеется- в случае коротких
соленоидов степень однородности оказывается низ-
кой. Например, при .^=3 в пределах 2/3 длины катуш-
ки отклонение градиента от значения в центре пре
восходит 50 %. Поэтому в коротких градиентных со-
леноидах целесообразно применять дополнительные
витки па концах. Тогда в приведенном примере откло-
нение градиента можно уменьшить до 1 %, если
выбрать относительное число витков коррекции
й^/=0,52, где fij — число витков в одной полови-
не основной обмотки (состоящей из двух одинаковых
частей с противоположным направлением намотки).
В пределах же 1/3 длины при 2=3 можно получить
однородность порядка 0,1 %, выбрав =0,57.
Относительно мер градиента второго типа необ-
ходимо заметить, что создаваемое поле и, следова-
560
тельно, его источник не могут иметь аксиальной сим-
метрии. Простейшей мерой градиента второго типа
служит система из двух встречных (антипараллель-
ных) магнитных диполей с моментом , направлен-
ных перпендикулярно соединяющей их прямой — оси
7 (параллельно оси х )•
В. Н. Хорев
Приборы для измерений параметров
магнитного поля
Измерения параметров магнитных полей являют-
ся наиболее распространенной областью применения
магнитоизмерительной техники, т.к. на их основе осу-
ществляются все другие виды магнитных измерений.
Наибольшее развитие, в соответствии с потребно-
стями промышленности и научных исследований, по-
лучили прецизионные средства измерений основно-
го параметра магнитного моля — магнитной индукции.
Точные измерения магнитной индукции нашли
широкое применение в ряде областей народного хо-
зяйства и научных исследований. Такие измерения
проводятся при изучении магнитного поля Земли, ис-
следовании энергетического спектра микрочастиц,
биомедицинских и космических исследованиях, а так-
же при определении качества и технических парамет-
ров многих изделий на предприятиях электротехни-
ческой, электромашиностроительной, приборо-
строительной, радиотехнической промышленности
и в других областях. Всего в нашей стране создано бо-
лее 70 типов тесламетров различного назначения, ох-
ватывающих диапазон измерений магнитной индук-
ции от Ы013до 10 Тл.
На рис. 1 а,б схематически показаны диапазоны
измерений современных магнитометров (тесламет-
ров) в зависимости от используемого в приборах фи-
зического принципа измерения.
Основной объем измерений в области постоянных
магнитных полей (рис. 1а) приходится на исследова-
ние магнитной индукции поля Земли в диапазоне (0,2-
IJ-lO^Tn. Накопленные данные о пространственно-
временном распределении модуля магнитной индук-
ции и его составляющих необходимы для создания
теории магнитного поля Земли — одной из фундамен-
тальных проблем науки, для построения точных ми-
ровых магнитных карт, применяемых в морской и воз-
душной навигациях, для поисков полезных ископае-
мых. В этом диапазоне применяется большинство
видов тесламетров, однако наибольшую точность обес-
печивают тесламетры, основанные на явлениях сво-
бодной ядерной прецессии и атомного магнитного ре-
зонанса.
Измерения магнитной индукции в диапазоне
2-10'5-1-1013Тл, проводящиеся в ближнем и дальнем
космическом пространстве, в ферромагнитных экра-
нах и в активных системах компенсации поля Земли,
обеспечиваются сверхпроводниковыми и феррозон-
довыми тесламетрами.
Атомно-резонансные '
Ядерно-резонансные
Постоянное магнитное поле
।---1___।___।___I___I___I___I____।___।___I___। । । । । ।
11014 1-1O’10 1-10’5 I Тл
Сверхпроводниковые
Феррозондовые
Магнитомеханические
Гальваномагнитные
Атомно-резонансные, 0-10 кГц
Переменное магнитное поле
।___।___1___।___।___I___।___।____I___।___।___।___।___I____।___1___।
1-Ю44 1Ю'10 110’5 1 Тл
Индукционные (пассивные), 1—30 мГц
Сверхпроводниковые, 0-20 кГц
Гальваномагнитные, 0-20 кГц
Феррозондовые, 0-1 кГц
Магнитомеханические, 0-10 Гц
Рис. 1. Диапазоны измерений современных магнитометров (тесламетров) в зависимости от используемого в приборах
физического принципа измерения
561
Магнитная индукция в диапазоне 10-10'3Тл, созда-
ваемая такими устройствами, как электромагниты,
системы с постоянными магнитами, электрические
машины, проводниковые и сверхпроводниковые ка-
тушки и другие устройства, измеряется тесламетрами
Холла и ядерного магнитного резонанса с вынужден-
ной прецессией.
В области переменных магнитных полей (рис. 16)
на естественное магнитное поле Земли приходятся
диапазоны малых частот (до десятков герц) и индук-
ций (до сотен нанатесла), причем амплитуда измене-
ний (вариаций) магнитной индукции уменьшается с
частотой изменений этого поля. Здесь для измерений
применяются почти все виды современных тесламет-
ров переменного поля. В биомедицинских исследова-
ниях, характеризуемых тем же диапазоном частот, но
меньшими амплитудами магнитных индукций, нахо-
дят применение сверхпроводниковые и атомно-резо-
нансные тесламетры. Для измерения магнитной ин-
дукции сильных переменных полей (до 3 Тл) промыш-
ленных частот, используемых, в основном, при
контроле качества изделий электромашинострои-
тельной, электротехнической и других отраслей на-
родного хозяйства, а также магнитной индукции на
сравнительно высоких частотах — от 10 кГц до 30 МГц,
применяемых в радиотехнической и приборострои-
тельной промышленности, используются, главным об-
разом, индукционные и холловские тесламетры.
Принципы действия наиболее распространенных
видов приборов для измерения параметров магнит-
ного поля приведены ниже.
В.Н. Хорев
Квантовые магниторезонансные приборы
Тесламетры, основанные на эффекте Зеемана, оп-
ределяющем связь между энергией квантовой систе-
мы микрочастиц (ядер, электроном, атомов) и магнит-
ной индукцией внешнего магнитного поля, называют-
ся квантовыми.
Наибольшее применение нашел резонансный ме-
тод измерений, сущность которого состоит в измере-
нии частоты квантов электромагнитной энергии, ис-
пускаемой или поглощаемой при переходе микрочас-
тиц с одного зеемановского подуровня на другой. Эта
частота соответствует разности энергий между поду-
ровнями и связана с измеряемой магнитной индукци-
ей известным соотношением:
а = рВ , (1)
где / — гиромагнитное отношение частицы.
В резонансных квантовых тесламетрах применя-
ются рабочие вещества, обладающие либо чисто ядер-
ным или электронным, либо суммарным электронно-
ядерным магнитным моментом. В первом случае на-
блюдаемая частота, соответствующая переходу ядер
или электроном между соседними подуровнями, ли-
нейно зависит от магнитной индукции и определяет-
ся соотношением (1). К нашедшим наибольшее прак-
тическое применение рабочим веществам, атомы ко-
торых имеют чисто ядерный магнитный момент из-за
полной компенсации электронных моментов, отно-
сятся водород в молекуле воды и изотоп гелия — Не3.
Чисто электронный магнитный момент имеют атомы
другого, широко используемого в тесламетрах изото-
па гелия — Не4 в ортосостоянии, у которого моменты
двух электронов совпадают по направлению, а момент
ядра равен нулю.
Для атомов, у которых и электронный и ядерный
моменты отличны от нуля, возникает сверхтонкое
расщепление энергетических состояний, приводящее
к сложной связи между частотой и измеряемой маг-
нитной индукцией, выражаемой на основании фор-
мулы Брейта-Раби быстро сходящимся степенным ря-
дом вида:
й>= дВ+/2В2+... (2)
Такой вид уравнения характерен для функции пре-
образования тесламетров, в которых в качестве рабо-
чих веществ используются щелочные металлы в па-
рообразном состоянии.
Особенностью резонансных квантовых тесламет-
ров является то, что измерению резонансной часто-
ты предшествует поляризация атомов рабочего веще-
ства. При этом создается начальная разность населен-
ности зеемановских подуровней, от которой зависит
интенсивность процессов поглощения или испуска-
ния квантов электромагнитной энергии, регистрируе-
мых и преобразуемых при наблюдениях резонансной
частоты в сигнал переменного тока на выходе кван-
тового первичного измерительного преобразователя.
Поляризация рабочего вещества может осуществлять-
ся либо внешним постоянным магнитным полем, как
это происходит при ядерном магнитном резонансе
(ЯМР) в воде, либо световым лучом определенной
длины волны методом оптической накачки, приме-
няемым в остальных случаях для газообразных ве-
ществ.
Измерение резонансной частоты или наблюдение
факта выполнения условий резонанса осуществляет-
ся в большинстве случаев по степени поглощения
энергии вспомогательного переменного магнитного
поля резонансной частоты, воздействующего на по-
ляризованное рабочее вещество. При ядерном маг-
нитном резонансе в слабом магнитном поле (менее
1-10’3 Тл) используется непосредственное наблюдение
спонтанного излучения (индукции) поляризованных
ядер в приемную катушку первичного преобразовате-
ля.
Ядерно-резонансные тесламетры, основанные
на свободной ядерной прецессии
Одними из наиболее распространенных приборов
для точных измерений магнитной индукции являют-
ся тесламетры, основанные на свободной прецессии
протонов (протонные тесламетры). В этих приборах
процесс поляризации рабочего вещества, осуществ-
ляемый вспомогательным магнитным полем, и наблю-
дение сигнала ядерной прецессии разделены во вре-
мени.
Структурная схема протонного тесламетра пока-
зана на рис. 2.
Катушка первичного преобразователя 2 подключа-
ется через устройство управления 3 к источнику тока
4 на время t = (1 -1,5 )Г2. По окончании поляризации об-
разца 1 производится переключение катушки ко вхо-
ду устройства 5, в котором сигнал ядерной прецессии
562
с частотой «fc усиливается, фильтруется, формирует-
ся в последовательность импульсов и подается либо не-
посредственно на частотомер (периодомер) 9, либо на
фазовый компаратор частот 6. Одновременно сюда по-
ступает сигнал генератора 8, частота которого Ц-
предварительно делится устройством 7 в п раз. Фазо-
вый компаратор преобразует разность частот в напря-
жение, которым подстраивается частота генератора
под частоту сигнала прецессии так, что выполняется
равенство й}- = »<% . Между измеряемой магнитной
индукцией В и частотой (Ц- , измеряемой за интер-
вал времени г (0,1-1 с) существует следующая связь:
В = -Д- q-
урпт '
Параметры п и г выбираются так, чтобы коэффи-
циент при Щ в уравнении (3) был равен 10п (п— це-
лое число). При этом показания частотомера будут чис-
ленно равны измеряемой магнитной индукции. При-
менение фазового компаратора, обладающего высокой
частотной избирательностью, позволяет снизить слу-
чайную погрешность, связанную с конечным отноше-
нием сигнала — помеха.
Случайные и систематические погрешности совре-
менных протонных тесламетров находятся в переде-
лах соответственно 0,05-2 нТл и 0,2-5 нТл.
В последние годы детально разработана новая мо-
дификация метода ЯМР, основанная на использова-
нии свободной прецессии ядер газообразного веще-
ства — гелия (Не3). Преимущество этого метода изме-
рений заключается в возможности достижения
сверхдлинных времен затухания сигнала ядерной пре-
цессии. Это дает возможность проведения непрерыв-
ных измерений от единиц минут до нескольких часов
и практически устраняет основной источник систе-
матических погрешностей измерений, связанных с
быстрым затуханием сигнала прецессии.
Основное отличие принципа действия гелиевого
и протонного тесламетров заключается в способе по-
ляризации рабочего вещества, которая в случае при-
менения Не3, создается с помощью оптической накач-
ки энергетических уровней атомов.
Гелиевые ядерно-прецессионные тесламетры еще
не нашли широкого применения для измерений маг-
нитной индукции, однако по точности являются бо-
лее перспективными, чем протонные тесламетры.
Рис. 2. Структурная схема протонного тесламетра
Ядерно-резонансные тесламетры, основанные
на вынужденной ядерной прецессии
Выше отмечалось, что постоянная времени затуха-
ния сигнала свободной ядерной прецессии зависит от
неоднородности магнитной индукции в объеме рабо-
чего вещества. С увеличением магнитной индукции до
1-10'2Тл и более, когда абсолютная неоднородность
магнитного поля растет, а длительность полезного сиг
нала резко снижается, применение метода свободной
ядерной прецессии для точных измерений в большин-
стве случаев оказывается невозможным. В этом диапа-
зоне измерения применяется метод вынужденной
ядерной прецессии, при котором частота, соответст-
вующая переходу ядер из одного энергетического со-
стояния в другое, определяется по резонансному по-
глощению энергии вспомогательного переменного
магнитного поля, а поляризация ядер осуществляется
непосредственно полем, магнитная индукция которо-
го подлежит измерению. Типичная структурная схема
такого тесламетра приведена на рис. 3.
Принцип действия прибора состоит в следующем.
К образцу 1 с рабочим веществом с помощью катушки
2, входящей в состав резонансного контура генерато-
ра 3, прикладывается переменное магнитное поле с
частотой, близкой к частоте ядерного магнитного ре-
зонанса в направлении, перпендикулярном полю с из-
меряемой магнитной индукцией. Одновременно в на-
правлении этого поля, с помощью катушки 4, питае-
мой устройством 5, прикладывается низкочастотное
(20-50 Гц) модулирующее магнитное поле с амплиту-
дой магнитной индукции, меньшей ширины линии. Ес-
ли частота колебаний генератора также находится в
пределах ширины резонансной линии, то происходит
поглощение энергии магнитного поля, создаваемое ка-
тушкой 2, что приводит к снижению добротности кон-
тура генератора и уменьшению амплитуды переменно-
го напряжения на нем. Модуляция измеряемой магнит-
ной индукции, дающая возможность определить
положение частоты генератора 3 относительно цен-
тра линии, приводит к периодическому изменению
добротности резонансного контура.
Это изменение регистрируется амплитудным де-
тектором 6 в виде сигнала переменного напряжения
и после усилителя 7 поступает на фазовый детектор 8
и осциллограф 10.
Если частота генератора точно соответствует цен-
тру резонансной линии, то на выходе детектора 6
наблюдается минимум сигнала первой гармоники и мак-
симум сигнала второй гармоники частоты модуляции.
На фазовом детекторе сигнал, полученный с кон-
тура генератора, сравнивается по фазе с опорным на-
пряжением, подаваемым с источника тока модуляции
5. Фазовый детектор, преобразуя разность фаз в напря-
жение и управляя частотой генератора, непрерывно
поддерживает условие резонанса: (О= 6$ . Сигнал с ге-
нератора подается для измерения на частотомер 9.
Визуальное наблюдение сигнала ЯМР осуществля-
ется с помощью осциллографа, развертка которого
синхронизируется частотой модуляции. Осциллограф
служит также для первоначальной установки частоты
генератора в пределах резонансной линии поглоще-
ния.
563
Атомно-резонансные тесламетры, основанные
на оптической накачке атомов
Наибольшее применение нашли атомно-резонанс-
ные (АМР) тесламетры с оптической накачкой энер-
гетических уровней поляризованным светом и опти-
ческим методом наблюдения условий резонансного
поглощения рабочим веществом энергии внешнего
переменного магнитного поля.
На рис. 4 приведена схема энергетических уров-
ней атома щелочного металла, с помощью которой мо-
жет быть пояснен принцип оптической накачки. При
облучении атомов, находящихся в газообразном со-
стоянии в ячейке поглощения, циркулярно-поляризо-
ванным светом, распространяющимся в направлении
магнитного поля, происходит оптическое возбужде-
ние атомов (переход S _Р;/2), после чего они спон-
танно, за время порядка 10'8с, возвращаются в основ-
ное состояние. Как известно из квантовой механики,
при поглощении атомом циркулярно-поляризованно-
го света с поляризацией +<7 (или -ст), его переход
из основного в возбужденное состояние оказывается
возможным только на тот подуровень, магнитное
квантовое число которого удовлетворяет условию
Amf =+1 (для поляризации -of^mF = -1). Таким обра-
зом, атомы, находящиеся в состоянии S c тг=2 не
могут перейти в состояние Р так как там нет поду-
ровня с mF =3 и, следовательно, не поглощают свет.
Так как обратный переход атомов из возбужденного
состояния равновероятен для всех подуровней основ-
ного состояния, а процесс естественной релаксации
в последнем медленнее процесса накачки, то после
Рис. 3. Схема ядерно-резонансного тесламетра
Рис. 4. Схема энергетических уровней атома щелочного металла
4
О
-4
-3
О
3
4
3
2
1
О
-1
-2
-3
-3
-2
-1
О
1
2
3
564
установления динамического равновесия количество
атомов, находящихся в основном состоянии на поду-
ровне с mF =2, будет превосходить количество атомов
на каждом из других подуровней. В результате этого
рабочее вещество станет более прозрачным, чем в на-
чальный момент после включения света с резонансной
частотой. Поскольку далее числовое значение магнит-
ного квантового числа представляет число единиц мо-
мента количества движения, то можно сказать, что в
результате оптической накачки циркулярно-поляризо-
ванным светом атомы определенным образом ориен-
тируются (намагничиваются) в магнитном поле.
Степень ориентации рабочего вещества сущест-
венно снижается при столкновениях атомов друг с
другом и со стенками сосуда ячейки поглощения.
Уменьшение этого эффекта достигается либо приме-
нением ячеек с инертными покрытиями, либо смеши-
ванием рабочего вещества с инертным газом.
Поведение суммарного вектора намагниченности
атомов в газообразном состоянии во времени может
быть описано системой уравнения Блоха, решение
которых дает сведения о ширине линии, ее форме,
интенсивности полезного сигнала. Зависимость ин-
тенсивности света, прошедшего через рабочее веще-
ство, от его намагниченности используется для оп-
ределения резонансных частот зеемановских пере-
ходов.
На рис. 5 представлена структурная схема одной
из разновидности АМР-тесламетров, называемых Мг -
типом.
В этой схеме распространения света совпадает с
вектором магнитной индукции. При этом момент р
будет определять степень поляризации вещества в на-
правлении магнитного поля. Он достигает своего рав-
новесного значения за время продольной релаксации
(0,1-0,01 с) и снизит поглощение света в этом направ-
лении. Включение с помощью устройств 5 и 6 перемен-
ного магнитного поля резонансной частоты в направ-
лении, перпендикулярном к внешнему полю, приводит
к разрушению преимущественной ориентации атомов
(выравниванию населенности подуровней), что отра-
жается в возрастании поглощения света, и регистри-
руется фотодетектором 7. Степень поглощения будет
тем больше, чем ближе частота магнитной индукции
переменного поля к частоте зеемановских переходов.
При модуляции переменной магнитной индукции
катушкой 8, питаемой устройством 9, в пределах ши-
рины резонансной линии поглощения наблюдается
модуляция интенсивности светового потока, по нали-
чию которой можно определять частоту резонансно-
го поглощения. Принцип действия системы автома-
тической подстройки частоты генератора 6 на центр
резонансной линии в данном приборе аналогичен
описанному ранее.
Если на рабочее вещество в дополнение к продоль-
ному воздействовать еще и поперечным лучом резо-
нансного света, то проекция р результирующего мо-
мента количества движения на это направление будет
периодически меняться F - (1 - sin 0- cos al) — в ре-
зультате прецессии этого момента с частотой а) в ко-
нусе с углом 0 вокруг направления магнитной индук-
ции р.
В этом случае интенсивность поперечного луча,
прошедшего через рабочее вещество, будет модулиро-
вана, и частота модуляции будет соответствовать час-
тоте переходов между зеемановскими подуровнями.
На практике для наблюдения частотной модуля-
ции интенсивности поперечной компоненты резо-
нансного света применяются устройства с одним лу-
чом, ориентированным под углом 45° к измеряемому
полю. Такие устройства называются тесламетрами са-
могенерирующего или Л/х -типа.
Существенное различие тесламетра М2 - и Мх -ти-
пов определяется различным воздействием на рабо-
чее вещество света, распространяющегося параллель-
но или перпендикулярно направлению магнитного
поля. Прежде всего это проявляется в степени инер-
ционности приборов.
Если в тесламетрах Мг -типа быстродействие ог-
раничивается частотами 5-10 Гц, определяемыми вре-
менем релаксации, то для тесламетров Мх -типа оно
связано только с постоянной времени цепи обратной
связи, что позволяет на два-три порядка расширить
диапазон по сравнению с устройствами Mz -типа.
В.Я. Шифрин
Рис. 5. Структурная схема одной из разновидности
АМР-тесламетров, называемых М2 -типом
1 — ячейка поглощения; 2 — спектральная лампа;
3 — оптический поляризатор; 4 — генератор возбужде-
ния спектральной лампы; 5 — катушка переменной
магнитной индукции; 6 — генератор переменного тока;
7 — фотодетектор; 8 — катушка модуляции;
9 — источник тока модуляции; 10 — усилитель сигнала;
11 — фазовый детектор; 12 — частотомер.
565
Феррозондовые приборы
Несмотря на появление квантовых и сверхпровод-
никовых приборов, характеризующихся более высо-
кой чувствительностью и точностью, интерес к фер-
розондовым приборам не ослабевает до сих пор, и они
продолжают использоваться в практике магнитных
измерений. Это обусловлено не только тем, что фер-
розондовые приборы обладают достаточно высокой
чувствительностью и точностью, вполне приемлемой
для решения многих практических задач, но и возмож-
ностью непосредственного измерения компонент
вектора магнитного поля, высокой надежностью и
сравнительно низкой стоимостью.
Феррозондовые приборы широко использовались
и продолжают использоваться для геологоразведоч-
ных целей (прежде всего для поиска нефти и газа),
изучения пространственно-временной структуры гео-
магнитного поля, исследования магнитных полей пла-
нет и межпланетного пространства, ориентирования
и определения местонахождения различных подвиж-
ных объектов в известном магнитном поле, контро-
ля качества выпускаемых материалов и изделий (на-
пример, электротехнических сталей), а также для дру-
гих целей.
Ниже кратко описываются устройство и принцип
действия датчиков феррозондовых приборов, а так-
же особенности построения самих приборов.
Феррозондовые датчики. Феррозондовые датчики
или просто — феррозонды относятся к индукционным
преобразователям активного типа. Они содержат
ферромагнитные сердечники и охватывающие их об-
мотки. В одну из обмоток подают переменный ток, пе-
ремагничивающий сердечники, с другой — снимают
полезную э.д.с. кратной частоты, по амплитуде кото-
рой и судят о значении внешнего магнитного поля.
В рамках так называемой параметрической теории,
рассматривающей сердечник феррозонда как магнит-
ную цепь с периодически изменяющейся проницае-
мостью во внешнем поле, выражение полезной э.д.с.
имеет вид:
Лик k(O^2J, (4)
здесь А = XXAW£ — постоянный коэффициент, где
XX = 4лг-10-7 Гн/м — магнитная постоянная; s — сум-
марная площадь поперечного сечения сердечников;
w — количество витков измерительной обмотки;
— коэффициент, зависящий от взаимного расположе-
ния сердечников и обмоток; i° — единичный вектор,
совпадающий с нормалью к плоскости витков изме-
рительной обмотки (катушки); Йо(<) — напряжен-
ность внешнего измеряемого поля; Н} (f) ~ напряжен-
ность переменного поля, создаваемого переменным
током, протекающим в обмотке возбуждения; Нг —
напряженность поля смещения, создаваемого посто-
янным током или магнитом; /4Ь„ — относительная ди-
намическая проницаемость сердечника, являющаяся
тензором, компоненты которого и оказываются функ-
циями времени, причем, звездочки указывают на не-
обходимость учета размагничивающего фактора сер-
дечника в соответствующих направлениях.
На рис. 6 показаны наиболее распространенные
схемы феррозондов. На рис. ба и 66 изображены фер-
розонды с двумя стержневыми и одним кольцевым сер-
дечниками соответственно; схемы этих феррозондов
удовлетворяют случаю взаимно-параллельных полей.
На рис. 6в и 6г изображены феррозонды с трубча-
тым и дисковым сердечниками соответственно; схе-
мы этих феррозондов удовлетворяют случаю взаим-
но-перпендикулярных полей.
Независимо от выбранной формы сердечников и
взаимной ориентации полей, различают два основ-
ных режима работы феррозондов.
Согласно первому режиму работы, сердечники фер-
розонда перемагничивают относительно слабым пе-
ременным полем ///О и подмагничивают достаточ-
но сильным полем смещения Н, , сравнимым по зна-
чению с напряженностью поля магнитного
насыщения сердечника Hs . При этом выходным сиг-
налом феррозонда, несущим информацию об измеряе-
мом поле Но , служит э.д.с. основой частоты, совпа-
дающей с частотой поля И) (г).
Согласно второму режиму работы, сердечники фер-
розонда перемагничивают сильным переменным по-
лем Н|(<), амплитуду которого Нп1 выбирают боль-
ше напряженности поля насыщения Hs , причем по-
ле смещения не используют (Но=0). В этом случае
выходным сигналом феррозонда служит э.д.с. удвоен-
ной частоты по отношению к частоте переменного
поля возбуждения
Для измерения постоянных и медленно изменяю-
щихся магнитных полей второй режим работы фер-
розондов оказался предпочтительным. При этом наи-
большее распространение получили схемы феррозон-
дов с взаимно-параллельными полями (рис. 6 а и б).
Коэффициент преобразования феррозонда при-
нято приводить к дольным единицам магнитной ин-
dEm2
дукции; 2
, где Emi — амплитудное значение
э.д.с. второй гармоники, Во = Х4>Но — индукция изме-
ряемого поля. Коэффициент преобразования обыч-
но оценивают в микровольтах на нанотеслу, мкВ/нТл.
Предельное значение коэффициента преобразо-
вания феррозонда достигается при прямоугольно-им-
пульсной форме волны поля возбуждения
г _4 А
, (5)
« Л
где величина /^тах , как правило, совпадает с про-
ницаемостью формы сердечника, определяемой через
относительные геометрические размеры последнего.
Кроме коэффициента преобразования, другим важ-
ным параметром или характеристикой феррозонда яв-
ляется уровень его собственных шумов. Этот уровень
566
Рис. 6. Схемы феррозондов
а и б — феррозонды с двумя стержневыми и одним
кольцевым сердечниками, соответственно;
в и г — феррозонды с трубчатым и дисковым сердечника-
ми, соответственно.
фактически и определяет разрешающую способность
феррозондовых приборов.
Шумы феррозондов обусловлены неповторяемо-
стью отдельных актов перемагничивания сердечни-
ков и характеризуются неравномерной спектральной
плотностью.
Из-за неравномерности спектральной плотности
уровень шумов феррозондов оценивают интегрально:
7« 1V2
&№/ , (6)
,/н
где fH и fe— нижняя и верхняя граничные часто-
ты выбранной полосы анализа, Р(/) — спектральная
плотность мощности шумового (демодулированного)
сигнала. Величина сгш есть среднее квадратическое
значение эквивалентного шумового поля в полосе
F= f- fe и измеряется в пикотеслах, пТл.
Во многих случаях пользуются дифференциальной
величиной
1
ь2
называемой спектральной плотностью эквива-
лентного шумового поля и измеряемой в пТл/7Гц. Эта
величина зависит от текущей частоты f и численно
равна среднему квадратическому значению шумов, от-
несенному к полосе в 1 Ш-
Установлено, что при прочих равных условиях
(одинаковой форме сердечников и заданном режиме
их перемагничивания), уровень шумов зависит от па-
раметров используемого ферромагнитного материа-
ла. Наименьшим шумом обладают магнитно-мягкие
материалы с нулевой магнитострикцией насыщения
(A.s) и малой магнитной анизотропией (К—>min). Кта-
ким м атериалам относятся 6 %-молибденовый или
5 %-ванадиевый пермаллои, а также аморфные высо-
кокобальтовые сплавы. При использовании указан-
ных пермаллоев в кольцевых феррозондах (рис. 66)
достигнут уровень шумов <тш < 10 пТл в полосе 0,01—
10 Гц и спектральная плотность шума вш ~ 1 пТл/^Гц
в полосе частот 10-1000 Гц. Предельно низкий уро-
вень шумов &ш~ 2,5 пТл в полосе 0,1-16 Гц (спек-
тральная плотность шумов вш ~ 0,6 пТл/7Гц на часто-
те 10 Гц) получен в стержневом феррозонде при ис-
пользовании аморфного высококобальтового сплава
с низкой точкой Кюри ( 90 °C).
Перспективными в части достижения низкой спек-
тральной плотности шумов являются феррозонды, ра-
ботающие в первом режиме, т.е. при наличии смещаю-
щего поля Н2 . Однако такие феррозонды могут быть
рекомендованы лишь для измерения переменных по-
лей, начиная с частот порядка единиц герц.
Феррозондовые приборы. Особенности построения
феррозондовых магнитометров рассмотрим на приме-
ре типовой функциональной схемы однокомпонентно-
го магнитометра, (см. рис. 7).
Кольцевой феррозонд подключен к генератору Г,
вырабатывающему переменное напряжение частоты
f . Измерительная обмотка феррозонда через разде-
лительный конденсатор подключена ко входу предва-
рительного усилителя ПУ. При низком входном сопро-
тивлении ПУ конденсатор может быть использован
также для настройки измерительной обмотки ферро-
зонда в резонанс на частоту 2/. С выхода ПУ сигнал
поступает на синхронный детектор СД и далее, уже в
виде демодулированного сигнала, — на вход интегри-
рующего усилителя ИУ. Выход ИУ через сопротивле-
ние R соединен с измерительной обмоткой феррозон-
да, образуя цепь отрицательной обратной связи по из-
меряемому полю. Для осуществления обратной связи
феррозонд может иметь и отдельную обмотку.
Наличие отрицательной обратной связи стабили-
зирует коэффициент преобразования магнитометра
в целом. При этом, выходным сигналом магнитомет-
ра может быть как напряжение U , непосредственно
снимаемое с выхода ИУ, так и ток [, протекающий
по цепи обратной связи.
Если глубина обратной связи достаточно велика,
то соответствующими коэффициентами преобразова-
ния магнитометра будут:
I = 1
Кв где Кв
U = R
Bq &в
— постоянная измерительной
и
обмотки феррозонда, определяемая в нТл/мкА. Оче-
видно, что регистрация тока j предпочтительнее ре-
гистрации напряжения U , поскольку погрешность
магнитометра в этом случае зависит только от неста-
бильности постоянной Кв.
Однокомпонентные магнитометры использова-
лись и продолжают использоваться для измерения
вертикальной составляющей магнитного поля. С этой
целью магнитную ось феррозонда ориентируют с по-
мощью маятникового подвеса. В отдельных случаях
феррозонд устанавливают на оптической трубе тео-
долита так, что появляется возможность измерения
не только вертикальной, но и двух горизонтальных
компонент поля, либо модуля вектора этого поля и
двух углов, называемых магнитным склонением и на-
клонением.
На основе двух параллельно ориентированных фер-
розондов можно построить прибор для измерения раз-
ности значений магнитного поля. Если расстояние ме-
жду феррозондами достаточно велико, то такой при-
бор называют дифференциальным магнитометром;
если же расстояние мало, то прибор называют магнит-
ным градиентометром (градиентометром). В стацио-
нарных условиях подобные приборы используются для
обнаружения намагниченных объектов, а также для
контроля намагниченности различных материалов и
изделий. Однако в движении чувствительность таких
приборов ограничена уровнем ложных сигналов, воз-
никающих в однородном поле Земли при нарушении
параллельности магнитных осей феррозондов.
На основе двух взаимно-перпендикулярных фер-
розондов, ориентированных в горизонтальной плос-
кости, например, с помощью карданного подвеса,
строят бортовые приборы, предназначенные для кон-
троля курса транспортных и иных объектов, движу-
щихся в магнитном поле Земли. От обычных магнит-
ных компасов такие приборы выгодно отличаются,
поскольку могут быть непосредственно сопряжены с
вычислительными комплексами и системами следя-
щего привода, обеспечивающими непрерывную кор-
рекцию курса движущегося объекта.
Наибольшее распространение получили трехком-
понентные магнитометры. Датчики этих приборов
содержат три идентичных однокомпонентных ферро-
зонда либо один трехкомпонентный феррозонд, опи-
сываемый ниже.
Схема трехкомпонентного феррозонда показана
на рис. 8.
Чувствительными элементами служат кольцевой
сердечник и сердечник типа „рейстрек", расположен-
ные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и
вписанные друг в друга так, что образуется единый маг-
нитный центр. Будучи изотропным, кольцевой сердеч-
ник охвачен двумя взаимно-перпендикулярными изме-
рительными обмотками и пригоден для измерения
двух компонент поля; сердечник типа „рейстрек" со
Рис. 7. Типовая функциональная схема однокомпонентного магнитометра
своей измерительной обмоткой обеспечивает измере-
ние третьей компоненты поля. Конструкция такого
феррозонда может быть достаточно компактной, что
позволяет размещать ее внутри трехкомпонентных ка-
тушек кубической формы со стороной ребра 20-30 мм.
Компенсационные магнитометры подобного типа ха-
рактеризуются высокой точностью, обеспечиваемой
в том числе и при работе в сильно неоднородных маг-
нитных полях.
Трехкомпонентные магнитометры с успехом ис-
пользовались и продолжают использоваться в практи-
ке геофизических наблюдений; их применяют для кон-
троля ориентации различных подвижных платформ;
наконец, обладая высокой надежностью и долговечно-
стью, они служат наиболее подходящими приборами
для изучения структуры и пространственного распре-
деления магнитных полей планет и межпланетного
пространства.
Поверка феррозондовых магнитометров осущест-
вляется в рамках государственной поверочной схемы
и утвержденных методик на основе использования со-
ответствующих средств метрологического обеспече-
ния.
Ю.В. Афанасьев
Индукционные приборы
Принцип действия индукционных приборов осно-
вывается на законе электромагнитной индукции, от-
крытых Фарадеем и сформулированном Максвеллом
следующим образом: „Электродвижущая сила, индуци-
руемая в цепи при изменении магнитного потока
сквозь поверхность, ограниченную контуром цепи,
равна скорости изменения потока, взятой со знаком
минус".
Индукционный прибор представляет собой катуш-
ку, намотанную на непроводящем каркасе (с ферромаг-
нитным сердечником или без него), к выводам кото-
рой подключен вольтметр переменного тока (с инте-
гратором или без него). Для снижения влияния
электрической составляющей электромагнитного по-
ля катушку окружают заземленным электростатиче-
ским экраном (фольга 20-200 мкм). Экран и другие про-
водящие детали не должны образовывать короткозамк-
нутых контуров.
Простота, дешевизна и надежность индукционных
преобразователей обусловила их широкое примене-
ние. Уже во время Первого Международного поляр-
ного года (1882-1883 гг.) на станции Кинчут-Фиорд в
Исландии был установлен магнитометр индукционно-
го типа. Он представлял собой кабель длиной 12 км,
уложенный на поверхность Земли в виде кольца, замк-
нутого на гальванометр. При изменении вертикаль-
ной составляющей магнитного поля возникал ток, ко-
торый регистрировался гальванометром.
В настоящее время индукционные приборы при-
меняются главным образом для измерения магнитной
составляющей электромагнитного поля активно из-
лучающих технических устройств (как внутри них, так
и на удалении), обнаружения и пеленгации этих уст-
ройств, решения задач электромагнитной совмести-
мости, экологии и т.п. Наиболее распространенным
типом индукционного преобразователя является, по-
видимому, ферритовая антенна бытовых радиоприем-
ников.
Индукционный способ измерений используется
также для обнаружения и изучения свойств пассивных
проводящих объектов, для чего на эти объекты воз-
действуют переменным магнитным полем от вспомо-
гательного источника. Эта разновидность метода при-
569
меняется при разведке полезных ископаемых в дефек-
тоскопии, а также для обнаружения заранее снабжен-
ных индукторами объектов (альпинист в снежной ла-
вине, неоплаченная покупка и т.п.).
Некоторое распространение получил индукцион-
ный метод измерения постоянного магнитного поля,
при котором катушка преобразователя принудитель-
но подвергается колебаниям (линейным или угло-
вым).
Электродвижущая сила, наводимая на обмотке иде-
ального индукционного преобразователя составляет:
e = -Ksu,c°sQ—, (8)
где е — электродвижущая сила, В; Кт — коэффи-
циент преобразования, Вб/Тл, м2; 0 — угол между
перпендикуляром к плоскости витков катушки и век-
тором магнитной индукции (в случае воздушной ка-
тушки), либо угол между осью ферромагнитного сер-
дечника и вектором магнитной индукции (в случае ка-
dB
тушки с сердечником, (рад); ~ — скорость
изменения магнитной индукции, Тл/с.
Коэффициент преобразования Км, для воздушной
катушки численно равен суммарной площади ее вит-
ков, а для преобразователя с ферромагнитным сердеч-
ником (обычно удлиненным) может быть оценен по
формуле:
/2
31gl • О)
где W — число витков катушки; I — длина сердеч-
ника, м; D — диаметр сердечника, м.
Для измерений средних переменных полей
В =( 1-10 4—1) Тл внутри технических объектов приме-
няются исключительно катушки без сердечника с га-
баритами (5-50) мм и коэффициентом преобразова-
ния =( 1 1О'4—1 - 10‘2) Вб/Тл, для измерения внешних
полей рассеивания =(Ы0’7-1Т0ч) Тл — катушки с
сердечником и без него с габаритами (50-2000) мм и
К№ =( 1- 10 а—100) Вб/Тл, а для измерения слабых даль-
них полей — в =(Ы012-Ы0’) Тл и пеленгации — ис-
ключительно катушки с удлиненным ферромагнит-
ным сердечником с габаритами (200-1000) мм, коэф-
фициент преобразования которых может составлять
до 10000 Вб/Тл.
Стабильность во времени и температурная зави-
симость коэффициента преобразования катушек с
ферромагнитным сердечником позволяет выполнить
на их основе приборы с погрешностью порядка еди-
ниц процентов. Погрешность многослойных катушек
на диэлектрическом основании составляет десятые
доли процента, однослойные — могут претендовать
на сотые доли процента, а однослойные катушки на
кварцевом основании с намоткой в нагретом состоя-
нии — на тысячные доли процента.
Реальный индукционный преобразователь облада-
ет собственной индуктивностью £ > шунтирован соб-
ственной межвитковой емкостью и емкостью кабеля
С и подключен к нагрузке R (вольтметр, интегра-
тор). Выходное напряжение UR такого преобразова-
теля (при cos© =1 и индукции в > изменяющейся по
гармоническому закону с частотой /у) составит:
U
1- c^LC + j— • (10)
7 R
Обычно индукционные преобразователи приме-
няются в дорезонансной области частот
П~>|
у ВС ’ а нагРУзка R достаточно велика. Вы-
V. /
ходное напряжение оказывается пропорциональным
произведению аВ , и для получения показаний про-
порциональных только магнитной индукции измере-
ние напряжения должно производиться интегрирую-
щим вольтметром. Если измеряемая магнитная индук-
ция достаточно велика, интегрирование (с
соответствующей потерей чувствительности) может
быть обеспечено простым уменьшением сопротивле-
ния нагрузки для значений R« aL-
При неоднородных (в пространстве) магнитных
полях в общем случае результат измерений не совпа-
дает с действительным значением магнитной индук-
ции в центре преобразователя (погрешность интег-
рирования). Эта погрешность вообще отсутствует у
катушки, намотанный с постоянным шагом на каркас
в форме эллипсоида вращения, изготовление которо-
го достаточно сложно. Практически для уменьшения
этой составляющей погрешности достаточно приме-
нение катушки в виде колец Гельмгольца, либо в виде
цилиндра, длина намотки которого составляет т/з/2
его диаметра.
В.Е. Чернышев
Магнитомеханические приборы
Магнитомеханические приборы с момента их по-
явления и до настоящего времени применяются глав-
ным образом для измерения элементов магнитного
поля Земли, что естественно наложило определен-
ный отпечаток на их конструктивное исполнение.
Магнитомеханическими называют такие магнито-
метрические преобразователи, принцип действия ко-
торых основан на взаимодействии постоянного маг-
нита с магнитным полем. Как правило, магнитомеха-
нический преобразователь состоит из постоянного
магнита и устройства, удерживающего магнит и по-
зволяющего ему вращаться в какой-либо плоскости.
Очень часто конструкция магнитомеханического пре-
образователя содержит демпфирующее устройство, а
также зеркальце, являющееся составной частью сис-
темы отсчета.
В зависимости от наличия или отсутствия проти-
водействующего момента все магнитомеханические
преобразователи можно разделить на две группы. К
первой группе относятся преобразователи, у которых
магнит свободно поворачивается под действием
570
магнитного поля и принимает направление, совпадаю-
щее с направлением магнитной индукции В, а ко вто-
рой — преобразователи, в которых создается дополни-
тельный момент, противодействующий повороту маг-
нита под действием магнитного поля.
Одно из основных достоинств магнитомеханиче-
ских преобразователей состоит в возможности исполь-
зования их для абсолютного измерения модуля В •
Впервые абсолютный метод измерения магнитной ин-
дукции был предложен Гауссом. Метод Гаусса основан
на использовании законов взаимодействия между по-
стоянным магнитом и магнитным полем и заключает-
ся в непосредственных измерениях периода качания
в горизонтальной плоскости магнита, помещенного в
поле с измеряемой магнитной индукцией, и наблюде-
нии угла отклонения другого магнита, вызываемого
первым магнитом. Положения, в которых находятся
оба магнита (отклоняемый ns и отклоняющий NS) от-
носительно друг друга принципиально могут быть лю-
быми, однако для упрощения расчета используют од-
но из четырех положений, два из которых предложе-
ны Гауссом, а два — Ламоном.
Несмотря на сравнительно высокую точность из-
мерения, метод Гаусса используется редко и в основ-
ном на магнитных обсерваториях для измерения го-
ризонтальной составляющей магнитной индукции по-
ля Земли, что объясняется большой трудоемкостью
измерения и громоздкостью конструкции магнитных
теодолитов. Гораздо большее распространение полу-
чили относительные методы, в которых используют-
ся кварцевые крутильные магнитометры (тесламет-
ры) и различного рода магнитные весы. Остановим-
ся на некоторых наиболее широко используемых
приборах.
Кварцевый магнитометр конструктивно напомина-
ет магнитный теодолит. Разница состоит только в том,
что отклонение магнита производится не с помощью
постоянного магнита или колец Гельмгольца, а посред-
ством закручивания кварцевой нити, на которую под-
вешен постоянный магнит.
Погрешность измерения кварцевых магнитомет-
ров примерно на порядок больше, чем погрешность
абсолютных магнитных теодолитов. Так же как и маг-
нитные теодолиты, кварцевые магнитометры исполь-
зуются для определения горизонтальной составляю-
щей магнитной индукции поля Земли. Кроме этого,
кварцевые магнитометры широко используются для
измерения магнитных моментов и магнитной воспри-
имчивости слабомагнитных веществ.
Относительно широкое распространение получи-
ли также компенсационные крутильные магнитомет-
ры (тесламетры), в которых использована катушка
баллистического гальванометра.
Так же, как и кварцевые, компенсационные гальва-
нометры, содержащие катушку гальванометра, чаще
всего используются при определении магнитных мо-
ментов магнитной восприимчивости и магнитной ани-
зотропии магнитометрическим методом.
Еще одной разновидностью магнитомеханическо-
го тесламетра являются так называемые магнитные
весы, предложенные А. Шмидтом. Первичным преоб-
разователем магнитных весов служит магнитная
стрелка, расположенная на ножевых опорах в гори-
зонтальном или вертикальном положении; при этом
опоры конструируются таким образом, чтобы центр
тяжести магнитной стрелки находился ниже точек
опоры. В этом случае момент вращения, обусловлен-
ный измеряемой магнитной индукцией, уравновеши-
вается моментом, создаваемым силой тяжести.
Магнитные весы в основном используются для из-
мерения составляющих магнитной индукции поля
Земли и их приращений. Если магнитная стрелка рас-
полагается вертикально, то она реагирует на горизон-
тальную составляющую В^ и оказывается практиче-
ски нечувствительной к составляющей В.. Если же
стрелка расположена горизонтально, то она преиму-
щественно реагирует на Вг.
В современных приборах магнитная стрелка чаще
располагается не на ножевых опорах, а на растянутых
кварцевых или металлических растяжках (нитях), на
которых она подвешивается. В этих случаях проти-
водействующий момент может создаваться как с по-
мощью собственного веса магнитной стрелки, так и с
помощью момента, возникающего при закручивании
нити.
Астатическими обычно называют тесламетры, не-
чувствительные к магнитной индукции однородного
поля. Астатические магнитомеханические тесламетры
используются для измерения магнитной индукции сла-
бого неоднородного (изменяющегося в пространстве)
магнитного поля на фоне медленно изменяющегося во
времени однородного поля (например, поля Земли).
Как правило, такая задача возникает при измерении
магнитного момента, намагниченности или магнитной
восприимчивости слабомагнитных веществ путем из-
мерения в определенной точке пространства магнит-
ной индукции поля, создаваемого намагниченным об-
разцом (магнитометрический метод).
Отличительная особенность магнитометрических
преобразователей состоит в их большой инерционно-
сти, ограничивающей частотный диапазон тесламет-
ров значением порядка единиц герц. Поэтому магни-
томеханические тесламетры переменных полей
используются главным образом в качестве вариомет-
ров — приборов для регистрации вариаций элементов
магнитного поля Земли: склонения, горизонтальной,
восточной, северной и вертикальной составляющих,
изменяющихся с периодом от единиц до тысяч секунд.
Вариометр вертикальной составляющей магнит-
ной индукции поля Земли Bz имеет много общего с
магнитными весами, в которых отсчетная труба заме-
нена линзой и для направления отраженного пучка
света на барабан перед зеркалом помещена призма с
регулировочным винтом.
А.П. Щелкин
571
Гальваномагнитные приборы
Одним из распространенных видов тесламетров,
применяемых чаще всего в диапазоне средних и силь-
ных постоянных и переменных полей (1-102-10) Тл,
являются гальваномагнитные тесламетры Холла.
Эффект Холла, как известно, заключается в воз-
никновении поперечной к направлению тока разно-
сти потенциалов в металле или полупроводнике при
воздействии на него магнитного поля перпендикуляр-
но направлению тока. В наиболее сильной степени
эффект Холла проявляется в таких полупроводниках,
как германий, кремний, антимонид и арсенид индия
и других, характеризующихся большой подвижно-
стью носителей заряда.
Разность потенциалов Ux, возникающая в беско-
нечно длинной полупроводниковой пластине при от-
клонении движущихся в магнитном поле носителей
заряда под действием силы Лоренца Рл (рис. 9а), пря-
мо пропорциональна постоянной Холла Rx магнит-
ной индукции jg в силе тока 1Х и обратно пропор-
циональна толщине пластины d:
Л D ^Х
ux=Rx-± (И)
а
где R,.=klne ( — коэффициент, учитывающий
влияние кристаллической решетки полупроводника
на скорость движения носителей тока; п — концен-
трация носителей заряда; е — заряд электрона).
Приведенная формула, дающая зависимость на-
пряжения Холла Ux только от одного размера — тол-
щины d , справедлива для бесконечно длинной пла-
стины с точечными контактами. На практике имеет
место заметное влияние на Ux отношения длины к
ширине и размеров контактов к длине пластины. Это
влияние нелинейно в зависимости от магнитного по-
ля, так как здесь проявляется шунтирующее действие
проводящих контактов, возрастающее с ростом маг-
нитной индукции. Наблюдается также зависимость
постоянной Холла от магнитной индукции.
В некоторых случаях удается достаточно точно
скомпенсировать влияние этих факторов тщатель-
ным подбором типа полупроводникового материала
и геометрических размеров пластины. При этом не-
линейность коэффициента преобразования может
быть снижена до десятых долей процента. Так, напри-
мер, преобразователь Холла из In Sb с п =6-1017 см3и
размерами 1,5х 0,02 мм имеет коэффициент преобра-
зования Рх =dUx/dB =0,15 В/Тл при нелинейности
функции преобразователя менее 0,5 % и температур-
ном коэффициенте постоянной Холла 0,01 %/К в диа-
пазоне от 0 до 2 Тл.
Нижний предел измерений тесламетров с преоб-
разователями Холла находится на уровне 1 -10'7—1 • 10'5 Тл
и ограничивается такими факторами, как напряжение
термо-ЭДС, напряжение неэквипотенциальности из-
за асимметрии преобразователя, выпрямляющее дей-
ствие сопротивления контактов, шумы и др. Верхний
Рис. 9
а — эффект Холла; б — структурная схема тесламетра Холла постоянного и переменного магнитного поля
........... - . 572 ===================
предел измерения практически не ограничен и может
превышать 10 Тл.
Тесламетры Холла строятся по функциональной
схеме, в которую кроме первичного преобразователя
входят стабилизатор постоянного или переменного то-
ка, питающий его токовую цепь, и вольтметр, предна-
значенный для измерений напряжения Холла, Питание
токовой цепи переменным током в некоторых случаях
является предпочтительным, так как, с одной стороны,
позволяет снизить нестабильность первичного преоб-
разователя (например, исключить влияние термо-
ЭДС), а с другой стороны, повысить точность измере-
ний ЭДС Холла за счет использования избирательно-
го синхронного детектирования полезного сигнала.
Структурная схема тесламетра Холла постоянного
и переменного магнитного поля приведена на рис. 96.
При питании первичного преобразователя 1 перемен-
ным током от стабилизатора тока 2 на холловских элек-
тродах возникает сигнал переменной ЭДС, амплитуда
которой пропорциональна измеряемой магнитной ин-
дукции. Пройдя через избирательный усилитель 3, сиг-
нал поступает на детектор 4, синхронизируемый от ста-
билизатора тока 2. После интегратора-фильтра 5 на-
пряжение измеряется регистрирующим прибором 6,
шкала которого градуируется в единицах магнитной
индукции.
Серийно выпускаемые тесламетры Холла охваты-
вают диапазон измерений 1-10 2-2Тл и характеризу-
ются пределами допускаемой погрешности измере-
ний от 1 до 4 %. Погрешность некоторых приборов
индивидуального изготовления снижена до 0,1 %.
В.Я. Шифрин
573
Средства измерений магнитных параметров
магнитных материалов
Магнитные параметры материалов
Применение магнитных материалов обусловлено
их способностью намагничиваться внешними магнит-
ными полями. Процесс намагничивания описывает-
ся значительным числом магнитных параметров,
стандартизация которых в конечном счете способст-
вует обеспечению единства измерений.
Намагниченность технического насыщения — на-
магниченность магнитного материала, равная само-
произвольной намагниченности составляющих его
доменов и достигаемая при такой напряженности на-
магничивающего поля, увеличение которой не может
привести к существующему увеличению намагничен-
ности.
Размагничивание — процесс, в результате которо-
го намагниченность магнитного материала уменьша-
ется до нуля под воздействием температуры или внеш-
него магнитного поля. Размагниченное состояние —
состояние магнитного материала, при котором зна-
чение его намагниченности равно нулю.
Термически размагниченное состояние — состоя-
ние, полученное нагревом материала выше точки Кю-
ри и последующим охлаждением его при отсутствии
внешнего магнитного поля.
Статически размагниченное состояние — состоя-
ние, полученное намагничиванием магнитного мате-
риала до такого значения внешним равномерно изме-
няющимся полем, что при удалении последнего намаг-
ниченность становится равной нулю.
Динамически размагниченное состояние — состоя-
ние, полученное намагничиванием магнитного мате-
риала внешним знакопеременным периодическим
магнитным полем, амплитуда напряженности которо-
го уменьшается от значения, соответствующего намаг-
ниченности технического насыщения, до нуля.
Параметры основной кривой намагничивания. Основ-
ной кривой намагничивания называется зависимость
намагниченности (или магнитной индукции) предва-
рительно термически или динамически размагничен-
ного магнитного материала от напряженности (для
знакопеременного поля — от амплитуды) намагничи-
вающего поля, полученная при возрастании напря-
женности (амплитуды) поля от нуля до значения, со-
ответствующего состоянию технического насыщения
магнитного материала.
Так как параметры основных кривых намагничи-
вания различаются по значению в зависимости от спо-
соба получения размагниченного состояния и харак-
тера изменения намагничивающего поля в процессе
определения основной кривой, то встречается не-
сколько ее модификаций. Если в исходном состоянии
магнитный материал был термически размагничен и
намагниченность (магнитная индукция) определялась
в знакопостоянном поле, то такую кривую называют
первоначальной. Коммутационная кривая намагничи-
вания определяется на термически или динамически
размагниченных материалах способом коммутаций
намагничивающего поля. Наконец, на современных
автоматизированных установках основная кривая на-
магничивания определяется в знакопостоянном поле
при его ступенчатом или непрерывном возрастании.
Назовем полученные таким способом кривые соответ-
ственно ступенчатой и непрерывной.
Коэффициент пропорциональности, определяе-
мый как отношение магнитной индукции к напряжен-
ности поля в любой точке основной кривой намагни-
чивания, носит название абсолютной магнитной про-
ницаемости.
Параметры петли гистерезиса. При наложении на на-
магниченный материал магнитного поля с убывающей
напряженностью его магнитное состояние будет изме-
няться по кривой намагничивания, не совпадающей с
основной кривой. Петлей гистерезиса называется за-
висимость намагниченности (магнитной индукции)
магнитного материала от напряженности намагничи-
вающего поля при условии, что напряженность поля
периодически (не менее чем двукратно) и достаточно
медленно изменяется от одного фиксированного зна-
чения до другого и этим значениям соответствуют ус-
тановившиеся значения намагниченности (магнитной
индукции) магнитного материала.
Явление магнитного гистерезиса объясняется не-
обратимыми процессами смещения доменных границ
и вращения векторов намагниченности доменов. В об-
ластях очень слабых и сильных полей, когда намагни-
чивание происходит за счет обратимых процессов
смещения и вращения, гистерезис не наблюдается.
При изменении напряженности поля в пределах от
+Н Д° -Н петля гистерезиса будет симметрична от-
носительно начала координат (симметричная петля).
Если к тому же максимальное значение Нтт напря-
женности поля равно напряженности поля насыще-
ния Hs и Bmax =BS, то петля гистерезиса называется
предельной.
Петли гистерезиса, для которых соблюдается ус-
ловие Нтгл < Hs, называется частными петлями гис-
терезиса. Все частные петли (симметричные и несим-
метричные) лежат внутри предельной петли. При пе-
ремагничивании магнитного материала по петле
гистерезиса при фиксированном значении Нтм.
574
вершины петли в течение нескольких первых перио-
дов смещаются в сторону больших магнитных индук-
ции, что особенно заметно на чартных петлях гисте-
резиса. Число периодов перемагничивания для полу-
чения установившейся петли гистерезиса зависит от
типа магнитного материала и, как правило, находит-
ся в пределах от 3 до 10.
Основными параметрами петли гистерезиса яв-
ляются точки ее пересечения с осями координат:
отаточная индукция Вг (намагниченность Мг) и ко-
эрцитивная сила Нс. Остаточной индукцией (намаг-
ниченностью) называется магнитная индукция (намаг-
ниченность) предварительно намагниченного до на-
сыщения материала при равной нулю напряженности
магнитного поля в нем, а коэрцитивной силой — зна-
чение напряженности магнитного поля, необходимое
для сведения к нулю магнитной индукции (намагничен-
ности) в предварительно намагниченном до насыще-
ния магнитном материале.
Точки пересечения частной петли гистерезиса с
осями координат условно тоже называют остаточной
индукцией и коэрцитивной силой на частной петле и
обозначают соответственно В?г и Н'с.
Параметры безгистерезисной кривой намагничивания.
Намагничиванию магнитного материала до насыще-
ния уже в слабых полях препятствуют силы внутрен-
него трения, обусловленные механизмом его намагни-
чивания: процессы смещения доменных границ и вра-
щения доменов требуют затраты энергии источника
намагничивающего поля. Если магнитный материал
поместить в слабое магнитное поле, а энергию для пре-
одоления сил внутреннего трения подавать от сторон-
него источника, то можно получить безгистерезисную
кривую намагничивания, под которой понимают зави-
симость намагниченности (или магнитной индукции)
магнитного материала от напряженности намагничи-
вающего поля, полученную при термическом или ди-
намическом размагничивании материала при каждом
значении напряженности поля. Безгистерезисное на-
магничивание магнитного материала, кроме того, мо-
жет быть получено путем его механического встряхи-
вания или вибрации. Характерными особенностями
безгистерезисной кривой намагничивания являются
отсутствие гистерезиса, высокое значение магнитной
индукции, близкое к насыщению, достигаемое уже в
слабых полях, большое значение магнитной проницае-
мости = Ba h/Ha h , которое практически постоян-
но в диапазоне магнитных индукций от нуля до (0,5-
0,7) В.. Отклонение безгистерезисной кривой от оси
ординат обусловлено дефектами кристаллической
структуры материала и равносильно наличию в мате-
риале внутренних размагничивающих полей.
Магнитная аккомодация. Аккомодацией называется
явление временного изменения магнитных парамет-
ров магнитного материала после воздействия на него
факторов: температуры, магнитного поля, механиче-
ских сотрясений или радиоактивного облучения. Прак-
тическое значение этого явления состоит в том, что
магнитные параметры материалов, измеренные сразу
же после воздействия одного из факторов и через не-
который промежуток времени, отличаются по значе-
нию. Так, значение магнитной проницаемости, особен-
но в области малых напряженностей поля, непосред-
ственно после размагничивания заметно больше, чем
установившееся со временем. Значение магнитной
проницаемости зависит также и от способа достиже-
ния размагниченного состояния, что объясняется раз-
личием в доменной структуре, получаемой при разных
способах размагничивания. Одно из проявлений маг-
нитной аккомодации состоит в смещении вершин ча-
стных петель гистерезиса при коммутации намагничи-
вающего поля.
Явление уменьшения магнитной проницаемости
с течением времени размагничивания или воздейст-
вия на магнитной материал внешних факторов назы-
вается дезаккомодацией.
С течением времени магнитные параметры маг-
нитного материала принимают установившиеся зна-
чения. Время установления определяется в основном
химическим составом и структурой материала.
Особенности намагничивания магнитных мате-
риалов в периодических и импульсных магнитных по-
лях в значительной мере обусловлены явлениями, не
имеющими места (или, по крайней мере, несуществен-
ными) в условиях статического и квазистатического
намагничивания. К факторам, оказывающим замет-
ное влияние на динамические магнитные параметры,
относятся вихревые токи в магнитном материале и
его магнитное последействие. Каждый из этих фак-
торов, в свою очередь, зависит от многих других, в
том числе от состава и структуры магнитного мате-
риала, его статических параметров, частоты и харак-
тера изменения намагничивающего поля, размеров
испытуемого образца, формы кривых магнитной ин-
дукции и напряженности и напряженности поля. В
связи с этим динамические магнитные параметры мо-
гут лишь условно называться параметрами магнитно-
го материала и без указания конкретных условий их
получения теряют свое практическое значение.
Намагничивание магнитным полем напряженностью,
изменяющейся по периодическому закону. Этот вид намаг-
ничивания лежит в основе принципа действия различ-
ных электрических машин и трансформаторов. Под
воздействием переменного магнитного поля измене-
ние магнитного состояния магнитного материала со-
ответствует динамической петле намагничивания. В
общем случае магнитная индукция и напряженность
поля, характеризующие динамическую петлю намаг-
ничивания, представляют собой различные функции
времени, и поэтому интерпретация результатов изме-
рений затруднена. Значения в (при н =0) при намаг-
ничивании материала в переменном магнитном поле
принято условно называть динамической остаточной
магнитной индукцией и динамической коэрцитивной
силой.
Намагничивание двумя магнитными полями. Устрой-
ства, работающие в условиях одновременного воздей-
ствия двух магнитных полей различных частот и на-
правлений (магнитные усилители, трансформаторы,
дроссели и ферромодуляционные преобразователи),
характеризуются различными видами зависимостей,
основные из которых следующие:
— если одно из полей постоянное, то такими зави-
симостями являются:
Втах= — зависимость максимального
значения переменной составляющей магнитной ин-
дукции от максимального значения напряженности
переменного поля для различных значений напря-
женности постоянного подмагничивающего поля;
Ап ах — /(Я-к1ах — зависимость Втах от напря-
женности постоянного поля для значений Нтах пе-
ременного поля;
А = — зависимость мощности суммарных
потерь от Н _ для значений амплитуды магнитной ин-
дукции при B(z)=B,i„;
Am = -)нт — зависимость амплитуды второй
гармоники от Н _ для значений амплитуды напряжен-
ности переменного поля Нт;
— если намагничивающие поля периодические с
частотами , то процесс намагничивания ха-
рактеризуется семействами зависимостей:
(^тах = Жах)а1 ДЛЯ Значении (^max)ag 5
(АпахХа = /(Ятах)ag ДЛЯ Значении (/Aiax .
Выбор необходимых магнитных параметров уст-
ройств при одновременном намагничивании двумя
полями определяется физическими процессами на-
магничивания, составляющими их принцип действия.
Намагничивание импульсными магнитными полями.
Этот вид намагничивания встречается в импульсных
трансформаторах и магнитных элементах устройств
вычислительной техники. Соответственно измене-
ние магнитного состояния магнитного материала со-
ответствует частным несимметричным динамиче-
ским петлям гистерезиса или предельной петле. В пер-
вом случае основными характеристиками являются:
= ДВ/АН = f(&H) — зависимость средней или им-
пульсной магнитной проницаемости на частной пет-
ле гистерезиса от напряженности импульсного маг-
нитного поля; р = f(bB~) — зависимость удельных по-
терь на перемагничивание от приращения магнитной
индукции.
Для импульсных устройств вычислительной тех-
ники основными динамическими характеристиками
являются: 1/г= /(Нтлх) — зависимость времени пере-
магничивания от амплитуды напряженности импульс-
ного поля, где г — интервал времени, в течение кото-
рого индукция в материале изменяется от +ВГ до -Bs;
(<®Мкх=/(Яп,ах) — зависимость производной от ам-
плитуды напряженности импульсного поля. Эта зави-
симость позволяет определить и другие динамические
параметры, в том числе напряженность поля старта,
коэффициент переключения, приведенное динамиче-
ское сопротивление.
Испытуемые образцы и методы
измерений их характеристик
Виды магнитных цепей. Определение магнитных
параметров материала связано с воздействием маг-
нитного поля на испытуемый образец и измерением
отклика образца на это воздействие, причем измере-
ния производятся на образцах определенной формы
и размеров, выбираемых в зависимости от вида мате-
риала, измеряемого параметра, метода и средства из-
мерения. Испытуемые образцы в совокупности с ис-
точниками магнитодвижущей силы и устройствами
для проведения магнитного потока образуют магнит-
ные цепи. Элементы магнитной цепи могут быть вы-
полнены из магнитного и слабомагнитного материа-
ла, а также могут представлять собой участки с воз-
душными зазорами.
Замкнутой называется магнитная цепь (ЗМЦ), в ко-
торой отсутствуют участки из материала с магнитной
проницаемостью, меньшей, чем проницаемость мате-
риала образца. Разомкнутой будем называть магнитную
цепь (РМЦ), в которой магнитный поток намагничен-
ного образца замыкается через среду с магнитной про-
ницаемостью, значительно меньшей проницаемости
материала образца (например, через воздух). Приме-
ром ЗМЦ может служить кольцевой образец, намагни-
чиваемый магнитным полем тока обмотки, навитой на
него, или провода проходящего через центр, или
стержневой образец, замкнутый ярмом, магнитное со-
противление которого много меньше магнитного со-
противление образца. Примером РМЦ служит кольце-
вой образец с вырезом или стержневой образец, на-
магничиваемый полем катушки с током.
По сравнению с ЗМЦ измерения в РМЦ осложне-
ны необходимостью определения напряженности
магнитного поля, намагничивающего материал образ-
ца. Напряженность Н этого поля, называемым так-
же истинным или эффективным, не совпадает с на-
пряженностью НТ поля, создаваемого намагничи-
вающим устройством, а магнитный поток образца при
заданном значении Нт оказывается меньше в РМЦ.
Объяснение этого явления заключается в том, что
часть МДС микроскопических токов, обусловленных
намагниченностью образца, расходуется на проведе-
ние магнитного потока вне образца, т.е. на создание
магнитного поля в окружающем его пространстве. От-
сюда следует дополнительное условие осуществления
ЗМЦ; магнитное сопротивление составляющих его
участков, исключая испытуемый образец, должно
быть минимальным. В противном случае неизбежна
потеря части МДС.
В некоторых случаях используют понятие частич-
но замкнутой, или, что одно и то же, частично разомк-
нутой магнитной цепи, под которой понимают маг-
нитную цепь, содержащую, помимо образца, участки
с минимальным магнитным сопротивлением и участ-
ки с магнитной проницаемостью значительно мень-
шей проницаемости материала образца. Так, напри-
мер, частично замкнутую магнитную цепь образуют
стержневой образец МТМ, ярмо электромагнита, в ко-
торое он помещен, и специально созданные воздуш-
ные зазоры между ярмом и образцом для помещения
в них измерительных приборов.
576
Образцы для испытаний и намагничивающие
устройства. При испытании магнитных материалов
встречаются два основных случая:
— измерение магнитных параметров магнитных
материалов данной партии или определенной марки;
— измерение магнитных параметров на конкрет-
ных образцах или изделиях.
В первом случае возможен выбор оптимальной
формы и размеров испытуемого образца в соответст-
вии с измеряемыми магнитными параметрами; во вто-
ром — форма и размеры испытуемого образца зачас-
тую определяют номенклатуру магнитных парамет-
ров, которые можно измерить с заданной точностью.
Для измерения магнитных параметров материа-
лов с нормированной погрешностью используют об-
разцы правильной формы. К испытуемым образцам
предъявляются следующие требования:
— материал образца должен быть идентичен по
свойствам контролируемому материалу и соответст-
вующим образом термически обработан;
— размеры образца должны быть такими, чтобы
было возможно исключить или учесть влияние его
формы на результат измерений. Следует отметить,
что не существует „идеальной" формы образца, кото-
рая не вносила бы погрешности в результат измере-
ний. Правильный выбор соотношений размеров об-
разца позволяет снизить эту погрешность до прием-
лемого минимума;
— точность изготовления и степени чистоты по-
верхности образца должны удовлетворять требовани-
ям стандартов на методы испытаний или заданной по-
грешности измерений.
При намагничивании образцов должны соблю-
даться следующие условия:
— однородность намагничивания всего объема об-
разца, кроме стержня и куба, испытуемых в РМЦ;
— отсутствие динамических эффектов, вызываю-
щих отличие измеренных магнитных параметров от
статических. Первое условие выполняется при пра-
вильном выборе конструкции намагничивающего уст-
ройства, второе — путем обеспечения необходимого
режима измерения.
Рассмотрим основные употребляемые в практике
измерений формы образцов и устройства для их на-
магничивания с точки зрения перечисленных требо-
ваний.
Кольцо — наиболее распространенная форма об-
разца для испытаний в ЗМЦ, применение которой
при правильно выбранных соотношениях геометри-
ческих размеров практически не вносит дополнитель-
ных погрешностей измерений. Намагничивание коль-
ца осуществляется магнитным полем равномерно на-
витой на него обмотки с током или магнитным полем
прямолинейного проводника, расположенного на его
оси.
Кольцевые образцы используют для испытаний в
слабых и средних магнитных полях МММ всех видов,
причем для высокопроницаемых материалов это
практически единственно приемлемая форма.
Прямолинейные стержневые образы, в том числе
полосы и листы, применяются для испытаний в РМЦ
и ЗМЦ. Условия измерений, близкие к ЗМЦ, осущест-
вляются посредством использования магнитопрово-
дов различных конструкций или составления магнит-
ной цепи из самих испытуемых образцов. Для испыта-
ния образцов МММ используют магнитопроводы, со-
стоящие из массивного набираемого из достаточно
тонких полос ярма, выполненного из материалов с ко-
эрцитивной силой, значительно меньшей или, в край-
нем случае, равной коэрцитивной силе материала об-
разца, и полюсных наконечников из магнитного мате-
риала, форма которых обеспечивает минимальное
сопротивление в местах контакта с образцом. Намаг-
ничивание образцов производится с помощью катуш-
ки с током, которая располагается либо на самом ярме,
либо между полюсными наконечниками, охватывая ис-
пытуемый образец. Магнитопровод и намагничиваю-
щая катушка составляют основу пермеаметров различ-
ный конструкций, применяемых для испытаний МММ
в средних и сильных магнитных полях.
Испытания стержневых образцов МТМ в ЗМЦ
проводят в электромагнитах, состоящих из тех же час-
тей, что и пермеаметры, но их конструкции рассчи-
таны на создание сильных магнитных полей, доста-
точных для намагничивания испытуемых образцов до
насыщения. Дополнительными требованиями явля-
ются достаточная однородность поля в объеме, зани-
маемом образцом, плоскостность и параллельность
торцевых поверхностей полюсных наконечников. Яр-
мо электромагнита индукционно-импульсных устано-
вок изготавливают из листовой электротехнической
стали, что уменьшает его общую индуктивность, сле-
довательно, и длительность процесса установления
намагничивающего тока и импульса ЭДС в измери-
тельной цепи. Полюсные наконечники изготавлива-
ют из низкоуглеродистой стали с целью сния&ния по-
грешности от подмагничивающего воздействия их ос-
таточного магнитного потока. Напряженность
магнитного поля в рабочем объеме электромагнита
определяют, как правило, измерениями одним из ме-
тодов, описанных ниже. Испытуемые образцы имеют
форму прямоугольных параллелепипедов, цилинд-
ров, дисков и колец (диски и кольца намагничивают-
ся вдоль оси). Торцевые поверхности должны быть
параллельны друг другу и перпендикулярны его оси;
все поверхности образца шлифуются. Необходимая
однородность поля обеспечивается в том случае, ес-
ли длина образца не превышает поперечного разме-
ра полюсного наконечника, а его диаметр или сторо-
на — половины этого размера.
При испытаниях МТМ в ЗМЦ воздушные (немаг-
нитные) зазоры между образцом и полюсными нако-
нечниками электромагнита должны быть минималь-
ными, однако в некоторых случаях их наличие обу-
словлено принципом действия СИ или особенностью
самого образца. Это имеет место, например, при ис-
пытании порошков, когда форма и размеры образца
определяются внутренней полостью капсулы. В этом
случае неизбежно появление немагнитных зазоров,
т.е. магнитная цепь становится частично замкнутой,
форма испытуемых образцов в данном случае не от-
личается от формы образцов при испытаниях в ЗМЦ.
Испытания образцов МММ в частично замкнутой маг-
нитной цепи проводятся, как правило, для выявления
отклонения отдельных контролируемых параметров
от номинальных значений. С этой целью применяют-
ся приборы различных конструкций, в том числе и
дифференциальные, основу которых составляют маг-
577
нитопровод с измерительным преобразователем той
или иной конструкции. При этом форма контролируе-
мых изделий может отличаться от правильной.
Наиболее распространенной формой объемного
образца для испытаний магнитных материалов в РМЦ
является прямолинейный стержень круглого или пря-
моугольного сечения, отличающийся простотой изго-
товления и точностью контроля геометрических раз-
меров. Стержневые образцы применяются для испы-
таний в РМЦ всех видов магнитных материалов,
однако номенклатура определяемых магнитных пара-
метров ферромагнитных материалов ограничена.
В отдельных случаях, когда по разным причинам
испытание ферромагнитных материалов проводится
в РМЦ и применение стержневых образцов для опре-
деления требуемых магнитных парамет ров невозмож-
но, образцам придается форма эллипсоида. Замеча-
тельное свойство эллипсоида состоит в том, что его
коэффициент размагничивания не зависит от магнит-
ных параметров материала, а зависит только от его
геометрических размеров. При этом обязательным ус-
ловием является однородность и изотропность мате-
риала эллипсоида. Погрешность измерений магнит
ных параметров материала обуславливается прежде
всего отклонением формы образца от эллипсоидаль-
ной формы, что связано с трудностью его изготовле-
ния, поэтому такие образцы применяются относи-
тельно редко. Образцы шаровой формы, напротив,
получили большое распространение в практике изме-
рений вследствие относительной простоты и высо-
кой точности изготовления. Кроме того, шаровые об-
разцы ферромагнитных материалов широко исполь-
зуются в качестве элементов радиотехнических
устройств.
Тонкослойные образцы магнитных материалов
как объекты исследований привлекли внимание срав-
нительно недавно в связи с развитием вычислитель-
ной техники и техники магнитной записи. В качест-
ве элементов вычислительных машин используются
тонкие магнитные пленки (ТМП) МММ с коэрцитив-
ной силой не более 400 А/м, толщиной от тысячных
долей до единиц микрометров и остальными разме-
рами от долей до десятка миллиметров. Магнитотвер-
дые покрытия с коэрцитивной силой до 100 кЛ/м и
толщиной 0,1-20 мкм применяются в магнитной за-
писи информации в качестве магнитной основы но-
сителей записи.
Для намагничивания образцов в РМЦ могут быть
использованы катушки разнообразных конструкций
и электромагниты. Выбор намагничивающего устрой-
ства зависит от вида магнитного материала и опреде-
ляемого магнитного параметра. Для намагничивания
образцов ТМП применяют многослойные катушки,
как правило, наиболее технологичных конструкций,
например, катушки 1ельмгольца и Баркера, обеспечи-
вающие удобный доступ в рабочее пространство и вы-
сокую однородность магнитного поля, напряжен-
ность которого достаточна для намагничивания об-
разцов до насыщения. Намагничивание стержневых
и эллипсоидальных образцов, а также образцов в фор-
ме куба, шара и диска осуществляется многослойны-
ми соленоидами, конструкция которых рассчитыва-
ются из условия достижения требуемых значений на-
пряженности магнитного поля и его однородности.
Минимальная длина соленоида при максимальных
размерах зоны однородного (в заданных пределах)
магнитного поля обеспечивается обмотками специ-
альной формы, например, обмотки Жерара-Созада,
Монтгомери и др.
Методы измерений магнитных параметров маг-
нитных материалов. Эффективное использование
магнитных материалов в технике невозможно без пол-
ного и всестороннего контроля их магнитных пара-
мет ров, для чего разработаны и применяются на прак-
тике различные методы измерений. Несмотря на
большое количество нормируемых магнитных пара-
метров число измеряемых физических величин, по
которым определяются эти параметры, ограничено.
Основными из них являются магнитный момент, маг-
нитная индукция и магнитный поток, что позволяет
систематизировать методы измерений по виду изме-
ряемой физической величины, не ограничиваясь про-
стым их перечислением.
Измерение магнитного момента тела с помощью
свободно поворачивающейся магнитной стрелки бы-
ло, по-видимому, первым методом исследования, при-
мененным для определения магнитных свойств ве-
ществ. Тело (стержень, куб, шар) конечных размеров,
находящееся в магнитном поле Земли или намагни-
чиваемое постоянным магнитным полем стороннего
источника (соленоида), приобретает в этом поле маг-
нитный момент т , связанный с объемом тела V со-
отношением т-М\ • Силовое взаимодействие маг-
нитного поля, создаваемого этим телом, и намагни-
ченной стрелки вызывает момент вращения и, как
следствие, ее отклонение наугол а, пропорциональ-
ный магнитному моменту тела: а= km , где k — коэф-
фициент преобразования, зависящий от расстояния
между стрелкой и телом и конструкции преобразова-
теля. Установившемуся значению д'соответствует ра-
венство направленных встречно моментов вращения
и кручения нити подвеса стрелки. По значению т,
зная объем образца и напряженность намагничиваю-
щего поля, можно рассчитать его магнитные парамет-
ры, а с учетом формы образца — найти и магнитные
параметры материала.
Современные магнитометры имеют очень высо-
кую чувствительность и позволяют испытывать сла-
бомагнитные и слабоферромагнитные вещества. Из-
мерение магнитных параметров ферромагнитных ма-
териалов магнитометрическим методом практически
не производится в связи с невозможностью з боль-
шинстве случаев учесть с достаточной точностью
влияние формы образца на результат измерений, про
изводимых, как это следует из описания метода, в
РМЦ.
Динамометрические (силометрические) методы
измерений основаны на явлении возникновения си-
лы. действующей на намагниченное тело в магнитном
поле. Испытуемый образец, имеющий форму стерж-
ня, шара или куба и намагниченный постоянным маг-
нитным полем (электромагнита или соленоида), ис-
пытывает со стороны последнего воздействия силы
Р , пропорциональной его магнитному моменту:
F= km , где k — коэффициент преобразования, зави-
сящий от значений градиента магнитной индукции в
19 Зак 450
578
месте расположения образца. Установки, реализую-
щие динамометрические методы измерений, отличают-
ся высокой чувствительностью за счет применения в
качестве измерительного прибора микровесов различ-
ных конструкций и используются для испытаний сла-
бомагнитных и слабоферромагнитных веществ на об-
разцах размеров — от долей до десятков миллиметров.
Методы измерений магнитной индукции в прак-
тике испытаний магнитных материалов используют-
ся как для измерений параметров магнитного поля,
намагничивающего испытуемый образец, так и для из-
мерений магнитной индукции в образцах ферромаг-
нитных материалов. Для измерений с высокой точ-
ностью магнитной индукции постоянного магнитно-
го поля в рабочем пространстве намагничивающих
устройств используются приборы, основанные на ме-
тоде вынужденной ядерной прецессии, в которых из-
меряемая величина преобразуется в напряжение с час-
тотой еа=ЛВ,где k — коэффициентпреобразования,
зависящий от вида рабочего вещества, используемо-
го в преобразователе. Ядерно-прецессионные прибо-
ры позволяют измерять магнитную индукцию с наи-
высшей точностью и используются, как правило, для
поверки намагничивающих устройств в диапазоне
5Ю2-2,5 Тл.
Приборы с ферроиндукционными (феррозондо-
выми) преобразователями используются для измере-
ний магнитной индукции слабых магнитных полей
(В<10’’Тл) и применяются преимущественно при ис-
пытаниях МММ. Работа феррозондовых приборов ха
растеризуется уравнением преобразования e=kB, в
котором коэффициент k зависит от нескольких фак-
торов, основным из которых является магнитная про-
ницаемость сердечника феррозонда. Область приме-
нения феррозондовых приборов — измерение индук-
ции магнитного поля, создаваемого намагниченными
в РМЦ миниатюрными образцами и ТМП; эти прибо-
ры могут применяться в качестве чувствительных нуль-
индикаторов при измерениях в РМЦ коэрцитивной
силы. Погрешность измерений феррозондовых при-
боров, используемых в магнитоизмерительных уста-
новках, как правило, составляет единицы процентов.
Применение магнитооптических методов в маг-
нитных измерениях основано на явлениях плоскости
поляризации светового излучения при прохождении
через прозрачные вещества, находящиеся в магнит-
ном поле (эффект Фарадея), или отражения от зер-
кальной поверхности намагниченных ферромагнит-
ных веществ (эффект Керра). При этом угол враще-
ния плоскости поляризации а пропорционален
магнитной индукции в веществе: а=кВ , или намаг-
ниченности: a=kM (для ферромагнитных веществ).
Коэффициент пропорциональности характеризует
соответственно оптические свойства или отражатель-
ную способность вещества. Магнитополяриметры на-
ходят применение для измерений магнитооптических
и магнитных параметров (в микрообъемах) ферромаг-
нитных материалов на образцах ТМП и образцах в ви-
де стержней и колец в статическом и динамическом
режимах намагничивания.
Из средств измерений магнитной индукции наи-
более широко в испытаниях магнитных материалов
используются приборы с гальваномагнитными преоб-
разователями, принцип действия которых основан на
взаимодействии движущегося заряда с магнитным по-
лем. На практике используется эффект Холла, кото-
рый заключается в возникновении в преобразовате-
ле (проводнике или полупроводнике), помещенном
в магнитном поле, ЭДС, пропорциональной магнит-
ной индукции, и эффект Гаусса, состоящий в измене-
нии электрического сопротивления преобразователя
в зависимости от магнитной индукции. Коэффициент
пропорциональности между ЭДС и сопротивлением,
с одной стороны, и магнитной индукцией, с другой,
зависит от материала пластины преобразователя, ее
размеров и т.д.
Индукционный метод измерений получил наи-
большее распространение при испытаниях ферромаг-
нитных материалов вследствие его универсальности,
заключающейся в возможности проводить измерения
на образцах любой формы в ЗМЦ и РМЦ, в постоян-
ных и переменных магнитных полях практически
всей номенклатуры ферромагнитных материалов.
Приборы с индукционными преобразователями нахо-
дят широкое применение для измерений параметров
магнитных полей и материалов. Коэффициент про-
порциональности, связывающий значение производ-
ной по времени магнитного потока с наведенной ЭДС
в преобразователе, зависит от конструкции измери-
тельного преобразователя и числа витков его обмот-
ки. Если обмотка измерительного преобразователя
выполнена сверхпроводящей, то любое изменение
сцепленного с ней магнитного потока вызывает неза-
тухающий ток сверхпроводимости, что приводит к
возникновению магнитного поля. Магнитная индук-
ция этого поля связана с приращением дф магнит-
ного потока соотношением B = k&&/L , где k — коэф-
фициент, зависящий от числа витков и конструкции
обмотки; £ — ее индуктивность. Устройства для из-
мерения магнитного потока, использующие явление
сверхпроводимости, являются наиболее чувствитель-
ными из известных и перспективных для использова-
ния в магнитоизмерительных установках.
Средства измерений магнитных
параметров материалов в замкнутой
магнитной цепи
Установки, работа которых основана на индукци-
онно-импульсном методе измерений
Установки с коммутационным режимом измерений. На-
магничивающая цепь установки содержит источник то-
ка для намагничивания (размагничивания) испытуемо-
го образца, регулятор тока, переключатель направле-
ния тока, устройство управления, намагничивающее
устройство и амперметр. Измерительная цепь содер-
жит индукционную измерительную катушку и измери-
тель магнитного потока в канале измерения магнитной
индукции (намагниченности) образца и измеритель-
ный преобразователь и измеритель напряженности
магнитного поля в канале измерения напряженности
магнитного поля. Намагничивающая цепь установки
служит для создания в рабочем объеме магнитного по-
ля, изменяющегося в соответствии с требуемым режи-
мом намагничивания, а также для косвенного измере-
ния его напряженности по току и постоянной.
========== 579
Процесс измерений на установке заключается в ус-
тановлении требуемого значения напряженности на-
магничивающего поля, его коммутации и последую-
щего отсчета показаний микровеберметра. При этом
предполагается, что время, затрачиваемое операто-
ром на коммутацию тока и считывание показаний из-
мерительных приборов, заведомо больше времени
полного намагничивания испытуемых образцов и ди-
намическая погрешность измерений отсутствует.
При испытании образцов МММ с малым временем
перемагничивания к переключающим устройствам
индукционно-импульсной установки предъявляются
дополнительные требования. Переключатели долж-
ны обеспечить коммутацию намагничивающего тока
при условии его апериодического изменения Меха-
нические и электромеханические переключатели ха-
рактеризуются вибрацией цепи при коммутации то-
ка MOjyr возникать колебания с частотой от десятков
герц до нескольких килогерц.
Индукционно-импульсные установки для испыта-
ний образцов МТ М различаются конструкцией намаг-
ничивающего и измерительного устройств в канале
измерения // . Для намагничивания образцов приме-
няются электромагниты, а для измерения напряжен-
ности намагничивающего поля — приборы с гальва-
номагнитными или индукционными преобразовате-
лями.
Для испытаний высокоэрцитивных материалов с
Нс >400 кА/м используются установки, снабженные
устройствами импульсного намагничивания.
Процесс измерений на установке с импульсным на-
магничиванием отличается от описанного выше до-
полнительными операциями включения и переклю-
чения импульсного тока попеременно с постоянным.
Если намагничивание образца производят в отдель-
ной намагничивающей катушке, то при помещении
образца в электромагнит его „домагничивают" посто-
янным магнитным полем максимальной напряженно-
сти, а затем уже производят измерения.
Индукционно-импульсные установки с коммутаци-
онным режимом измерений являются наиболее рас
пространепными СИ СМИ магнитных материалов. Их
отличает достаточного высокая точность и воспроиз-
водимость измерений, многолетняя эксплуатация и об-
щепринятость метода измерений, зафиксированного
в ряде нормативных документов на методы и средства
контроля качества магнитных материалов. Недостат-
ком этих СИ является трудоемкость измерений и слож-
ность их автоматизации. Следует отметить также и ог-
раничение в использовании индукционно-импульсных
установок для испытаний МММ, обусловленное их не-
достаточной чувствительностью, не позволяющей ис-
пытывать миниатюрные образцы, в том числе широ-
ко применяемые в вычислительной технике микросер-
дечники ферритов диаметром 0,3-2 мм, даже при
использовании высокочувствительных микровебер-
метров Ф191.
Установки с импульсным режимом измерений. Они
применяются для измерений СМП миниатюрных об-
разцов, отличающихся малым временем перемагни-
чивания (доли микросекунды) и малым магнитным по-
током (10^-1012Вб). Используемый в установках прин-
цип измерения состоит в преобразовании малых
приращений магнитного потока в импульсы ЭДС и по-
следующего измерения их средних значений или ам-
плитудных значений проинтегрированного сигнала.
Недостатком первого способа преобразования явля-
ется зависимость выходного сигнала от частоты пе-
ремагничивания, так как , второй же спо-
соб свободен от этого недостатка и может обеспечить
более высокую чувствительность и точность измере-
ний.
Погрешности измерений на установке магнитно-
го потока и МДС определяются в основном классом
точности применяемых приборов и при применении
в обоих каналах в качестве РП цифровых вольтмет-
ров составляют “0,1 %, 4- =0,05 %.
Преимуществами подобного типа установок явля
ются сочетание высокой степени автоматизации, ха-
рактерной для установок с непрерывным режимом из-
мерений, и высокой точности индукционно-импульс-
ных установок, возможность компенсации
напряжения дрейфа нулевого сигнала измерителя маг-
нитного потока в процессе измерений и снижение тре-
бований к его быстродействию и быстродействию ре-
гистрирующего прибора.
Установки, работа которых основана на индук
циоппо-пепрерывшлм методе измерений.
Установки с простыми фирмами изменения напряжен-
ности намагничивающего пиля. Они применяются при
испытаниях однотипных образцов, когда возможно
введение постоянной поправки в результаты измере-
ний, исключающей динамическую погрешность, на-
пример, путем градуировки установок по стандарт-
ным образцам, близким по параметрам к испытуемым.
Установки целесообразно использовать также при ис-
пытаниях образцов, обладающих малой инерционно-
стью процессов перемагничивания, в том числе об-
разцов ферритов, миниатюрных образцов МТМ и т.п.
Установки с настраиваемой программой изменения на
пряженности намагничивающего поля. Эти уста новки це-
лесообразно применять в тех же случаях, чго и уста
новки с простыми формами изменения магнитного
поля. Однако реализация программы намагничива-
ния при условии с№>/dt const уменьшает время изме
рений и повышает точность. При построении намаг-
ничивающих устройств основной является задача со-
блюдения указанного условия для обеспечения
требуемой точности измерений.
Системы с настраиваемой программой устойчивы,
просты и надежны в эксплуатации. Программа изме-
нения H(t) в процессе настройки и измерений может
контролироваться и подстраиваться оператором по
степени приближения d&/dt к константе или авто-
матически с помощью управляющего (самонастраи-
вающегося) устройства, при этом параметры намагни-
чивающего поля (форма и частота) определяются
характером зависимости В (Н ) и геометрическими
размерами испытуемого образца. Намагничивающее
устройство установок подобного типа состоит из бло-
ка управления с задающим устройством и управляемо-
го источника тока. Задающее устройство является низ-
кочастотным генератором периодических сигналов
несинусоидальной формы.
580
Установки с автоматически вырабатываемой програм-
мой изменения напряженности намагничивающего поля.
Они обеспечивают более точное поддержание усло-
вия d&ldt = const за счет введения цепи отрицатель-
ной обратной связи по отклонению значения выход-
ного параметра от заданного.
Главным условием функционирования намагничи-
вающих устройств установок является их устойчи-
вость в широком диапазоне изменений параметров
объектов измерения. Для его осуществления необхо-
димо в процессе работы изменять параметры блока
управления таким образом, чтобы общие динамиче-
ские параметры системы оставались неизменными.
Поэтому кроме цепи обратной связи в устройстве пре-
дусмотрен блок автоподстройки, который включает
в себя усилитель, блок получения модуля входного сиг-
нала и исполнительное устройство.
Установка, работа которой основана на точном вы-
полнении условия d&/dt = const. Измерение магнит-
ного потока производится путем подачи на вход ве-
берметра канала измерения магнитного поля посто-
янного стабилизированного напряжения, значение
которого согласовано с задающим сигналом скорости
изменения магнитного потока, при этом индукцион-
ная катушка выполняет только функцию одного из
звеньев в цепи отрицательной обратной связи для осу-
ществления этого условия. Погрешность измерений
магнитного потока в данном случае будет больше, чем
при непосредственном интегрировании индуциро-
ванной ЭДС, так как практически невозможно обес-
печить ее постоянство в процессе перемагничивания
образцов с различными формами кривых намагничи-
вания. Суммарная погрешность измерений установок
составляет 1,5-5 % при сходимости измерений в пре-
делах десятых долей процента.
Установки, работа которых основана на гальва-
номагнитном методе измерений. Установки для ис-
пытаний МТМ, работа которых основана на исполь-
зовании для измерений магнитной индукции и напря-
женности магнитного поля гальваномагнитных
эффектов, в большинстве случаев эффекта Холла, име-
ют преимущества по сравнению с индукционными СИ;
исключение нанесения измерительных обмоток на ис-
пытуемый образец, возможность оперативного кон-
троля изделий, относительная простота построения
намагничивающих и измерительных устройств и воз-
можность осуществления любого режима измерений
— скачкообразного или непрерывного в постоянных
и медленно изменяющихся магнитных полях. В этих
установках в отличие от других СИ может быть реали-
зован непрерывный режим измерений при постоян-
ном намагничивающем поле, что позволяет обеспе-
чить полностью статический режим намагничивания
и возможность исследования таких магнитных явле-
ний, как магнитная вязкость и последействие. Сочета-
ние постоянного или изменяющегося намагничиваю-
щего поля и импульсного позволяет испытывать на ус-
тановках образцы любых МТМ, в том числе с высокими
значениями Нс.
Измерительные установки с преобразователями
Холла различаются конструкцией магнитопровода
электромагнита, способом размещения измеритель-
ного преобразователя канала измерения магнитной
индукции, типом примененного преобразователя.
В устройствах с ферромагнитными преобразова-
телями Холла в канале измерения магнитной индук-
ции воздушные зазоры в магнитопроводе должны
быть минимально возможными.
Коэрцитиметры с преобразователями Холла. Устрой-
ства являются наиболее распространенными для ис-
пытаний МТМ с частично разомкнутой магнитной це-
пью. Объясняется это тем, что коэрцитивная сила в
значительной степени зависит от состава и структуры
материала и в то же время является относительно лег-
ко определяемым параметром, так как в этом случае
не требуется измерять магнитный поток, магнитную
индукцию или намагниченность образца. Принцип ра-
боты коэрцитиметров заключается в измерении напря-
женности магнитного поля вблизи поверхности образ-
ца, намагничиваемого полем электромагнита, при ус-
ловии равенства нулю напряженности магнитного
поля, обусловленного намагниченностью испытуемо-
го образца. Предварительно образец намагничивает-
ся до насыщения полем электромагнита или импульс-
ных катушек.
Суммарная погрешность измерений коэрцитимет-
ров с не полностью замкнутой магнитной системой с
учетом инструментальной погрешности измерений
напряженности магнитного поля составляет 2-5 %.
Средства измерений магнитных
параметров материалов в
разомкнутой цепи
Общие положения. Измерение магнитных пара-
метров на конкретных образцах в РМЦ решают две
задачи: определение параметров материала и образ-
ца. В первом случае измерения проводятся при отра-
ботке технологии производства материалов, контро-
ле качества материала изделий в процессе эксплуата-
ции и при арбитражных испытаниях, во втором —
измерения и расчеты при определении магнитных па-
раметров изделий.
Коэффициенты размагничивания и способы их
определения. Специфика намагничивания образцов
в РМЦ может быть учтена посредством введения ко-
эффициента размагничивания, определяемого как ко-
эффициент пропорциональности между значениями
напряженности размагничивающего поля и намагни-
ченности. Вследствие неоднородности намагничива-
ния образцов (исключая эллипсоид и шар) в РМЦ ко-
эффициенты размагничивания зависят не только от
их формы и размеров, но и от намагниченности и маг-
нитной проницаемости материала, а также от коорди-
наты точки, для которой определяются эти значения.
Различают коэффициенты размагничивания, отнесен-
ные к центру образца и обозначаемые N , и средние
коэффициенты размагничивания Ncp t отнесенные ко
всему объему образца, различающиеся значениями и
характером зависимости от магнитных параметров ма-
териала. Способы определения N разработаны более
полно, и эти значения чаще используются на практи-
ке, поэтому в дальнейшем изложении в основном бу-
дут рассматриваться эти значения коэффициентов раз-
магничивания.
581
Коэффициенты размагничивания образцов могут
быть рассчитаны или определены экспериментально.
Способы расчета коэффициентов размагничивания ос-
нованы, по аналогии с расчетом электростатических
полей, на вычислении напряженности размагничиваю-
щего поля внутри образца, создаваемого фиктивными
магнитными зарядами, расположенными на его по-
верхности, при условии, что средняя по площади се-
чения магнитная проницаемость материала постоян-
на по всей длине образца. При этом предполагается,
что материал однороден и изотропен по магнитным
свойствам. На практике используют несколько основ-
ных способов определения коэффициентов размагни-
чивания.
Определение N способом безгистерезисного на-
магничивания заключается в определении намагни-
ченности образца при его безгистерезисном намаг-
ничивании в РМЦ. При этом отклонение безгистере-
зисной кривой намагничивания от оси ординат
обусловлено как внутренним размагничивающим по-
лем, так и размагничивающим полем, обусловленным
формой образца. При этом следует учитывать, что зна-
чения # соответствуют магнитной проницаемости на
безгистерезисной кривой намагничивания и, следова-
тельно, способ не применим на петле гистерезиса.
Способ определения N посредством измерения
тангенциальной составляющей Н, г от напряженно-
сти размагничивающего поля на поверхности образ-
ца основан на предположении равенства Н,т и сред-
ней напряженности Н, магнитного поля в центре об-
разца. Это условно выполняется для относительно
данных образцов с Л> Ю.
Исследование закономерностей намагничивания
образцов в РМЦ выявило сложный характер зависи-
мости коэффициентов размагничивания от магнит-
ной проницаемости и намагниченности материала.
Расчет магнитной проницаемости и восприимчи-
вости материалов. Определение магнитной прони-
цаемости материала по измеренной магнитной прони-
цаемости образцов производят расчетом по формуле:
= /4-/(1-IV/4.). При испытаниях стержневых образ-
цов в эту формулу необходимо подставлять значения
.У с учетом соотношения значений //и Л, и вида оп-
ределяемой магнитной проницаемости ( /<н, /(пах ).
Расчет ведут методом последовательного приближе-
ния, рассчитывают значение N', по которому опре-
деляют приближенное значение fi,. Далее по значе-
нию /< рассчитывают уточненные значения W и Д.
В приборах для измерений параметров слабофер-
ромагнитных материалов (СФММ) обычно использу-
ется способ измерений, основанный на выделении не-
большого сигнала от испытуемого образца из суммар-
ного сигнала, большая часть которого обусловлена
намагничивающим полем.
Измерение СМИ посредством измерения напря-
женности магнитного поля вблизи поверхности об-
разцов. Этот способ измерения параметров материа-
лов в РМЦ базируется на принципе непрерывности
тангенциальной составляющей Н т напряженности
магнитного поля на границе раздела двух сред. Если
испытуемый образец имеет определенные размеры
(10), то среднее по площади сечения значение напря-
женности магнитного поля практически равно напря-
женности магнитного поля на его поверхности. Осо-
бенность определения напряженности магнитного
поля на поверхности образцов состоит в том, что из-
мерение Нг может производиться на фоне значитель-
но большей по значению нормальной составляющей
Нп напряженности и на некотором расстоянии от по-
верхности образцов, что требует соответствующей
ориентации магнитной оси измерительного преобра-
зователя и экстраполяции измеренных значений Н г
к поверхности образца. В качестве измерительных
преобразователей могут использоваться стационар-
ные, накладные и коаксиальные, а также вибрирую-
щие измерительные катушки, потенциалометры, пре-
образователи Холла и ферромодуляционные преоб-
разователи. В последних необходимо, кроме того,
учитывать взаимодействие магнитного поля преобра-
зователя с образцом.
Измерение коэрцитивной силы. Коэрцитимет-
ры. Коэрцитивная сила материала относится к тем не-
многим параметрам, определение которых в РМЦ не
представляет особых затруднений и технически це-
лесообразно. Целесообразность измерений Нс в
РМЦ обусловливается высокой чувствительностью ис-
пользуемых СИ и возможностью достижения требуе-
мых значительных напряженностей магнитного по-
ля. Это позволяет испытывать как массивные, так и
миниатюрные образцы МММ и МТМ в относительно
простых по конструкции намагничивающих устрой-
ствах. Коэрцитивная сила является вторым после на-
магниченности насыщения магнитным параметром,
методика измерения которого в РМЦ на образцах
МММ стандартизована. В соответствии с этой мето-
дикой измерений коэрцитивную силу определяют как
напряженность магнитного поля намагничивающего
устройства, перемагничивающего предварительно на-
магниченный до насыщения образец до состояния с
нулевым значением магнитной индукции или намаг-
ниченности.
Измерение коэрцитивной силы производят с по-
мощью коэрцитиметров, различающихся конструкци-
ей намагничивающего соленоида, типами приборов
для индикации магнитной индукции (намагниченно-
сти) образца и напряженности магнитного процесса
измерений. В качестве измерительных преобразовате-
лей могут использоваться индукционные катушки, по-
тенциалометры и преобразователи Холла. При измере-
нии Н г вблизи поверхности образцов МТМ большое
значение имеет вопрос о соответствии измеренных ло-
кальных и интегральных значений. Магнитотвердые
материалы имеют крупнозернистую структуру, замет-
ную неоднородность магнитных свойств по объему,
различные объемные и поверхностные дефекты. По-
этому измерительные преобразователи необходимо
несколько удалять от поверхности образца и исполь-
зовать такие их конструкции, которые позволяют
........-—.................. 582 --
усреднять результаты измерений по ширине образца,
например длина пластины преобразователя Холла
должна быть близка к ширине образца. Погрешность
измерений Нс находится в пределах 1-3 % для МММ
и 3-7 % — для МТМ.
Измерение намагниченности насыщения. Виб
рационные магнитометры. При измерении намагни-
ченности учитывают факт сближения в области
сильных магнитных полей кривых намагничивания,
определенных в ЗМЦ и РМЦ. Напряженность необ-
ходимого для намагничивания до насыщения магнит-
ного поля может быть рассчитана по формуле
Н - Hs + , где Н — напряженность магнитного
поля, необходимая для. намагничивания материала об
разца до насыщения ь ЗМЦ: N — коэффициент раз-
магничивания, равный /V] при испытаниях стержне-
вых образцов
Измерение намагниченности насыщения произво-
дят динамометрическим или индукционным методами,
причем в последнее время преимущественно исполь-
зуется индукционный благодаря его относительной
простоте и высокой чувствительности. Измерение ин-
дукционно-импульсным способом осуществляют путем
удаления испытуемого образца из измерительной ка-
тушки, находящейся в магнитном поле электромагни-
та, или рассчитанного на сильные магнитные поля
соленоида Конструкция измерительной катушки
должна быть такой, чтобы показания прибора, пропор-
циональные магнитному моменту образца, не зависе-
ли от колебания его размеров (в пределах заданного
диапазона) и внешних электромагнитных помех. По-
грешность измерений Ms составляет 2-5 % без учета
погрешности определения объема образца.
В последние годы в практике измерений широкое
распространение получили приборы с вибрационным
преобразователем — магнитометры с вибрирующими
образцом или катушкой. Вибрационные магнитомет-
ры, использовавшиеся вначале преимущественно для
измерения намагниченности насыщения благодаря вы-
сокой чувствительности и хорошей сходимости резуль
татов измерений, применяются сейчас для определе-
ния в РМЦ различных магнитных параметров многих
материалов, в том числе параметров кривых намагни-
чивания СФММ и МТМ, тонких магнитотвердых по-
крытий и магнитомягких пленок, а также температур-
ных зависимостей параметров материалов. Настолько
же разнообразны и испытуемые образцы. Как прави-
ло, это небольшие, объемом в несколько кубических
миллиметров шары, кубы, цилиндры и стержни, выпол-
ненные из твердых, жидких или сыпучих материалов.
Составными частями вибрационного магнит омет -
ра являются вибрационный преобразователь, назна-
чение которого — создание в измерительных катуш-
ках ЭДС, пропорциональной магнитному моменту об-
разца или меры, электронный блок усиления ЭДС,
регистрирующий прибор и намагничивающее устрой-
ство с блоком питания. Дополнительными узлами мо-
гут быть термокриостат для создания требуемой тем-
пературы в рабочем объеме и термометр для ее изме-
рения, схемы автоматики или микропроцессор для
управления измерением и регистрации результатов.
Вибрационный преобразователь состоит из виб-
ратора, генератора переменного тока для его пита-
ния, механически соединенного с вибратором штока
с измерительным преобразователем — катушкой или
испытуемым образцом и неподвижно закрепленной
в намагничивающем устройстве катушки. Для созда-
ния крутильных или поступательных колебаний ис-
пользуются вибраторы различных видов: электроди-
намические, камертонные, на пьезокристаллах, с
электродвигателями. Наибольшее распространение
получили электродинамические вибраторы различ-
ных конструкций, обеспечивающие частоту вибрации
от десятков до сотен герц при амплитуде 0,05-0,5 мм.
Измерение координат
динамических нетель
намагничивания
В практике измерений координат динамических пе-
тель намагничивания нашли распространение осцил-
лографические, феррометрические и стробоскопиче-
ские средства измерений, а также их комбинации. Ос-
циллографические средства измерений работают
следующим образом. Вначале формируются напряже-
ния, мгновенные значения которых пропорциональ-
ным мгновенным значениям магнитной индукции и на-
пряженности магнитного поля в испытуемом образце.
Затем эти напряжения подаются соответственно на
усилители каналов вертикального и горизонтального
отклонения электронно-лучевого осциллографа. Та-
ким образом, динамическая петля намагничивания
отображается на его экране. При использовании пер-
вичного преобразователя указанных магнитных вели-
чин, имеющего выходной сигнал, пропорциональный
производным этих величин (например, пассивного ин-
дукционного преобразователя), между выходом тако-
го преобразователя и соответствующим входом осцил
лографя помещается интегратор.
Средства измерений параметров динамических
петель намагничивания, использующие феррометри-
ческий метод, основаны на способности так называе-
мого фазочувствительного преобразователя измерять
мгновенные значения электрического сигнала путем
измерения среднего за часть периода значения по-
следнего. Существуют две модификации фазочувстви-
тельных преобразователей. В первой из них — так на-
зываемая полупериодная отсечка, т е. определяется
среднее значение измеряемого сигнала за половину
этого периода.
Во втором случае информацию о намагничиваю-
щем токе получают с помощью включенного после-
довательно в намагничивающую цепь резистора, на-
пряжение на котором пропорционально мгновенным
значениям этого тока.
Фотометрические средства измерений работают
следующим образом. Перед каждым измерением пар
координат динамической петли намагничивания
управляющее напряжение сдвигают по фазе с помо-
щью фазовращателя для первой модификации фазо-
чувствительного преобразователя или изменяют вре-
мя отсечки в пределах периода этого напряжения для
второй модификации. Таким путем можно измерить
координаты петли, зарегистрировать их в аналоговом
виде или после преобразования выходных напряже-
583
ний фазочувствительных преобразований в цифро-
вую форму осуществить цифровую регистрацию. Учи-
тывая то, что постоянная времени интегрирующих це-
пей составляет не более нескольких десятых долей се-
кунды в нижней части звукового диапазона частот,
можно осуществлять непрерывное и достаточно мед-
ленное изменение фазы управляющего напряжения.
При этом на выходе фазочувствительных преобразо-
вателей окажутся сигналы, пропорциональные изме-
ряемым мгновенным значениям магнитной индукции
и напряженности магнитного поля, изменяющиеся
непрерывно и достаточно медленно, чтобы быть за-
регистрированными на графопостроителе в непре-
рывном режиме записи.
Особенностью стробоскопических средств изме-
рений координат динамических петель намагничива-
ния является использование в каналах измерения маг-
нитной индукции и напряженности магнитного поля
дифференцирующих первичных преобразователей,
например, индукционной обмотки образца или катуш-
ки взаимной индуктивности. При этом необходимо
производить последующую операцию интегрирова-
ния. Ее можно осуществить с помощью рассмотрен-
ных интегрирующих цепей, поместив их либо перед
строб-преобразователем, либо после него, при этом
в первом случае полоса пропускания пассивного или
активного интегратора должна быть не меньше ши-
рины спектра сигнала с выхода соответствующего
первичного преобразователя. Во втором случае, по-
скольку выходной сигнал строб-преобразователя ле-
жит в области низких и инфранизких частот, можно
использовать более точный низкочастотный интегра-
тор, как правило, активный.
При использовании цифровых строб-преобразо-
вателей легко осуществить интегрирование в цифро-
вом виде с помощью реверсивного цифрового счет-
чика.
Выходные сигналы строб-преобразователя могут
иметь частоту в доли герца и менее. В этом случае оп-
ределяемые динамические петли намагничивания
можно записать на двухкоординатном самопишущем
приборе. Их также легко можно подвергать аналого-
цифровому преобразованию, например, с помощью
стандартных цифровых вольтметров, а выходной код
последних можно регистрировать цифропечатающи-
ми устройствами.
Средства измерений параметров
основной динамической кривой
намагничивания и магнитной
проницаемости
Средства измерений параметров основной дина-
мической кривой намагничивания. Основная дина-
мическая кривая намагничивания в виде зависимости
амплитуды магнитной индукции от амплитуды напря-
женности магнитного поля: Вт = является од-
ной из наиболее распространенных характеристик
при испытании магнитных материалов в переменном
поле. Она содержит информацию об индукции насы-
щения, амплитудной, начальной и максимальной маг
нитных проницаемостях. Ее непосредственное опреде-
ление связано с измерением амплитуды магнитной ин-
дукции и напряженности поля в испытуемом образце.
Измерение амплитуды магнитной индукции обыч-
но производится путем преобразования индуцирован-
ной ЭДС.
Рассмотрим основные типы преобразователей
средневыпрямленных и амплитудных значений пере-
менных напряжений, метрологические характеристи-
ки которых определяют точность и частотный диапа-
зон измерения координат основной динамической
кривой намагничивания. Преобразователь средневы-
прямленных значений должен осуществлять операцию
выпрямления входного переменного напряжения и по-
следующего его усреднения. Естественно, применение
для выпрямления диодов. Однако существенная нели-
нейность зависимости прямого сопротивления диодов
от протекающего тока привела к использованию в схе-
мах выпрямителей ОУ с диодами в цепи.
В основе работы преобразователей амплитудных
значений напряжений лежит сравнение их с изменяе-
мым постоянным напряжением. До тех пор пока из-
меряемое амплитудное значение превышает это
напряжение, его уровень повышается, в противном
случае — понижается. В результате процесса преобра-
зования значение постоянного напряжения (его час-
то называют уравновешивающим) оказывается рав-
ным преобразуемому амплитудному значению, точнее
максимальному значению.
Средства измерений магнитной проницаемости.
Вид измеряемой магнитной проницаемости обуслав-
ливает полосу пропускания применяемых аналоговых
делительных устройств. Например, при измерении
амплитудной магнитной проницаемости величины,
подлежащее операции деления, изменяется во време-
ни сравнительно медленно. При измерении диффе-
ренциальной магнитной проницаемости по динами-
ческой петле, наоборот, изменение соответствующих
сигналов может происходить с частотой намагничи-
вания. Реализация устройств для деления аналоговых
сигналов в широком диапазоне частот от постоянно-
го тока до единиц мегагерц осуществляется посред-
ством перемножителей аналоговых сигналов, кото-
рые имеют два входа для напряжений их и ыу , а
так же выход, напряжение uz на котором пропорцио-
нально произведению мгновенных значений напря-
жений на входах: иг =kuruy ( где k — коэффициент про-
порциональности.
При использовании в каналах измерения магнит-
ной индукции и напряженности магнитного поля
цифровых преобразователей применяются цифро-
вые делители. При измерении магнитной проницае-
мости испытуемый образец перемагничивается по-
средством инфранизкочастотного тока в пределах от
—Нт до +Нт . Одновременно по намагничивающей
обмотке образца от дополнительного источника про-
пускается высокочастотная составляющая намагничи-
вающего тока. В результате состояние образца одно-
временно изменяется по инфранизкочастотной пет-
ле гистерезиса и по частным динамическим петлям
намагничивания. Параметры последних — амплитуды
высокочастотных составляющих напряженности
магнитных поля и магнитной индукции — измеряется
любым средством измерения из описанных выше.
__._ _ 584 ===========_
Измерение удельных магнитных
потерь
Динамическое намагничивание магнитных мате-
риалов сопровождается выделением теплоты в объе-
ме испытуемого сердечника, которая передается в ок-
ружающую среду. Энергетически этот процесс обес-
печивается за счет источника намагничивающего
тока, а количественно характеризуется магнитным па-
раметром, называемом удельными магнитными поте-
рями. Определение магнитных потерь может быть
осуществлено путем измерения активной или средней
мощности, отбираемой от источника намагничиваю-
щего тока, или путем измерения тепловой мощности,
излучаемой образцом в окружающую среду при усло-
вии достижения баланса мощностей, т.е. в установив-
шемся режиме, когда мощность, поступающая в обра-
зец, равна мощности, отдаваемой им в окружающую
среду. Другими словами, для измерения мощности
удельных потерь достаточно измерить мощность элек-
трической энергии, переходящей в тепловую в объе-
ме образца, или мощность теплового потока, направ-
ленного от образца в среду.
Рассмотрим методы измерения электрической
мощности, рассеиваемой в образце. Наибольшее рас-
пространение получил метод, основанный на исполь-
зовании ваттметров. Намагничивающая обмотка об-
разца, подключенная к двум зажимам генератора на-
магничивания, может быть заменена эквивалентным
двухполюсникам. При измерении удельных потерь не-
обходимо токовую ветвь ваттметра включить после-
довательно в намагничивающую цепь, а его вход по
напряжению — подключить ко вторичной, измери-
тельной обмотке.
Измерение удельных магнитных потерь большей
частью производится в одном из граничных режимов
намагничивания, т.е. когда один из входных сигналов
ваттметра синусоидален, а второй — представляет со-
бой сумму гармонических составляющих частоты на-
магничивания.
Преобразователи мощности должны осуществлять
во всем диапазоне частот входных сигналов операции
перемножения и усреднения, при этом наиболее труд-
ной является первая из них. Рассмотрим основные ти-
пы ваттметра и преобразователей мощности, находя-
щие применение при определении удельных магнит-
ных потерь.
Ваттметры электродинамической и электрической
системы относятся к группе электромеханических пре-
образователей мощности. Ваттметры электродинами-
ческой системы имеют механизм, состоящий из непод-
вижной катушки, включенной в токовую цепь, и под-
вижной катушки, включаемой через резистор с
большим добавочным сопротивлением в параллель-
ную цепь (цепь напряжения). Работа ваттметра тако-
го типа основана на взаимодействии магнитных полей
подвижной и неподвижной катушек при протекании
по ним подвижной части прибора и соединенной с ней
стрелки, пропорционален на переменном токе сред-
нему значению интеграла от произведения протекаю-
щих токов. (Усреднение осуществляется за счет
инерционности подвижной катушки ваттметра). Такие
приборы характеризуются сравнительно низкой по-
грешностью (0,2-0,5 %), узким частотным диапазоном
(до нескольких килогерц), значительным энергопо-
треблением, невысокой чувствительностью. Иногда с
целью повышения чувствительности применяют ватт-
метры электродинамической системы, дополненные
электронными усилителями.
В основу работы ваттметров электростатической
системы положено взаимодействие нескольких заря-
женных проводников. Здесь перемещение подвижной
части осуществляется за счет непосредственного дей-
ствия приложенного напряжения. Под действием сил
электрического поля подвижная часть, соединенная
с указателем, отклоняется на угол, пропорциональ-
ный произведению, двух входных напряжений, одно
из которых должно быть пропорционально току в це-
пи. Поскольку электростатические механизмы рабо-
тают при напряжениях не менее чем десятки вольт,
как в цепи тока, так и в цепи напряжения применяю т-
ся электронные усилители. Электростатические ватт-
метры обладают частотным диапазоном до 20 кГц,
имеют погрешность не более 2,5 %. Недостатком их
является невысокая надежность.
Следующую группу преобразователей мощности ха-
рактеризует отсутствие механически перемещающих-
ся частей. По этой причине в литературе они получи-
ли название статических преобразователей мощности.
Одним из первых стали применяться преобразовате-
ли на элементах с квадратической зависимостью вы-
ходного сигнала от входного.
В последнее время все более широкое распростра-
нение получают преобразователи мощности на осно-
ве интегральных перемножителей аналоговых сигна-
лов. В основе такого устройства используется диффе-
ренциальный каскад.
Реальные схемы таких перемножителей состоят
обычно из нескольких дифференциальных каскадов
и различных схем, служащих для повышения линей-
ности, расширения динамического диапазона, и соз-
дание преобразователей мощности на их основе с по-
грешностями в десятые доли процента и полосой про-
пускания до сотен килогерц можно ожидать в самом
ближайшем будущем. Постоянная составляющая вы-
ходного сигнала рассмотренных статических преоб-
разователей мощности может быть выделена фильт-
ром нижних частот и измерена вольтметром посто-
янного тока.
Особенностью ваттметра является использование
метода статических испытаний. При этом процесс из-
мерения заключается в проведении многократных
сравнений двух входных сигналов, пропорциональ-
ных току и напряжению в обмотках испытуемого об-
разца магнитного материала, с двумя независимыми
случайными опорными напряжениями. Операция пе-
ремножения сводится к операции логического про-
изведения бинарных результатов сравнения, а интег-
рирование и усреднение производится подсчетом в
реверсивном счетчике множества логических произ-
ведений с учетом полярности входных сигналов в мо-
мент сравнения. Такое преобразование характеризу-
ется минимальным числом аналоговых операций и не-
посредственным преобразованием мощности в
цифровой код, минуя промежуточное преобразова-
ние его в напряжение постоянного тока.
Средства измерений удельных магнитных потерь,
работающие на основе определения теплоты, рассеи-
ваемой испытуемым образцом в окружающей среде,
называют калориметрическими в соответствии с на-
званием приборов, предназначенных для измерения
количества теплоты. Устройство калориметров весь-
ма разнообразно и определяется характером изучае-
мого теплового процесса, его интенсивностью, про-
должительностью, областью температур и требуемой
точностью.
Калориметры, предназначенные для измерения
суммарного количества теплоты, выделяющейся в
процессе испытаний отего началадо завершения, на-
зываются калориметрами-интеграторами, калоримет-
рами для измерения тепловой мощности — измерите-
лями мощности или калориметрами-осциллографами.
По виду теплоносителя различают жидкостные, газо-
вые и твердотельные калориметры, по числу сосудов
— ординарные и двойные (дифференциальные).
Наибольшее распространение при испытаниях маг
нитных материалов на переменном токе получили ка-
лориметры-интеграторы, определяющие тепловую
энергию, выделяющуюся в образце, помещенном в ка
лориметр за известное время. При этом температура в
калориметре может остават ься постоянной (изотерми-
ческий процесс) или изменяться (диаметрический про-
цесс). В первом случае выделившаяся теплота измени
ет агрегатное состояние части рабочего тела, напри-
мер, происходит таяние льда в ледяном калориметре
Бунзена. Количество введенной теплоты рассчитыва-
ется в этом случае по массе вещества, изменившего аг-
регатное состояние, в данном случае — массе растаяв-
шего льда, которую можно измерить по изменению объ-
ема смеси льда и воды и теплоте фазового перехода.
В калориметрах с переменной температурой на-
грев калориметрической системы, фиксируемый тер-
мометром, и служит мерой введенного количества те-
плоты. Перед проведением измерений такой калори-
метр градуируют путем ввода в него известного
количества тепловой энергии. Наиболее удобно это де-
лать, пропуская в течение заданного времени t извест-
ный постоянный ток через резистор с известным со-
противлением г внузри калориметрической камеры.
В результате градуировки получают так называемое те-
пловое значение — коэффициент, связывающий изме-
нение температуры в калориметре и соответствующее
значение введенной в него тепловой энергии. Тепло
вое значение фактически представляют собой тепло-
емкость с калориметрической системы.
Еще большее снижение пределов измерения мощ-
ности можно осуществить в дифференциальных ка-
лориметрах, состоящих из двух идентичных калори-
метрических сосудов, в один из которых помещают
образец с намагничивающей и измерительной обмот-
ками, в другой — тело, идентичное образцу по форме
и массе, но из немагнитного материала, Одна из об-
моток этого тела такая же, как и намагничивающая
обмотка образца, другая — выполняется из высокоом-
ного сплава и служит для введения в соответствующую
камеру такой же тепловой мощности, какую рассеи-
вают образец. Перед измерениями определяют раз-
ностную термо-ЭДС между одинаковыми термопара-
ми, помещенными в обеих камерах и включенными
встречно, с помощью вольтметра постоянного тока.
После включения намагничивающего тока добивают-
ся пропусканием постоянного тока в соответствую-
щей обмотке идентичного образцу тела, для того что-
бы в установившемся режиме разность термо-ЭДС бы-
ла такой же, как и перед началом измерения.
При комнатной температуре современные калори-
метры могут обеспечить измерение мощности рассеи-
вания с погрешностью в единицы микроватт.
Главный недостаток калориметрических средств
измерений — трудоемкость процесса измерений - мо-
жет быть существенным образом устранен путем ав-
томатизации измерений на основе современной мик-
роэлектронной техники и, в частности, микропроцес-
сорных систем. Погрешность калориметрических
средств измерений удельных магнитных потерь со-
ставляет 2 % до десятых долей процента в частотном
диапазоне от промышленной частоты до 1 МГц
Измерение магнитных свойств
магнитомягких материалов в
импульсных полях
Импульсное перемагничивание магнитомягких
материалов (МММ) применяется в различных целях,
в числе которых есть и использование обычной идео-
логии импульсно-индукционного метода (ГОС! 8.377-
80) для измерения статических характеристик, т.е, за-
висимостей магнитной индукции от напряженности
магнитного поля В = f(ll) на образцах преимущест-
венно малых размеров.
В этом случае используют гак называемый метод
импульсного считывания, состоящий в том, что маг-
нитное состояние образца устанавливают и поддер-
живают при намагничивании постоянным током, а
„считывание" информации о приращении магнитно-
го потока производят путем дополнительного воздей-
ствия импульсного тока, амплитуду которого регули-
руют таким образом, чтобы конечное состояние об-
разца было всегда одним и тем же (например, 10 Я).
Этот метод очень широко применялся для контроля
элементов запоминающих устройств, выполняющих-
ся как на основе ф>ерритов М с прямоугольной пет-
лей гистерезиса (ИНГ), так и ленточных магнитопро-
водов из сплавов типа пермаллой.
Импульсное перемагничивание образцов произво-
дя г с определенной частотой, поэтому некоторые ав-
торы предлагали называть характеристики, получен-
ные методом импульсного считывания, „квазистатиче-
скими". Динамические погрешности, связанные с:
а) конечной длительностью импульсного тока
„считывания";
б) конечной длительностью периода следования
импульсов тока, практически незначимы для ленточ-
ных магнитопроводов и в некоторых случаях могут
проявляться для ферритов в силу особенностей про-
цессов релаксации в этих материалах и присущего им
явления дезаккомодации.
В метрологическом отношении особенность это-
го вида измерений состоит в том, что величина изме-
ряемого магнитного потока лежит в диапазоне от
единиц до сотен нановебер, не воспроизводимом дей-
ствующим (на тот момент времени) эталоном магнит-
ного потока. В связи с этим проводимые в УНИИМ
(ранее — Свердловский филиал ВНИИМ) работы бы-
ли направлены на разработку соответствующей изме-
рительной аппаратуры (нановеберметры, источники
импульсного намагничивающего тока), а также
19* Зак. 450
586
средств ее метрологического обеспечения. К послед-
ним относятся стандартные образцы ГСО 1859-80, ат-
тестованные по магнитному потоку (СО МП) и спе-
циальные образцовые меры импульса напряжения —
электрического эквивалента магнитного потока. Эти
устройства представляют собой измерительные гене-
раторы однополярных импульсов на основе разряда
RC — цепи с нормированным значением вольт-секунд-
ного интеграла
i
V= t j
о
Однополярный сигнал на выходе образцовой ме-
ры импульса напряжения позволяет найти значение
V путем косвенных измерений через среднее значе-
ние напряжения на выходе меры при известных час-
тотах следования импульсов. Погрешность воспроиз-
ведения импульса напряжения составила (0,2-2) % в
диапазоне (10’6-10'9) В-с, погрешность аттестации СО
МП-(1-5) %.
Второе направление, связанное с импульсным пе-
ремагничиванием магнитных материалов и измерени-
ем соответствующих характеристик, — импульсная тех-
ника. Магнитные материалы в устройствах импульс-
ной техники работают как ь линейном (импульсные
трансформаторы) режиме, где нелинейность кривой
намагничивания представляет собой мешающий фак-
тор, так и в существенно нелинейных режимах. К по-
следним относятся магнитные модуляторы и элемен-
ты устройств формирования импульсов.
Метрологическое обеспечение измерений харак-
теристик МММ, работающих в нелинейных режимах,
также основывается на косвенных методах измере-
ний. Особенности построения измерительной аппа-
ратуры, где за основу был принят ст робоскопический
метод измерений с преобразованием последователь-
ных выборок сигнала в последовательность цифро-
вых кодов, определили способ воспроизведения раз-
мера вебера через изве< :тные постоянное напряжение
и временной интервал. Цифровое преобразование из-
мерительной информации в данном случае позволи-
ло унифицировать подход к измерению целого ряда
величин, характеризующих материал. В результате
метрологической аттестации разработанного средст-
ва измерений оценка приведенной погрешности со
ставила 3 % для магнитного потока и импульса м.д.с.
Рассмотренные выше средства измерений и стан
дартные образцы, созданные в УНИИМ, на момент соз-
дания прямых зарубежных аналогов не имели. Анало-
ги образцовых мер импульса напряжения предназна-
чены для диапазона магнитных потоков свыше 10'5 Вб.
Литература:
1. ГОСТ 8.377 80. ГСИ. Материалы магнитомягкие. Ме-
тодика выполнения измерений при определении статиче-
ских магнитных характеристик.
2. А.И. Пирогов, Ю.М. Шамаев. Магнитные сердечники
для устройств автоматики и вычислительной техники. — М.:
Энергия, 1973.
3. Создание и исследование образцовых средств для по-
верки с погрешностью 0,5-2 % установок для аттестации
стандартных образцов магнитомягких материалов с малым
потоком Ю’-Ю^Вб. Научно-технический отчет / Научный
руководитель и ответственный исполнитель Ю.И. Дидик.
03.02.13.22; № ГР 75047430; инв. № Б545667. - Свердловск,
1976.
4. Разработка установки для аттестации стандартных об-
разцов магнитомягких материалов с малым магнитным по-
током в квазистатическом режиме перемагничивания. На
учно-технический отчет / СФ ВНИИМ; Руководитель темы
Ю.И. Дидик - № ГР 770058727; инв. № 02823024375. -
Свердловск, 1981.
5 Ю.И. Дидик. Метрологическое обеспечение средств
измерений маг нитного потока ь нановеберном диапазоне /
/ Измерительная техника. — 1981. — № 9. — С. 54-56.
6 Разработка стандартных образцов и измерительной
аппаратуры в диапазоне 1-1000 «Вб для ведомственных мет-
рологических служб. Отчет о НИР / ВНИИМСО; Руково-
дительтемы Ю И. дидик. — 3.02.50.23; № ГР 01850044337,—
Свердловск, 1987
7. Я.С. Ицхоки. Импульсные устройства. - М.: Советское
радио, 1959
8. ЛА. Меерович, И.М. Ватин, Э.Ф Зайцев, В М Канды-
кин. Магнитные генераторы импульсов. — М.: Советское ра-
дио, 1968.
9. Разработка установки высшей точяосги для аттеста
ции стандартных образцов магнитных свойств мат итомяг
ких материалов в диапазоне 50 нВб 10 мкВб с погрешностью
2-5 %. Отчет о НИР / СФ ВНИИМ; Руководитель темы
Ю.И. Дидик. - № ГР 01826059464, инв. № 02850082169. -
Свердловск. 1985.
10 МИ 2014-89. ГСИ. Стандартные образцы импульсной
магнитной проводимости магнитомягких материалов. Ме-
тодика поверки.
11. Разработка образцовых средств аттестации СО в им-
пульсном режиме перемагничивания при длительности им-
пульсов 1-100 мкс и магнитном потоке 10'8-10'5Вб. Отчет о
НИР / ВНИИМСО; Руководитель темы Ю.И. Дидик. —
№ ГР 018700735532; инв. № 02900036000. - Свердловск,
1989.
12. Разработка метрологического обеспечения средств
контроля качества прецизионных магнитомягких сплавов
в диапазоне изменения магнитного потока 50-500 мкВб и
длительности импульсов 0,5- 15 мкс. Отчет о НИР / СФ
ВНИИМ: Научный руководитель работы М.Я. Любимцев. —
Свердловск, 1982.
13. Авт. свидетельс I во 789950 [СССР]. Способ градуиров-
ки стробоскопических устройств для измерения прираще-
ния магнитного потока / М.Я. Любимцев // Б.И. — 1980. —
№47.
14. Создание установки высшей точности для средств из-
мерений магнитного потока магнитомягких материалов при
импульсном перемагничивании для аттестации СО в диапа-
зоне 50- 500 мкВб, длительности импульсов 0,1-10 мкс, с по-
грешностью J-3 %. Отчет о НИР / СФ ВНИИМ; Научный
руководитель работы М.Я. Любимцев. — Свердловск, 1985.
15. Автоматизированные средства измерений парамет-
ров магнитомягких материалов в непрерывном синусоидаль-
ном режиме перемагничивания. Отчет о НИР / ВНИИМ-
СО; Руководитель темы Ю.И. Дидик. — № ГР 0189.0058353:
инв. № 02920012440; — Екатеринбург, 1991.
16. Косукэгава Мицуо. Точные измерения магнитных по-
токов и эксперименты с макетом калибратора флюксметров.
Кэйсоку дзидо сейге гаккай ромбунсю / / Trans. Soc. Instrum,
and Contr. Eng. — 1984. — 20. — № 5. — C. 417-420.
В.Г. Антонов
587
Измерение магнитной восприимчивости и
остаточной намагниченности слабомагнитных
материалов
Под слабомагнитными материалами понимают
диа- и парамагнетики, а также их смеси, соединения с
ферро- или ферримагнетиками, при которых явления
гистерезиса и зависимость магнитной восприимчиво-
сти от напряженности магнитного поля практически
не проявляются.
Таким образом, для подавляющего большинства
слабомагнитных материалов объемная X или удель-
ная магнитная восприимчивость /= , где [) —
плотность вещества, являются одной из основных маг-
нитных величин, позволяющих достаточно полно
оценить их магнитные свойства.
Магнитная восприимчивость встречающихся в
природе диа- и парамагнетиков, а также их соедине-
ний с ферро- и ферримагнетиками лежит в пределах
от 10'9до нескольких единиц, что предопределило
многообразие методов и средств их измерений.
Все известные в настоящее время методы и сред-
ства измерения магнитной восприимчивости можно
разделить на динамометрические (силаметрические),
магнитометрические, индукционные и параметриче-
ские методы и средства.
В основу динамометрических (силометрических)
методов измерения положено физическое явление,
заключающееся в том, что на намагниченное тело, на-
ходящееся в неоднородном магнитном поле, действу-
ет сила р , пропорциональная магнитной восприим-
чивости %, объему тела V и направленная в сторону
наибольшего изменения магнитной индукции В.
Fr-.A^, (1)
А-ВЪВ7 7
где - о-т-, —
дг г г
— единичный вектор, направ-
ленный в сторону наибольшего изменения д . (Этот
эффект получил название эффекта Фарадея).
Практическая реализация эффекта Фарадея в из-
мерительной технике сводится к измерению или пре-
образованию силы, возникающей в результате взаи-
модействия между намагниченным образцом и источ-
ником намагничивающего поля и пропорциональной
магнитной восприимчивости.
Магнитометрическими называют методы измере-
ния, основанные на измерении напряженности ц
или магнитной индукции д поля, создаваемого намаг-
ниченным образцом, и связанные с магнитной вос-
приимчивостью известным соотношением:
Н = km = kMV = k^'TH0V
где Ни — напряженность намагничивающего по-
ля; т — магнитный момент образца; М — его намаг-
ниченность; Хг —кажущаяся магнитная восприимчи-
вость; Л — коэффициент пропорциональности.
Индукпионным методом измерения принято на-
зывать метод, основанный на использовании закона
электромагнитной индукции Фарадея и заключаю-
щийся в измерении ЭДС, индуцированной в замкну-
том контуре при изменении магнитного потока щ ,
пронизывающего данный контур в результате пере-
мещения относительно него образца с измеряемой
п А ХН
1 = —= А)™(1+z)-~ , (3)
ЯЬ Cll
где А) — магнитная постоянная; sw — суммарная
площадь витков.
На практике, однако, чаще всего измеряется не
э.д.с., а приращение магнитного потока или количе-
ства электричества (заряд), протекающего, скажем,
через обмотку баллистического гальванометра, под-
ключенного к катушке, охватывающей образец. В
этом случае индукционный метод измерения иногда
называют ..баллистическим", а формула, устанавли-
вающая связь между и количеством электричества ?
имеет вид:
?= + , (4)
где R — сопротивление в цепи баллистического
гальванометра.
Изменение магнитного потока может осуществ-
ляться либо при перемагничивании образца внешним
полем, либо путем перемещения его относительно
контура.
К параметрическим методам и средствам измере-
ний относятся методы и средства, основанные на из-
мерении одного из параметров электромагнитной це-
пи: магнитного сопротивления В., индуктивности р
или взаимной индуктивности м > находящихся в
функциональной связи с магнитной восприимчиво-
стью исследуемого образца. В зависимости от того,
какой из параметров взят за основу при измерении
параметрическим методом, средства измерения мож-
но разделить на R, L или М — типа.
Иногда при исследовании магнитных свойств
слабомагнитных материалов, помимо магнитной вос-
приимчивости, возникает необходимость измерения
и остаточной намагниченности Мг.
. - 588 ====^=========
Такие измерения необходимы, например, при раз-
ведке полезных ископаемых, проведении палео-
магнитных исследований, контроле „на немагнит-
ность" деталей машин и механизмов, аттестации стан-
дартных образцов магнитной восприимчивости и т.д.
Наличие остаточной намагниченности в образце, ос-
нову которой составляет пара и диамагнетик, свиде-
тельствует о наличии в нем ферромагнитных вклю-
чений.
В настоящее время для измерения остаточной на-
магниченности используются магнитометрический и
индукционный методы измерений. Измерение оста-
точной намагниченности индукционным методом
аналогично измерению магнитной восприимчивости,
за исключением того, что изменение магнитного по-
тока, пронизывающего контур, получают исключи-
тельно путем изменения положения образца относи-
тельно контура.
А.П. Щелкин
589
Метрологическое обеспечение
магнитных измерений
Государственный первичный эталон
единиц магнитных величин —
магнитной индукции, магнитного
потока и их отношения
Государственный первичный эталон единиц маг-
нитных величин (ГЭТ 12-91) предназначен для обес-
печения единства и достоверности измерений маг-
нитной индукции (МИ), магнитного потока, магнит-
ного момента, магнитных параметров материалов и
изделий.
На размеры единиц, воспроизводимых этим эта-
лоном, опираются средства измерений параметров
постоянного магнитного поля в диапазонах 1-1012-
5-10‘2Тд и 1-10’7-1-10’2Вб, а также переменного поля в
интервале частот 0-20000 Гц в диапазонах 5-1015-2 Гл
и l-10-s 1-10’Л-м2.
Государственный первичный эталон воспроизво-
дит и передает размеры единиц теслы, вебера, их от-
ношения Вб/Тл, а также Тл/А, Вб/А посредством
единой меры магнитных величин и квантовых атом-
но-резонансных преобразователей параметров маг-
нитного поля в частоту в соответствии со следующи-
ми соотношениями:
в (тл )=——=к;г. 1=К, • .
?РРг ’
В (!л )= ZLA « . Кц(Тл/А)= х; Д|+7йМ . !)
70s ' ^2
Ф(Вб)= КФ1 ; ХДВб/Тл )= К’ф/К’в ,
где В_(1л ), В_(1п ) — магнитная индукция соответ-
ственно постоянного и переменного полей; Ур fa >
— гиромагнитное отношение протона атомов1ИС'
и 4Не: Ру — константа связи гиромагнитных отноше-
ний атомов 4Н'и протона р. — частота магнитно-
го резонанса 4Не; Кв , Кэф — постоянные эталонных
мер магнитных величин по магнитной индукции и
магнитному потоку, рассчитанные по геометрическим
параметрам обмоток; Кш, К{ — относительный и аб-
солютный коэффициенты преобразования частоты
в ток J квантовой меры тока; Кт — постоянная
меры магнитного момента; Д а)—модуль среднего зна-
чения девиации частоты сигнала цезиевого преобра-
зователя магнитной индукции; Рв — коэффициент, оп-
ределяющий измеряемый параметр переменной маг-
нитной индукции (действующее, среднее значение);
Кв t В,, /Jg и м — постоянные меры магнитной ин-
дукции переменного поля, сопротивления образцо-
вых резисторов и взаимная индуктивность в цепях
компарирования Кв и Кв ,
Структурная схема государственного первичного
эталона единиц магнитных величин приведена на
рис. 1.
Единая мера магнитной индукции, магнитного по-
тока и магнитного момента, построенная на базе эта-
лонной катушки магнитной индукции, магнитного по-
тока и прецизионной меры постоянного тока, служит
основой для воспроизведения в области постоянных
магнитных полей единиц магнитной индукции и по-
тока.
Единицы магнитной индукции постоянной поля с
обеспечением точной компенсации и стабилизации
внешнего магн итного поля воспроизводятся в двух ва-
риантах с помощью эталонной меры и эталонного це-
зий-гелиевого тесламетра с применением системы
компенсации магнитного поля Земли (МПЗ), совме-
щенной с квантовой мерой постоянного тока. Эта же
измерительная аппаратура осуществляет передачу
размера единицы Тл/А па постоянном токе, т.е. ко
эффициентов преобразования катушек магнитной ин-
дукции, используемых как в области постоянных по-
лей, так и в области переменных магнитных полей (с
последующим расчетом частотных поправок).
Поскольку погрешность рабочих приборов в об-
ласти измерений магнитного потока, магнитного мо-
мента и магнитной индукции переменных полей бо-
лее чем в 100 раз превышает погрешность тесламет-
ров постоянного поля, в данном случае технически и
экономически более целесообразно передавать раз-
меры не самих единиц измерений, а их отношений
Вб/А, Вб/Тл, Тл/А. Для этого выполняется компари-
рованис эталонной катушки магнитных величин с со
ответствующими сличаемыми катушками магнитной
индукции, магнитного потока и магнитного момента.
Чтобы определить все три отношения единиц на пе-
ременном токе при частотах 20-10000 Гц, использу-
ется единый компаратор, реализующий индукцион-
ный метод измерений, также осуществляется компа-
рирование катушек магнитного потока и момента в
постоянном поле.
590
В области измерений магнитной индукции важ-
ным для практики является диапазон инфранизких
частот — менее 20 Гц. Для передачи размера единицы
в этой области измерений, расширенной до частот
300 Гц, применяется квантовый компаратор перемен-
ного поля, основанный на использовании квантовых
цезиевых преобразователей магнитной индукции.
Для управления эталонным комплексом, а также
автоматического контроля и поддержания заданных
параметров аппаратуры, выполнения основных про-
цедур измерений и обработки их результатов с исполь-
зованием ЭВМ ДВК-3 служат блок управления и авто-
матическая система управления комплексом.
Эталонная (расчетная) катушка, являющаяся осно-
вой меры магнитной индукции, магнитного потока и
магнитного момента представляет собой оптимизи-
рованное по геометрическим, магнитным и электри-
ческим параметрам средство измерений, позволяю-
щее рассчитать с наивысшей точностью коэффици-
енты преобразования единиц магнитных величин
через основные единицы СИ — метр и ампер.
Основу расчетной катушки составляет однослой-
ный соленоид с обмоткой из четырех соединенных
последовательно секций на цилиндрическом кварце-
вом основании. Значение постоянной рассчитано по
геометрическим параметрам обмотки со средним
квадратическим отклонением (СКО) 2-10’7.
В промежутках между секциями соленоида имеют-
ся так называемые „зоны Кемпбелла", где магнитное
поле минимально. В этих рассчитанных теоретически
зонах размещены симметрично относительно центра
две последовательно соединенные половины вторич-
ной обмотки. Обеспечивается возможность ступенча-
того изменения постоянной по магнитному потоку от
Одо 1,08-102Вб/А. Погрешность (СКО) ее расчета при
максимальном числе витков вторичной обмотки со-
ставляет 4-10’6.
Для воспроизведения отношения единиц Вб/Тл
или определения коэффициента преобразования (по-
стоянной) эталонной катушки магнитного момента в
центр внутреннего рабочего пространства катушки
СЧ-3 коаксиально с ней устанавливается катушка ме-
ры магнитного момента. Ее обмотка включается
встречно со вторичной обмоткой расчетной катуш-
ки. Точное равенство магнитных потоков, пронизы-
вающих эти обмотки, определяется по нуль-индика-
тору магнитного потока. При этом постоянная Кт
Рис. 1. Структурная схема государственного первичного эталона единиц магнитных величин
1 — эталонная катушка магнитных величин; 2 — эталонная катушка магнитной индукции; 3 — вторичная обмотка эталон-
ной катушки магнитных величин; 4 — катушка рабочая; 5 — катушка магнитного момента (индукционный преобразователь
МИ); 6 — цезиевый преобразователь МИ; 7 — цезий-гелиевый преобразователь МИ; 8 — квантовая мера тока (КМТ);
9 — катушка двухзонная токовая; 10 — цезий-гелиевый преобразователь МИ КМТ; 11 — катушка двухзонная двойная;
12 — компаратор индукционный; 13 — компаратор квантовый переменного тока; 14 — эталонный квантовый цезийгелие-
вый тесламетр; 15 — блок управления; 16 — стабилизатор тока компенсационный; 17 — блок обработки сигналов;
18 — стабилизатор тока основной; 19 — устройство коррекции направления магнитных осей КМИ; 20 — синтезаторы
частот; 21 — квантовое устройство предварительной стабилизации модуля МИ; 22 — автоматическая система управления
комплексом.
591
находится из последнего соотношения формулы (1).
Эталон воспроизводит отношение Ф/В в диапазоне
1-10'3-20 Вб/Тл; СКО определения максимальной ве-
личины Кт составляет 5-10'5.
При воспроизведении и передаче размера едини-
цы магнитной индукции в рабочем пространстве эта-
лонного соленоида СЧ-3 стабилизируется по модулю
магнитная индукция, значение которой определяет-
ся по эталонному тесламетру или по частоте опорно-
го генератора квантовой меры постоянного тока, ее
коэффициенту К, преобразования частота-ток и по-
стоянной Кэв эталонного соленоида СЧ-3.
Эталонный тесламетр основан на квантовом пре-
образователе МИ в частоту переменного напряжения
с использованием физических принципов оптиче-
ской накачки атомов l33Cs, спиновой поляризации и
магнитного резонанса атомов 4Не.
Принятое международным комитетом данных для
науки и технологии (CODATA) к моменту утвержде-
ния эталона значение Д, =26751,542(8)-104 с1 Тл
использовано для расчета коэффициента преобразо-
вания МИ в частоту переменного напряжения, реги-
стрируемую эталонным тесламетром в качестве вы-
ходного параметра.
Прямое экспериментальное определение констан-
ты Ру (см. первое уравнение в (1)
?r= 7ht//р =658,200556 (0,03 ppm), выполнено в
1997 г. в совместном эксперименте ВНИИМ и KRISS
(Республика Корея). СКО результата измерений 3-10'6.
Случайная погрешность эталонного тесламетра
(СКО) в диапазоне 1-10’6-1-10‘3Тл не превосходит
5-1012Тл при времени интегрирования 1 с.
Квантовая мера тока служит для выполнения од-
ной из следующих функций:
— воспроизведения в единицах СИ постоянного
тока в диапазоне 0,1-1 А в одной цепи и генерации
тока в другой цепи, изменяющегося в соответствии с
вариациями модуля МИ внешнего поля (для компен-
сации вариаций);
— воспроизведения в единицах СИ постоянного
тока в диапазоне 0,1-1 А в одной цепи и генерации
изменяющегося тока в другой цепи, соответствующе-
го мгновенным значениям модуля МИ МПЗ (для его
компенсации);
— генерации тока для стабилизации заданного
уровня МИ в диапазоне (1-60)-105Тл; СКО результа-
та определения коэффициента преобразования час-
тота-ток квантовой меры тока составляет 4-10'7 при
случайной погрешности поддержания 1 А, равной
2-10'8.
Квантовый компаратор переменного поля, пред-
назначенный для воспроизведения и передачи еди-
ниц Тл и Тл/А в диапазоне частот 0-300 Гц, представ-
ляет собой двухканальный тесламетр переменного
поля, содержащий два атомно-резонансных преобра-
зователя самогенерирующего типа на 133Cs и систему
цифровой обработки их сигналов. В компараторе ис-
пользован способ измерений, заключающийся в на-
хождении разности числа переходов через нуль час-
тотно-модулированного сигнала преобразователя за
положительные и отрицательные полупериоды при
времени измерения, кратном целому числу периодов
МИ. Цифровой вычитатель непрерывно измеряет
разность частот сигнала и опорного генератора.
Результат измерений определяется по формуле
B = AA/O), где в ~ средневыпрямленное значение
МИ переменного поля; ДА — разность числа перехо-
дов; / — коэффициент преобразования Гц-Тл'1; Т—
время измерения, с. Преимущество такого способа со-
стоит в реализации измерений МИ только через та-
кие стабильные параметры, как коэффициент преоб-
разования магнитной индукции в частоту и число им-
пульсов за известное время измерения. Коэффициент
преобразования находят в постоянном магнитном по-
ле по эталонному цезий-гелиевому тесламетру.
Для передачи размера Тл/А на частотах выше
300 Гц и передачи размеров Вб/Тл и Вб/А, что невоз-
можно с помощью квантового компаратора, в соста-
ве эталона предусмотрен индукционный компаратор.
Он представляет собой две параллельные ветви элек-
трической цепи и источник переменного тока. В ка-
ждой ветви имеется образцовый резистор (магазин
сопротивлений) и устройство для регулирования ам-
плитуды и фазы токов. При компарировании уравни-
ваются либо значения магнитной индукции (переда-
ча размера Тл/А), либо значения магнитного потока
(передача размеров Вб/Тл и Вб/А).
В состав компаратора входят четыре катушки срав-
нения, служащие для расширения частотного диапазо-
на до 10 кГц и измерения и передачи размеров Вб/А,
Вб/Тл и Тл/А. Катушки представляют собой высоко-
однородные двухшаговые однослойные соленоиды с
многозначными вторичными обмотками. Размеры
указанных параметров передаются в два этапа: от эта-
лонной катушки СЧ-3 катушкам сравнения и от кату-
шек сравнения нижестоящим эталонам. Вместе с ка-
тушками сравнения компаратор обеспечивает диапа-
зоны измерений параметров Кв =1-10'6-1- 10 s Тл/А,
К(г,=1.Ю-5-Ы0'2Вб/А и Кп =1 -10'3—20 Вб/Тл на часто-
тах 20-10000 Гц.
Метрологические параметры эталона приведены
в таблице 2.
Государственная поверочная схема (ГСП) схема
Таблица 2
Диапазоны Погрешности
Г осударственный ЫОМКГТл $=110«-3-107
первичный эталон единиц магнитной индукции постоян- при/=0 Гц,
ного поля, магнит- ного потока, отно- шения магнитной l-lGMUHTn/A при/=1-Ы04Гц, 5=3.1(У-1-104
индукции пере- менного поля к 110*-1-10*Вб,
силе тока, отноше- ния магнитно- го потока к маг- нитной индукции ГЭТ 12-91 110-’-5 Вб/Тл S^l-lO’-llO5
592
имеет три основные ветви, определяющие порядок пе-
редачи размера единицы магнитной индукции посто-
янного и переменного магнитных полей, а также маг-
нитного потока. Пятиступенчатая структура схемы
включает в себя единый первичный и три вида рабо-
чих эталонов, образцовые средства измерений (ОСИ)
1-го, 2-го и 3-го разрядов, рабочие тесламетры, магни-
тометры, веберметры, первичные измерительные пре-
образователи и меры магнитных величин, а также из-
мерительные установки для параметров магнитных ма-
териалов.
Размер единицы магнитной индукции, воспроизво-
димый с наивысшей точностью первичным эталоном
единиц магнитных величин, согласуется через гиро-
магнитное отношение протона с единицей, воспроиз-
водимой специальным эталоном единицы магнитной
индукции для областей сильных и средних постоянных
магнитных полей (ГОСТ 8.144-75 и ГОСТ 8.188-85).
В.Я. Шифрин
Государственный первичный эталон
единицы магнитного момента
Государственный первичный эталон единицы маг-
нитного момента (ГЭТ 104-84) воспроизводит едини-
цу А-м2 в диапазоне значений от 1- 10’3до 20 А-м2 с до-
верительной погрешностью 0,01 %. Государственная
поверочная схема для средств измерений магнитно-
го момента, магнитной восприимчивости и намагни-
ченности (ГОСТ 8.231-84) обеспечивает поверку всех
имеющихся в стране средств измерений магнитного
момента в диапазоне l-10s-l-10s А-м2 и объемной маг
нитной восприимчивости в диапазоне 1-10’5-10 ед.
СИ.
В состав первичного эталона единицы магнитно-
го момента входят: набор из трех мер магнитного мо-
мента в виде расчетных катушек и два компаратора
для передачи размера единицы магнитного момента
образцовым средствам измерений 1-го разряда.
Постоянные эталонных мер магнитного момента
KSe) определяются суммой площадей витков S,:
ш — а> ( Г) ,г> Л2
, (2)
где й> — число витков; Dit и Dj2 — наружные диа-
метры витков мер в двух ортогональных сечениях ка-
тушки; dnp — диаметр калиброванного медного про-
вода.
Для передачи размера единицы используются два
компаратора, структурная схема которых представле-
на на рис. 2.
В диапазоне 5-10‘3-1 А-м2 для передачи размера еди-
ницы применяется компаратор КММ1, основанный
на разновременном сравнении магнитных индукций
полей, создаваемых сличаемыми мерами. Компаратор
состоит из тесламетра (нуль-индикатора) магнитоме-
ханического типа 2, специальной шины, на которой
устанавливаются компенсационная мера магнитного
момента 1 и поочередно эталонная 3 и поверяемая 7
меры магнитного момента, и пульта управления, в со-
став которого входят источники питания (прецизи-
онные стабилизаторы тока) 5, 6 и устройство для из-
мерения силы тока 4.
Передача размера единицы магнитного момента
в диапазоне 1-20 А-м2 осуществляется с помощью ком-
паратора КММ2, основанного на одновременном
сравнении магнитных потоков, создаваемых сличае-
мыми мерами. Компаратор КММ2 состоит из астати-
ческой меры магнитной индукции, которая подклю-
чена к микровеберметру 8, размещенному на пульте
управления.
Астатическая мера магнитной индукции представ-
ляет собой три соосных, соединенных последователь-
но, соленоида, выполненных таким образом, что гео-
метрические размеры их обмоток вписываются в ок-
ружность. При такой конструкции меры удается
достигнуть наибольшей степени астатичности и од-
нородности поля.
При сличении поверяемая мера магнитного мо-
мента 10 помещается внутри эталонной меры 11с по-
стоянной KSes, которая, в свою очередь, располага-
ется внутри астатической меры магнитной индукции.
Обмотки обоих мер магнитного момента соединяют-
ся встречно и подключаются к стабилизированному
источнику тока 6 и устройству для измерения силы
тока 4. Таким образом, при изменении тока в мерах
микровеберметр, подключенный к астатической ме-
КММ 1
КИМ 2
Рис. 2. Структурные схемы компараторов КММ1 и КММ2
1 — специальная шина, на которой устанавливаются компенсационная мера магнитного момента;
2 — тесламетр (нуль-индикатор) магнитомсханического типа; 3, 7 —эталонная и поверяемая меры магнитного момента
и пульта управления; 4 — устройство для измерения силы тока; 5, 6 — источники питания (прецизионные стабилиза-
торы тока); 8 — микровеберметр; 10 — мера магнитного момента; 11 — эталонная мера
593
ре магнитной индукции, будет измерять разницу маг-
нитных потоков ДФХ = ФЭ~ФХ , где Ф3 и Фх - магнит-
ные потоки, создаваемые эталонной и поверяемой ме-
рами. Значение постоянной меры KStu. вычисляется
по формуле
ДФ
L- — у -и X
•"•В2
где j — сила тока, протекающего по обмоткам сли-
чаемых мер магнитного момента.
Граница неисключенных остатков систематиче-
ской погрешности при передаче размера единицы
магнитного момента от ГЭТ 104-84 составляет 0,01 %.
Государственный первичный эталон единицы
магнитного момента хранится в ГУП „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева".
А.П. Щелкин, В.Н. Хорев
Метрологическое обеспечение
тесламетров постоянного магнитного
поля в диапазоне 5-10 2-2 Тл
Непосредственная передача размера единицы маг-
нитной индукции от государственного первичного
эталона через систему образцовых средств измерений
рабочим тесламетром осуществляется только в облас-
ти слабых магнитных полей до значения магнитной
индукции 5-102 Тл. В области средних постоянных маг-
нитных полей метрологическое обеспечение опира-
ется на эталон единицы магнитной индукции, функ-
циональная схема которого приведена на рис. 3.
Воспроизведение единицы осуществляется путем
измерений эталонным тесламетром однородной маг-
нитной индукции в рабочем воздушном зазоре элек-
тромагнита. Эталонный тесламетр основан на мето-
де ядерного магнитного резонанса с вынужденной
прецессией ядерного магнитного момента. В качест-
ве коэффициента преобразования магнитной индук-
ции в частоту принято обратное значение гиромаг-
нитного отношения протона, которое рекомендова-
но в 1986 г. международной организацией по сбору и
оценке численных данных для науки и технологий
(CODATA). Принятое значение гиромагнитного от-
ношения протона составляет 2,6751542-Ю8 рад-с’-Тл'1
(СКО-ЗЛО7).
В эталонном тесламетре применяется рабочее ве-
щество в виде 0,5 % водного раствора FeCls. Государ-
ственный специальный эталон обеспечивает воспро-
изведение единицы со среднеквадратичным отклоне-
нием результата измерений, не превышающим ЗЛО'6,
при неисключенной систематической погрешности,
не превышающей 1Л0'5. Суммарная погрешность пе-
редачи размера единицы не превышает 5 Л О'6.
Однородное магнитное поле в воздушном зазоре
электромагнита создается благодаря обеспечению вы-
сокой степени параллельности полюсных наконечни-
ков. Необходимое постоянство магнитной индукции
в процессе воспроизведения и передачи размера еди-
ницы сохраняется путем применения помимо стаби-
лизации силы тока, пропускаемого по обмоткам элек-
тромагнита, устройства для стабилизации магнитной
индукции. Это устройство включает в себя ядерно-ре-
зонансный преобразователь магнитной индукции в
частоту, помещаемый в зазор электромагнита одновре-
менно с преобразователем эталонного тесламетра; фа-
зовый детектор, напряжение которого на выходе про-
порционально изменению магнитной индукции в за-
зоре; опорный кварцевый генератор, частота которого
сравнивается на фазовом детекторе с частотой сигна-
ла ЯМР; обмотки стабилизатора поля, питаемые от уси-
лителя тока, и компенсирующие изменения магнитно-
го поля в зазоре электромагнита.
Эталон единицы магнитной для диапазона сред-
них постоянных магнитных полей применяют для пе-
редачи единицы магнитной индукции образцовым
средствам измерений 1-го разряда методом прямых из-
мерений или непосредственным сличением. Соот-
ветствующая государственная поверочная схема
(ГОСТ 8.144-75), имеющая четырехступенчатую
структуру, предусматривает поверку рабочих тесла-
метров с пределами допускаемых погрешностей от
0,01 до 1,5 % или приведенной погрешностью от 0,2
до 2,5 %. Методы и средства поверки тесламетров оп-
ределены ГОСТ 8.303-78.
Основным методом передачи размера единицы яв-
ляется непосредственное сличение нижестоящего по
поверочной схеме рабочего или образцового тесла-
метра с вышестоящими эталоном или образцовым тес-
ламетром более высокой точности.
Сличение тесламетров обычно производится в
воздушных зазорах электромагнитов, входящих в
состав образцовых средств измерений.
Рис. 3. Функциональная схема эталона единицы магнитной индукции
594
Применяются как поэлементная, так и комплект-
ная поверки тесламетров. При поэлементной повер-
ке, например, первичного преобразователя тесламет-
ра ЯМР его погрешность определяется по изменению
показаний образцовой установки при замещении об-
разцового преобразователя поверяемым. Комплект-
ная поверка тесламетров осуществляется методом
сравнения их показаний с показаниями образцового
тесламетра при поочередных изменениях магнитной
индукции в зазоре электромагнита. Когда непосред-
ственное сличение тесламетров невозможно, приме-
няется метод сличений при помощи компаратора.
Средство измерений, выполняющее функции компа-
ратора, сличается сначала с образцовым тесламетром,
а затем с поверяемым. Тесламетры средней и низкой
точности, имеющие погрешности в пределах от 0,1
до 2,5 % поверяются по образцовым мерам магнитной
индукции 2-го и 3-го разрядов, представляющих собой
катушки с током или постоянные магниты.
В.Я. Шифрин
Метрологическое обеспечение
средств измерений магнитных
параметров магнитных материалов
Средства измерений статических магнитных па-
раметров магнитомягких материалов
Для измерения статических магнитных параметров
магнитомягких материалов используются весьма раз-
нообразные средства измерений: индукционно-им-
пульсные установки и установки импульсного считы-
вания, установки непрерывного (квазистатического)
намагничивания, вибрационные магнитометры, коэр-
цитиметры и т.д. В основу метода поверки всех этих
средств измерений положено использование образцо-
вых средств измерений магнитного потока или магнит-
ного момента, которые в совокупности со средствами
измерений длины, напряженности магнитного поля
(или магнитной индукции) позволяют дать оценку по-
грешностей измерений практически всех параметров
(физических величин), характеризующих магнитные
свойства магнитомягких материалов в постоянных или
квазипостоянных полях. Разработана ветвь государст-
венной поверочной схемы (ГОСТ 8.030-91) для средств
измерений магнитного потока, устанавливающая по-
рядок передачи размера единицы магнитного потока
от государственного первичного эталона ГЭТ 12-91 как
рабочим средствам измерений магнитного потока, так
и установкам для испытания образцов магнитомягких
(эта схема может быть распространена в будущем и на
средства измерений параметров магнитотвердых ма-
териалов) и слабоферромагнитных материалов.
Государственный первичный эталон включает в се-
бя расчетную катушку магнитного потока (катушки
взаимной индуктивности) и компаратор, описанные
в разделе 5.1.
Порядок передачи размера единицы магнитного
потока рабочим средствам измерений (веберметрам
и магнитоизмерительным установкам) осуществляет-
ся посредством образцовых мер магнитного потока
и стандартных образцов магнитных свойств материа-
лов. Функциональная зависимость магнитного пото-
ка от МДС Ф(/й>), приписываемая стандартному, оп-
ределяется методом прямых измерений.
В настоящее время разработано два типа стандарт-
ных образцов магнитомягких и слабомагнитных мате-
риалов Зто разряда. Первый тип (комплект МС-5) со-
стоит из трех образцов кольцевой формы с наружным
диаметром 50 мм, внутренним 40 мм и высотой 7 мм,
уложенных в футляр. Образцы изготовлены из пермал-,
лоев марок 79НМ и 50Н 75 и стали марки 20895, маг-
нитные свойства которых отличаются стабильностью.
Стандартные образцы позволяют воспроизводить зна-
чения относительной максимальной проницаемости
Я шах в диапазоне от 47-103 до 19-104 с доверительной
погрешностью <^,=3 % (при доверительной вероятно-
сти 0,95), коэрцитивной силы в диапазоне от 1,2 до
88 А/м с погрешностью 4 =1>0 % Кроме того, с помо-
щью стандартного образца, выполненного из электро-
технической стали марки 20895, может быть воспро-
изведено значение магнитной индукции (близкой к маг-
нитной индукции насыщения), определяемое при
напряженности намагничивающего поля, равной
2500 А/м, с погрешностью 0,5 %.
Второй тип СО (комплект МС-4), предназначен-
ный для комплектной поверки средств измерений маг-
нитной проницаемости слабомагнитных сталей, со-
стоит из пяти цилиндрических стержней диаметром
7 мм и длиной 1000 мм.
В качестве материала СО комплекта МС-4 выбра-
ны стали марок 45Г1ЮЗ, 12X86ЮТ, 12Х1869Т и
14Х17Н2, которые позволяют проводить измерения
с доверительной погрешностью 3 % при доверитель-
ной вероятности 0,95.
Порядок передачи размера единицы рабочим виб-
рационным магнитометрам регламентируется с помо-
щью государственной поверочной схемы для средств
измерений магнитного момента, магнитной воспри-
имчивости и намагниченности.
В соответствии с этой поверочной схемой повер-
ка рабочих приборов для измерения намагниченно-
сти осуществляется с помощью СО магнитного момен-
та, воспроизводящих значение магнитного момента
вдиапазоне ЮМ),! А-м2 с погрешностью не более 1 %.
В настоящее время для поверки и градуировки вибра-
ционных магнитометров создан комплект СО (МС-3),
состоящий из пяти шариков диаметром 1,1,5, 2, 2,5 и
3 мм, изготовленных из иттриево-железистого грана-
та и воспроизводящих значения магнитного момен-
та насыщений в диапазоне Ю’-Ю^А-м2 с погрешно-
стью не более 1 %.
Поверка СО магнитного момента насыщения в
свою очередь производится путем сличения с мерой
магнитного момента в виде катушки, при этом в каче-
стве компаратора используется образцовый вибраци-
онный магнитометр.
Говоря о методах и средствах поверки рабочих
средств измерений параметров магнитомягких мате-
риалов, следует отметить, что в некоторых случаях
допустима и оправдана поэлементная поверка рабо-
чих средств измерений. В качестве такого примера
можно указать на установки, реализующие импульс-
но-индукционный метод измерения, характерной осо-
бенностью которого является независимость каналов
измерения напряженности магнитного поля потока
(или магнитной индукции) в образце. В связи с этим
595
для выявления инструментальной погрешности впол-
не достаточно произвести поэлементную поверку обо-
их каналов. Что же касается методической погрешно-
сти, связанной, например, с конечностью времени ин-
тегрирования интеграторов и т.д., то ее выявление
оказывается возможным только в результате ком-
плектной поверки аппаратуры на СО.
Особенностью измерения параметров магнитот-
вердых материалов является то, что эти материалы,
как правило, производятся в виде готового изделия.
Чаще всего такими изделиями могут являться посто-
янные стержневые и (/образные магниты, а также
магнитные ленты, магнитные диски и барабаны, ши-
роко применяемые в вычислительной технике, видео-
и звукозаписи. Таким образом, с точки зрения потре-
бителя, первостепенное значение приобретает не
столько достоверность определения магнитных
свойств материала, сколько достоверность измерения
значений физических величин, характеризующих
магнитные свойства самого изделия.
Аттестация стандартных образцов МТМ в виде ли-
тых магнитов в соответствии с принятой методикой
производится с помощью двух установок, конструктив-
но отличающихся друг от друга: образцовой баллисти-
ческой установки и установки с импульсным намагни-
чиванием, что повышает достоверность вычисления
среднего по результатам повторных измерений. Для
каждого СО производится пятикратное определение
кривой размагничивания на двух установках.
Аттестация СО из магнитотвердых ферритов про-
изводится с помощью поверочной установки — гисте-
риографа типа ЭМ-8-6. Сама установка (так же как и
образцовая баллистическая установка) поверяется по-
элементно с помощью высокоточных средств измере-
ний электрических и магнитных величин.
Описанные выше стандартные образцы МТМ по-
зволяют производить поверку и аттестацию рабочих
установок для испытания МТМ с замкнутой магнит-
ной цепью, имеющих погрешность измерения с оста-
точной магнитной индукции коэрцитивной силы не
более 3 %, а погрешность измерения напряженности
поля и магнитной индукции в остальных точках кри-
вой размагничивания не более 4 %.
Для поверки рабочих средств измерений и контро-
ля параметров лент с магнитотвердым покрытием в
ГУП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" разработан на-
бор стандартных образцов (комплект МС-8). В каче-
стве материала СО использована магнитная лента ши-
риной 6,25 мм и толщиной 37 мкм. Длина образцов вы-
брана равной 130 мм исходя из необходимости в
отдельных случаях вырезания из них образцов мень-
ших размеров, а также соответствия их размерам из-
мерительных преобразователей образцовой аппара-
туры.
В УНИИМ, для воспроизведения и передачи раз-
мера единиц магнитного потока от 10’9до 10 г’ Вб и маг-
нитодвижущей силы от 0,05 до 5 А при аттестации
стандартных образцов магнитных свойств магнито-
мягких материалов создана и применяется установка
высшей точности УВТ 29-А-85.
СКО результатов при 10 независимых наблюдени-
ях не превышает (1-10)-10’3, НСП не более (2-10)-10‘3.
В состав установки входят скомпенсированное намаг-
ничивающее устройство для работы с образцами с
замкнутой магнитной цепью и одновитковыми намаг-
ничивающей и измерительной обмотками, источник
импульсного намагничивающего тока, нановебер-
метр, осциллографический компенсационный изме-
ритель тока и блок управления.
Метрологическое обеспечение измерений маг-
нитного потока в нановеберном диапазоне основано
на применении образцовой меры импульса напряже-
ния — электрического эквивалента магнитного пото-
ка. Магнитодвижущая сила аттестуемого СО опреде-
ляется по амплитуде намагничивающего тока методом
косвенных измерений по падению напряжения на без-
реактивном измерительном резисторе.
УВТ поддерживает функционирование 5 типов
СО, внесенных в Госреестр: ГСО 1859-80 (СО МП) из
материала с прямоугольной петлей гистерезиса, атте-
стованного по магнитному потоку, и ГСО 2938-84-
ГСО 2941-84 (СОИМП), выполненных на основе маг-
нитодиэлектриков, аттестуемой характеристикой ко-
торых является магнитная проводимость (отношение
приращения магнитного потока к вызвавшему это
приращение импульсному намагничивающему току).
Средства измерений динамических параметров
магнитных материалов
Измерение параметров железоникелевых сплавов, фер-
ритов и магнитодиэлектриков. Измерительные установ-
ки для параметров магнитомягких материалов, ис-
пользуемых в переменных полях включают в себя ряд
средств измерений электрических величин: ампер-
метры действующих и мгновенных значений, вольт-
метры действующих и средних значений, фазочувст-
вительные вольтметры, частотомеры, ваттметры, из-
мерители нелинейных искажений, меры взаимной
индуктивности, образцовые резисторы и др. Посред-
ством такого комплекта осуществляются измерения
мощности потерь, тангенса угла магнитных потерь, а
также определяются основная кривая намагничива-
ния и динамические петли намагничивания в едини-
цах ВИН или Ф и или их основные параметры.
Такие установки разрабатываются отраслевыми пред-
приятиями и выпускаются серийно.
Метрологическая практика допускает два вида по-
верки подобной измерительной аппаратуры — поэле-
ментную, с учетом методических погрешностей, и
комплектную, по стандартным образцам.
При определении параметров динамических пе-
тель намагничивания в переменных полях, динамиче-
ской остаточной индукции и динамической коэрцитив-
ной силы, основной составляющей погрешности изме-
рений оказываются не погрешности используемых
стандартных средств измерения электрических вели-
чин, а трудно контролируемые фазовые сдвиги в кана-
лах измерения в (или ф ) и н (или ] ). Поэтому бо-
лее предпочтительным является применение стан-
дартных образцов с нормированными основными
кривыми намагничивания и динамическими петлями
намагничивания (или их параметрами) для комплект-
ной оценки точности измерительных установок. Мет-
рологическими предприятиями разработан и аттесто-
ван целый ряд наборов стандартных образцов, позво-
ляющих производить поверку практически всех
средств измерений параметров магнитомягких
596
маериалов в очень широком диапазоне частот, начи-
ная от 50 Гц и до десятков мегагерц. Так, например, в
ГУП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" создан набор
стандартных образцов динамических магнитных
свойств (железоникелевые сплавы) типа МС-6, пред-
назначенных для воспроизведения полных магнитных
потерь, основной кривой для воспроизведения пол-
ных магнитных потерь, основной кривой намагничи-
вания и динамических петель намагничивания в еди-
ницах магнитного потока и намагничивающей силы.
Рабочий диапазон частот от 59 Гц до 10 кГц.
Комплект МС-6 состоит из трех образцов кольце-
вой формы, сердечники которых навиты из лент раз-
личных железоникелевых сплавов и помещены в защит-
ные каркасы из оргстекла. В качестве материалов сер-
дечников выбраны сплавы марок 50Н, 79НМ и 80-6ХС,
представляющие собой две основные группы железо-
никелевых сплавов (высоко- и низконикелевые), наи-
более хорошо изученных и обладающих достаточной
временной стабильностью. Аттестация СО производит
ся с помощью поверочной установки высшей точности.
Погрешность аттестации СО по перечисленным выше
физическим величинам не превышает 0,5 %.
Для воспроизведения удельных магнитных по-
терь, коэффициентов потерь dn , dF , и da и тангенса
угла магнитных потерь tgS на более высоких часто-
тах применяются СО, позволяющие воспроизводить
перечисленные величины в диапазоне частот от
20 кГц до 1 Мгц. Эти образцы имеют форму кольца,
на которое равномерно в один слой нанесена намаг-
ничивающая обмотка. В качестве сердечника СО ис-
пользован магнитоэлектрик на основе карбонильно-
го железа.
Аттестация СО осуществляется с помощью мостов,
предназначенных для измерения индуктивности и вза-
имной индуктивности. При этом измерение коэффи-
циентов потерь на гистерезис dn и дополнительных
потерь da лучше производить с помощью мостов вза-
имной индуктивности, так как в этом случае сопротив-
ление обмотки не сказывается на результатах измере-
ния. Метод измерения предполагает нанесение на СО
двух намагничивающих обмоток, наматываемых бифи-
лярно. Магнитную проницаемость Дн , тангенс угла
магнитных потерь tg<5n коэффициенты потерь на вих-
ревые токи рекомендуется измерять на мостах с резо-
нансом в одном из плеч. Такие схемы обеспечивают
наибольшую чувствительность и наименьшую погреш-
ность определения указанных параметров. В этом слу-
чае на образец накладывается одна равномерно намо-
танная однослойная обмотка.
В области более высоких частот (от 1 МГц до
200 МГц) поверка средств измерений тангенса угла
магнитных потерь tg<? осуществляется посредством
стандартных образцов, аттестуемых с помощью пове-
рочной установки высшей точности.
Размер единицы начальной относительной магнит-
ной проницаемости передается рабочему эталону с по-
мощью компаратора, в качестве которого использован
двойной Т-образной мост. Для исключения системати-
ческой погрешности передачи размера единицы ис-
пользуется второй компаратор, построенный по резо-
нансной схеме. Он представляет собой мост, ветви ко-
торого образованы двумя идентичными раздвижными
коаксиальными линиями, работающими в режиме по-
луволновых резонаторов. Противофазное возбужде-
ние резонаторов осуществляется от внешнего генера-
тора через дифференциально-согласующий трансфор-
матор при помощи индуктивных зондов (петель).
Передачи размера единицы от рабочего эта-
лона рабочим средствам измерений осуществляется
с помощью СО, аттестуемых с доверительной погреш-
ностью не более 1 % (при доверительной вероятно-
сти 0,95).
Для поверки средств измерений для контроля ка-
чества изделий из магнитотвердых материалов разра-
ботаны СО из викаллоя в виде кольца. При аттеста-
ции СО определяются: основная кривая намагничи-
вания в виде зависимости Вт= зависимость
удельных потерь на перемагничивание от амплитуд-
ного значения магнитной индукции, а также семейст-
ва динамических петель намагничивания и их пара-
метров (динамической коэрцитивной силы и динами-
ческой остаточной индукции).
Для определения динамической основной кривой
намагничивания и динамических петель намагничива-
ния используется индукционной метод, включающий
в себя измерения фазочувствительным вольтметром
средних значений намагничивающего тока в первич-
ной обмотке образца и ЭДС, индуцированной в его вто-
ричной обмотке. Отличительная особенность пове-
рочной установки, предназначенной для аттестации
СО магнитотвердых материалов в переменном поле и
реализующей индукционный метод, состоит в том, что
намагничивание образца осуществляется током, по-
требляемым от сети промышленной частоты через по-
нижающий трансформатор, и в качестве первичной
обмотки образца используются полные стержни, ох-
лаждаемые водой, позволяющие пропускать токи с дей-
ствующим значением до 2000 А. Измерение мощности
потерь в СО осуществляется, как и обычно, малокоси-
нусным ваттметром. Погрешность аттестации СО по
всем указанным параметрам не превышает 3,5 %.
Установка высшей точности (УВТ 82-А-93) для вос-
произведения единиц магнитных потерь и удельных
магнитных потерь магнитомягких материалов.
УВТ разработана в УНИИМ (г. Екатеринбург) и
предназначена, в основном, для измерений магнит-
ных потерь (МП) и удельных МП (УМП) электротех-
нических сталей в непрерывных синусоидальных ре-
жимах перемагничивания.
УВТ 82-А-93 предназначена для воспроизведения
МП от 0,3 до 20,0 Вт (УМП от 0,3 до 160 Вт/кг) в госу-
дарственных стандартных образцах (ГСО) свойств
МММ в непрерывных синусоидальных режимах пере-
магничивания в диапазоне частот от 50 Гц до 200 кГц,
при амплитудах магнитной индукции от 0,1 до 1,8 Тл
и передачи размера единиц при помощи рабочих эта-
лонов 1-го и 2-го разряда рабочим СИ.
Рабочие режимы перемагничивания весьма разно-
образны, но среди них можно выделить следующие:
режим синусоидального изменения индукции, режим
синусоидального изменения поля и импульсные режи-
мы перемагничивания.
__— 597 -
Основными магнитными характеристиками, кото-
рые используют при расчетах, контролируют на об-
разцах из МММ и готовых магнитопроводах и реко-
мендуют для нормирования являются:
— статические параметры — индукция насыщения
Bs , остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс,
магнитная проницаемость
— динамические параметры — зависимость УМП
от индукции при заданной частоте f , измеренная в
режиме синусоидального изменения индукции
Р = Р(Вт); зависимость амплитуды магнитной индук-
ции Вт от амплитуды поля Нт при заданной частоте
f Вп = Вт (Нп ); зависимость амплитудной магнитной
проницаемости от частоты , от амплитуды поля
при заданной частоте = ра(Нт).
Основными частотами, на которых производится
измерение динамических характеристик МММ явля-
ются частоты 50, 400 и 1000 Гц. Используются также
частоты 0,1, 5,10, 100 и 200, кГц.
Одним из принципов применения СО для повер-
ки РСИ является совпадение или близость магнитных
характеристик СО и испытуемого сердечника, что
приводит к необходимости создания значительного
парка СО по номенклатуре. В настоящее время в Госу-
дарственный реестр ГСО внесено 10 типов ГСО, ат-
тестованных по УМП в соответствии с требования-
ми ГОСТ 8.315-97.
ГОСТ 10160-75 на сплавы прецизионные магнито-
мягкие не нормирует динамические магнитные харак-
теристики. Определение магнитных свойств в пере-
менных магнитных полях может производится по за-
казу потребителя. Характеристики, подлежащие
определению, нормы и методы контроля по согласо-
ванию потребителя с изготовителем.
В ГОСТ 21427.1-83 и ГОСТ 21427.2-83 на холодно-
катаную анизотропную и изотропную тонколистовую
электротехническую сталь нормируются УМП при ам-
плитуде магнитной индукции Вт 1,0; 1,5 и 1,7 Тли час-
тоте перемагничивания 50 Гц и амплитуду магнитной
индукции Вт при напряженности магнитного поля
Нп 100, 1000 и 2500 А/м.
В ГОСТ 21427.4-83 на ленту стальную электротех-
ническую холоднокатаную анизотропную нормируют^
ся УМП в кольцевых образцах из электротехнической
стали при индукциях 1,0 и 1,5 Тл на частоте 400 Гц.
Масса кольцевых образцов устанавливается в зависи-
мости от чувствительности имеющейся в наличии из-
мерительной аппаратуры, мощности источника пита-
ния, а также в зависимости от размеров конечного из-
делия из материала. Это создает определенные
трудности как при стандартизации измерительной ап-
паратуры, так и при создании СО свойств МММ.
ГОСТ 21427.4-83 нормирует ширину, длину ленты
для изготовления образцов и внутренний диаметр
кольцевого образца. Попытки выявить наиболее упот-
ребительные размеры кольцевых образцов и посту-
пающих на аттестацию образцов не дали результатов.
Выход может быть один: разработать и рекомендо-
вать в стандартах на методы испытаний ряд типораз-
меров и допустить определение магнитных свойств
на образцах других типоразмеров при сохранении
точности измерения магнитных величин, указанной
в стандарте.
Для измерения динамических магнитных характе-
ристик МММ используются установки типа У5018, Уб-
034, У5057, У5066, установки, собираемые из серий-
но выпускаемых: вольтметров, амперметров, частото-
меров, осциллографов и дополняются устройствами
собственной разработки такими, как намагничиваю-
щие устройства, усилители мощности, компараторы
и другие вспомогательные устройства. Кроме того ис-
пользуются и измерительные установки, разрабаты-
ваемые в единичных экземплярах.
Как показывает отечественный и зарубежный
опыт, применение СО свойств МММ является эффек-
тивным средством решения задач МО контроля каче-
ства МММ. Применение СО не ограничивается обла-
стью производства и потребления МММ. СО исполь-
зуются также и при исследовании новых МММ, при
проведении гос. испытаний новых типов магнитоиз-
мерительной аппаратуры, при аттестации вновь раз-
рабатываемых средств и методик выполнения изме-
рений.
Государственная поверочная схема для средств
измерений МП определена МИ 2378-96. В ней четы-
ре поля: рабочие СИ, рабочие эталоны 2-го разряда,
рабочие эталоны 1-го разряда и УВТ 82-А-93.
В УВТ 82-А-93 реализованы два независимых мето-
да измерения МП: мостовой метод измерения МП и
индукционный метод с аналого-цифровым преобра-
зованием мгновенных значений напряжений на изме-
рительной обмотке ГСО и сопротивлении в намагни-
чивающей цепи в цифровые коды, используемые ком-
пьютером для вычисления МП.
В состав установки, реализующей мостовой метод
измерения МП, входят серийно выпускаемые вольт-
метр, осциллограф, генератор, частотомер, измери-
тель нелинейных искажений, магазин сопротивле-
ний, магазин емкости, нуль-индикатор, а также уси-
литель мощности с отрицательной обратной связью
по напряжению и магнитный компаратор тока. В ус-
тановке определяется параметр эквивалентной схе-
мы замещения ГСО — сопротивление R (проводи-
мость потерь) и эффективное значение напряжения
на измерительной обмотке ГСО Uej. При заданных
значениях частоты р и амплитуды магнитной индук-
ции Вт мостовую схему уравновешивают изменени-
ем сопротивления магазина R и емкости магазина С ,
которые соединены с измерительной обмоткой ГСО
Wu и обмотками Wr и Wc магнитного компаратора
токов (МКТ). Магнитные потери р в Вт определя-
ются по формуле
Р = 44М
где к — коэффициент передачи МКТ.
В состав второй измерительной установки, где реа-
лизован индукционный метод измерения, помимо
стандартного ряда приборов типа вольтметров и
осциллографов входят также такие устройства
598
оригинальной разработки, как цифровой генератор,
усилитель мощности, намагничивающие устройства,
блок измерения с измерительными усилителями, бло-
ком градуировки измерительных каналов и интерфей-
сом. Персональный компьютер управляет цифровым
генератором и усилителем мощности, задавая опре-
деленный режим перемагничивания ГСО, обеспечи-
вает измерение электрических сигналов, пропорцио-
нальных напряженности магнитного поля и скорости
изменения магнитной индукции в образце, рассчиты-
вает такие магнитные характеристики, как магнитная
проницаемость, координаты точек петли гистерези-
са, коэрцитивная сила, остаточная индукция и другие.
Применение двух независимых методов измере-
ния в УВТ 82-А-93 позволяет снизить погрешность вос-
произведения МП в широком диапазоне частот и ам-
плитуд магнитной индукции в ГСО свойств МММ.
Технические и метрологические характеристики
УВТ:
— амплитуда магнитной индукции от 0,1 до 1,8 Тл;
— частота перемагничивания от 50 Гц до 200 кГц;
— масса ГСО от 0,1 до 1000 г;
— диапазон воспроизведения единицы МП в ГСО
свойств МММ от 0,3 до 20,0 Вт и УМП от 0,3 до
160,0 Вт-кг;
— воспроизведение единицы МП со среднеквадра-
тическим отклонением результата измерения, не пре-
вышающим 5,0-10'3при 10 независимых наблюдениях
и неисключенной систематической погрешностью, не
превышающей:
— 5,0-10'5 в диапазоне частот от 50 Гц до 100 кГц;
— 2,0-10‘2 в диапазоне частот от 100 Гц до 200 кГц.
УВТ 82-А-93 применяют для передачи размера еди-
ницы МП и единицы УМП рабочим эталонам 1-го раз-
ряда методом прямых измерений.
Литература:
1. Шрамков Е.Г., Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г. О стан-
дартных образцах магнитных веществ и материалов // Мет-
рология. — 1971. — № 6. — С. 9-14.
2. Векслер А.З. Особенности аттестации стандартных об-
разцов магнитных материалов // Метрология. — 1973. —
№8.-С. 27-30.
3. Вдовин Ю.А., Векслер А.З., Конева З.А. Стандартные
образцы эффективное средство контроля качества электро-
технической стали // Измерительная техника. — 1979. —
№ 6. - С. 54-56.
4. Создание установки высшей точности для воспроиз-
ведения единицы магнитных потерь в магнитомягких ма
териалах при непрерывном синусоидальном режиме пере-
магничивания (заключительный отчет). Шифр темы
03.01.13.01. Инв. номер, УНИИМ, научн. рук. Л.Я. Постова-
лова, Екатеринбург, 1993.
5. Дидик Ю.И., Малюк В.П. Метрологическое обеспече-
ние контроля качества магнитомягких материалов // Зако-
нодательная и прикладная метрология. — 1997 — № 6. — С. 36.
6. МИ 2378-96. ГСИ. Государственная поверочная схема
для средств измерений магнитных потерь в магнитомягких
материалах в диапазоне частот от 50 Гц до 200 кГц. Рекомен-
дация г. Екатеринбург, УНИИМ, 1996. — 8 с. Группа Т84.8.
7. ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитомяг-
кие. — Введ. 01.01.76. — 67 с. Группа ВЗО.
8. ГОСТ 21427.1-83. Сталь электротехническая холодно-
катаная анизотропная тонколистовая. Технические условия.
Введ. 01.01.83. — 17 с. Группа ВЗЗ.
9. ГОСТ 21427.2-83. Сталь электротехническая холодно-
катаная изотропная тонколистовая. Технические условия.
Введ. 01.01.83. — 15 с. Группа ВЗЗ.
10. ГОСТ 21427.4-83. Лента стальная электротехниче-
ская холоднокатаная анизотропная. Технические условия.
Введ. 01.01.83. — 26 с. Группа В34.
11. ГОСТ 12119.0-98. - ГОСТ 12119.8-98 Сталь электро-
техническая. Методы определения магнитных и электриче-
ских свойств. Введ.07.01.99. — 45 с. Группа В39.
12. МИ 1918-88. ГСИ. Магнитные характеристики образ-
цов магнитомягких сплавов. Методика выполнения измере-
ний в диапазоне частот от 50 Пг до 20 кГц. Рекомендация. Л;
ВНИИМ, 1988. - 24 с. Группа Т86.8.
13. ГОСТ 8.315-97. ГСИ. Стандартные образцы состава
и свойств веществ и материалов. Основные положения.
Введ. 01.07.98. — 20 с. Группа Т82.
А.П. Щелкин
599
Государственный специальный эталон единицы
начальной магнитной проницаемости при
частоте 100 МГц
СозданвСНИИМ (1975-1980 гг.) иутвержден Постановлением Госстан-
дарта от 25.09.1980 г. № 112.
В основу эталона положен метод воспроизведения ряда значений маг-
нитной проницаемости, использующий волновые свойства коаксиальной
линии. Размер единицы передается рабочему эталону и стандартным об-
разцам при помощи компаратора путем сравнения параметров магнитной
проницаемости расчетных короткозамкнутых отрезков коаксиальных ли-
ний с воздушным заполнением со стандартными образцами.
В составе эталона:
— группа короткозамкнутых отрезков коаксиальных линий с воздуш-
ным заполнением;
— мост двойной Т-образный;
— мост резонаторный.
Метрологические характеристики
Номинальные значения 5; 6,25; 8; 10; 12; 15; 20; 25; 30
Рабочая частота, МГц 100
СКО результата измерений 2-104
НСП 9-104
Область применения
— Поверка и калибровка приборов, используемых для измерения элек-
тромагнитных параметров материалов.
— Контроль параметров при технологическом процессе разработки и
изготовлении магнитных материалов.
— Определение магнитных свойств материалов.
— Сертификация приборов и материалов по магнитным параметрам.
-- - - 600 =============
Государственный первичный эталон единицы
дифференциальной резонансной
парамагнитной восприимчивости
Создан во ВНИИФТРИ (1972-1975 гг.) и утвержден Постановлением
Госстандарта СССР в 1975 г.
Эталон обеспечивает единство измерений количества парамагнитных
центров при анализе на содержание парамагнитных примесей на атомно-
молекулярном уровне в твердых и жидких неметаллических веществах и
материалах. Такими примесями являются ионы элементов, относящихся
к группам железа, палладия и платины, редкоземельных металлов, акти-
нидов; свободные радикалы, возникающие в процессе любых химических
реакций, в том числе биохимических реакций в живых организмах.
В основу построения эталона положен метод замещения сигнала элек-
тронного парамагнитного резонанса от свободного радикала дифенилпик-
рилгидразила прецизионным калибровочным сигналом на частоте 9,3 ГГц.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, Тл1
СКО результата измерений, %
НСП, %
1016-1022
2
1
Область применения
— Безопасность угледобычи.
— Контроль за содержанием токсичных примесей в воде различного
назначения.
— Контроль за содержанием канцерогенных ингредиентов в пищевых
продуктах.
— Криминалистическая экспертиза.
— Физико-химические и биохимические исследования веществ и жи-
вых организмов на молекулярном уровне.
— Археологическое датирование минералов.
— Геологоразведка.
601
Экспериментальные методы определения
гиромагнитного отношения протона
В системе фундаментальных физических констант
(ФФК) гиромагнитное отношение протона в воде (<И)
традиционно представляет квантовую взаимосвязь
между магнитной индукцией и частотой зеемановско-
го магнитного резонанса квантовых микрочастиц
(ядер, электронов, атомов), обладающих магнитным
и механическим моментами. Взаимосвязь между ни-
ми определяется соотношением: <^=/рУ-В (^—час-
тота протонного магнитного резонанса, в — магнит-
ная индукция).
Ур — одна из основных ФФК для установления ба-
зовых эталонов электромагнитных единиц (вольта,
ома и теслы) и для проверки некоторых важнейших
положений фундаментальной физической теории че-
рез определение постоянной тонкой структуры-, в ча-
стности, в соответствии со следующим соотношени-
ем:
^1=U/^^L[2e/AL/2^feLF - (1)
где — магнитная восприимчивость вакуума;
Др//6 — магнитный момент протона в единицах маг-
нетона Бора; R„, — постоянная Ридберга; Rh — кван-
товая постоянная (сопротивление) Холла; 2е/h — кон-
станта Джозефсона.
Повышение точности определения Ур и связанно-
го с ним абсолютного воспроизведения теслы через
основные единицы СИ — метр и ампер, важно не толь-
ко для решения упомянутых фундаментальных физи-
ческих и метрологических проблем, но и для практи-
ческих измерений — прежде всего для метрологиче-
ского обеспечения области измерений магнитной
индукции слабых постоянных полей.
Работы по экспериментальному определению Ур
были одновременно начаты в конце 50-х гг. в метроло-
гических институтах ряда стран — NBS (NIST — США),
ВНИИМ (СССР), NPL (Англия), РТВ (Германия), ETL
(Япония). Позднее к ним присоединились NIM (Ки-
тай), KRISS (Республика Корея) и ASMV (ГДР). В тече-
ние прошедших 40 лет исследований точность абсо-
лютного определения константы повысилась более
чем в 100 раз и достигла в настоящее время уровня
(1-2)-10-7[1,2].
Существует два метода абсолютного определения
, получившие названия методов „сильного поля"
(high) и „слабого поля" (low).
В первом методе магнитное поле с индукцией ( В )
порядка 0,5 Тл воспроизводится электромагнитом и
определяется путем измерения геометрических разме-
ров рамки с током, введенной в его рабочее простран-
ство, и механической силы, действукмцей на нее в этом
поле. Одновременно в этом же рабочем пространстве
измеряется методом вынужденной прецессии резо-
нансная частота протонов (ш) в образце с дистилли-
рованной водой. Гиромагнитное отношение протонов
определяется в соответствии с соотношением:
^Kigh = SJpILlmg , (2)
где j — сила тока, протекающего по проводнику;
т — взвешенная масса; g —ускорение силы тяжести;
L = idlxB/B,, , ,
I ' — эффективный размер рамки с током
(В — магнитная индукция, действующая на рамку с
током в области рабочего пространства электромаг-
нита); dl — элемент проводника с током.
Этот метод позволяет проводить измерения Ур с
существенно меньшей точностью, чем метод „слабо-
го поля" и поэтому не получил развития в последние
два десятилетия. Наивысшая точность измерений
Ур high была достигнута 20 лет назад (в 1979 г.) в экспе-
рименте Kibble [3] из NPL (Англия). Погрешность оп-
ределения константы была оценена Ы0'6 (среднеквад-
ратическое отклонение).
Измерение / методом „слабого поля" проводится
в соответствии со следующим соотношением:
где Кь — константа (постоянная) прецизионного
соленоида; / — сила тока, протекающего по обмотке
соленоида.
Эксперимент включает в себя две части, связан-
ные с определением двух различных величин. Первая
часть — это измерение геометрических размеров то-
конесущей обмотки соленоида и расчет на его основе
постоянной соленоида, имеющей размерность Тл/А.
Вторая часть — это определение отношения магнито-
резонансной частоты образца, помещенного в рабо-
чее пространство соленоида к его магнитной индук-
ции. Размерность определяемого во второй части экс-
перимента отношения — (с-Тл)-1.
Современные методы определения Ур рассмот-
рим на примере последнего по времени реализации
и одного из наиболее точных экспериментов, выпол-
602
ненных в процессе совместных исследований ВНИ-
ИМ им. Д.И. Менделеева и Корейского Научно-иссле-
довательского Института Науки и Стандартов (KRISS,
Республика Корея) в 1996-1997 гг.
Основной особенностью данной работы является
применение для измерений Зеемановской частоты
атомного магнитного резонанса (АМР) в газовых об-
разцах гелия вместо ядерного магнитного резонанса
(ЯМР) протонов в образцах воды. Метод протонного
резонанса применялся без существенного улучшения
в течение 40 лет во всех предшествующих экспери-
ментах. Между тем, как известно, этот метод характе-
ризуется рядом факторов, ограничивающих точность
измерений. Первый из них — это чрезвычайно низ-
кий уровень отношения сигнал-шум, что определяет-
ся малой эффективностью термической ядерной спи-
новой поляризации и высоким уровнем шума индук-
ционного метода детектирования сигнала ЯМР.
Другими ограничивающими факторами являются фа-
зовые сдвиги между ЯМР и опорным радиочастотным
сигналом или фазовые сдвиги в цепях преобразова-
ния затухающего сигнала свободной прецессии про-
тонов, а также температурная и связанная с формой
образца зависимость измеряемой частоты ЯМР. Это
делает проблематичным снижения сдвигов при опре-
делении частоты магнитного резонанса протонов ме-
нее уровня 1-10’.
С другой стороны, в практике магнитных измере-
ний уже много лет применяются альтернативные про-
тонному резонансу методы, позволяющие достичь
много большей точности преобразования величины
магнитной индукции в частоту магнитного резонан-
са микрочастиц рабочего вещества. Наиболее разра-
ботаны и исследованы к настоящему времени два ме-
тода, основанные на поляризации микрочастиц мето-
дом оптической накачки (ОН) атомов.
Одним из них является метод магнитного резонан-
са в оптически накачанных образцах газообразногоЗНе
с индукционным методом детектирования сигнала.
Преимуществами этого метода являются большее, чем
у протонного резонанса, отношение сигнал-шум при
значительно меньшем факторе затухания сигнала ЯМР,
несущественной по величине диамагнитной восприим-
чивости и отсутствии частотных сдвигов, связанных с
температурой или формой образца. Константа связи
между гиромагнитным отношением ядерЗНс и гиромаг-
нитным отношением протона неоднократно опреде-
лялась в ряде экспериментов. Значение этой констан-
ты с наивысшей точностью (с СКО 4-109) выражается
следующим соотношением %Не/^=0,7617861313(33).
Второй альтернативой традиционному протонно-
му магнитному резонансу является техника АМР в га-
зообразном 4Непри спиновой поляризации его атомов
в результате столкновений в цезий-гелиевой плазме с
оптически накачанными атомами цезия. Метрологи-
ческие исследования этого метода показали, что час-
тотные сдвиги, связанные с эксплуатационными па-
раметрами и условиями измерений при их оптимиза-
ции не превосходят уровня случайных погрешностей.
Это дает возможность определения Д//г в фиксиро-
ванных единицах с относительной погрешностью ме-
нее чем I-IO^b магнитном поле порядка 1 мТл.
Последнее экспериментальное определение коэф-
фициента связи гиромагнитного отношения атомов
4Не и гиромагнитного отношения ядер 3Не было
выполнено в 1996 г. со следующим результатом:
ЛНе/%не =864,02276(3), оценка СКО результата со-
ставляла 3-10'8.
Техника АМР в 4Нес использованием гелий-щелоч-
ных газообразных рабочих веществ имеет существен-
ные преимущества в области слабых магнитных по-
лей по сравнению не только с традиционным протон-
ным резонансом, но и с ЯМР взн'. Это определяется,
прежде всего, в сотни раз большими частотами АМР,
а также гораздо более эффективным оптическим ме-
тодом детектирования сигнала. Оказывается возмож-
ным существенно снизить относительную погреш-
ность определения действительной частоты АМР в4Не
по сравнению с протонным резонансом. Поэтому тех-
ника АМР в 4Не и была применена в данном экспери-
менте для преобразования магнитной индукции в Зее-
мановскую частоту. Экспериментально измеренные
отношения ~АНе/ были приняты для пе-
рехода от КНе к /р.
Две важные для прогресса в повышении точности
определения /р идеи, предложенные в NIST (США),
также были реализованы. Это многотоковый солено-
ид, константа которого в малой степени зависит от
среднего диаметра витков, и индукционный метод из-
мерений размеров обмотки соленоида.
Соленоид и измерение размеров его витков.
Прецизионный соленоид состоит из следующих ос-
новных частей: кварцевого каркаса в виде трубы, на
внешней поверхности которой нанесена прецизионная
резьбовая канавка для провода; обмотки длиной
1020 мм и диаметром 220 мм, выполненные из медно-
го провода с серебряным покрытием, и токоподводя-
щей линии, обеспечивающей подвод тока к каждой
группе из 10 витков обмотки.
Соленоид рассчитан на питание обмотки одновре-
менно 5 токами — основным, протекающим через всю
обмотку, и 4-мя дополнительными, охватывающими
заданные участки обмотки. Соотношение токов вы-
числено из соображений получения одновременно
максимально большой зоны с однородным магнитным
полем и минимальной зависимости константы соле-
ноида от среднего радиуса его витков.
Шаг и вариации диаметра витков обмотки были
измерены индукционным бесконтактным методом.
Расчеты показывают, что неидеальность формы
подводящих ток проводов автоматически компенси-
руются, если одни и те же проводники участвуют в обе-
их частях эксперимента. Таким образом, удается из-
бавиться от двух проблем: построения специального
обратного проводника постоянного тока и построе-
ния подвижного контакта для переменного тока с сис-
темой слежения.
Приемный зонд индукционной системы измере-
ний имел 6 датчиков, представляющих собой кольце-
вые группы витков провода, определенным образом
расположенные и ориентированные в пространстве:
датчик позиций (Р) — для измерений аксиальной по-
603
зиции 10-витковых групп витков соленоида; датчик ва-
риаций радиуса витков соленоида; два датчика для из-
мерений горизонтальных и вертикальных радиаль-
ных сдвигов центра зонда относительно оси соленои-
да и два датчика для измерений угла наклона оси зонда
в двух ортогональных направлениях.
Разрешающая способность измерительной систе-
мы при определении позиции и радиуса витков со-
ставляла 0,005 мкм, а при измерении радиального
сдвига и наклона оси зонда — 0,01 мм и 0,1 мин.
Расчет константы соленоида.
Основная погрешность обусловлена токоподводя-
щей линией.
Токовая петля площадью 1 мм2 на поверхности со-
леноида приводит к ошибке до 0,05-10г' (как при ради-
альном, так и при аксиальном направлении оси петли).
После перехода от измерений размеров соленоида к
воспроизведению постоянного поля определенные
участки отведенных контактных стержней остаются
без тока, вследствие чего множество малых петель по-
рядка 0,2 мм2 (с аксиальным направлением) не участ-
вуют во второй части эксперимента и поэтому оказы-
ваются нескомпенсироваными, являясь источником
погрешности 0,11-Ю'6. Кроме того, дополнительные
токи также образуют некоторые петли (с радиальным
направлением оси), не участвующие в первой части
эксперимента. Эти петли были измерены и учтены при
расчете в виде поправки 0,14-Ю 6 с погрешностью
0,04-ЮЛ
Определение гиромагнитного отношения атомов 'Не.
Измерительный комплекс включает в себя следую-
щие основные системы: основной 5-токовый солено-
ид; система измерений постоянных токов; атомноре-
зонансный стабилизатор основного тока и 4 источни-
ка дополнительных токов соленоида; аппаратура АМР
в 4Не; система компенсации магнитного поля Земли;
термостабилизирующая система для основного соле-
ноида.
Основной соленоид установлен в центре трехком-
понентной системы катушек компенсации магнитно-
го поля Земли, расположенной в немагнитном здании.
AMP-стабилизатор обеспечивает неизменность основ-
ного тока обмотки соленоида с кратковременными
(1-10 с) вариациями (2-3)-Ю'8 (СКО) и нестабильно-
стью порядка (1-2)-10‘7за 5 часов.
В состав АМР стабилизатора тока входят: основной
источник тока; вспомогательный кварцевый солено-
ид, ось которого параллельна оси основного соленои-
да; цезиевый AMP-компаратор, датчик которого поме-
щен в центр этого соленоида; синтезатор частот. Две
системы с обратной связью обеспечивают автомати-
ческую компенсацию вариаций компоненты магнитно-
го поля Земли в направлении осей кварцевых соленои-
дов и температурную зависимость магнитного поля
вспомогательного кварцевого соленоида.
Стабилизация параметров основного кварцевого
соленоида осуществлялась системой регулирования
температуры, основанной на обтекании его обмотки
диэлектрической жидкостью высокой плотности.
Для измерений частоты АМР были реализованы
метод и аппаратура, основанные на спиновой поля-
ризации метастабильных атомов 4Не, при высокочас-
тотном нагреве плазмы, путем спин-обмена с оптиче-
ски накаченными атомами 133Cs.
В данном эксперименте, на вновь разработанной
усовершенствованной измерительной аппаратуре,
были дополнительно проведены экспериментальные
исследования, подтвердившие стабильность частоты
АМР 4Не при вариациях эксплуатационных парамет-
ров. Специальные меры были приняты для исключе-
ния искажений формы резонансной линии.
Неоднородность магнитного поля соленоида мо-
жет также быть одним из источников погрешности
из-за цилиндрической формы образца 4Не и его суще-
ственных размеров (длина и диаметр цилиндра
40 мм). Для того чтобы практически оценить и исклю-
чить этот фактор, был проведен расчет усредненной
магнитной индукции по образцу при реальном распре-
делении магнитного поля, и выполнены измерения
при заданных сдвигах центра образца относительно
центра соленоида.
Мягкая компонента намагниченности деталей, ок-
ружающих образец 4Не, была минимизирована специ-
альным подбором материалов, и ее остаточная вели-
чина была в конечном итоге учтена при определении
отношения Кн,/У>Нг . Полученный результат приво-
дит к величине КНг/ ~/р =658,200556(20) при исполь-
зовании соотношения Хн,/ 4 =0,7617861313(33).
Измерения тока основывались на периодических
сличениях (в процессе AMP-эксперимента) вторич-
ных эталонов вольта и ома, непосредственно приме-
нявшихся здесь, с соответствующими эталонами
KRISS на основе квантовых эффектов Джозефсона и
Холла. Принятые базовые величины констант состав-
ляли: К) =483597,9 ГГц/B и Rh =25812,807 Ом. В ре-
зультате измерений были введены соответствующие
поправки на экспериментально определенные коэф-
фициент мощности эталонного резистора (1 Ом) при
токе 1 А и дрейф вторичных эталонов вольта и ома в
течение АМР-эксперимента.
Результаты
Получено следующее значение гиромагнитного
отношения протона в воде при 25 °C:
?р =2,67515451-Ю8 с1 Тл1 (Тесла В1-90).
Непосредственно в результате эксперимента было оп-
ределено гиромагнитное отношение атомов метаста-
бильного 4Не в гелий-цезиевой газообразной среде в
магнитном поле с индукцией 1,25 мТл:
=1,76078819-Ю" с 'Тл ’.
Для процедуры согласования фундаментальных
констант следует ввести поправку на магнитную вос-
приимчивость X воздуха, окружавшего образцы с ра-
бочим веществом. В учебной и справочной литерату-
ре можно встретить значение X в пределах (0,36-
0,38)-10А Расчеты, основанные на табличных данных
для компонент атмосферного воздуха, приводят к зна-
чению ^=0,366-104 при 25 °C и 760 мм рт.ст. Опира-
ясь на эту величину, получим:
— гиромагнитное отношение протона для сфери-
ческого образца воды при 25 °C, находящегося в ва-
кууме (поправка — 0,333-/) составляет
Гр =2,67515418- Ю8 с’Тл1;
604
— гиромагнитное отношение атомов метастабиль-
ного гелия-4 (поправка—0,312-х) соответственно име-
ет значение
ПНе =1,76078799-10” с’Тл1.
Погрешность внесенных поправок на воздушную
среду, если она не превышает 30 %, практически не
влияет на суммарную погрешность исправленных зна-
чений, которая остается без изменений: 0,18-10 г’. Для
отношений %Не/КНе и %Не1%> поправка (+0,021, х)
невелика по сравнению с погрешностью измерений:
KHl/%He =864,02277(3); XHJ ?р =658,20056(2).
Литература:
1. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Хорев В.Н., Чечу-
рина Е.Н., Щёлкин А.П. Средства измерений параметров мае
нитного поля. — Л.: Энергия, 1979. — 320 с.
2. Антонов В.Г., Петров Л.М., Щёлкин А.П. Средства из-
мерений магнитных параметров материалов. — М.: Энерго-
атомиздат, 1986. — 216 с.
3. Яновский Б.М. Земной магнетизм. — Л.: Изд. ЛГУ. —
1964. - Ч. 1 - 445 с. - 1963. - Ч. 2. - 461 с.
4. Шифрин В.Я. Приборы для точных измерений магнит-
ной индукции и их метрологическое обеспечение. — М.: Ма
шиностроение, 1982. — 57 с.
5. Пирогов А.И., Шамаев Ю.М. Магнитные сердечники
для устройств автоматики и вычислительной техники. — М.:
Энергия, 1973.
6. Shifrin V.Ya., ParkP.G., Kim C.G., Khorev V.N., Choi C.H.
A Low-Field Determination of the Proton Gyromagnetic Ratio in
Water // IEEE Trans., Instr., Meas. — 1998. — V. 47. — № 3. —
C.638-643.
7. Калабин B.H., Чернышев B.E., Хорев B.H., Шипов А.Е.,
Шифрин В.Я. 1осударственный первичный эталон единиц
магнитных величин — магнитной индукции, магнитного по-
тока и их отношения // Измерительная техника. — 1991. —
№ 10.-3-5 с.
В.Я. Шифрин
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерение
акустических величин
- - - . — 606 -......... —
Акустические измерения
Историческая справка
Начало акустическим измерениям было положено,
как считают, измерениями скорости звука в воде на
Женевском озере в 1826 г., выполненными Колладо-
ном и Штурмом. Становление акустики в середине
XIX в. стимулировало и проведение акустических из-
мерений. В качестве инструментов использовались
труба Кундта, стержни и пластины с фигурами Хлад-
ни для определения скорости звука, чувствительное
пламя, диск Рэлея для оценки интенсивности звука.
Время реверберации в помещениях (соборах, теат-
рах) оценивалось Сэбином на слух по секундомеру.
Развитие радиотехники в 20-30 гг. XX в. привело
к разработке электронных приборов для акустических
измерений — микрофонов, гидрофонов, виброприем-
ников, усилителей, анализаторов сигнала различно-
го типа. Предлагались и разрабатывались новые ме-
тоды измерений, результаты измерений сопоставля-
лись с известными ранее для оценки систематических
погрешностей, после чего получали широкое распро-
странение.
Технический прогресс сопровождался невиданным
ранее ростом шумов и вибраций механизмов, транс-
портных средств (наземных, морских, авиационных),
пагубно влияющих на здоровье человека, а в крайних
случаях и нарушающих прочность конструкций. В во-
енной технике шумы использовались для поиска целей
(звукоулавливатели шумов самолета, гидроакустиче-
ские шумопеленгаторы подводных лодок ...). Измере-
ния параметров шумов и вибраций стало настоятель-
ной необходимостью с целью организации борьбы за
их снижение. Потребовалось также измерять акусти-
ческие характеристики (скорость звука, поглощение,
затухание, потери) материалов и конструкций, исполь-
зуемых для снижения шумов и вибраций.
Задачи технической и медицинской диагностики
потребовали измерений параметров ультразвуковых
колебаний в твердых телах и в жидкостях.
Корректное использование акустических прибо-
ров на инфразвуковых (ниже 20 Гц), звуковых (20 Гц-
10 кГц) и ультразвуковых (выше 10 кГц) частотах не-
возможно без точного знания их чувствительности.
Были разработаны различные методы градуировки
микрофонов, гидрофонов, виброприемников на раз-
личных частотах, создано метрологическое обеспече-
ние, выпущены ГОСТ’ы, регламентирующие проведе-
ние акустических измерений различного вида в ши-
роком диапазоне частот.
Развитие акустических измерений обобщалось в
технической литературе. Издавались монографии по
общим вопросам акустических измерений—Л.Л. Мяс-
никова (1937 г.), А.И. Белова (1941 г.), Л.Л. Беранека
(1952 г.), Л.П. Блиновой, А.Е. Колесникова, Л.Б. Лан-
ганса (1971 г.), А.Е. Колесникова (1982, 1983 гг.), и по
измерениям в различных областях акустики —
Г.А. Осипова и др. (1968, 1978 гг.), А.К. Новикова
(1971, 1985 гг.), А.И. Тюрина, Э.С. Таранова,
А.П. Статкевича (1972 г.).
Необходимые акустические приборы выпускались
множеством зарубежных фирм и отечественных пред-
приятий, в частности: „Брюль и Кьер“ (Дания), „Ме-
травиб" (Франция), Институт радиоприема и акусти-
ки (Ленинград), „Виброприбор" (Таганрог), „Вибра-
тор" (Ленинград).
Физические основы акустических
измерений
Акустическая волна есть процесс последователь-
ной передачи во времени и в пространстве возмуще-
ний, колебаний от точки к точке упругой среды. Аку-
стические измерения — это измерения параметров
возмущения среды и параметров колебаний возму-
щающих поверхностей и конструкций. Целесообраз-
но выделить три направления акустических измере-
ний:
1) измерения звукового давления и колебательной
скорости в газообразной, жидкой или твердой упру-
гой среде;
2)измерения вибраций колеблющихся поверхно-
стей, конструкций;
3) измерения скорости распространения волн, уп-
ругих параметров, поглощения и других свойств га-
зообразных, жидких сред или инженерных конструк-
ций.
В газообразной и жидкой среде колебания частиц
среды описываются волновым уравнением
Э2р Э2/> , д2р I Э2/>
Эх2 ду2 Э? с2 dt2
Волновое уравнение устанавливает связь между вре-
менной производной второго порядка звукового дав-
ления и пространственными производными второго
порядка, связанными с колебательной скоростью
^ = (vx’vyvz)- В частности, для плоской волны из вол-
нового уравнения можно получить p = vxpc, где р —
плотность среды, с—скоростьзвука в среде, рс —вол-
новое сопротивление среды.
Наиболее просто измерять звуковое давление как
скалярную величину, что и делают в подавляющем
=^=========== 607
большинстве случаев. Колебательную скорость в фор-
ме трех пространственных составляющих, vx , vy , v.
измеряют лишь в тех случаях, когда необходимо
учесть или определить направление распространения
волны. В некоторых случаях измеряют и звуковое дав-
ление р и колебательную скорость v , что позволя-
ет, в частности, оценить вектор потока энергии (век-
тор Умова-Пойнтинга) W = pv , а по сдвигу между р и
v оценить неизвестное расстояние между излучате-
лем и приемником.
Измерения вибраций часто сопровождают изме-
рения параметров акустического поля, что необходи-
мо для оценки эффективности излучения исследуемой
конструкции. Уровни вибраций излучающей конст-
рукции являются граничными условиями при реше-
нии волнового уравнения для конкретной геометрии
излучателя и окружающего пространства. При борь-
бе с шумом механизмов главную роль играет сниже-
ние вибраций в источнике. В этих работах измерение
вибраций является основным видом измерений.
Вторым методом снижения шума является исполь-
зование вибропоглащающих и звукоизолирующих
средств на пути распространения шума от источника
во внешнюю среду. Для разработки таких средств и
при их испытаниях необходимы данные о параметрах
поглощения энергии и другие данные, которые полу-
чают путем измерения как на специальных установ-
ках, так и в натурных условиях.
Основные понятия, термины и
определения, единицы измерений
Работа акустического излучателя приводит к воз-
мущению стационарного состояния газообразной,
жидкой или твердой среды. Звуковым давлением назы-
вают разность между мгновенным значением полно-
го давления и средним давлением, которое наблюда-
ется в среде при отсутствии возмущения. В фазе сжа-
тия звуковое давление положительно, в фазе
разряжения — отрицательно.
Одновременно наблюдаются колебательные дви-
жения частиц среды при распространении звуковой
волны, которые характеризуются колебательной скоро-
стью частиц среды. Скорость распространения звуко-
вой волны называют скоростью звука (не путать с коле-
бательной скоростью частиц среды). Скорость звука
зависит от характера среды и вида распространяю-
щихся колебаний. В газах и однородных жидкостях
могут распространяться только продольные волны.
Скорость звука в воздухе равна 340 м/с, в воде 1480
м/с. В твердых телах могут распространяться также
поперечные изгибные колебания (при малой толщи-
не листа) и сдвиговые волны различного вида и ха-
рактера, отличающиеся зависимостью скорости зву-
ка от частоты (дисперсия скорости звука).
Параметры физических величин, измеряемых в
акустике, приведены в таблице в системе СИ. Основ-
ная единица — единица звукового давления, получала
различные наименования, которые связаны следую-
щим образом:
1 Паскаль (Па)=1 Ньютон/м2=10 дин/см2=10 бар.
Длиной волны звука Л называют расстояние меж-
ду двумя ближайшими точками с одинаковой фазой,
измеренное вдоль направления распространения зву-
ка, Л=с/ f .
Соотношение между звуковым давлением p(t) и ко-
лебательной скоростью v(r) определяется как акусти-
ческое сопротивление za=p/v . В плоской звуковой
волне величину za = рс называют волновым сопро-
тивлением среды. Интенсивность звука — мощность
на единицу площади:
I =гфсов в,
где в — сдвиг фаз между p(t) и v(i).
В акустике вместо линейных величин р , j и т.д.
применяют логарифмические величины. Уровень зву-
кового давления есть:
L=10log(f/r0)=201og(/>//>0),
где в качестве нулевого уровня выбрано р0 =2-10
5Паили /о=1О'!2Вт/м2 в воздухе.
Относительные величины применяют и в частот-
ной области, где октавой называют диапазон частот
от /„ до f„= 2fM . Разделяя октаву в геометрическом
соотношении (/„) получают полуоктавные полосы
(Л =2 ’/2), третьоктавные (k =2 ’/3) и т.д. до двенадца-
тиоктавных (А =2 которые соответствуют интер-
валам музыкального звукоряда — последовательности
нот музыкальной октавы. Дробные октавные полосы
являются характеристикой полос анализа спектро-
метров — анализаторов с постоянной относительной
полосой Д/ анализа ( Д/).
При измерении вибраций определяют колебатель-
ное смещение х (удобное для измерений на низких
частотах), скорость v = 2^x, или колебательное уско-
рение а = (2^')?х (удобное для измерений на высоких
частотах). Соотношение между переменной силой р ,
воздействующей на конструкцию и возникающими
вибрациями определяет механическое сопротивле-
ние (импеданс) конструкции zm =F/v . Уровень виб-
раций L = 201g(x/x0) или L = 201g(x/xo) позволяет пе-
рейти к логарифмическим величинам (децибелам) от-
носительно х0 =5-10’8м/с2 или х0 =3-10чм/с2. В ряде
стран используют хп =1-10бм/с2.
Методы и средства измерений,
принципы их действия и
классификация
1. Методы и средства измерений звукового дав-
ления в воздухе
При воспроизведении единицы звукового давле-
ния в воздухе в звуковом диапазоне частот (20 Гц-
16 кГц) используются звукомерные диски, помещен-
ные в акустическую трубу. Звуковое давление оцени-
вается по вращающему моменту, действующему на
608
диск, помещенный в пучности колебательной скоро-
сти в стоячей волне в трубе. При воспроизведении
единицы звукового давления в „свободном поле“ в диа-
пазоне 1-30 кГц используется также звукомерный
диск, но в заглушенной камере (см. ниже). Звуковое
давление оценивается по давлению акустической ра-
диации. Так градуируют эталонные микрофоны.
Рабочим измерительным средством является мик-
рофон. Наилучшими параметрами обладают конден-
саторные микрофоны — тонкая мембрана натянута в
микрофоне перед массивным электродом, на который
подано высокое напряжение. Под действием звуковой
волны мембрана колеблется, изменяется емкость про-
межутка мембрана—электрод, возникает переменный
ток и на нагрузочном сопротивлении выделяется пе-
ременное напряжение, пропорциональное звуковому
давлению. Диапазон частот от 2-10 Гц до 20-100 кГц
перекрывается микрофонами диаметром от 15-20 мм
на низких частотах, (например, отечественные типа
МК-6, МИК-6, импортные типа 4145, 4133 „Брюль и
Къер“), до 3-5 мм на ультразвуковых частотах (напри-
мер, типа 4135, 4138 „Брюль и Къер“).
Применяются также микрофоны электромагнит-
ного типа, электретные (конденсаторные с электри-
ческим полем от электрета), угольные (в телефонных
аппаратах), пьезоэлектрические и другие.
Измерительный тракт, состоящий из микрофона,
усилителя, полосовых фильтров и стрелочного или
цифрового измерительного прибора называют шумо-
мером. Измеряются спектральные уровни акустическо-
го сигнала &-октавных, третьоктавных или иных по-
лосах частот, а также общий (суммарный) уровень сиг-
нала.
Разновидностью измерений в воздухе является из-
мерение уровня громкости, являющегося общим уров-
нем сигнала, измеряемого трактом, частотная харак-
теристика которого моделирует частотную характе-
ристику слухового тракта человека при данном уров-
не громкости. Эта характеристика изменяется с изме-
нением уровня звука, имеет минимальный пороговый
уровень на частотах 1-5 кГц и возрастание порогово-
го уровня к низким и высоким частотам. В шумоме-
рах применяют частотные характеристики типа А —
для слабых звуков, типа В — для средних, типа С — для
сильных звуков. Уровень громкости отражает ощуще-
ние человека, измеряется в логарифмической шкале
в фонах (равногромкость с уровнем громкости на час-
тоте 1000 Гц, или в сонах (единица громкости чистых
тонов, равногромких с уровнем громкости 40 фон).
2. Измерительные средства для измерения зву-
кового давления в жидкостях и твердых телах
В жидкостях вместо микрофона применяют гид-
рофоны. Современные гидрофоны изготавливают из
пьезокерамики с высоким пьезомодулем в виде полой
сферы. Глубоководные гидрофоны заполняют мас-
лом. Диаметр сферы составляет 80-100 мм для инфра-
звуковых частот, 50 мм для звуковых частот и 10-20 мм
в ультразвуковом диапазоне частот. Для измерений в
морских условиях гидрофон помещают в звукопро-
зрачный обтекатель для защиты от шумов обтекания.
Кроме пьезоэффекта в электроакустических преобра-
зователях используют магнитострикционный эф
фект.
В акустике твердых тел применяют геофоны на час-
тотах до 1-10 кГц, пьзокерамические щупы для изме-
рений на ультразвуке. Измеряя колебательную ско-
рость v поверхности тела рассчитывают давление в
твердом теле: р= ря, где р — плотность материала,
с — скорость звука в твердом теле.
Параметры акустического поля
Величина Обозначение Наименование единицы СИ Обозначение размеры.
1. Звуковое давление Р паскаль Па
2. Колебательная скорость (частиц среды) V метр/сек м/с
3. Звуковая мощность р ватт Вт
4. Интенсивность звука 1 ватт/м2 Вт/м2
5. Плотность звуковой энергии W джоуль/ м3 Дж/м3
6. Смещение (поверхности излучателя) X метр м
7. Скорость колебаний V метр/сек м/с
8. Ускорение колебаний а метр/сек2 м/с2
9. Уровень звука (201g р/рО) рО=2ЛО’5 Па Ьз децибел дБ
10. Уровень вибраций (201g х/х0) хОЗ Ю"4 Ьв децибел дБ
11. Акустическое сопротивление za паскальсек/м Па-с/м
12. Удельное акустическое сопротивление рс паскаль-сек/м3 Па-с/м3
13. Механическое сопротивление ZM ньютонсек/м Н-с/м
14. Скорость звука с метр/сек м/с
15. Длина звуковой волны X метр м
16. Линейная частота колебаний f герц Гц
17. Период колебаний ТО сек С
18. Время реверберации Тр сек С
19. Интервал частот у октава -
fB, fH — верхняя и нижняя частоты диапазона (при fc=2)
609
3. Измерение колебательной скорости и интен-
сивности звуковой волны
Измерение колебательной скорости, как измере-
ние векторной величины, усложняется необходимо-
стью измерения трех пространственных составляю-
щих vx , vy , vt вектора , для чего необходимо при-
менять три приемника колебательной скорости
вместо приемника давления. Приемники колебатель-
ной скорости могут быть следующих типов:
— приемники градиента давления;
— приемники инерционного типа (соколеблющие-
ся со средой);
— приемники силового типа (с неподвижными эле-
ментами).
Приемник градиентного типа составляется из двух
приемников давления, расположенных на расстоянии
менее длины волны друг от друга. Приемник инерци-
онного типа представляет собой сферу, малую по срав-
нению с длиной волны, внутри которой установлен
один (или три) виброприемник, измеряющий колеба-
тельную скорость этой сферы. Приемник силового ти-
па содержит измеритель силы, например, пьезоэлек-
трического или электрокинетического типа.
Измерение составляющих колебательной скоро-
сти vx , vy , vz звукового давления р в комбинирован-
ном приемнике позволяет получить составляющие ин-
тенсивности звука I =vpcos 0, где 0 — сдвиг фаз меж-
ду v;(t) и />(<), т.е. оценить вектор Умова-Пойнтинга
акустического поля. Следует отметить, что использо-
вание лишь двух приемников давления при взаимо-
спектральпой обработке их сигналов позволяет оце-
нить интенсивность в акустическом поле. Устройст-
ва для реализации этого метода поставляются, в
частности, фирмой „Брюль и Къер“.
4. Акустические камеры, заглушенная и ревер-
берационная
Для измерений акустического излучения машин,
механизмов, акустических излучателей различного
типа применяют специальные акустические камеры
и заглушенные бассейны.
Заглушенная камера представляет собой помеще-
ние, все внутренние поверхности которого закрыты
щитами с укрепленными на них поглотителями, обыч-
но выполненными в виде клиньев из мягкого звуко-
поглощающего материала — ваты, поролона, материи.
Это позволяет моделировать работу излучателей „в
свободном поле", т.е. как бы в открытом пространст-
ве. Размеры камеры выбираются в зависимости от час-
тотного диапазона такими, чтобы короткая сторона
была больше длины волны. Акустические свойства ка-
меры характеризуются коэффициентом отражения
волн от звукопоглощающих щитов на различных час-
тотах. Для работы в воде подобным образом оборуду-
ются заглушенные бассейны. Их клинья изготовляют
из дерева, резины и т.п. материалов.
Реверберационная, гулкая камера, наоборот, кон-
струируется как помещение неправильной формы с
хорошо отражающими непараллельными стенами.
Дополнительно могут устанавливаться вдоль стен пло-
ские отражатели различной формы, произвольно
ориентированные. В реверберационной камере соз-
20 Зак. 450
дается диффузное, изотропное поле, необходимое для
ряда исследований и акустических измерений. Каме-
ра характеризуется данными о времени реверберации
на различных частотах. Размеры камеры должны быть
больше длины волны.
5. Методы и средства измерения вибраций
При анализе и исследованиях вибраций измеряют
колебательное смещение х, скорость v = ах или уско-
рение а = дгх . Из последнего соотношения видно, что
смещение целесообразно измерять на низких часто-
тах, а ускорение — на высоких частотах, где при малом
смещении получаются весьма высокие уровни ускоре-
ния, которые легко измеримы. Виброприемники раз-
личного вида могут давать сигнал, пропорциональный
х , v или а. Смещение колеблющейся поверхности на-
блюдают визуально, например, с помощью микроско-
па, направленного на боковую поверхность колеблю-
щегося вибростола и с помощью шкалы считывают
величину размаха (двойной амплитуды). Датчик емко-
стного типа позволяет преобразовать смещение в элек-
трический сигнал и измерить его.
Датчик электромагнитного или электродинамиче-
ского типа выдает сигнал, пропорциональный коле-
бательной скорости, но сравнительно большие габа-
риты и вес таких датчиков делают их пригодными для
измерений лишь на низких частотах.
Наибольшее распространение получили акселеро-
метры пьезоэлектрического типа, состоящие из осно-
вания, на которое наклеивается керамическая пьезо-
пластина, а поверх нее — металлическая масса. Выпус-
кают виброприемники различного размера и веса —
от нескольких грамм для измерений на высоких час-
тотах и на легких конструкциях до нескольких десят-
ков грамм для измерений на более низких частотах,
где ввиду малого уровня колебательного ускорения
приходится применять виброприемники повышен-
ной чувствительности, имеющие повышенную ем-
кость, что и влечет за собой увеличение массы виб-
роприемника. Например, фирмой „Брюль и Къер"
выпускаются акселерометры общего назначения
типа 4396, имеющие чувствительность 10 мВ/мс'2,
массу 18 г, диапазон частот 1-14000 Гц; акселерометр
для легких конструкций тип 4394, чувствительность
1 мВ/мс’2, масса 2,7 г, диапазон частот 1-25000 Гц; ак-
селерометр для измерения на низких частотах малых
амплитуд вибрации, тип 4378, чувствительность
26 мВ/мс2, масса 175 г, диапазон частот 0,1-3900 Гц.
Выпускаются акселерометры трехкомпонентные
для измерения составляющих вибраций по осям х,
У , z , герметичные для измерений под водой, специ-
альные для измерений в загрязненной среде, при вы-
сокой температуре и т.п.
Особое внимание при измерениях вибраций на
частотах выше 1 кГц необходимо обращать на способ
установки виброприемника: поверхность должна
быть плоской, отшлифованной, смазанной маслом,
лучше всего ввинчивать виброприемник в специаль-
ную приваренную к измеряемой поверхности бонку.
Допустимо применять специальную насадку, навинчи-
ваемую на виброприемник, которая имеет свинцовый
наконечник. Такой виброщуп позволяет выполнять
измерения на частотах до нескольких кГц, значения
610
которых практически уточняются применительно к
качеству контактной поверхности.
Тракт для измерения вибраций должен содержать
предварительный усилитель напряжения или усили-
тель заряда. Применение последнего исключает из-
менение чувствительности виброприемника при уве-
личении длины кабеля, приводящей к увеличению ем-
кости, присоединяемой к виброприемнику.
Следует также указать, что существуют методы не-
контактного измерения вибраций, к которым следует
прибегать в случаях, когда нежелательно нагружать из-
мерительную поверхность дополнительной массой
(массой виброприемника), либо в случаях, когда изме-
рительная поверхность недос гуппа для исследователя.
Принцип неконтактного измерения вибраций состо-
ит в облучении поверхности лучом света или ультра-
звука и приема отраженного сигнала, который будет
модулирован по фазе. В результате демодуляции отра-
женного сигнала получают измерительный сигнал,
уровень которого пропорционален уровню вибраций,
6. Средства анализа виброакустических сиг-
налов
Аппаратурный анализ виброакустических сигна-
лов является необходимой измерительной процеду-
рой. Выполняют спектральный, корреляционный,
статистический анализ сигнала, оценивают простран-
ственные параметры, собственные функции колеба
тельной системы, конструкции.
Спекгральный анализ с полосами анализа октав-
ной, третьоктавной выполняют с помощью спектро-
метров, которые могут работать в режиме „усредне-
ние" при анализе стационарных сигналов и в режиме
„запоминание максимума* при анализе нестационар-
ных сигналов. В приборе осуществляется цифровая
фильтрация, линейное и экспоненциальное усредни
ние, реализуется широкий выбор параметров анали-
за. запоминание результата. Примеры — спектромет-
ры семейства 2140 фирмы .Брюль и Къер“ для однока-
начьного анализа; 2133 — прибор для двухкапальпого
анализа, в частности для инз енсиметрии в октавных
и других полосах.
Узкополосный анализ выполняют с помощью ана-
лизаторов параллельного типа, работающих па основе
быстрого преобразования Фурье В звуковом диапазо-
не частот, в частности, работают анализаторы фирмы
„Брюль и Къср“ типа 2147, 2148, выдающие результат
с числом спектральных отсчетов 800,400,100. 50. Пре-
дусмотрен выбор различных весовых функций, пара-
метров усреднения, двухканальный анализ, измерение
функции когерентности. Последнее заменяет в настоя-
щее время корреляционный анализ. Для других видов
анализа необходимо применять другие анализаторы.
Дальнейшее развитие техники анализа привело к
созданию виртуальных приборов, мультианализирую-
щих систем, основой которых является персональный
компьютер. Например, система PULSE или тип 3560
фирмы „Брюль и Къер“ с персональным компьютером
и специальными платами для выполнения операций
фильтрации и быстрого преобразования Фурье в ре-
альном масштабе времени и других обеспечивает об-
работку сигнала по выбранной программе: треть-
октавный анализ, узкополосный анализ, интенси-
метрия, когерентность и т.д. в зависимости от
установленного программного обеспечения и специа-
лизированных плат.
Российская фирма „Мера* выпускает анализаторы
подобного типа.
Области применения, роль
акустических измерений в науке и
промышленности
Акустика делится на ряд подразделов, внутри ко-
торых содержатся и соответствующие подразделы аку-
стических измерений. Целесообразно представить в
этом аспекте роль, цели и особенности акустических
измерений.
1. Архитектурная акустика (акустика помещений)
имеет целью обес печить качество озвучивания поме-
щений (театров, актовых залов, спортивно-концерт-
ных комплексов), звуко- и виброизоляции жилых и
производственных помещений и снижение шума про-
изводственных цехов. С этой целью измеряются вре-
мя реверберации, звукоизоляция строительных кон-
струкций, виброизоляция покрытий, попов и смеж-
ные параметры.
2. Биоакустика и Медицинская акустика изучает
строение слуховых и голосовых трактов животных и
человека с целью диагностики заболеваний, оценива-
ет влияние шума и вибраций на живой организм, вы-
рабатывает нормы и требования по допустимым уров-
ням шума и вибраций (акустическая экология). Изме-
ряются спектральные уровни шумов и вибрации и
другие их характеристики.
3. Гидроакустика с одной стороны — занимается раз-
работкой и испытаниями средств гидроакустического
обнаружения (рыболокаторы, эхолоты, гидроакустиче-
ские станции кораблей, стационарные комплексы) ис-
следуются методы обнаружения и классификации мор-
ских объектов, изучаются условия распространения
гидроакуст ических сигналов и свойства помех моря и
т.п. С другой стороны, в корабельной акустике изуча-
ются, разрабатываются и испытываются средства сни-
жения шума и вибрации на судах, кораблях, измеряют-
ся свойства средств виброи юляпии, вибропоглошения.
звукоизоляции. С этой целью измеряется широкий ком-
плекс параметров акустических полей сигналов и пег
мех, характеристики акустических излучающих и при-
емных систем и комплексов, разрабатываются специа-
лизированные методики измерений уровней полей,
выявления источников излучения, методы, способы и
средства акустической диагностики.
4. Шумы и вибрации в промышленности и на
транспорте. Разработаны методики выполнения из-
мерений шумов механизмов (например, стандарт
СЭВ 1414-78), основанные на следующих методах:
1) метод свободного поля, требующий проводить
измерения в заглушенной камере (ГОСТ 12.1.026-80),
2) метод отраженного поля путем измерений в ре-
верберационной камере (ГОСТ 12.1.025-81);
3) метод образцового источника шума для измере-
ний на месте установки механизма.
В каждом из этих методов предусмотрено измере-
ния спектров шума в ряде точек вокруг источника. Да-
лее результаты усредняются и пересчитываются к от-
крытому пространству и стандартной дистанции по
различным формулам соответственно применяемому
методу:
611
1) пересчет по сферическому закону в заглушенной
камере;
2) с учетом времени реверберации в ревербераци-
онной камере;
3) с использованием разности спектральных уров-
ней эталонного и испытуемого источников шума в ра-
бочем помещении.
Шум транспортного средства измеряется при его
движении с определенной скоростью на стандартной
дистанции, предусмотренной методикой выполнения
измерений, в частности 7,5 м для автотранспорта, ли-
бо 25, 50, 100 м при большой скорости согласно стан-
дарту ISO 3095-1975 (Е). Измерения спектра шума
выполняются анализатором в режиме запоминания
максимальных значений усредненного спектра, резуль-
таты многократных измерений усредняются.
Кроме оценки уровней шума акустические испыта-
ния машин и механизмов преследуют цель выявить
причины, источники шума. С этой целью разрабаты-
ваются специальные методы измерений, в частности,
используют взаимоспектральный анализ вибраций ме-
ханизма и излучаемого им шума, когерентный анализ,
применение направленных приемных антенн, направ-
ленный прием методом синтезированной апертуры,
интенсиметрия в излученном акустическом поле и т.п.
5. Виброакустическая диагностика. Измерение
вибраций механизма позволяет оценить состояние
механизма, выявить дефекты отдельных его узлов,
прогнозировать допустимые сроки его эксплуатации.
Диагностика механизмов основывается на результа-
тах измерения спектров в трстьоктавных и узких по-
лосах частот, на измерении модуляционных характе-
ристик вибраций и шума и специальных приемах об-
работки измерительных данных. Виброакустический
мониторинг позволяет выполнять ремонт механиз-
мов по фактическому состоянию, вместо применяв-
шегося ранее планового ремонта в заранее заплани-
рованные сроки, предотвращать аварии, что дает за-
метный экономический эффект.
6. Ультразвуковая техническая дефектоскопия и
медицинская диагностика.
Ультразвуковая дефектоскопия основана на рабо-
тах проф. С.Я. Соколова, является одним из методов
неразрушающего контроля и в настоящее время ши-
роко применяется в промышленности. Просвечива-
ние металлических изделий ультразвуком производит-
ся различными методами и средствами: на просвет,
по отраженным сигналам, методами томографии и
синтезированной апертуры, при различных парамет-
рах ультразвуковых сигналов, с помощью одиночных
и многоэлементных щупов — преобразователей.
В медицине ультразвуковые методы обследования
больного (УЗИ) позволяют более объективно ставить
диагноз и также широко известны и распространены.
Методы градуировки акустических
преобразователей и система
обеспечения единства акустических
измерений
Основным способом обеспечения единства изме-
рений в акустике является следование поверочной
схеме, обеспечивающей передачу единицы измерения
от эталонных средств к рабочим измерительным сред-
ствам методом сравнения последних с образцовым
средством. Погрешность градуировки образцовых
микрофонов оценивается десятыми долями децибе-
ла в звуковом диапазоне частот. Градуировка рабочих
приемников звукового давления осуществляется со
средней квадратичной погрешностью 1 дБ.
Градуировка образцовых гидрофонов в воде в со-
ответствии с общей государственной поверочной схе-
мой оценивается средней квадратичной погрешно-
стью менее 1 дБ. Передача единицы измерений от эта-
лона к рабочему средству измерений сопровождается
повышением погрешности измерений. Так, оценка ап-
паратурной погрешности измерений звукового давле-
ния в морских условиях с помощью конкретного из-
мерительного тракта показывает, что реально дове-
рительный интервал погрешности измерений с
вероятностью 0,95 составляет 4,5-6 дБ. Поэтому ак-
туальной является задача разработки и внедрения де-
централизованных абсолютных способов градуиров-
ки гидрофонных измерительных трактов. Одним из
таких способов является калибровка гидрофонного
тракта методом взаимности.
В методе взаимности используется связь чувстви-
тельности гидрофона в режиме приема с чувствитель-
ностью его в режиме излучения, определяемая коэф-
фициентом взаимности. Для случая излучения сфери-
ческих волн коэффициент взаимности ц вычисляют
по формуле
Н = 2rtrf ,
где т — расстояние между точками излучения и
приема; р — плотность среды; / — частота звука.
Для калибровки необходимы три преобразовате-
ля (гидрофона): обратимый, приемник и излучатель.
Производят три измерения: тока г через обратимый
преобразователь, выход е} приемного тракта и два
выхода и е3 трактов с обратимым преобразовате-
лем и приемником на их входах при работе излучате-
ля. Чувствительность рассчитывают по формуле с уче-
том коэффициента взаимности ц:
Исследования показали, что при идентичности
гидрофонов достаточно использовать лишь два гид-
рофона и получать результаты измерений без потери
точности. Комплектная калибровка всего измеритель-
ного тракта по методу взаимности в натурных, мор-
ских условиях может обеспечить повышение точно-
сти измерений.
В настоящее время метод взаимности хорошо ис-
следован и применяется как абсолютный метод для
градуировки как акустических преобразователей, так
и виброприемников, как в натурных, так и в лабора-
торных условиях. Существуют и другие методы абсо-
лютной градуировки электроакустических преобразо-
вателей, но они имеют ограничения по условиям при-
менения, частотному диапазону и некоторым другим
параметрам.
Международное сотрудничество
Международное сотрудничество в области акусти-
ческих измерений, прежде всего, производилось в
рамках Совета Экономической Взаимопомощи (СЭВ).
============= 612 ==========================
Выпущен ряд рекомендаций СЭВ по методам из-
мерений, с которыми согласованно выпускались
ГОСТы по акустическим измерениям. Например,
ГОСТ 12.1.025-81 по измерениям шума механизмов в
реверберационной камере согласован с СТ.СЭВ 3080-
81, ГОСТ 12.1.026-80 согласован с СТ.СЭВ 3076-81 и т.д.
Международные стандарт ы ISO, ранее игравшие
роль справочных данных, в настоящее время стано-
вятся обязательными к выполнению.
Специалисты России активно участвуют в работе
комитетов ISO.
Литература’
1. Мясников Л.Л. Акустические измерения. — 1937.
2. Белов А.И. Акустические измерения. — Л., 1941.
3. Беранек Л Л. Акустические измерения. - М ИИЛ,
1952.
4. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измере-
ния в судостроении. — Л.: Судостроение, 1966.
5. Осипов Г.Л., Лопашов Д.З., Федосеева Е.Н.,
Ильяшук Ю.М. Измерение шума машин и оборудования. —
М.: Госстандарт, 1968.
6. Блинова Л.И., Колесников А.Е., Лангане Л.Б. Акусти-
ческие измерения. — Л.: Судостроение, 1971.
7. Новиков А.К. Корреляционные измерения в корабель-
ной акустике. — Л.: Судостроение, 1971.
8. Тюрин А.И., Таранов Э.С., Сташкевич А.И. Гидроаку-
стические измерения в океанологии. — Л.: Гидрометеоиздат
1972.
9. Осипов Г.Л., Лопашов Д.З., Федосеева Е И. Акустиче-
ские измерения в строительстве. — М.: Стройиздат, 1978.
10. Колесников А Е. Ультразвуковые измерения. — М.: Из-
дательство стандартов, 1982.
11. Колесников А.Е. Акустические измерения. — Л.: Су-
достроение, 1983.
12. Новиков А.К. Статистические измерения в судовой
акустике. — Л.: Судостроение, 1985.
А.К. Новиков
613
Государственный первичный эталон единицы
звукового давления в воздушной среде
Работы над созданием эталонной установки для воспроизведения еди-
ницы звукового давления были начаты во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева,
затем продолжены во ВНИИФТРИ. Эталон утвержден Постановлением
Госстандарта СССР от 16.03.1994 г. № 4.
В составе эталона:
— комплект эталонных капсюлей измерительных микрофонов;
— установка для воспроизведения и хранения единицы звукового дав-
ления;
— установка для передачи размера единицы звукового давления.
Единица звукового давления в воздушной среде воспроизводится ме-
тодом взаимности в камере малого объема с использованием трех обрати-
мых конденсаторных эталонных капсюлей микрофонов.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, Па 0,02-2
Диапазон частот, Гц 63-104
СКО результата измерений, дБ 0,002-0,025
НСП, дБ
0,03-0,16
Эталон обеспечивает передачу размера единицы эталонам Беларуси и
Украины.
Область применения
— Медицина (аудиометрия и слухопротезирование).
— Телефонная связь, радиовещание и телевидение (качество передачи
звука).
— Экология и промсанитария (борьба с шумом).
— Машиностроение и приборостроение (борьба с шумом).
— Все виды транспорта (борьба с шумом).
— Строительство и архитектура (шумоизоляция и акустика залов).
— Космическая и специальная техника (испытания на разрушающее
воздействие звука).
— Промышленность и транспорт (диагностика машин и оборудования).
614
Государственный специальный эталон единицы
звукового давления в воде в диапазоне частот
ЫОМ-Ю6 Гц
Создан во ВНИИФТРИ в 1974 г. и обеспечивал измерения звукового
давления в водной среде в диапазоне частот от 0,001 до 200,0 кГц. В 1976 г.
во ВНИИФТРИ создается новый эталон, обеспечивающий измерения в
диапазоне сверхнизких частот от 0,01 до 1,0 Гц, а позднее во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева была создана установка высшей точности для обес-
печения измерений в диапазоне частот от 0,2 до 1,0 МГц. В дальнейшем
во ВНИИФТРИ были созданы новые автоматизированные установки с луч-
шими метрологическими характеристиками в области измерений звуко-
вого давления.
Постановлением Госстандарта СССР от 14.11.1991 г № 16 был утвер-
жден ныне действующий эталон, представляющий собой четыре отдель-
ных комплекса, рассчитанных на работу в различных диапазонах частот.
Единица звукового давления в водной среде воспроизводится на ком-
плексах, реализующих абсолютные методы измерений:
— гидростатический метод (гидростатический возбудитель);
— метод пьезоэлектрической компенсации;
— стандартный метод взаимности в свободном поле в гидроакустиче-
ском бассейне.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, Па 1-1000
СКО результата измерений 0,5-Ю2
НСП в диапазонах частот, ГЦ
1102-2-105 3-Ю'2
2-105-106 6-Ю'2
Область применения
Потребность в точных измерениях звукового давления в водной среде
существует во многих отраслях экономики:
— Оборонная промышленность.
— Судостроительная промышленность.
— Добыча и разведка полезных ископаемых (нефть, природный газ).
— Машиностроение.
— Рыбное хозяйство.
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Оптические
и оптико-физические
измерения
616
Оптика
Оптика— раздел физики, изучающий свойства све-
та и его взаимодействия с веществом. Оптика иссле-
дует законы излучения, распространения и поглоще-
ния света, его химические, тепловые, электрические
и механические действия. (Энциклопедический сло-
варь Б.А. Введенского)
Слово „оптика" было введено в русский язык
М.В. Ломоносовым. Сейчас общеизвестны многие вы-
дающиеся результаты его работ в области оптики и оп-
тической техники: технология варки стекла — матери-
альной основы любого оптического прибора, создание
„ночезрительной" трубы — первого в мире прибора
ночного видения, изобретение однозеркального вне-
осевого астрономического телескопа (на 27 лет рань-
ше английского астронома Вильяма Гершеля), изготов-
ление высококачественных металлических зеркал и пр.
К сожалению, труды Ломоносова не получили должно-
го признания, поддержки и дальнейшего развития.
В Академии Наук после смерти Ломоносова оста-
валась некоторое время оптическая мастерская Ива-
на Кулибина, которому, в частности, удалось сущест-
венно усовершенствовать процесс обработки оптиче-
ского стекла. Работы Кулибина после его смерти
(1818 г.) продолжить оказалось некому. Наступил
очень пагубный, почти 1,5 вековой перерыв, в тече-
ние которого в России никто практически не занимал-
ся ни оптикой, ни стеклом. Лишь в XX в. была сдела-
на попытка организации производства оптического
стекла. Она была предпринята в Петербурге в 1908 г.
группой специалистов оптического производства
Обуховского завода, Морского Ведомства и Главного
Артиллерийского управления. Они проанализирова-
ли горький опыт русско-японской войны и доказали
необходимость создания отечественного производст-
ва оптического стекла. Однако правительство отка-
зало в финансировании этой работы.
Первая мировая война 1914 г. остро обнаружила
большую технико-экономическую зависимость Рос-
сии от других стран в важнейших отраслях промыш-
ленности, в том числе и оптической. Уже через год
войны выяснилось совершенно безвыходное положе-
ние России в отношении снабжения армии и флота
оптическими приборами. В России того времени не
существовало развитого производства оптических
приборов и организованной науки о свете — оптики.
Не было промышленного стекловарения, не сущест-
вовало школы вычислителей оптических систем,
лишь отдельные спецйалисты занимались оптотехни-
кой, т.е. наукой о приборах, основанных на оптике.
Единственный человек, обладающий необходимыми
знаниями в этой области благодаря образованию, по-
лученному за границей, профессор Александр Льво-
вич Гершун умер в мае 1915 г., не успев организовать
Оптический завод на Чугунной улице (будущий
ЛОМО) и вычислительное дело в России. В Петро-
граде работали небольшие оптические мастерские во-
енного Обуховского завода и немецкие сборочные
мастерские Герца и Цейсса. Там, по заграничным об-
разцам из импортного оптического стекла изготавли-
вались бинокли, стереотрубы и артиллерийские при-
целы.
4 сентября 1914 г. в печах Фарфорового завода была
проведена Тая (неудачная) варка оптического стекла.
Особая роль оптики и ее широкие перспективы
были поняты профессором Петроградского универ-
ситета Дмитрием Сергеевичем Рождественским еще
в дореволюционные годы. Ведь именно оптика опре-
делила судьбу основных открытий XX в. — теории от-
носительности, теории строения атомов и квантовой
механики.
В Физическом институте Петроградского универ-
ситета в 1912-1916 гг. Д.С. Рождественским были вы-
полнены тончайшие исследования аномальных яв-
лений преломления света в парах натрия, которые
принесли ему мировую известность и признаются клас-
сическими. Ему принадлежат фундаментальные иссле-
дования по теории атомных спектров, строению ато-
мов, теории спектральных приборов и микроскопии.
Главным делом жизни Дмитрия Сергеевича стало соз-
дание в 1918 г. Государственного оптического инсти-
тута и научной школы ГОИ. В школу Д.С. Рождествен-
ского вошли будущие ведущие ученые страны: И. В. Гре-
бенщиков, А.А. Лебедев, В.П. Линник, И.В. Обреимов,
А.Н. Теренин, В.А. Фок, А.И. Тудоровский, Г.Г. Слю-
сарев, Е.Г. Яхонтов, Т.П. Кравец, Д.Д. Максутов,
А.И. Стожаров, С.Э. Фриш, Е.Ф. Гросс, А.Н. Филиппов,
В.К. Прокофьев, Н.Н. Качалов.
Н.Н. Качалов, технический директор Император-
ского Фарфорового завода, создал стекольную хими-
ческую лабораторию — прямую наследницу химиче-
ской лаборатории Д.И. Менделеева. В ней второй раз
(первый во времена М.В. Ломоносова) стали прово-
дить опыты по влиянию химического состава стекла
на его оптические свойства. В то же время в Физиче-
ском институте Петроградского университета под ру-
ководством Д.С. Рождественского ставились чрезвы-
чайно важные для оптического стекла работы по изу-
чению путей совершенствования однородностей
оптического стекла, а также методов измерения опти-
ческих постоянных. По идее Д.С. Рождественского, бу-
дущим академиком И.В. Обреимовым была разработа-
617
на методика определения коэффициента преломления
по ходу варки стекла, которая дала возможность вно-
сить коррективы в химический состав. Для участия в
массовом эксперименте по созданию русской техноло-
гии оптического стекла Д.С. Рождественский привлек
лучшие умы России: Н.С. Курнакова, Н.В. Гребенщико-
ва, Г.Ю. Жуковского, А.А. Лебедева, А.И. Тудоровско-
го, В.И. Грум-Гржимайло, А.А. Гершуна.
К 1917 г. было изготовлено на Императорском
Фарфоровом заводе 130 кг годного стекла и переда-
но оптическому производству Обуховского завода. К
1918 г. это производство в таких скромных масштабах
содержать было невозможно из-за хозяйственной раз-
рухи, и с 1918-1920 гг. оптическое стекло в России не
варилось.
Научная общественность страны хорошо чувство-
вала, что оптикой и оптическим стеклом надо зани-
маться. В 1919 г. Всероссийский съезд физиков, в
1922 г. Менделеевский съезд химиков постановляют
просить правительство передать отдел оптического
стекла Фарфорового завода Оптическому институту с
целью скорейшего пуска производства. Д.С. Рождест-
венский, директор ГОИ, пишет правительству по это-
му поводу „Записку об оптическом стекле". Просьба бы-
ла удовлетворена. Производством оптического стекла
фактически руководила комиссия из трех человек:
Д.С. Рождественский, Н.Н. Качалов и профессор Элек-
тротехнического института И.В. Гребенщиков.
Благодаря работам ГОИ страна с февраля 1927 г.
получила возможность не ввозить оптическое стекло
из-за рубежа, т.к. нужды производства оптических
приборов полностью обеспечивались собственным
стеклоделием. „Важнейшие исследования по физиче-
ской и прикладной оптике были выполнены в ГОИ.
Они послужили фундаментом для создания оптико-ме-
ханической промышленности и достижения полной
независимости многих отраслей промышленности от
поставок иностранных фирм".
В ГОИ с 1932 г. и до конца своей жизни работал ака-
демик С.И. Вавилов, не прерывавший связи с Оптиче-
ским институтом и после избрания его в 1945 г. Прези-
дентом Академии наук СССР. С.И. Вавилов полностью
воспринял и поддержал традиции научной школы
ГОИ, явившиеся для него источником прогрессивных
идей о принципах организации науки и ее связи с про-
изводством, которые он внес в деятельность Академии
наук, став ее Президентом. С.И. Вавилов выполнил
фундаментальные исследования процессов люминес-
ценции, позволившие получить много ценных данных
о строении молекул. Он заложил фундамент для после-
дующего бурного развития лазеров и „нелинейной" оп-
тики — учения о воздействии интенсивного излучения
на оптические характеристики вещества.
С именем академика А.Н. Теренина связаны успе-
хи русских ученых в разработке проблем фотохимии
и фотосинтеза. А.Н. Терениным и его учениками соз-
даны тончайшие оптические и радиоспектроскопиче-
ские методы исследования процессов, протекающих
на молекулярном уровне. Этими работами внесен су-
щественный вклад в механизм взаимодействия света
с веществом и сделаны важные шаги на пути к раскры-
тию волнующей тайны природы — способности зеле-
ного листа синтезировать сложные органические со-
единения под воздействием солнечного света.
На основе разработанных академиком А.А. Лебеде-
вым вопросов оптики электронных пучков в 1940 г. был
создан первый отечественный образец электронного
микроскопа, который был сразу же передан в серий-
ное производство. А.А. Лебедев задолго до появления
радиолокации высказал идею построения дальноме-
ров, измерения расстояния в которых производятся
по времени прохождения светового импульса. Под его
руководством впервые в мире был создан геодезиче-
ский дальномер, работающий по этому принципу.
Многогранность научных интересов академика
В.П. Линника характеризует его вклад в теорию и
практику астрономических наблюдений, где им пред-
ложены новые методы исследований и оригинальные
астрономические инструменты, в частности звездный
интерферометр Линника для измерения углового рас-
стояния между двойными звездами.
Лаборатория астрономической оптики была осно-
вана в ГОИ в 1930 г. членом — корреспондентом АН
СССР Д.Д Максутовым. В 1941 г. Д.Д. Максутов сделал
наиболее важное открытие — менисковые системы для
зеркально-линзовых объективов.
„История оптики в СССР — это почти история Оп-
тического института", — говорил Д.С. Рождествен-
ский. 1оворя о роли ГОИ в развитии оптики в России,
мы не должны, естественно, забывать достижения тех
предшественников, которые своими трудами и своей
деятельностью в качестве университетских профес-
соров заложили прочный фундамент науки. С другой
стороны, деятельность ГОИ находилась в тесном кон-
такте с фундаментальными исследованиями по опти-
ке, проводимыми в стенах институтов Академии наук
и Высшей школы — таких как ФИАН им. П.Н. Лебеде-
ва, Физтех им. А.Ф. Иоффе, Московский и Ленинград-
ский госуниверситеты и др. Однако комплексные ис-
следования и разработки во всех областях оптики и
оптической технологии, обеспечение научного руко-
водства отечественной оптической промышленно-
стью были прерогативой ГОИ им. С.И. Вавилова.
Важнейшей задачей ГОИ всегда являлось проведе-
ние фундаментальных исследований, как базы новых
применений оптики. Коллектив ГОИ жил и работал в
гуще интересов и дел ОМП, всегда отдававшей безус-
ловный приоритет оборонной тематике. Это позволи-
ло стране полностью справиться с задачей оснащения
Армии в годы Великой Отечественной войны собст-
венными совершенными оптическими приборами.
Всего за годы войны были поставлены оптические при-
боры для 490 тыс. орудий, 137 тыс. самолетов, 100 тыс.
танков и самоходных орудий, сотни тысяч минометов,
было выпущено громадное количество биноклей и
прицелов для снайперских винтовок. Все это прихо-
дилось делать в крайне сложных условиях эвакуации
оптических предприятий в места новой дислокации.
По заданию ГКО выпуск продукции и поставка ее
фронту не прекращалась, несмотря на то, что менее
чем за год была перемещена в восточные районы ин-
дустрия европейской части страны, равная промыш-
ленности крупной державы.
Удовлетворяя запросы Министерства обороны по
количеству и качеству военных приборов, оптические
предприятия в среднем лишь на 30-40 % обеспечивали
потребности науки и народного хозяйства в оптиче-
ских приборах общего назначения. Это было связано,
20* Зи 450
618
прежде всего с тем, что в рамках больших, но все же
ограниченных ресурсов, всегда приходилось в первую
очередь обеспечивать лишь самые основные потреб-
ности страны. Вначале это делалось в пользу восста-
новления разрушенных войной институтов и заводов.
Затем оптикам пришлось срочно решать принципиаль-
но новую задачу освоения невидимых областей
электромагнитного излучения, т.к. в начале 50-х гг. ИК-
техника начала бурно развиваться как преемница ра-
диолокации, обеспечивая большую точность и поме-
хозащищенность. Эта работа далеко не закончилась,
когда в оптике произошла революция, связанная с по-
явлением лазеров. Благодаря развитию члеп-коррес-
пондентом Al 1П. П. Фсофиловым нового направления
в оптике" - спектроскопии активированных кристал-
лов, в России были созданы лазеры с активными эле-
ментами из неодимового стекла и лазеры с использова-
нием эрбия. Член-корреспондент А.М. Бонч-Бруевич,
профессора М.П. Ванюков и А.А. Мак, работающие в
тесном контакте со многими академическими и отрас-
левыми институтами, внесли существенный вклад в
разработку основ и изыскание путей технического при-
менения лазеров.
Академиком Е.Б. Александровым, основными на-
правлениями научной деятельности которого являют-
ся атомная спектроскопия, квантовая магнитометрия
и стандартизация частоты, был предложен лазерный
поляриметрический метод регистрации магнитного
резонанса.
Россия для физиков — лазерщиков имеет полный
набор своих стекол. Более того, если раньше было из-
вестно только два элемента, дающие лазерное излу-
чение, хром и неодим, то именно в ГОИ был найден
третий активирующий элемент — эрбий, который се-
годня является самым ходовым в лазерной технике.
Развитие лазерной техники значительно расширило
возможности голографии — нового раздела оптиче-
ской науки, занимающегося вопросами получения
объемного изображения объектов посредством вое
становления волнового фронта. Родоначальник оте-
чественной голографии — академик Ю.Н. Денисюк,
лауреат Нобелевской премии.
Одной из особенностей прикладной оптики явля-
ется сохранение, наряду с возникновением новых на-
правлений, ногребностей в обычных оптико-механи-
ческих приборах. Так, интерес к оптике глаза, казалось
бы, ослабевший при появлении фотоприемников и оп-
тикоэлектронных приборов, вновь необычайно воз-
рос в связи с необходимостью обеспечения работы кос-
монавтов, а создание систем искусственного интеллек-
та потребовало дальнейшего изучения казалось бы хо-
рошо известных законов зрительного восприятия. Ос-
воение Космоса привело к глубокой перестройке оп-
тической промышленности. В рекордные сроки были
созданы оптические системы для точного выведения
ракет-носителей на орбиту, приборы ориентации и на-
вигации космических кораблей, приборы для научных
исследований и изучения природных ресурсов, эколо-
гии, детального наблюдения поверхности Земли. На-
ряду с этим создавались оптические комплексы обще-
научного и народнохозяйственного назначения: осна-
щение уникальными оптическими приборами МГУ,
создание 6-ти метрового зеркала для астрономическо-
го телескопа и т.д.
Космическая оптика XXI в будет базироваться на
новых технологиях, основными из которых являют-
ся: зеркальная оптика из нетрадиционных материа-
лов, (специализированный карбид кремния), голо-
граммная оптика, „холодная" оптика (в оптических
приборах, работающих в космосе), пороговая ’гувст-
вителыюсть фотоприемника может быть существен-
но улучшена по сравнению с неохлаждаемыми анало-
гами. Для этого требуется температура охлаждения
оптики до 40-60 К и ниже), новые приемники реги-
страции изображения (транспаранты, электронные
матрицы, электрофотографические среды), экологи-
ческий мониторинг из космоса на новых принципах
(применение видео-снектрорадиометров).
За последние 40 лет совершенно обновлена но-
менклатура оптических стекол. Под руководством ака-
демика Г.Т. Петровского созданы стекла и кристаллы
принципиально новых видов, стеклокристаллические
материалы, материалы для волоконной оптики. По
мере возрастания компьютерных сетей в технике свя-
зи оптические волоконные линии будут играть все воз-
растающую роль. Немыслимы и будущие компьютеры
без оптики.
Общие свойства изображений, определяющие це-
ли и задачи их преобразований, обработки и воспро-
изведения. изучаются в рамках иконики, которая опи
рается на достижения физиологической и вычисли-
тельной оптики, оптогехники. научной фотографии,
телевидения, тепловидения и голографии. Возглавля-
ет это научное направление член корреспондент АН
М.М. Мирошников.
XXI в. — век информационных технологий. Пе-
редавать, хранить, в нужный момент извлекать ин-
формацию и в удобном виде преподносить потреби-
телю — с этими задачами наиболее быстро и эффек-
тивно справится оптика.
Г. Т. Петровский
619
Фотометрия и радиометрия оптического
излучения
Общие сведения
Фотометрия и радиометрия оптического излуче-
ния, именуемая в дальнейшем фоторадиометрией,
является областью измерений, имеющей дело с полем
оптического излучения в качестве измеряемого объ-
екта. Поле оптического излучения характеризуется
некоторой совокупностью оптических величин и
свойств, предопределяющих выбор методов и средств
получения достоверной количественной информа-
ции об объекте измерения.
Важнейшими отображающими поле оптического
излучения величинами и свойствами традиционно
считаются интенсивность, спектральный состав, про-
странственно-временное распределение интенсивно-
сти, а также состояние поляризации и степень коге-
рентности.
Фоторадиометрия как область измерений охваты-
вает несколько видов измерений, имеющих некото-
рые общие черты и различающихся, главным обра-
зом, конкретным исполнением используемых техни-
ческих средств и методиками выполнения измерений.
Объединяет все виды фоторадиометрии структу-
ра любого современного средства этой области изме-
рительной техники, базирующегося на оптоэлектри-
ческом преобразовании воспринимаемой первич-
ным измерительным преобразователем входной
оптической величины в электрический аналоговый
сигнал измерительной информации с последующим
преобразованием его в дискретный сигнал, подлежа-
щий обработке с отображением результата.
Первичный измерительный преобразователь
(сенсор, датчик) состоит, как правило, из оптическо-
го измерительного преобразователя (ОИП) и опто-
электрического измерительного преобразователя
(ОЭИП). Выходной сигнал последнего поступает на
вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), за
которым следует процессор с дисплеем. Основной за-
дачей ОИП является согласование входного оптиче-
ского сигнала по всем перечисленным ранее величи-
нам и свойствам с параметрами ОЭИП, основу кото-
рого составляет приемник оптического излучения.
Функция последнего — преобразование выходной оп-
тической величины ОИП в электрический сигнал, со-
гласованный с входными параметрами АЦП.
Из изложенного следует, что современная фото-
радиометрия является одной из разновидностей из-
мерений неэлектрических величин (в данном случае
оптических) электрическими методами. Превалирую-
щими в этой области измерений являются прямые из-
мерения, как правило, методами непосредственной
оценки. При построении эталонов разных метроло-
гических рангов широко используются косвенные из-
мерения и методы замещения.
Структура и содержание
фоторадиометрии
Структура и содержание фоторадиометрии пояс-
няются рис. 1. Поле оптического излучения (в даль-
нейшем просто оптическое излучение), порождаемое
естественным или искусственным источником, рас-
пространяется по трассе произвольной длины При
коротких длинах трассы и не очень ответственных из-
мерениях показатель преломления воздуха можно
считать постоянным.
В случаях распространения оптического излуче-
ния по протяженной трассе в атмосфере показатель
преломления воздуха п ~ п0 и является функцией тем-
пературы, влажности, параметров мутности и пр.
Объектами измерения могут служить либо само оп-
тическое излучение, характеризуемое информатив-
ными и неинформативными физическими свойст-
вами и параметрами, а также измеряемыми величи-
нами, либо оптические среды, подвергающиеся
воздействию оптического излучения и взаимодейст-
вующие с ним. Оптическим средам свойственны свои
измеряемые величины и параметры.
Как следует из рис. 1, одним из основных свойств
оптического излучения является интенсивность, а из-
меряемыми величинами чаще всего служат поток (или
мощность), энергия излучения, яркость, сила из луче
ния, облученность. На рис. 1 условно показано деле-
ние на пять поддиапазонов интенсивности, причем
при с верхслабых интенсивностях можно гово рить ла-
же о счете отдельных фотонов, а при сверхвысоких —
о лазерных пучках высочайшей интенсивности. Об-
ласть измерений, охватывающая все перечисленные
диапазоны интенсивностей при определении значе-
ний упомянутых основных величин, именуется радио-
метрией оптического излучения.
Следующим свойством оптического излучения яв-
ляется его спектральный состав, а отображающими
его физическими величинами служат частота и дли
на волны. Как известно, спектр оптического излуче-
ния простирается от длин волны -0,01 нм (переход
ная область на границе с рентгеновским излучением)
до длин волн порядка 1 мм (переходная область на гра
нице радиоволнового диапазона). Область измере-
ний, охватывающая все три представленные на рис. 1
спектральные диапазоны с их поддиапазонами (ульт-
рафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение)
и занимающаяся определением интенсивностных ве-
личин с учетом их распределения по спектру, имену-
ется спектрорадиометрией.
Однако указанные на рис. 1 так называемые энер-
гетические величины, определение значений кото-
рых является прерогативой радиометрии оптического
Измеряемое излучение оптическое]
воздух -const
излучение оптическое
[ атмосфера n&n* =flT, Н, мутн.)
-Измеряемая оптическая среда
Сенсор —।
Источник
излучения
Телесный угол
0=10 -4л срад
р(Х) - спектр. >|
т(Х)- спектр.
высокая
сверхвысокая
смешанный
Линейная
поляризация
рассеян.
(диффузн.)
С (100-280 нм)
В (280-315 нм)
А (315-400 нм)
Поляризован-
ное излучение
Эллиптическая
поляризация
Круговая
поляризация
направл.
(зерк.)
От 380 400
до 760-780 нм
Спектр
(длина волны,
частота)
Неполяризо-
ваннос
излучение
Види-
мое
Монохроматическое
излучение
(лазеры)
Квазимонохроматическое
излучение
(светодиоды,
газоразрядные
излучатели) >
Коэффициент
отражения:
р -интегр.
Коэффициент
пропускания:
т -интегр.
Коэффициент
поглощения:
а -интегр.
а(А.) - спектр.
Информативные и неинформативные
физические свойства и параметры оптического
излучения и измеряемые величины
Степень
монохроматичности
Состояние
поляризации
Временные
параметры
Процессор
Параметры
оптической
Интенсивность
(поток, мощность,
энергия, яркость,
сила света, освещенность)
слабая
Немонохроматическое'\
излучение
(естественные
излучатели, лампы,
глобары, нагретые тела,
1 люминофоры) у
Непрерывное излучение
620
Частично
>] поляризованное
излучение
Импульсное излучение
с длительностями
в диапазонах
^=====^^== 621 .
излучения и спектрорадиометрии, в видимом диапа-
зоне длин волн имеют прямые аналоги в виде свето-
вых величин, на которые реагирует глаз человека.
Область измерений, занимающаяся определением
значений световых величин, характеризующих пото-
ки светового излучения источников, именуется фо-
тометрией, а измерениями параметров оптических
сред независимо от спектрального состава излучения
традиционно занимается спектрофотометрия с ука-
занием диапазона длин волн, в котором работают со-
ответствующие средства измерений (например, ИК
спектрофотометры).
Основными параметрами оптических сред наря-
ду с показателем преломления служат интегральные
и спектральные коэффициенты отражения, пропус-
кания и поглощения. В зависимости от того, какие
параметры и свойства оптической среды подлежат из-
мерению, сформировались несколько направлений
спектрофотометрии: поляриметрия, рефлектомет-
рия, рефрактометрия, денситометрия, сенситомет-
рия и резольвометрия, колориметрия
Если измерения выполняются в спектральном диа-
пазоне видимого излучения, то соответствующие па-
раметры и свойства оптических сред принято считать
фотометрическими.
По степени монохроматичности оптическое излу-
чение можно разделить условно на три категории: не-
монохроматическое, часто именуемое широкополос-
ным; квазимонохроматическое и монохроматическое.
Типичные представители излучателей каждой кате-
гории представлены на рис. 1. Степень монохроматич-
ности является неинформативным параметром, с ко-
торым приходится считаться при постановке и выпол-
нении измерительного эксперимента.
Состояние поляризации также, как правило, явля-
ется неинформативным параметром, оказывающим
влияние на результаты измерения в процессе преоб-
разования оптического излучения в ОИП и ОЭИП.
Временные параметры излучения предопределя-
ют выбор средства измерений по его инерционности.
Нарушение согласованности между длительностью
входного оптического излучения и временными или
частотными параметрами прибора приводит к значи-
тельным динамическим погрешностям.
Резюмируя этот раздел, приведем определения ви-
дов и направлений фоторадиометрии, кратко охарак-
теризованных при рассмотрении ее структуры и со-
держания.
Фотометрия: измерение величин, характеризую-
щих излучение по производимому им зрительному
ощущению (в условиях, определяемых известными со-
глашениями) [1].
Колориметрия: измерение цвета, основанное на
свойствах глаза и выполняемое в соответствии с меж-
дународными соглашениями [ 1 ].
Денситометрия: измерение оптических плотно-
стей пропускающих или отражающих образцов.
Рефлектометрия: измерение величин, характери-
зующих отражение.
Сенситометрия: измерение светочувствительно-
сти и др. фотографических свойств фотоматериалов.
Резольвометрия: измерение разрешающей спо-
собности фотоматериалов.
Рефрактометрия: совокупность методов и
средств измерения показателя преломления п среды;
измерение угла преломления света; измерение угла
полного внутреннего отражения.
Поляриметрия: область измерений углов враще-
ния плоскости поляризации, производимого различ-
ными веществами (естественная оптическая актив-
ность и активность под действием магнитного поля);
преимущественная сфера применения методов и
средств поляриметрии — измерения концентраций
оптически активных веществ.
Примечание: к поляризационным измерениям от-
носятся также эллипсометрия и измерения кругово-
го дихроизма.
Радиометрия: измерение энергетических вели-
чин, характеризующих излучение [1].
Спектрорадиометрии: измерения спектральных
плотностей энергетических величин, характеризую-
щих излучение.
Спектрофотометрия: измерения отношений двух
спектральных величин, характеризующих излучение
или образец.
Таким образом, в строгом переводе с греческого
слово „фотометрия" означает „световые измерения"
[2].
При измерениях световых величин, характеризую-
щих источники излучения, чаще всего определяют:
силу света [ [кандела, Кд]; световой поток ф [лю-
мен, лм]; освещенность £ [люкс, лк];яркость £ [кан-
дела на квадратный метр, кд-м-]. При измерениях све-
товых величин, характеризующих оптические среды,
чаще всего определяют: коэффициент пропускания
Г; коэффициент отражения р\ показатель прелом-
ления п ; показатель ослабления р, состоящий из по-
казателя поглощения, а и показателя рассеяния т [2].
При измерениях энергетических величин, харак-
теризующих источники, как правило, УФ и ИК излу-
чения, чаще всего определяют: энергетическую силу
света или, что то же, силу излучения 7, [ватт на сте-
радиан, Вт-ср’1]; поток излучения или, что то же, лу-
чистый поток Фе [ватт, Вт]; энергетическую освещен-
ность или, что то же, облученность Ее [ватт на квад-
ратный метр, Вт-м’2]; энергетическую яркость Le
[ватт на стерадиан и на квадратный метр, Вт-ср1 •м'2].
При измерениях энергетических величин, характери-
зующих оптические среды, определению подлежат те
же коэффициенты, что и при световых измерениях.
Наряду с приведенными основными интеграль-
ными величинами и коэффициентами могут изме-
ряться их спектральные значения при монохрома-
тическом излучении или спектральные распределе-
ния в виде зависимостей от длины волны или частоты
оптического излучения.
В первой половине ХХ-го в. основные работы ве-
лись в области фотометрии и спектрофотометрии. Это
было продиктовано потребностями развивавшейся ин-
струментальной оптики, оптического приборострое-
ния, пищевой и легкой промышленности, медицин-
ской техники и санитарии и пр.
622
После появления в 60-х гг. лазеров и последовавше-
го бурного развития оптоэлектроники интенсивно ста-
ли развиваться радиометрия и спектрорадиометрия,
обеспечивавшие потребности физической оптики и ее
многочисленных приложений.
Историческая справка
Фотометрическое отделение Главной Палаты мер
и весов (ГПМВ) было открыто по указанию Д.И. Мен-
делеева в 1901 г. в качестве поверочной лаборатории
в связи с возникновением задач световых измерений,
главным образом, в отношении испытаний источни-
ков света (ИС). К 1904 г. основное оборудование ла-
боратории состояло из светомерной скамьи длиной
2,5 м и потенциометра для электрических измерений.
В качестве эталонов применялись 4 лампы Гефнера,
полученные из Германии, как и все остальное обору-
дование. Своих эталонов и узаконенных световых еди-
ниц в стране не было. Указанное выше оборудование
позволяло проводить измерения силы света, световой
отдачи, срока службы ламп накаливания (ЛН). Число
испытаний вплоть до 1916 г. составило около сотни.
С началом войны 1914 г. потребность в световых из-
мерениях сократилась из-за прекращения производ-
ства ЛН, и фотометрическое отделение ГПМВ закры-
лось на несколько лет*'-
Решение о восстановлении, вернее организации
заново фотометрической лаборатории, было приня-
то в 1923-1924 гг. по инициативе и при содействии
проф. М.А. Шателена и проф. Л.В. Залуцкого, в то вре-
мя директора Метрологического института ГПМВ.
Лаборатория создавалась теперь как эталонная, с глав-
ным назначением — обеспечить единство измерений
в стране. Для достижения этой цели требовались по-
становка и решение следующих задач: создание необ-
ходимых эталонов и образцовых мер, разработка ме-
тодов точных световых измерений и передачи еди-
ниц, осуществление передачи единиц и помощь
промышленности, легализация применяемых средств
и методов измерений (разработка необходимых нор-
мативных документов).
Научная и практическая направленность постав-
ленных перед лабораторией задач характеризовались
следующим:
1. При решении задач, поставленных перед эта-
лонной лабораторией, характерна необходимость пе-
риодического возврата к одной и той же проблеме.
Целью такого возврата на новом уровне и новыми
средствами являются: проверка неизменности и пра-
вильности воспроизводимых и передаваемых единиц,
повышение точности и расширение круга метрологи-
ческих задач благодаря использованию достижений
развивающихся науки и техники.
2. Задачи единства измерений внутри страны име-
ют естественное продолжение в проблеме между-
народной согласованности измерений. Выработка
международных рекомендаций определяет направ-
ленность отдельных метрологических работ. Между-
народные сличения служат независимым критерием
правильности, уровня и реальной точности выполняе-
мых измерений.
*Все исторические сведения о ВНИИМ приводятся в
статье В.Е. Карташевской
3. Первоначальной основной целью световых из-
мерений была сравнительная оценка ИС, позднее вы-
явилась задача оценки условий освещенности, опре-
деления параметров оптических устройств (ОУ). От-
сюда вытекала необходимость определять следующие
световые величины и воспроизводить соответствую-
щие единицы: силы света, светового потока, освещен-
ности и яркости. Для народного хозяйства эти вопро-
сы должны решаться путем создания и поверки образ-
цовых источников силы света и светового потока,
измерителей освещенности, пластинок коэффициен-
та яркости.
Создателем фотометрической лаборатории ВНИ-
ИМ им. Д.И. Менделеева, автором и организатором
значительной части ее работ был проф. П.М. Тиходе-
ев. Он начал работу по организации лаборатории с ию-
ня 1923 г., с середины 1924 г. в нее были привлечены
первые сотрудники. Начальный этап работ заключал-
ся в оснащении лаборатории основным оборудовани-
ем (импортным и собственной разработки), подготов-
ке научно-технических и организационных мероприя-
тий для узаконения в стране международных световых
единиц, разработке методов точных световых измере-
ний различных световых величин (с учетом специфи-
ки зрительных фотометров), исследовании белых диф-
фузных веществ для применения в световых измере-
ниях, разработке конструкции светоизмерительных
ЛН, установлении светового эталона и производных
эталонов светового потока.
На всем протяжении деятельности лаборатории
световые эталоны осуществлялись на современном
научно-техническом уровне и в основных принципах
соответственно действующим международным согла-
шениям. В период 1925-1947 гг. это были групповые
эталоны из ЛН разной мощности, световой отдачи и
устройства, воспроизводящие единицы освещенно-
сти, силы света и светового потока. Исходные значе-
ния для основного светового эталона 1925 г. были ус-
тановлены путем сличения с эталонами Англии и
Франции. Сложная система эталонов разного подчи-
нения, даже при невоспроизводимых ИС, изменяю-
щих со временем свои световые и электрические ха-
рактеристики, обеспечивала сохранность единиц с
возможной современной точностью. В довоенный пе-
риод для лучшего контроля сохранности единиц был
проведен ряд частных сличений с эталонами США,
Германии и Франции.
С 1 января 1948 г. действовал световой эталон в ви-
де полного излучателя при температуре затвердевания
платины. Известным его недостатком являлась низкая
температура плавления платины — источник неизбеж-
ных погрешностей из-за трудностей разноцветных из-
мерений. Точность воспроизведения световых единиц
оказалась ограниченной также по причинам непосто-
янства пропускания оптической системы, неравномер-
ного разогрева массы металла в тигле и др. Для созда-
ния, а затем усовершенствования эталона потребова-
лось выполнить ряд очень тонких и сложных работ
разнообразного характера, иногда не свойственного
для профиля лаборатории (например, плавка, очистка
и обработка окиси тория). Существенное улучшение ра-
боты эталона было достигнуто благодаря периодиче-
скому движению нагревательной спирали высокочас-
тотной печи, повышению тепловой изоляции сосуда,
623
систематическим измерениям пропускания оптики од-
новременно с измерениями яркости черного тела.
Одновременно с новым эталоном для применения
в повседневной работе и в международных сличениях
были созданы эталоны-копии в виде групп светоиз-
мерительных ЛН при различных цветовых темпе-
ратурах. За период с 1948 по 1971 гг. проводилось 5 ме-
ждународных сличений. Результаты их принесли
известное разочарование, не дав ожидавшегося суще-
ственного улучшения международной согласованности
измерений: расхождения между национальными еди-
ницами в 2-3 раза превысили внутрилабораторные по-
грешности измерений по оценке национальных лабо-
раторий. В таблице 1 приведены данные сличений за
период 1957-1971 гг. Примечательно, однако, что сред-
ние значения национальных единиц сохраняют свои
значения достаточно устойчиво. Так, например, еди-
ницы СССР за 14 лет работы световых эталонов оказа-
лись неизменными в пределах ±0,1 и ±0,2 % для канде-
лы соответственно при 2045 и 2859 К и ±0,3 для люме-
на при 2793 К. Для практического обеспечения
поверочной схемы средств измерений световых вели-
чин такие результаты можно считать вполне удовле-
творительными. Систематические погрешности, отра-
женные в различии значений национальных единиц,
для единиц СССР — канделы при 2045 и 2859 К и люме-
на при 2793 К — составляют около — 0,5; 0,8 и -0,4 %
при максимальных расхождениях национальных еди-
ниц соответственно 1,2; 2,0 и 1,4 %. В случае канделы
при 2045 К имеющиеся расхождения возможно связа-
ны с отступлениями эталонов от условий идеального
излучателя, а для канделы при 2859 К — с погрешно-
стями разноцветных измерений и недостаточной ста-
бильностью галополных ЛН. Расхождения в размере
люмена в большинстве случаев следуют таковым в раз-
мере канделы при 2045 К. Конечно, было стремление
уменьшить имеющиеся максимальные расхождения в
значениях национальных единиц, но для исходных
данных эталона в виде черного тела (кандела при
2045 К) они не очень велики.
Таблица 1
Обобщенные данные международных сличений
световых эталонов в 1957-1971 гг.
Страна, лаборатория* Усредненные отклонения (округлены) от международного среднего значения, %
Кандела 2015К Кандела 2859К Люмен 2793К
Англия, НФЛ -0,2+0,2 -0,8±0,2 0,2±0,2
ГДР, УМВ 0,7±0,3 -1,0±0,2 0,2±0,5
Канада, НИС -0,1±0,5 -0,1±0,2 0,7±0,4
СССР, ВНИИМ -0,5±0,1 0,8±0,2 -0,4±0,3
США, НБЭ -0,2±0,3 — -0,2±0,2
Франция, НКИР 0,0±0,2 — -0,5+0,3
ФРГ, ФТИ 0,б±0,3 1,0±0,2 0,7±0,5
Япония, ЭТЛ -0,3+0,2 -0,1±0,1 -0,7±0,2
Среднее ±0,3±0,3 +0,6+0,2 ±0,4±0,3
Амплитуда 1,2 2,0 1,4
* Принятые сокращения: НФЛ — Национальная физиче-
ская лаборатория, УМФ — Управление мер и весов, НИС —
научно-исследовательский Совет, НБЭ — Национальное
бюро эталонов, НКИР — Национальная консерватория
искусств и ремесел, ФТИ — Физико-технический институт,
ЭТЛ — Электротехническая лаборатория
В 1975-1977 гг. лаборатория полностью перерабо-
тала и изменила измерительную установку эталона и
его устройство. Основными принципами, положенны-
ми в основу реконструкции, были: применение различ-
ных условий работы эталона (разных способов нагре-
ва тигля, сменных элементов установки); улучшение оп-
тико-механической части установки (повышение
механической прочности фотометрической скамьи и
других узлов и устройств, повышение точности и бы-
строты действия всех подвижных частей, механизмов
и оптических переключателей); улучшение условий
плавки металла (обеспечение ритмичности работы, не-
прерывного наблюдения за яркостью эталона и состоя-
нием отдельных элементов установки); улучшение кон-
струкции эталона (сближение с идеальным излучате-
лем). Случайная и систематическая погрешности
воспроизведения канделы после указанной реконст-
рукции по оценке лаборатории снизились в 2 раза и
составляют 0,1 и 0,3 %*.
Соответственно требованиям практики передача
световых единиц осуществлялась для единиц силы
света и светового потока при двух значениях цвето-
вых температур. Основным звеном передачи являлись
светоизмерительные лампы, разработанные лабора-
торией.
Важной характеристикой современных ИС явля-
ется спектральный состав излучения. Впервые к этой
проблеме лаборатория подошла в конце 30-у гг., уста-
новив шкалу цветовых температур от 2042 до 2710 К
по способу уравнивания цвета на основе излучения
черного тела при 2042 К и голубых стекол. Позже, в
1949-1960 гг., шкала цветовых температур была уточ-
нена и расширена от 2850 до 1500 К путем относитель-
ных спектральных измерений распределения энергии
в видимой области спектра с помощью неизбиратель-
ного термостолбика, сличений по спектру излучения
вольфрамовых ламп с черным телом, относительных
спектральных измерений для группы ламп при разных
цветовых температурах. В 1963-1964 гг. лаборатория
приняла участие в международных сличениях, впер-
вые проводившихся для световых эталонов по цвето-
вой температуре от 2040 до 3000 К. Шкала ВНИИМ
совпала со средними международными данными в пре-
делах 2-3 К по способу красно-синего отношения и от-
клонилась от таковых при 2850 и 3000 Кна13и10К
по данным спектрофотометрического метода возмож-
но из-за некоторой окрашенности стекла колб.
В 1960-1961 гг. лаборатория улучшила установку
для измерений спектрального распределения энергии
ЛН и люминесцентных ламп (ЛЛ), примененную и
для международных сличений. Эта установка позднее
была усовершенствована: реконструированы оптико-
механическая и измерительная части, повышены чув-
ствительность и точность измерений путем введения
цифровых приборов, фотоусилителей высокого каче-
ства, дистанционного переключения измерительных
трактов, автоматической записи наблюдений. Анало-
гичная установка, еще более усложненная, была соз-
дана при реконструированном эталоне канделы (име-
лось в виду осуществление сравнительных измерений
по спектру между эталоном канделы и вторичными
эталонами разного вида).
В числе важных работ лаборатории следует отме-
тить создание образцовых пластинок коэффициентов
__ и =- ==* 624 =——========—=-=—=——
яркости и отражения. Начало этим работам было по-
ложено в 1928 г. спектрофотометрическими исследо-
ваниями различных белых веществ, из которых вы-
ше других был оценен сернокислый барий. Позже бы-
ли созданы эталоны стильба, разработана технология
изготовления прессованных серно-бариевых пласти-
нок, определены для них коэффициенты яркости и
отражения. В 50-х и 60-х гг. лаборатория возвращалась
к этим измерениям, возобновляя значения образцо-
вых мер. При этом каждый раз разрабатывалась но-
вая измерительная аппаратура, применялись новые
методы абсолютных измерений коэффициентов яр-
кости, различные типы фотоэлементов.
Пластинки коэффициента яркости позволяют вос-
производить единицу яркости. Кроме того, как и пла-
стинки коэффициента отражения, они служат для ис-
пытаний отражающих свойств различных материалов
(керамика, бумага, текстиль и т.п.). По формальным
причинам эти пластинки не были включены в пове-
рочную схему для средств измерений световых вели-
чин, но лаборатория снабжала ими народное хозяй-
ство, начиная с 1931 г., приняв на себя не только их
аттестацию, но и изготовление. С появлением разра-
ботанного нашей промышленностью молочного стек-
ла марок МС-14 и МС-20 в последние годы был нала-
жен производственный выпуск таких пластинок, по-
веряемых во ВНИИМ на коэффициенты яркости и
отражения.
В период 1966-1971 гг. были осуществлены между-
народные сличения результатов измерений коэффи-
циентов яркости и отражения пластинок из различ-
ных материалов. Наилучшие результаты получены для
прессованных порошков сернокислого бария и оки-
си магния; согласованность измерений коэффициен-
тов яркости оказалась в пределах ±0,2 %; для молоч-
ных стекол при измерении аналогичных характери-
стик расхождения доходят до ±1 %, в лучшем случае
до ±0,4 %. Такое ухудшение результатов связано с внут-
ренним рассеянием света в молочных стеклах.
В 70-х гг. лаборатория разработала поверочные ус-
тановки для определения у пластинок индикатрис ко-
эффициента яркости в двух взаимно перпендикуляр-
ных плоскостях сличением с образцовыми мерами ко-
эффициентов отражения и коэффициентов яркости
в стандартных условиях освещения и наблюдения.
Измерения газоразрядных ИС в целях изучения их
свойств и разработки методов измерений были нача-
ты в конце 40-х гг. в связи с развитием ЛЛ. В 60-х гг.
эти работы были возобновлены по запросам электро-
ламповой промышленности.
Велась разработка методов измерений световых и
спектральных характеристик, была создана измери-
тельная аппаратура, в том числе опытный образец уси-
лительного ваттметра с малым собственным потреб-
лением, обеспечено термостатирование рабочего по-
мещения. Световой поток ламп определялся исходя
из кривой силы света (КСС); цветность — по визуаль-
ным измерениям типа колориметрических на шести-
конечной скамье и по спектральному распределению
энергии в видимой области спектра. В 1961-1964 гг.
лаборатория участвовала в организованных через
МКО международных сличениях ЛЛ и газоразрядных
ламп высокого давления (ГЛВД). Пример результатов
этих сличений по измерениям светового потока ЛЛ
Таблица 2
Международные сличения измерений светового
потока ЛЛ
Страна, лаборатория* Отклонения от международного среднего значения светового потока ламп разной цветности, %
Дневного света дачи Улучшенной цветопере Тепло- белых среднее
Австралия, НЛИ 1,7±0,1 1,0±0,3 1,9±1,0 1,5+0,5
Англия, НФЛ 1,8 1,4 2,0 1,7
ГДР, УМВ -2,6 -1,4 -2,7 -2,2
Канада, НИС 0,0±0,7 1,2±0,4 1,1+0,2 0,8±0,4
СССР, ВНИИМ 2,4+0,5 0,2±0,4 1,4±1,3 1,3±0,7
США, НБЭ -0,3±0,3 -1,0+0,2 -0,7+0,4 -0,7+0,3
ФРГ, ФТИ -2,4±1,1 -0,4±0,2 -2,1±0,5 -1,6±0,6
Япония, ЭТЛ -0,7±0,4 -1,2+0,2 -0,6±0,4 -0,8+0,3
Среднее ±1,5+0,5 ±1,0±0,3 ±1,6±0,6 ±1,3±0,5
Амплитуда 4,8 2,8 4,7 4,1
* См. сноску к табл. 1, а также ИЛИ — Национальная
лаборатория измерений.
разных цветностей приведен в таблице 2. У нацио-
нальных лабораторий не было полной удовлетворен-
ности полученными результатами, что свидетельству-
ет о сложности этих измерений. Тем более важной за-
дачей являлось создание образцовых мер в виде
соответствующих однотипных ИС, применение кото-
рых существенно облегчило бы измерения в промыш-
ленности и улучшило качество продукции. Во ВНИ-
ИМ была проведена работа по отбору и аттестации
групп ЛЛ типов БС и ДС для ряда электроламповых
заводов, но промышленные ЛЛ оказались недостаточ-
но стабильными. Помимо трудности их отбора дан-
ные аттестации не могли быть надежными. В 70-х гг.
по рекомендации ВНИИМ во ВНИИИС проведена
разработка светоизмерительных ЛЛ повышенной ста-
бильности нескольких цветностей. Эти ЛЛ явились
базой для создания образцовых мер, которые долж-
ны были войти в поверочную схему для средств изме-
рений световых величин.
Лаборатория дважды, в 1938-1939 гг. и в 50-х гг.,
занималась определением спектральной чувствитель-
ности глаза, в целях отбора наблюдателей при визу-
альных измерениях и проверки значений при-
нятых за основу при построении световых величин.
Были применены метод последовательных ступеней
и способ измерений в одноцветных полях. По срав-
нению с принятыми данными (ГОСТ 8.332-78) полу-
чены существенные отклонения (до 10-кратных) в об-
ласти 400-450 нм, подтвержденные позже и другими
работами; в остальных участках видимого спектра зна-
чительных изменений не обнаружено.
Лаборатория много занималась физическими при-
емниками и применением их для точных световых и
спектральных измерений. До войны фотоэлементы
применялись в лаборатории только для спектральных
измерений коэффициентов пропускания. С конца
40-х гг. ряд измерительных установок (для коэффици-
ентов яркости, отражения, силы света ЛН, светового
потока миниатюрных ламп, яркости черного тела,
КСС, спектрального распределения энергии и др.) бы-
ли переработаны или разработаны заново с примене-
===_===——====—=—=— 625 -- — -
нием фотоэлементов и электронной аппаратуры. Па-
раллельно разрабатывались также установки для ис-
пытаний фотоэлементов с целью их отбора для изме-
рительных целей (старение, проверка линейности,
измерения спектральной чувствительности). С уче-
том спектральной чувствительности фотоэлементов
велась работа по созданию для них жидких и стеклян-
ных исправляющих фильтров.
В конце 50-х гг. лабораторией начаты работы в об-
ласти энергетических измерений мощности излу-
чения. Постановка их была обусловлена двумя со-
ображениями: возможностью замены эталонного ИС
абсолютным приемником с фильтром V(a) для воспро-
изведения световых единиц и возможностью приме-
нения неселективных приемников с таким же фильт-
ром для относительных световых измерений. Первый
способ был использован лабораторией для опытного
определения светового эквивалента лучистой мощно-
сти. Согласованность действовавших в то время све-
товых и энергетических единиц оказалась в пределах
±1,5 %, в соответствии с погрешностью абсолютного
радиометра актинометрической лаборатории ВНИ-
ИМ. В 60-х гг. лаборатория разрабатывает термоэлек-
трические приемники, разной конструкции и парамет-
ров, относительные и абсолютные, прежде всего для
целей относительных световых измерений. Одновре-
менно создаются различные устройства, а также мето-
дика измерений с термоэлектрическими приемника-
ми. Возможное преимущество использования послед-
них для световых измерений состоит в постоянстве и
неизменности состава исправляющего фильтра. Ве-
лись работы по созданию такого фильтра, воспроиз-
водящего значения V(/i), методом нанесения много-
слойных интерференционных покрытий.
В 1965 г. лаборатория участвовала в международ
ных сличениях измерений облученности в видимой и
ближней ИК областях спектра. Отклонения ВНИИМ
от международного среднего значения не превышают
0,5 % при разбросе данных отдельных национальных
лабораторий до 1,1 и 1,6 %. В 1975 г. лаборатория уча-
ствовала в международных сличениях измерений спек-
тральной плотности облученности от галогенных ЛН.
Как и предыдущие сличения измерений облученности,
эти работы были предприняты, чтобы проверить спо-
соб воспроизведения световых единиц согласно пред-
ложению об изменении определения канделы. Откло-
нения ВНИИМ от международных средних значений
сходны с данными других лабораторий и составляют
в среднем в области 350-800 нм около ±1,3 % с макси-
мальным отклонением ±3 % на краях спектра. В сред-
нем для 8 национальных лабораторий такие же от-
клонения составляют около ±1,7 и ±3 %. Хотя данные
обоих сличений — облученности и спектральной плот-
ности облученности — довольно благоприятны для
весьма сложных измерений, по мнению лаборатории
их недостаточно для уверенного положительного за-
ключения о возможностях данных способов воспроиз-
ведения световых единиц.
Вопросами световых измерений занимаются Кон-
сультативный комитет по фотометрии (позднее и ра-
диометрии) при Международном комитете мер и ве-
сов и МКО в рамках ТК 1.2. Лаборатория всегда ак-
тивно участвовала в работе этих организаций. Уже
упоминались многие международные сличения разно-
го назначения и содержания. Результаты этих сличе-
ний нашли отражение в международных рекоменда-
циях, разработанных соответствующими организа-
циями при непосредственном участии лаборатории.
Многие рекомендации определяли направление мет-
рологических работ национальных институтов. По
линии СЭВ и в порядке двустороннего сотрудничест-
ва осуществлялась также разработка нормативных до-
кументов.
Техническая помощь промышленности изменя-
лась со временем по своему содержанию. В начале
30-х гг. — это обследование общественных учрежде-
ний, состояния освещенности (уличного, заводского
и т.п.), испытания светильников и т.д. В эти же годы
ВНИИМ по разработкам лаборатории выпускал малы-
ми сериями распределительные фотометры, укоро-
ченные светомерные скамьи, яркомеры, люксметры,
секторные диски и др. В соответствии со своими пря-
мыми обязанностями лаборатория проводила повер-
ки и снабжала народное хозяйство поверенными све-
тоизмерительными лампами силы света и светового
потока, пластинками коэффициентов яркости и от-
ражения, люксметрами и другими приборами. Круг
поверочных работ постепенно расширялся; в факуль-
тативном порядке выполнялась поверка светоизмери-
тельных ламп на цветовые температуры от 2000 до
2850 К, распределение энергии по спектру, облучен-
ность, проводились измерения относительной и аб-
солютной спектральной чувствительности фотоэле-
ментов и т.п. Осуществлялись государственные испы-
тания светоизмерительных приборов. С 1957 г.
поверки на нижних звеньях поверочной схемы стала
выполнять поверочная группа Ленинградского цен-
тра стандартизации и метрологии. Поверка люксмет-
ров ведется в ряде лабораторий 1оснадзора Госстан-
дарта на установках, разработанных лабораторией. В
последние годы подготавливается более широкое ос-
нащение территориальных органов Госстандарта, для
чего разработана специальная светоизмерительная
аппаратура. Создавались стандарты, указания и т.п.
различного назначения. Лаборатория длительное вре-
мя была единственной лабораторией метрологиче-
ского профиля в системе Госстандарта. Это наложи-
ло известный отпечаток на организацию ее работ, но
лаборатория всегда обеспечивала современный уро-
вень метрологических работ и стремилась осуществ-
лять помощь народному хозяйству не только в рамках
своих обязанностей, но и за их пределами.
В течение многих лет фотометрические работы во
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева возглавляли и вели вы-
дающиеся отечественные метрологи: А.И. Карташев,
В.Е. Карташевская, Е.Н. Юстова, Е.А. Волкова и др.,
являвшиеся учениками и последователями проф.
П.М. Тиходеева.
С 1983 г. работы по обеспечению единства изме-
рений в области фоторадиометрии возглавил создан-
ный в 1965 г. в системе Госстандарта СССР — ВНИИ
оптико-физических измерений (ВНИИОФИ).
В течение первых 15 лет его существования основ-
ными задачами института являлись обеспечение един-
ства измерений в системах лазерной техники, опто-
электроники, астрофизики и др. применений физи-
ческой оптики.
626
В 1983 г. был введен в эксплуатацию разработанный
во ВНИИОФИ новый Государственный первичный эта-
лон единицы силы света-канделы в соответствии с ее
новым определением, принятым Консультативным Ко-
митетом по фотометрии и радиометрии (ККФР) в
1979 г. Воспроизведение канделы, реализуемое с помо-
щью высокотемпературной модели черного тела и пер-
вичного фотометра, коэффициент преобразования ко-
торого определяется экспериментально по светимости
модели черного тела и прецизионному измерению спек-
трального коэффициента пропускания корригирующе-
го фильтра, оказалось оптимальным, так как обеспечи-
ло минимальную систематическую погрешность вос-
произведения по сравнению с другими методами.
При этом прецизионное корригирование фото-
метров под функцию Г(^) достигнуто с использова-
нием математической модели аппроксимации спек-
тральной функции пропускания фильтра суммой экс-
понент и полинома второй степени с последующей
оптимизацией по критерию минимума относитель-
ной актиничности, а долговременная стабильность
фильтра обеспечивается технологией его изготовле-
ния, основанной на дезаэрации при пониженном дав-
лении с последовательным чередованием процессов
замораживания и размораживания раствора и герме-
тизацией объема кюветы.
Групповой фотометр-компаратор с жидкостными
корригирующими фильтрами позволяет разработать
автоматизированное рабочее место поверителя, обес-
печивающее передачу размера единицы силы света в
диапазоне цветовых температур (2042-2856) К фото-
электрическим методом и увеличивающее точность
передачи размера единицы, количество поверок на
одну эталонную лампу, производительность повероч-
ных работ по сравнению с визуальным методом.
Использование группы фотометров с индивиду-
альной корригировкой, имеющих при этом отличаю-
щиеся спектральные чувствительности, при измере-
нии естественной освещенности позволяет уточнить
спектральный состав излучения в момент измерения
и осуществить привязку измерений, проводимых ак-
тинометрической сетью страны, к Государственной
поверочной схеме для средств измерения световых
величин на уровне эталонов низших разрядов.
Обновление первичного светового эталона и Го-
сударственной поверочной схемы позволило решить
ряд важнейших фотометрических метрологических
задач, а именно:
— реализовать связь энергетических и световых ве-
личин;
— перейти к более высоким цветовым температу-
рам источников излучения;
— внедрить на уровне эталонов объективные ме-
тоды фотометрии;
— создать несколько поколений прецизионных фо-
тометрических головок и фотометров на основе жид-
костных корригирующих фильтров.
Наряду с обеспечением единства измерений во всех
направлениях фотометрии во ВНИИОФИ создавалась
эталонная база для калибровок и поверок средств из-
мерений, используемых при решении радиометриче-
ских задач в УФ и ИК диапазонах спектра. Были созда-
ны спектрорадиометрические эталоны 1-го поколения,
воспроизводившие размеры единиц спектральных
плотностей энергетических яркости, освещенности и
силы излучения; первичный и вторичные эталоны еди-
ниц мощности и энергии лазерного излучения; сово-
купность установок высшей точности, обеспечивавших
единство измерений параметров и характеристик эле-
ментов и систем волоконно-оптических систем связи
и передачи информации.
Вторичными эталонами и поверочными установ-
ками для средств измерений некогерентного и коге-
рентного оптического излучения, разработанными во
ВНИИОФИ, были оснащены Центры Стандартиза-
ции и Метрологии в Смоленске, Саратове, Мытищах,
Новосибирске, Саранске, Казани, Днепропетровске,
Белой Церкви, Борисове и ряде других городов СССР.
С середины 80-х гг. ВНИИОФИ стал развивать ме-
ждународную деятельность. Начало было положено
участием института в проведенных МБМВ шестых ме-
ждународных сличениях национальных эталонов еди-
ниц силы света и светового потока. МБМВ с 1 января
1987 г. на основании проведенных сличений и реко-
мендаций ККФР увеличило значение, приписанное
эталону канделы МБМВ, на 1 %, и уменьшило значе-
ние, приписанное эталону люмена МБМВ, на 0,7 %.
В 1991 г. ВНИИОФИ разработал и поставил Болгар-
скому Национальному Метрологическому Центру эта-
лоны и поверочные установки для средств измерений
средней мощности и энергии лазерного излучения.
Современное состояние и перспективы
развития фоторадиометрии
В связи с интенсивным развитием зарубежной и
отечественной науки, промышленности, медицины,
вооружения и военной техники, транспорта, связи и
пр. расширяется круг измерительных задач и резко воз-
растает интерес к автоматизированным дистанцион-
ным системам измерений и контроля в реальном мас-
штабе времени протекания процесса, т.е. к оптико-
электронным измерительным приборам и системам.
Особенно прогрессируют лазерная и тепловизионная
техника, оптоэлектроника, волоконно-оптические сис-
темы связи и передачи информации, медицинское при-
боростроение. Отсюда возникают, в частности, фун-
даментальные метрологические проблемы нс только
совершенствования существующей эталонной базы
фоторадиометрии, но и разработки и создания новых
эталонов разных уровней точности, охватывающих
расширяющиеся диапазоны работы источников и при-
емников излучения, а также до сих пор не охваченные
системой обеспечения единства измерений направле-
ния фоторадиометрии (например, измерения, в кото-
рых используются свойства когерентности оптическо-
го излучения, элементы и системы нелинейной и ин-
тегральной оптики).
Кроме того, фундаментальные метрологические
исследования призваны обеспечить возможность вы-
полнения перспективных прикладных НИР и ОКР, на-
правленных на создание новейших образцов фотора-
диометрической техники.
Немаловажным стимулом проведения таких иссле-
дований является и расширяющееся с каждым годом
международное сотрудничество с ведущими метроло-
гическими центрами мира (NIST, NPL, РТВ и др.), вы-
полнение международных контрактов по экспорту
разрабатываемых ВНИИОФИ комплексов вторич-
ных эталонов и прочего метрологического оборудо-
вания, приборов, преобразователей.
627
Современная отечественная эталонная
база в области фоторадиометрии
Государственные Первичные Эталоны (ГПЭ), Го-
сударственные Специальные Эталоны (ГСЭ) и Уста-
новки Высшей Точности (УВТ) в области фоторадио-
метрии некогерентного и когерентного оптического
излучения разработаны, хранятся и эксплуатируются
во ВНИИОФИ и решают основные задачи обеспече-
ния единства измерений в этой области измеритель-
ной техники.
Все эталоны и УВТ за исключением эталона кан-
делы объединены в четыре эталонных комплекса:
Эталонный комплекс для обеспечения единст-
ва измерений параметров и характеристик лазер-
ного и квазимонохроматического излучения в со-
ставе:
— государственный первичный эталон (ГПЭ) еди-
ницы средней мощности лазерного излучения;
— государственный специальный эталон (ГСЭ)
единицы мощности импульсного лазерного излучения
в диапазоне длин волн 0,4-10,6 мкм;
— ГСЭ единицы потока излучения при длине вол-
ны 0,95 мкм;
— ГСЭ единицы потока импульсного оптического
излучения в диапазоне длин волн 0,8-1,0 мкм;
— УВТ для воспроизведения единицы длительно-
сти однократного импульса оптического излучения.
Эталонный комплекс для обеспечения единст-
ва измерений в фотометрии и спектрорадиометрии
в составе:
— ГПЭ единиц спектральной плотности энергети-
ческой яркости (СПЭЯ), спектральной плотности си-
лы излучения (СПСИ) и спектральной плотности
энергетической освещенности (СПЭО) в диапазоне
длин волн 0,25-25,0 мкм, энергетической освещенно-
сти и силы излучения в диапазоне длин волн 0,2-
25 мкм;
— ГСЭ единицы СПЭЯ оптического излучения в
диапазоне длин волн 0,04-0,25 мкм;
— ГСЭ единицы энергетической освещенности ма-
лых уровней в диапазоне длин волн 1-50 мкм;
— УВТ для воспроизведения единиц потока излу-
чения и энергетической освещенности в диапазоне
0,03-0,4 мкм.
Эталонный комплекс для обеспечения единст-
ва измерений параметров и характеристик сред и
материалов в составе:
— ГПЭ единиц спектральных коэффициентов на-
правленного пропускания в диапазоне длин волн 0,2-
50,0 мкм, диффузного и зеркального отражения в диа-
пазоне длин волн 0,2-2,5 мкм;
— ГСЭ единиц координат цвета и цветности;
— ГСЭ единицы показателя преломления;
— ГСЭ угла вращения плоскости поляризации, раз-
ности фаз при линейном двулучепреломлении, коэф-
фициентов линейного и кругового дихроичного по-
глощения;
— УВТ для воспроизведения единицы блеска;
— УВТ для воспроизведения единицы диффузной
оптической плотности материалов в отраженном
свете;
— УВТ для воспроизведения единицы диффузной
оптической плотности материалов в проходящем
свете;
— УВТ для поверки средств измерений визуальных
оптических плотностей (ВОП);
— УВТ для воспроизведения единицы разрешаю-
щей способности фотоматериалов;
— УВТ для воспроизведения единицы энергетиче-
ской освещенности в спектросенситометрии в диапа-
зЪне длин волн 0,2-1,4 мкм;
— УВТ для поверки микроденситометров отраже-
ния;
— УВТ для поверки сенситометров несеребряных
сред и фотоматериалов;
— УВТ для воспроизведения единицы освещенно-
сти, эффективного времени экспонирования и цве-
товой температуры.
Эталонный комплекс для обеспечения единст-
ва измерений параметров и характеристик оптиче-
ского волокна и волоконно-оптических систем пе-
редачи информации в составе:
— УВТ для воспроизведения единицы средней
мощности оптического излучения в волоконно-опти-
ческих системах передачи информации;
— УВТ для воспроизведения единицы ослабления
оптического сигнала;
— УВТ для воспроизведения единиц времени и час-
тоты для световода;
— УВТ для воспроизведения единицы плоского уг-
ла, соответствующего числовой апертуре оптическо-
го волокна;
— УВТ для воспроизведения единиц длины и вре-
мени для средств измерений расстояния до места об-
рыва в световоде.
Передача размеров единиц от ГПЭ, ГСЭ и УВТ рег-
ламентирована Государственными Стандартами на по-
верочные схемы, а также методическими указаниями
по методам и средствам поверок и калибровок с рас-
четом погрешностей получаемых результатов.
Совокупность эталонов разных точностных ран-
гов и нормативно-технической базы является основой
отечественной системы обеспечения единства изме-
рений в:
— фотометрии;
— радиометрии некогерентного и когерентного
оптического излучения;
— спектрорадиометрии;
— спектрофотометрии;
— колориметрии;
— рефлектометрии и рефрактометрии;
— поляриметрии;
— сенситометрии и резольвометрии;
— денситометрии;
— области измерений параметров волоконно-опти-
ческих систем связи и передачи информации.
Перспективные фундаментальные
метрологические проблемы
фоторадиометрии
Перспективные на ближайшие годы фундамен-
тальные метрологические проблемы фоторадиомет-
рии можно разделить на две основных группы:
— в области некогерентной фоторадиометрии;
— в области когерентной фоторадиометрии.
Первая из этих групп содержит ряд проблем, ре-
шение которых позволяет не только повысить точ-
ность эталонов различных световых и энергетических
------- - -------------- 628 ,___________ . -----
единиц практически до потенциально достижимого
уровня, но и комплексировать разные направления и
виды фоторадиометрии, что предоставляет возмож-
ность упрощения, унификации и стандартизации ме-
тодик выполнения и средств измерений и обеспечи-
вает их единство.
Проблемы второй группы предстоит решать в бо-
лее отдаленной перспективе, предварительно всесто-
ронне исследовав пути и последствия их решения с
целью определения оптимальных методов и техниче-
ских средств.
Некогерентная фоторадиометрия
В последнее десятилетие в области фоторадиомет-
рии наметилась тенденция воспроизведения не толь-
ко размеров единиц энергетических и световых вели-
чин, но и эталонных шкал. По-видимому, причина кро-
ется в родстве физической природы теплового и ИК
оптического излучения, что позволяет перенести в фо-
торадиометрию основные принципы воспроизведения
температурной шкалы.
Для успешного воспроизведения фоторадиомет-
рической шкалы (или шкал) необходимо предвари-
тельно решить две основных проблемы:
— выбрать основополагающие способы, элементы
и преобразователи, обеспечивающие наиболее точ-
ное воспроизведение размеров соответствующих еди-
ниц;
— разработать и всесторонне исследовать эталон-
ные фоторадиометрические элементы и преобразо-
ватели.
У первой из этих проблем есть две группы сторон-
ников. Одни из них считают, что базировать воспро-
изведение фоторадиометрических единиц следует на
эталонных излучателях, а другие полагают, что более
точными являются эталонные приемники излучения.
Многолетний опыт работ метрологов ВНИИОФИ по-
казал, что наилучшие результаты дает сочетание двух
типов эталонных преобразователей.
В течение ряда лет во ВНИИОФИ были разрабо-
таны и метрологически аттестованы эталонные излу-
чатели и приемники излучения, позволившие создать
эталонный фотоспектрорадиометрический комплекс
воспроизведения единицы потока излучения — ватта,
являющейся базовой единицей для производных от
нее энергетических и световых единиц и шкал. Более
того, разработанный во ВНИИОФИ новый прямой
оптический метод воспроизведения термодинамиче-
ской температурной шкалы в области высоких темпе-
ратур позволил решить одну из наиболее старых и
трудных проблем метрологии.
Структура эталонного фотоспектрорадиометриче-
ского комплекса, демонстрирующая его возможности
воспроизведения эталонных шкал и размеров единиц,
представлена на рис. 2. Его основу составляют: набор
моделей черных тел (МЧТ), в том числе высокотемпе-
ратурных (ВМЧТ); узкополосные и широкополосные
зональные радиометры, в том числе эталонный фото-
метр на основе самокалибруемых трап-детекторов с
корригирующим под У(Л) светофильтром; криоген-
ный радиометр.
Монохроматоры и лазеры служат для компариро-
вания перечисленных основных элементов внутри
комплекса.
Модели черных тел
Весь ряд разработанных и исследованных МЧТ
представлен характеристиками, приведенными в
таблице 3. Их отличает широкий диапазон рабочих
температур, высокие излучательная способность по-
лости (не менее 0,999) и стабильность температуры,
а также предельно достижимая равномерность акси-
ального распределения температуры полости.
Все приведенные в таблице 3 МЧТ были тщатель-
но метрологически исследованы. Особый интерес
представляет высокотемпературная МЧТ с полостью
из пиролитического графита, выполненная в вариан-
тах ВВ3200с и BB3200pg (BB-black body), отличающих-
ся лишь конструкцией электродов — соответственно,
коаксиальной и аксиальной
В ходе проведенных в Москве, в июне 1997 г. меж-
дународных сличений результатов измерений радиа-
ционной температуры, проходивших во ВНИИОФИ
с участием специалистов из Национальной Физиче-
ской Лаборатории (Англия) и Физико-технического
института (Германия), были получены следующие ре-
зультаты в температурном диапазоне от 1380 до 3100 К:
в течение первых 80 мин. в режиме постоянного тока
температурный дрейф достигал 3 К/ч, а после вклю-
чения системы регулирования с цепью обратной свя-
Таблица 3
Характеристики некоторых чернотельных излучателей, разработанных во ВНИИОФИ
Тип Материал излучающей полости Размеры полости, мм2 Выходное отверстие, мм Температурный диапазон, К Потребляемая мощность (предельная), кВт Год разработки
BB3200pg Пиролитический графит 200x37 22 2500-3300 14 1995
ВВ3200с Пиролитический графит 145x32 18 2500-3300 12 1995
BB3000pg Карбид ниобия 350x19 12 2500-3300 25 1985
ВВ22 Графит 130x22 14 1800-2900 7 1992
ВВЗЭр Графит 250x39 30 1800-2900 10 1992
ВВ2700 Карбопласт 280x19 12 2000-2700 15 1975
ВВ2500 Углеродистое стекло 450x19 12 2000-2500 15 1975
ВВ14 Графит 110x14 8 1600-2500 3 1990
ВВ2000 Графит 190x90 60 800-2000 8 1995
ВВ1200 Натриевая тепловая труба 100x10 8 800-1200 0,5 1985
BB29gl Таллиевый репер 100x10 8 302,8 0,2 1995
ВВ300 Медь 500x140 30 80-300 0,1 1992
ВВ290 Медь 250x40 30 293-473 0,4 1995
BB156in Индиевый репер 180x30 20 429,60 0,2 1997
629
зи он не превышал +0,3 К в реальных условиях лабора-
тории, при оптимальных условиях система регулиро-
вания позволяет снизить дрейф при температуре
ЗОЮ К до ±0,15 К и менее чем +0,05 К при 1900 К; не-
равномерность распределения энергетической ярко-
сти по площади выходной диафрагмы у МЧТ BB3200pg
при радиационных температурах >2800 К не превыша-
ла 0,1 %, ау МЧТ ВВ3200с — менее 0,5 %; неравномер-
ность распределения энергетической освещенности
по полезной площади облучаемой поверхности диамет-
ром от 30 до 40 мм не превышала 0,2 %.
Конструкции МЧТ ВВ3200с и BB3200gl, приведен-
ные в таблице 3, обеспечивают воспроизведение спек-
трорадиометрической шкалы во всем ИК диапазоне
длин волн оптического излучения.
Абсолютные радиометры
Один из абсолютных радиометров MAR-1 исполь-
зуется для измерений при температурах окружающей
среды от 10 до 30 °C. Он предназначен для воспроиз-
ведения, хранения и передачи размера единицы энер-
гетической освещенности непрерывным потоком не-
когерентного оптического излучения. Воспроизведе-
ние размера единицы осуществляется путем сравнения
измеряемой оптической и рассеиваемой в обмотке за-
мещения электрической мощностей. Преобразование
и обработка измерительной информации в приборе
полностью автоматизированы. Введенный в его состав
микропроцессор позволяет осуществлять:
— термостабилизацию приемной полости;
— автоматическое управление оптическим затво-
ром;
— измерение разности температур экрана и тепло-
стока и определение тока нагрева экрана;
— измерение разности температур приемной по-
лости и экрана;
— измерения тока и напряжения в обмотке заме-
щения;
— вычисление электрической мощности, рассеи-
ваемой в обмотке замещения;
— вычисление энергетической освещенности;
— ввод в программу нужного количества циклов из-
мерений;
— ввод и отображение параметров окружающей
среды;
— отображение значений параметров окружающей
среды, результатов измерений и их статистической об-
работки на 7-сегментном жидкокристаллическом дис-
плее, принтере или дисплее компьютера типа IBM PC.
Технические и метрологические характеристи-
ки MAR-1
Диапазон измеряемых значений энергетической
освещенности, Вт/м2 50-1500
Диапазон длин волн, мкм 0,2-25,0
Эффективный коэффициент поглощения полости
0,9996
Среднее квадратическое отклонение результата
измерений, % 0,2-0,7
Количество циклов измерений 1-20
Потребляемая мощность, Вт <500
Напряжение питания, В 220 (50 Гц)
Габариты, мм3 500x400x250
Масса, кг <10
Прибор содержит измерительную головку и блок
термостабилизации и обработки данных.
Абсолютный криогенный радиометр NAR-1
Прибор, работающий при температуре жидкого
азота, служит радиометрическим эталоном сравне-
ния. Передача размера единицы мощности оптиче-
ского излучения от снабженного обмоткой электри-
ческого замещения NAR-1 осуществляется лазером.
Мощность лазерного излучения не превосходит
1 мВт, погрешность передачи размера единицы не
превышает 0,1 %.
Технические и метрологические характеристи-
ки NAR-1
Коэффициент преобразования приемной полости,
К/Вт 0,9-103
Постоянная времени приемной полости, с 80
Рабочая температура теплостока, К 79
Нестабильность температуры теплостока 5-10'5
Материал входного окна сапфир
В комплект радиометра входят универсальный ис-
точник питания HP 3245 А и состоящий из двух час-
тей цифровой мультиметр DM2000 KEIILEY.
Прецизионная фотометрическая
головка
Разработанная во ВНИИОФИ прецизионная фото-
метрическая головка предназначена для точных изме-
рений силы света и освещенности, создаваемых рас-
положенными на оптической скамье эталонными фо-
тометрическими лампами. Головка состоит из шести
частей: кремниевого фотодиода, жидкостного коррек-
тирующего светофильтра, оправы с апертурной и вход-
ными диафрагмами, внутреннего держателя, системы
термостабилизации, наружного корпуса. Фотодиод ти-
па S1227-1010BQ служит детектором входного оптиче-
ского излучения. Фильтр с Г(/?) коррекцией выполнен
в виде стеклянной кюветы с фиксированным входным
окном, заполненной раствором, содержащим соли хро-
ма и меди. Непосредственно перед окном кюветы рас-
положена изготовленная фотолитографским спосо-
бом апертурная диафрагма диаметром -6 мм. Детек-
тор, кювета и апертурная диафрагма закреплены во
внутреннем держателе. Система термостабилизации
представляет собой алюминиевый цилиндр с обмот-
кой из нихромовой проволоки, служащей нагревате-
лем, и позволяет стабилизировать заданное значение
температуры в интервале (28-32) °C с предельной не-
стабильностью ±0,05 %/°C при температуре окру-
жающей среды (21±2) °C. Контроль и стабилизация
температуры осуществляются с помощью двух терми-
сторов типа ST3-19. Один из них расположен внутри
держателя между фильтром и фотодиодом, а второй —
на наружной поверхности алюминиевого цилиндра.
Конструкция головки изображена на рис. 3. Ее ко-
эффициент преобразования при цветовой темпера-
туре 2800 К равен 5,557-10'5В/лк.
На основе этой головки создан прецизионный фо-
тометр с Г(/) спектральной характеристикой, являю-
щийся одним из вариантов зональных радиометров,
к числу которых относятся описанные ранее широ-
кополосные абсолютные радиометры или же радио-
метры с узкополосными оптическими фильтрами на
входе.
Созданный на основе описанных главных компо-
нентов эталонный фотоспектрорадиометрический
комплекс (рис. 2) позволил не только повысить точ-
ность воспроизведения размеров единиц спектраль-
ных плотностей энергетических силы света (силы из-
лучения), яркости и освещенности, но и построить
радиометрическую шкалу спектральных плотностей
энергетических яркости и освещенности в диапазо-
не длин волн 200-400 нм, а также разработать и тео-
ретически обосновать новый прямой оптический ме-
тод построения термодинамической температурной
шкалы в области высоких температур 1200-3500 К, ос-
нованный на измерении отношения интегральных яр-
костей широкоапертурной ВМЧТ.
Кроме того, на базе эталонного комплекса рис. 2
решена проблема независимого воспроизведения кан-
делы и люмена на основе высокотемпературных ши-
рокоапертурных черных тел [4].
Новое определение основной единицы системы
СИ — канделы не регламентирует способ воспроизве-
дения единицы силы света [5, 8]. Это позволило веду-
щим национальным метрологическим лабораториям
631
воспроизводить канделу новыми методами, основой
которых, как правило, являются приемники излуче-
ния, такие как абсолютный криогенный радиометр
или система самокалибрующихся фотодиодов [7]. Од-
нако использование эталонных источников излуче-
ния для воспроизведения единицы силы света — кан-
делы и ее передачи фотометрическим лампам имеют
свои преимущества [5, 6]. Так, например, сравнение
двух близких по спектральному распределению пото-
ков излучения от чернотельного излучателя и фото-
метрической лампы позволяет снизить требования к
\'(Л) — фильтрам. Исследования показали, что ис-
пользование широкоапертурных ВМЧТ с выходной
апертурой 20-30 мм при температурах 3200-3500 К и
радиометрических методов измерений этих темпера-
тур позволяет воспроизводить единицу светового по-
тока — люмен с высокой точностью безотносительно
к эталону канделы [4].
Постановка и решение такой задачи представля-
ются весьма актуальными как в научно-фундаменталь-
ном, так и в прикладном планах, поскольку в совре-
менной практике световых измерений наиболее важ-
ной и часто используемой единицей является люмен.
Значение таких измерений будет возрастать с разви-
тием науки, освоением новых перспективных техно-
логий, использованием достижений в индустрии. Кро-
ме того, представляемый метод воспроизведения лю-
мена с помощью ВМЧТ позволяет избежать ряд
трудностей и неудобств, присущих традиционным ме-
тодам, например, необходимости многомерных уст-
ройств в гониофотометре для обеспечения приемле-
мого углового разрешения, больших помещений для
обеспечения измерений светового потока в полном
телесном угле 4 л и т.д. Существенным является так-
же и то, что метод может непосредственно базиро-
ваться на абсолютном радиометре [7]. Таким образом,
основной задачей в реализации нового метода неза-
висимого воспроизведения люмена явилось создание
ВМЧТ [5] и сферического интегратора (сферы) [10,
11, 12] с необходимыми и достаточными параметра-
ми. Для решения задачи разрабатываются экспери-
ментальные методы прецизионного измерения про-
странственных и спектральных характеристик сфе-
ры, а также методы и алгоритмы теоретических рас-
четов этих характеристик с использованием матема-
тической модели Монте-Карло [13, 14].
Наиболее перспективным материалом для изготов-
ления ВМЧТ признан пирографит, позволяющий обес-
печить стабильную температуру, высокую теплопро-
водность и электрическое сопротивление, более низ-
кую летучесть в сравнении с обычным графитом. На
его основе разработан ряд ВМЧТ с рабочей темпера-
турой 2000-3500 К. Конструктивно, например, модель
ВВ3200прг выполнена из набора пирографитовых ко-
лец, отличительной особенностью которой является
малый температурный градиент вдоль излучающей по-
лости и однородность потока излучения на выходной
диафрагме. Также предусмотрена инструментальная
компенсация небольших вариаций температуры внут-
ри полости. Время работы излучателя составляет не
менее 100 часов.
Основные характеристики широкоапертурного
высокотемпературного черного тела
ВВ3200прг:
Диапазон температур, К 2500-3500
Длина полости, мм 150
Длина полости, мм 28
Диаметр полости, мм 20
Эффективная излучательная способность
0,999
Однородность пространственного распределения
спектральной яркости, % ±0,5
Нестабильность при температуре 3200 К, %
<0,05
Максимальный ток, А 700
Максимальное напряжение, В 20
Время работы при 3200К 100 часов
при 2800К 1000 часов
Условия работы: без выходного окна с продувкой
инертным газом.
Исследования метода воспроизведения люмена
выполнены во ВНИИОФИ согласно схеме, приведен-
ной на рис. 4, применительно к ВМЧТ 3200прг. Све-
товой поток FyB, распространяющийся в сфере, в
принципе представляется соотношением:
Рис. 3. Конструкция фотометрической головки:
1 — электрический соединитель; 2 — корпус; 3 — фотодиод; 4 — кювета с корригированным под V(z?) фильтром;
5 — рассеиватель; 6 — апертурная диафрагма; 7 — оправа с входными диафрагмами.
632
FVBB = EVAS,
Tji,e Fv — освещенность, создаваемая черным телом
в сфере, имеющей входную апертуру As на расстоя-
нии I от апертуры черного тела А
С учетом реальных условий соотношение, описы-
вающее воспроизведение люмена, имеет вид:
Ч£effkmAWAS^-ksd )JТУ(JfylA
где Ее Л(ЛТ) — спектральная плотность энергети-
ческой яркости ВМЧТ; У(Л) — относительная спек-
тральная световая эффективность; km — максимальная
световая эффективность; с} — постоянная Планка;
kBB , kd —дифракционные потери на апертурах ВМЧТ
и сферы; Л — длина волны; т — температура ВМЧТ;
£еу — эффективная излучательная способность чер-
ного тела.
Определение температуры осуществляется незави-
симым экспериментальным методом. Оценка погреш-
ности воспроизведения люмена выполнена по резуль-
татам экспериментальных исследований и известных
литературных данных. Суммарная погрешность вос-
произведения люмена с учетом доверительной веро-
ятности 0,95 составляет по предварительным оценкам
0,1 %.
Передача размера единицы люмена
Следующим этапом в процессе исследований яви-
лось сравнение светового потока FBB от черного те-
ла в определенном телесном угле с соответствующим
потоком Fpmfl от светоизмерительной лампы, излу-
чающей в полном телесном угле 4 я- стерадиан. Выра-
жение для компарирования примет вид:
-r'BB-lamp
plamp -У 1
ГУ ~ -ВВ
г
Реальная сфера обладает неселективностью и про-
странственной неоднородностью за счет неидеально-
го внутреннего покрытия. В этом последнем случае
формула может быть представлена соотношением:
v ~ iBB
где — сигнал фотометра в режиме измерения
лампы; iBB — сигнал фотометра в режиме измерения
черного тела; /(Л ЙФ) — корректирующий коэффи-
циент:
где FBB — относительное спектральное распреде-
ление потока излучения черного тела; F^ — отно-
сительное спектральное распределение потока излу-
чения лампы; 8(Л) — относительная спектральная чув-
ствительность фотометра; 0, ф — сферические
координаты.
Коэффициент f определяется на основании ре-
зультатов расчетных и экспериментальных исследо-
ваний, позволяющих найти пространственные и спек-
тральные характеристики внутреннего отражающего
покрытия сферы в двух режимах работы: с потоком
излучения от черного тела и с полным потоком от све-
тоизмерительной лампы.
Для решения этой задачи с учетом высоких требо-
ваний к воспроизведению единицы и передаче ее раз-
мера светоизмерительным лампам разрабатываются
математические модели для различных вариантов ос-
вещения сферы и соответствующие им алгоритмы, ко-
торые адекватно отражают реальные процессы и по
возможности исключают упрощения. Расчетные ис-
следования базируются на методах Монте-Карло. Рас-
пределение первичного светового излучения от
ВМЧТ на внутренней поверхности сферы рассчиты-
валось для ряда дискретных длин волн. Заданная гео-
метрия в расчетах представлялась как: полость чер-
ного тела—диафрагма черного тела — фотометр — диа-
фрагма сферы — поверхность сферы.
В расчетах учитывались:
— спектральное распределение излучения ВМЧТ
для реального температурного распределения вдоль
излучающей поверхности;
— влияние входных и выходных апертур сферы и
ВМЧТ, влияние внутреннего экрана сферы;
— влияние размера диафрагмы ВМЧТ на закон об-
ратных квадратов и угловое распределение излучения;
— вид углового распределения светового потока,
отраженного от внутреннего покрытия сферы, в за-
висимости от угла падения потока на внутреннюю по-
верхность сферы.
Разработанные алгоритмы позволяют рассчитать
значения яркости на поверхностях сферы, экрана и
фотометре при многократном отражении излучения,
оценить значения поправочных коэффициентов при
сравнении потоков от ВМЧТ и лампы.
Числовой эксперимент позволяет оптимизиро-
вать геометрические параметры системы и опреде-
лить процедуру числовой оценки погрешности с уче-
том:
— спектрального перераспределения излучения ис-
точника за счет многократного отражения от внутрен-
ней поверхности сферы со спектрально селективным
покрытием;
айф) ГИ4^(«айф)-^Ф^Ъ^ф
Jo Jo Jo Т- XX ЙФ)___ Jo Jo Jo V V ^ЦйФ)_____
rf4jrf4jrV(A)F^mfi (л, 0^)—^>~^-dAd6№ Г f4T Г4лТ (J)FrBH (л, 0,Ф )- ^ 0— -rd Ad. 6НФ
Jo Jo Jo v 'l-ХЛйФ) Jo Jo Jo v 4 '1-Х4ЙФ)
633
— реакции фотометра в зависимости от углового и
пространственного распределения излучения;
— влияния неоднородностей внутреннего покры-
тия интегрирующей сферы на оптические характери-
стики.
Предварительные оценки показали, что суммар-
ная погрешность калибровки светоизмерительных
ламп светового потока составляет 0,25 %.
7-е международные сличения 1998 г. показали, что
отличия от эталонной шкалы силы света ключевой ме-
ждународной лампы NPL 16 ЕС для эталона ВНИИО-
ФИ составили:
— по силе света +0,36 %;
— по световому потоку лампы СИП 107-500
0,51 %
— по световой чувствительности фотометриче-
ской головки +0,25 %
Для измерения световых (фотометрия) и энерге-
тических (радиометрия) характеристик и параметров
оптического излучения в видимой, УФ и ИК областях
спектра в 1995-99 гг. была разработана и освоена в мел-
косерийном производстве группа малогабаритных пе-
реносных цифровых приборов, назначение и основ-
ные параметры которых приведены в таблице 4. Там
же для всех приборов, погрешность которых оценена
в пределах от 6 до 10 %, указаны санитарные правила
и нормы, при проверке соответствия которым можно
и нужно использовать эти СИ. Основными областями
их применения являются медицина, экология, сан-
эпиднадзор, охрана труда приборостроение.
Габаритные размеры, мм3:
индикаторного блока 125 х 68 х 30;
измерительной головки 60 х 30 х 75.
Масса, кг:
индикаторного блока 0,2;
измерительной головки 0,1-0,3.
Когерентная фоторадиометрия
Как известно, источниками когерентного оптиче-
ского излучения служат лазеры, потребность в при-
менениях которых в различных областях человече-
ской деятельности возрастает с каждым годом. Основ-
ными величинами, характеризующими лазерное
излучение, являются мощность, энергия и их про-
странственная плотность.
Рис. 4. Схема, реализующая метод воспроизведения
люмена:
— апертура сферы; Авв — апертура выходной щели ЧТ;
Квв ~ радиус полости ЧТ; QbB — оптическая ось.
В нашей стране систему обеспечения единства из-
мерений этих величин возглавляет разработанный во
ВНИИОФИ в 1977 г. и существенно модернизирован-
ный в начале 90-х гг. государственный первичный эта-
лон единицы средней мощности лазерного излучения.
Основу эталона составляет массивный, с большой по-
стоянной времени (до 60 с) калориметрический эталон-
ный измерительный преобразователь с рабочим и тер-
мокомпенсационным идентичными полостными при-
емниками излучения. Мощность излучения аргонового
или СО2 лазера в диапазоне от 0,2 до 2 Вт подается на
дифракционный делитель. Дифрагировавшие в +1-ый
и -1-ый порядки пучки излучения вводятся одновремен-
но соответственно в эталонный и калибруемый измери-
тельные преобразователи. Для формирования импуль-
са излучения с эталонным значением энергии исполь-
зуется метрологический оптико-механический затвор.
Погрешность воспроизведения размера единицы мощ-
ности первичным эталоном не превосходит 0,1 %.
Все приборы аттестуются и поверяются ВНИИО-
ФИ с выдачей свидетельств по форме, установленной
Госстандартом. Характеристики приборов соответст-
вуют требованиям и рекомендациям европейских
стандартов.
В соответствии с 1осударственной поверочной схе-
мой (ГОСТ 8.275-91) размеры единиц мощности (ват-
та) и энергии (джоуля) передаются вторичным этало-
нам, отличающимся использованием наиболее совре-
менной элементной базы, портативностью, полной
автоматизацией процессов измерения, обработки и
отображения информации, управления эталонами,
резким сокращением потребления энергии, расшире-
нием диапазонов воспроизведения и передачи разме-
ров единиц и повышенной точностью.
В последние годы возникла проблема обеспечения
единства измерений корреляционно-фазовых пара-
метров и характеристик оптического излучения.
Наряду со ставшими привычными в практике из-
мерений оптических величин потоком (мощностью),
энергией, их плотностями (пространственной, вре-
менной, спектральной) нередко интересуются поля-
ризационными параметрами оптического излучения
и лишь в последнее время получают все большее рас-
пространение методы и средства количественного оп-
ределения его корреляционных параметров и харак-
теристик. К ним можно отнести пространственную и
временную когерентность, оптическую разность фаз
и искажения волнового фронта (ВФ).
Определение степени когерентности необходимо,
в первую очередь, при решении задач когерентной об-
работки оптических сигналов, анализе модового соста-
ва лазерного излучения. Амплитудно-фазовые пара-
метры волновых фронтов становятся все более акту-
альными в таких современных применениях, как
оптическая томография и объемная интерферомет-
рия; прецизионный контроль формы и качества по-
верхностей в оптическом производстве, механической
промышленности, медицине, промышленной электро-
нике; оптические измерения потоков газа, жидкости,
плазмы; юстировка и позиционирование оптических
трасс в лазерных системах; научные исследования в об-
ласти лазерной оптики и астрономии, в частности, при
разработке и контроле адаптивных оптических систем
и анализе атмосферных турбулентностей.
- -------- 634 -..................
В 70-х гг. начали формироваться и развиваться ряд
направлений количественной оценки перечисленных
параметров, часто именуемые в литературе измерения-
ми, несмотря на отсутствие общепризнанных атрибу-
тов обеспечения их единства.
В литературе описаны измерения, которые мож-
но осуществить с использованием голографических
методов. По способу регистрации голографической
информации они делятся на две группы: чисто голо-
графические и голографической интерферометрии,
причем в обращение введен термин „голографиче-
ские измерения1' и даже „голографометрия". Однако
необходимо отметить некорректность обоих терми-
нов, поскольку не голограмма является объектом из-
мерения (она лишь регистратор промежуточной ин-
формации!), а амплитудно-фазовое распределение
подлежащего измерению физического поля (темпера-
туры, деформаций, смещений и пр.).
Это подтверждается и имеющимися сведениями о
прямых и косвенных измерениях, выполняемых при
двух способах регистрации голографической инфор-
мации.
Так, при голографической регистрации проводят-
ся прямые измерения: пространственных координат
точек на поверхности объекта произвольной формы;
геометрических размеров объектов произвольной
формы и их отдельных элементов, а также косвенные
измерения: дисперсности, сплошности, объемной
концентрации; перемещений объекта как целого, по-
ля скоростей. В случае голографической интерферо-
метрии проводятся прямые измерения: пространст-
венных координат точек на поверхности объекта про-
извольной формы; распределения деформаций
поверхности объекта; объемного распределения по-
казателя преломления объекта; изменений во време-
ни объемного распределения показателя преломле-
ния нестационарного объекта, а также косвенные
измерения: геометрических размеров объекта произ-
вольной формы и его отдельных элементов, переме-
щений объекта как целого; полей напряжений, тем-
ператур, давлений; геометрических размеров про-
зрачного объекта произвольной формы; полей
напряжений, температур, давлений, плотностей, кон-
центраций.
Таблица 4
Люксметры, радиометры, яркомеры
Известны пять видов когерентно-оптических ме-
тодов измерения параметров механических колеба-
ний, сопоставлены достоинства и недостатки класси-
ческой интерферометрии, методов наблюдения форм
колебаний с применением пятнистых картин, голо-
графической интерферометрии, спекл-интерферо-
метрии и дифракционного метода. Эти методы име-
ют много общего между собой. С одной стороны, мож-
но заметить, что во всех интерферометрических
методах (и дифракционном) электрический сигнал
или распределение излучения в интерференционной
картине описываются одними и теми же функциями,
в частности, функциями Бесселя нулевого, первого,
иногда высших порядков. Это не является случайным
совпадением, а имеет глубокую основу и показывает
принципиальную общность процесса образования ин-
терференционных (дифракционных) полос и колеба-
тельного характера движения объектов измерения. В
этом отношении несколько особняком стоят лишь
методы наблюдения форм колебаний по пятнистым
картинам. С другой стороны, применение методов
предполагает использование весьма близких оптиче-
ских устройств и, в частности, источников света. Как
правило, необходимы излучатели с высокой степенью
когерентности, т.е. лазеры. Только в классической ин-
терферометрии при работе с зеркально отражающи-
ми поверхностями и в дифракционном методе мож-
но ограничиться тепловыми источниками, жертвуя
при этом удобством юстировки и чувствительностью.
Основательно и достаточно детально рассмотре-
ны в литературе принцип построения, конструкции
и типы лазерных интерферометров-приборов, также
относящихся к измерительным устройствам, базирую-
щимся на использовании когерентно-оптических ме-
тодов. Если при применении некогерентных излуча-
телей диапазон измерений линейных размеров и пе-
ремещений был ограничен десятками сантиметров,
то переход к лазерам позволил увеличить пределы из-
мерений до десятков метров при разрешающей спо-
собности до долей микрометра.
В решении проблемы эффективной обработки
больших массивов информации особый интерес пред-
ставляют оптические методы. Это обусловлено исклю-
чительно высокой информационной емкостью свето-
Название прибора Назначение прибора Спектральный диапазон, мкм Динамический диапазон СанПиН СниП
Аргус-01 Люксметр 0,38-0,80 1-200000 Лк 2.2.2.542-96 23.05-95
Аргус-02 Яркомер 0,38-0,80 1-200000 Кд/м 2.2.2.542-96 23.05-95
Аргус-03 Неселективный радиометр 0,25-10,0 1-2000 Вт/м2 2.2.2.542-96 23.05-95
Аргус-04 Радиометр УФА 0,315-0,400 0,01-20 Вт/м2 4557-88 23.05-95
Аргус-05 Радиометр Уф-В 0,280-0,315 0,01-20 Вт/м2 4557-88 23.05-95
Аргус-06 Радиометр УФ-С 0,200-0,280 0,001-2,0 Вт/м2 4557-88 23.05-95
Аргус-07 Пульсметр-люксметр 0,38-0,80 1-100 % 1-20000 Лк 2.2.2.542-96 23.05-95
Аргус-12 Люксметр-яркомер 0,38-0,80 1-200000 Лк 1-200000 Кд/м2 2.2.2.542-96 23.05-95
635
вого поля как переносчика информации, высокой ско-
ростью распространения оптических сигналов и лег-
костью осуществления целого ряда интегральных опе-
раций над двумерными массивами информации. В по-
следние годы интенсивно развиваются аналоговые
оптические методы и средства обработки информа-
ции, в основе которых лежат явления переноса ин-
формации пространственно-модулированным волно-
вым полем и дифракции света. Аналоговая оптическая
обработка информации может быть реализована с по-
мощью как когерентных, так и некогерентных свето-
вых полей. Когерентные оптические системы обра-
ботки информации оперируют с амплитудами и фаза-
ми светового поля. Эти системы более гибкие и
позволяют решать широкий круг задач по обработке
двумерных комплексных функций. Например, опера-
ция двумерного фурье-преобразования в когерентном
свете реализуется исключительно просто, а в иекоге-
рентном свете необходимо использовать серию ма-
сок, число которых зависит от требуемой точности
выполнения операции.
По методам оптической обработки информации
существующие устройства можно условно объединить
в четыре группы, осуществляющие: 1) спектральный
анализ; 2) пространственную фильтрацию; 3) корре-
ляционный анализ; 4) интегральные преобразования
(Гильберта, Френеля и др.).
Спектральный анализ, осуществляемый с помо-
щью когерентных оптических анализаторов, весьма
полезен при решении разнообразных задач:
— измерения и контроля диаметра сверхтонкой
проволоки;
— анализа микроструктур в биологии;
— количественной обработки интерферограмм в
фурье-спектроскопии;
— формирования признаков в устройствах распо-
знавания образов;
— интерпретации геологического материала;
— многоканального спектрального анализа сигна-
лов электрической и иной природы и др.
Пространственная фильтрация находит примене-
ния как для обработки изображений, так и для много-
канальной обработки электрических сигналов.
Можно указать на следующие задачи, эффективно
решаемые методом пространственной фильтрации:
— улучшение качества изображений путем их апо-
стериорной обработки: повышение контраста, устра-
нение дефокусировки и смаза, подавление аддитив-
ных помех;
— осуществление над изображениями операций ти-
па дифференцирования, преобразования Гильберта
и др.;
— обработка сигналов фазированных антенных ре-
шеток;
— обработка сигналов в РЛС бокового обзора с син-
тезированной апертурой;
— многоканальная фильтрация электрических сиг-
налов;
— машинная обработка геофизических данных;
— обработка снимков треков пузырьковых камер
и ряд других.
С помощью согласованной пространственной
фильтрации могут быть решены следующие задачи:
— обнаружение объектов на некотором сложном
фоне;
— навигационная привязка летательных аппаратов
по наземным ориентирам;
— исследование скорости движения облаков по фо-
тоснимкам, получаемым с метеорологических спутни-
ков;
— автоматический дактилоскопический поиск
(опознавание полных отпечатков пальцев);
— автоматическая идентификация ИК спектров ве-
ществ;
— ввод буквенно-цифровой информации в ЭВМ;
— интегральный контроль качества печатных плат
и интегральных схем;
— интегральный контроль предела усталости ло-
паток турбин;
— идентификация и распознавание электрических
сигналов;
— оптимальная фильтрация электрических сигна-
лов;
— многоканальный корреляционный анализ элек-
трических сигналов и др.
Метод согласованной пространственной фильтра-
ции при решении задач контроля безусловно уступа-
ет интерферометрии и по чувствительности, и по точ-
ности, однако он не требует сложной расшифровки
интерферограмм — является интегральным методом
и легко поддается автоматизации.
Возможности оптических методов обработки ин-
формации в решении задач измерений и контроля да-
леко не исчерпываются приведенными примерами.
Достоинствами оптических методов измерений явля-
ются простота, экспрессность измерений и легкость
автоматизации, что весьма существенно при внедре-
нии этих методов в промышленность. Обеспечиваемая
при этом точность вполне достаточна для практики.
Оптические методы измерений и контроля особенно
эффективны, когда необходимо дать интегральную
оценку качества или нельзя использовать контактные
методы измерений.
Трудно также переоценить роль и значение коге-
рентно-оптических методов и средств(когерентной
оптики и голографии) для систем распознавания од-
но-, двух-, а в последние годы и трехмерных изобра-
жений.
В интерференционной микротомографии сущест-
венный интерес представляет измерение простран-
ственного распределения показателя преломления
трехмерных фазовых объектов, а в области оптиче-
ской спектротомографии — количественные исследо-
вания пространственно-спектральных характеристик
двух- и трехмерных объектов.
Основы обеспечения единства измерений оптиче-
ской фазы, а также степени пространственной и вре-
менной когерентности оптического излучения пока
находятся в начальной стадии разработки.
Литература
1. Международный светотехнический словарь. Русский
текст под общей редакцией Д.Н. Лазарева. 3-е изд. — М.: Рус.
яз., 1979.-278 с.
2. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и прибо-
ры). 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. —
272 с.
3. Карташевская В.Е. Фотометрическая лаборатория
главной палаты мер и весов — ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
// Светотехника. — 1984. — № 1. — С. 17-19.
636 ========——.
4. Прохоров А.В., Саприцкий В.И., Столяревская Р.И.,
Трубников А.И. Независимое воспроизведение канделы и
люмена на основе высокотемпературных широкоапертур-
ных черных тел // Светотехника. — 1996. — № 3/4. — С. 11-
13.
5. Sapritsky V.I. A New Standard for the Candela in the USSR
// Metrologia. — 1987. — V. 21. — № 1. — P. 53-59.
6. Sapritsky V.I, National Primary Radiometric Standards of
the USSR // Metrologia. - 1989. -V. 27. - № 1. - P. 53-60.
7. Johnson B.C., Cromer C.L., Saunders R.D., Eppeldauer G.,
Fowler J., Sapritsky V.I., Dezsi G. A Method of Realizing Spectral
Irradiance Based on an Absolute Gryoqenic Radiometer //
Metrologia. — 1994. —V. 30. — № 4. — P. 309-315.
8. Stolyarevskaya R.I.. Sapritsky V.I., Lumen realization on
the basis of a lange aperture high temperature black body //
Metrologia. — 1995.
9. Sapritsky V.I., Jonson B.C., Walker J.H., Saunders R D.,
Vlasov L.V., Sudarev K.A., KlevnoyB.B., Shapoval V.I.
Dmitriev I.A., Buchnev L.M., Prochorov A.V., Precise High-
Temperature Blackbodies. — Ultraviolet IV, (Edited by
R.E. Huffman), Pros. SPIE. 1764. 323-331. 1992.
10. Ohno Y., Integrating sphere simulation: application to
total flux scale realization // Appl. Opt. — 1994. — V. 33. —
P. 2637-2647.
11. Tardy H.L. Flat-sample and limitel-field effects in
integrating sphere measurements//J. Opt.Soc.Am. F. — 1988.
-V. 5,-№2.-P. 241-245.
12. Nesim Halyo, Deborah D. Taylor. Explicit Solution of the
spectra radiance in integrating spheres with applicaftion to the
Earth Radiation Budget Experiment Ground Calibration //J.
Jpt. Soc. Fv. - 1988. - V. 5. - № 4. - P. 521-534.
13. Sapritsky V.I., Prochorov A.V. Calculation of the effective
emissivities of speculardiffuse cavities by the Monte-Carlo
method // Metrologia — 1992. —V. 29 — № 1. — P. 9-14.
14. KajiyamaH., Sihji Kodaira. An illuminance analysis in
partitions spaces using the Monte-Carlo method //Journal of
the illuminating Engineering Society. — 1989. — V. 66. — № 5. —
P. 93-108.
В. С. Иванов
_ 637 ---
Государственный первичный эталон единицы
силы света
С 1948 г. основой метрологического обеспечения
световых измерений являлся эталон единицы силы све-
та, созданный на базе модели черного тела при темпе-
ратуре затвердевания расплавленной платины. Госу-
дарственный эталон СССР был разработан во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева под руководством П.И. Тиходее-
ва [1,2]. В 1979 г. под руководством В.Е. Карташевской
проведена его модернизация [3]. Эталон ВНИИМ вос-
производил единицу силы света в соответствии с оп-
ределением, принятым 13-й Генеральной конференци-
ей по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 г.
В 1979 г. 16-я ГКМВ приняла новое определение
единицы силы света: „кандела представляет собой си-
лу света в данном направлении от источника, испус-
кающего монохроматическое излучение частоты
540-1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом
направлении составляет 1/683 Вт на стерадиан" [4].
Здесь 683 есть установленное ГКМВ значение для Кт
— максимальной световой эффективности.
Старое определение канделы не регламентирова-
ло значения Кт , т.е. не давало возможности осущест-
вить точный переход от световых величин к энерге-
тическим. Коэффициент Кт определялся экспери-
ментальным путем исходя из значения яркости,
приписанного черному телу при температуре затвер-
девания платины. Значительный разброс эксперимен-
тальных данных, вносивший ряд неудобств в практи-
ческую фотометрию, и явился основной причиной пе-
рехода к новому определению. Точное значение Кт ,
используемое вместе с существующей функцией У(Л)
(относительной спектральной световой эффективно-
стью), дает отношение силы света к энергетической
силе света для монохроматического излучения любой
длины волны (а не только 555 нм) [5].
В новом определении способ воспроизведения под-
черкнуто не оговорен, а в комментариях [4, 5] к реше-
нию ГКМВ указано, что с принятием нового опреде-
ления каждая национальная лаборатория будет полно-
стью свободна в выборе метода воспроизведения, что
допускает применение абсолютного радиометра с
фильтром, черного тела и других средств воспроизве-
дения. Напротив, старое определение требовало при-
менения черного тела жестко регламентированной
конструкции.
В связи с переходом к новому определению канде-
лы во ВНИИОФИ в 1981 г. была начата разработка го-
сударственного первичного эталона единицы силы све-
та (ГПЭ). Анализ возможных методов воспроизведе-
ния с учетом современных достижений отечественной
метрологии показал, что наименьшая погрешность мо-
жет быть достигнута, если в основу ГПЭ положить по-
лостной радиометр со светофильтром, относительный
спектральный коэффициент пропускания которого
близок к V(/?). При этом коэффициент преобразова-
ния радиометра определяется по высокотемператур-
ной модели черного тела (МЧТ), а абсолютный спек-
тральный коэффициент пропускания светофильтра —
при помощи специальной оптической системы.
Работа по созданию ГПЭ была закончена в 1983 г.
В эталон входят первичный фотометр, излучатель на
основе МЧТ и четыре системы: определения харак-
теристик излучения, определения спектрального ко-
эффициента пропускания светофильтра, регистра-
ции и обработки информации, передачи размера еди-
ницы.
Основными элементами первичного фотометра яв-
ляются радиометр и светофильтр. Радиометр представ-
ляет собой радиационный термостолбик. Его прием-
ный элемент изготовлен из алюминиевой фольги в ви-
де конической полости с углом при вершине 15° и
диаметром основания 15 мм. Перед полостью помеще-
на система защитных диафрагм и входная диафрагма
диаметром 8 мм. Диафрагмирование полости обеспе-
чивает неселективность радиометра в широкой облас-
ти спектра. Светофильтр выполнен в виде стеклянной
кюветы, заполненной раствором двухромовокислого
калия, хлорной меди и двойной серно-кобальто-аммо-
ниевой соли. Радиометр и фильтр в совокупности
представляют собой приемник с коэффициентом пре-
образования . исправленным под У ( Л). Радиометр при
калибровке помещают в камеру, имеющую один вакуу-
мируемый объем с МЧТ, при передаче размера едини-
цы рабочему эталону — в вакуумируемый кожух. Кожух
герметически соединяют со стеклом, входящим в со-
став светофильтра.
Оптическая схема ГПЭ приведена на рис. 1.
Излучатель служит для калибровки радиометра.
МЧТ представляет собой две коаксиальные трубки из
карбида ниобия. Передние концы трубок соединены
кольцеобразной перегородкой. Ток, протекая после-
довательно по трубкам, нагревает их, в результате че-
го температура внутренней трубки может достигать
2700 К. В середине этой трубки имеется перегородка
из карбида ниобия, а на расстоянии 60 мм от перед-
него торца расположена диафрагма диаметром 12 мм.
Длина трубки от диафрагмы до перегородки состав-
ляет 350 мм, внутренний диаметр 19 мм. Собственно
моделью черного тела является полость внутренней
638
трубки от дна до диафрагмы. Наружная трубка и сис-
тема тепловых экранов служит для выравнивания тем-
пературы вдоль внутренней трубки. МЧТ помещена
в вакуумную камеру. Ее излучение проходит через ох-
лаждаемую апертурную диафрагму с точно определяе-
мой площадью. Наличие системы подвижек и систе-
мы контроля положения МЧТ позволяет юстировать
ее относительно оси установки. Электропитание
МЧТ осуществляется с помощью системы автомати-
ческого регулирования с оптической обратной свя-
зью, обеспечивающей стабилизацию температуры
МЧТ. В качестве преобразователя на входе системы
используют специальный пирометр.
Система определения характеристик излучения
предназначена в конечном итоге для определения яр-
кости МЧТ. Яркость может быть найдена по термо-
динамической температуре.
Метод измерения термодинамической температу-
ры не опирается на средства измерений, связанные с
МТШ-90. Ее определяют оригинальным методом, раз-
работанным во ВНИИОФИ [7]. В систему измерения
температуры входит сам калибруемый радиометр и
спектрометр HRD-1 (Франция) с зеркальным конден-
сором. Излучение МЧТ поочередно направляют в ра-
диометр либо через боковое окно вакуумной камеры
в спектрометр. При двух температурах (основной у
и вспомогательной 7J ) измеряют сигнал радиометра
U и сигналы на выходе спектрометра 1У(Л) для раз-
личных длин волн. Температуру определяют в резуль-
тате решения избыточной системы линейных алгеб-
раических уравнений, в которых коэффициентами
служат упомянутые сигналы:
z=c/(t)/l/(t1)=t7t14 1
хЦ)= С/(Т, , 4 )= [ехр(с2/ )- 1]/[ехр(с2/ 1]]
(1)
Абсолютное значение спектрального коэффици-
ента пропускания светофильтра зависит от состояния
поляризации пучка света, распределения яркости по
сечению пучка и ряда других факторов, тесно связан-
ных с особенностями системы лампа — первичный фо-
тометр. Чтобы это учесть, измерение коэффициента
пропускания нужно проводить в условиях, имитирую-
щих условия работы светофильтра. Для этого после
него излучение направляют в имитатор, представляю-
щий собой точную копию системы диафрагм радио-
метра. Свойства пучка, выделенного диафрагмами,
совпадают со свойствами, которыми обладает пучок
при передаче размера единицы. При этом использу-
ют лампу такого же типа и на том же расстоянии, что
и при передаче. Излучение после имитатора попада-
ет в оптический интегратор, а оттуда зеркально — лин-
зовым конденсором направляется в спектрометр.
В основе спектрометра лежит двойной монохро-
матор типа HRD-1, управляемый персональным ком-
пьютером (ПК). Сигналы фотоприемников обрабаты-
ваются ПК, записываются на гибких дисках и выво-
дятся на графопостроитель и дисплей.
Воспроизведение единицы состоит, таким обра-
зом, из трех основных этапов. На первом этапе опре-
деляют коэффициент преобразования радиометра.
Для этого его калибруют по МЧТ. На втором этапе из-
меряют абсолютное значение спектрального коэффи-
циента пропускания светофильтра, на третьем — рас-
считывают коэффициент преобразования первично-
го фотометра.
Формула воспроизведения записывается в следую-
щем виде:
с _ М^М у
у кт£з^т^-кду <2>
где Sy — коэффициент преобразования первично-
го фотометра; Кт — максимальная спектральная све-
Рис. 1. Оптическая схема ГПЭ
1 — фотопирометр (преобразователь системы автоматического регулирования); 2 — камера излучателя; 3 — модель
черного тела; 4 — система автоматического регулирования; 5 — апертурная диафрагма излучателя; 6 — камера апертурной
диафрагмы; 7 — камера первичного фотометра; 8 — первичный фотометр без светофильтра (радиометр); 9 — ЭВМ
системы регистрации и обработки информации; 10 — спектропирометр на базе монохроматора HRD-1, входящий в
систему определения характеристик излучения; 11 — зеркальная оптическая система, входящая в ту же систему.
639
товая эффективность; UM — сигнал радиометра при
его калибровке по МЧТ; 1М — расстояние от апертур-
ной диафрагмы МЧТ до входной диафрагмы радио-
метра; £3 — эффективный коэффициент излучения
полости МЧТ; <7 — постоянная Стефана-Больцмана;
QM — площадь апертурной диафрагмы; гт — макси-
мальное (по спектру) значение коэффициента пропус-
кания светофильтра; Кд — поправка, учитывающая ди-
фракционные потери, Ку — поправочный коэффици-
ент, учитывающий неидентичность функций
относительного спектрального коэффициента преоб-
разования первичного фотометра и относительной
спектральной световой эффективности излучения
для дневного зрения.
Коэффициент Kv находят по формуле
К = \ЕЛ(МЯ}1Я
.0
.(3)
где Ел(Л) — относительное значение спектральной
плотности энергетической освещенности для излуче-
ния лампы сравнения; $л(Л) — спектральный коэффи-
циент преобразования первичного фотометра, нор-
мированный на максимум (); — относительная
спектральная световая эффективность для дневного
зрения.
Таким образом, размер единицы определяется в
результате косвенных измерений.
Погрешность воспроизведения рассчитана на ос-
новании исследований погрешностей всех прямых из-
мерений. При этом учитывали также погрешность оп-
ределения величин, входящих в (2), учитывали так-
же погрешность, связанную с нестабильностью
первичного фотометра и погрешность определения
температурного коэффициента последнего. В резуль-
тате установлено, что среднее квадратическое откло-
нение (СКО) 5>'о=О,1 %, а неисключенный остаток сис-
тематической погрешности (НСП) 0О =0,25 %.
Размер единицы силы света передается от ГПЭ
лампам, входящим в групповой излучатель рабочего
эталона (РЭ). Схема передачи размера единицы состо-
ит из компаратора, лампы сравнения и комплекса уст-
ройств для измерения расстояний, основанного на ис-
пользовании нутромера НМИ-6000. По сигналу пер-
вичного фотометра при облучении его лампой
сравнения определяют освещенность на его входной
диафрагме. При помощи компаратора лампу сравне-
ния сличают с излучателем РЭ, в результате чего на-
ходят силу света излучателя. В качестве лампы срав-
нения используют светоизмерительную лампу СИС-
107-1500. ЕЕ применение позволяет передавать
размер единицы от низкочувствительного первично-
го фотометра маломощным лампам, входящим в из-
лучатель РЭ. В основе компаратора лежит фотодиод,
относительный спектральный коэффициент преобра-
зования которого при помощи жидкостного свето-
фильтра исправлен под К(/?).
Силу света РЭ находят по формуле
_ 1 2
рэ~Ту~Т\ 1 с (4)
где U — сигнал первичного фотометра при облу-
чении его лампой сравнения; Щ/Щ — отношение сиг-
налов компаратора для лампы излучателя РЭ и лампы
сравнения (отношение равно отношению соответст-
вующих освещенностей); I — расстояние от лампы из
излучателя РЭ до входной диафрагмы компаратора;
К, — поправка, учитывающая неточечность тела на-
кала лампы РЭ [8]; Кс — коэффициент, учитывающий
отличие спектрального коэффициента преобразова-
ния компаратора от относительной спектраль-
ной световой эффективности излучения УЛ(Я) при
компарировании ламп с относительной спектральной
плотностью энергетической освещенности
(для лампы сравнения) и К (Я) (для лампы излу-
чателя РЭ); I], I? — расстояние от лампы сравнения
до входных диафрагм, соответственно — первичного
фотометра и компаратора ( ^ = 4 )
Коэффициент Кс зависит от цветовых темпера-
тур сравниваемых источников:
]е^(ЯУ(Я)/я]ел(Я)8л(Я)/Я
~ ® о
]е^(Я)5л(Я^я]еа(ЯУ(Л^Я- (5)
о о
Погрешность РЭ находят из анализа погрешно-
стей прямых измерений величин, входящих в (4), а
также погрешностей определения температурных ко-
эффициентов первичного фотометра и компаратора,
погрешностей, связанных с их нелинейностью, и по-
грешности, обусловленной нестабильностью первич-
ного фотометра. Расчет показал, что среднее квадра-
тическое отклонение результата сличения РЭ с ГПЭ
SIo=O,3%
С 1985 г. действует стандарт [8], регламентирую-
щий средства воспроизведения и передачи размера
световых величин, в котором высшим звеном при пе-
редаче размера единицы светового потока является об-
разцовое средство измерений 1-го разряда. Оно получа-
ет размер единицы от РЭ силы света и освещенности.
Передача осуществляется при помощи распредели-
тельного фотометра. В 1995 г. разработан новый ме-
тод воспроизведения единицы светового потока—лю-
мена с использованием широкоапертурных МЧТ и ра-
диометрических методов измерения температуры [9].
Литература:
1. Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике.
— М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962.
2. БурдунГ.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. — М:
Изд-во стандартов, 1975.
3. Карташевская В.Е., Матвеев М.С. Тезисы докл. 3-й Все-
союз. Науч.-техн. конф. Фотометрия и ее метрологическое
обеспечение. — М.: ВНИИОФИ, 1979.
640
4. Кипаренко В.И., Обухов А.С. // Измерительная тех-
ника. - 1980. - № 2. - С. 71.
5. Blewin W.R., Steiner В. // Metrlogia. — 1975. — № 11. —
Р. 97.
6. Карташевская В.Е. // Светотехника. — 1976. — № 5. —
С. 2.
7. Бачериков В.В., Саприцкий В.И., Ковальский В.Я.,
Мальцев В.В., Столяревская Р.И. Государственный первич-
ный эталон единицы силы света // Измерительная техни-
ка. - 1984. - № 9. - С. 6-7.
8. ГОСТ 8.023-83. ГСИ. Государственный первичный эта-
лон и государственная поверочная схема для средств изме-
рений световых величин непрерывного излучения.
9. Прохоров А.В., Саприцкий В.И., Столяревская Р.И.,
Трубников А.И. Независимое воспроизведение канделы и
люмена на основе высокотемпературных широкоапертур-
ных черных тел // Светотехника. — 1996. — № 3/4. — С. 11-
13.
В.И. Саприцкий
==^================ 641
Измерения длин волн светового излучения
Одним из основных параметров электромагнитно-
го излучения является длина волны. Спектр оптиче-
ского диапазона есть основной источник информа-
ции о составе вещества, о структуре и строении ато-
мов и молекул. Результаты изучения этого диапазона,
таким образом, создают базу для спектроскопических
и спектроаналитических измерений, в основу кото-
рых положены эмиссионные и абсорбционные спек-
тры веществ. Точное значение длин волн позволяет
количественно охаракт еризовать спектр и расшифро-
вать его, т е. сопоставить с определенным веществом.
Измерение длин волн было начато еще Майкель-
соном в конце прошлого столетия [1]. Первое коли-
чественное определение длины волны линейчатого
спектра было осуществлено им при сравнении длин
волн красной линии кадмия с длиной эталона метра.
Значительный вклад в совершенствование мето-
дов измерения длин волн внесли Фабри, Перо и Бе-
нуа [2]. Они разработали интерференционный метод
сравнения длин волн друг с другом, получивший на-
звание метода совпадения дробных частей порядков
интерференции, широко применяющийся и в настоя-
щее время. Вся система измерения длин волн основа-
на на интерферометрических сравнениях длин волн
вторичных нормалей с первичной и дифракционных
сравнениях с первичной и вторичной нормалями
длин волн эмиссионных и абсорбционных спектров
различных веществ.
В решении вопросов систематизации спектров в
первую очередь были заинтересованы астрономы, так
как расшифровка спектров звезд и планет крайне не-
обходима для астрономии. Поэтому первой междуна-
родной организацией, координирующей работы в
этом направлении, стал Международный астрономет-
рический союз, впервые собравшийся в 1922 г.., кото-
рый имеет в своем составе Комиссию фундаменталь-
ных спектроскопических данных.
Второй международной организацией, занимаю
щейся рекомендациями и согласованиями значений
нормалей длин волн, является Международный союз
аналитической и прикладной химии (ЮПАК). Хими-
кам также необходимо точное значение длин волн для
спектроскопических исследований веществ и для гра-
дуировки спектральных приборов.
С каждым годом открываются новые области эф-
фективного применения спектральных методов изме-
рений, быстро повышаются требования к точности из-
мерений, растут потребности в современной автома-
тизированной аппаратуре. Качественные изменения
внесло создание и внедрение в практику спектральных
исследований новых монохроматических источников
света — лазеров. Одновременно возникла задача изме-
рения длин волн их излучения с чрезвычайно высокой
точностью. Космические исследования выдвинули
проблему определения состава веществ по расшифров-
ке спектров в вакуумном ультрафиолете, что повлекло
за собой разработку методов передачи значения длин
волн в область вакуумного ультрафиолета без потери
единства измерений.
Для установления единства измерений длин волн
излучения светового диапазона создан Государствен-
ный специальный эталон единицы длины для спектро-
скопии. Эталон разработан, изготовлен, исследован и
хранится во ВИНИМ им Д.И. Менделеева. Руководи-
телями работ по созданию эталона являлись ведущие
ученые института А.И. Карташев и Н.Р. Батарчукова.
Принцип действия эталона основан на интерфе-
рометрическом способе сравнения длин волн эталон-
ного и исследуемого источников излучения с исполь-
зованием метода совпадения дробных частей поряд-
ков интерференции и техники модуляционного
сканирования оптической длины интерферометра.
Выделение различных спектральных линий, а также
идентификация эмиссионных спектров монохромати-
ческих источников осуществляется монохроматором
на основе дифракционных решеток.
В состав Тосударственпого специального эталона
единицы длины для спектроскопии входит:
— спектральная лампа с изотопом криптона-86, из-
I отовлениая в соответствии с международной специ-
фикацией;
— спектроинтерферометр с диапазоном измере-
ний от 0,186 до 4 мкм для передачи размера единицы
от Государственного эталона рабочим эталонам.
В состав спектроинтерфсрометра входят три ос-
новные части:
а) дифракционный монохроматор;
б) комплект интерференционных эталонов Фаб-
ри-Перо;
в) аппаратура для регистрации дробных частей по-
рядков интерференции и контуров спектральных ли-
ний.
Монохроматор имеет четыре дифракционных ре-
шетки для обеспечения охвата всего диапазона от 0,186
до 4 мкм (1200,600, 300 и 100 штр./мм). Комплект ин-
терференционных эталонов Фабри-Перо содержит
трубчатые эталоны различной длины, а также пьезо-
сканирующие эталоны для видимой, инфракрасной и
ультрафиолетовой областей спектра. Аппаратура ре-
гистрации обеспечивает отсчет дробной части поряд-
ка интерференции с использованием модуляционно-
го метода измерения.
21 Зак. 450
642
Схема лампы с криптоном-86 представлена на
рис. 1.
В верхней части цилиндрического баллона 1 (дли-
ной 200 мм и диаметром 20 мм) помещен катод, со-
стоящий из нагреваемой током спирали 2 и экрана 3.
В нижнем его конце перед капилляром 4 установлена
призма 7 полного внутреннего отражения, обеспечи-
вающая наблюдение свечения столба плазмы в капил-
ляре. В нижнем баллоне 5, оканчивающемся плоским,
хорошо отполированным смотровым окном, поме-
щен платиновый цилиндрический анод 6. Для умень-
шения ширины контура спектральной линии лампа
помещена в криостат заполненный жидким азотом.
Оптическая схема спектроинтерферометра пред-
ставлена на рис. 2. Основными узлами схемы являют-
ся осветитель, предмонохроматор, интерферометр,
приемник.
Осветитель состоит из входного плоского зеркала
2, на которое падает свет от источника 1. Это зеркало
направляет свет на сферический конденсатор 4, про-
ектирующий изображение светящегося тела источни-
ка на щель предмонохроматора. В оптической схеме
имеются дополнительные плоские зеркала, ломающие
пучок с целью уменьшения габаритов прибора.
Пройдя входную щель предмонохроматора, свет
падает на сферическое коллиматорное зеркало 13 и
затем параллельным пучком на дифракционную ре-
Рис. 1. Спектральная лампа с
изотопом криптона-86
шетку 14, отразившись от которой под углом дифрак-
ции падает на сферическое зеркало 12, передающее в
плоскость выходной щели изображение входной ще-
ли. Далее свет направляется на систему 5 вспомога-
тельных зеркал, которые проецируют изображение
выходной щели, передаваемое зеркалом 11 в плос-
кость эталона Фабри-Перо. Сферическое зеркало 6 на-
правляет пучок света от эталона в приемник.
13
12
11
643 .... . . -----
Дифракционный узел прибора позволяет выво-
дить различные спектральные линии на щель пово-
ротом дифракционной решетки вокруг горизонталь-
ной оси. Интерференционный узел спектроинтерфе-
рометра состоит из вакуумной камеры и комплекта
эталонов Фабри-Перо. Он размещен в параллельном
ходе светового пучка. Оптическая длина интерферен-
ционных эталонов меняется посредством смены раз-
делителей от 30 до 2000 мм. Собранный и предвари-
тельно отъюстированный эталон Фабри-Перо поме-
щают в вакуумную камеру спектроинтерферометра. С
целью исключения погрешности, обусловленной дис-
персией показателя преломления воздуха, давление
в вакуумной камере при измерениях длин волн под
держивается в пределах (5-10)-10'3мм рт.ст.
Приемо-регистрирующий узел приборов допуска-
ет смену фотоприемников без нарушения юстировки
прибора. Для уменьшения шумов приемников преду-
смотрено их охлаждение при помощи жидкого азота.
Государственный специальный эталон обеспечива-
ет воспроизведение единицы со средним квадратиче-
ским отклонением результата измерений, не превы-
шающим 4-10'', при неисключенной систематической
погрешности, не превышающей 5-1010.
В качестве рабочих эталонов для широкой облас-
ти спектра применяют источники монохроматическо-
го излучения в виде спектральных ламп, заполненных
криптоном-86, ртутью-198 или кадмием-114, и спек-
троинтерфероме 1 ра.
В качестве рабочих эталонов для узкой области
спектра применяют лазеры, стабилизированные по
насыщенному поглощению, и оптический гетеродин.
Литература:
1. Michelson. // Trav. ei Mem. du BIPM, XI, 1895
2. Benoit, Fabry er Perot. Trav. et Mem. du BIPM, XV, 1913.
3. Батарчукова H.P. // Измерительная техника. — 1974.
-№б,-С. 49-50.
В.Л. Шур
... 644 .
История развития и современное состояние
рефрактометрии
Рефрактометрию считают старейшей из приме-
няемых в химии оптических методов исследования.
Уже в „Оптике*1 И. Ньютона имеется истолкование
данных о „преломляющей силе11 ряда веществ с точки
зрения существующих в то время представлений об
их химической природе. Основываясь на величинах
показателей преломления и плотности, Ньютон сде-
лал интересные заключения о составе солей, винно-
го спирта и алмаза, родство которого с органически-
ми веществами он угадал задолго до того, как это бы-
ло доказано химическим путем
Ь середине XVIII в. в связи с проблемой создания
ахроматических линзовых систем закономерностями
показателей преломления и дисперсии различных ве-
ществ интересовались крупнейшие ученые того вре-
мени и, прежде всего, Леонард Эйлер. Его сыном Ио-
ганном Эйлером (тоже петербургским академиком)
была выполнена большая серия измерений показате-
лей преломления ряда жидкостей.
Обширная программа физико-химических исследо-
ваний М.В. Ломоносова также включала „опыты о пре-
ломлении в жидкостях", производившиеся им в 1756 г.
и последующих годах. Среди инструментов, с которы-
ми Ломоносов „приступил к грудному делу соединения
химии с физикой и геометрией, был также квадрант,
придуманный для определения преломления в хими-
ческих телах". Над конструкцией и усовершенствова-
нием этого прибора — одного из первых рефрактомет-
ров — Ломоносов работал с 1752 по 1762 гг.
Интенсивное развитие рефрактометрии как вспо-
могательного средства химических исследований на-
чалось со второй половины XIX в.. когда одной из цен-
тральных проблем химии стало выяснение зависимо-
сти свойств веществ от их состава и строения, а
быстро растущая химическая промышленность потре-
бовала разработки удобных и простых методов тех
нического анализа.
Немалую роль в распространении рефрактометри-
ческих методов в это время сыграли работы профес-
соров Йенского университета Аббе и Пульфриха, соз-
давших удобные конструкции рефрактометров, широ-
ко применяемых и в наше время. Их преемнику Леве
принадлежит заслуга пропаганды рефрактометриче-
ских методов технического анализа, создания для
этой цели новых рефрактометров и внедрения в прак-
тику химических и промышленных лабораторий ин-
терференционных методов.
В России значение рефрактометров как средства
химического анализа было оценено еще в прошлом
веке, и одним из первых пропагандистов применения
рефрактометрии выступил профессор Харьковского
университета Пильчиков.
Особая роль рефрактометрии в производстве оп-
тического стекла предопределила то внимание, кото-
рое уделялось ей при создании оптической промыш-
ленности СССР. Одной из первых проблем основан-
ного в конце 1918 г. Государственного оптического
института было систематическое исследование
свойств оптических материалов. В связи с этим тща-
тельно изучались и усовершенствовались различные
способы точных измерений показателей преломле-
ния и их термических коэффициентов. Для производ-
ственного контроля оптических стекол, измерения их
дисперсии в крайних областях спектра и в пределах
полос поглощения были созданы уникальные конст-
рукции специальных приборов.
Широкому распространению рефрактометрии в
качестве одного из важнейших физических методов
анализа способствовало исключительно ценное со-
вмещение высокой точности, технической простоты
и доступности. Показатель преломления принадле-
жит к числу немногих физических констант, которые
можно измерять с очень высокой точностью и неболь-
шой затратой времени, располагая малым количест-
вом вещества.
Физической основой измерения показателя пре-
ломления является установленный еще в начале
XVII в. закон преломления. Согласно этому закону при
палении све га на границу раздела двух прозрачных од
нородных сред направление падающего луча изменя-
ется. Отношение синуса угла падения к сипусуухла пре-
ломления есть величина постоянная и называется от-
носительным показателем (или коэффициентом)
преломления второго вещества по отношению к пер-
вому. Волновая теория света устанавливает связь по-
казателя преломления со скоростью распространения
световых волн в двух средах. Согласно этой теории
показатель преломления определяется как отношение
скорости распространения света в первой среде к ско-
рости распространения во второй среде. Закон пре-
ломления выведен также в рамках корпускулярной
(квантовой) теории. Показатель преломления веще-
ства по отношению к „пустоте" называется абсолют-
ным показателем преломления.
Абсолютный показатель преломления вещества
равен отношению скорости света в „пустоте" к скоро
сти распространения света в веществе. Относитель-
ный показатель преломления равен отношению абсо-
лютных показателей преломления двух веществ.
Показатель преломления вещества определяется
его природой, но зависит также от внешних условий
и длины волны света.
При очень точных абсолютных измерениях учи-
тываются температура и давление воздуха, а величи-
645
на показателя преломления приводится к нормально-
му давлению и стандартной температуре воздуха.
У оптически анизотропных веществ, к которым от-
носятся большинство кристаллов, наблюдается двой-
ное лучепреломление (расщепление) преломляющего-
ся луча на два луча, распространяющихся с разными
скоростями. При этом у так называемых одноосных
кристаллов (гексогональной, тетрагональной и триго-
нальной систем) скорость распространения (а, следо-
вательно, и показатель преломления) одного из лучей,
называемого необыкновенным, зависит от его направ-
ления. В оптически двуосных кристаллах низкой сим-
метрии (ромбической, моноклинной и триклинной
систем) скорость распространения обоих преломляю-
щих лучей зависит от направления. В связи с этим оп-
тически анизотропные вещества характеризуются дву-
мя экстремальными показателями „п“ и „и“ (одноос-
ные кристаллы) или тремя показателями пр , пт , п,
(двуосные кристаллы). В данном случае индексы о и
е относятся к обыкновенному и необыкновенному лу-
чам, а индексы р , Ц и т обозначают соответственно
наименьший, наибольший и промежуточный показа-
тели в трех взаимно перпендикулярных направлени-
ях. Определение показателей преломления оптически
анизотропных веществ широко используется для це-
лей идентификации минералов.
Показатель преломления при данной температу-
ре и длине волны является важной константой, харак-
теризующей химическое соединение. Огромное чис-
лоданных по показателям преломления органических
жидкостей и неорганических кристаллов, получен-
ных за последнее столетие, позволяет широко исполь-
зовать рефрактометрию для установления идентич-
ности исследуемых веществ с ранее описанными, а
также для оценки степени их чистоты.
В настоящее время наиболее распространенными
являются следующие методы измерения показателя
преломления: метод призмы, метод предельного угла
и интерференционные методы. С развитием науки од-
ни методы теряют свое значение, другие, наоборот,
быстро распространяются, и интерес к ним возника-
ет в совершенно неожиданных сферах применения.
Иммерсионный метод измерения показателей пре-
ломления, давно уже занимающий центральное место
в анализе минералов и горных пород, оказался весь-
ма ценным при микробиологических исследованиях.
Интерференционная рефрактометрия стала приме-
няться при изучении плазмы. В самостоятельный раз-
дел современной рефрактометрии выделилось изме-
рение производных от показателя преломления — его
инкрементов и градиентов, которые используются в
основных методах исследования высокомолекуляр-
ных соединений. Автоматическая регистрация изме-
нений показателя преломления стала важным мето-
дом контроля технологических процессов и находит
все большее применение как наиболее универсальный
способ детектирования в жидкостной хроматогра-
фии. В рабочих рефрактометрах, в основном, в раз-
личных модификациях используются методы призмы
и предельного угла.
В использовании рефрактометрических методов
заинтересованы ряд областей науки и отраслей про-
мышленности: физика, химия, физическая химия, био-
химия, минералогия, геофизика, а также оптико-меха-
ническая, пищевая, фармацевтическая промышлен-
ность. Роль и значение рефрактометрии в решении ря-
да проблем, таких как продовольственная и топливно-
энергетическая, трудно переоценить. Рефрактометры,
которыми оснащены предприятия перечисленных вы-
ше отраслей промышленности, используются практи-
чески на всех этапах технологических процессов,
причем особенно важна их роль при оценке качества
конечных продуктов. Поскольку рефрактометры явля-
ются перспективными приборами, разработке новых
более точных, как узкоспециализированных, так и уни-
версальных, уделяется большое внимание министер-
ствами пищевой и нефтехимической промышленно-
сти, системой Академии наук РФ.
Работы по обеспечению единства измерений реф-
рактометров, число которых в настоящее время состав-
ляют около 100000, ведутся в системе Госстандарта РФ
с 60-х гг. XX в. В соответствии с требованиями инструк-
ции 279-66 по поверке визуальных рефрактометров в
период 1965-1968 гг. ВНИИМС выпустил примерно 200
наборов мер в виде пластин и призм для поверки реф-
рактометров. С конца 70-х гг. Воронежский завод „Эта-
лон" выпускал небольшими партиями наборы рефрак-
тометрических призм и пластин по документации ВНИ-
ИМ им. Д.И. Менделеева. Эти меры изготавливаются
из трехгранных призм-заготовок, показатели прелом-
ления которых измерялись на гониометре с погрешно-
стью ±1-10'5. Изготовленным таким образом мерам при-
писывают значения показателей преломления и по-
грешность измерения этих призм.
Разработанная во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
система метрологического обеспечения средств изме-
рений показателя преломления, опирающаяся на раз-
мер единицы, воспроизводимой созданным первич-
ным эталоном, позволила создать систему метрологи-
ческого обслуживания рефрактометров для твердых
и жидких веществ и установить единство измерений
в области рефрактометрии, а также способствовала
дальнейшему совершенствованию приборного парка
страны.
В настоящее время парк рефрактометров в нашей
стране приближается к 100000. В сферу действия толь-
ко одного РосТеста г. Москвы попадает около 20000
приборов.
В обращении находятся более десяти типов уни-
версальных рефрактометров (ИРФ-22, ИРФ-23, ИРФ-
25, ИРФ-451, ИРФ-457, ИРФ-463, ИРФ-467, РЛУ, РДУ
и др.) и ряд специализированных рефрактометров
(РЛ, РЛ-2, РПЛ 2, РПЛ-3, РПП, РМ, РЖ и др.), кото-
рые эксплуатируются в отраслевых лабораториях пи-
щевой, нефтехимической и других отраслей промыш-
ленности, а также научно-исследовательских инсти-
тутах, нуждающихся в высокоточных рефрактометрах
для технического анализа. Рефрактометрическими
датчиками типов РАЖ, РАН, ДРП для контроля за пра-
вильностью технологических процессов оснащены
автоматические линии на предприятиях химической,
нефтяной и пищевой промышленности.
Разработаны и внедрены в промышленность ряд
высокочувствительных дифференциальных автома-
тических рефрактометров типов РИ-01, РИ-02, РИ-03,
РП-1В, РЛ-2.
646
Разнообразие моделей рефрактометров, важность
и перспективность рефрактометрических измерений
обусловили необходимость установления единства из-
мерений в области рефрактометрии.
Массовость этих приборов и принадлежность их
к различным ведомствам потребовали осуществления
их метрологического обеспечения в общегосударст-
венном масштабе в рамках государственной метроло-
гической службы.
Сложившееся положение сделало необходимым и
своевременным разработку в середине 80-х гг. государ-
ственного первичного эталона и поверочной схемы
для средств измерений показателя преломления твер-
дых и жидких веществ во главе с первичным этало-
ном и централизацию ее высшего звена. Современное
состояние государственной системы обеспечения
единства измерений в области рефрактометрии изло-
жено в рекомендации МИ 2129-91.
Разработанная поверочная схема имеет трехсту-
пенчатую структуру, включающую эталоны и рабочие
приборы. Во главе поверочной схемы находится раз-
работанный ВНИИМ им. Д.И. Менделеева государст-
венный первичный эталон единицы показателя пре-
ломления, воспроизводящий единицу в диапазоне
1,47-1,94 для видимой области спектра со средним
квадратическим отклонением результата измерений,
не превышающим 1-10“при 15-ти независимых наблю-
дениях. Неисключенная систематическая погреш-
ность не превышает 2-10*6.
От первичного эталона методом косвенных изме-
рений получают размер единицы рабочие эталоны,
представляющие собой наборы мер показателя пре-
ломления (плоскопараллельные пластинки из стекол
различных марок) в интервале от 1,47 до 1,94. Рабо-
чие эталоны имеют погрешность сличения с первич-
ным эталоном не более 2• Ю-6. В функцию рабочего эта-
лона, помимо передачи размера единицы эталонным
средствам измерений низших разрядов, входит так-
же непосредственная передача размера единицы вы-
сокоточным рабочим приборам, погрешность кото-
рых составляет (1-2)- 10 s.
В качестве эталонов низших разрядов применяют
наборы мер показателей преломления — наборы реф-
рактометрических пластин и призм в диапазоне
1,25-1,94, а также наборы рефрактометрических
клиньев с диапазоном эффективных значений разно-
сти показателей преломления 2-10’-2-10’и рефракто-
метры с диапазоном измерений 1,33-1,64.
Набор пластин получает размер единицы от рабо-
чего эталона непосредственным сличением на рефрак-
тометре-компараторе. Погрешность поверки составля-
ет 2-10'5. Эффективный показатель преломления призм
определяется расчетным путем, для чего, помимо оп-
ределения показателя преломления при помощи реф-
рактометра-компаратора, измеряют наименьший угол
призмы на гониометре.
Это приводит к погрешности поверки призм до
2,5-10 5.
Эффективное значение разности показателей пре-
ломления наборов клиньев также определяют расчет-
ным путем, используя при вычислениях значение угла
клина, измеренного на гониометре методом много-
кратных отражений. Погрешность поверки находит-
ся в пределах 2,5-10'7-1,5-10\
В качестве эталонных рефрактометров применяют-
ся погружные рефрактометры типа ИРФ-451 (ИРФ-1),
поверенные методом прямых измерений с погрешно-
стью 2-105 при помощи рабочих эталонов.
Рефрактометрам с погрешностью измерений от
6-105 до 3-10’ размер единицы передают эталонные ме-
ры — наборы рефрактометрических пластин и призм.
Рефрактометры для измерения разности показа-
телей преломления с погрешностью измерений в пре-
делах (0,5-6) % сличаются с эталонными рефракто-
метрами при помощи рефрактометрических жидко-
стей. Эти рефрактометры могут быть поверены при
помощи эталонных наборов мер разности показате-
лей преломления — наборов рефрактометрических
клиньев.
В разрабатываемых и намеченных к разработке в
ближайшие 5-10 лет высокоточных рефрактометрах
предполагается сохранить пределы измерений, но в
1,5-2 раза уменьшить погрешности измерений, сле-
довательно, существующая поверочная схема обеспе-
чит поверку и этих приборов.
Применение компаратора для сличения мер пока-
зателя преломления в виде рефрактометрических пла-
стин и призм с рабочим эталоном делает процесс по-
верки этих мер достаточно производительным, что
позволяет полностью обеспечить их первичную и пе-
риодическую поверку.
Показатель преломления вещества определяется
его природой, но зависит от внешних условий: темпе-
ратуры, давления и длины волны света. Вместо дли-
ны волны часто употребляемых спектральных линий
обычно указывают их буквенные обозначения.
Так, например, указывают показатели преломле-
ния при 20 °C для линии D натрия (5893 А) и линий С
и F водорода (6563 А и 4861 А).
Дисперсией света, или рефракционной дисперси-
ей, называют зависимость показателя преломления от
длины волны. В качестве меры дисперсии часто упот-
ребляется разность показателей преломления для
двух длин волн, называемая частной дисперсией.
Частная дисперсия для спектральных линий С и
F, охватывающая среднюю часть видимого спектра,
называется средней дисперсией.
Важной характеристикой оптических стекол слу-
жит число Аббе или коэффициент дисперсии. Родст-
венной константой является относительная диспер-
сия. Разность удельных рефракций для двух длин волн
называется удельной дисперсией. В органической хи-
мии в качестве меры дисперсии используется молеку-
лярная дисперсия.
Влияние температуры и давления на показатель
преломления определяется двумя факторами:
1) изменением числа частиц в единице объема при
нагревании или сжатии (т.е. коэффициентами терми-
ческого расширения и сжимаемости);
2) зависимостью поляризуемости молекул от тем-
пературы и давления. Второй из этих факторов обыч-
но становится существенным лишь при очень высо-
ких давлениях и в широких диапазонах темпера тур.
Зависимость показателя преломления от внешне-
го давления связана с коэффициентом сжимаемости.
У жидкостей и твердых тел, сжимаемость которых ма-
ла, колебания атмосферного давления незначитель-
но отражаются на результатах измерения показателя
647
преломления. Для газов, напротив, влияние давления
так же велико, как и температуры, и обязательно учи-
тывается при измерениях показателя преломления.
Обработку результатов измерений показателей пре-
ломления с учетом влияющих величин выполняют в со-
ответствии с требованиями ГОСТ 8.207 „Прямые изме-
рения с многократными наблюдениями. Методы обра-
ботки результатов наблюдений1'. Для выражения
погрешностей эталонов пользуются ГОСТ 8.381 „Эта-
лоны. Способы выражения погрешностей'1. При этом
определяют неисключенную систематическую погреш-
ность, случайную погрешность, нестабильность этало-
на. Оценку нестабильности первичного эталона, вызы-
ваемую влиянием старения его отдельных элементов
находят на основании исследований эталона во време-
ни, а также по результатам международных сличений.
Дальнейшее совершенствование работ в области
рефрактометрии должно быть направлено на уменьше-
ние погрешностей воспроизведения единицы показа-
теля преломления и расширение диапазона измерений
в ИК-область спектра. Анализ составляющих случайной
погрешности воспроизведения единицы показателя
преломления показал, что СКО можно снизить до
0,5-104’ и сузить границы НСП воспроизведения едини-
цы до ПО"6. Указанные значения погрешностей явля-
ются предельными, ибо влияние группы факторов, обу-
словленных структурой стекла и несовершенством тех-
нологии его производства, ограничивает точность
измерения показателя преломления в заготовках сте-
кол, размеры которых равны размерам используемой
меры до значения, определяемого погрешностью L107.
Это же относится и к жидкостям ввиду их нестабиль-
ности и неоднородности. Развитие ИК-рефрактомет-
рии требует в ближайшее время метрологического
обеспечения в этой области спектра.
Рефрактометрия как вид измерения получила бы
логическое завершение при осуществлении мер по
метрологическому обеспечению интерференцион-
ных рефрактометров для измерения показателей пре-
ломления газов. Это позволило бы измерять абсолют-
ные значения показателя преломления вещества в
трех его агрегатных состояниях. К настоящему вре-
мени во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева разработан ме-
тод и создана аппаратура для измерения абсолютно-
го значения показателя преломления чистых газов с
погрешностью примерно 1- 10 н. По своему научно-тех-
ническо му уровню созданная аппаратура превосходит
известные лазерные рефрактометры ведущих нацио-
нальных метрологических лабораторий мира. Про-
мышленный образец созданного рефрактометра вне-
дрен на 15-ти ведущих заводах РФ по выпуску чистых
газов и газовых смесей.
С помощью созданной аппаратуры были проведе-
ны абсолютные измерения плотности воздушной сме-
си с погрешностью примерно 1-10’5ед. плотности.
Проведенные исследования могут быть положены в
основу создания единого эталона плотности и давле-
ния и позволят повысить точность передачи размера
единицы массы путем введения поправки на влияние
аэростатической силы, различной для эталонной и по-
веряемой гирь, т.к. они, обычно, изготавливаются из
различных материалов и имеют различные объемы.
А.С. Найденов
648
Государственный первичный эталон единицы
показателя преломления
твердых тел
Принцип действия
В государственном первичном эталоне единицы
показателя преломления для воспроизведения едини-
цы и передачи ее размера использован интерферен-
ционный метод определения показателя преломле-
ния, заключающийся в вычислении показателя пре-
ломления из условий интерференции для
интерферометра Фабри-Перо с используемой мерой
и без нее:
J /ftf = 2(A-rf)+2rfnc
|^=2Л
где М , N — порядки интерференции с мерой и
без нее; h — расстояние между зеркалами интерфе-
рометра Фабри-Перо; d — высота меры; Л — длина
волны излучения; пс — показатель преломления ис-
следуемой меры.
Совместное решение этой системы уравнений без
учета влияния внешних условий дает упрошенную
формулу для нахождения показателя преломления ме-
ры:
_ jM-N)+2d
2d
Применение пьезомодуляционного метода изме-
рения разности хода интерферирующих пучков в ин-
терферометре Фабри-Перо без исследуемой меры, а
затем с мерой позволяет вычислить показатель пре-
ломления меры с учетом внешних условий по форму-
ле:
_я,-Д<-<о), 5COSi f М - 1 и1~ио
п” 2rf'°[l+4-«0)]|_ с ‘ U2-Uo[
1^(1+^-<0))
где пс н — показатель преломления меры при 20 °C,
измеренный на гониометре; па — показатель прелом-
ления воздуха в условиях измерения; я“ —показатель
преломления воздуха при нормальных условиях; —
длина волны излучения в условиях измерения; —
длина волны излучения при нормальных условиях;
d‘o — высота меры при 20 °C; а — температурный ко-
эффициент линейного расширения меры; /3 — тем-
пературное изменение показателя преломления; 1/0
— минимальное напряжение на пьезокерамическом
элементе, при котором порядок интерференции без
меры становится равным целому числу; Ц — напря-
жение на пьезокерамическом элементе, при котором
порядок интерференции с мерой становится равным
целому числу; 1Л, — напряжение на пьезокерамиче-
ском элементе, при котором число порядков интер-
ференции без меры возрастает на единицу; i — угол
падения излучения на меру.
Разработке средств измерений, входящих в состав
эталона, предшествовали экспериментальные иссле-
дования интерференционных методов измерения по-
казателя преломления, проводившиеся в период с
1973 г. по 1978 г. [1,2,3].
При создании фотоприемного регистрирующего
устройства эталона использовали пьезомодуляцион-
ный метод фотоэлектрического определения макси-
мумов интерференции, основанный на регистрации
момента исчезновения первой гармоники электриче-
ского сигнала [4].
Состав и основные характеристики
В состав эталона входят:
— интерференционная установка УМ-1 для воспро-
изведения и хранения единицы показателя прелом-
ления и передачи ее размера;
— набор мер показателя преломления МПП-1
(плоскопараллельные пластины для контроля ста-
бильности эталона).
Интерференционная установка состоит из опти-
ческой и приемно-регистрирующей частей. Оптиче-
ская схема и блок-схема приемно-регистрирующей
части представлены на рис. 1.
Поток излучения (рис. 1) от источника излучения,
пройдя конденсорную систему и светофильтр, проек-
тируются на диафрагму, расположенную в фокальной
плоскости объектива. Из объектива параллельный пу-
чок при помощи пентапризмы направляется в интер-
ферометр Фабри-Перо, конструкция которого позво-
ляет вводить в поток излучения исследуемую меру, и
далее объективом фокусируется на катод фотоприем-
ника. Нижнее зеркало интерферометра Фабри-Перо,
укрепленное на пьезокерамическом элементе, позво-
ляет осуществлять плавное изменение разности хода
и ее модуляцию за счет подачи на пьезокерамический
элемент постоянного и переменного синусоидально-
го напряжения от последовательно соединенных ис-
точников питания. В качестве источника постоянно-
================ 649 — - .- - -
го напряжения применен блок питания В5-10, а пере-
менного — ГЗ-18.
В интерференционной установке предусмотрена
возможность освещения интерферометра Фабри-Пе-
ро гелий-неоновым лазером, для чего лазерное излу-
чение, пройдя телескопическую систему, попадает на
поворотную призму и далее на пентапризму. Для юс-
тировки интерферометра Фабри-Перо применен ав-
токоллиматор с выводной пентапризмой.
Переменный сигнал от фотоприемника, пройдя
предусилитель, поступает на вход избирательного уси-
лителя типаУ2-6, настроенного на частоту модуляции,
и далее на преобразователь (синхронный детектор)
типа В9-2. На вход преобразователя в качестве опор-
ного поступает сигнал от звукового генератора типа
ГЗ-18.
При определенных напряжениях на пьзокерами-
ческом элементе, соответствующих разности хода ин-
терферометра Фабри-Перо, равной четному числу по-
луволн, имеет место исчезновение первой гармони-
ки электрического сигнала.
В качестве источников света используются спек-
тральные лампы с изотопом ртути 198 (0,546 мкм), с
изотопом кадмия 114 (0,508 мкм, 0,480 мкм, 0,468 мкм)
и стабилизированный гелий-неоновый лазер типа Л Г-
77 (0,633 мкм).
Проведенные теоретические и эксперименталь-
ные исследования позволяют сделать вывод о том, что
метрологические характеристики эталона удовлетво-
ряют требованиям мировой практики и промышлен-
ности.
Диапазон воспроизведения единицы
1,47-1,94
Спектральный диапазон воспроизведения едини-
цы, мкм 0,467-0,633
Среднее квадратическое отклонение результата
измерений l-10J’
Границы неисключенной систематической по-
грешности 2-10 е
Предыстория создания
Государственный первичный эталон единицы по-
казателя преломления для твердых тел был создан в
лаборатории угловых и оптических измерений ВНИ-
ИМ им. Д.И. Менделеева в период с 1979 г. по 1983 г.
Первые шаги в метрологии рефрактометрических
измерений в стране были сделаны в 60-е гг. XX в. во
ВНИИМС при разработке наборов образцовых пла-
стин и призм для поверки рефрактометров.
Вскоре, в связи изменением профиля деятельности
института, работы в области рефрактометрических из-
мерений во ВНИИМС были прекращены и, поскольку
во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева традиционно велись
работы в области оптических и светотехнических из-
мерений, стали развиваться работы по измерению по-
казателя преломления в том числе.
В течение 70-х гг. Е.А. Волковой и сотрудниками ее
лаборатории были заложены основы метрологическо-
го обеспечения рефрактометрии как вида измерения.
В частности, А.Л. Эциной был разработан метод аб-
солютных измерений показателя преломления твер-
дых тел, положенный в основу созданного государст-
венного первичного эталона единицы показателя пре-
ломления твердых тел.
Л.В. Налбандовым и И.С. Сорокиной разработан
метод компарирования мер показателя преломления
по разности углов полного внутреннего отражения,
положенный в основу созданного рефрактометра-ком-
паратора для передачи размера единицы от рабочего
эталона к эталонным средствам измерений низших
разрядов. Создана документация на эталонные набо-
ры мер показателей преломления, серийное произ-
водство которых освоил завод „Эталон". Разработан
ряд стандартов, регламентирующих технические тре-
бования к методам и средствам поверки лаборатор-
ных и промышленных рефрактометров. Таким обра-
зом, была подготовлена база для создания государст-
венного первичного эталона и государственной
поверочной схемы для средств измерений показате-
ля преломления.
Работы по созданию государственного первично-
го эталона единицы показателя преломления были за-
вершены в марте 1983 г., а в декабре того же года при-
казом Госстандарта рефрактометрия как вид измере-
ния была передана во ВНИИОФИ.
В целях сохранения преемственности в метроло-
гическом обеспечении рефрактометрии на совеща-
нии специалистов ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и
ВНИИОФИ было рещено продолжить во ВНИИМе
работы по рефрактометрии до создания во ВНИИО-
ФИ своего эталона.
Работа по созданию эталона единицы показателя
преломления во ВНИИОФИ была завершена в декаб-
ре 1990 г. Принимая эталон, межведомственная ко-
миссия отметила, что эталон, созданный во ВНИИО-
ФИ не заменил эталон ВНИИМ, а лишь дополнил его,
т.к. он воспроизводит единицу показателя преломле-
ния для жидкостей, поэтому в своем заключении ко-
миссия рекомендовала провести сличения обоих эта-
лонов и утвердить новый Государственный первич-
ный эталон единицы показателя преломления, в
состав которого входили бы эталон ВНИИМ для твер-
дых тел и эталон ВНИИОФИ для жидкостей. В соот-
ветствии с рекомендацией комиссии директорами
ВНИИМ и ВНИИОФИ был утвержден паспорт тако-
го объединенного эталона.
Государственный первичный групповой эталон
единицы показателя преломления утвержден Госстан-
дартом 4.04.91 г. Ему присвоен номер по госреестру
ГЭТ 138-90.
Состав группового эталон:
— интерференционная установка для воспроизве-
дения и хранения единицы показателя преломления
твердых сред;
— интерференционная установка для воспроизве-
дения и хранения единицы показателя преломления
жидких сред;
— интерференционная установка для измерения
показателя преломления воздуха;
— программное обеспечение.
Метрологические характеристики группового
эталона:
— Диапазон значений показателя преломления, в
котором воспроизводится единица для твердых тел
1,4-2,0
— Диапазон значений показателя преломления, в
котором воспроизводится единица для жидкостей
1,0-4,0
21* Зак 450
650
1 нс. 1. Оптическая схема интерференционной установки для воспроизведения и храпения единицы показателя преломления
Упрощенная формула для вычисления показателя преломления
2rf(n-l)= Х^-ЛГ,)
п — показатель преломления исследуемой пластины; d - толщина исследуемой пластины; Л —длина волны излучения; N2-Nt - разность порядков
интерференции
651
- Эталон обеспечивает воспроизведение единицы
со средним квадратическим отклонением результата
измерений, не превышающим 110'6при 15-ти незави-
симых наблюдениях для твердых тел и 1 10 ’при 50-
ти независимых наблюдениях для жидкостей.
— Неисключенная систематическая погрешность
не превышает З Ю'6 для твердых тел и 2-10'7для жид-
костей.
Назначение и область применения
Метрологическое обеспечение средств измерений
показателя преломления является важной и актуаль-
ной задачей, в решении которой заинтересованы ряд
областей науки и отраслей промышленности: физи-
ка, химия, биохимия, медицина, минералогия, геофи-
зика, а также оптико-механическая, стекловаренная,
химическая, нефтехимическая, пищевая, фармацев-
тическая промышленности.
В соответствии с Государственной поверочной схе-
мой для средств измерений показателя преломления
твердых и жидких прозрачных веществ (МН 2129-91)
размер единицы показателя преломления передает-
ся эталонам низших разрядов и рабочим средствам из-
мерений, парк которых только по измерению показа-
теля преломления твердых тел составляет более
100 тыс., а число поверок около 100 в год.
Рефрактометрические измерения позволяют ре-
шать следующие вопросы и проводить исследования,
связанные: с получением ориентированных жидких
кристаллов и определением свободных носителей в
полупроводниках, с производством продуктов нефте-
химии, в частности, ароматических углеводородов,
индустриальных масел селективной очистки, с рас-
пределением состава, структуры и кинетической под-
вижности макромолекул, с производством пищевых
продуктов, а также продуктов сельского хозяйства, с
определением предельно малых концентраций при-
месей, внутренней структуры веществ, структуры
энергетических уровней, силы осциллятора, эффек-
тивных сечений соударений, оптической активности,
оптических констант органических и неорганических
веществ, кинетики взаимодействия биологических ве-
ществ, с проведением медико-биологических анали-
зов в медицине, с процессами разделения биологиче-
ских сред на синтетических мембранах, с контролем
ИДК в обеспечении охраны труда и техники безопас-
ности, экологические исследования, с контролем об-
разования и производства стекол, новых синтетиче-
ских материалов и т.д.
Данные о показателе преломления, полученные на
государственном эталоне, могут быть использованы
при производстве стекол для иллюминаторов косми-
ческих и глубоководных аппаратов при проведении
фотосъемки.
Основные научные результаты
В рефрактометрии твердых тел уровень точности,
достигнутый при создании эталона, составляет 1- 10ь,
и как показали исследования, приближается к пре-
дельным, т.к. влияние группы факторов, обусловлен-
ных структурой стекла и несовершенством техноло-
гии его производства, не позволяет измерять показа-
тель преломления заготовки стекла, равным размерам
меры с погрешностью ниже 1 • 10'7. В связи с этим про-
водящиеся исследования направлены на минимиза-
цию факторов, влияющих на СКО результата измере-
ний. Кроме того, развитие ИК-рефрактометрии по-
требует в ближайшее время метрологического
обеспечения в этой области измерений. В настоящее
время проводится модернизация существующего эта-
лона для использования его с этой целью.
Уникальность и преимущества
Существующий государственный первичный эта-
лон единицы показателя преломления твердых тел
представляет уникальный комплекс, основанный на
методе, позволяющем достичь наивысшей точности,
что подтверждается сравнением его с эталонными ус-
тановками ведущих метрологических лабораторий
мира.
Возможная потеря эталона нарушит жизнедея-
тельность и обороноспособность страны.
Литература:
1. Отчет по НИР „Разработка эталонного метода опре-
деления показателя преломления твердых и жидких веществ
в видимой области спектра и методы поверки рефрактомет-
ров для измерения показателя преломления твердых тел с
погрешностью 1105“, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, 1975 г.
(тема НХП 018.132 п. „Д“).
2. Отчет по НИР „Создание образцового рефрактомет-
ра для аттестации мер по показателю преломления в види-
мой области спектра с погрешностью 110в“, ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева, 1978 г. (тема 01.02.11.19).
3. ЭцинаА.Л. Разработка и исследование образцовых
средств измерения показателя преломления твердых тел /
/ Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., 1980.
4. Эцин И.Ш. Модуляционный метод измерения малых
изменений разности фаз в интерференционных устройст-
вах // Труды метрологических институтов СССР. — 1975. —
Вып. 144(204). -С. 14.
А. С. Найденов
652
Государственный специальный эталон единиц
координат цвета и координат цветности
Создан во ВНИИОФИ (1985-1989 гг.), утвержден Постановлением Госстандарта СССР в 1990 г.
В составе эталона:
— спектроколориметрическая установка единиц координат цвета несамосветящихся объектов;
— эталонный спектрорадиометр единиц координат цветности самосветящихся объектов;
— эталонный набор мер цвета непрерывного оптического излучения;
— эталонный набор образцов (переменный по своему составу) несамосветящихся объектов для
передачи размера единиц;
— система регистрации и обработки информации.
Несамосветящиеся объекты
В качестве рабочих средств измерений применяют:
— колориметры, в том числе визуальные;
Метрологические характеристики
Диапазон измерений координат цвета
отражающих и прозрачных образцов
Случайная погрешность, S:
прозрачные образцы
отражающие образцы
Систематическая погрешность:
прозрачные образцы
тражающие образцы
Диапазон измерений координат цветности
— компараторы цвета;
— белизномеры муки, бумаги, сахара и т. д.;
— наборы прозрачных и отражающих образцов цвета;
— атласы цветов, синие и серые шкалы, в том числе для оценки закрашивания материалов, и
другие спецшкалы.
Х=2,5-109,0
Y=l,4-98,0
Z-1,7-118,1
Sx=Sy=Sz=0>01
S=S=S =0,015
* У л
0,05-0,08
0,15-0,20
отражающих и прозрачных образцов х=0,0039-0,7347
у=0,0048-0,8338
Случайная погрешность 0,0025 при х, у < 0,1
0,00025 при х, у > 0,1
Систематическая погрешность 0,005 при х, у < 0,1
0,0005 при х, у > 0,1
Самосветящиеся объекты
В качестве средств измерений применяют:
— колориметры в диапазонах измерений х=0,004-0,734 и у=0,005-0,834;
— телевизионные колориметры в диапазонах измерений х=0,1-0,7 и у=0,05-0,70 при яркости от
10 до 1000 кд/м2;
— источники А, В, С, D65;
— излучатели, в том числе люминесцентные.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений координат цветности х=0,0039-0,7347
у=0,0048-0,8338
Случайная погрешность, S S =0,0004
SX=0,0006
Систематическая погрешность 0,000^-0,0010
0,0005-0,0015
Область применения
— Электротехника
— Электроника
— Цветное кино и телевидение
— Производство красок, материалов, тканей
— Пищевая промышленность
— Фармацевтика
— Разведка полезных ископаемых
653
Государственный специальный эталон единицы
спектральной плотности энергетической
яркости оптического излучения в диапазоне
длин волн 0,04-0,25 мкм
Создан во ВНИИОФИ (J981-1984 гг.), утвержден Постановлением Госстандарта СССР в
1985 г.
Эталон применяют для передачи размеров единиц рабочим эталонам спектральной
плотности энергетической яркости непрерывного оптического излучения и рабочим
эталонам импульсного оптического излучения непосредственным сличением. В качестве
рабочих средств измерений применяют комплексы, состоящие из излучателей (водородные
и дейтериевые лампы) для непрерывного оптического излучения, и комплексы, состоящие
из излучателей (источники лаймановского континуума) для импульсного оптического
излучения.
В сос гаве эталона:
— источник синхротронного излучения в виде циклического электронного ускорителя с
ускорением в поле волны типа НП1 циклического резонатора;
— измеритель максимальной энергии электронов;
— измеритель частоты ускоряющего поля;
— компаратор.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений, Вт/(ср-м3)
Случайная погрешность
Систематическая погрешность
Область применения
— Охрана окружающей среды, озонометрия
— Медицина
— Космические исследования
— Полш рафия
— Испытания продукции на светостойкость
ЫОМ-Ю15
1,9-10’2--2,7-10'2
1,б-10'2-2.0-10й
654
Государственный первичный эталон единиц
спектральной плотности энергетической
яркости (СП ЭЯ), спектральной плотности силы
излучения (СПСИ) и спектральной плотности
энергетической освещенности (СПЭО) в
диапазоне длин волн 0,25-25,0 мкм; силы
излучения (СИ) и энергетической освещен-
ности (ЭО) в диапазоне длин волн 0,2-25,0 мкм
Создан во ВНИИОФИ в 1989 г., утвержден Постановлением Госстандарта СССР в 1989 г.
Размеры единиц СИЭЯ, СПСИ И СПЭО в диапазоне длин волн 0,25-25,0 мкм и СИ и ЭО в диапазоне длин
волн 0,2-25,0 мкм передаются вторичным эталонам непосредственным сличением.
В качестве рабочих средств измерения:
— СП ЭЯ. CI1СИ И (ЗПЭО применяют из луча те л и (лампы ленточные, полостные, галогенные и дейтериевые)
в диапазоне 0,25-25,0 мкм; излучатели (модели черного тела) в диапазоне 10-25 мкм;
— СПСИ и СПЭО малых уровней применяют излучатели (лампы накаливания, светоизлучающие диоды и
радиолюминсцентные излучатели) в диапазоне 0,32-1,2 мкм и фотометры;
— ЭО солнечным излучением применяют актинометры и балансомеры в диапзоне 0,3-10,0 мкм, пиранометры
и альбедометры в диапазоне 0,3-2,4 мкм;
— СИ и ЭО в диапзоне 0,2-25,0 мкм применяют лампы светоизмерительные с изменением излучения;
— ЭО малых уровней применяют приемники излучения в диапазоне 0,35-] ,0 мкм.
В составе эталона:
— абсолютный радиометр с системой термостабилизации;
— излучатели (высокотемпературные и низкотемпературные модели черного тела);
— система автоматического регулирования температуры излучателя;
— система измерения температуры излучателя;
— компаратор;
— система регистрации и обработки информации.
Метрологические характеристики
Диапазон измерений
СПЭЯ, Вт/срм3
СПСИ. В/(ср м)
СПЭО. Вт/м3
Случайная погрешность
Систематическая погрешность
Диапазон измерений
СИ, Вт/ср
ЭО, Вт/м2
Случайная погрешность
Систематическая погрешность
Область применения
— Светотехника
— Охрана окружающей среды
— Контроль качества продукции
— Астроориентация, астронавигация, астрокоррекция
— Измерение параметров целей в ночных условиях
— Приборы на научных исследований
— Металлургия
— Фармацевтическая промышленность
— Сельское хозяйство
— Здравоохранение
ПОМ] О12
1-10-1-10»
1-10-1 -10»
6-КГ-МО2
(0,09—1,37)-102
10-100
10-2000
1103
1 103
..... ... ---- 655 ....... --
Государственный специальный эталон единицы
мощности импульсного лазерного излучения в
диапазоне длин волн 0,4-10,6 мкм
140М
1,540*
2,0 102-3,5 10‘2
Создан во ВНИИОФИ (1981-1985 гг.), утвержден Постановлением Госстандарта СССР
в 1985 г
В составе эталона:
— стабилизированные лазеры с длиной волны 0,50; 0,63; 0,85; 1,06; 10,60 мкм;
— система модуляции;
— система контроля и регистрации;
— система обработки информации;
— фотоприемное устройство с системой регистрации (компаратор).
Метрологические характеристики
Диапазон измерения, Вт
Случайная погрешность
Систематическая погрешность
Область применения
— Военная техника
— Кос мические исследования
— Системы безопасности движения
— Научное приборостроение
— Электроника
— Средства связи
— Экологический мониторинг
— Медицина и здравоохранение
— Технологические процессы
656 ==================
Государственный специальный эталон единицы
потока импульсного оптического излучения в
диапазоне длин волн 0,8-1,0 мкм
Создан во ВНИИОФИ (1981-1985 гг), утвержден Постановлением Госстан-
дарта СССР в 1985 г.
В составе эталона:
— высокоточный источник непрерывного излучения;
— электронно-оптическая система сравнения;
— источник импульсного излучения;
— система питания, регистрации и обработки информации;
— компаратор (фотометр сравнения).
Метрологические характеристики Диапазон измерений, Вт Случайная погрешность Систематическая погрешность Область применения — Физика твердого тела — Физическая электроника — Физика полупроводников — Медицина и здравоохранение ЫО’-l 10! 11О'* 2 -КГ2
— Охрана и мониторинг окружающей среды
— Машиностроение
— Авиационно-космическая промышленность
— Электронная промышленность
— Приборостроение
657
Радиометрия
Историческая справка
Инфракрасная область электромагнитного спек-
тра, лежащая между видимым диапазоном и диапазо-
ном СВЧ—в интервале длин волн 0,75-1000 мкм, пред-
ставляет собой большой интерес как с научной, так и
практической точек зрения. Это объясняется, во-пер-
вых, тем, что молекулярные спектры большинства ве-
ществ находятся в инфракрасной области электромаг-
нитного излучения, и это делает инфракрасную спек-
троскопию мощным инструментом исследований,
во-вторых, тем, что основная доля теплового излуче-
ния окружающих нас тел приходится на инфракрас-
ный диапазон, что позволяет широко использовать его
при изучении переноса тепла в ряде практических за-
дач. Измерение энергии и мощности теплового излу-
чения в дальнейшем получило название радиометрии
инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи были
открыты Уильямом Гершелем в 1800 г. На протяжении
XIX в. шло исследование этой области спектра. С на-
чала XX в. с появлением чувствительных приемников
для обнаружения и измерения инфракрасного излуче-
ния усиливается интерес к применению инфракрас-
ных приборов для решения практических проблем.
Развивается инфракрасная спектроскопия — инстру-
мент исследования взаимодействия излучения с веще-
ствами и идентификации различных химических со-
единений, которая превратилась в самостоятельную
область науки и в данной статье не рассматривается.
Разрабатывается прецизионная радиометрия, созда-
ются приборы для радиометрического измерения тем-
пературы звезд и планет, для измерения солнечной по-
стоянной, для военных целей и т.д.
Настоящее свое развитие инфракрасная техника
получила в 30-40х гг. двадцатого столетия с появле-
нием высокочувствительных приемников инфракрас-
ного излучения и устройств, преобразующих инфра-
красное изображение в видимое, что существенно рас-
ширило границы использования инфракрасного
излучения [1-6].
Повышение требований к точности энергетиче-
ских исследований излучения Солнца, теплового со-
стояния Земли и космических тел, теплового баланса
человека в условиях космоса и др. привело к тому, что
проблема надежности радиационных измерений ста-
ла проблемой метрологии [7].
В Национальной физической лаборатории Вели-
кобритании Дж. Гилдом с помощью созданного им аб-
солютного приемника было проведено косвенное
сравнение радиационных шкал, принятых Нацио-
нальным бюро стандартов США и Национальной фи-
зической лабораторией. В 1956 г. Международная ко-
миссия по радиации ввела Международную пиргелио-
метрическую шкалу. В Канаде Бедфордом был создан
низкотемпературный эталон интегральной радиации
в виде модели абсолютно черного тела [4].
В Советском Союзе работы по созданию образцо-
вых средств измерений в области актинометрии и ра-
диометрии были начаты А.Н. Бойко в 1935 г. во Все-
союзном научно-исследовательском институте метро-
логии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ). Одновременно
в Государственном оптическом институте были сдела-
ны первые шаги по разработке высокочувствитель-
ных приемников инфракрасного излучения [8]. К
1950 г. А.Н. Бойко создал образцовый абсолютный ра-
диометр, основанный на методе замещения, и осуще-
ствил первые международные сличения.
Работами А.Н. Бойко были заложены основы для
воспроизведения в Советском Союзе радиационной
шкалы на базе абсолютного приемника. Это направ-
ление было затем продолжено В.Е. Карташевской.
В начале 60-х гг. А.М. Броунштейн (Главная геофи-
зическая обсерватория в Ленинграде), Г.Ф. Ситник
(Институт им. П.К. Штернберга), И.И. Киренков
(ВНИИМ) создают ряд высокоточных источников в
виде модели абсолютно черного тела [7].
По мере развития инфракрасной техники увели-
чивается число предприятий и организаций, приме-
няющих для поверки радиометрической аппаратуры,
в том числе приемники излучения, источники в виде
моделей абсолютно черных тел (АЧТ). В большинст-
ве случаев характеристики излучения этих моделей
рассчитывались теоретически и не проверялись экс-
периментально. Разнообразие конструкций АЧТ, раз-
личные условия их эксплуатации и др. приводили к
несопоставимым результатам измерений и увеличе-
нию расходов, связанных с дополнительными доро-
гостоящими исследованиями. Поэтому встал вопрос
о решении проблемы метрологического обеспечения
быстро развивающейся инфракрасной (ПК) техники.
В 1964 г. под руководством проф. А.Н. Гордова во
ВНИИМ были начаты подготовительные работы по
обеспечению единства измерений энергетических ха-
рактеристик тепловых источников ИК излучения. В
1965 г. была создана лаборатория радиометрии ИК из-
лучения. В период 1965-1990 гт. в лаборатории под ру-
ководством В.В. Бабушкина были созданы эталонные
излучатели, спектрорадиометрическая аппаратура
для исследования приемников ИК излучения, излуча-
тельной способности материалов и ряд других эталон-
ных установок, а также заложены методические осно-
вы метрологического обеспечения измерений харак-
теристик теплового излучения в ИК области спектра.
..... 658 -------- - ......
В результате проведенных работ в 1974 г. был соз-
дан и утвержден Госстандартом первый в СССР госу-
дарственный специальный эталон единицы энергети-
ческой яркости для инфракрасного излучения на ос-
нове фазового перехода олова — реперной точки
Международной температурной шкалы (МТШ), а так-
же государственный стандарт на государственную по-
верочную схему, регламентирующую порядок переда-
чи размера единицы от эталона к рабочим средствам
измерений энергетической яркости тепловых источ-
ников с температурой от 100 до 500 °C.
Начиная с 1969 г. во ВНИИОФИ началось созда-
ние высокотемпературных моделей АЧТ с системой
автоматического регулирования температуры и абсо-
лютных радиометров, включая криогенные радиомет-
ры, на базе которых создан целый ряд эталонов в об-
ласти оптико-физических измерений [9, 10, 11].
В связи с существенным изменением качественно-
го состава рабочих средств измерений, в число кото-
рых, кроме излучателей, вошли приемники и радио-
метры, а также повышением требований к точности
в более широком диапазоне измерений, в 1979 г. был
создан новый государственный специальный эталон
единицы энергетической яркости для инфракрасно-
го излучения и пересмотрен государственный стан-
дарт на поверочную схему [12].
Вновь созданный эталон опирался уже не на одну,
а на три реперные температурные точки, действую-
щие на основе фазовых переходов чистых веществ —
воды, олова и цинка. Таким образом, впервые в СССР
была реализована шкала энергетической яркости по
полному излучению. Поверочная схема была распро-
странена на средства измерений энергетической яр-
кости и силы излучения тепловых источников с тем-
пературой от 220 до 900 К.
В период с 1985 до 1993 гг. с целью обеспечения
единства измерений энергетических характеристик
тепловых источников с температурой от 220 до 1300 К
созданы вторичные эталоны энергетической яркости
и силы излучения. В связи с появлением к началу 80-
х гг. измерительных приборов ИК техники, имеющих
зачастую двойную градуировку: по энергетической яр-
кости и температуре, часть из утвержденных вторич-
ных эталонов являются также вторичными эталона-
ми температуры по инфракрасному излучению [13].
Вторичными эталонами оснащены ведущие пред-
приятия в области изготовления и эксплуатации
средств ИК техники.
К 2000 г. создан новый комплекс эталонной аппа-
ратуры с целью расширения диапазона измерений и
функциональных возможностей государственного
эталона, который угвержден в 2001 г. в качестве госу-
дарственного первичного эталона единицы энергети-
ческой яркости инфракрасного излучения. Новый
эталон включает семь эталонных излучателей в виде
моделей АЧТ при температурах реперных точек Ме-
ждународной температурной шкалы МТШ-90 (трой-
ная точка воды, точка плавления галлия и точки за-
твердевания индия, олова, цинка, алюминия и меди),
что соответствует диапазону энергетической яркости
от 100,39 до 61283 Вт/(ср-м2). Необходимость выпол-
ненных работ была продиктована возросшими совре-
менными требованиями к повышению точности из-
мерений энергетических характеристик излучения в
таких приоритетных областях народного хозяйства,
как энергосбережение, медицина, экология и т.д.
Физические основы измерений,
используемые закономерности, связь с
физическими константами и
стабильными физическими явлениями и
эффектами
Для рассмотрения явлений излучения используют-
ся положения термодинамики, которые являются ос-
новой концепции идеального теплового излучателя.
Существуют излучающие поверхности, характеристи-
ки излучения которых точно определяются, если из-
вестна их температура. Эти поверхности являются ис-
точниками излучения с непрерывным спектром и из-
вестны как идеальные тепловые излучатели, или
абсолютно черные тела, излучательная способность
которых равна единице. Характеристики излучения
АЧТ подчиняются законам Планка, Стефана-Больцма-
на, а также Кирхгофа, Рэлея-Джинса и закону смеще-
ния Вина [1-3].
В основе методов преобразования энергии инфра-
красного излучения в другие виды энергии, которые
можно использовать для измерений, лежат явления,
возникающие при взаимодействии поля излучения с
веществами. При падении на вещество потока излу-
чения определенное количество энергии им поглоща-
ется и вызывает некоторое изменение его состояния,
которое может быть зарегистрировано. Обычно та-
кое изменение пропорционально энергии поля излу-
чения или мощности потока излучения, падающего на
вещество. В этом отношении преобразователи инфра-
красного диапазона аналогичны преобразователям
видимого, оптического диапазона частот и отличны
от радиоприемников, сигналы которых пропорцио-
нальны напряженности поля [1-3].
Основные понятия, термины и
определения, единица физической
величины
Абсолютно черное тело — тело, которое полно-
стью поглощает все падающее на него излучение, его
излучательная способность, называемая коэффициен-
том излучением, равна единице.
Коэффициент излучения — отношение излучатель-
ной способности данной поверхности и идеального
излучателя — абсолютно черного тела.
Поток излучения — мощность, излучаемая поверх-
ностью или падающая на поверхность (Вт).
Поверхностная плотность потока излучения —
мощность, излучаемая единицей поверхности источ-
ника внутри полусферы (Вт/м2).
Энергетическая яркость — мощность, излучаемая
единицей поверхности источника, внутри единицы
телесного угла (Вт/(ср-м2).
Сила излучения — мощность, излучаемая источни-
ком, в единице телесного угла (Вт/ср).
Единицей физической величины, воспроизводи-
мой государственным первичным эталоном единицы
энергетической яркости инфракрасного излучения,
является энергетическая яркость.
——=======—======= 659 - -
Информация о точных методах и
средствах измерения, принцип действия
и классификация
Мощность лучистых потоков в ИК области спек-
тра, как правило, измеряют с помощью радиометров
и спектрорадиометров, специальные устройства ко-
торых позволяют сравнивать сигнал, генерируемый
приемником излучения, при наведении его на объект
исследований, с сигналом, возникающим в нем при
визировании опорного источника излучения, распо-
ложенного в радиометре или вне его.
В зависимости от решаемых задач радиометры гра-
дуируют с помощью протяженных или точечных ис-
точников, в качестве которых, как и в качестве опор-
ных, чаще всего используют модели АЧТ, работающие
либо в определенном диапазоне температуры, либо в
постоянных температурных точках.
Радиометры представляют собой оптико-элек-
тронные приборы, работающие по полному, инте-
гральному излучению, в отличие от спектрорадиомет-
ров, работающих по излучению, как правило, в так на-
зываемых окнах прозрачности атмосферы.
Одним из наиболее важных элементов любой ин-
фракрасной системы является приемник излучения,
параметрами и характеристиками которого во мно-
гом определяется принцип действия и надежность ре-
зультатов измерений, получаемых с помощью систе-
мы.
Области применения, роль измерений
физической величины в науке и
промышленности
Если учесть, что свыше 90 % энергии теплового
излучения приходится на инфракрасную область спек-
тра, то становится понятным, почему приборы ИК
техники нашли самое широкое применение для науч-
ных исследований и решения многих практических
задач радиометрическими методами. Среди них мож-
но указать изучение теплового баланса Земли как пла-
неты, раннюю диагностику опухолевых заболеваний,
оценку состояния окружающей среды, космические
исследования, разведку полезных ископаемых, реше-
ние задач измерения тепловых потерь в рамках при-
оритетной в настоящее время программы „ЭНЕРГО-
СБЕРЕЖЕНИЕ" и многое другое, включая решение
задач оборонного значения. [1-8, 12, 14, 15]
В качестве конкретных примеров применения ИК
техники можно привести следующие.
Как известно, погода по самой своей природе но-
сит глобальный характер и прогноз ее крайне необ-
ходим в целом ряде областей человеческой деятель-
ности. Сюда в первую очередь относятся сельское хо-
зяйство, связь и транспорт. Радиометрические
приборы, устанавливаемые на спутниках — разведчи-
ках погоды — позволяют изучать роль солнечного из-
лучения на погоду, соотношение между тепловым ба-
лансом Земли и климатом, а также долговременное
влияние этих факторов на погоду Земли и т.д. и тем
самым обеспечить долгосрочные прогнозы погоды.
Не менее важную роль играют такие приборы ИК
техники последнего поколения, как тепловизионные.
Они позволяют визуализировать тепловые картины
исследуемых объективов по их собственному излуче-
нию в ИК области спектра и измерять распределение
температуры и энергетической яркости на поверхно-
сти этих объектов. При этом удалось создать аппара-
туру, позволяющую видеть малоразмерные объекты,
температура которых отличается от температуры ок-
ружающей среды на сотые и даже тысячные доли гра-
дуса. [16] Если учесть, что тепловизионные приборы
не оказывают специфических нежелательных воздей-
ствий на объект и обслуживающий персонал в отли-
чие, например, от рентгеновской аппаратуры, то ста-
новится объяснимым их широкое и эффективное ис-
пользование в медицине. В частности, такие приборы
нашли широкое применение для диагностики опухо-
левых заболеваний, заболеваний центральных и пе-
риферических сосудов, а также в области гастроэнте-
рологии, нейрохирургии и т.д. [13]
С помощью сканирующих радиометрических и те-
пловизионных систем, устанавливаемых на околозем-
ных и космических аппаратах, решаются, например,
задачи разведки полезных ископаемых, обнаружения
лесных пожаров, пожаров в условиях чрезвычайных
ситуаций и др.
В последние годы радиометрические методы ста-
ли применяться для целей технического аудита теп-
ловых потерь излучением в тепловых сетях и комму-
никациях, а также в жилых и производственных зда-
ниях и сооружениях в рамках решения упомянутой
проблемы „ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ".
Примеры применения ИК техники, подтверждаю-
щие большую роль измерений энергетических харак-
теристик тепловых источников в ИК области спектра,
в частности, энергетической яркости и силы излуче-
ния, для решения научных и прикладных задач дале-
ко не ограничиваются приведенными.
Система обеспечения единства
измерений (современное состояние)
Основой системы обеспечения единства измере-
ний в области радиометрии ИК излучения является
государственная поверочная схема для средств изме-
рений энергетической яркости и силы излучения те-
пловых источников. Во главе поверочной схемы сто-
ит государственный первичный эталон единицы энер-
гетической яркости инфракрасного излучения [7,12].
Принцип действия эталона основан на воспроизведе-
нии постоянных уровней энергетической яркости эта-
лонными излучателями в виде моделей АЧТ при тем-
пературах фазовых переходов чистых веществ — ре-
перных точек МТШ-90.
Передача размера единицы от государственного
первичного эталона вторичным эталонам осуществ-
ляется с помощью радиометров-компараторов мето-
дом непосредственного сличения энергетической яр-
кости излучателей вторичного и государственного
эталонов. В качестве первичных эталонов использу-
ют излучатели в виде моделей АЧТ с переменной тем-
пературой в диапазоне от минус 50 до плюс 1000 °C.
Размеры единиц энергетической яркости и силы
излучения, величины которых однозначно связаны
между собой, от вторичных эталонов через рабочие
эталоны в соответствии с государственной и локаль-
ными поверочными схемами передаются рабочим
средствам измерений энергетической яркости и си-
лы излучения тепловых источников с температурой
от минус 50 до 1000 °C. В качестве рабочих средств
660
измерений в настоящее время используются излуча-
тели протяженного и полостного типа в виде моде-
лей АЧТ, радиометрические, спектрорадиометриче-
ские и тепловизионные приборы и системы, а также
приемники излучения, включая матричные фотоэлек-
тронные устройства.
Государственный первичный эталон единицы
энергетической яркости инфракрасного излучения
хранится во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Вторичными эталонами оснащены предприятия и
организации, ведущие в области создания и эксплуа-
тации средств ИК техники.
Методы и средства калибровки эталонных излуча-
телей в виде моделей АЧТ с температурой от минус
50 до плюс 2500 °C регламентируются государствен-
ным стандартом РФ (ГОСТ Р 8.566-96).
Энергетическая яркость эталонных излучателей в
виде моделей АЧТ при температуре, фиксированной
фазовыми переходами чистых веществ — реперных
точек МТШ-90, определяется теоретически в соответ-
ствии с законом Стефана-Больцмана из уравнения
к
где е — излучательная способность модели АЧТ;
<7 — постоянная Стефана-Больцмана; у — темпера-
тура фазового перехода чистого вещества.
Погрешность воспроизведения единицы энерге-
тической яркости эталонными излучателями опреде-
ляется погрешностями величин, входящих в уравне-
ние. К систематическим погрешностям относятся по-
грешности определения значения постоянной
Стефана-Больцмана — фундаментальной физической
константы и излучательной способности излучающей
полости — модели АЧТ.
К случайным погрешностям относится погреш-
ность воспроизведения температуры фазового пере-
хода с учетом влияния колебаний атмосферного дав-
ления и температуры окружающей среды.
Расчет показал, что случайная погрешность вос-
произведения единицы энергетической яркости эта-
лонными излучателями, выраженная средним квадра-
тическим отклонением (СКО) результата измерений
не превышает 110'3при неисключенной систематиче-
ской погрешности не более 1-10 3. Суммарная неопре-
деленность эталона не превышает 1,110’3отн.ед.
Погрешность передачи размера единицы, выра-
женная СКО результатов измерений, не превышает
1-1(У’отн.ед. и определяется в основном ограничен-
ным порогом чувствительности радиометров-компа-
раторов.
Калибровка излучателей протяженного и полост-
ного типа осуществляется путем сличения их энерге-
тической яркости с энергетической яркостью излуча-
теля большей точности в соответствии с поверочной
схемой (ГОСТ 8.106) с помощью радиометров-компа-
раторов методом равных сигналов.
Калибровка радиометрических приборов и систем
всех типов, а также приемников и фотоприемных уст-
ройств осуществляется методом прямых измерений
с помощью излучателей в виде моделей АЧТ в соот-
ветствии с государственной поверочной схемой
(ГОСТ 8.106).
Испытания, калибровка и сертификация
средств измерений
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в области радиомет-
рии ИК излучения осуществляет:
— государственную поверку и калибровку излуча-
телей в виде моделей АЧТ, радиометров, тепловизи-
онных приборов и других средств измерения для диа-
пазона температур от минус 50 до 1000 °C всех уров-
ней точности,
— государственные испытания и сертификацию
указанных средств измерений, разрабатываемых в
России и ввозимых из-за рубежа, с целью утвержде-
ния типа и включения его в Государственный реестр
средств измерений,
— разработку и экспертизу нормативно-техниче-
ской документации на методы и средства поверки су-
ществующих и вновь создаваемых средств измерений
энергетической яркости и силы излучения с целью
обеспечения единства измерений в стране, а также
на методы и средства определения энергетических по-
терь излучением в ограждающих конструкциях зда-
ний и сооружений различного назначения в рамках
решения проблемы „ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ".
Динамика и перспектива дальнейшего
развития радиометрии ИК излучения
Как известно, закон Стефана-Больцмана устанав-
ливает зависимость поверхностной плотности пото-
ка, излучаемого моделью АЧТ, с его абсолютной тем-
пературой. В связи с этим следует отметить возрас-
тающую роль радиометрии ИК излучения в последние
годы, что связано с широким применением средств
ИК техники для измерения температуры в области
низких значений и сближением ее с пирометрией в
плане создания новых методов построения темпера-
турной шкалы выше точки серебра. Консультативны-
ми комитетами МКМВ по фотометрии и радиометрии
создана Рабочая группа по построению температур-
ной шкалы на основе законов излучения.
Следствием такого положения явилось то, что не-
которые средства ИК техники имеют двойную градуи-
ровку: по энергетической яркости и радиационной
температуре.
В связи с этим часть вторичных и рабочих этало-
нов в области радиометрии ИК излучения, как уже от-
мечалось, являются эталонами энергетической ярко-
сти и температуры по инфракрасному излучению,
причем диапазон измерения их шире диапазона из-
мерений государственного первичного эталона и со-
ставляет от минус 50 до 1000 °C. Для повышения точ-
ности вторичных эталонов предполагается расши-
рить диапазон государственного эталона путем
введения в его состав эталонного излучателя на осно-
ве тройной точки ртути (-38,8344 °C) для воспроизве-
дения единицы энергетической яркости на уровне
54,4 Вт/(ср-м2).
Широкое применение ИК техники, особенно для
целей экологии, привело к созданию бортовых радио-
метрических и спектрорадиометрических систем по-
вышенной точности с широкими входными зрачками.
Градуировка и калибровка таких систем осуществ-
ляется с помощью протяженных излучателей в виде
моделей АЧТ. Для обеспечения требуемой точности
систем протяженные излучатели должны иметь мет-
661
рологические характеристики, соответствующие
уровню вторичных эталонов государственной пове-
рочной схемы по ГОСТ 8.106.
Создание таких эталонов связано с большими тех-
нологическими трудностями и требуют разработки
новых методов и средств измерения метрологических
характеристик этих эталонов.
Таким образом, дальнейшее развитие и совершен-
ствование системы обеспечения единства измерений
в области радиометрии ИК излучения предполагает
расширение диапазона измерений государственного
первичного эталона единицы энергетической ярко-
сти инфракрасного излучения и создание вторичных
эталонов единицы энергетической яркости в виде
протяженных моделей АЧТ.
Литература:
1. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение
инфракрасного излучения. Перевод с англ. — М.: Изд. Ино-
странная литература, 1959.
2. Круз П., Макглоулин Л., Макквистан Р. Основы инфра-
красной техники. Перевод с англ. — М.: Воениздат, 1964.
3. Кринсунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной
техники. — М.: Сов.радио, 1978. — 400 с.
4. Прецизионные радиационные измерения в метеороло-
гии. Сб.статей под ред. К.Я. Кондратьева и Л.Б. Красильщи-
кова. — Л.: Гидрометеоиздат, 1972.
5. Хадсон Р. Инфракрасные системы. Перевод с англ. — М.:
Мир, 1972.
6. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел.
— М.: Наука, 1964.
7. Бабушкин В.В., Долгих И.И., Либова И.В. Современное
состояние и метрологическое обеспечение радиометрии ин-
фракрасного излучения. Обзорная информация. — М.: ВНИИ-
КИ, 1983, вып. 1.
8. Мирошников М.М. Инфракрасная техника в России /
/ Оптический журнал. — 1992. — № 12. — С. 18.
9. Сачков В.И., Степанов Б.М. Метрологическое обеспе-
чение народного хозяйства в области оптико-физических из-
мерений // Измерительная техника. — 1978. — № 9. — С. 18-
22.
10. Morozova S.P., Lisiansky В.Е., Morozov Р.А, Sapritsky VJ.
// Metrologia. — 1993. — № 30. — P. 369-370.
11. ГОСТ P 8.1558-93 „ГСИ. Государственная поверочная
схема для средств измерений энергетической освещенности
в диапазоне 1-1103Вт/м2в диапазоне длин волн 1-50 мкм“.
12. Бабушкин В.В. и др. Государственный специальный эта-
лон единицы энергетической яркости для инфракрасного из-
лучения // Измерительная техника. — 1981. — № 2. — С. 24-
28.
13. Долгих И.И., Сидорин В.К. Состояние и перспективы
развития эталонной базы в области радиометрии ИК излуче-
ния // Измерительная техника. — 1995. — № 10. — С. 26-29.
14. Сб. Применение тепловидения в медицине, промыш-
ленности и экологии // Тезисы докладов на заседании „Темп-
96“ и „Темп-98. (Оптическое общество им. Д.С. Рождествен-
ского“). - СПб, 1996,1998.
15. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Совре-
менные направления применения ИК радиометров и тепло-
визоров в научных исследованиях и технике // Оптический
журнал. — 1998. — № 6. — С. 16.
16. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-
электронных приборов. — Л.: Машиностроение, 1983.
И.И. Долгих
662 --
Государственный первичный эталон единицы
энергетической яркости инфракрасного
излучения
Принцип действия, используемые
методы и средства измерений
Принцип действия государственного первичного
эталона единицы энергетической яркости инфракрас-
ного излучения (ГЭТ ЭЯ) основан на воспроизведе-
нии постоянных уровней энергетической яркости эта-
лонными излучателями, выполненными в виде моде-
лей абсолютно черного тела (АЧТ), при температурах
фазовых переходов чистых веществ — реперных то-
чек международной температурной шкалы (МТШ): во-
ды, галлия, индия, олова, цинка, алюминия и меди [1,
2].
Энергетическая яркость в эталонных излучате-
лей в виде моделей АЧТ определяется теоретически
в соответствии с законом Стефана-Больцмана по тем-
пературе Т фазового перехода чистого вещества, по-
стоянной Стефана-Больцмана <т и излучательной спо-
собности е модели АЧТ.
В = -£дГ^
л
Передача размера единицы энергетической ярко-
сти от ГЭТ ЭЯ к вторичным эталонам, также выпол-
ненным в виде моделей АЧТ, но с переменной темпе-
ратурой, осуществляется путем непосредственного
сличения энергетической яркости обоих излучателей
методом равных сигналов с помощью радиометров-
компараторов, входящих в состав ГЭТ ЭЯ.
Состав и основные характеристики,
диапазон и погрешности измерений
ГЭТ ЭЯ состоит из двух комплексов средств изме-
рений и специального оборудования: низкотемпера-
турного (НТК) и высокотемпературного (ВТК). [2]
НТК включает эталонные излучатели при темпе-
ратурах тройной точки воды (ИРТ-В) и точки плавле-
ния галлия (ИРТТ), стенд сличения УВС-4 с вакуумной
камерой, радиометр-компаратор РАД-ЗОН и стойки
управления. НТК предназначен для воспроизведения
и хранения единицы энергетической яркости с фик-
сированными значениями 100,39 и 151,82 Вт/(ср-м2)
и передачи размера единицы с помощью вторичных
эталонов рабочим средствам измерений в диапазоне
энергетической яркости от 40 до 280 Вт/(срм2), что
соответствует диапазону температур от 220 до 350 К.
ВТК включает эталонные излучатели при темпе-
ратурах затвердевания индия (ИРТ-И), олова (ИРТ-0),
цинка (ИРТ-Ц), алюминия (ИРТ-А) и меди (ИРТ-М),
стенд сличения ВТС-2, радиометр-компаратор РАД-30
и стойки управления. ВТК предназначен для воспро-
изведения и хранения единицы энергетической яр-
кости с фиксированными значениями 615,03; 1173,5;
4151,1; 13691 и 61283 Вт/(ср м2) и передачи размера
единицы при помощи вторичных эталонов рабочим
средствам измерений в диапазоне энергетической яр-
кости от 280 до 61283 Вт/(ср м2), что соответствует
диапазону температур от 350 до 1360 К.
Центральным звеном НТК является стенд УВС-4
с охлаждаемой вакуумной камерой, к которой крепят-
ся сличаемые излучатели. На стенд вне камеры уста-
навливается радиометр-компаратор РАД-ЗОН. Внутри
вакуумной камеры расположена оптическая система,
состоящая из поворотного зеркала, наклонного зер-
кального модулятора и защитного окна из кристалла
КРС-5, обеспечивающего герметичность камеры и
пропускание в радиометр излучения от уличаемых из-
лучателей в спектральном интервале от 0,8 до 40 мкм.
С помощью поворотного зеркала осуществляется по-
следовательное наведение радиометра на сличаемые
излучатели. Наклонный зеркальный модулятор пе-
риодически посылает в радиометр излучение от сли-
чаемого и опорного излучателя, последний из кото-
рых представляет собой прибор тройной точки воды
и обеспечивает стабильную работу радиометра неза-
висимо от изменения температуры окружающей сре-
ды. Вакуумирование внутреннего объема камеры про-
изводится с целью предупреждения обмерзания излу-
чающих полостей при температурах ниже 280 К, а
также для уменьшения конвективного и контактного
теплообмена на результаты измерений.
Оптическая схема системы передачи размера еди-
ницы на НТК показана на рис. 1.
В основе конструкции излучателя ИРТ-В лежит со-
суд тройной точки воды, в намороженном состоянии
практически реализующий состояние равновесия ме-
жду твердой, жидкой и парообразной фазами воды
(рис. 2). Для увеличения срока нахождения сосуда в
рабочем состоянии он помещен в снеговой термостат.
В качестве излучающей полости ИРТ-Г использу-
ется внутренний колодец герметичной камеры-ампу-
лы из фторопласта, заполненной галлием.
В комплекс ВТК входят две идентичные трубчатые
электронагревательные печи ПВ-1300, которые слу-
жат для реализации фазовых переходов в эталонных
излучателях ИРТ-И, ИРТ-0, ИРТ-Ц, ИРТ-А и ИРТ-М.
Для этого излучатели по очереди помещают в центр
печей. Обе печи установлены вертикально. При этом
выходные апертуры излучающих полостей находят-
ся внизу, что позволяет практически полностью
исключить конвективную составляющую потока излу-
к термостату
663
I1PT-BO
Рис. 1. Оптическим схема системы передачи размера единицы на IГГК
I — поворотное зеркало; 2— модулятор; S — защитное окно; 1.7 плоские зеркала; 5 - объектив; б ни hi pi гая трубка; 8 — полевая диафрагма;') - оптические
фюи.гры 1(1 приемник излучения
664
чения. Кроме того, такое положение излучателей
обеспечивает равномерное заполнение их расплав-
ленным металлом, а также позволяет снизить потреб-
ление электроэнергии по сравнению с горизонталь-
ным расположением. Схема излучателей ИРТ-И, ИРТ-
0, ИРТ-Ц, ИРТ-А и ИРТ-М приведены на рис. 3.
Последовательное визирование радиометра-ком-
паратора РАД-30 на сличаемые излучатели на стенде
ВТС-2 осуществляется с помощью поворотного зерка-
ла и перемещения платформы, на которой располо-
жен радиометр. Кроме того, снизу к стенду ВТС-2 мо-
жет крепиться излучатель ИРТ-Г. Это дает возмож-
ность соединить обе части шкалы энергетической
яркости, воспроизводимых на разных установках
НТК и ВТК.
Радиометры-компараторы РАД-30 и РАД-ЗОН име-
ют идентичное конструктивное решение за исключе-
нием модуляторов. В радиометре-компараторе РАД-
30 модулятор представляет собой зеркальный сектор-
ный диск при нормальной температуре, помещенный
на входе прибора. Оптическая схема радиометров по-
строена на однозеркальном наклонном сферическом
объективе. В качестве приемников используются оп-
тико-акустические типа ОАП7-1 с входным окном из
йодистого цезия, спектральная область пропускания
которого от 0,3 до 50 мкм. Контроль за наведением
радиометров на сличаемые излучатели осуществляет-
ся с помощью визирной трубки по изображению кра-
ев излучающего отверстия на зеркальной полевой диа-
фрагме.
Случайная погрешность воспроизведения разме-
ра единицы эталонными излучателями, выраженная
средним квадратическим отклонением результата из-
мерений (СКО) не превышает 1-10'3при неисключен-
ной систематической погрешности не более 1-10’,
суммарная неопределенность эталона не превышает
1,1-10* в отн.ед.
Погрешность передачи размера единицы с помо-
щью радиометров-компараторов, выраженная СКО
не превышает 110‘3в отн.ед.
Предыстория создания эталона
В связи с необходимостью решения проблемы мет-
рологического обеспечения бурно развивающейся
ИК техники для целей приборостроительного и обо-
ронного комплексов страны в 1964 г. под руково-
дством проф. А.Н. Гордова во ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева были начаты подготовительные работы по
обеспечению единства измерений энергетических ха-
рактеристик тепловых источников ИК излучения. В
1974 г. под руководством к.т.н. В.В. Бабушкина был
создан первый государственный специальный эталон
единицы энергетической яркости, воспроизводимой
при температуре затвердевания олова, что закрепле-
но ГОСТ 8.106-74.
Для удовлетворения все возрастающих запросов
науки и промышленности, связанных с появлением
новых задач, влекущих за собой создание новых ме-
тодов и приборов, потребовалось совершенствование
эталона. Эта работа была выполнена группой сотруд-
ников института в составе В.Я. Бабушкиной, Т.Е. Вы-
легжаниной, И.И. Долгих и И.В. Либовой и заверши-
лась в 1979 г. утверждением нового государственного
специального эталона единицы энергетической ярко-
сти для инфракрасного излучения, воспроизводимой
при температуре тройной точки воды, затвердевания
Рис. 2. Схема эталонного излучателя ИРТ-В
1 — сосуд тройной точки воды; 2 — снеговой термостат
Рис. 3. Схема эталонных излучателей ИРТ-И, ИРТ-0, ИРТ-
Ц, ИРТ-А и ИРТ-М
1 — излучающая полость; 2 — металл
665
олова и цинка, что подтверждено ГОСТ 8.106-80. Уче-
ным хранителем нового эталона, имеющего регист-
рационный номер по гостреестру ГЭТ 48-79, был ут-
вержден к.т.н. В.В. Бабушкин [3].
Дальнейшее развитие работ по совершенствова-
нию государственного эталона было направлено на
модернизацию аппаратуры эталона, а также на увели-
чение числа эталонных излучателей, связанное с не-
обходимостью повышения надежности и достоверно-
сти передачи размера единицы энергетической ярко-
сти от государственного эталона к рабочим средствам
измерений, широко используемым в таких приоритет-
ных областях народного хозяйства, как энергосбере-
жение, экология, здравоохранение и др. [2]. Работы
в этом направлении были выполнены О.В. Рыболов-
левой и В.В. Смирновой под руководством и при не-
посредственном участии к.т.н. И.И. Долгих, которая
является в настоящее время ученым хранителем госу-
дарственного эталона.
Назначение и область применения
эталона
ГЭТ ЭЯ предназначен для воспроизведения, хра-
нения и передачи размера единицы энергетической
яркости инфракрасного излучения вторичным этало-
нам и рабочим средствам измерений в соответствии с
государственной поверочной схемой для средств из-
мерений энергетической яркости и силы излучения те-
пловых источников с температурой от 220 до 1360 К
по ГОСТ 8.106. К рабочим средствам измерений ИК
техники до недавнего времени относились такие при-
боры, как тепловые излучатели в виде моделей АЧТ по-
лостного и протяженного типа, радиометры энерге-
тической яркости и силы излучения и приемники ИК
излучения, которые широко использовались для раз-
ведки полезных ископаемых, оценки состояния окру-
жающей среды, в программе космических исследова-
ний, в радиоэлектронной промышленности, обеспечи
вая разработку и совершенствование технологии
микроэлектроники, и т.д.
Число рабочих средств измерений, метрологиче-
ские характеристики которых требовали постоянно-
го или периодического контроля, достигало несколь-
ких тысяч.
В последние десять лет существенно изменился ка-
чественный состав рабочих средств измерений. Поя-
вились. например, тепловизионные и сканирующие
бортовые радиометрические и спектрорадиометри-
ческие приборы и системы с большими зрачками, а
также приемники на новых принципах действия в ви-
де матричных фотоприемных устройств и др. В свя-
зи с развитием ИК техники существенно расширилась
область применения ГЭТ ЭЯ. В последние годы ГЭТ
ЭЯ находит применение в таких приоритетных на-
правлениях науки и народного хозяйства, как здраво-
охранение, медицина, энергосбережение и др.
Эталонная аппаратура, кроме основного своего на-
значения, позволяет решать ряд научных задач для мет-
рологических целей, а также для нужд промышленно-
сти. К таким задачам относится, например, исследова-
ние излучательной способности и пропускания твер-
дых материалов в ИК области спектра с целью разра-
ботки технологии создания материалов с заданными
физическими свойствами как для эталонных излучате-
лей, так и для оптических элементов средств ИК тех-
ники, а также для создания новых строительных мате-
риалов для целей энергосбережения.
Основные научные результаты на
сегодняшний день
Реализована шкала энергетической яркости для
инфракрасного излучения на основе полных тепло-
вых излучателей в виде моделей АЧТ при температу-
рах фазовых переходов чистых веществ — реперных
точек МТШ-90.
Создана система обеспечения единства измере-
ний, выполняемых с помощью средств ИК техники.
Уникальность и преимущества эталона
В России систему обеспечения единства измере-
ний, осуществляемых с помощью средств ИК техни-
ки, возглавляет ГЭТ ЭЯ. Он возглавляет также пове-
рочную схему для средств измерений энергетической
яркости и силы излучения тепловых источников с
температурой 220-1360 К (ГОСТ 8.1 Об). В этом смыс-
ле ГЭТ ЭЯ является объектом Федерального уровня.
Уникальность и преимущества эталона являются
следствием его принципа действия В основе послед-
него лежит концепция идеального теплового излуча-
теля (АЧТ) и такое стабильное физическое явление,
как постоянство температуры фазовых переходов чис-
тых веществ. Это позволяет теоретически в соответ-
ствии с законом Стефана-Больцмана рассчитать энер-
гетическую яркость эталонных излучателей, а при
реализации их достичь точность воспроизведения
приближающуюся к значениям, ограниченным при-
родой стабильных физических явлений при достаточ-
но умеренных материальных затратах по сравнению
с аналогичными излучателями, работающими при пе-
ременной температуре.
Утеря ГЭТ ЭЯ приведет к нарушению системы
ОКИ. что скажется весьма отрицательно, особенно
для средств измерений, используемых в таких облас-
тях. как экология, здравоохранение и т п.. па которые
распространяется государственный метрологический
контроль и надзор в соответствии с Законом РФ „Об
обеспечении единства измерений".
Литература:
1. Бабушкин В.В. и др. 1бсударствепный специальный эта-
лон единицы энергетической яркости для инфракрасного
излучения // Измерительная техника, — 1981. — № 2. —
С. 21-28.
2. Долгих И.И., Сидорин В.К. Состояние и перспективы
развития эталонной базы в области радиометрии ИК излу-
чения // Измерительная техника. — 1995. — № 10. — С. 26-
29.
3. Бабушкин В.В., Долгих И.И., ЛибоваИ.В. Современ-
ное состояние и метрологическое обеспечение радиомет-
рии инфракрасного излучения // Обзорная информация.
- М.: ВНИИКИ. 1983, вып 1.
И.И. Долгих
666 ======
Состояние и проблемы метрологического
обеспечения измерений параметров волоконно-
оптических систем передачи информации
Введение
Бурное развитие волоконно-оптических систем пе-
редачи информации (ВОСП) делает актуальной про-
блему метрологического обеспечения измерений
основных параметров как систем в целом, так и их эле-
ментов. При этом в данной области единство измере-
ний и их точность однозначно определяют качество и
технические параметры самих ВОСП и их соответст-
вие обязательным требованиям государственных стан-
дартов. Сохранение и расширение единого информа-
ционного пространства и развитие кооперации Рос-
сии со странами ближнего и дальнего зарубежья
предъявляют дополнительные требования как на тех-
нические средства системы метрологического обеспе-
чения, так и на гармонизированную с международны-
ми стандартами нормативную документацию.
Специфической является необходимость создания
комплексной системы метрологического обеспече-
ния измерений не отдельных физических величин, а
областей деятельности ВОСП и применения соответ-
ствующих многопараметровых пассивных и активных
элементов. Отсюда задача создания специализирован-
ных и взаимоувязанных рабочих и эталонных средств
измерений (СИ) и поверочного оборудования для раз-
личных параметров и величин как самих систем, так
и их элементов.
Другой отличительной особенностью является
широкое применение и массовость контролируемой
продукции, достаточно жесткие требования к изме-
ряемым параметрам в совокупности с постоянной тен-
денцией уменьшения погрешностей (примерно в 2
раза за 5 лет), что обуславливает отставание системы
метрологического обеспечения от потребностей
практики. Это вынуждает производить импортные за-
купки не только самих систем, но и соответствующе-
го контрольно-измерительного оборудования.
Рассматриваемая область подпадает под государ-
ственный надзор в соответствии с п. 13 Закона РФ „Об
обеспечении единства измерений“, а также регламен-
тируется законами „О сертификации продукции и ус-
луг" и „О связи". Это делает необходимым четкую ко-
ординацию и сотрудничество с метрологической
службой Госкомсвязи РФ и ее базовыми организация-
ми по рассматриваемому направлению. К настояще-
му времени согласованы нормативные документы ме-
жду Госстандартом и Госкомсвязи, регламентирующие
взаимодействие и разграничение функций в данной
области.
В настоящей работе на основе многолетнего опы-
та ВНИИ оптико-физических измерений, головного
института Госстандарта России в этой области, рас-
сматриваются состояние и проблемы метрологиче-
ского обеспечения измерений в данной области, ана-
лизируются возможные подходы к их решению.
Компоненты и параметры ВОСП;
основные виды СИ
Важнейшим информативным параметром ВОСП
является мощность излучения, которая модулирует-
ся в аналоговой или импульсной форме передаваемым
сигналом. Для реализации потенциальных возможно-
стей по широкополосности систем возникает необхо-
димость неискаженного формирования, передачи и
приема всеми элементами ВОСП оптических сигна-
лов нано- и субнаносекундной длительности или ам-
плитудно-модулированных сигналов с частотой до со-
тен мегагерц и даже единиц гигагерц. Отсюда возни-
кает проблема контроля и измерения не только
мощности оптического излучения, но и параметров
ее распределения во времени и пространстве и транс-
формации этих параметров в процессе прохождения
сигнала. В связи с этим можно выделить три группы
основных элементов ВОСП: источники, световодные
элементы и приемники. Особенностью этих элемен-
тов являются их малые апертурные размеры и необ-
ходимость работы с излучением большой расходимо-
сти и малой мощности в инфракрасном диапазоне
спектра.
С учетом указанных особенностей можно выде-
лить следующие основные компоненты систем, под-
лежащие оценке в процессе производства и эксплуа-
тации: полупроводниковые источники излучения на
основе лазерных или излучающих диодов, полупро-
водниковые фотоприемные устройства на основе фо-
тодиодов, световодные компоненты систем (оптиче-
ские кабели, соединители, разветвители и т.д.), пере-
дающие тракты, включающие активные и пассивные
элементы.
Рассмотрим определяемые компонентами систем
основные измеряемые параметры, имея в виду, что ис-
точники и приемники оптического излучения отли-
чаются, соответственно, уровнем мощности или чув-
ствительности, а также спектральным диапазоном и
быстродействием, а одно- и многомодовые световод-
ные элементы имеют различающиеся параметры. В
таблице 1 систематизированы измеряемые парамет-
ры и величины в ВОСП, сгруппированные по следую-
щим видам: энергетическо-временные, спектрально-
энергетические и пространственно-энергетические.
В зависимости от области применения большинство
из них может быть как информативными, так и неин-
формативными в процессе выполнения измерений.
667
Следует подчеркнуть, что номенклатура измеряе-
мых параметров, а следовательно, и необходимость
решения задач метрологического обеспечения, опре-
деляются требованиями производства и эксплуатации
компонентов и систем.
Так, при производстве многомодового волоконно-
оптического кабеля (или волокна) необходимо кон-
тролировать затухание, длину, полосу пропускания,
числовую апертуру, диаметр сердцевины. Контроли-
руемыми параметрами одномодового кабеля являют-
ся, кроме затухания и длины, диаметр пятна модово-
го поля, длина волны отсечки, хроматическая диспер-
сия. Для последних модификаций линий связи со
спектральным уплотнением важным становятся такие
параметры как поляризационная дисперсия и диффе-
ренциальная модовая задержка. Такие же параметры
при необходимости измеряются при входном контро-
ле элементов перед включением в систему (когда важ-
на надежность системы и ее сопрягаемость с другими
системами). В целом, в зависимости от решаемых за-
дач, можно выделить следующие основные группы из-
меряемых параметров и соответствующих СИ.
1. Для задач прокладки и эксплуатации волокон-
но-оптических линий связи имеют наибольшее при-
менение:
— СИ энергетических параметров: оптические тес-
теры, включающие блоки источников и приемников
излучения, измерители мощности, измерительные ат-
тенюаторы и стабилизированные источники излуче-
ния;
— СИ для определения параметров кабелей и трак-
тов (оцениваются расстояние и затухание) — оптиче-
ские рефлектометры, аттенюаторы;
— СИ для оценки достоверности передаваемой ин-
формации в трактах и системах измерители коэффи-
циента ошибок и анализаторы протоколов, измери-
тели фазовой и временной нестабильности (джитте-
ра).
2. Для задач производства волоконно-оптических
компонентов (в соответствии с техническими усло-
виями на них) используются СИ:
— затухания, длины, полосы пропускания, число-
вой апертуры и геометрических параметров — при
производстве многомодового оптического кабеля (во-
локна);
— затухания, длины, дисперсии, длины волны от-
сечки, диаметра пятна модового поля, диаметра обо-
лочки — при производстве одномодового кабеля (во-
локна);
— вносимого затухания, обратных потерь и обрат-
ного отражения — при производстве оптических со-
единителей.
Обычно в условиях производства используются оп-
тические рефлектометры (измерения длины и коэф-
фициента затухания) и измерительные комплексы,
позволяющие оценить другие указанные параметры.
3. Для задач, связанных с производством и вход-
ным контролем приемников и источников излучения,
устройств спектрального уплотнения и др.:
— аппаратура для измерения спектральных, вре-
менных и пространственных характеристик, а для
приемников, дополнительно, — чувствительности, не-
линейности в динамическом диапазоне и порога чув-
ствительности.
В соответствии с изложенным и существующими
ГОСТ 27908-88 „Стыки цифровых волоконно-оптиче-
ских систем передачи первичной сети ЕАСС. Номенк-
латура и основные параметры", ГОСТ 28871-90 .Ап-
паратура линейных трактов волоконно-оптических
систем передачи. Методы измерения основных пара-
метров" можно выделить три важнейших группы па-
раметров ВОСП, которые необходимо измерять как
в процессе разработки и сдачи систем, так и в про-
цессе эксплуатации:
1. Энергетические параметры и, прежде всего,
средняя мощность оптического излучения и ее отно-
сительный и абсолютный уровень.
2. Параметры, характеризующие распространение
излучения в волоконно-оптическом тракте — затуха-
ние и расстояние до места повреждения (неоднород-
ности).
3. Достоверность передачи информации.
Другие параметры линейных трактов и стыков,
цифровых ВОСП, оговоренные указанными ГОСТ
(длина волны и ширина спектра оптического сигна-
ла, чувствительность оптического приемника и мини-
мальный уровень регистрируемой мощности, времен-
ные параметры оптических импульсов и показатели
фазового дрожания на участке регенерации), или га-
рантируются и проверяются изготовителями соответ-
ствующих элементов (источников и приемников) или,
к сожалению, не могут измеряться находящимся в об-
ращении СИ, и контролируются уже на выходе систе-
мы после преобразования в электрический сигнал.
Итак, можно выделить три основные группы при-
боров, определяющих соответствие ВОСП сущест-
вующим Государственным стандартам и однозначно
подпадающим под государственный контроль в соот-
ветствии с п.13 Закона „Об обеспечении единства из-
мерений":
1. Измерители мощности и оптические тестеры,
измерительные генераторы (и источники уровня), оп-
тические аттенюаторы с нормируемым вносимым за-
туханием.
2. Оптические рефлектометры.
3. Измерители коэффициента ошибок.
Указанный перечень согласован с метрологиче-
ской службой Госкомсвязи.
Другие типы средств измерений различных харак-
теристик и параметров ВОСП (а их для ВОСП и их
элементов насчитывается не один десяток, в т.ч. спек-
тральных, пространственных, временных и др.) в за-
висимости от места и области применения могут под-
лежать как поверке, так и калибровке. Например, в
ВОСП со спектральным уплотнением измерения спек-
тральных характеристик безусловно будут относить-
ся к важнейшим.
О современном состоянии
метрологического обеспечения ВОСП
Пути построения исходных средств и методов из-
мерений
При постановке в 1980-х гг. перед ВНИИОФИ за-
дач метрологического обеспечения измерений в дан-
ной области было решено создать по основным видам
измеряемых физических величин традиционную ие-
рархию СИ, регламентированную в общем виде соот-
ветствующими поверочными схемами. Возглавлять
..... 668 ===—
Измеряемые параметры и величины в ВОСП
Таблица 1
Пара- метры Системы Источники и передающие модули
Аналоговые Цифровые
1. Мощность Рср Мощность Ртах Глубина модуляции Место повреждения 1. Мощность Рср 2. Мощность Ртах 3. Глубина модуляции 4. Место повреждения 1. Мощность Рср и ее нестабильность 2. Мощность Ртах и ее нестабильность 3. Глубина модуляции 4- \м. гфр.. теп (для цифровых)
1 Затухание Коэффициент нелинейных искажений 5. Затухание 6. Коэффициент ошибок (достоверность передачи данных) 5. Параметры искажений (для цифровых) 6. Коэффициент нелинейных искажений (для аналоговых) 7. Коэффициент ошибок (для цифровых)
2. 1. Длина волны и полуширина спектра. 2. Спектральное распределение мощности по модам (для уплотнения) 3. Спектрально-временное распределение мощности (для быстродействия)
3. 1. Диаграмма направленности и расходимость 2. ОРПМ" в ближней и дальней зоне 3. Размеры излучающей области
Таблица 1 (продолжение)
Пара- метры* Приемники и приемные модули Световоды
Многомодовые Одномодовые Кабели
1. 1. Чувствительность в постоянном и импульсном режиме 1. Затухание 1. Затухание 1. Затухание
2. Импульсная и переходная характеристики 2. Место повреждения 2. Место повреждения 2. Место повреждения
3. Амплитудно- и фазочастотная 3. Характеристики широкополосное™ а) АЧХ и ФЧХ“‘ б) импульсная (дисперсия) 3. Характеристики широкополосности (хроматическая дисперсия) 3. Широкополосность
4. Стабильность 4. Вносимые затухания чувствительности и потери при соединении
5. Динамический диапазон и нелинейность 5. Перекрестные помехи
б.Порог чувствительности при заданных полосе частот и вероятности ошибки 6. Чувствительность к постороннему свету
7. Нелинейные искажения
2. 1. Относительная и абсолютная спектраль- ные чувствительности в импульсном и посто- янном режимах 1. Спектральная за- висимость затухания 1. Длина волны отсечки 2. Длина волны с минималь- ной дисперсией
1. Зонная характеристика 1. Геометрические размеры (параметры) 1. Геометрически параметры 1. Геометрическиее параметры
3. 2. Угловая характеристика 2. Числовая апертура Диаметр пятна модового поля Числовая апертура
Примечание: ‘Группы параметров: 1 — энергетическо-временные; 2 — спектрально-энергетические; 3 — пространственно-
энергетические.
"ОРПМ — относительное распределение плотности мощности.
*‘*АЧХ и ФЧХ — амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики.
669
поверочную схему должны эталоны, либо исходные
высокоточные СИ (в ранге рабочего эталона), от ко-
торых соответствующий размер единицы передается
ко вторичным стандартам (ранее — образцовым СИ)
и далее к рабочим СИ. Такая работа проводилась в час-
ти ВОСП первого поколения в соответствии с утвер-
жденной межведомственной программой.
Подчеркнем, что разнообразная номенклатура и
принцип действия СИ (в том числе, импортных) на-
кладывает дополнительные требования к процессам
поверки и калибровки — они должны осуществляться
методами передачи размера единицы физической ве-
личины и определения погрешности, исключающи-
ми возможность поэлементной аттестации.
Анализ возможности реализации описанных задач
показывает, что вопросы метрологического обеспе-
чения измерений в данной области так же, как и в ря-
де других областей, могут решаться следующими пу-
тями:
1) Разработка эталонов физических единиц, бази-
рующихся на фундаментальных законах, или воспро-
изведение размера единицы в специальных условиях,
но с привязкой к первичному эталону.
2) Создание (или отбор) прецизионных устройств,
использующих стандартные методы, но с метрологи-
ческими характеристиками, превышающими характе-
ристики применяемых на практике СИ. Эти устрой-
ства могут служить вторичными эталонами для повер-
ки СИ, которая осуществляется при этом с помощью
компаратора. При таком подходе сложно качествен-
но превысить характеристики поверяемых приборов,
а также избавиться от составляющих погрешности,
связанных со свойствами компараторов (особенно, та-
ких как образцы оптического волокна).
3) Применение результатов межлабораторных
сличений, проводимых, в частности, на основе ис-
пользования образцов оптического волокна (ОВ). В
этом случае указанные образцы, характеристики ко-
торых определяются статистическими методами как
результат оценки на нескольких СИ, могут применять-
ся в качестве компараторов, либо эталонных мер. При
таком подходе так же, как и в первом случае, следует
учитывать погрешности за счет свойств ОВ. На ре-
зультаты поверки может также влиять старение ОВ,
микроизгибы, изменение усилия натяжения.
4) Указанных трудностей можно избежать, если
создать исходные СИ путем моделирования прохож-
дения излучения через ОВ. Такие СИ можно исполь-
зовать непосредственно как эталоны единиц опреде-
ленных физических величин.
Анализ указанных путей приводит к следующим
выводам. В части измерений энергетических парамет-
ров (мощность оптического излучения для источни-
ков, чувствительность — для приемников излучения)
для создания эталонных средств очевидна необходи-
мость применения первого способа.
В части же создания исходных (эталонных) СИ для
обеспечения измерений параметров оптоволоконных
компонентов следует по возможности избавляться от
составляющих погрешности, связанных со свойства-
ми ОВ как мер и компараторов. К таким свойствам
относятся спектральная селективность пропускания
в ОВ, наличие дисперсии сигнала при распростране-
нии излучения по ОВ, различие модовых характери-
стик и т.п. Такая возможность возникает при реали-
зации четвертого из указанных подходов, позволяю-
щего оценивать непосредственно характеристики ис-
следуемых приборов (инструментальные погрешно-
сти) без учета влияния неконтролируемых в ряде
случаев погрешностей за счет характеристик ОВ. Ес-
ли реализация последнего подхода затруднена, целе-
сообразно применять или создавать прецизионные
устройства, используя второй подход.
Указанные методы были положены в основу при
решении задач метрологического обеспечения изме-
рений параметров компонентов ВОСП первого поко-
ления (на длинах волн 0,85, 1,3 мкм с многомодовым
ОВ для систем со скоростью передачи информации
порядка 140 Мбит/с) и в настоящее время усовершен-
ствуются для применяемых на практике одномодовых
трактов (длины волн 1,31 и 1,55 мкм со скоростью пе-
редачи 560 Мбит/с).
Краткое описание исходных средств
измерений
На основе анализа рассмотренных методов и воз-
можностей их реализации во ВНИИОФИ были раз-
работаны эталонные СИ и установки высшей точно-
сти (УВТ), возглавляющие соответствующие повероч-
ные схемы для основных величин, определяющих:
а) энергетические и динамические характеристи-
ки источников и приемников излучения и систем в
целом;
б) характеристики световодных компонентов: за-
тухание —для измерений двухточечным методом и ме-
тодом рефлектометрии; расстояние до места повре-
ждения; полоса пропускания; числовая апертура; про-
филь показателя преломления. [9].
При создании установок высшей точности по воз-
можности использован последний подход, который
особенно важен при оценке временных и частотных
характеристик сигналов вследствие дисперсии сигна-
ла в ОВ.
Рассмотрим коротко указанные исходные (эталон-
ные) СИ.
1) Для метрологического обеспечения измерений
энергетических и динамических характеристик ис-
точников и приемников излучения малых уровней
разработаны эталоны единицы средней мощности,
обеспечивающие калибровку в динамическом диапа-
зоне от 1-10'12до 1-10’2Вт (по средней мощности) в
спектральной области 0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм.
Принцип действия эталонов для средней мощности
(в соответствии с поверочной схемой, ГОСТ 8.275-91)
основан на применении неселективного теплового
приемника с электрическим замещением, работающе-
го в диапазоне 10'3-104 Вт с погрешностью 0,5 %, и ста-
билизированных излучателей.
Аналогичную структуру имеет созданная в 1995 г.
исходная поверочная установка (ИПУ), модифициро-
ванная и аттестованная в 1999 г. в качестве установки
высшей точности (УВТ) для воспроизведения и пере-
дачи размера единицы средней мощности малых уров-
ней оптического излучения, предназначенной в пер-
вую очередь для ВОСП. Отличительной особенно-
стью используемого калориметрического приемника
с электрической калибровкой является наличие замк-
нутой полости со входом в виде оптического разъема
670
для одномодового волокна, связанного с источником
излучения. Проведенные сличения данного преобра-
зователя с эталоном NIST (США) показали хорошее
совпадение результатов воспроизведения единицы
мощности в диапазоне IO’-IO^Bt (расхождение ре-
зультатов менее 0,2 % на длинах волн 1,3 мкм и
1,55 мкм при СКО=0,15 %). Указанные эталонные СИ
используются для передачи размера единицы менее
точным эталонным СИ.
Расширение динамического диапазона достигает-
ся использованием эталонов второго разряда на ос-
нове фотоэлектрических приемников с измеренной
нелинейностью в диапазоне 10'9-10'3Вт с погрешно-
стью 2-2,5 %;
2) Для метрологического обеспечения измерений
максимальной мощности и динамических параметров
(в соответствии с поверочной схемой, ГОСТ 8.198-85)
используется эталон, работающий в диапазоне КН-
10 2Вт с погрешностью воспроизведения максималь-
ной мощности и относительной формы импульса не
более 3 % при длительности импульсов 2Т08-10 'с и
длительности фронта 2-10’9с.
Расширение динамического, временного и спек-
трального диапазонов производится с помощью вто-
ричных эталонов на основе быстродействующих
полупроводниковых источников и приемников с ис-
пользованием алгоритмических методов восстановле-
ния формы сигналов и обработки результатов изме-
рений [10];
3) Для метрологического обеспечения измерений
оптических характеристик ОВ используются перечис-
ленные ниже УВТ:
а) Для обеспечения поверки и калибровки опти-
ческих рефлектометров по шкалам расстояний и ам-
плитуд в состав УВТ.лля поверки СИ расстояния до
места повреждения ОВ включены устройства, позво-
ляющие решать поставленную задачу разными мето-
дами — путем прямых измерений (первый из описан-
ных выше подходов) и путем создания исходной ме-
ры, воспроизводящей единицу длины (времени
задержки) для световода [11]. Это независимая сис-
тема для измерения времени задержки оптического
сигнала в ОВ, специальный эхо-генератор и прецизи-
онный измеритель длины ОВ.
Система для измерения времени задержки служит
для обеспечения нормирования времени задержки
сигнала (что эквивалентно расстоянию при известной
групповой скорости распространения излучения) в
образцах ОВ, которые могут служить компараторами
или образцовыми мерами.
Эхо-генератор построен на применении третьего
подхода. Он моделирует прохождение излучения че-
рез ОВ и выдает на вход-выход поверяемого оптиче-
ского рефлектометра в ответ на зондирующий им-
пульс рефлектометра пару импульсов с заданным со-
отношением амплитуд и задаваемой временной
задержкой между ними [12,13]. Это дает возможность
калибровать оптические рефлектометры как по шка-
ле расстояний (времени задержки сигнала), так и по
шкале амплитуд (затухания). Применение способа по-
зволяет избежать погрешностей за счет дисперсии оп-
тического импульса и условий ввода, что отличает из-
вестные способы [14], атакже значительно увеличить
диапазон воспроизводимых величин и проводить
калибровку рефлектометра в большом диапазоне рас-
стояний и затуханий.
Погрешности (предельные значения) воспроизве-
дения УВТ составляют — для временных интервалов
не более 0,4-1 нс (0,1 м при двухстороннем прохож-
дении излучения) в диапазоне 5-108-1,5-10’3с (5 м-
150 км); затухания -0,1—0,7 дБ в диапазоне 0,5-30 дБ.
Рабочие длины волн составляют 0,85; 1,3; 1,55 мкм.
Поверочная схема регламентирована МИ 1046-86.
б) Для обеспечения поверки и калибровки СИ час-
тотных и временных характеристик ОВ в УВТ для по-
верки СИ ширины полосы пропускания ОВ также ис-
пользуется последний из перечисленных подходов —
создание исходной меры путем моделирования про-
хождения излучения через ОВ [16]. Для этой цели
применяется тракт в виде специальной перестраивае-
мой оптической линии задержки, который служит
„эталоном" частотной характеристики. Тракт облада-
ет известной задаваемой частотной характеристикой,
волоконным входом и выходом.
Образованные в тракте два оптических пути соз-
дают на входе фотоприемного устройства сигнал,
представляющий векторную сумму двух сдвинутых
друг относительно друга сигналов с разностью фаз,
зависящей от разности длины плеч. Последнее позво-
ляет рассчитать /о,5 — частоту полосы пропускания
тракта по уровню 0,5.
Изменяя длину линии задержки, которая должна
определяться при этом со сравнительно небольшой
точностью, можно получать различные значения раз-
ности фаз, соответствующие задаваемой ширине по-
лосы пропускания.
УВТ работает на длинах волн 0,85; 1,3 и 1,55 мкм в
диапазоне частот до 1,5 ГГц. Погрешность воспроиз-
ведения составляет не более 2 %. Поверочная схема
регламентирована МИ 1686-87.
Три другие разработанные УВТ построены на при-
менении первого подхода и стандартных методов из-
мерений параметров ОВ.
в) Для обеспечения поверки и калибровки СИ за-
тухания в ОВ в УВТ для поверки СИ затухания ОВ ис-
пользуется метод обрыва с учетом создания требуе-
мых условий ввода излучения [11]. Предварительно
с высокой степенью точности определяются градуи-
ровочные характеристики (нелинейность) фотопри-
емных устройств, применяемых в УВТ.
Погрешность установки не превышает 0,2 дБ в диа-
пазоне до 30 дБ. Установка работает на длинах волн
0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм. Поверочная схема регла-
ментирована МИ 1687-87.
г) Для обеспечения поверки и калибровки СИ чи-
словой апертуры ОВ в УВТ для поверки СИ числовой
апертуры ОВ используется гониофотометрический
метод, позволяющий получить распределение интен-
сивности с выхода волокна в дальнем поле и значе-
ние апертуры на требуемом уровне распределения.
Особенностью установки является возможность рабо-
ты на нескольких длинах волн — 0,6; 0,85; 1,3; 1,55 мкм
и в „белом" свете. Погрешность УВТ не превышает
1,5 % в диапазоне апертур 0,1-0,4. Размер единицы пе-
редается эталонным мерам, в качестве которых ис-
пользуются отрезки ОВ. Поверочная схема регламен-
тирована МИ 1688-87.
671
д) УВТ для поверки СИ профиля показателя пре-
ломления ОВ основана на методе рефракции в ближ-
нем поле. Рабочие длины волн УВТ 0,85 и 0,63 мкм,
погрешность не превышает 5-1 (Ред. показателя пре-
ломления. В настоящее время УВТ находится в Ере-
ванском институте оптико-физических исследований.
Поверочная схема регламентирована МИ 1689-87.
Рассмотренные эталонные СИ и соответствующие
поверочные схемы определяют порядок и погрешно-
сти передачи размеров единиц при поверке, калиб-
ровке и, до последнего времени, аттестации рабочих
СИ. Для обеспечения поверки и калибровки наибо-
лее распространенных СИ параметров ВОСП разра-
ботаны рабочие места поверителя (РМП) для СИ сред-
ней мощности оптического излучения и оптических
рефлектометров, получающие размеры единиц от со-
ответствующих эталонных СИ;
Перечисленные эталонные СИ позволяют решать
только часть возникающих в настоящее время задач.
Как было сказано выше, развитие ВОСП потребова-
ло применения новых компонентов, в первую оче-
редь, связанных с использованием одномодового ОВ,
систем со спектральным разделением каналов и др., а
также ужесточения требований к погрешностям
средств измерений и расширению диапазонов изме-
рений.
С целью обеспечения единства и достоверности ре-
зультатов измерений в данной области ВНИИОФИ
проводит работы по сличению СИ с метрологически-
ми центрами ряда ведущих стран. В части измерений
мощности оптического излучения, геометрических па-
раметров ОВ и рефлектометрии такие работы в на-
стоящее время проводятся с NIST(CUIA) и РТВ (Гер-
мания). Эти работы предполагается развивать с целью
взаимного международного признания результатов из-
мерений и упрощения вопросов ввоза и применения в
России импортных приборов и, наоборот, отечествен-
ных приборов и систем за рубежом.
О задачах дальнейшего развития
метрологического обеспечения
Дальнейшее развитие системы метрологического
обеспечения определяется задачами производства и
эксплуатации ВОСП и их компонентов. Так, например,
при производстве ОВ с рабочей длиной порядка еди-
ниц километров требуется в настоящее время изме-
рять затухания 0,1-10 дБ с погрешностью существен-
но ниже достигнутой в настоящее время; при оценке
качества соединителей и других пассивных компонен-
тов необходимо производить измерения на уровне по-
рядка 0,01 дБ. С другой стороны, при оценке линий в
условиях прокладки и эксплуатации необходимо пере-
крывать диапазоны, присущие большим строительным
длинам (в основном методами рефлектометрии). При
этом диапазоны длин и затуханий составляют, соответ-
ственно, более 100 км и 30-40 дБ. Эти и подобные тре-
бования и определяют направления усовершенствова-
ния рассмотренных установок, методов и средств мет-
рологического обеспечения измерений. К этому’
добавляется необходимость перехода к работе высо-
коскоростных ВОСП с одномодовым ОВ на длине вол-
ны 1,55 мкм, а также метрологического обеспечения
измерений специальных параметров одномодового
ОВ — длины волны отсечки, хроматической диспер-
сии, диаметра пятна модового поля и др.
В настоящее время проводятся работы по реали-
зации метрологического обеспечения измерений па-
раметров ВОСП для систем со скоростью передачи
информации до 1 Гбит/с, а также по расширению но-
менклатуры измеряемых параметров в соответствии
с системными требованиями. Проводятся усовершен-
ствования и комплексирование эталонов в перечис-
ленных направлениях, исследования по их использо-
ванию для измерений диаметра пятна модового поля
и хроматической дисперсии и работы по созданию
эталонных мер и устройств для поверки СИ перечис-
ленных параметров.
Литература:
1. Введение в технику измерений оптико-физических па-
раметров световодных систем — Под ред. А.Ф. Котюка. — М.:
Радио и связь, 1997.
5. ГОСТ 27908-88 Стыки цифровых волоконно-оптиче-
ских систем передачи первичной сети ЕАСС. Номенклату-
ра и основные параметры.
6. ГОСТ 28871-90 Аппара тура линейных трактов цифро-
вых волоконно-оптических систем передачи. Методы изме-
рений основных параметров.
7. Бубук Г.А. Об основных результатах деятельности мет-
рологической службы Госкомсвязи России и ее ближайших
задачах // Метрология и измерительная техника в связи. —
1998.-№ 1.-С. 2-4.
10. Ромашков А.П., Тихомиров С.В. // Измерительная
техника. — 1998. — № 11. — С. 24-27.
С.В. Тихомиров
672
Метрология лазерной медицинской техники
За 30-летний период своего существования лазер-
ная медицина и ее аппаратурное обеспечение по суще-
ству сформировались в соответствующие самостоя-
тельные отрасли медицины и приборостроения. Ла-
зерную медицину по функциональному применению
лазерной аппаратуры можно разделить на три основ-
ных направления: терапия, хирургия и диагностика.
Уникальные специфические свойства лазерного излу-
чения в медицинском применении выдвигают лазер-
ную медицину как одно из наиболее перспективных на-
правлений медицины XXI в. при лечении очень широ-
кого круга заболеваний.
К настоящему времени в России создана научно-ме-
дицинская, научно-техническая и производственная
база, обеспечившая широкое распространение мето-
дов лазерной медицины и аппаратуры ее реализации.
В стране эффективно используется более 100 тыс. ла-
зерных аппаратов, при этом более 80 % приходится
на терапевтическую аппаратуру („Узор“, „Альфа", „Мус-
танг", „Милта", Адепт" и др.), около 15 % на хирурги-
ческую (наиболее распространенными являются уста-
новки типа „Радуга", „Ромашка", „Скальпель", „Ян-
тарь", „Ятаган" и др.) и до 5 % — на диагностическую.
В области лазерной медицины по многим ее направле-
ниям Россия общепризнанно занимает лидирующее
положение в мире. Обобщение этих результатов по-
зволяет сделать вывод о перспективности и дальней-
шем расширении как лазерной области медицины, так
и соответствующего направления лазерного медицин-
ского приборостроения.
Эффективность лазерной медицинской техники
определяется ее основными параметрами и характе-
ристиками: спектральный диапазон (длины волн из-
лучения), режимы излучения (непрерывный, им-
пульсный, модулированный), энергетический диапа-
зон (мощность или энергия излучения), частотный
диапазон для импульсного и модулированного излу-
чения и временной диапазон (времена экспозиции).
В хирургии их совокупность определяет степень обуг-
ливания и возможность коагуляции при разрезе био-
ткани, глубину теплового поражения и толщину раз-
реза, ряд других результатов. В терапии — возникно-
вение тех или иных физико-химических реакций в
тканях, больший или меньший отклик в физиологи-
ческих реакциях организма в целом и его функцио-
нальных систем, глубину проникновения излучения
в ткани и т.д. В диагностике — достоверность получае-
мой информации и постановки диагноза.
Отсюда вытекает необходимость контроля и обес-
печение управления теми или иными параметрами и
характеристиками излучения в целях не только дости-
жения высокого положительного лечебного эффекта,
но и защиты организма пациента от причинения ему
вреда [1,2]. Внедрение в медицине высокоэффектив-
ных лазерных технологий не может осуществляться
без соответствующего развития и совершенствования
метрологического обслуживания лазерной медицин-
ской аппаратуры. Достижение достоверности и един-
ства измерений основных параметров и характери-
стик лазерных аппаратов неразрывно связано с созда-
нием и внедрением системы метрологического
обеспечения в области лазерной медицины.
Ряд основных параметров и характеристик лазер-
ной медицинской аппаратуры (спектральный, частот-
ный, временной диапазоны и режимы излучения)
определяются фундаментальными константами или
техническими решениями, обеспечивающими их вы-
сокую точность и воспроизводимость, при которых па-
раметры сохраняют в течение всего срока эксплуата-
ции аппарата свои значения без изменения, либо с не-
значительными изменениями, не оказывающими
существенного влияния на результаты лечебного про-
цесса. Поэтому достаточным является их контроль и
измерения лишь при выпуске аппарата [3].
В то же время энергетические параметры излуче-
ния во многом зависят от большого числа факторов в
процессе эксплуатации и часто требуют управляемо-
го варьирования их значением. Поэтому необходи-
мым является не только контроль и калибровка аппа-
ратов при выпуске, но и обеспечение возможности из-
мерения их энергетических параметров в процессе
медицинской эксплуатации аппаратов для установле-
ния требуемой в каждом конкретном случае дозиров-
ки. Это подтверждает необходимость применения фо-
тометров, как правило, входящих в состав лазерных
аппаратов последних лет разработки, в качестве сред-
ства измерения и их периодической поверки и калиб-
ровки в процессе эксплуатации аппаратов. Приемле-
мая и достаточная для медицинской практики погреш-
ность измерения мощности излучения при этом
составляет 15-20 % для непрерывного и 25-30 % для
импульсного излучения [4].
Особенности метрологии лазерной медицинской
техники связаны, в первую очередь, со спецификой
взаимодействия лазерного излучения с биотканью и
доминирующим применением полупроводниковых из-
лучателей (более 90 % аппаратуры) с расходимостью
в десятки градусов. Помимо этого широко использу-
ются различные формирующие устройства (линзы,
рассеиватели, волоконная оптика, насадки и т.п.). По-
этому использование для контроля мощности излуче-
ния стандартных средств измерений (например,
673 ^=========^^=^=
ИМО-2 и аналогичных) с допустимой расходимостью
в единицы градусов в большинстве случаев является
некорректным и требуется применение специализиро-
ванного измерительного и поверочного оборудования.
Во ВНИИОФИ создана и выпускается специализи-
рованная контрольно-измерительная аппаратура—эта-
лонные средства измерений, предназначенные для ка-
либровки и поверки лазерной медицинской аппарату-
ры как терапевтического, так и хирургического
назначения: установка для поверки фотометров лазер-
ной терапевтической аппаратуры („АЛЬФА-СТАН-
ДАРТ") и рабочее место поверителей на ее основе и
„ГРАДИЕНТ" для хирургической лазерной аппаратуры
[5]. Указанная контрольно-измерительная аппаратура
обеспечивает возможность калибровки и поверки
встроенных и внешних средств измерений, используе-
мых в лазерной медицинской аппаратуре. Она адапти-
рована к геометрическим характеристикам пучков ла-
зерного излучения, применяемым в медицинской прак-
тике, позволяет проводить измерения значений
средней мощности как непрерывного, так и импульс-
ного и импульсно-модулированного лазерного излуче-
ния. При этом для аппаратуры „АЛЬФА-СТАНДАРТ"
предельное значение пиковой мощности составляет
20 Вт при длительности импульсов 60-180 нс и часто-
те следования до 15 кГц в спектральном диапазоне 0,63-
1,8 мкм с погрешностью измерений (5-8) %, для аппа-
ратуры „ГРАДИЕНТ" допустимая локальная плотность
мощности 1000 Вт/см2 в спектральном диапазоне 0,24-
12,0 мкм с погрешностью измерений (2-5) %. Калиб-
ровка и поверка аппаратуры „АЛЬФА-СТАНДАРТ" и
„ГРАДИЕНТ" осуществляется по эталонам мощности
лазерного излучения, хранящимся в национальном мет-
рологическом центре — ВНИИОФИ.
Аппаратура АЛЬФА-СТАНДАРТ" и „ГРАДИЕНТ"
предназначена для оснащения предприятий-произво-
дителей лазерной медицинской аппаратуры, подраз-
делений и организаций, осуществляющих обслужива-
ние и ремонт лазерной медицинской техники, отделе-
ний Медтсхники и государственных поверочных
служб, сертификационных органов. Специфические
особенности лазерной медицинской (в первую оче-
редь, терапевтической) аппаратуры, а также специфи-
ческие требования к параметрам и характеристикам
как самих медицинских аппаратов, так и соответствую-
щего контрольно-измерительного оборудования дела-
ют целесообразным создание специализированной
локальной поверочной схемы, метрологически „при-
вязанной" к соответствующим государственным пове-
рочным схемам общего назначения. В рамках решения
задач метрологии лазерной медицинской аппаратуры
в настоящее время начато создание широкой и пол-
ной гаммы эталонных средств калибровки и поверки
серии „СТАНДАРТ" для оснащения региональных сер-
висных и метрологических служб, организаций-произ-
водителей, сертификационных и испытательных
центров [5].
Особое внимание должно быть уделено метроло-
гии фундаментальных исследований в области лазер-
ной медицины, поскольку углубление представления
о биомеханизме лазерного воздействия является не-
возможным без соответствующего аппаратурного и
метрологического обеспечения. Объективные фунда-
ментальные исследования в этом направлении могут
проводиться только при наличии соответствующей
контрольно-измерительной аппаратуры, гарантиро-
ванно обеспечивающей достоверность и точность ре-
зультатов измерений.
К перспективным направлениям метрологии ла-
зерной медицины следует отнести биофотометрию и
ее аппаратурное обеспечение. Наличие биофотомет-
ров (автономных или встроенных) позволяет опреде-
лять не только падающую, но и поглощенную дозу
облучения [3].
Не менее важным является создание средств изме-
рений для недавно возникшего перспективного на-
правления в лазерной медицине — применения ульт-
рафиолетового лазерного излучения. Медицинские ап-
параты на их основе уже хорошо зарекомендовали себя
при лечении туберкулеза, для микрохирургических ме-
тодов коррекции зрения (близорукость, дальнозор-
кость, астигматизм)и др.
Литература:
1. Karu TJ. Photobiology of laser therapy. London, Paris, New
York, 1989, Harward Acad. Publishers, 187 p.
2. Илларионов B.E. Основы лазерной терапии. — M.: Изд-
во „РЕСПЕКТ", 1992. - 123 с.
3. Ромашков А.П. Аппаратура для лазерной терапии- мет-
рология, унификация, стандартизация. — М.: ВНИИОФИ,
1995.-53 с.
4. Ромашков А.П., Тихомиров С.В., Москвин С.В. Вопро-
сы сервисного и метрологического обслуживания лазерной
терапевтической аппаратуры в России //Лазерная медици-
на. - 1997. - № 1(2) - С. 35.
5. Ромашков А.П., Тихомиров С.В. Состояние и перспек-
тивы метрологического обеспечения лазерной медицины и
лазерной медицинской техники // Измерительная техника.
-1998.-№9.-С. 41.
С.В. Тихомиров
22 Зах.450
674
История развития и современное состояние
цветовых измерений
Вся деятельность человека в той или иной мере
всегда связана с цветом и во многих случаях требует-
ся его оценка.
Этим целям служит точная физическая наука ко-
лориметрия (раздел оптики), предметом ее измере-
ния является цвет Однако строго научное определе-
ние понятие „цвет в колориметрии" ни в коем случае
не следует смешивать с житейским определением это-
го слова при оценке таких зрительных ощущений и
при названии цветов предметов.
„Цвет в колориметрии" - физически измеряемая
величина, характеризующая объективные свойства из-
лучения. Это—трехмерный аффинный вектор, что не-
посредственно следует из строгих экспериментально
установленных законов сложения цветов, открытых
Максвеллом и Грассманом в середине прошлого века.
Глаз человека в колориметрии является, в конеч-
ном счете, основным измерительным прибором, и в
силу этого обстоятельства иногда ошибочно ставит-
ся под сомнение объективность данной науки. На са-
мом деле цвет выделяет ту объективную характери-
стику излучения, которая нужна для данного прием-
ника — глаза. В случае возможной замены приемника
потребовалось бы измерять другое объективное свой
ство излучения, но при этом сохранилось бы значе-
ние всего математического аппарата этой науки.
Физическую основу колориметрии составляют
спектральные энергетические измерения и, соответ-
ственно, она опирается на энергетический эталон.
Понятие единицы цвета аффинного векторного
пространства не укладывается в рамки эквивалентно
заданию векторной системы измерений Можно го-
ворить только о единицах измерения координат. Они
энергетические, абсолютные или относительные в за-
висимости от того, измеряется ли цвет самосветяще-
гося объекта или несамосветящегося, отражающего
или пропускающего свет.
Цветовые измерения основаны на установке нуль-
рагенства между измеряемым цветом и суммой трех
цветов, выбранной системы измерений. Отсюда про-
истекают такие основные понятия колориметрии, как
вектор цвета, координаты цвета, цветовое уравнение,
трехцветная система измерения, средний стандарт-
ный наблюдатель и все другие, зафиксированные в
ГОСТ 13088-67 „Колориметрия. Термины и буквен-
ные обозначения".
Существует три метода измерения цвета: визуаль-
ный, объективный и расчетный. Соответственно при-
меняется много цветовых приборов различной сте-
пени точности: от простейших визуальных колори-
метров, до высокочувствительных колориметров и
компараторов, В отношении точности отдается пред-
почтение методу компарир( >вания цветов относитель-
но образцов, метрологически аттестованных.
По существу основные научные положения коло-
риметрии были сформулированы в прошлом веке
классиками естествознания: Ньютоном, Ломоносо-
вым, Юнгом, Грассманом, Хельмгольцем, Максвеллом:
в XX в. в ней сделали существенный вклад Шредин-
гер и Нюберг.
Эти положения таковы:
— цветовосприятие осуществляется функциониро-
ванием трех светочувствительных приемников глаза;
— цвет — трехмерный аффинный вектор; цвета
можно измерять и складывать, преобразуя по законам
векторной алгебры;
— существенно различать две метрики цвета: низ-
шую, как чисто физическую, в которой глаз выступа-
ет в роли нуль-прибора и высшую, как метрику Цве-
товых ощущений, имеющую дело с установками на
наибольшее сходство и наименьшее различие между
цветами (пороговую метрику). Низшая метрика цве-
та — собственно колориметрия, основательно изу-
чена. Высшая метрика — в значительной степени
остается еще „белым пятном" в колориметрии, т.е.
свойства глаза как измерительного прибора еще не-
достаточно изучены, а ими определяется погреш-
ность цветовых измерений и допуска по цвету.
Колориметрия необходима как физический фунда-
мент во всех разнообразных областях цвстовсдения.
Она органически связана со всеми научными исследо-
ваниями по физиологической оптике. Без нее невоз-
можна правильная цветовая репродукция в цветных
кино, телевидении, цветной печати. Но самое широ-
кое ее применение требуется в легкой промышленно-
сти (текстильной, лакокрасочной, полиграфической
и т.п.) для правильного проведения технологическо-
го процесса и контроля качества продукции.
Для практического внедрения колориметрии по-
требовалась метрологическая деятельность. Эту зада-
чу взяла на себя международная комиссия по освеще-
нию (МКО). Английские и американские специалисты
Смитт, Гилд, Райт, Джадд провели колориметрические
измерения и исследования метрологического характе-
ра, результаты которых были впервые представлены
в 1931 г. в форме международных рекомендаций по цве-
товым измерениям.
Современное состояние метрологии цветовых из-
мерений, утвердившееся в международной практике
и отраженное в стандартах таково:
Цвета самосветящихся объектов (источников све-
та), координаты которых следовало бы измерять в аб-
675
солютных энергетических единицах, измеряются фо-
тометрической единицей (канделой) с добавлением
двух, так называемых, координат, цветности, указы-
вающих направление цветового ректора цвета. По-ви-
димому, такие измерения удобны для светотехников,
но, отнюдь не для колориметристов. Однако рекомен-
дации МКО 1931 г. относятся только к измерению не-
самосветящихся объектов, т.е. к той области цветов,
которые включены в цветовом теле. Здесь координа
ты цвета измеряются, как полагается, в относитель-
ной энергетической мере (относительно координат
цвета образца белой поверхности), но и здесь сказа-
лось влияние светотехников, которые совершенно из-
лишне ввели в функции сложения цветов среднего
стандартного наблюдателя гетерохромную кривую
видности, снизив точность цветовых измерений.
Влияние светотехников невыгодно отразилось и на
выборе колориметрической системы основных цве-
тов. Вместо естественной физиологической системы
PioGoBu, отражающей деятельность приемников, вве-
дена крайне неудобная и ненаглядная светотехниче-
ская система XYZ с двумя Хи/, безъяркостными цвета-
ми, с двугорбой, трудно фотоэлектрически воспроиз-
водимой кривой сложения х|4 и неравномерным
масштабом Единственное расчетное преимущество
системы XYZ — сосредоточенность яркости в коорди-
нате, утратило значение с развитием вычислительной
техники.
По видимому, настало время для Международной
Ассоциации но цвету (МАП,) взять на себя вопросы
метрологии цвета.
Потребность в колориметрии возникает в процве-
тающем обществе. И у нас она возникла в 20-х гг. XX в.
В Государственном Оптическом Институте (ГОИ)
была создана Цветовая лаборатория с группой Зри-
тельных восприятий. В ней начали работать молодые
сотрудники, окончившие Ленинградский Государст-
венный Университет (ЛГУ), Политехнический и Пе-
дагогический Институты, под руководством Л. И. Дем-
киной и Г.Н. Раутиана. В то время вопрос о научно-
исследовательских кадрах стоял очень остро и ГОИ
принимал на работу студентов. Этой новой важной от-
раслью оптики заинтересовались специалисты-свето-
техники С.О. Майзель, М.М. Гуревич, Н.Г. Бодцырсв.
Одновременно в Москве во Всесоюзном институте
Экспериментальной Медицины (ВИУМ) колоримет-
рией в научно-преподавательском плане стали зани-
маться физики, ученики школы академика П.П. Лаза
рева: Н.Т. и В.И. Федоровы и Н.Д. Нюберг — молодой
математик, выпускник Московского Государственно-
го университета (МГУ). Заинтересовался проблема-
ми цвета и метролог П.М. Тиходеев — руководитель
Фотометрической лаборатории Всесоюзного Научно-
исследовательского Института метрологии (ВНИ-
ИМ) В Педагогическом Институте стали преподавать
колориметрию А.П. Уршов и А.А. Хархаров.
Очень скоро были сконструированы и изготовле-
ны на Опытном заводе ГОИ необходимые приборы:
лабораторный трехцветный колориметр Л.И. Демки-
ной, заводский и полевой колориметры, а так же пер-
вая модель аномалоскопа. Все названные приборы бы-
ли визуальные; в ту пору об объективных фотоэлек-
трических приборах можно было только мечтать,
хотя принцип их построения и первые макеты уже
разрабатывались. В эти же годы Л.И. Демкина нача-
ла подготовительную работу по созданию атласа цве-
тов как единой национальной меры цвета.
В эти годы Н.Д. Нюберг провел теоретические ис-
следования, в результате которых определил форму
цветового тела, разрешив главный основной вопрос
о границах цветового пространства колориметрии не-
самосветящихся тел.
Вскоре колориметристы-ученые распространили
свое влияние на промышленные лаборатории, уста-
новив с ними тесные творческие связи. В частности
на Изюмском заводе цветного стекла начали занимать-
ся разработкой оптически совершенных цветных сте-
кол и создавать их каталог. Установились связи и с во-
енными организациями.
В этот период был написан ряд книг и курсов по
колориметрии (главным образом 11.0. Федоровым,
Н.Д. Нюбергом и С.О. Майзелем) и руководств по цве-
ту (Л.И. Демкиной). Был опубликован в физических
и оптических журналах целый ряд научных статей
Возник вопрос об унификации и стандартизации
цветовых измерений в Советском Союзе с учетом
только что появившихся рекомендации МКО. Поэто-
му во ВНИИМ приступили к созданию прецизионной
колориметрической установки и спектрального коло-
риметра для измерения функций сложения цветов.
Вместе с тем было чрезвычайно важно упорядочить
цветовые понятия, определения, термины и обозна-
чения.
Работа над стандартом продвигалась с большим тру-
дом, так как появление новой физической величины
„цвет" смущало даже таких крупных метрологов, как
М.Ф. Маликов, Л.В. Залуцкий, П.М. Тиходеев и, глав-
ным образом, потому что у трехмерного аффинного
вектора не оказалось единиц в том обычном понима-
нии, которое существует во всех других видах, измере-
ния. Следующим препятствием было разногласие в
трактовке и определении, самого понятия „цвет" меж-
ду колоримстристами и светотехниками. Последние
упорно отстаивали позиции С.О. Майзеля. согласно ко-
торой „цвет" — не самостоятельная физическая вели-
чина. а только придаток, качест венная характеристи-
ка фотометрической яркости. По существу ошибка бы-
ла в международных рекомендациях МКО. и наши
светотехники готовы были ее повторить. Н.Д. Нюберг,
будучи по существу прав, никак не мог убедить почтен-
ную аудиторию в том, что цвет самостоятельная энер-
гетическая величина, независимая от фотометрии и
этой новой величине — аффинному вектору необходи-
мо предоставить свободу дня стандартизации его без
метрических единиц.
Великая Отечественная война нарушила планы ко-
лориметрии, но после окончания войны работа возоб-
новилась с возросшей интенсивностью.
К разработке ГОСТ „Колориметрия" стало воз-
можным вернуться лишь в 50-х гг., разработка стандар-
та затянулась почти на 10 лет. Колориметристы и све-
тотехники так и не смогли придти к единому мнению
в основных положениях.
Каждое совещание сопровождалось борьбой двух
школ. Оппозиция в лице Д.А. Шкловера, а также
М.М. Гуревича оказывала сильное сопротивление. По-
этому Н.Д. Нюбергу пришлось использовать весь свой
676
научный авторитет, проявить свою волю и законное
право высоко квалифицированного колориметриста
и математика, чтобы заставить оппозицию отступить,
достигнув, таким образом, выпуска правильного ГОС-
Та, необходимого колориметристу-практику.
С великим энтузиазмом народ-победитель начал
восстанавливать разрушенное войной хозяйство стра-
ны. Возрождалось производство. Развивалась наука,
не отставала и колориметрия, проблемами которой
стали заниматься в тесном контакте ГОИ и ВНИИМ.
К сожалению Л .И. Демкина — пионер и одна из ос-
нователей отечественной колориметрии, увлекшись
бесцветным оптическим стеклом, не вернулась в ко-
лориметрию.
Для Г.Н. Раутиана и его сотрудников это были пло-
дотворные годы, в которые он мог поставить и выпол-
нить ряд исследований в области цветового зрения на
новой оригинальной аппаратуре, изготовленной на
опытном заводе ГОИ. На специальном сдвоенном ко-
лориметре и аномалоскопе были проведены обшир-
ные исследования, направленные на выяснение и мет-
рических свойств глаза. Это — исследование порогов
цветоразличения в различных условиях работы глаза.
Это — массовое статистическое исследование форм
цветового зрения, его дефектов и аномалий, в резуль-
тате была разработана и предложена новая рациональ-
ная классификация форм цветового зрения с количе-
ственной пороговой мерой оценки его состояния.
Г.Н. Раутианом на базе Изюмского завода Цветно-
го стекла были разработаны стеклянные светофильт-
ры для лабораторного воспроизведения стандартно-
го дневного света, которые залепили неудобные жид-
кие светофильтры, рекомендованные МКО.
Н.И. Сперанской были выполнены эксперименты
по новому определению функций сложения цветов
среднего стандартного наблюдателя, результаты ко-
торых вошли в международный стандарт МКО 1964 г.
Существенно, что эти эксперименты были выполне-
ны с применением правильной методики энергетиче-
ских измерений.
М.М. Гуревич с группой своих сотрудников и в со-
дружестве с ЛОМО осуществил прецизионный спек-
трофотометр СФ-2 (и последующих марок СФ-2М,
СФ-10, СФ-14) и создал качественно идеальный обра-
зец белой поверхности из специально разработанно-
го молочного стекла МС-14, МС-20.
Эти разработки впоследствии были использованы
для создания во ВНИИМ Государственного специаль-
ного эталона единицы спектральных коэффициентов
пропускания и отражения видимого спектра.
М.М. Гуревич, развивая методику компарирования
цветов, разработал, а Загорский Оптико-механиче-
ский завод (ЗОМЗ) изготовил фотоэлектрический
компаратор цвета ФКЦ-Ш (с шаровым осветителем).
В 1951 г. М.М. Гуревич опубликовал курс колори-
метрии: „Цвет и его измерение", в котором, в соот-
ветствии с рекомендациями МКО, определил цвет,
как качественную характеристику количественной
фотометрической величины. Естественно, Н.Д. Ню-
берг подверг, эту книгу резкой основательной крити-
ке и опубликовал ее в „Вестнике Академии Наук".
За три года работы в ГОИ Н.Д. Нюберг и Е.Н. Юс-
това в колориметрических опытах с дихроматами оп-
ределили цвета основной физиологической системы
Rf|G(]Bf) и кривые спектральной чувствительности при-
емников глаза. Эти данные, признанные классически-
ми, включил в свой учебник „Современный курс фи-
зики. Лекции по физике" Л. Фейнман. (Книга была из-
дана в Советском Союзе в 1967 г.)
Система Ro Gf)B(( открыла путь для построения новых
рациональных средств испытания цветового зрения
(аномалоскопов, тестовых таблиц). Система R0G0B()
была применена в вышеупомянутом аномалоскопе
Г.Н. Раутиана и „Пороговых таблицах для испытания
цветового зрения", разработанных ВНИИМ (Е.Н. Юс-
товой и К.А. Алексеевой) совместно с Военно-медицин-
ской Академией (В.В. Волковым и В.И. Сергеевым).
Таблицы вышли 2-м изданием в 1994 г.
Одновременно в Московском Научно-исследова-
тельском Институте Светотехники (ВНИСИ) развер-
нулись обширные научные исследования по объектив-
ной фотоэлектрической колориметрии. Организато-
ром и руководителем этих работ был Д.А. Шкловер —
ученик В.В. Мешкова, профессора кафедры Светотех-
ники Московского Энергетического института
(МЭИ), где работали его единомышленники А.И. Ры-
мов и Р.С. Иоффе. Этот коллектив ученых разработал
рад объективных приборов лабораторного и промыш-
ленного назначения: УФК-1, КНО-2, ЭКЦ-1, ТК-1 и др.,
которые могли быть широко, внедрены во многие от-
расли легкой промышленности, если бы оптические
заводы осуществили их серийный выпуск. К сожале-
нию, из-за различных бюрократических проволочек
и недостаточной мощности оптико-механических за-
водов (ЛОМО и ЗОЗМ) внедрение не состоялось.
Причина была и в том, что Д.А. Шкловер заложил в
основу разработки приборов свою излюбленную све-
тотехническую систему а, /}, не приемлемую коло-
риметристами школы Н.Д. Нюберга. Это обстоятель-
ство тоже в некоторой степени отрицательно сказа-
лось на внедрении.
В.В. Мешков и А.Б. Матвеев разработали и подго-
товили к изданию учебный курс „Основы светотехни-
ки", включив в него новый раздел „Физиологическая
оптика и колориметрия", в котором подробно изло-
жили успехи отечественной колориметрии. После
смерти В.В. Мешкова его ученик и последователь
А.Б. Матвеев подготовил новое издание книги, вклю-
чив новые данные своих теоретических исследований
высшей метрики цвета, что значительно расширило
раздел „Колориметрия".
Достижения наших ученых в области колоримет-
рии начали быстро внедряться в различные виды про-
мышленности, в экономическую и торговую жизнь.
С поступлением новых фотоэлектрических прибо-
ров возросло значение промышленных контрольно-
измерительных шкал: нефтепродуктов, канифоли, жи-
ров и маргаринов, атласов и, так называемых, „цвет-
ников". Все это потребовало поверки.
Перед Комитетом стандартов возникла серьезная
метрологическая задача обеспечения единства и стан-
дартизации цветовых измерений в стране. Эта задача
была возложена на ВНИИМ, в котором уже имелись
определенные предпосылки для ее выполнения, — бы-
ли созданы образцовые приборы. Однако главным на-
учным вопросом была разработка эталона цвета.
В соответствии с рекомендациями МКО, эталон
создавался для цветовых измерений в пределах цве-
677 ...........
тового тела. Для определения цвета эталонных образ-
цов был принят метод расчета по их спектрофотомет-
рическим характеристикам и стандартизованным
МКО функциям сложения цветов среднего стандарт-
ного наблюдателя. Следовательно, высокую точность
и стабильность воспроизведения цветов можно было
достичь за счет прецизионных спектрофотометриче-
ских измерений и стабильности эталонных мер, что
и осуществил ВНИИМ.
Эталон представлен комплексом, состоящим из на-
бора прозрачных и отражающих образцов цвета, из-
готовленных из цветного оптического стекла ГОИ и
высокоточной СФ-установки, созданной на базе оте-
чественного спектрофотометра СФ-14.
Была произведена трудоемкая научно-исследова-
тельская работа по созданию стабильных отражаю-
щих образцов. Для этого ГОИ совместно с ВНИИМ
разработали специальные глушеные оптические стек-
ла, а точность спектрофотометрических измерений,
путем ряда конструктивных изменений и дополнений,
была повышена в 5 раз по сравнению с той, которую
обеспечивал прибор СФ-14.
В плане разработки эталона было выполнено ис-
следование, позволившее выяснить научно и техни-
чески важный вопрос о необходимом и достаточном
числе стандартных образцов цвета при выполнении
компараторных измерений. В результате предложен
метод определения числа стандартных образцов в за-
висимости от допуска на воспроизведение функций
сложения цветов в компараторе и требования к точ-
ности измерений. Этот метод был использован при
выборе цветов эталонных мер. Так появился в 1975 г.
Государственный специальный эталон единицы спек-
тральных коэффициентов пропускания и отражения
видимого излучения, ГОСТ 8.205-76.
Параллельно с работой над эталоном ВНИИМ раз-
работал Государственную поверочную схему для
средств измерения цвета и всю необходимую норма-
тивно-техническую документацию на правила повер-
ки средств измерения цвета. В основу этой схемы был
заложен принцип компарирования цветов как наибо-
лее надежный и точный при передаче цвета от этало-
на до рабочей меры.
Одновременно была проделана исключительно
трудоемкая работа над созданием атласа стандартных
образцов цвета с тысячей образцов (АЦ-1000). Этот
атлас метрологического назначения является, подоб-
но атласам Менселла и ДИН, единой национальной
мерой нашей страны, по которому методом компари-
рования должно сравнивать и проверять отраслевые
агласы и шкалы цветов.
Вся работа ВНИИМ протекала в тесном контакте с
Метрологическими лабораториями стран-членов СЭВ.
И эта налаженная служба цвета была разрушена в
1985 г. когда, распоряжением Госстандарта СССР все
эталонное колориметрическое хозяйство было пере-
дано из ВНИИМ во ВНИИОФИ. Там смогли исполь-
зовать только эталонные меры ВНИИМ, а сердце
эталона — СФ-установка не была смонтирована и вос-
произведена, метрологическое правило передачи эта-
лонов было нарушено и, без каких-либо к тому основа-
ний, эталон ВНИИИМ, фактически, был разрушен.
Представленная в 1990 г. ВНИИОФИ поверочная
схема ГОСТ 8.205-90 „Государственная поверочная схе-
ма для средств измерения координат цвета и цветно-
сти" содержит грубую принципиальную ошибку, осно-
ванную на непонимании аффинной природы цвета.
Хотя эталона ВНИИМ более не существует, тем не
менее полезно знать о существовании первого отече-
ственного эталона единицы спектральных коэффици-
ентов пропускания и отражения, важного и для спек-
трометрии видимого спектра.
Однако, несмотря на такую странность, Госстан-
дарт, в прошлом, проявлял заботливое отношение к
развитию колориметрических работ ВНИИМ. Так в
1956 г. он создал специальную постоянную Колори-
метрическую Комиссию ПКК, которая сплотила на-
учные и инженерные кадры колориметристов и смеж-
ных с колориметрией областей для усиления колори-
метрии во ВНИИМ. Это был, как бы своеобразный
„Парламент", организующий и направляющий рабо-
ту ВИИИМ. Такая поддержка была необходима, т.к.
Ученый Совет ВНИИМ недооценивал промышленное
значение колориметрии и некоторые его члены не
считали колориметрию наукой.
На первом совещании Комиссии в 1956 г. обсужда-
ли актуальный вопрос о создании отечественного ат-
ласа цветов метрологического назначения как единой
меры цвета для всей страны и аттестованного во
ВНИИМ. (Надо заметить, что незадолго до этого со-
вещания АН СССР уже поднимала этот вопрос и пред-
лагала Госстандарту взяться за решение этой пробле-
мы). Свои соображения о принципах построения
атласа изложит Н.Д. Нюберг. Комиссия, обсудив все-
сторонне данную проблему, приняла решение рекомен-
довать ВНИИМ включить в план работы группы коло-
риметрии тему по созданию образцового атласа цве-
тов. Это была организационно сложная и очень
трудоемкая работа, т.к. в институте не было соответ-
ствующих условий для исполнения красочных работ.
Но ВНИИМ достойно справился с задачей и изгото-
вил атлас в тысячу образцов (АЦ-1000).
Из-за краткости статьи трудно изложить все акту-
альные вопросы, которые обсуждались на ПКК.
Вскоре НКК была преобразована в Межведомст-
венную Комиссию при Госстандарте, поскольку ес со-
став расширился за счет вступления представителей
различных ведомств и производств. Комиссия стала
менее заинтересована научными проблемами, уделяя
все больше и больше внимания организационным во-
просам. Поэтому ВНИИМ в 1976 г. организовал обще-
союзный семинар, на котором обсуждались исключи-
тельно проблемы и результаты научно-исследователь-
ских работ.
Особо надо отметить роль Н.Д. Нюберга. Выдаю-
щимся математик, он по дарованию несомненно пре-
восходил своих современников. В совершенстве вла-
дея теорией колориметрии, он глубоко понимал прак-
тические задачи и требования промышленности в
самых разнообразных вопросах. Поэтому на всех со-
вещаниях он был лидером и благодаря ему совещания
превращались в живую дискуссию на высоком науч-
ном уровне.
По-видимому, наше государство считало излишним
непосредственное общение советских ученых с колле-
гами из капиталистических стран. Правда, в библиоте-
ках научно-исследовательских институтов ученые име-
ли широкие возможности знакомиться с иностранной
678
научной литературой, которую выписывали на валю-
ту. Кроме того, издавна было заведено хранить в биб-
лиотечных, фондах труды классиков естествознания.
Всех этих материалов было вполне достаточно для пло-
дотворной научной работы и самобытного развития
колориметрии. Поездки за рубеж были крайне огра-
ничены. Но в 1957 г. советским ученым все же была
предоставлена возможность принять участие в Меж-
дународном симпозиуме по цвету, организованному На-
циональной Физической Лабораторией в 1еддингто-
пе (предместье Лондона). От Советского Союза было
представлено 10 докладов, тексты которых предвари-
тельно обсуждались на ПКК. Делегировано же было
только три человека: д.ф. м. наук Н.Т. Федоров, к.т.н.
Е.Н. Юстова и к.т.н. С.Г. Юров.
На симпозиуме был представлен весь цвет миро-
вой колориметрии; было много и молодых ученых.
Прибытие русских для иностранцев, очевидно, было
новинкой и, когда в аудиторию чинно ьошла совет-
ская делегация, все взоры обратились в их сторону.
Участие в симпозиуме принесло полезные резуль-
таты. В личном общении с выдающимися специалиста-
ми в области колориметрии и физиологической опти-
ки, такими как председатель Комитета по колоримет-
рии МКО проф. Д. Джадд (НБС), проф. В. Стайлс
(НФЛ), проф. В. Райт (Имперский Колледж) советский
ученым удалось обсудить научные вопросы метрологи-
ческой тематики и ознакомиться с аппаратурой НФЛ.
Таким образом, в дальнейшем через Комитет по
участию СССР в международных энергетических объ-
единениях установилась связь с МКО. В колориметри-
ческий Комитет I.3.I. МКО был введен эксперт Совет-
ского Союза д.т.н. Г.Н. Раутиан и к.т.н. Е.Н. Юстова как
консультант; экспертом Комитета по цветопередаче
стал к.т.н. Д.А. Шкловер. В нашу страну стали посту-
пать полезные информации о деятельности МКО, ус-
тановилась личная переписка между специалистами.
Но о вступлении в Организацию ИСО и МАЦ остава-
лось только мечтать.
В это же время установилось творческое общение
с учеными стран-участниц Совета Экономической
Взаимопомощи (СЭВ). Так, с представителями Вен
герской Народной Республики Виракхолми и Кени-
гом (из ГДГ) удалось провести совместную исследо-
вательскую работу по аттестации общего Эталонно-
го образца белой поверхности из молочного стекла
ГОИ и обменяться стандартными образцами цвета.
В метрологические институты стран-членов СЭВ
были переданы экземпляры образцового атласа цве-
тов АЦ-1000 ВНИИМ, благодаря чему были достигну-
ты унификация и единство цифрового языка цветов.
Кроме того, были успешно выполнены разработки
нормативных документов, рекомендации и повероч-
ная схема для средств измерения цвета; был также за-
ключен интересный план дальнейшего исследования
для создания единого колориметрического эталона
СССР принадлежала ведущая роль, как в организаци-
онном, так и материальном обеспечении работ СЭВ
ГДР активно участвовала в организации междуна-
родных научных симпозиумов по цвету, которые она
проводила, с интервалами в два года: „Интерфарбе-
66“, „Интерфарбе-68“ и т.д. Метрологи ВНИИМ все-
гда принимали участие в этих симпозиумах.
Полагаю, что в настоящее время всякое участие
России в международной научной деятельности по ко-
лориметрии прекращено. ВНИИМ утратил связь с
МКО. В предстоящем совещании МКО которое долж-
но состояться 24-26 июня с.г. в Варшаве, Россия, по-
видимому, не будет участвовать.
Русская метрологическая служба цвета, по-видимо-
му, находится в тлеющем состоянии. Промышленные
предприятия (в частности лакокраска и ВНИИ Тех-
нической Эстетики приобрел иностранные фотоэлек-
трические колориметры) в частности прибор Макбет-
та и колориметр в комплексе с атласом RAL, государ-
ственные испытания которых не произведены.
Деятельность ВНИИОФИ в этом направлении мне не
известна.
Послесловие
В заключение хочу напомнить, что создание науч-
ных школ — процесс длительный и сложный. В тече-
ние пятидесяти лет создавалась школа советских ко-
лориметристов. Строго продуманная структура эта-
лонного комплекса и Государственной поверочной
схемы во ВНИИМ явились метрологическим итогом
научных достижений этой школы
Будущим исследователям хочется дать совет; изу-
чайте колориметрию по работам классиков естество-
знания, осознайте прямую связь между цветом и энер-
гией излучения, минуя фотометрическую яркость, то-
гда не будет затруднений в понимании цвета, как одной
из основных физических величин, колориметрия
предстанет перед нами, как стройная изящная наука и
практические задачи станут разрешимы. И еще один
совет: критически воспринимайте публикации по ко-
лориметрии, трактующие цвет, как качественную ха-
рактеристику фотометрической количественной вели-
чины. Будьте бдительны к тем, кто вздумает без нужды
ломать основной правильный ГОСТ 13088-67 „Колори-
метрия".
Что касается прогноза на дальнейшие научные раз-
работки, то молодым ученым придется учас гвовать в
установлении нового международного стандарта на
функции сложения цветов, которые необходимо за-
дать с допускам, а эталонные меры в государственном
эталонном комплексе придется исчислять не тремя,
а многими образцами, число которых будет опреде-
лено требованиями к точности цветовых намерений.
Подобным путем образцовые наборы можно состав-
лять из образцового атласа цветов АЦ-1000. Так будет
утверждена „многоцветная колориметрия" для высо-
коточной оценки малых цветовых различий.
Далее, по-видимому, будет развиваться колоримет-
рия самосветящихся объектов с ее абсолютными энер-
гетическими измерениями, стандартами и эталоном.
Чтобы колориметрия успешно внедрялась во все
многочисленные области ее приложений, следует об-
легчить ее понимание введением физиологической
системы R0G0BQ в качестве основной, стандартной.
679
Краткий перечень колориметрических дости-
жений (иностранных и отечественных) XX в., значи-
тельных для ее развития.
1. Разделение колориметрии на высшую и низшую
метрики цвета.
2. Цветовое тело.
3. Физиологическая система R0G0B0 спектральной
чувствительности приемников глаза.
4. Новый стандартный наблюдатель 1964 г. МКО.
5. Новые аномалоскоп и пороговые таблицы для
испытания цветового зрения.
6. Книги, курсы колориметрии и руководства,
ГОСТ 13088-67 „КОЛОРИМЕТРИЯ".
7. Визуальные и объективные колориметры и ком-
параторы. Точный спектрофотометр типа Харди
(ГОИ).
8. Образец белой поверхности МС-20 для колори-
метрии и спектрофотометрии. Спектральные свето-
фильтры для воспроизведения источников В и С.
Цветные грушеные стекла для ... эталонов и образцов
цвета. Цветное оптическое стекло.
9. Принцип построения специального эталона еди-
ницы спектральных коэффициентов пропускания и
отражения (для колориметрии и спектрофотомет-
рии).
10. Поверочная схема для измерения цвета
ГОСТ 8.205-76.
11. Образцовые национальные атласы цвета:
Менселла, ДИН, ВНИИМ1).
12. Многоцветная колориметрия в применении к
измерению малых цветовых различий.
Примечание
В данный список работ не включен метод измере-
ния малых цветовых различий и оценки их скалярным
показателем д/г, вычисленным по рекомендованным
МКО формулам. Как бы малы ни были цветовые раз-
личия, они — по своей природе — трехмерные векто-
ры. Поэтому показатель д£ плохо согласуется со зри-
тельными оценками и следует воздержаться от вклю-
чения его в метрологию.
Е.Н. Юстова
1 Необходимо включить в ГОСТ на Поверочную схему.
Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Измерения характеристик
ионизирующих излучений
и ядерных констант
681
Метрологическое обеспечение в области
измерений ионизирующих излучений
История развития и современное
состояние
Ионизирующие излучения (ИИ) широко применя-
ются в науке и промышленности, технической диаг-
ностике, лучевой терапии, ядерной энергетике и дру-
гих отраслях народного хозяйства. Исследования ио-
низирующих излучений исторически начались с
великих открытий XIX в.: в 1895 г. — К. Рентгеном ра-
диоактивного излучения, в 1896 г. — А. Беккерелем яв-
ления радиоактивности и всегда опирались на особо
точные измерения.
Первые исследования в России в области измере-
ний ионизирующих излучений были начаты в Главной
Палате Мер и Весов (ГПМВ) известным российским
радиохимиком В.Д. Бородовским, который в 1914 г.
выделил чистый радий. В 1912 г. Международный Кон-
гресс по радиологии и электричеству поручил М. Кю-
ри изготовить образец радия в качестве эталона еди-
ницы массы радия.
В 1918 г. в ГПМВ была организована радиологиче-
ская лаборатория (руководитель Л.С. Коловрат-
Червинский). Основные исследования на этом этапе
(1918-1934 гг.) были направлены на обеспечение точ-
ных измерений параметров источников радия и
метрологическое обеспечение (совместно с Радиевым
Институтом) отечественной радиевой промышлен-
ности.
С 1918 г. под руководством академика А.Ф. Иоффе
развернут широкий фронт исследований в области
ядерной физики по изучению процессов ионизации
газов, которые явились основой становления новой
области измерений — дозиметрии ионизирующих из-
лучений.
Работы академика П.И. Лукирского, Д.Н. Наследо-
ва, В.М. Дукельского и др. позволили установить еди-
ницу экспозиционной дозы рентгеновского излуче-
ния — Рентген, и определить условия ее воспроизве-
дения. Эта единица на II Международном Конгрессе
рентгенологов была утверждена как основная едини-
ца дозы [1 ].
В 1924 г. в ГПМВ создается рентгенометрическая
лаборатория (руководитель П.В. Поройков).
В 1928 г. ГПМВ получила два вторичных междуна-
родных эталона радия № X и XI, получивших статус
государственных эталонов СССР (XI — основной эта-
лон, X— копия).
В 1930 г. в ГПМВ был разработан и введен в строй
групповой эталон единицы Рентген в диапазоне рент-
геновского излучения. В дальнейшем трудами П.В. По-
ройкова, К.К. Аглинцева, М.Ф. Юдина и др. проводит-
ся цикл исследований характеристик полей источни-
ков рентгеновского и гамма-излучений, разработка
методов точных дозиметрических измерений и соз-
дание измерительных средств [2].
Следующий этап развития метрологии ИИ связан
с восстановлением народного хозяйства СССР после
войны 1941-1945 гг. и необходимостью обеспечения
единства и достоверности ядерно-физических изме-
рений в процессе становления ядерной энергетики и
атомной промышленности.
В стране активно велись исследования в области
медицины и геофизики, обеспечения обороны стра-
ны и др., что требовало создания новых эталонов в
области ионизирующих излучений и системы метро-
логического обеспечения ядерно-физических измере-
ний в стране.
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева наступил новый
этап развития. В 1947 г. в институте создан отдел ио-
низирующих излучений, в который вошли радиоло-
гическая (радиометрическая), рентгенометрическая
лаборатории и лаборатория нейтронных измерений.
В 1956 г. в отделе появилась лаборатория ядерной
спектроскопии.
В это время проводятся исследования по разработ-
ке методов и созданию высокоточной аппаратуры для
измерений [3, 4. 5]:
— активности a, fl, /излучающих нуклидов и по
воспроизведению во ВНИИМе единицы активности
— Кюри, нового эталона единицы массы радия
(К.К. Аглинцев, П.И. Лукирский, М.Ф. Юдин,
М.Ф. Караваев, А.А. Константинов, Е.А. Хольнова);
— в области дозиметрии рентгеновского, гамма- и
бета-излучений (К.К. Аглинцев, М.Ф. Юдин, З.П. Ба-
лон, Г.П. Остромухова, И.А. Уряев, М.П. Кочина,
Р.Ф. Кононова, В.Н. Тучин);
— в области точных нейтронных измерений
(А.С. Карамян, И.А. Ярицына, М.Ф. Юдин, В.Т. Щебо-
лев, В.И. Фоминых, А.П. Яновский, ГМ. Стуков);
— исследования ядерно-физических констант
(Б.С. Джелепов, С.А. Шестопалова, О.И. Сумбаев,
П.Т. Прокофьев, И.Ф. Учеваткин, В.Э. Тер-Несесянц).
В результате этих исследований во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева были разработаны научные ос-
новы воспроизведения важнейших единиц в области
измерений ИИ, созданы эталоны и разработаны ме-
тоды и средства передачи размера единиц физиче-
ских величин от эталонов к рабочим приборам и ис-
точникам ИИ.
В 1969 г. 1осстандарт СССР утверждает систему эта-
лонов, созданных в отделе ионизирующих излучений
22* Зак 450
682
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, в области измерения
ИИ в качестве Государственных эталонов СССР [6, 7,
8]. Это эталоны единиц:
— активности радионуклидов — ГЭТ 6-69,
ГОСТ 8.033-74 (К.К. Аглинцев, М.Ф. Юдин, Ф.М. Ка-
раваев, А.А. Константинов, Е.А. Хольнова, С.А. Руси-
нова, А.Е. Кочин, В.Я. Алексеев);
— массы радия — ГЭТ 7-69, ГОСТ 8.036-74
(Ф.М. Караваев, Е.А. Хольнова, А.Ф. Дричко,
Л.П. Кулькова);
— поглощенной и эквивалентной дозы нейтрон-
ного излучения — ГОСТ 8.035-74 (М.Ф. Юдин,
А.П. Яновский, С.И. Слепышков, Л.П. Попружко,
С.Н. Балахничев, В.И. Фоминых). С 1978 г. эталон в
этом виде измерений находится во ВНИИФТРИ —
ГОСТ 8.347-79;
— экспозиционной дозы и мощности экспозици-
онной дозы рентгеновского и гамма-излучения —
ГЭТ 8-69 и ГОСТ 8.034-74 (И.В. Поройков, К.К. Аглин-
цев, М.Ф. Юдин, Г.П. Остромухова, З.П. Балон,
М.П. Авотина, И.А. Уряев, М.П. Кочина, В.Н. Тучин);
— поглощенной дозы бета-излучения — ГЭТ 9-69,
ГОСТ 8.035-74 (К.К. Аглинцев, И.А. Уряев, М.П. Ко-
чина);
— потока нейтронов — ГЭТ 10-69, ГОСТ 8.031-74
(А.С. Карамян, И.А. Ярицына, В.Т. ГЦеболев, В.И. Фо-
миных, ГМ. Стуков, Б.И. Кузаев, Ю.С. Силин);
— плотности потока тепловых нейтронов —
ГЭТ 11-69, ГОСТ 8.32-75 (И.А. Ярицына, О.Л. Андре-
ев, А.Е. Кочин, Е.П. Кучерявенко, Г.М. Стуков).
Следующий этап развития метрологии ИИ связан
с совершенствованием и оптимизацией системы мет-
рологического обеспечения бурно развивающейся
атомной науки и техники, ядерной энергетики, раз-
работкой и внедрением новейших радиационных тех-
нологий, широким применением источников ИИ и
ускорителей заряженных частиц в медицине для ди-
агностики и лечения заболеваний, для разведки по-
лезных ископаемых, в ядерной геофизике.
В этот период в п. Менделеево под Москвой соз-
дается ВНИИФТРИ, в котором были развернуты так-
же работы в области метрологического обеспечения
измерения ИИ.
Во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в соответствии
с Постановлением директивных органов были про-
должены исследования и разработка новых эталонов.
Осваиваются новые источники ИИ — источники
импульсного ионизирующего излучения — бетатрон
ВНИИМ Б50/50 с максимальной энергией 50 МэВ
(К.К. Хлебников, М.Ф. Юдин, В.В. Скотников,
Н.Д. Виллевальде, И.А. Уряев, Ю.В. Лысанов, ГВ. Аб-
рамов) и источники импульсного рентгеновского из-
лучения.
Результатом этих исследований ВНИИМ и ВНИ-
ИФТРИ явилось утверждение Госстандартом СССР ря-
да новых Государственных эталонов СССР (9, 10, 13):
— в 1972 г. во ВНИИФТРИ эталон единицы мощ-
ности поглощенной дозы гамма-излучения —
ГЭТ 38-72, ГОСТ 8.070-73 и ГОСТ 8.071-73 (Б.М. Иса-
ев. Ю.И. Брегадзе, А.И. Тултаев, В.А. Берлянд);
— в 1974 г. во ВНИИФТРИ эталон единиц плотно-
сти потока и флюенса нейтронов на ядерно-физиче-
скихустановках—ГЭТ 51-79, ГОСТ 8.105-80 (Ю.И. Бре-
гадзе, В.П. Ярына, В. Григорьев, К. Нурлыбаев);
— в 1975 г. во ВНИИМ эталон единицы потока
энергии тормозного излучения с максимальной
энергией 50 МэВ - ГЭТ 72-75, ГОСТ 8.201-76
(М.Ф. Юдин, В.В. Скотников, И.И. Цветков, В.И. Фо-
миных, В.Н. Бруй, А.Н. Таянович, А.А. Демидов);
— в 1975 г. во ВНИИМ эталон единицы мощности
поглощенной дозы рентгеновского излучения (20-
60 кэВ) - ГЭТ 73-75, ГОСТ 8.203-76 (М.Ф. Юдин,
В.И. Фоминых, А.П. Себекин, Р.Ф. Кононова,
Н.И. Косминина);
— в 1975 г. во ВНИИМ эталон единиц потока элек-
тронов и потока энергии электронов с энергией 5-50
МэВ - ГЭТ 93-75, ГОСТ 8.202 (М.Ф. Юдин, В.И. Фоми-
ных, И.И. Цветков, А.А. Демидов, Г.В. Кисельникова);
— в 1978 г. во ВНИИФТРИ эталон единиц погло-
щенной и эквивалентной дозы нейтронного излу-
чения - ГЭТ 117-78, ГОСТ 8.347-79 (Б.М. Исаев,
Ю.И. Брегадзе, П.Ф. Масляев);
— в 1978 г. во ВНИИФТРИ эталон единицы актив-
ности нуклидов в бета-активных газах — ГЭТ 20-78,
ГОСТ 8.039-79 (Н.Ф. Жданова, В.И. Албул, В.Г. Бара-
нов);
— в 1978 г. во ВНИИФТРИ эталон единицы кон-
центрации искусственных и естественных ра-
диоактивных аэрозолей (Бк/м3) — ГЭТ 39-78,
ГОСТ 8.090-79 (Л.С. Рузер, Ю.В. Кузнецов).
Следующий период развития системы МО НИИ
характеризуется созданием и внедрением системы
ГСИ, модернизацией эталонов на базе создания эта-
лонных комплексов, воспроизводящих размер не-
скольких взаимосвязанных физических величин, соз-
данием сети вторичных эталонов в различных регио-
нах страны, совершенствованием и оптимизацией
методов и средств передачи размера единиц разряд-
ным эталонам (образцовым) и рабочим средствам из-
мерений.
В результате завершения этих работ во ВНИИМ
(с 1979 по 1982 гг.) модернизированы и утверждены в
новом составе:
— эталонный комплекс единиц экспозиционной
дозы, мощности экспозиционной дозы и потока
энергии рентгеновского и гамма-излучения — ГЭТ 8-
82, ГОСТ 8.034-82 (Г.П. Остромухова, М.П. Кочина,
В.И. Фоминых, Р.Ф. Кононова, Е.Н. Юрятин, А.П. Се-
бекин, Ю.В. Лысанов, Т.Н. Новоселова, С.А. Федина,
Г.И. Маньков);
— эталон единицы поглощенной дозы бета-излу-
чения - ГЭТ 9-82, ГОСТ 8.35-82 (И.А. Уряев, Е.Н. Ру-
мянцева, А.М. Выгодский, Ю.В. Лысанов, В.И. Фоми-
ных);
— эталонный комплекс единиц потока и плотно-
сти потока нейтронов — ГЭТ 10-82, ГОСТ 8.031-82
(В.Т. Щеболев, З.А. Рамендик, Г.М. Стуков, И.А. Хари-
тонов, Е.П. Кучерявенко, Ш.В. Яблоков, В.А. Тумоль-
ский);
— эталонный комплекс единиц активности радио-
нуклидов, удельной объемной и поверхностной ак-
тивности радионуклидов, потока и плотности пото-
ка альфа- и бета-частиц и фотонов, ГОСТ 8.033-84.
Создан новый эталон для обеспечения единства из-
мерений экспозиционной дозы, средней мощности
экспозиционной дозы, среднего потока и средней
плотности потока энергии импульсного рентгенов-
ского излучения — ГЭТ 134-82, ГОСТ 8.473-82
..- 683
(М.Ф. Юдин, Н.Д. Виллевальде, И.А. Уряев, А.В. Обо-
рин, Ю.А. Волков, В.И. Фоминых).
Многочисленные работы по ликвидации последст-
вий Чернобыльской катастрофы потребовали от мет-
рологов направить исследования на разработку мето-
дов и аппаратуры, обеспечивающих массовый радиа-
ционный контроль окружающей среды, продукции с/
хозяйства, животноводства, сырья, пищевых продук-
тов и т.п. Эти исследования привели к совершенство-
ванию действующих эталонов и созданию новых эта-
лонных установок.
В 1995 г. Госстандартом утверждены ь новом соста-
ве „Государственный первичный эталон единиц актив-
ности, потока и плотности потока альфа-, бета-частиц
и фотонов радионуклидных источников" ГЭТ 6-95
(ГОСТ 8.033-96), предел явленный коллективом авто-
ров ВНИИМ в составе: Ю.В. Тарбеев, М.Ф. Юдин,
И.И. Кармалицын, И.А. Харитонов, Т.Е. Сазонова,
А.Е. Кочип, Е.А. Хольнова и „Государственный пер-
вичный эталон единицы поглощенной дозы фотонно-
го и электронного излучений" ГЭТ 38-96 (ГОСТ 8.070-
96), представленный коллективом авторов ВНИИФ-
ТРИ в составе: Ю.И. Брегадзе, Ю.А. Андреев,
В А. Берлянд, Б.А. Крючков, П.Ф. Магляев, Н.А. Сур-
начев, В.П. Ярына. За эту работу авторский коллек-
тив ВНИИМ и ВНИИФТРИ был удостоен премии
Правительства РФ за 1996 г.
В соответствии с ГОСТ 1.25-76 под метрологиче-
ским обеспечением понимается установление и при-
менение научных и организационных основ, техни-
ческих средств, правил и норм, необходимых для дос-
тижения единства измерений.
Научной основой МО в области ИИИ является
метрология ионизирующих излучений — наука об из-
мерениях, методах и средствах обеспечения их един-
ства и способах достижения требуемой точности в
этой области измерений.
Организационной основой МО в области измере-
ний ИИ является Государственная метрологическая
служба (ГМС), метрологические службы государствен-
ных органов управления и юридических лиц.
В состав ГМС в области измерений ИИ входят, на-
ряду с ГНМЦ ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и ВНИ-
ИФТРИ, территориальные органы ГМС, деятель-
ность которых распространяется на закрепленные
территории России (например, Мурманский ЦСМ,
Уральский ЦСМ и др.). Органы ГМС осуществляют го-
сударственный метрологический контроль и надзор
за парком средств измерений ИИ.
Материально-технической основой системы МО
являются:
— государственные первичные эталоны единиц
физических величин (ФВ) в области ИИ;
— разрядные эталоны в виде мер: образцовых рас-
творов, источников и полей;
— стандартные образцы;
— поверочные установки и компараторы;
— рабочие приборы: радиометры, дозиметры, ра-
диометрические и дозиметрические установки и бло-
ки систем АКРБ АЭС.
Правовой основой системы МО являются:
— законы РФ, в том числе „Об обеспечении един-
ства измерений", „О радиационной безопасности на-
селения" и др.;
— общие стандарты ГСИ;
— стандарты, регламентирующие поверочные схе-
мы передачи размеров единиц ФВ в области ИИ;
— нормативные документы, регламентирующие
методы поверки образцовых и рабочих СИ;
— аттестованные методики выполнения измерений;
— стандартные ядерно-физические данные;
— нормы радиационной безопасности НРБ-96;
— рекомендации международных организаций.
В систему МО входят две подсистемы, имеющие в
свою очередь организационную, материальную и пра-
вовую основу:
— подсистема испытаний СИ с целью утверждения
их типа и регистрации в Госреестре СИ РФ и серти-
фикации продукции по радиационным признакам;
— подсистема аккредитации испытательных лабо-
раторий в системе лабораторий радиационного кон-
троля на право проведения измерений в области ак-
кредитации с гарантированной точностью.
Для описания объектов и процессов, происходя-
щих в области ИИИ, введены соответствующие ФЕ.
РД 50-454-84 делит все радиационные величины, ко-
торые являются производными, на четыре группы:
— ФВ, характеризующие поле ионизирующего из-
лучения;
— ФВ, характеризующие взаимодействие излуче-
ния с веществом;
— дозиметрические ФВ;
— радиационные ФВ, характеризующие источники.
Некоторые из этих величин характеризуются как
главные и приписываются в качестве окончательных
характеристик полям и источникам. Полное изложе-
ние взаимосвязи величин и единиц, используемых в
расчетах и измерениях полей ионизирующих излуче-
ний, можно найти в [11].
Главным звеном метрологического обеспечения в
области ИИИ являются государственные первичные
и специальные эталоны, которые воспроизводят и
хранят единицы соответствующих ФВ с наивысшей в
стране точностью. В таблице 1 приведены основные
информационные данные по эталонам РФ на 1.01.99 г.
Государственный первичный эталон активно-
сти радионуклидов, удельной, объемной активно-
сти, потока и плотности потока частиц и фотонов
создан и применяется во ВНИИМ им Д.И. Менделее
ва (см. статью-справку в настоящем разделе).
Государственный специальный эталон единицы
активности в газах [12] создан и применяется во
ВНИИФТРИ и предназначен для воспроизведения
объемной активности низкоэнергетических ^-актив-
ных газов (3Н, 14С, 85Ki и др.) Диапазон воспроизве-
дения объемной активности составляет 5-103-
5-109 Бк/м3. СКО результата измерения не превыша
ет 0,8 %, НСП=0,4 %. В эталоне применен новый тип
пропорциональных детекторов внутреннего наполне-
ния -- счетчики с подвижным изолятором, в которых
можно учитывать концевой эффект, не прибегая к ис-
пользованию счетчиков разной длины. Сличение эта-
лона с аналогичными национальными эталонами
Франции, ГДР и США показало, что рассогласование
результатов измерений не превышает 0,1-0,4 %.
Создание специального эталона обеспечило необ-
ходимые условия для разработки радиометрической
684
Таблица 1. Государственные эталоны России
Индекс Величина Вид излуче- ния Диапазон энергий Единицы Дата утверж- дения Место хранения Погрешности № стандарта
СКО, % НСП, %
ГЭТ 73-75 ГСЭЕ поглощенной дозы рентген, излучения Д,Р X 20-60 кэВ гр Вт/м2 1975 ВНИИМ 1,5 1,0 ГОСТ 8.203-76
ГЭТ 8-82 ГПЭЕ эксп. дозы и мощности эксп. дозы рентген, и гамма-излучения д„.р eg 5 кэВ- 3 МэВ Кл/кг (рентген/кг) (рентген/с) 1969 ВНИИМ 0,5 1,0 ГОСТ 8.034-82
ГЭТ 38-96 ГПЭЕ мощности поглощенной дозы фотонного излучения Д.р g 1,25 МэВ гр Гр/с 1974 ВНИИФТРИ 0,7 0,5 ГОСТ 8.070-96
ГЭТ 72-75 ГСЭЕ потока энер- гии тормозного излучения g 5-50 МэВ Вт Вт/м2 1975 ВНИИМ 1,0 5,0 ГОСТ 8.201-76
ГЭТ 9-82 ГПЭЕ поглощ. дозы и мощности погло- щенной дозы бета- излучения Д.р b 0,02-3 МэВ Гр Гр/с 1969 ВНИИМ 1,5 3,0 ГОСТ 8.035-82
ГЭТ 93-75 ГПЭЕ потока элек- тронов и плотности потока энергии электронов e 5-50 МэВ Гр/с Вт/м2 1975 ВНИИМ 1,0 3,0 ГОСТ 8.202-76
ГЭТ 117-78 ГПЭЕ поглощенной и эквивалентной до- зы и мощности пог- лощенной и эквива- лентной дозы нейтр.изл. Д,.Р n 0,5-14 МэВ Гр Гр/с Зв/с 1978 ВНИИФТРИ 0,5 8,0 ГОСТ 8.347-79 после 1978 г.
ГЭТ 10-82 ГПЭЕ потока и плотности потока нейтронов QJ n 25 кэВ- 14 МэВ С'1 с'-м2 1982 ВНИИМ 0,2-0,5 0,4-0,9 ГОСТ 8.031-82 после 1982 г.
ГЭТ 51-79 ГСЭЕ плотности по- тока нейтронов для области измерений на ядерно-физичес- ких установках j.F n до 14 МэВ м2-с (н/с-м2) 1974 ВНИИФТРИ 0,3-0,5 0,7 ГОСТ 8.105-80
ГЭТ 6-96 ГПЭЕ активности нуклидов A.FJ abg Бк 1969 ВНИИМ 0,3-2,0 3,0 ГОСТ Р 8.033-96
ГЭТ 7-69 ГСЭЕ массы радия м g Г 1969 ВНИИМ 0,5 0,5 ГОСТ 8.036-74
ГЭТ 20-78 ГСЭЕ активности нуклидов в газах А 17 кэВ- 1,2 МэВ Бк 1978 ВНИИФТРИ 0,8 0,4 ГОСТ 8.039-79
ГЭТ 39-78 ГСЭЕ Концентра- ции искусственных и естественных ра- диоактивных аэро- золей Бк/м2 1978 ВНИИФТРИ 5,0 5,0 ГОСТ 8.090-79
ГЭТ 134-82 ГСЭЕ мощности эквивалентной дозы и потока энергии импульсного рент, излучения PJ c Р. Вт 1982 ВНИИМ 1,0 3,0 ГОСТ 8.473-82
685
аппаратуры для объектов внешней среды и медико-
биологических исследований. Состав, назначение эта-
лона и порядок передачи единицы активности 0- ак-
тивных газов определены ГОСТ 8.039-79.
Государственный специальный эталон единицы
объемной активности радиоактивных аэрозолей
создан и применяется во ВНИИФТРИ и предназна-
чен для воспроизведения и передачи объемной актив-
ности как искусственных, так и естественных аэрозо-
лей [12]. В состав эталона входят генераторы искус-
ственных и естественных радиоактивных аэрозолей,
генератор парообразного 13|1, спектрометрическая ус-
тановка для измерения активности аэрозольных проб
по «-, /3- и /-излучению. Работа генераторов искус-
ственных аэрозолей основана на методе барботажа
чистого воздуха через радиоактивный раствор соли
соответствующего радионуклида. При прокачке воз-
духа на поверхности раствора образуются пузырьки.
Разрушаясь под действием поверхностного натяже-
ния, пленки пузырьков распадаются на мелкие капли,
которые осушаются при температуре около 150 °C,
превращаясь в твердые кристаллики — искусственные
радиоактивные аэрозоли. Концентрацию аэрозолей
можно варьировать путем изменения скорости про-
качки, активности раствора или разбавлением чис-
тым воздухом. СКО воспроизводимости заданного
значения объемной активности аэрозолей не превы-
шает 5 % в диапазоне 7-10'2-4-103 Бк/м3.
Естественные радиоактивные аэрозоли создают-
ся генераторами дочерних продуктов распада радона,
торона и актинона. Каждый генератор представляет
собой замкнутый объем, в который помещен один из
упомянутых источников. В генераторах выдержива-
ется условие обеспечения радиоактивного равнове-
сия. СКО воспроизведения объемной активности ес-
тественных аэрозолей для дочерних продуктов рас-
пада радона не превышает 5 % в диапазоне объемных
активностей 2-102-4-105 Бк/м3.
Принцип работы генератора парообразного 1311 ос-
нован на методе возгонки раствора KI путем окисле-
ния бихроматом калия. Воспроизводимый генерато-
ром диапазон объемных активностей составляет 70-
4-106 Бк/м3 при СКО не более 5 %.
Активность аэрозольных проб, отобранных на спе-
циальные фильтры, измеряется как спектрометриче-
ским, так и счетным методами.
НСП измерения активности пробы в основном оп-
ределяется погрешностью используемого в эталоне
образцового источника и не превышает 5 %, СКО ре-
зультата измерения — не более 5 % и обусловлено не-
стабильностью примененных в эталоне генераторов.
Состав, назначение эталона и порядок передачи еди-
ницы объемной активности регламентированы
ГОСТ 8.090-79.
Государственный специальный эталон единицы
массы радия хранится и применяется во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева [13]. В состав эталона входят:
— образец радия, имеющий № 5427, с точно опре-
деленной массой, равной 21,283 мг на момент изго-
товления (02.06.1934);
— эталонные установки УЭА-4М и УЭА-5М, служа-
щие для передачи размера единицы массы радия от
эталона № 5427 вторичным эталонам.
Образец радия № 5427 вместе с 19 другими подоб-
ными образцами входит в так называемую нормали-
зованную систему радиевых эталонов — Международ-
ный первичный эталон единицы массы радия. Образ-
цы радия №№ 5428, 5430 занимают особое место в
нормализованной системе. Эти образцы тщательно
сличены с прежними международными эталонами
массы радия, созданными в 1911 г., и с образцами, пе-
реданными в качестве национальных эталонов в раз-
ные страны.
Единство и правильность измерений массы радия
осуществляется в соответствии с поверочной схемой
для СИ массы радия. Масса радия в образце № 5427
определена с So=O,15-lO’2; =0,1-10'2. Для передачи
размера единицы от эталона рабочим эталонам при-
меняют компараторы с 4 .^-ионизационной камерой
для гамма-излучения.
В качестве разрядных эталонов применяют радио-
метрические источники с массой радия в диапазоне
от 0,001 до 200 мг в стеклянных ампулах или гермети-
ческих капсулах из сплава платины с иридием и рас-
творы радия в воде.
Основой системы обеспечения единства измере-
ний дозиметрических величин является комплекс из
восьми Государственных первичных и специальных
эталонов.
Государственный первичный эталон единиц экс-
позиционной дозы, мощности экспозиционной до-
зы рентгеновского и гамма-излучения создан и при-
меняется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (см. ста-
тью-справку в настоящем разделе).
Государственный специальный эталон единиц
экспозиционной дозы, мощности экспозиционной
дозы, потока и плотности потока энергии импульс-
ного рентгеновского излучения создан и применя-
ется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и расширяет
метрологические возможности первичного эталона
на импульсное излучение [7].
Эталон воспроизводит единицу экспозиционной
дозы в диапазоне от 3 до 1000 мР и средней мощно-
сти экспозиционной дозы в диапазоне от 0,03 до
100 мР/с. При граничной энергии рентгеновского из-
лучения в диапазоне 50-100 кэВ длительности импуль-
сов находятся в пределах 2-10'7—2-10в с и частоты по-
вторения от 102 до 103 Гц, а при граничной энергии
200 кэВ длительность импульса составляет 210'8 с и
частота 10 Гц. СКО равно 1 %, а НСП — 3 %. Для вос-
произведения единиц потока и плотности потока
энергии используется калориметрический метод.
Государственный первичный эталон единицы
мощности поглощенной дозы фотонного излуче-
ния хранится и применяется во ВНИИФТРИ.
Государственный специальный эталон единицы
поглощенной дозы рентгеновского излучения с
максимальной энергией фотонов от 20 до 60 кэВ соз-
дан и применяется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
[7], расширяет область воспроизведения единицы
описанным выше первичным эталоном на низкоэнер-
гетическое рентгеновское излучение.
В основе этого эталона, как и первичного, лежит
калориметрический метод измерений поглощенной
дозы в графите. Эталон обеспечивает воспроизведе-
ние единицы с СКО, не превышающим 1,5 %, и НСП,
686 — ----- 1 - — —
равной 1 % в диапазоне доз 1-5 Гр и мощности дозы
от 0,1 мР/с до 5 Гр/с.
В качестве образцовых средств измерений исполь-
зуются либо приборы со специальными ионизацион-
ными камерами, либо установки, основанные на тер-
молюминесцентном принципе действия. В последнем
случае в пучок рентгеновского излучения вносится
устройство, по своей конструкции идентичное погло-
щающему блоку калориметра, в котором вместо погло-
тителя помещена кассета с градуируемыми термолю-
минесцентными детекторами.
Государственный первичный эталон единиц по-
глощенной дозы и мощности поглощенной дозы /3-
излучения создан и применяется во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева [7]. Для воспроизведения едини-
цы используются тканеэквивалентные экстраполяци-
онные ионизационные камеры с плоскопараллельны-
ми электродами. Энергетический диапазон /У-излуче-
ния 20-3000 кэВ. Измеряемой величиной служит
мощность поглощенной дозы, создаваемая //-источ-
ником, на определенной глубине облучаемого ткане-
эквивалентного вещества. Эталон характеризуется
СКО, не превышающим 1,5 %, и НСП, составляющим
3%.
Государственный первичный эталон единиц
мощности поглощенной и эквивалентной доз ней-
тронного излучения создан и применяется во ВНИ-
ИФТРИ [12]. Эталон воспроизводит единицу мощно-
сти поглощенной дозы нейтронного излучения с энер-
гиями от 0,05 до 14 МэВ в диапазоне 21010-103Гр/с и
мощности эквивалентной дозы нейтронов с энергия
ми от 0,01 до 14 МэВ в диапазоне 51010-510 5Зв/с.
Для абсолютных измерений мощности поглощен-
ной дозы используются установка с комплектом по-
лостных гомогенных ионизационных камер и уста-
новка с пропорциональным счетчиком нейтронов.
В эталоне для воспроизведения единицы мощно-
сти эквивалентной дозы применен метод раздельно-
го измерения мощности поглощенной дозы и коэф-
фициента качества k Для измерений k использует-
ся метод сферического пропорционального счетчика
(так называемый счетчик Росси). Достоинством это-
го метода является то, что он позволяет измерять рас-
пределение поглощенной дозы по линейной переда-
че энергии D(L), т.е. в конечном итоге получать зна-
чение k в соответствии с определением этой
величины по формуле.
Как и при определении мощности поглощенной
дозы на установке со сферическими ионизационны
ми камерами, значение k определяется в центре тка-
неэквивалентного шарика, что дает возможность вос-
произвести единицу полевой эквивалентной дозы.
Погрешность измерения коэффициента качества
с помощью сферического пропорционального счет-
чика значительна при энергиях нейтронов меньше
0,3 МэВ. Поэтому в состав эталона введен измеритель
мощности эквивалентной дозы, реализующий метод
шаровых замедлителей, который обеспечивает необ-
ходимую точность воспроизведения единицы мощно-
сти эквивалентной дозы при энергиях нейтронов, на-
чиная с 0,01 МэВ.
Описанный комплекс аппаратуры позволяет вос-
производить единицу мощности поглощенной дозы
нейтронного излучения с СКО, не превышающим
2 %, и НСП — 3 %, а единицу мощности эквивалент-
ной дозы с СКО — 3 % и НСП — 8 %.
Государственный первичный эталон единиц по-
тока электронов и потока энергии электронов с
энергией от 5 до 50 МэВ создан и применяется во
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева [7]. В качестве источ-
ника излучения используется электронный ускори-
тель — бетатрон Б50/50. В состав эталона входят: ус-
тановка для вывода ускоренных электронов из ваку-
умной камеры ускорителя, система транспортировки
и фокусировки электронного пучка и измерительная
аппаратура.
Единица потока электронов в эталоне воспроиз-
водится электрофизическим методом с применением
двух детекторов — магнитоиндукционного преобразо-
вателя и электростатического сигнального электро-
да, а также методом собирания заряда с использова-
нием цилиндра Фарадея.
Единица потока энергии электронов воспроизво-
дится калориметрическим методом с применением ка-
лориметра — цилиндра Фарадея.
В диапазонах потока электронов 1010-1015 элек-
трон/с и потока энергии электронов 10’4-1,0 Вт СКО
не превышает 1 %, а НСП — 3 %.
Государственный специальный эталон единицы
потока энергии тормозного излучения в диапазо-
не максимальных энергий фотонов 5-50 МэВ, как
и предыдущий из описанных эталонов, создан и при-
меняется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В качест-
ве источника излучения также используется бетатрон
Б-50/50.
Воспроизведение единицы потока энергии основа-
но на калориметрическом и ионизационном методах.
Использование двух методов увеличивает достовер-
ность и расширяет диапазон воспроизведения едини-
цы. Калориметрический метод реализован в виде изо-
термического дифференциального калориметра с по-
глотителями из свинца. Ионизационный метод
реализован в виде квантометра. Квантометр выполнен
с воздушным наполнением и состоит из 12 медных пла-
стин, разделенных зазорами. Четные и нечетные пла-
стины собраны в два пакета. На нечетные подается вы-
сокое напряжение, а все четные служат собирающим
электродом. Потери энергии за счет неполного погло-
щения излучения в квантометре оцениваются в 1,5 %.
В диапазоне значений потока энергии тормозного
излучения 104-10 Вт СКО не превышает 1 %, а
НСП-5 %.
Промышленность не выпускает приборов для из-
мерений потока электронов и потока энергии элек-
тронного и тормозного излучений. Измерительные
устройства такого назначения применяются при на-
стройке электронных ускорителей и при контроле их
характеристик в процессе эксплуатации. Они являют-
ся нестандартизованными средствами измерений спе-
циального применения. Оба из описанных выше эта-
лонов находят применение для метрологической ат-
тестации таких средств измерений.
Единство нейтронных измерений в РФ базирует-
ся на трех эталонах: помимо ГПЭ единиц мощности
поглощенной и эквивалентной доз нейтронного из-
-----687
лучения, применяются еще два эталона, воспроизво-
дящие единицы физических величин, необходимые
для описания полей и источников нейтронов.
Государственный первичный эталон единиц по-
тока и плотности потока нейтронов создан и при-
меняется во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (см. ста-
тью-справку в настоящем разделе).
Государственный специальный эталон единицы
плотности потока нейтронов для области измерений
на ядерно-физических установках создан и применя-
ется во ВНИИФТРИ.
От эталонов размер единиц ФВ передается в соот-
ветствии с поверочными схемами разрядным этало-
нам (образцовым средствам измерения), в качестве
которых применяются меры — образцовые источни-
ки и приборы — радиометры и дозиметры.
Общий принцип передачи размера единиц от
первичных эталонов к рабочим средствам измере-
ний в области ионизирующих излучений можно
продемонстрировать на примере реализации пове-
рочной схемы ГОСТ 8.033- 96 для средств измерений
активности радионуклидов.
Как следует из ГОСТ 8.033-96, в качестве вторич-
ных эталонов единицы активности нуклидов могут
применяться унифицированные радионуклидные ис-
точники, радиоактивные растворы, радиометриче-
ские установки, а также специальные источники. Ис-
точники излучений и растворы радионуклидов пове-
ряются в качестве вторичных эталонов
непосредственно на государственном первичном эта-
лоне методом прямого измерения. В том случае, ко-
гда в качестве вторичных эталонов применяются ра-
диометрические установки, их поверка производит-
ся путем непосредственного сличения с
государственным первичным эталоном с помощью
специально изготовленных источников или раство-
ров, играющих роль эталонов сравнения. Вторичные
эталоны (источники и установки) применяются в мет-
рологических институтах, в обоснованных случаях ра-
бочими эталонами оснащаются головные ведомствен-
ные метрологические организации. Все вторичные
эталоны должны регулярно сличаться с государствен-
ным первичным эталоном, причем СКО результатов
сличений рабочих эталонов с первичным не должны
превышать установленных значений (0,3-3 %).
С помощью источников (вторичных эталонов) по-
веряются методом компарирования по J-му разряду
ГЭ источники «-, fi- и / излучения и растворы ра-
дионуклидов, при этом поверяемые источники и рас-
творы должны быть изготовлены по той же техноло-
гии, что и соответствующие вторичные эталоны, с ко-
торыми проводится сравнение. Радиометрические
установки поверяются по 1-му разряду непосредствен-
ным сличением с вторичным эталоном (радиометри-
ческой установкой), проводимым с помощью специ-
ально изготовленных источников или растворов. Раз-
рядные эталоны (образцовые средства измерений)
активности нуклидов 1-го разряда применяются в мет-
рологических институтах, специализированных лабо-
раториях госнадзора и центрах стандартизации и мет-
рологии, а также в головных ведомственных повероч-
ных службах. Поверочная схема для средств
измерений активности и удельной активности радио-
нуклидов предусматривает поверку источников а- и
0- излучения, источников /-излучения, растворов
радионуклидов и радиометрических установок — по
двум разрядам. В случае поверки прецизионных ра-
бочих радиометров или источников спецназначения
допускается поверять их по эталонам более высокого
разряда вплоть до вторичного эталона.
Для обеспечения нужд народного хозяйства раз-
работана большая номенклатура образцовых источни-
ков и радиоактивных растворов с разными радионук-
лидами и в широком диапазоне активностей. Так, се-
рийно выпускаются около 70 различных образцовых
радиоактивных растворов (ОРР) на основе около 40
радионуклидов. ОРР представляют собой раса воры
известного химического состава, содержащие опре-
деленные радионуклиды и расфасованные герметич-
но в стандартные стеклянные ампулы. Погрешность
определения удельной активности составляет для
ОРР 1-го разряда 0,6-4 %, для ОРР 2-го разряда —0,7-
6 % при доверительной вероятности 0,95.
Для г радупровки альфа-радиометров выпускаются
источники с нуклидами 239Pu, 238U, 234U. Они представ-
ляют собой подложку из нержавеющей стали с углуб-
лением, в котором зафиксирован радиоактивный
слой с соответствующим нуклидом. Радиоактивный
слой источников защищен тонкой оксидной металли-
ческой пленкой. Выпускаемые «-источники имеют
различные размеры. Так, площадь активной поверх-
ности а- источников составляет 1; 4; 10; 40; 100; 160
см2. Все источники и их активные поверхности име-
ют круглую форму, за исключением источников с пло-
щадью активной поверхности 160 см2, имеющих пря-
моугольную форму. В зависимости от размеров номи-
нальные значения активности источников
составляют от 4 до 1,6-10’ Бк для источников 239 Ри, от
4 до 600 Бк для источников 2S8U, от 4 до 1 Бк для ис-
точников 234U. Погрешность поверки «-источников
по активности составляет 4 и 6 % при доверительной
вероятности 0,95 для РЭ 1 и 2-го разрядов соответст-
венно. В процессе поверки также устанавливается зна
чение внешнего излучения в телесном угле 2 Д’ ср- На-
личие источников с разной площадью рабочей по-
верхности, разной активностью и аттестованных с
разной погрешностью позволяет выбрать необходи-
мый тип источника, подходящий для градуировки оп-
ределенного альфа-радиометра с учетом размеров его
входного окна и конкретно решаемой задачи.
Образцовые источники /2-излучения из] отавлива
ются на основе 90Sr+9flY Подложка источников сдела-
на из алюминия. Активная часть источников покры-
та тонкой алюминиевой фольгой. Источники имеют
типоразмеры, аналогичные типоразмерам «-источ-
ников. Активность источника в зависимости от типа
составляет от 13 до 2-108 Бк. Количество разрядов и
погрешность аттестации такие же, как у «-источни-
ков.
Образцовые радионуклидные источники гамма-из-
лучения являются образцовыми мерами двух величин:
активности радионуклида (или массы радия в случае
радиевых источников) и мощности экспозиционной
дозы гамма-излучения в условиях коллимированного
пучка излучения. Источники гамма-излучения из “Со
......................................................................................................................... —......................................................................... 688 .... —
представляют собой облученные нейтронами цилин-
дры из металлического кобальта диаметром и высо-
той 3,5 мм или 4,5 мм, помещенные в одинарные ам-
пулы из нержавеющей стали диаметром б мм и высо-
той 7 мм. Источники выпускаются в диапазоне
активности от 1,1-107 до 3,3-10н Бк. Источники гам-
ма-излучения из 1S7Cs представляют собой одинарные
или двойные ампулы из нержавеющей стали, запол-
ненные порошком 137Cs в виде гранул. Источники име-
ют активность в диапазоне от 5,9-106 до 2,4-П)11 Бк.
Разработаны и серийно выпускаются комплекты
образцовых спектрометрических у-источников
(ОСГИ). Комплект содержит 11 источников на осно-
ве нуклидов 54Mn, 57Со, 60Со, 65Zn, 88Y, 109Cd, 113Sn, 133Ba,
137Cs, 139Ce, l52En, 203Hg, 228Th, 241Am. Каждый источник
является мерой активности соответствующего нукли-
да. Погрешность определения активности нуклида в
источнике не превышает 2-3 % при доверительной
вероятности 0,95. Источники выполнены в виде коль-
ца с размещенными в середине двумя органическими
пленками толщиной 6±1 мг/см2, между которыми в
центре помещается радиоактивное вещество в виде
пятна. Диаметр пятна 4 мм. Номинальное значение
активности для источника с нуклидом 203Hg составля-
ет 3-105 Бк, для остальных 1 105 Бк. Диапазон энергий
/-излучения комплекта ОСГИ составляет 59,6-
2734 кэВ. С помощью источников из комплекта ОСГИ
определяется чувствительность радиометров и спек-
трометров по /-излучению, причем эти источники,
испуская /-излучение разной энергии, позволяют из-
мерять также зависимость чувствительности радио-
метров от энергии /-излучения.
Образцовые спектрометрические источники аль-
фа-излучения (ОСАИ), предназначенные для градуи-
ровки спектрометров альфа-излучения, изготавлива-
ют из следующих нуклидов (или их смеси): 23SU, 238Pu,
239Pu, 241Am, 242Cm, !44Cm, 210Po, 226Ra, 22STh. Каждый
ОСАИ характеризуется тремя величинами: активно-
стью радионуклида, энергией альфа-частиц и собст-
венной полушириной линии. Номинальные значения
активности нуклидов составляют от 3-102 до ЗЛО5 Бк,
собственная полуширина линии от 2 кэВ (для 238Рн),
4 кэВ (для 239Ри) до 20 кэВ при доверительной вероят-
ности 0,95.
Актуальным продолжает оставаться вопрос обес-
печения средствами градуировки радиометров, изме-
ряющих активность объектов окружающей среды, к
которым относится почва, вода, растительность, про-
дукты питания и т.д. В настоящее время для этой це-
ли используются образцовые меры активности специ-
ального назначения (ОМАСН), изготавливаемые на
основе сыпучих материалов (кварцевого песка, ионо-
обменной смолы, древесных опилок), в известной
массе которых распределена также известная актив-
ность образцового раствора необходимого радионук-
лида. Наиболее часто используются радионуклиды
137Cs и 90Sr+90Yс номинальными значениями удельной
активности в диапазоне от 1Л03 до 1Л05 Бк/кг, атте-
стованные с погрешностью ±5 %, в сосудах Маринел-
ли различной емкости.
Приведенный, далеко не полный, перечень об-
разцовых источников — мер активности радионук-
лидов показывает, что звенья поверочной схемы
ГОСТ 8.033-96 укомплектованы в достаточной мере,
чтобы обеспечить поверку рабочих радиометров и ра-
диометрических установок для разных видов излуче-
ний.
Таким образом, единство измерений в области из-
мерений активности радионуклидов в материально-
техническом плане опирается на дифференцирован-
ную сеть разрядных эталонов, представляющих собой
серийно выпускаемые меры активности: источники,
растворы, метрологические характеристики которых
выбраны таким образом, чтобы наиболее полно обес-
печить поверку рабочих приборов, предназначенных
для решения различных прикладных задач.
По аналогичному принципу осуществляется пере-
дача размера единиц других ФВ в области ИИ, при
этом в каждом случае применяются свои специфиче-
ские средства измерений в качестве разрядных эта-
лонов [12, 13].
Созданная система успешно прошла апробацию в
течение последних десятилетий. Она предусматрива-
ет, например, возможность проводить поверку:
— бета-радиометров по эталонным радиометриче-
ским бета-источникам 90Sr+90Y (ГОСТ 8.040-84,
ГОСТ 8.033-96);
— бета-дозиметров с использованием эталонных
дозиметрических бета-источников 90Sr+9uY
(ГОСТ 8.035-82, МИ 1774, РД 50-444-83);
— альфа-радиометров с использованием эталонных
альфа-источников (ГОСТ 8.041-84, ГОСТ 8.033-96);
— дозиметров фотонного излучения с использова-
нием типовых поверочных дозиметрических устано-
вок — ГОСТ 8.087-81 и эталонных дозиметрических
гамма-источников 137Cs, 60Со, 226Ra — МИ 1788,
МИ 1910;
— нейтронных радиометров и дозиметров с помо-
щью нейтронных источников 252Cf, 238PuBe, 2S9PuBe
(ГОСТ 8.355-7, ГОСТ 8.031-82);
— источников нейтронов — мер потока и плотно-
сти потока нейтронного излучения в соответствии с
РД 50-427-83;
— дозиметров нейтронов с использованием атте-
стованных нейтронных полей установки УКПН по
МИ 2011-89 и ГОСТ 8.347-79;
—дозиметрических источников гамма-излучения —
мер мощности экспозиционной дозы (мощности кер-
мы в воздухе) в соответствии с МИ 1986-89 и др.
Одним из элементов системы ОЕИ являются испы-
тания СИ с целью их включения в Госреестр СИ РФ.
Особенность СИ ФВ в области ИИ является то обстоя-
тельство, что согласно закону РФ „Об обеспечении
единства измерений", они, в силу их использования для
охраны здоровья и безопасности населения, подлежат
госнадзору и обязательной поверке. Это в свою оче-
редь означает, что в области ИИ могут применяться
лишь СИ отечественных и зарубежных фирм-изгото-
вителей, внесенные в Госреестр СИ РФ по положитель-
ным результатам испытаний. Этот закон позволяет
ГНМЦ и территориальным органам Госстандарта, ак-
кредитованным в качестве центров испытаний СИ в
области ИИ, требовать от производителей аппарату-
ры соответствия MX и ЭХ приборов требованиям оте-
чественных стандартов и стандартов ИСО и, тем са-
мым, осуществлять техническую политику совершен-
ствования парка РСИ в области ИИ.
- — --------689
Наряду с ОЕИ внутри страны важнейшей задачей
метрологии является поддержание соответствия раз-
меров единиц ФВ на международном уровне, в том
числе и в области ИИ. Это достигается неукоснитель-
ным соблюдением положений Метрической Конвен-
ции, выполнением решений международных законо-
дательных органов в области метрологии, но главным
образом путем участия в международных сличениях
эталонов единиц ФВ в области ИИ национальных ла-
бораторий.
Международные сличения в области ИИ прово-
дятся рядом организаций: BIPM, SIR, EUROMET,
EURODOS. Наиболее престижными являются ключе-
вые сличения, которые проводятся Консультативны-
ми комитетами МКМВ.
Консультативный Комитет по эталонам в области
измерений ИИ (CCEMR1) был создан в 1956 г. В 1969 г.
в CCEMR1 организованы три секции измерений: рент-
геновского, гамма и электронного излучений, актив-
ности радионуклидов и нейтронного излучения. Ряд
национальных лабораторий являются постоянными
членами секций, в том числе ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева. На регулярных заседаниях секций рассмат-
риваются, в частности, вопросы планирования, орга-
низации и проведения ключевых сличений эталонов
единиц ФВ в области ИИ.
С 1961 г. радиометрическая лаборатория ВНИИМ
участвовала более чем в 17 крупномасштабных (с уча-
стием более 10 лабораторий) сличениях эталонов ак-
тивности радионуклидов, в том числе 32Р (1961 г.), “Со
(1962, 1963, 1972 гг.), 204Т1 (1962 г.), MSr(1964 г.), иМп
(1972 г.), 1!гаСе (1976 г.), I34Cs(1978 г.), 55Fe (1978 г.), 1251
(1988 г.), 133Ва(1984 г.), 109Cd (1986 г.), 7SSe(1992 г.), ^Tl
(1997 г.).
С 1960 г. нейтронная лаборатория ВНИИМ участ-
вовала в 7 сличениях, организованных (III секцией
CCEMRI, в том числе потока канадского Ra(a, п )Ве ис-
точника (1961 г.), плотности потока тепловых нейтро-
нов (1967 г.), плотности потока быстрых моноэнер-
гетических нейтронов с энергией 14,7 МэВ (1982 г.),
плотности потока промежуточных нейтронов с энер-
гией 24,5 кэВ (1996 г.).
В 1998-1999 гг. рентгенометрическая лаборатория
ВНИИМ выполнила ключевые сличения кермы в воз-
духе гамма-излучения 137Cs и “Со, а также рентгенов-
ского излучения при напряжениях на трубке 10-50 кВ
и 100-250 кВ.
Кроме международных сличений по линии МБМВ
проводятся двусторонние сличения эталонов для со-
гласования размеров единиц ФВ двух стран. Так, на-
пример, в 1998 г. были проведены двусторонние сли-
чения ВНИИМ сначала с LPRI (Франция), затем РТВ
(Германия) по согласованию размера единицы погло-
щенной дозы бета-излучения.
Международные сличения позволяют определить
достоверность измерений ФВ в области ИИ в нацио-
нальной лаборатории и при необходимости провес-
ти дополнительные исследования эталонов с целью
корректировки результата в случае его систематиче-
ского отклонения от группирующихся результатов из-
мерений, представленных странами, имеющими ста-
бильный положительный опыт участия в сличениях.
В 1998 г. МКМВ предложил национальным лаборато-
риям заключить Соглашение об использовании ре-
зультатов ключевых сличений для оценки эквивалент-
ности национальных эталонов. Это придало междуна-
родным ключевым сличениям дополнительную
важность как инструменту определения международ-
ного уровня национальных эталонов, в том числе в
области ИИ.
Измерения ИИ как вид успешно развивается в свя-
зи с интенсивным применением ИИ в народном хо-
зяйстве. Основные направления применения: разра-
ботка и совершенствование ядерно-физических уста-
новок, использование радиационных технологий в
материаловедении, радиационные испытания радио-
электронной аппаратуры, производство радионуклид-
ной продукции, контроль радиационной безопасно-
сти, радиоэкологический мониторинг, радиационная
диагностика и лучевая терапия в медицине.
Система эталонов в области измерений ИИ, соз-
данная во ВНИИМ и ВНИИФТРИ, является нацио-
нальным достоянием России и служит фундаментом
системы МО в области ИИ, поддерживая развитие
науки и промышленности в России на современном
уровне.
Литература:
1. Поройков И.В. Физические основы дозиметрии, 1934.
2. Поройков И.В. Рентгенометрия. — М.-Л., 1950.
3. Аглинцев К.К. Дозиметрия ионизирующих излучений.
-М„ 1962.
4. Аглинцев К.К. и др. Прикладная дозиметрия. — М., 1962.
5. Юдин М.Ф. Методы и аппаратура для градуировки до-
зиметрических приборов. — М., 1962.
6. Юдин М.Ф., Фоминых В.И. Дозиметрия нейтронов. —
М„ 1964.
7. Юдин М.Ф. Дозиметрия фотонного излучения. — М.,
1970.
8. Караваев Ф.М. Измерение активности нуклидов. — Л.,
1972.
9. Ярицина И.А.. Иванов И.В., Андреев О.Л. Нейтронные
измерения. — М., 1973.
10. Джелепов Б.С., Шестопалова С.А. Ядерные энергети-
ческие нормали. — Л., 1987.
11. Юдин М.Ф. и др. Основные термины в области метро-
логии. — М., 1989.
12. Брегадзе Ю.И., Степанов Э.К., ЯрынаВ.П. Приклад-
ная метрология ионизирующих излучений. — М.: Энергоатом-
издат, 1990. — 262 с.
13. Юдин М.Ф. и др. Измерение активности радионукли-
дов. — СПб., 1997.
В.И. Фоминых, И.А. Харитонов, М.Ф. Юдин
----- 690 --------— -------
Государственный первичный эталон единиц
активности радионуклидов, потока и плотности
потока альфа-, бета-частиц и фотонов
радионуклидных источников
В системе СИ активность радионуклида в источ-
нике определяется как „отношение числа спон-
танных переходов из определенного ядерно-энерге-
тического состояния радионуклида, происходящих в
источнике (образце) за интервал времени dt, к это-
AV
му интервалу времени л~~^ Единицей активности
является 1 переход в секунду (упрощенно 1 распад в
секунду). В 1975 г. Генеральная конференция по Ме-
рам и Весам дала единице активности радионуклидов
в СИ наименование „беккерель", Бк (becquerel, Bq) в
честь А. Беккереля, открывшего явление радиоактив-
ности в 1896 г.
Основой обеспечения единства и правильности
измерений активности радионуклидов в РФ является
„Государственный первичный эталон единиц активно-
сти радионуклидов, потока и плотности потока аль-
фа-, бета-частиц и фотонов радионуклидных источни-
ков ГЭТ 6-95“, от которого размер единиц передает-
ся рабочим средствам измерений в соответствии с
государственной поверочной схемой по ГОСТ 8.033-
96, принятой 10-ю странами СНГ.
В государственном первичном эталоне воспроизве-
дение единицы активности радионуклидов осуществ-
ляется несколькими абсолютными методами в процес-
се измерений активности конкретных радионуклидов
Некоторые из методов одновременно воспроизводят
и другие необходимые на практике единицы, напри-
мер. поток или плотность потока частиц и фотонов
радионуклидных источников.
Метод 4 дат-и 4;#?-счета
Метод относится к наиболее распространенным
и надежным и применим для бета-излучающих нукли-
дов с граничной энергией частиц более 200-300 кэВ
и большинства альфа-излучающих нуклидов. Эталон-
ная установка (рис. 1) представляет собой пропорцио-
нальный газоразрядный 4д--счетчик, состоящий из
двух 2л"-счетчиков, между которыми внутри чувстви-
тельной области размещается специальный источник
на тонкой металлизированной пленке-подложке, при-
готовленный из раствора радионуклида. Порог чув-
ствительности пропорционального 4 л'-счетчика оце-
нивается на уровне 60-100 эВ, что обеспечивает прак
тически 100 % регистрацию потока альфа- или
бета-частиц, испускаемых источником.
Неопределенность метода при воспроизведении
единицы активности (фактически удельной активно-
сти раствора) связана в основном с оценкой поглоще-
ния частиц в кристаллах активного слоя. Погреш-
ность метода 0,3-0,8 % (Р=0,95). Метод применяется
для ,2Р, “°Sr+wY, ,s;Csh 2WTln др.
Для источников на металлических подложках с ак-
тивной поверхностью до 160 см2 воспроизводится
единица потока альфа, бета-частиц с помощью малых
и больших 2л~счетчиков.
Метод совпадений
В эталонной установке реализуются методы
4 яа- у, 4 тг/3- /, 4 л(х + ё~)- уб и другие варианты ме-
тода совпадений. Метод совпадений применим для ра-
дионуклидов со сложной схемой распада, когда с по-
мощью двух разных детекторов или детекторов и спек-
трометров можно выделить два вида частиц или
фотонов, испускаемых ядром одновременно в одном
Рис. 1. Эталонная установка УЭАПП-2 для воспроизведе-
ния единицы активности альфа- излучающих нуклидов
методом определения телесного угла.
- - --------------------------------------- - - '.'ll
акте распада. В установках имеются 3 канала регист-
рации счета импульсов: я, — для первого детектора.
п., — для второго детектора и — для совпадающих
по времени импульсов. Активность источника опреде-
ляется из соотношения: п ,,
"s
Поправки в методе минимальны, если полная эф-
фективность (по отношению к активности) одного из
детекторов близка к 1, поэтому в большинстве случа-
ев для регистрации заряженных частиц используют-
ся пропорциональные газоразрядные 4д-<четчики,
описанные выше. Для наиболее точных измерений ис-
пользуется так называемый экстраполяционный ме-
тод, когда в методе совпадений с помощью разных
приемов экспериментально строится зависимость
скорости счета импульсов в 4д-счетчике п# от его
полной эффективности ед в координатах
с последующей экстраполяцией к ед=1. Метод совпа-
дений применяется для измерения активности
мСо.198Аи. ”’Cs, l3’Ba,l52Eu и др. с погрешностью в оп-
тимальных условиях 0,1-0,5 % (Р=0,95).
Метод определенного телесного угла
Метод позволяет выделить и регистрировать а-
частицы, испускаемые источником «'-излучения в на-
правлении близком к нормали, когда отсутствует яв-
ление самопоглощения частиц в активном слое и за-
щитном покрытии. Измерения осуществляются в ва-
кууме при достаточно больших расстояниях между ис-
точником и детектором и при достаточно больших
размерах диафрагмы детектора. В этих условиях сред-
ний телесный угол со. под которым виден детектор
со стороны источника, рассчитывается достаточно
точно и для круглых, и для прямоугольных источни-
ков. Активность источника д определяется из соот-
4л1
ношения о=—- я, где п —скорость счета импульсов.
Установка (рис. 2) применяется для «-источников с
активной поверхностью до 160 см2 в диапазоне 104-
10й Бк с погрешностью 0.2-1 % (Р=0,95). Аналогич-
ный, но более сложный в исполнении метод исполь-
зуется для источников с мягким фотонным излучени-
ем из S5Fe и др.
Для радионуклидов с мягким фотонным излучени-
ем—53Fe. ln!lCd, 1L,Sn используется 4я-/счетчикс из-
меняемым высоким давлением.
Калориметрический метод
Метод основан на полном поглощении частиц или
фотонов в стенках калориметра и измерении выделяю-
щейся при этом тепловой мощности. В эталонной ус-
тановке используется набор дифференциальных а.
Д’, /-калориметров. Дифференциальный калориметр
состоит из двух одинаковых калориметров, связанных
Рис. 2. Эталонная установка УЭАП-1 для воспроизведения единицы активности
бета- излучающих нуклидов методом 4 -счета.
692
между собой системой из нескольких десятков термо-
пар и помещенных вместе в общий для них пассивный
термостат. В один калориметр помещается радионук-
лидный источник, в другой — электрическая нагрева-
тельная катушка. Обычно используется „нулевой метод
измерений" — измерительный прибор включается в
цепь термопар и автоматически выравнивает темпе-
ратуру калориметров с помощью нагревательной ка-
тушки. В установившемся тепловом режиме электри-
ческая мощность нагревательной катушки равна теп-
ловой мощности источника. Для расчета активности
используются данные о средней энергии частиц и фо-
тонов на 1 распад, которые имеются в справочниках.
Метод применяется для источников с активностью
более 107—109 Бк в зависимости от вида излучения. По-
грешность измерений в оптимальных условиях и при
отсутствии радионуклидных примесей может быть до
0,2 % (Р=0,95). Основная особенность — возможность
измерения активности источников или навесок ра-
диоактивных веществ в ампулах, оболочках и др., т.к.
тепловой эффект не изменяется от конструктивных
особенностей источника.
В эталоне имеется установка, в которой использу-
ется ионизационный метод для унифицированных /-
источников.
Состав эталона
Абсолютные методы измерений реализованы в
эталоне в 6 укрупненных эталонных установках, объ-
единенных или по виду излучений, или по методу вос-
произведения единиц.
В совокупности первичный эталон обеспечивает
воспроизведение единицы активности в диапазоне от
10 до 5-1012 Бк со средним квадратическим отклоне-
нием (СКО) до 0,2 % и не исключенным остатком сис-
тематической погрешности (НСП) от 0,1 до 4 % в за-
висимости от радионуклида и диапазона.
История создания эталона
Первый комплекс эталонных установок создавался
во ВНИИМ в начале 60-х гг. в период проведения в
США и СССР испытаний ядерного оружия в атмосфе-
ре, и первоначальной задачей было создание метроло-
гического обеспечения для многочисленного парка ра-
диометров загрязненности поверхностей альфа и бе-
та-нуклидами. С 1961 г. ВНИИМ начал участвовать в
международных сличениях по программе Международ-
ного Бюро мер и Весов. В 1964 г. в стране была прове-
дена унификация образцовых источников, налажена
система поверки этих источников и радиометров за-
грязненности. В 1969 г. комплекс эталонных установок
ВНИИМ был утвержден в качестве „Государственного
первичного эталона единицы активности радионукли-
дов". Эталон создавался под руководством к.т.н.
Ф.М. Караваева, его создателями были А.А. Константи-
нов, Е.А. Хольнова, А.Е. Кочин, В.Я. Алексеев, Т.Е. Са-
зонова и др. Первым ученым хранителем эталона был
назначен Ф.М. Караваев. Комплекс эталонов неодно-
кратно модернизировался, дополнялся (ГЭТ 6-72,
ГЭТ 6-84). С 1984 г. ученым хранителем эталона стал
к.т.н. А.Е. Кочин. В 1995 г. была завершена работа над
новым комплексом установок государственного пер-
вичного эталона ГЭТ 6-95, который стал эталоном не
только единиц активности (Бк, Бк-г1, Бк-кг1, Бк-см2и
др.), но и потока и плотности потока частиц и фото-
нов (част-с1, част-с'-см"2, част-с’-ср‘). В результате все
виды измерений, которые традиционно называются
радиометрическими, получают размер единиц от одно-
го первичного эталона. В создании нового эталона уча-
ствовали: И.А. Харитонов, М.Ф. Юдин, А.Е. Кочин,
Т.Е. Сазонова, Н.И. Кармалицын, Е.А. Хольнова и др.
Ученым хранителем эталона назначен к.т.н. А.Е. Кочин.
Кроме первичного эталона в стране действуют спе-
циальные эталоны и поверочные схемы для специфи-
ческих видов измерений — массы радия-226
(ГОСТ 8.036-74) во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, ак-
тивности радионуклидов в бета-активных газах
(ГОСТ 8.039-79) и радиоактивных аэрозолей
(ГОСТ 8.096-79) - оба во ВНИИФТРИ. Все эталоны
взаимосвязаны: на уровне вторичных и разрядных
эталонов в них используются унифицированные ис-
точники, берущие размер единиц от ГЭТ 6-95.
Область применения эталона
Размер единиц от эталона ГЭТ 6-95 передается вто-
ричным эталонам — радиометрическим установкам,
унифицированным эталонным источникам, раство-
рам радионуклидов и специальным радионуклидным
источникам. Далее по ГОСТ 8.033-96 размер единиц
предается таким же разрядным эталонам — РЭ 1 и 2-
го разрядов. Вторичные и рабочие (разрядные) эта-
лоны имеются в метрологических институтах Госстан-
дарта РФ, в головных ведомственных метрологиче-
ских лабораториях, в поверочных лабораториях и
метрологических центрах, на предприятиях, произ-
водящих радионуклиды, на ряде приборостроитель-
ных заводов.
Рабочие средства измерений — это многочислен-
ный парк радиометров разного назначения и мер ак-
тивности радионуклидов — источников а, /3, /-из-
лучений. В зависимости от требуемой точности рабо-
чие средства замыкаются или на РЭ 2-го разряда, или
на РЭ 1-го разряда, или на вторичные эталоны. В не-
обходимых случаях рабочие средства измерений мо-
гут получать размер единицы непосредственно от пер-
вичного эталона.
Основными направлениями применения эталона
до 1986 г. были: метрологическое обеспечение выпус-
каемой радиоизотопной продукции и поверка серий-
ных унифицированных источников излучения. После
катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 г. на пер-
вое место выдвинулись задачи радиоэкологии и мо-
ниторинга окружающей среды. Резко возросла роль
специальных эталонных источников, создаваемых на
основе эталонных (образцовых) растворов радионук-
лидов, для имитации реальных объектов измерений
— образцов почв, пищевых продуктов, фантомов че-
ловека и др.
На различных стадиях метрологического обеспе-
чения каждого прибора используются различные ви-
ды эталонов: более высокого разряда—на стадии пер-
вичной градуировки или получения градуировочных
коэффициентов, более низкого разряда в виде серий-
ных унифицированных источников для обеспечения
поверки при эксплуатации приборов.
— 693
Международные сличения
Международное Бюро Мер и Весов начало прово-
дить международные сличения для обеспечения тре-
буемого международного единства измерений в этой
области на ранней стадии развития абсолютных мето-
дов воспроизведения единицы активности. С 1961 г.
проведено около 60 сличений как многосторонних, так
и по системе SIR. Многосторонние сличения с участи-
ем порядка 20 стран проводятся обычно с помощью
растворов радионуклидов „вслепую11, т.е. один и тот же
раствор, расфасованный в ампулы, направляется од-
новременно в заинтересованные в сличениях страны.
В каждой национальной лаборатории измерения на
эталонных установках проводятся по собственным ме-
тодикам и программам, с собственной оценкой по-
грешности. Протоколы измерений высылаются в
МБМВ. После анализа МБМВ публикует результаты
сличений с кратким резюме, с таблицами результатов
всех лабораторий. Средний мировой результат чаще
всего не определяется, и обычно национальные лабо-
ратории ориентируются на результаты группы лабо-
раторий, которые в течение многих лет показывают в
сличениях стабильные результаты, например, на
США, Канаду, Германию, Великобританию, Россию,
Францию, Японию и др.
В сличениях по системе SIR каждая страна участ-
вует индивидуально, измеряя удельную активность
своего раствора и направляя в МБМВ свой раствор в
стандартной ампуле и протокол измерений. Результа-
ты измерений разных стран по данному радионукли-
ду, полученные в разное время, в системе SIR сравни-
ваются с помощью высокостабильной ионизацион-
ной камеры и сообщаются участнику сличений. В
последние годы ВНИИМ им. Д.И. Менделеева прини-
мал участие в сличениях |231, шВа, 109Cd, 152Eu, 2<17Bi,
57Со, 75Sec результатами на уровне лучших метрологи-
ческих лабораторий.
Литература:
1. ГОСТ 8.033-96 „ГСИ. Государственная поверочная
схема для средств измерений активности радионукли-
дов, потока и плотности потока альфа-, бета-частиц и
фотонов радионуклидных источников".
2. Юдин М.Ф., Кармалицын Н.И., Кочин А.Е.,
Сазонова Т.Е, и др. Комплексный первичный эталон
единиц активности радионуклидов, потока и плотно-
сти потока ионизирующих частиц радионуклидных ис-
точников // Измерительная техника. — 1993. — № 6. —
С. 60-62.
3. Юдин М.Ф., Кармалицын Н.И., Кочин А.Е., Сазо-
нова ТЕ., Фоминых В.И., Фролов Е.А., Хольнова Е.А.
Измерение активности радионуклидов. Справочное по-
собие. - СПб., 1997. - 397 с.
А.Е. Кочин
694
Государственный первичный эталон единиц
экспозиционной дозы, мощности
экспозиционной дозы и потока энергии
рентгеновского и гамма-излучений, ГЭТ 8-82
Экспозиционная доза (ЭД) фотонного излучения
(рентгеновского и гамма-излучений) х —отношение
суммарного заряда, dQ , всех ионов одного знака, соз-
даваемых в воздухе, когда все электроны и позитро-
ны, освобожденные фотонами в элементарном объе-
ме воздуха с массой, dm , полностью остановились в
воздухе, к массе воздуха в указанном объеме:
Х = ^.
dm
Единицей экспозиционной дозы в системе СИ яв-
ляется Кулон на килограмм (Кл/кг) — это доза, при
которой в 1 килограмме чистого сухого атмосферно-
го воздуха создается, под действием фотонного излу-
чения, заряд ионов каждого знака, численно равный
1 Кулону. Внесистемной единицей экспозиционной
дозы является Рентген (Р).
Соотношение с единицей СИ:
1 Р-2,5840"*Кл/кг (точно).
Мощность экспозиционной дозы (МЭД) фотонно-
го излучения х ~ отношение приращения экспози-
ционной дозы, dX , за интервал времени, dt, к этому
интервалу времени:
X —---
dt
Единицей мощности экспозиционной дозы в сис-
теме СИ является ампер на килограмм (А/кг) — это
мощность дозы, при которой за 1 секунду создается
экспозиционная доза 1 Кл/кг. Внесистемная единица
МЭД — рентген в секунду (Р/с).
Соотношение с единицей СИ:
1 Р/с=2,58-10'4А/кг (точно).
Поток энергии рентгеновского и гамма-излучений
Fw — отношение энергии фотонов ионизирующего из-
лучения, dW, проходящего через заданную поверх-
ность за интервал времени, dt, к этому интервалу:
_dW
w dt
Единицей потока энергии является ватт (Вт) — это
величина потока энергии, при котором через данную
поверхность за 1 секунду проходит излучение с энер-
гией 1 джоуль.
Основой обеспечения единства и правильности из-
мерений ЭД, МЭД и потока энергии рентгеновского
и гамма-излучений в России является Государственный
первичный эталон единиц экспозиционной дозы, мощ-
ности экспозиционной дозы и потока энергии рентге-
новского и гамма-излучений ГЭТ 8-82, от которого раз-
мер вышеуказанных единиц передается вторичным
эталонам, образцовым (разрядным эталонам) и рабо-
чим средствам измерений в соответствии с государст-
венной поверочной схемой по ГОСТ 8.034-82.
Идеальная модель для условий воспроизведения
единицы ЭД (МЭД) исходя из ее определения следую-
щая:
Выделяется элементарный объем, Д V , в среде су-
хого чистого атмосферного воздуха, содержащий воз-
дух массой Дт • Только этот объем облучается фотон-
ным излучением, которое, в результате процессов взаи-
модействия с воздухом, освобождает электроны,
способные ионизировать воздух в пределах длины сво-
их пробегов внутри ДУ и в слое, окружающим ДУ .
Кроме электронов, освобожденных фотонами, в про-
цессе ионизации участвуют те вторичные и дальней-
ших разрядов электроны (8-электроны), которым при
столкновениях была сообщена достаточная для иони-
зации энергия. Заряд AQ есть сумма зарядов ионов од-
ного знака, образованных в воздухе в результате всех
неупругих столкновений, начало которым дали элек-
троны, освобожденные фотонами в объеме ДУ .
К заряду AQ не причисляются заряды ионов, об-
разованных в результате других процессов, а именно:
— поглощения фотонов, рассеянных в объеме ДУ ;
— поглощения фотонов тормозного излучения, ис-
пускаемых при неупругих столкновениях электронов
с атомными ядрами воздуха;
— поглощения фотонов аннигиляции.
Практически неосуществимо условие воспроизве-
дение единицы ЭД, касающееся избирательного об-
лучения выделенного объема воздуха ДУ . Пучок фо-
тонов, проходя через воздушную среду, обязательно
облучает воздух также перед и за объемом ДУ . Соот-
ветственно, заряд, собираемый в ионизационной ка-
мере, увеличивается из-за воздействия электронов, ос-
вобожденных в соседних объемах, и одновременно
уменьшается, вследствие того что часть электронов,
освобожденных в объеме ДУ , выходит из измери-
тельного пространства. Предполагается, что потеря
заряда компенсируется его приращением, и это пред-
положение справедливо, когда между собирательным
пространством и его окружением существует равно-
весие заряженных частиц, т.е. во внутрь и наружу про-
695
ходят электроны в равных количествах и с равными
энергиями. Равновесие заряженных частиц тем менее
совершенно, чем выше энергия фотонов.
С допускаемой погрешностью это равновесие со-
храняется для энергий, меньших 3000 кэВ. Это значе-
ние считается верхним энергетическим пределом вос-
произведения единицы ЭД.
Для описания ионизационных эффектов взаимо-
действия излучения с воздухом без ограничения свер-
ху какой-либо энергией фотонов применяется физи-
ческая величина керма в воздухе, К.
Воспроизведение единицы ЭД рентгеновского и гамма-
излучения как величины, основанной на ионизацион-
ных эффектах взаимодействия излучения с воздухом,
в государственном эталоне осуществляется с помо-
щью ионизационных камер на эталонных установках
УЭД 5-50, УЭД 50-400, УЭД 250-3000 во всем диапазо-
не энергий фотонов (5-3000 кэВ).
Разделение эталона на три области энергии фото-
нов объясняется:
— стремлением наиболее полно удовлетворить тре-
бованиям воспроизведения единицы в данном интер-
вале энергий, для которого предназначен эталон;
— диапазоном напряжений рентгеновских аппара-
тов, выпускаемых отечественной промышленностью.
Все эталонные установки, воспроизводящие еди-
ницы ЭД и МЭД, должны удовлетворять требовани-
ям, вытекающим из определения единиц, а именно,
необходимо:
— точное определение массы воздуха, заключенно-
го в измерительном объеме ионизационной камеры;
— измерение ионизационного тока в условиях на-
сыщения;
— полное использование ионизирующей способно-
сти вторичных электронов, создаваемых в камере из-
лучением того диапазона энергий фотонов, для кото-
рого предназначена эталонная установка;
— отсутствие попадания вторичных электронов,
созданных из-за взаимодействия излучения со стенка-
ми ионизационной камеры, в ее измерительный объ-
ем.
Для выполнения этих требований в состав каждой
эталонной установки входят:
— эталонная ионизационная камера со свободным
воздухом, измерительный объем (под измерительным
объемом для плоскопараллельной ионизационной ка-
меры понимается объем воздуха, пронизываемый пуч-
ком излучения на длине измерительного электрода),
который окружен со всех сторон слоем воздуха тол-
щиной не менее максимального пробега вторичных
электронов, создаваемых в камере измеряемым излу-
чением;
— электроизмерительное устройство для измере-
ния ионизационных токов (зарядов);
— диафрагмирующее устройство, обеспечивающее
получение узкого коллимированного пучка излучения
с точно известным поперечным сечением на опреде-
ленном расстоянии (в точке, к которой относится из-
меренное значение МЭД);
— рентгеновский аппарат с рентгеновской трубкой
и наборы гамма-источников для создания полей фо-
тонного излучения;
— камеры-свидетели (мониторы), учитывающие
колебания МЭД при воспроизведении единицы из-за
нестабильности пучка рентгеновского излучения по
спектральному составу и мощности экспозиционной
дозы, выходящего из рентгеновской трубки отечест-
венных рентгеновских аппаратов.
Экспозиционная доза и мощность экспозицион-
ной дозы при воспроизведении единиц с помощью
свободно-воздушных ионизационных камер на эта-
лонных установках УЭД 5-50 и УЭД 50-400 рассчиты-
вается соответственно по формулам (1) и (2):
Х =----------ГК /П
^'^эфф' РгР
Пк' т
д Г >фф Ргр ' '
где х — мощность экспозиционной дозы, А/кг; х
— экспозиционная доза, Кл/кг; Q — заряд, собранный
на измерительном электроде и измеренный электро-
измерительным устройством за время измерения, t,
Кл; 5 — площадь сечения отверстия измерительной
диафрагмы в плоскости отнесения измеренного зна-
чения ЭД, м2; — эффективная длина измеритель-
ного электрода, м:
L.,^L + ^-, (3)
где £ — длина измерительного электрода, м; , i2
— величина воздушного зазора между измерительным
и охранными электродами, м; ftp — плотность возду-
ха в камере во время измерения заряда, кг/мЗ:
273,15 Н
Prp~/i 273,15+/101,325’ (4)
где Zf) — плотность воздуха при температуре 0 °C
и давлении 101,325 кПа, равная 1,293 кг/м3; t —тем-
пература воздуха при измерениях, °C; н — давление
воздуха при измерении, кПа. Kt — произведение
поправочных коэффициентов, вводимых в результат
измерения ЭД (МЭД), учитывающих отличие условий
воспроизведения от условий определения единицы:
ГК=^ Kj Ks К-Ка-Ksg-К,-Kfiol-Kf , (5)
Kd — коэффициент, учитывающий проникнове-
ние излучения через края диафрагмы; Кр — коэффи-
циент, учитывающий искажение поля в собирающем
пространстве; Ks — коэффициент, учитывающий ре-
комбинационные потери; — коэффициент, учиты-
вающий неполное использование ионизирующей спо-
собности электронов; Ка — коэффициент, учитываю-
щий ослабление излучения в камере; Ksg —
коэффициент, учитывающий рассеянное излучение в
камере; Kh — коэффициент, учитывающий влияние
влажности воздуха на ионизационный ток в камере;
696
Kpol — коэффициент, учитывающий эффект полярно-
сти; Кр — коэффициент, учитывающий проникнове-
ние излучения через стенки камеры.
Основные размеры эталонных свободно-воздуш-
ных камер ИК 10-60 и ИК 70-300, применяемых для
воспроизведения единиц ЭД и МЭД на установках
УЭД 5-50 и УЭД 50-400 ГПЭ ГЭТ 8-82, приведены в таб-
лице 1.
Таблица 1
Характеристики свободно-воздушной камеры
ИК 10-60 ИК 70-300
Эффективная длина измерительного электрода, мм
31,00 100,23
Расстояние между измерительным и потенциальными
электродами, мм 42,0 300
Расстояние между задней плоскостью измерительной
диафрагмы (точка отнесения МЭД) и центром измеритель-
ного объема, мм 78,0 448,7
Диаметр отверстия измерительной диафрагмы, мм
9,993 16,000
Приложенное напряжение, В +3000 ±4000
Воспроизведение единиц ЭД и МЭД гамма-излуче-
ния в настоящее время осуществляется с помощью по-
лостной графитовой камеры ИК-Ц1 объемом -1 см8
на установке УЭД 250-3000. Ранее, для воспроизведе-
ния ЭД и МЭД гамма-излучения использовалась плос-
ко-параллельная ионизационная камера, в которой
воздух находился под давлением до 20 атмосфер для
обеспечения условий электронного равновесия для
фотонов с энергией 662 кэВ и 1,25 МэВ (гамма-излу-
чение радионуклидов Cs-137 и Со-60).
В полостной камере, используемой для воспроиз-
ведения единицы, собирающий электрод и стенки ка-
меры, являющиеся потенциальным электродом, изго-
товлены из графита марки ОСЧ-МГ. Объем полости,
наполненный воздухом, является собирающим и од-
новременно измерительным объемом, соответствую-
щим объему ДУ по определению единицы ЭД. Экс-
позиционную дозу, воспроизводимую с использовани-
ем полостной камеры, вычисляют по формуле:
х~Л-п*. <б>
где У — измерительный объем камеры, м3; Kt
— произведение поправочных коэффициентов, вво-
димых в результат измерения ЭД (МЭД), учитываю-
щих отличие условий воспроизведения от условий оп-
ределения единицы:
Х[К,=К-Кт Ksf Ka-KCEP-Ksl.Kh-К^ , (7)
где Ks — коэффициент, учитывающий рекомбина-
цию ионов; Кт — коэффициент, учитывающий раз-
личие поглощения фотонного излучения в воздухе и
в графите; Ksp — коэффициент, учитывающий разли-
чие тормозных способностей графита и воздуха; Ка
— коэффициент, учитывающий поглощение и рассея-
ние фотонного излучения в стенках камеры; КСЕР —
коэффициент, учитывающий смещение области по-
глощения фотонного излучения; Kst — коэффициент,
учитывающий рассеяние излучение держателем каме-
ры; КА — коэффициент, учитывающий влияние влаж-
ности воздуха на ионизационный ток в камере; —
коэффициент, учитывающий эффект полярности.
Метрологические характеристики установок, вхо-
дящих в состав эталона, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Эталонная установка Воспроизводимая величина Диапазон СКО, % НСП, % Нестабильность, %
УЭД 5-50 МЭД 1,2-10'3-1,2-102 Р/с (3-107-3-102А/кг) 0,2 0.6-0,7 1
эд 1,2-КУ‘-1,2104 Р (3-10'5-3 Кл/кг) 0,2 0,6-0,7 1
УЭД 50-400 МЭД тг-юм.г-ю-1 р/с (3-10’-ЗЛО* А/кг) 0,2 0,5 1
эд 1,210-’-2-102Р (3-103-5-1(Гг Кл/кг) 0,2 0,5 1
УЭД 250-3000 МЭД 1-Ю М КУ Р/с (2,5-10 ”-2,5-Ю'7 А/ кг) 0,2 0,8 1
эд I-IOM-10'Р (2,5-1010-2,5-Ю6 Кл/кг) 0,2 0,8 1
ПИКЭ-1 МЭД 1,2-10М,2-10‘ Р/с (3-10'"-3-10’’А/кг) 0,2 1,0 1
эд 1,2-ЮМ,2-102Р (3-10’-3-102А/кг) 0,2 1,0 1
КПЭ-50 КПЭ-200 Поток энергии 2-ю®-21(ивт 1,0 2,5 1
697 -------
История создания эталона
Первая эталонная установка для воспроизведения
единицы экспозиционной дозы „Рентген" была созда-
на и исследована в СССР во ВНИИМ в 1930 г Эта ус-
тановка имела одну ионизационную камеру цилинд-
рического типа и воспроизводила единицу экспози-
ционной дозы в диапазоне энергий фотонов от 60 до
150 кэВ В 1У34 г. для повышения точности и надеж-
ности воспроизведения единицы была создана груп-
повая эталонная установка, состоящая из трех иден-
тичных ионизационных камер цилиндрического ти-
па и трех струнных электрометров Эдельмана-Лютца,
включенных по компенсационной схеме Таунсенда.
В 1938 г. Постановлением Ученого Совета ВНИ-
ИМ „Эталонная групповая рентгенометрическая ус-
тановка" была утверждена в качестве первичного эта-
лона единицы физической дозы рентгеновского из-
лучения — Рентген Создателями группового эталона
являлись: первый руководитель рентгенометриче-
ской лаборатории профессор И.В Поройков, К.К. Аг-
линцев. И.А. Божок, З.П. Балон.
Расширение энергетического диапазона излуче-
ния применяемого в промышленности, технике, ме-
дицине и биологии, привело к созданию в 1959 г. новой
эталонной установки УЭДЭ 250-ЗОООдля гамма-излуче-
ния с энергией фот опов 250-3000 со свободно-воздуш-
ной плоско-параллельной ионизационной камерой, по-
мещенной в манометрический бак под давлением, и ус-
тановок УЭДЭ 5-20 и УЭДЭ 20-60 для рентгеновского
излучения с энергией фотонов 5- 20 и 20-60 кэВ. Про-
ведена модернизация групповой эталонной установки.
Работы по созданию и исследованию эталонных уста-
новок проводились М.Ф. Юдиным, К.К. Аглинцевым,
Г.П. Остромуховой, М.П. Авотиной, Р.Ф Кононовой,
В.Н. ТУчиным. Созданная ранее групповая эталонная
установка, получившая название УЭДЭ 60-250, вместе
с новыми установками вошла в комплекс эталонных ус-
тановок для воспроизведения единиц экспозиционной
дозы и мощности экспозиционной дозы рентгеновско-
го и гамма-излучений.
В 1969 г. после всесторонних исследований и сли-
чений этот комплекс из четырех установок был утвер-
жден постановлением Госстандарта СССР в качестве
государственного первичного эталона единиц ЭД и
МЭД рентгеновского и гамма-излучений ГЭТ 8-69.
В современном составе эталон был утвержден по-
становлением Госстандарта СССР № 143 от 16 сентяб-
ря 1982 г. взамен ГЭТ 8-69. В состав этаюна были
включены:
— новая свободно-воздушная плоскопараллельная
ионизационная камера ИК 70-300 взамен г руппового
эталона, что позволило расширить энергетический
диапазон эталонной установки в области рентгенов-
ского излучения до 300 кэВ и обеспечить сличение
эталонных установок;
— установки КЭП-50 и КЭП-200 на основе катори-
метров для воспроизведения единицы потока энергии
рентгеновского излучения
В работах по созданию и исследованию ГЭТ 8-82
принимали активное участие В.И. Фоминых М.П. Ко-
чина, Р.Ф. Кононова, Т.П Новоселова, Е.Н. Юрятин
Области применения эталона.
— медицинская радиология и диагностика;
— охрана окружающей среды (радиоэкологиче-
ский мониторинг);
— индивидуальный дозиметрический контроль
персонала и населения:
— ядерная энергетика,
— дефектоскопия в машиностроении и металлур-
гии;
— рентгеноскопия и рентгеноструктурный анализ.
— экспериментальные исследования в ядерной фи-
зике,
— биология;
— вооруженная сила и гражданская оборона:
— астрофизические и космические исследования;
- ядерная геофизика и разведка полезных ископае-
мых.
Эталонные установки ГЭТ 8-82
- >. ...— — 698 -
Рабочие средства измерений
Единство дозиметрических измерений обеспечива-
ется системой вторичных и разрядных эталонов, дос-
тигающих нескольких тысяч, включая образцовые ис-
точники.
В качестве вторичных эталонов применяются:
— меры экспозиционной дозы и мощности экспо-
зиционной дозы гамма-излучения (источники гамма-
излучения из радионуклидов: америций-241, цезий-137,
радий-226, собальт-60);
— дозиметрические установки со свободно-воздуш-
ными или полостными ионизационными камерами в
диапазоне энергий фотонов от 5 до 3000 кэВ;
— дозиметрические установки с диффузными или
коллимированными полями гамма-излучения (включая
гамма-терапевтические установки) в диапазоне энер-
гий фотонов от 100 до 1500 кэВ.
В создании и работах по исследованиям вторичных
эталонов активное участие принимали: Г.П. Острому-
хова, В.И. Фоминых, М.П. Кочина, Р.Ф. Кононова,
Ю.Е. Иванов, Н.Д. Виллевальде, Е.Н. Юрятин,
А.В. Оборин.
Образцовые дозиметрические поверочные уста-
новки типа УПГД-3, УПД-Интер для поверки дозимет-
рических приборов были разработаны и созданы во
ВНИИМ при участии Г.П. Остромуховой, И.А. Уряева,
Ю.В. Лысакова, В.И. Фоминых, Ю.Е. Иванова,
Н.Д. Виллевальде, Е.Н. Юрятина, А.В. Оборина,
Ю.А. Волкова.
Международные сличения
В 1970 г. эталонные камеры из состава государст-
венного первичного эталона ГЭТ 8-69, позднее ГЭТ 8-
82 неоднократно сличались с национальными этало-
нами стран-членов СЭВ (ПНР, ЧССР, ВНР, ГДР) в рам-
ках круговых и двусторонних сличений. Эталон
ГЭТ 8-69 входил в состав группового эталона вышеука-
занных единиц стран-членов СЭВ.
В 1997 г. эталонная установка УЭДЭ 250-3000 из со-
става ГЭТ 8-82 сличалась (в рамках ключевых сличе-
ний) с помощью эталона сравнения с эталоном Меж-
дународного Бюро Мер и Весов (МБМВ) на гамма-из-
лучении радионуклидов цезий-137 и кобальт-60. Резуль-
таты сличений показали хорошее совпадение эталона
ВНИИМ и эталона МБМВ: в пределах 0,2 % для гамма-
излучения кобальта-60 и 0,4 % для гамма-излучения це-
зия-137.
В 1998 г. был выполнен первый этап сличений эта-
лонных камер ВНИИМ в области рентгеновского из-
лучения при напряжениях генерирования 10-50 кВ и
100-250 кВ с эталоном МБМВ. Предварительные ре-
зультаты сличений показали, что эталон ВНИИМ на-
ходится на уровне ведущих метрологических центров
мира.
Сличения с МБМВ проводились по „керме в возду-
хе" — единице, введенной в мировую практику реше-
нием Международной комиссии по радиационным ве-
личинам и единицам в 1980 г. Переход к этой единице
осуществляется по результатам измерений на эталоне
единиц экспозиционной дозы с введением согласован-
ных коэффициентов g — учитывающих долю потерь
энергии электронов, идущих на тормозное излучение.
Литература:
1. Юдин М.Ф., Остромухова Г.П., Кочина М.П., Кононо-
ва Р.Ф. Государственный первичный эталон единиц экспози-
ционной дозы, мощности экспозиционной дозы рентгенов-
ского и гамма-излучения // Измерительная техника. - 1972.
-№2.-С.4.
2. Фоминых В.И., Кочина М.П., Кононова Р.Ф., Ива-
нов Ю.Е., Юрятин Е.Н. Государственный первичный эталон
единиц экспозиционной дозы, мощности экспозиционной до-
зы и потока энергии рентгеновского и гамма-излучения //
Сборник научных трудов ВНИИМ. — Л., 1985. — С. 6.
3. Фоминых В.И., Юрятин Е.Н., Кочина М.П., Виллеваль-
де Н.Д. Создание комплекса рабочих эталонов единиц мощ-
ности экспозиционной дозы // Метрология и техника изме-
рений. — 1981. - Вып. 2. - С. 14-18.
4. Villevalde N., Oborin A., Yurjatin Е., Fominykh V.,
FedinaS., Urjaevl., Rumjantseva E. Research Work of the
Laboratory for Metrology of Ionising Radiation in the field of X,
Gamma- and Beta-ray Dosimetry // Report (1) 97-13 CCEMRI
s.l, 1997.
5. Allisy-Roberts P.J. and Boutillon M. (BIPM), Villeval-
de N.D., Oborin A.V. and Yurjatin E.N. Comparison of the
standards of air kerma of the VNIIM and BIPM for 137Cs and 6"Co
gamma-rays (VNIIM) // Raport BIPM-98/3, 12 p.
Н.Д. Виллевальде
699
Государственный первичный эталон единиц
поглощенной дозы и мощности поглощенной
дозы бета-излучения
Эталон разработан и создан в 70-х гг. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева для мет-
рологического обеспечения производства и применения радионуклидных меди-
цинских источников и дозиметров бета-излучения. В современном составе эта-
лон утвержден Постановлением Госстандарта СССР от 16.09.1982 г. № 143.
Эталон состоит из экстраполяционной ионизационной камеры, измеритель-
ной аппаратуры и набора радионуклидных источников бета-излучения: строн-
ций-90+иттрий-90, таллий-204 и прометий-147.
Метрологические характеристики
Измеряемая Диапазон СКО НСП, %
величина результата измерений,%
Мощность поглощенной дозы, Гр/с 1ЮМ 1,5 3
Поглощенная доза, Гр 1ЮМ102 1,5 3
Область применения
— Медицина: лучевая терапия офтальмологических и кожных заболеваний.
— Радиационная безопасность: индивидуальная дозиметрия персонала и на-
селения.
700
Государственный первичный эталон единиц
потока и плотности потока нейтронов, ГЭТ 10-81
Поток нейтронов источника ф — число нейтро-
нов, испускаемых источником за пределы его оболоч-
ки в телесном угле 4 л" радиан в единицу времени
<& = dN/dl . Единицей потока нейтронов является
1 нейтрон в секунду.
Плотность потока нейтронов (3 — отношение чис-
ла нейтронов, проникающих в объем элементарной
сферы в единицу времени, к площади поперечного се-
чения этой сферы p=dN/dt-dS или 0*= d Ф/rfS . Еди-
ницей плотности потока нейтронов является 1 ней-
трон в секунду на квадратный метр.
В системе SI обе единицы являются производны-
ми и выражаются через основные как с1 (поток ней-
тронов) и с'-м'2 (плотность потока нейтронов).
Основой обеспечения единства и правильности
измерений потока и плотности потока нейтронов в
России является Государственный первичный эталон
единиц потока и плотности потока нейтронов
ГЭТ 10-81, от которого размер единиц передается ра-
бочим средствам измерений в соответствии с государ-
ственной поверочной схемой по ГОСТ 8.031-82.
Воспроизведение единицы потока нейтронов в госу-
дарственном первичном эталоне осуществляется тре-
мя независимыми абсолютными методами, реализо-
ванными соответственно на установках УЭН-1, УЭН-
2 и УЭН-3. При величине погрешности каждого
метода -1,2% для доверительной вероятности Р=0,99
среднее квадратическое отклонение результата изме-
рения потока нейтронов тремя методами составляет
-0,7 %.
Метод регистрации сопутствующих частиц
Если известно соотношение между числом нейтро-
нов и числом заряженных частиц (гамма-квантов), об-
разующихся в процессе реакции, и пространственное
распределение продуктов реакции, поток нейтронов
ф можно определить, измеряя плотность потока со-
путствующего излучения в определенном телесном уг-
ле Q . Значение потока нейтронов может быть рас-
считано по формуле (1)
N
Ф =----(1)
где N — показание детектора, регистрирующего
сопутствующее излучение; е — эффективность детек-
тора сопутствующего излучения; коэффициент
асимметрии сопутствующего излучения; д — телес-
ный угол, в котором производится регистрация сопут-
ствующего излучения; г/ — соотношение между чис-
лом нейтронов и числом сопутствующих частиц.
В лаборатории нейтронных измерений ВНИИМ
создан комплекс средств измерения потока моно-
энергетических нейтронов из реакций Т(<1,п)4Неи
D(d,n)3He методом регистрации сопутствующих час-
тиц с погрешностью, не превышающей 1 %. Поток ней-
тронов исследуемого источника определяется путем
сравнения с потоком нейтронов эталонного источни-
ка. В качестве эталонного источника используется ней-
тронный генератор с мишенным узлом специальной
конструкции. Сличение источников производится с
помощью всеволнового компаратора. Конструктивно
компаратор представляет собой шар из чистого реак-
торного графита диаметром 4 м с центральной сфери-
ческой полостью диаметром 0,4 м. Шар состоит из два-
дцати горизонтальных слоев со скошенными гранями,
каждый из которых собран из отдельных прямоуголь-
ных призм. При сборке поверхность каждой из более
чем полутора тысяч призм и поверхность каждого из
горизонтальных слоев шлифовалась таким образом,
чтобы зазоры между отдельными блоками не превы-
шали 0,2 мм. Вертикальный канал диаметром 90 мм, за-
полненный графитовыми вкладышами, служит для за-
грузки в центр полости радионуклидных источников
нейтронов. Горизонтальный канал диаметром 175 мм,
заполненный графитовыми вкладышами, служит для
введения в центр полости мишени нейтронного гене-
ратора. Два наклонных канала диаметром 90 мм, запол-
ненные графитовыми вкладышами, пересекают шар
по хордам, близким к диаметру под углом 24° к гори-
зонтальной плоскости. В одном из вкладышей каждо-
го из каналов расположены детекторы тепловых ней-
тронов, имеющие возможность перемещаться в диа-
пазоне расстояний от 27,5 до 202 см от центра шара.
Конструкция детекторов обеспечивает постоянство
эффективности регистрации тепловых нейтронов в
диапазоне плотностей потока от 0,1 до 105с ‘-см’2. На-
правление перемещения детекторов тепловых нейтро-
нов позволяет исследовать пространственное распре-
деление тепловых нейтронов в объеме замедлителя.
Описанная конструкция обладает тремя важными
свойствами, позволяющими использовать ее для пе-
редачи размера единицы потока нейтронов с высокой
точностью:
— соотношение между длиной замедления и дли-
ной диффузии в графите таково, что относительное
число нейтронов, выходящих за пределы шара, поч-
ти не зависит от начальной энергий нейтронов в диа-
пазоне почти до 20 МэВ;
- 701 ——
— на расстоянии -79 см от центра шара в замедли-
теле существует сферический слой, в котором отноше-
ние плотности тепловых нейтронов к полному потоку
быстрых нейтронов источника не зависит от началь-
ной энергии нейтронов в диапазоне от 0,5 до 20 МэВ;
— при взаимодействии нейтронов с графитом нет
реакций, приводящих к увеличению числа нейтронов,
до энергий -20 МэВ;
— установка практически нечувствительна к асим-
метрии нейтронного излучения источника.
Значение потока нейтронов источника ф , поме-
щенного в центре замедлителя, описывается выраже-
нием
Ф = /г|Л'(г>2Л1 (2)
о
где N(r) — скорость счета детектора тепловых ней-
тронов, расположенного на расстоянии г от центра;
k — коэффициент пропорциональности.
Кроме того, учитываются эффекты утечки тепло-
вых нейтронов за пределы замедлителя и поглощения
нейтронов высоких энергий за счет реакции 12С(п, )9Ве
с порогом -8 МэВ.
Метод активации марганца
Это наиболее распространенный в мире метод из-
мерения потока нейтронов радионуклидных источни-
ков.
Нейтроны, испускаемые источником, помещен-
ным в центр цилиндрического стального бака, запол-
ненного раствором MnSO4, замедляются в результате
соударений с ядрами атомов замедлителя, в основном,
водорода и приходят в термодинамическое равнове-
сие с замедлителем. При этом в объеме устанавливает-
ся стационарное распределение тепловых нейтронов
вдоль радиуса от центра, где расположен источник бы-
стрых нейтронов, и полный поток тепловых нейтро-
нов (интеграл по всему объему) пропорционален по-
току быстрых нейтронов из источника
Ф = k| <fir)r2dr , (3)
где ф — полный поток нейтронов источника;
<f^r ) — плотность потока тепловых нейтронов на рас-
стоянии г от источника; А — коэффициент пропор-
циональности.
Задача определения потока ф сводится к опреде-
лению полного потока тепловых нейтронов и коэффи-
циента пропорциональности k
Основная часть нейтронов, испускаемых источни-
ком, замедлится и будет поглощена ядрами атомов мар-
ганца, водорода, кислорода и серы, входящих в состав
водного раствора MnSOi. Небольшая часть, ввиду ко-
нечных размеров бака выйдет за его пределы, причем
более 85 % нейтронов, потерянных за счет утечки —
быстрые, не дающие вклада в активность мМп.
Раствор сульфата марганца в воде хорошо пере-
мешивается, что дает возможность использовать ме-
тод „физического интегрирования", т.е. заменить в рас-
четах формулу (3) на формулу (4)
Ф=АД>. (4)
То обстоятельство, что тепловые нейтроны погло-
щаются не только ядрами атомов марганца, учитыва-
ется введением фактора р , который имеет следующий
вид
, 1 1 ч
Е = 1+------*-+-------2---— (5)
1+а- аМп 1+а <тМп пМп ’ '
где <тМп , &s , сгн — сечения поглощения тепловых
нейтронов ядрами атомов марганца, серы и водорода
соответственно; пМп , ns , пн — число ядер атомов мар-
ганца, серы и водорода в 1 см3 раствора; а — поправ-
ка на резонансное поглощение эпитепловых нейтро-
нов марганцем.
Тогда выражение для определения полного числа
тепловых нейтронов в системе запишется в следующем
виде
ф(гл>м,,(6)
В действительности обычно измеряют скорость
счета гамма-детектора ЛГ0, обусловленную активно-
стью Л;, связанную с активностью выражением
(7)
где е — параметр установки, который условно на-
зывают эффективностью регистрации радиоактивно-
го Мп-56 сцинтилляционным детектором.
Параметр е определяется в процессе калибровки
и считается неизменным от калибровки до калибров-
ки, которые проводятся обычно один раз в год, а так-
же перед проведением наиболее ответственных изме-
рений.
В окончательном виде формула для расчета значе-
ния полного потока быстрых нейтронов источника вы-
глядит следующим образом:
Ф = АрЦ^^(1 + /Х1 + тХ1 + Д (8)
где А, — поправка на поглощение тепловых нейтро-
нов примесями; — поправка на поглощение нейтро-
нов (как быстрых, так и тепловых) ядрами конструк-
ционных материалов; I — поправка на утечку ней-
тронов за пределы замедлителя; т — поправка
на самопоглощение нейтронов в материале источни-
ка; X — поправка на захват быстрых нейтронов ядра-
ми серы и кислорода.
Процедура измерения заключается в следующем.
В центре бака с раствором на специальном держа-
теле устанавливается источник, поток нейтронов ко-
торого предполагается измерять. По истечении дос-
таточного для активации (8-10 ч) времени источник
извлекается. Раствор тщательно перемешивается, в
центр раствора помещается детектор гамма-излуче-
ния, измеряется значение наведенной активности и по
формуле (8) вычисляется значение потока нейтронов.
Метод активации золотых фолы в
воде
Если источник нейтронов поместить в центре
достаточно большого объема замедлителя (в нашем
случае — воды), то все нейтроны, вышедшие из источ-
ника, после замедления будут поглощены ядрами
водорода, в основном, в тепловой области энергий.
Малая часть нейтронов будет поглощена, не успев
- - 702 - - - ---------------------
замедлиться до тепловой энергии, незначительная
часть будет поглощена кислородом воды, конструкци-
онными материалами, материалом источника. Неко-
торая часть нейтронов покинет пределы замедлителя.
Все три эффекта легко учитываются введением соот-
ветствующих поправок. Поток нейтронов источника
Ф в общем случае равен
Ф = 4^ify'drdv
о о
где Л'н — число ядер водорода в 1 см3 воды:
сгн ( г) — сечение поглощения тепловых нейтронов во-
дородом; <z(r, и) — плотность потока нейтронов в за-
медлителе на расстоянии г от центра источника,
и)=п(г, и)и; п(г, и) — дифференциальная плот-
ность потока нейтронов в точке замедлителя г
В тепловой области сечение <7н(и) следует закону
0»(к)= Ц1Н »(|/и, где <%ц —сечение поглощение ядра-
ми водорода тепловых нейтронов (при скорости
>6 =2200 м/ с), поэтому выражение для потока нейтро-
нов можно записать в виде
Ф = сгонЯ(г)г2^, (Ю)
О
где (гу(г)= nT(r)i^ — плотность потока тепловых
нейтронов (при скорости ).
Государственный первичный эталон единиц потока и
плотности потока нейтронов
Таким образом, зная сечение <Т1Н и определив
<zy(r), можно найти поток нейтронов источника ф .
Конструктивно установка представляет собой ци-
линдрический бак диаметром 110 и высотой 130 см.
выполненный из нержавеющей стали, заполненный
дважды дистиллированной водой и оснащенный сис-
темами дистанционного перемещения активацион-
ных детекторов (золотых фольг) и точного измере-
ния расстояния между детекторами и радионуклид-
ным источником нейтронов, размещенным в центре
замедлителя.
Вычисление площади под кривой распределения
тепловых нейтронов производится аналитически, по-
скольку вид функции распределения может быть опи-
сан на различных участках кривой достаточно про-
стыми функциями.
Абсолютные значения в нескольких точках
определяются с помощью активационных детекторов
из золота.
Окончательная формула для расчета значения ф
. . ан М .,FLd _/}с(,,
Ф = 4 ж—------—F-^-bl
аЛи Мнм g
Здесь <тн =(0,3226±0,0006) 10'23 см2 — сечение по-
глощения тепловых нейтронов водородом;
<ТЛи =(98.65±0,09)-10'-’’|см2 — сечение поглощения те-
пловых нейтронов золотом: МЛи =197 — атомный вес
золота; =18 _ молекулярный вес воды; /3 — по-
правка на поглощение быстрых нейтронов кислоро-
дом воды зависит от спектрального состава нейтро-
нов источника; of — поправка на размножение ней-
тронов; h , I — поправки на поглощение тепловых
нейтронов в держателе детектора из золота и в источ-
нике соответственно. Ь =1,011±0,001, I рассчитыва-
ется для каждого источника индивидуально с учетом
изотопного и массового состава источника; g — па-
раметр Весткотта, учитывающий отклонение сечения
активации детектора от закона 1/ и. Для золота
g = 0,6015-10~’Тл+0,9875 (Т^— температура нейтро-
нов в градусах Кельвина); rf =1 — плотность воды.
где Ац(г) — удельная активность детектора из зо-
лота, облученного без кадмия на расстоянии г от цен-
тра источника; A£rf(r) — удельная активности детек-
тора из золота, облученного в кадмиевом экране на
расстоянии г от центра источника; — коэффи-
циент поглощения эпикадмиевых нейтронов; Дг) —
нормированное значение ординаты кривой распре-
деления плотности нейтронов для расстояния г; К —
поправка на депрессию и самоэкранирование для зо-
лотого детектора; г](т) — поправка, учитывающая ней-
троны промежуточных энергий.
703
Процедура измерения заключается в следующем.
В центре замедлителя на специальной подставке ус-
танавливается источник, поток нейтронов которого
предстоит определить. На нескольких (обычно —
трех) точно измеренных расстояниях от источника
располагаются детекторы — тонкие фольги из золота
диаметром 20 мм. Через 8-10 суток фольги извлекают-
ся, на их место устанавливаются аналогичные по раз-
мерам и массе фольги в кадмиевых чехлах толщиной
0,8 мм. Процедура облучения аналогична. Наведенная
активность измеряется на установках из состава госу-
дарственного первичного эталона единицы активно-
сти радионуклидов.
Воспроизведение единицы плотности потока тепло-
вых нейтронов и передача ее размера вторичным эта-
лонам и рабочим средствам измерений осуществляет-
ся с помощью эталонной установки УЭПТН.
Установка состоит из полиэтиленового замедлите-
ля, выполненного в форме куба с ребром 330 мм, ок-
руженного отражателем из оргстекла толщиной
180 мм. В центре замедлителя имеется сферическая
полость диаметром 120 мм. В центрах граней полиэти-
ленового куба на расстоянии 20 мм от края полости
расположены шесть радионуклидных источников
нейтронов типа 239Pu-Be(a,n). Плотность потока теп-
ловых нейтронов <Pf определяется детекторами из зо-
лота методом „кадмиевой разности" из уравнения:
- _ Йо ~
N<>ma-Aug(T J)T ’ <13)
где Aq —активность детектора из золота, облучен-
ного без кадмиевого чехла; — активность детек-
тора из золота, облученного в кадмиевом чехле (ак-
тивность детекторов определяется на установках из
состава Государственного первичного эталона едини-
цы активности радионуклидов); М — атомный вес зо-
лота; аАи — сечение активации золота тепловыми ней-
тронами; — параметр Вескотта; GT — коэффи-
циент самоэкранирования; Fcd — коэффициент,
Таблица 1
Состав ГЭТ 10-81
Эталонная установка единица Воспроизво- димая Диапазон Погреш- ность, %
УЭН-1 Поток нейтронов Ю’-Ю’с1 0,8-1,4
УЭН-2 Поток нейтронов 1О’-1О9 с' 0,7-1,2
УЭН-3 Поток нейтронов 106-108 с1 1,0-1,5
УЭПТН Плотность потока тепловых нейтронов 6,15410" с'-М2 0,5-0,9
УЭППН Плотность потока быстрых нейтронов 105-1010 с'-м* 1,2-1,5
учитывающий поглощение эпикадмиевых нейтронов
кадмием.
Температура нейтронов в полости и доля эпитеп-
ловых нейтронов определяются методом кадмиевых
отношений с использованием набора активационных
детекторов из золота, индия, марганца, диспрозия.
Воспроизведение единицы плотности потока быстрых
нейтронов и передача ее размера вторичным эталонам
и рабочим средствам измерений осуществляется с по-
мощью эталонной установки УЭППН.
В состав установки входят:
— нейтронный генератор — источник быстрых мо-
ноэнергетических нейтронов с энергиями 2,5 и
14,8 МэВ;
— круговая линейка, обеспечивающая перемеще-
ние детекторов быстрых нейтронов: радиальное в
диапазоне от 0,1 до 0,8 м с погрешностью 0,01 мм и
азимутальное в диапазоне от -130 до +130 ° С с погреш-
ностью, не превышающей 0,5°;
— набор радионуклидных источников нейтронов
различного спектрального состава со средними энер-
гиями от 15 кэВ до 4,5 МэВ;
— измерительная скамья с возможностью фикса-
ции радионуклидных источников и детекторов ней-
тронов, их взаимного перемещения и измерения рас-
стояний между ними с погрешностью не хуже 0,5 мм;
— формирователь поля быстрых и тепловых ней-
тронов типа УКПН с измерительной линейкой, обес-
печивающей фиксацию и перемещение детекторов
нейтронов с погрешностью не хуже 0,5 мм.
Значение плотности потока нейтронов на расстоя-
нии R от источника в направлении ^рассчитывает-
ся по формуле
Ф
(И)
где ф — поток нейтронов источника, измеренный
одним из вышеперечисленных методов; гЯ) — ко-
эффициент асимметрии источника.
Состав эталона
Метрологические характеристики установок, вхо-
дящих в состав эталона, приведены в таблице 1.
Метрологические характеристики эталона приве-
дены в таблице 2.
Таблица 2
Метрологические характеристики ГЭТ 10-81
Физическая величина Диапазон СКО, % НСП, %
Поток нейтронов 103-109 с1 (0,2-0,5) (0,4-0,9)
Плотность потока нейтронов 103-1010 с'-м2 (0,2-0,5) (0,4-0,9)
Плотность потока теп- ловых нейт- ронов (номи- нальное зна- чение) 6,154-10" с'-м2 (0,2-0,5) (0,4-0,9)
704
Таблица 3
Вторичные эталоны в области измерений потока и плотности потока нейтронов
Наименование, № по реестру Состав Дислокация
РЭ потока нейтронов ВЭТ 10-1 Установка „Марганцевая ванна" РИ им. Хлопина, С.-Петербург
РЭ потока и плотности потока нейтронов ВЭТ 10-2 Набор мер (радионуклидных источников) и компаратор СНИИП (Москва)
РЭ плотности потока тепловых нейтронов ВЭТ 10-3 Установка с полем тепловых нейтронов в замедлителе СНИИП (Москва)
РЭ плотности потока нейтронов ВЭТ 10-4 Измерительные каналы исследовательского реактора Ф-1 ГНЦ „Курчатовский институт" (Москва)
РЭ потока нейтронов ВЭТ 10-5 Набор мер (радионуклидных источников) и компаратор ВНИИНМ (Москва)
РЭ потока и плотности потока нейтронов ВЭТ 10-6 Набор мер (радионуклидных источников) и компаратор Белоцерковский ЦСМ (Украина)
РЭ плотности потока нейтронов ВЭ 19 ППН Измерительные установки, набор мер (радионуклидных источников) и компаратор 32 НИЦ МО (Мытищи, Моск, обл.)
Таблица 4
№ Физическая величина 1Ьд проведения Координатор Число стран-участниц
1. Поток нейтронов Ra-Be источника 1959-1963 NRC, Канада 12
2. Плотность потока тепловых нейтронов 1966-1968 NPL, Англия И
3. Плотность потока моноэнергетических нейтронов 2,5 и 14,8 МэВ 1973-1976 BIPM, Франция 7
4. Поток нейтронов 252Cf источника 1979-1984 NIST, США 14
5. Плотность потока моноэнергетических нейтронов 2,5 и 14,8 МэВ 1981-1983 CBNM 7
6. Поток нейтронов радионуклидных источников 252Cf и Аш-Ве (СЭВ) 1984 ВНИИМ 4
7. Плотность потока моноэнергетических нейтронов 24,5 кэВ 1993-1998 BIPM, Франция 9
История создания эталона
Нейтронная лаборатория во ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева была образована в 1947 г.
Б.С. Джелеповым. Основное внимание уделялось раз-
работке чувствительных методов детектирования ней-
тронов для решения задач ядерной спектроскопии.
В 1956 г. нейтронную лабораторию возглавил
А.С. Карамян. В это время в распоряжении лаборато-
рии был только один нейтронный источник из смеси
RaMsTh с Be. К 1960 г. лаборатория располагала уже
достаточным количеством радионуклидных источни-
ков нейтронов различного спектрального состава и
тремя независимыми методами измерения потока
нейтронов, описанными выше.
Государственный первичный эталон единицы по-
тока нейтронов утвержден постановлением Госстан-
дарта 13 мая 1969 г. Основная работа по созданию и
утверждению эталона была проделана И.А. Ярицы-
705
ной, В.Т. Щеболевым, В.И. Фоминых, Ю.С. Силиным,
Г.М. Стуковым, Р.П. Крессом.
В 1968 г. при активном участии И.А. Ярицыной,
О.Л. Андреева, Е.П. Кучерявенко, В.А. Тумольского,
И.А. Харитонова была создана эталонная установка для
воспроизведения и передачи размера единицы плот-
ности потока тепловых нейтронов и 25 июня 1972 г.
постановлением Госстандарта утвержден Государствен-
ный первичный эталон единицы плотности потока
нейтронов.
В дальнейшем при активном участии В.Т. Щеболе-
ва, З.А. Рамендика, Г.М, Стукова, Т.М. Кутеевой все пе-
речисленные методы были объединены в единый эта-
лонный комплекс.
В современном составе эталон утвержден постанов-
лением Госстандарта № 24 от 25 февраля 1982 г.
Область применения эталона
Измерение параметров нейтронных полей исполь-
зуется:
— в ядерной и термоядерной энергетике;
— при проектирования и эксплуатации автономных
транспортных установок;
— для контроля качества материалов в металлургии
и машиностроении (неразрушающий анализ);
— для поиска и оценки количества запасов полез-
ных ископаемых;
— в биофизике, биологии и медицине;
— в научных исследованиях;
— в радиоэкологическом мониторинге.
Рабочие средства измерений
В соответствии с Законом РФ „ Об обеспечении един-
ства измерений “ нейтронные измерения отнесены к
сфере распространения государственного метрологи-
ческого контроля и надзора. На практике это означа-
ет, что все существуй >щи<: средства измерений парамет-
ров нейтронных полей и источников должны подвер-
гаться обязательной государственной поверке в
соответствии с государственными стандартами.
На сегодняшний день на территории стран — быв-
ших членов СССР только в качестве образцовых
средств измерений используется более 200 радионук-
лидных источников нейтронов, более 50 стендов ти-
па УКПН (КИС НРД МБм), более 20 радиометров ти-
па ОВС и около 100 радиометров других типов. Боль-
шое количество рабочих средств измерений потока и
плотности потока нейтронов (с учетом) хранится на
воинских складах и в подразделениях гражданской обо-
роны. Для передачи размера единиц рабочим средст-
вам измерений создана система вторичных эталонов,
перечень которых приведен в таблице 3.
Международные сличения
С момента создания лаборатория неоднократно
участвовала в международных сличениях националь-
ных эталонов единиц потока и плотности потока бы-
стрых и тепловых нейтронов (таблица 4).
Уникальность и преимущества
Эталонный комплекс является уникальным по сво-
им метрологическим характеристикам и конструктив-
ному исполнению и не имеет аналогов в мире.
Специальная конструкция мишенной камеры ней-
тронного генератора обеспечивает минимальное ис-
кажение поля нейтронов из реакций и измерение со-
путствующих заряженных частиц в фиксированном те-
лесном угле. Система дистанционного перемещения
позволяет располагать облучаемые образцы или мало-
габаритные детекторы на расстоянии от 5 до 700 мм
от мишени генератора с погрешностью 0,01 мм под ут-
лом от 0 до 130° с погрешностью не более 0,05°.
Особенности конструкции сферического графито-
вого замедлителя позволяют определять значения
средней энергии нейтронов источников.
Радиационный фон космического излучения и кон-
струкционных материалов в центральной полости гра-
фитовой сферы ниже, чем на глубине 50 м в Ладожском
озере, что позволяет использовать установку для оп
ределения собственного фона детекторов ионизирую-
щих излучений.
С использованием установок, входящих в состав эта-
лона, в разное время были определены различные ядер-
но-физические константы — значения длины диффузии
и длины замедления нейтронов в графите, необходи-
мые для расчета и эксплуатации ядерных реакторов,
периоды полураспада радиоактивных ядер и сечения
взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с кон-
струкционными и делящимися материалами. В настоя-
щее время эталонный комплекс используется для про-
ведения исследований в области нейтронной физики,
измерения физических констант, а также для градуи-
ровки нейтронных детекторов и приборов для иссле-
довательских лабораторий, систем СУЗ и АСРК АЭС.
Литература:
1. Андреев О.Л.. Ярицына И.А. Эталон единицы плотно-
сти потока тепловых нейтронов // Атомная энергия. — 1969.
-Т. 26.-Вып. 3.-С. 304.
2. Ярицына И.А., Щёболев В.Т., Фоминых В.И.,
Стуков Г.М. Государственный первичный эталон единицы по-
тока нейтронов // Измерительная техника. — 1972. — № 8. —
С. 8.
3. Щёболев В.Т., Харитонов И.А., Яблоков Ш.В.,
Рамендик З.А. Исследование формы линии сцинталляцион-
ного спектрометра с кристаллом стильбепа для энергии ней
тронов 14,7 МэВ // Метрология. — 1974. — № 8. — С. 61.
4. Щёболев В.Т., Рамендик З.А.. Яблоков Ш.В. Определе-
ние сечения неупругих процессов и сечения образования гам-
ма-квантов с энергией 4.43 МэВ при взаимодействии нейтро-
нов из реакцииТ(0,п)4Несуглеродом / /Атомная энергия.—
1975. - Г. 39. - Вып. 2. - С. 207
5. Моисеев Н Н , Рамендик З.А., Щёболев В.Т. Примене-
ние активационных детекторов для определения потока ней-
тронов в полях нейтронных генераторов // Атомная энер-
гия. - 1990.-Т. 68. - Вып. 2.-С. 128.
6. Щёболев В.Т., Моисеев Н.П., Рамендик З.А. Прецизи-
онное определение периода полураспада а52С1 и временной
зависимости потока Ra-Be( а, п) источника // Атомная энер-
гия. - 1992. - Т. 73. - Вып. 6. - С. 502.
Н.Н. Моисеев, И.А. Харитонов
23 Зак. 450
706
Международная нормализованная система
эталонов единицы массы радия
Измерение активности радионуклидов как вид из-
мерений возник после открытия в 1896 г. А. Беккере-
лем самопроизвольного испускания солями урана ио-
низирующего излучения, сходного по своим свойствам
с рентгеновским излучением, открытым К. Рентгеном
в 1895 г.
В 1898 г. супругами М. и П. Кюри был открыт ра-
дий, который получил распространение в качестве ра-
дионуклидного источника ионизирующих излучений.
Перед метрологией возникла проблема обеспечения
единства измерений массы радия.
М. Кюри был предложен косвенный метод измере-
ния массы радия в радиевых препаратах на основе так
называемого „гамма-взвешивания”. Было установлено
(1), что интенсивность гамма-излучения радиевого пре-
парата пропорциональна массе радия, содержащегося
в препарате, поэтому масса радия в радиевых препара-
тах измеряется путем сравнения интенсивности гамма-
излучения этих препаратов с интенсивностью гамма-
излучения препарата, содержащего известную массу ра-
дия, выраженную в миллиграммах и принятого за
эталон. Эта методика измерения массы радия была за-
тем рекомендована в 1910 г. решением Брюссельского
международного конгресса по электричеству и радио-
логии. На этом же конгрессе было принято решение
поручить изготовить международные эталоны едини-
цы массы радия М. Кюри и О. Хенигшмиду.
Эталон, изготовленный М. Кюри в 1911 г. (1) в Ин-
ституте радия в Париже, содержал 21,99 мг чистого без-
водного хлорида радия, или 16,739 мг радия-элемента,
заключенного в стеклянную ампулу диаметром 1,45 мм,
длиной 32 мм, при толщине стенок 0,27 мм. Радий был
выделен М. Кюри из иохимстальской руды и перед тем
был использован для определения атомного веса радия,
найденного равным 225,97. Чистота соли проверена с
помощью спектрального анализа, причем следов бария
не было обнаружено.
О. Хенигшмид в Радиевом институте в Вене изгото-
вил препарат, содержавший 31,17 мг чистого безвод-
ного хлорида радия в запаянной стеклянной ампуле диа-
метром 3,2 мм, длиной 30 мм, при толщине стенок 0,27
мм (2). Атомный вес радия, определенный в процессе
изготовления эталона, был найден равным 225,97. Эта-
лоны были сравнены между собой в Париже. Решени-
ем международного конгресса по электричеству и ра-
диологии в 1912 г. эталон, изготовленный М. Кюри, был
утвержден в качестве первичного (Париж) международ-
ного эталона единицы массы радия-226, а эталон, изго-
товленный О. Хенигшмидом— в качестве основной ко-
пии (Вена) первичного эталона.
Первичный эталон решено было хранить в Инсти-
туте радия в Париже, копию — в Радиевом институте в
Вене.
Радиевые препараты, сходные по своим характе-
ристикам с парижским и венским международными
эталонами и сравненные с ними, аттестовали в каче-
стве вторичных международных эталонов и распреде-
лили между государствами для использования в каче-
стве национальных радиевых эталонов. По ним калиб-
ровали все радиевые препараты, применявшиеся в ка-
ждой отдельной стране. Т.о. было обеспечено
единство измерений массы радия в радиевых препа-
ратах во всем мире.
Уже в начале 30-х гг. возникли опасения за сохран-
ность международных радиевых эталонов 1911 г. ввиду
возможности их самопроизвольного разрушения под
воздействием накопившихся в ампулах этих эталонов
газов — гелия и хлора, образующихся постепенно, и до-
черних продуктов радия.
Международная комиссия по радиевым эталонам, бу-
дучи обеспокоена за судьбу международного радиевого
эталона, а также за сохранность национальных этало-
нов различных стран, многие из которых были изготов-
лены в десятых и начале двадцатых годов, обратилась к
О. Хенигшмиду, работавшему в то время в университе-
те г. Мюнхена, с просьбой изготовить некоторое коли-
чество новых эталонов из радиевой соли, которую он
использовал в тот период для определения атомной мас-
сы радия. Эта соль, выделенная из катангской руды и
представлявшая собой по химическому составу хлорид
радия, была тщательно очищена Хенигшмидом от не-
которых примесей; причем спектральный анализ пока-
зал, что примесь бария в этой соли составляла менее
0,002-0,003 % по числу атомов. Следует отметить так-
же, что значение атомной массы радия 226,05, опреде-
ленное О. Хенигшмидом в ходе этой работы, до настоя-
щего времени не подвергается ревизии.
Из этой соли Хенигшмид приготовил 20 навесок и
поместил их в стеклянные ампулы внутренним диамет-
ром 3 мм, толщиной стенок 0,27 мм и длиной около 40
мм. Ампулы были запаяны во второй половине дня 2
июня 1934 г. Изготовленные таким образом эталоны
получили номера с 5421 по 5442 (№ 5423 и № 5439 бы-
ли пропущены). По сравнению с международными эта-
лонами 1911 г. ампулы новых эталонов имели значи-
тельно больший свободный объем, благодаря чему дав-
ление газов внутри ампул не должно было возрастать
чрезмерно быстро.
Один из изготовленных эталонов (№ 5430) был вы-
бран в качестве нового первичного международного ра-
диевого эталона, подлежащего хранению в Париже. В
течение 4-х лет этот эталон был сравнен с парижским
и венскими эталонами 1911 г. (3).
Эталон № 5428 был передан Институту радия в Ве-
не для замены старого эталона копии 1911 г. Осталь-
ные эталоны были распределены между различными
странами для замены прежних национальных эталонов
или оставлены в резерве для этой же цели. Советскому
Союзу в 1956 г. был предоставлен эталон № 5427.
До прекращения деятельности Международной ко-
миссии по радиевым эталонам в 1948 г. эталоны Хениг-
шмида, переданные различным странам, снабжались
707
сертификатами этой комиссии, в которых были указа-
ны два значения массы радия: определенное Хенигшми-
дом при изготовлении эталона путем взвешивания соли
и определенное в результате сличения данного эталона
с парижским и венским эталонами 1911 г. Расхождение
между этими значениями в ряде случаев было больше
ожидаемого, и нужно было решить, какому следует от-
дать предпочтение. Если основным считать значение,
полученное в результате сличения с парижским и вен-
ским эталонами 1911 г., то придется признать, что эти
два эталона остаются первичными международными эта-
лонами; если же принимать за основное значение мас-
сы радия, определенное Хенигшмидом путем взвешива-
ния соли, то оно не зависит ни от международных эта-
лонов 1911 г., ни от нового международного эталона №
5430. В том и другом случаях роль эталона № 5430 в ка-
честве международного представляется сомнительной.
В 50-х гг. в ряде метрологических лабораторий бы-
ли проведены тщательные взаимные сличения этало-
нов Хенигшмида (4, 5) с помощью ионизационных ка-
мер и калориметров. Анализ результатов этих сличений
(6_ показал, что масса радия в эталонах была определе-
на Хенигшмидом при их изготовлении весьма тщатель-
но и надежно. Было установлено также, что эталоны Хе-
нигшмида образуют связанную и внутренне согласован-
ную систему, способную существовать и при отсутствии
новых первичных международных эталонов № 5430 и
№ 5428, выбранных к тому же совершенно произволь-
но и по точности определения массы радия не превос-
ходящих остальные эталоны этой системы.
Эти соображения были доложены У.Б. Манном
(НБС США) совещанию Специальной рабочей группы,
назначенной Консультативным комитетом по эталонам
для измерения ионизирующих излучений и собравшей-
ся в Мюнхене 17 июля 1959 г. Группа приняла следую-
щую рекомендацию, утвержденную затем (в 1960 г.)
Консультативным комитетом, а также Международным
комитетом мер и весов (7):
„Специальная рабочая группа рекомендует, чтобы
нормализованная система радиевых эталонов Хениг-
шмида 1934 г. рассматривалась в качестве исходной для
всех относительных эталонирований и калибровок ра-
дия. Для всех практических целей в настоящее время
это будет выполнено путем принятия масс, определен-
ных Хенигшмидом для этих эталонов, применяемых в
качестве национальных или международных эталонов”.
Состав нормализованной системы эталонных ра-
диевых образцов, изготовленных О. Хенигшмидом,
представлен в Таблице. (8).
Международные эталоны №№ 5430 и 5428 занима-
ют в нормализованной системе особое место, т.к. они
были тщательно сличены с международными эталона-
ми 1911 г. и, кроме того, с ними были сличены другие
эталоны Хенигшмида, переданные разным странам;
многие из эталонов Хенигшмида связаны со всей нор-
мализованной системой только через эталоны №№
5430 и 5428. Поэтому Специальная рабочая группа ре-
комендовала, чтобы хранение эталона № 5430 осуще-
ствляло Международное бюро мер и весов.
Поскольку СССР присоединился к этой рекоменда-
ции при условии, что эталон 5427, принадлежащий на-
шей стране, будет включен в состав нормализованной
Таблица
Масса RaCi2, мг
5433 12,53
5435 13,05
5421 17,75
5426 19,19
5432 20,50
5430 22,23
5440 26,86
5431 27,15
5427 27,96
5428 30,75
5425 31,73
5422 32,56
5429 33,34
5424 37,64
5434 38,88
5438 50,00
5437 50,22
5436 52,72
5442 134,93
5441 137,34
системы (ранее эталон 5427 не был сличен с другими
эталонами Хенигшмида), то такое сличение Междуна-
родное бюро мер и весов провело в 1963-1964 гг. (9) в
Лаборатории Кюри Института радия (Париж), Феде-
ральном физико-техническом институте (Брауншвейг,
Германия) и в Институте радия и ядерных исследова-
ний (Вена). Эталон № 5427 был сличен с эталонами
№№ 5426, 5430, 5422, 5428, 5438 с помощью ионизаци-
онных камер — по -излучению и с помощью калоримет-
ров — по - и -излучению. По результатам сличения об-
разца 5427 с парижским образцом О. Хенигшмида, про-
веденным под руководством И. Жолио-Кюри, масса
радия-226 на 1 января 1956 г. была (21,096±0,027) мг. Ре-
зультаты сличений показали, что масса радия-226 в об-
разце 5427, определенная сличением с другими образ-
цами О. Хенигшмида, очень хорошо (в пределах 0,7 %)
согласуется со значением, определенным О. Хенигшми-
дом при его изготовлении. Это дало основание вклю-
чить образец 5427 в так называемую „нормализованную
систему эталонных радиевых образцов” (первичный
международный эталон).
Литература:
1. Curie М. //J. Phys. - 1912 (Oct.). - Р. 795.
2. Honigschmid О. // Wien. Вег. - 1912. -V. 121. - Р. 1973.
3. Chamie С. //J. Phis. Rad. - 1940. - V. 8. - Р. 319.
4. Loftus T.L., Mann W.B. et al //J. Res. NBS. - 1957. -V. 58.
-P. 169.
5. Lecoin M., Robert J. //J. Phys. Rad. — 1965. —V. 17. — P.
150; //J. Phys. - 1964. -V. 25. - P. 159 A.
6. Connor W.S,Jouden WJ. //J. Res. NBS. — 1957. — V. 53. —
P. 273.
7. Comite Consultatif pour les etalons de mesure des
rayonnements ionisantes. 2e Session. 1960. Annexe 3. — P. 46.
8. Comite Consultatif pour les etalons de mesure des
rayonnements ionisant. Section II (Mesure des radionucleides)
(29-31 mai 1989), 1989. Pavilion de Bretenil, F-92312 SEVRES
Cedex.
9. Comite Consultatif pour les etalons de mesure des
rayonnements ionisant. 5e Session, 1964, Annexe 5, p. 76.
Н.И. Кармалицын
Метрологическое обеспечение использования
ионизирующих излучений в медицине
Наиболее актуальные направления взаимодейст-
вия метрологии и медицины в области ИН:
— радиоэкологический мониторинг;
— радиационная диагностика и лучевая терапия;
— производство источников ИИ на базе радионук-
лидных источников, рентгеновских установок и уско-
рительных комплексов заряженных частиц;
— медицинские дозиметры и радиометры.
В РФ существует система метрологического обес-
печения данной области измерений, включающая го-
сударственные эталоны, обеспечивающие воспроиз-
ведение и передачу размера единиц радиометриче-
ских и дозиметрических физических величин альфа-,
бета-, гамма-, рентгеновского, нейтронного, электрон-
ного, протонного и тормозного излучений с энергий
от 20 кэВ до 50 МэВ, опыт метрологической аттеста-
ции полей ИИ и испытаний СИ. Правовой статус под-
держивается комплектом нормативно-методических
документов по номенклатуре показателей и основным
параметрам, предъявляемым к ИИ и СИ медицинско-
го назначения и методиками выполнения измерений
мощности поглощенной дозы и поглощенной дозы
ИИ в стандартных материалах, включая воду, тканеэ-
квивалентные материалы и растворы.
Метрологическое обеспечение использования ИИ
в медицине является составной частью терапевтиче-
ского процесса, обеспечивающего главную цель лече-
ния человека: минимальный „риск больного" за счет
достоверности и точности результатов определения
„отпускаемой дозы". Крупные онкологические цен-
тры с лабораториями радиационной (лучевой) тера-
пии, клиники и госпитали в своей практике исполь-
зуют практически всю палитру источников ИИ: от
внутриполостных радионуклидных источников, бета-
аппликаторов до медицинских ускорительных ком-
плексов с энергией излучения до 40 МэВ, которая
включает отечественные (миниатюрные радионук-
лидные источники производства Института атомных
реакторов — г. Дмитровоград, радиоизотопные ком-
плексы „Рокус", „Луч", рентгеновские аппараты „РУМ-
20", „Рентген-30", „Электроника-100 Д“, маммограф
„Электроника", медицинские терапевтические уско-
рители типа ЛУЭВ-15М, ЛУЭР-20, ЛУЭР-40) и зару-
бежные технические средства (радионуклидные ис-
точники фирмы ,Amersham“ — Великобритания, рент-
геновское оборудование и ускорительные комплексы
фирм „Philips" — Нидерланды, „Varian" — США,
„Simens" — ФРГ).
Номенклатура клинических дозиметров дополня-
ется приборами зарубежных фирм: ,,PTW-Freiburg“ —
ФРГ, „Victoreen" — США, „Nuclear Interprises" — Вели-
кобритания, „Keithley" — США.
Стандарты и методики выполнения измерений
ИИ в медицине в РФ гармонизированы с разработка-
ми и рекомендациями международных центров по ис-
пользованию ИИ в медицинской практике и исследо-
ваниях, таких как ААРМ: „American Association of
Physicists in Medicine", NACP: „The Nordic Association
of Clinical Physics", „Hospital Physicists Association".
И.И. Цветков
.... 709 .. '
Международное сотрудничество национальных
метрологических организаций в области
измерений ионизирующих излучений
Международное сотрудничество в области измере-
ний ионизирующих излучений (ИИИ) осуществляет-
ся путем участия национальных метрологических ла-
бораторий в деятельности международных метрологи-
ческих организаций в области ИИИ и двустороннем
сотрудничестве с национальными метрологическими
лабораториями.
Основные направления деятельности междуна-
родных организаций в области ИИИ приведены в таб-
лице.
Наиболее важным элементом международного со-
трудничества в области ИИИ является участие в дея-
тельности Консультативного Комитета МКМВ по ио-
низирующим излучениям, (CCIR), который был создан
в 1956 г. В 1969 г. в CCIR организованы три секции из-
мерений: рентгеновского, гамма и электронного излу-
чения, активности радионуклидов и нейтронного из-
лучения. В 1961 г. в составе BIPM (МБМВ) создан от-
дел ионизирующих излучений, состоящий из двух
лабораторий: радиометрической и дозиметрической.
Радиометрическая лаборатория имеет комплекс обо-
рудования для абсолютных и относительных измере-
ний активности радионуклидов, включающий спек-
трометры с полупроводниковыми детекторами, ио-
низационную камеру для измерения активности
гамма-излучающих нуклидов в растворах и счетчик с
жидким сцинтиллятором для измерения активных чис-
тых бета-излучателей. Дозиметрическая лаборатория
имеет эталоны кермы в воздухе для мягкого и жестко-
го рентгеновского излучения, а также гамма-излучения
кобальта-60 и цезия-137.
На заседаниях секций CCIR, которые созываются
каждые 2 года, рассматриваются вопросы планирова-
ния ключевых сличений и отчеты о результатах их
проведения. Организацией и проведением сличений
занимается отдел ионизирующих излучений BIPM.
Принципы проведения сличений в различных ви-
дах измерений существенно отличаются.
В области дозиметрии рентгеновского и гамма-из-
лучения ключевыми сличениями считаются сличения,
выполненные национальными лабораториями с этало-
нами BIPM по воздушной керме, поскольку такого ро-
да сличения являются гарантией единства измерений
воздушной кермы (экспозиционной дозы), в единицах
которой проградуировано наибольшее число прибо-
ров в дозиметрии.
В области активности радионуклидов ключевыми
считаются сличения в системе SIR и „большие сли-
чения" BIPM и EVROMET. Система SIR (Sistem
International Radionid) или международная система
эталонных образцов реализуется путем сравнения зна-
чений активности гамма-излучающих нуклидов в рас-
Таблица
№ п/п Наименование организации на русском языке Английский эквивалент Направление деятельности
1. Международный комитет по радиационным единицам ICRU Стандарты по величинам и единицам
2. Международная организация по стандартам ISO, ТС-12 Стандарты по методам измерений
3. Международная организация по законодательной деятельности метрологии ICLM, ТС-15 Стандарты по средствам измерений
4. Международный комитет мер и весов (консультативный комитет по ИИ) CCIR, CIPM Планирование сличений и их анализ
5. Международное бюро мер и весов (отдел ИИ) BIPM Организация и проведение сличений
6. Международные периодические научные конференции (по радионуклидам, по радиационной защите) ICRM, IRPA Обмен информацией
7. Европейские региональные организации EVROMET, EVRODOS Исследовательские проекты
8. Международное агентство по атомной энергии IAEA Стандарты в области эксплуата- ции АЭС, радиационной защиты, стандартные справочные данные
23* Зак. 450
710................. ..........
творах, расфасованных в стандартные ампулы, изме-
ренных в национальной лаборатории первичных эта-
лонов и в ионизационной камере радиометрической
лаборатории BIPM. „Большие сличения" BIPM и
EVROMET это сличения национальных эталонов
путем измерения удельной активности выбранного
радионуклида, в которых участвуют не менее 15 Нацио-
нальных лабораторий со своими абсолютными мето-
дами. С 1961 г. было проведено около 20 „больших сли-
чений" с использованием различных радионуклидов,
например 32Р (1961 г.), 6°Со (1962 г.), “Sr (1964 г.), 1MCs
(1978 г.), ,33Ва (1984 г.), 75Se (1992 г.), 2(|4Т1 (1997 г.), 1в21г
(1998 г.).
В нейтронных измерениях ключевыми считают-
ся все сличения, которые проводятся BIPM. Так, на-
пример, с 1961 г. ВНИИМ участвовал в 7 международ-
ных сличениях, в том числе потока канадского
Ra(a, п)Ве — источника (1961 г.), плотности потока те-
пловых нейтронов (1967 г.), плотности потока быст-
рых моноэнергетических нейтронов с энергией
14,7 МэВ (1982 г.), плотности потока промежуточных
нейтронов с энергией 24,5 кэВ (1996 г.).
Кроме международных сличений проводятся дву-
сторонние сличения и осуществляются исследова-
тельские проекты по согласованию между националь-
ными лабораториями программам.
И.А. Харитонов
711
Радиоэкологический мониторинг
Радиоэкологический мониторинг (РМ) — одно из
направлений комплексного экологического монито-
ринга. РМ можно рассматривать как продолжительную
во времени научно-практическую деятельность, на-
правленную на получение и анализ данных о поступ-
лении и миграции техногенных и естественных радио-
нуклидов в окружающей среде (ОС) вследствие произ-
водственной деятельности человека, а также их
воздействии на население.
Источниками поступления техногенных радионук-
лидов (НС, I37Cs, 95Zr, “Sr, '“Ruh др.) в ОС являются
предприятия ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), АЭС,
а также радиоактивные выпадения от испытаний
ядерного оружия и радиационных аварий. Поступле-
ние естественных радионуклидов (40К, 238U, ^Ra, 210Pb,
210Ро, 232Th), в основном, обусловлено сжиганием ка-
менного угля в электростанциях, котельных, жилых
домах.
Основной целью РМ является предупреждение не-
обоснованного вовлечения дополнительных радио-
нуклидов в процессы естественной их миграции, сло-
жившиеся за длительный период времени и характер-
ные для естественного или технологически
измененного естественного радиационного фона кон-
кретной территории.
Указанная цель достигается принятием управлен-
ческих решений в соответствии с научно-практиче-
скими рекомендациями, разработанными на основе
количественных оценок радиоактивного загрязнения
ОС, накопленных в процессе РМ.
Организация РМ, как правило, начинается с раз-
работки программы РМ, включающей определение
возможных источников радиоактивного загрязнения,
условий проведения, наиболее информативных объ-
ектов контроля, измеряемых физических величин, пе-
риодичности выполнения измерений, расположения
места точек контроля и отбора проб, методов обра-
ботки полученной информации, их интерпретации и
регистрации.
РМ может проводится с целью оценки радиоэко-
логической ситуации для территории, какого-либо
природного объекта, либо влияния деятельности кон-
кретного предприятия на экологическую обстановку.
Условия проведения РМ определяются радиацион-
ной обстановкой в месте его проведения, которая мо-
жет быть обычной, аварийной и поставарийной (пе-
риод ликвидации последствий радиационной ава-
рии). В зависимости от этого планируются методы,
периодичность и объем выполнения работ.
Данные о количественном содержании радионук-
лидов в объектах ОС получают посредством выпол-
нения измерений физических величин, характери-
зующих активность радионуклидов в единице объема,
массы или на единице пощади природного объекта.
Для этих целей применяют спектрометрические и ра-
диометрические средства измерений. При измерении
внешнего излучения применяют дозиметры.
Измерение активности радионуклидов произво-
дят в пробах, которые отбирают из контролируемых
объектов с помощью пробоотборных устройств. При
этом большое значение имеет обеспечение предста-
вительности пробы, при которой обеспечена иден-
тичность (или оценена возможная неопределен-
ность) радионуклидного состава и значений удельной
(объемной) активности радионуклидов в пробе соот-
ветствующим характеристикам объекта контроля. С
целью обеспечения представительности пробы про-
водится предварительное радиационное обследова-
ние объекта, отбор нескольких точечных проб и по-
следующее их усреднение,
В качестве примера в таблице 1 приведены основ-
ные объекты РМ в районе расположения АЭС при
нормальном режиме эксплуатации, а также соответ-
ствующие им измеряемые физические величины и
контролируемые радионуклиды.
Измерения при РМ выполняют на протяжении
длительного времени, что позволяет накопить боль-
шой объем результатов и представить их в виде базы
данных. Далее результаты измерений анализируют и
систематизируют по видам радионуклидов, климати-
ческим, территориальным и другим условиям измере-
ний. Дальнейшая обработка с применением аппара-
та математической статистики обеспечивает получе-
ние достоверных выводов о тенденциях в изменении
радиоэкологической обстановки, миграции радионук-
лидов в различных природных объектах, нахождение
закономерностей многолетней динамики радиоактив-
ного загрязнения ОС, а также состоянии технологи-
ческого оборудования АЭС и предприятий ЯТЦ.
Решение задач РМ на государственном уровне в РФ
возложено на Федеральную службу России по гидро-
метеорологии и мониторингу окружающей среды —
Росгидромет. Территориальные подразделения служ-
бы обеспечивают наблюдение за уровнями радиоак-
тивного загрязнения почвы, атмосферного воздуха,
поверхностных вод. В нее входит стационарная сеть
из 1400 метеостанций и постов, оснащенных прибо-
рами для измерения мощности экспозиционной до-
зы, около 500 пунктов отбора проб для измерения сум-
марной активности бета-излучающих радионуклидов
в атмосферных выпадениях и аэрозолях, свыше
150 пунктов отбора проб атмосферных осадков и воды
в основных водоемах. В Росгидромете действуют око-
ло 50 лабораторий, осуществляющих лабораторный
анализ и измерение активности гамма- и бета-излучаю-
щих радионуклидов. Регулярные измерения на метео-
станциях и постах позволяют решать задачи раннего
предупреждения в случае возникновения ядерных ава-
...... 712 ........ ~
Таблица 1
Наименование объекта Измеряемая величина, ед. изм. Радионуклиды
1. Элементы атмосферы — воздух приземного слоя - аэрозоли - выпадения - осадки объемная активность, Бк/м3 поверхностная активность, Бк/м2 то же 13Ч, 137Cs, “Sr 137Cs, “Sr, бета-излучающие то же
2. Элементы гидросферы - поверхностные и подземные воды; - гидробионты - донные отложения объемная активность, Бк/м3 удельная активность, Бк/кг то же 137Cs, “Sr, бета-излучающие I37Cs, “Sr 137Cs, “Sr, бета-излучающие
3. Элементы литосферы - почвы и грунты; - растительность поверхностная активность, Бк/м2 удельная активность, Бк/кг то же 137Cs, 90Sr то же то же
4. Территории мощность эквивалентной дозы, Зв/ч
5. Население эффективная доза, Зв
рий, а также задачи прогнозирования распростране-
ния радиоактивного загрязнения в окружающей сре-
де с использованием метеорологических данных, по-
лучаемых на станциях. Обобщенная информация пе-
редается Росгидрометом в органы государственного
управления, заинтересованные министерства и ве-
домства для принятия мер.
В целях усиления радиоэкологического контроля
на территории РФ, а также в связи с возложением на
Минприроды России ряда дополнительных задач по
реализации Федеральных целевых программ в облас-
ти обеспечения радиационной и радиационно-эколо-
гической безопасности в территориальных природо-
охранных органах Минприроды созданы радиоэколо-
гические подразделения (РП). Основные
направления деятельности РП включают:
— организацию и осуществление текущего и пре-
дупредительного радиоэкологического контроля за
деятельностью радиационно-опасных объектов;
— осуществление государственного радиоэкологи-
ческого контроля источников загрязнения окружаю-
щей природной среды;
— формирование и ведение баз данных о состоя-
нии радиоэкологической обстановки;
— организацию разработки и реализацию целевых
программ и планов мероприятий по предотвращению
радиоактивного загрязнения объектов ОС и улучше-
нию радиоэкологической ситуации.
На потенциально опасных в радиационном отно-
шении предприятиях (АЭС, заводы ЯТЦ и др.) суще-
ствуют ведомственные службы радиоэкологического
мониторинга в виде структурных подразделений, ко-
торые во взаимодействии с государственными служ-
бами, осуществляют контроль за состоянием ОС в мес-
те расположения предприятия и, в некоторых случа-
ях, в регионе в целом.
В соответствии с федеральной целевой програм-
мой „Создание государственной автоматизированной
системы контроля радиационной обстановки на тер-
ритории Российской Федерации" в период 1997-
2002 гг. создается система ЕГАСКРО, которая предна-
значена для осуществления непрерывного контроля
радиационной обстановки на территории Россий-
ской Федерации и информационной поддержки дея-
тельности органов государственной власти и государ-
ственного управления всех уровней по обеспечению
радиационной безопасности на территории Россий-
ской Федерации. ЕГАСКРО является составной ча-
стью государственной системы обеспечения радиаци-
онной безопасности населения и окружающей при-
родной среды.
Предполагается, что в системе ЕГАСКРО источни-
ками первичной измерительной информации о со-
стоянии радиационной обстановки будут являться:
— службы (лаборатории, отделы, группы) контро-
ля радиационной обстановки радиационно-опасных
объектов;
— лаборатории контроля радиоактивного загряз-
нения атмосферы, почвы, поверхностных вод и дру-
гих объектов окружающей среды, входящие в состав
соответствующих ведомственных подсистем и служб
ЕГАСКРО;
— лаборатории других организаций, в том числе
находящиеся в ведении субъектов Российской Феде-
рации, представляющие в установленном порядке из-
мерительную информацию о параметрах радиацион-
ной обстановки.
Получение достоверных данных о радиоэкологи-
ческой ситуации в ОС основывается на корректных,
с метрологической точки зрения, результатах изме-
рений. Основными элементами метрологического
обеспечения измерений при РМ являются:
— регулярная поверка применяемых средств изме-
рений;
— проведение измерений в соответствии с аттесто-
ванными методиками выполнения измерений;
— аккредитация лабораторий, служб, организаций
на техническую компетентность в области радиоэко-
логических измерений в Системе аккредитации ЛРК;
— обеспечение качества выполняемых измерений
посредством поддержания внутренней системы обес-
печения качества лабораторий и внешнего контроля
со стороны инспектирующих организаций.
С. Г. Трофимчук
--- 713 =——
Система аккредитации лабораторий
радиационного контроля
Система аккредитации лабораторий радиационно-
го контроля (ЛРК) создана по инициативе Госстандар-
та РФ в 1993 г. с целью решения задачи официального
признания полномочными органами способности ЛРК
обеспечивать стабильное получение достоверных ре-
зультатов радиационных измерений с необходимой
точностью.
ЛРК — обобщенное название лабораторий (цен-
тров, служб, пунктов) или их подразделений, выпол-
няющих измерения физических величин, характери-
зующих источники, поля ионизирующих излучений, а
также эффекты взаимодействия излучения с различ-
ными объектами, включая человека.
Система аккредитации является добровольной и
открытой для организаций и предприятий любой фор-
мы собственности и ведомственной подчиненности.
Существуя в рамках Госстандарта, Система обеспечи-
вает независимость и объективность проведения ак-
кредитации.
Организационную структуру Системы образуют
центральный орган в лице Управления по метроло-
гии Госстандарта России и два органа по аккредита-
ции ЛРК: ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" и
ВНИИФТРИ.
Правила и порядок аккредитации ЛРК устанавли-
вает утвержденный в 1993 г. руководящий документ
„Критерии и порядок аккредитации лабораторий ра-
диационного контроля", разработанный с учетом тре-
бований международной системы ИЛАК, европейских
стандартов серии EN 45000, документов „Системы сер-
тификации ГОСТ Р“. В соответствии с этими докумен-
тами основные принципы аккредитации испыта-
тельных лабораторий для целей сертификации продук-
ции были распространены на ЛРК. Дальнейшее
развитие основополагающих принципов аккредита-
ции ЛРК нашло отражение в принятых за последние
годы ГОСТах Системы аккредитации в Российской Фе-
дерации серии 51000.
Аккредитация в Системе направлена на обеспече-
ние доверия к деятельности ЛРК, а также создания ус-
ловий для взаимного признания результатов деятель-
ности аккредитованных лабораторий. Согласно уста-
новленному между Системой аккредитации ЛРК и
Системой сертификации ГОСТ Р взаимодействию, ак-
кредитованные ЛРК могут привлекаться для сертифи-
кации продукции по радиационному признаку. Кроме
этого аккредитация ЛРК является основанием для по-
лучения лицензии Госатомнадзора на выполнение ра-
бот в заявленной области.
Чтобы быть аккредитованной, лаборатория долж-
на соответствовать критериям аккредитации, установ-
ленным в Системе, т.е. иметь необходимое оборудова-
ние (средства измерений и вспомогательное), докумен-
ты, регламентирующие проведение работ; достаточ-
ный по количеству и квалификации персонал; внутрен-
нюю систему обеспечения качества измерений. Фак-
том, подтверждающим соответствие лаборатории
установленным критериям, являются положительные
результаты экспериментальной проверки.
Проверку соответствия лаборатории установлен-
ным критериям проводят эксперты органа по аккре-
дитации в определенном порядке. На начальном этапе
проводится экспертиза представленных лабораторией
документов, непосредственное знакомство с персона-
лом ЛРК, фактическим состоянием средств измерений
и методического обеспечения в лаборатории. В случае
необходимости, по результатам экспертизы определя-
ется план мероприятий по устранению обнаруженных
недостатков и подготовке ЛРК к аккредитации.
Основными объектами внимания экспертов явля-
ются средства измерений (СИ), методики выполнения
измерений (МВИ) и система обеспечения качества ре-
зультатов измерений. Поскольку радиационные изме-
рения в соответствии с Законом РФ „Об обеспечении
единства измерений" отнесены к сфере государствен-
ного метрологического контроля и надзора, все СИ
должны быть поверены, а МВИ — аттестованы.
Следующий этап — экспериментальная проверка
технической компетентности ЛРК. Эксперименталь-
ная проверка осуществляется применительно к при-
оритетным направлениям деятельности лаборатории
в диапазоне типичных значений определяемых вели-
чин посредством выполнения лабораторией контроль-
ных измерений. Одним из возможных вариантов экс-
периментальной проверки ЛРК, выполняющей изме-
рения удельной активности радионуклидов в пробах
окружающей среды, является задание по определению
радионуклидного состава и значений удельных актив-
ностей радионуклидов в „шифрованной" пробе, ими-
тирующей реальный объект природной среды или яв-
ляющейся реальной пробой, для которой значения ха-
рактеристик определены заранее.
При положительных результатах эксперименталь-
ной проверки, руководитель органа по аккредитации
назначает комиссию по аккредитации, в состав кото-
рой входят представители территориальных органов
и организаций Госсанэпиднадзора, Госатомнадзора,
ЦСМиС региона, где располагается ЛРК. Комиссия на
месте рассматривает представленные лабораторией
документы, оценивает готовность ЛРК к работам в за-
явленной области.
Заключение комиссии направляется в централь-
ный орган по аккредитации ЛРК — Управление метро-
логии Госстандарта РФ, который рассматривает
=^^======^===== 714 -----
результаты работы комиссии и, при положительном
решении, выдает аттестат аккредитации ЛРК со сро-
ком действия 3 года.
В период между аккредитациями Орган по аккре-
дитации выполняет инспекционные проверки качест-
ва измерений, выполняемых ЛРК.
В настоящее время в Системе аккредитовано более
150 лабораторий из различных регионов России, раз-
личной ведомственной принадлежности и формы соб-
ственности. Ких числу принадлежат лаборатории 1бс-
комсанэпиднадзора, Росгидромета; комитетов по ох-
ране окружающей среды, работающие в области
радиоэкологического мониторинга; строительных
комбинатов и предприятий, выполняющие обследова-
ния территорий под застройку, жилых и производст-
венных помещений; комбинатов Минатома, проводя-
щие паспортизацию радионуклидной продукции; цен-
тров по сертификации продукции и др.
Аккредитованные ЛРК являются инс грументом по-
лучения достоверных результатов радиационных из-
мерений для многих заинтересованных организаций
и учреждений. Услугами негосударственных лаборато-
рий, которые по своему статусу являются юридически
независимыми, пользуются территориальные органы
Госсанэпиднадзора, Госатомнадзора, комитетов Мин-
природы, не имеющие возможности, в силу объектив-
ных причин, самостоятельно выполнять радиацион-
ные измерения в требуемом объеме. Такие учрежде-
ния, имея реестр аккредитованных лабораторий в оп-
ределенной области, могут найти наиболее эффектив-
ный путь решения не только своих, специфичных
задач, но и тех, с которыми к ним приходят заказчики,
например, при получении гигиенического заключения
или проведении исследований различных объектов по
радиационному признаку.
В перспективе, планируется объединение Систем
аккредитации ЛРК, аналитических лабораторий, лабо-
раторий неразрушающего, экологического контроля,
поверочных и калибровочных лабораторий ь подсис-
тему аккредитации измерительных лабораторий Гос-
стандарта России, входящую в единую Российскую
систему аккредитации. Такой подход соответствует
тенденциям международной практики в области аккре-
дитации, когда в стране существует единая националь-
ная система аккредитация, например в Финляндии,
Японии, Англии, Австрии, Венгрии.
Подобная структура будет оптимальным образом
соответствовать динамике интеграцио нных процессов
ь Европе и задаче взаимодействия между Системой ак-
кредитации России и соответствующими системами за
рубежом с целью взаимного признания результатов ка-
либровок (поверок), испытаний, измерений.
С.Г Трофимчук
715
Основные особенности испытаний и
сертификации приборов в области
ионизирующих излучений
В соответствии с действующим с 1994 г. законом
РФ „Об обеспечении единства измерений" здраво-
охранение, охрана окружающей среды, обеспечение
безопасности труда, обеспечение обороны государст-
ва, таможенные операции отнесены к областям, под-
лежащим государственному надзору.
Средства измерений, относящиеся к области ио-
низирующих излучений широко применяемые в вы-
шеуказанных сферах, подлежат обязательному госу-
дарственному метрологическому надзору.
Испытания с целью утверждения типа средств из-
мерений проводят государственные научные метро-
логические центры, аккредитованные Госстандартом
РФ в качестве государственных центров испытаний
(ГЦИ СИ) в соответствии с областью аккредитации.
Общие требования и порядок проведения испы-
таний регламентирован в правилах по метрологии
ПР 50.2.009-94 „Порядок проведения испытаний и ут-
верждения типа средств измерений".
Измерения ионизирующих излучений как вид из-
мерений охватывают следующие средства измерений:
— дозиметры и дозиметрические установки экспо-
зиционной дозы, кермы в воздухе, эквивалентной до-
зы (амбиентной, направленной, индивидуальной), по-
глощенной дозы в воздухе, графите, ткани, воде;
— радиометры активности альфа-, бета-, гамма из-
лучающих радионуклидов, объемной активности,
удельной активности, измерения плотности потока
альфа-, бета-частиц;
— радиометры потока и плотности потока нейтро-
нов, эквивалентной дозы, создаваемой нейтронным
излучением.
Средства измерений ионизирующих излучений ох-
ватывают широкий диапазон регистрируемых энер-
гий, различные виды излучений: непрерывное и им-
пульсное рентгеновское, гамма-, тормозное, электрон-
ное, альфа-, бета-, нейтронное излучение (тепловые,
быстрые нейтроны) и широкий диапазон измерений.
Следует отметить широкий спектр сфер примене-
ния средств измерений ионизирующих излучений: от
измерения доз излучения при радиационной терапии
и радиационной диагностике до непрерывного мони-
торинга естественного радиационного фона; от изме-
рения потоков нейтронов в ядерных реакторах до об-
наружения несанкционированного перемещения де-
лящихся и радиоактивных материалов в грузах,
багаже, ручной клади и транспортных средствах (ав-
томобильных, железнодорожных), через проходные
предприятий и контрольно-пропускные пункты тамо-
женного контроля и различных объектов народнохо-
зяйственного и военного назначения (АЭС, комбина-
тов по добыче и переработке радионуклидных мате-
риалов, хранилищ ядерного оружия).
Включенные в Госреестр СИ относятся, в большин-
стве своем, к группам рабочих средств измерений, по-
веряемым в соответствии с государственными пове-
рочными схемами по ГОСТ 8.034-82, ГОСТ 8.033-96:
это — дозиметрические приборы, радиометры, систе-
мы ИДК. Эти средства удовлетворяют требованиям
распространяющихся на них отечественных стан-
дартов: ГОСТ 27451 „Средства измерений ионизи-
рующих излучений. Общие технические условия",
ГОСТ Р МЭК 1066-93 „Системы дозиметрические тер-
молюминесцентные для индивидуального контроля и
мониторинга окружающей среды. Общие технические
требования и методы испытаний", ГОСТ 29074-91 .Ап-
паратура контроля радиационной обстановки. Общие
требования"; ГОСТ 25935 „Приборы дозиметриче-
ские. Методы измерений основных параметров";
ГОСТ 23923 „Средства измерений удельной активно-
сти радионуклида. Общие технические требования и
методы испытаний".
Наряду с установлением соответствия характери-
стик средств измерений требованиям российских
стандартов, рассматривается и соответствие между-
народным стандартам, распространяющимся на испы-
тываемые средства измерений. Этот аспект имеет
важное значение для импортируемых средств изме-
рений и средств измерений, поступающих на испы-
тания из стран СНГ (республика Беларусь, Украина).
К числу таких стандартов, которые широко ис-
пользуются ГП „ВНИИМ им. Д.И. Менделеева" при
проведении испытаний, в частности, дозиметриче-
ских средств измерений относятся:
ISO-4037 ч. 1,2,3 „Стандартные у и у излучения
для калибровки дозиметров и определения их энер-
гетической зависимости":
ч. 1 Характеристики излучения и методы их полу-
чения;
ч. 2 Дозиметрия радиационной защиты в диапазо-
не энергий от 8 кэВ до 1,3 МэВ и от 4 МэВ до 9 МэВ;
ч. 3 Дозиметры окружающей и индивидуальные до-
зиметры;
ISO-6980 „Стандартные бета излучения для калиб-
ровки дозиметрических приборов и определения их
энергетической зависимости".
Стандарты ASTM (США) по процедурам калибров-
ки автоматических пешеходных переходов (859-993,
1189,1169), транспортных мониторов (1236) и мони-
торов для контроля РДМ (1112-93).
- 716
Это вызвано тем, что калибровка дозиметров, при-
меняемых в области радиационной защиты и радиа-
ционного мониторинга, поступающих в Россию по им-
порту, проводится на режимах излучения, стандар-
тизованных этим документом, с использованием
приведенных в стандарте коэффициентов перехода от
единиц кермы в воздухе к единицам эквивалентной до-
зы. Эти режимы должны быть установлены и в россий-
ских стандартах на методы испытаний и поверки.
Наряду с испытаниями средств измерений с целью
утверждения типа средств измерений, ГП „ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева" аккредитован на право прове-
дения сертификации приборостроительной продук-
ции в системе ГОСТ Р.
Испытания указанной продукции на радиационную
безопасность проводятся в соответствии с требова-
ниями безопасности, изложенными в распростра-
няющихся на рентгеновские аппараты стандартах:
ГОСТ 25113-86 „Аппараты рентгеновские для про-
мышленной дефектоскопии. Общие технические ус-
ловия", ГОСТ 26140-84 „Аппараты рентгеновские ме-
дицинские. Общие технические условия", а также в
Нормах радиационной безопасности НРБ-96.
Н.Д. Вимевалъде
Государственная система обеспечения
единства измерений (ГСОЕИ),
Метрологическая служба РФ,
метрологические организации РФ
718
Единство измерений
Единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты вы-
ражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят
за установленные границы с заданной вероятностью. Развитие метрологии и из-
мерительного дела всегда и везде характеризовалось ростом требований к коли-
честву и качеству (точности и достоверности) измерительной информации, ис-
пользуемой для решения научно-технических, экономических и социальных за-
дач развития общества на всех уровнях планирования народного хозяйства.
Метрологическая деятельность, связанная с получением и использованием резуль-
татов измерений, обеспечением их достоверно оцененной точности, представля-
ет собой разветвленную народно-хозяйственную инфраструктуру. В основе такой
деятельности по решению научных, производственных, любых других задач, не-
зависимо от их отраслевой направленности, конкретных способов и организаци-
онных форм решения, лежит единство измерений, т.е. возможность получения
достоверных с известной вероятностью результатов измерений, выполненных в
разное время, разных местах, разными операторами, разными средствами и раз-
ными методами.
Единство измерений рассматривается в двух аспектах. Первый — выражение
результатов измерений в единицах величин Международной системы единиц или
внесистемных единицах величин, допущенных к применению Правительством
РФ. Второй аспект — необходимость оценки погрешности измерений — реализу-
ется применением только аттестованных в установленном порядке МВИ.
А. И. Асташенков, Г.П. Сафаров, М.Г. Шаронов
719
Обеспечение единства измерений (ОЕИ)
Обеспечение единства измерений (ОЕИ) — деятельность Государственной
метрологической службы и метрологических служб федеральных органов госу-
дарственной власти и юридических лиц, направленная на установление и при-
менение научных, правовых, организационных и технических основ, правил и
норм. ОЕИ — непременный гарант получения достоверной измерительной ин-
формации о свойствах природных явлений, о материальных и энергетических
ресурсах, о количестве и качестве материалов, сырья, полуфабрикатов, продук-
ции, о состоянии окружающей среды, о качестве работы транспорта, средств
связи, о безопасности и охране здоровья людей и др. информации о свойствах
материальных продуктов и производственных технологий, отражающей науч-
ный, технический и материальный потенциал общества, достигнутый уровень
общественного производства, уровень удовлетворения потребностей людей. За-
дачи ОЕИ в масштабах страны являются общегосударственными метрологиче-
скими задачами и за их полное, повсеместное решение несут ответственность
Госстандарт России и его метрологические организации (ГНМЦ, органы ГМС).
ОЕИ реализуется при помощи следующих основ: научной, правовой (законода-
тельная метрология, НД по ОЕИ), организационной (ГМС, ГСВЧ, ГССО, ГСССД,
метрологические службы федеральных органов государственной власти и юри-
дических лиц) и технической (ГЭТ, УВТ, рабочие эталоны, средства поверки).
720
Госстандарт и его функции
Постановление Правительства РФ от 7 мая 1999 г.
№ 498 „Об утверждении Положения о Государствен-
ном комитете Российской Федерации по стандарти-
зации и метрологии"
Правительство Российской Федерации постанов-
ляет
1. Утвердить прилагаемое Положение о Государст-
венном комитете Российской Федерации по стандар-
тизации и метрологии.
2. Признать утратившими силу:
постановление Правительства Российской Феде-
рации от 25 декабря 1992 г. № 1020 „Об утверждении
Положения о Комитете Российской Федерации по
стандартизации, метрологии и сертификации" (Соб-
рание актов Президента и Правительства Российской
Федерации, 1993, № 4, ст. 308);
постановление Правительства Российской Феде-
рации от 11 июля 1994 г. № 825 „О внесении измене-
ний и дополнений в Положение о Комитете Россий-
ской Федерации по стандартизации, метрологии и
сертификации" (Собрание законодательства Россий-
ской Федерации, 1994, № 13, ст. 1526).
3. Внести изменение в постановление Правитель-
ства Российской Федерации от 9 ноября 1998 г.
№ 1320 „Вопросы Государственного комитета Россий-
ской Федерации по стандартизации и метрологии"
(Собрание законодательства Российской Федерации,
1998 г., № 47, ст. 5773), дополнив абзац второй пунк-
та 1 словами: „выполнявшихся ранее бывшим Государ-
ственным комитетом Российской Федерации по стан-
дартизации, метрологии и сертификации".
Председатель Правительства
Российской Федерации Е. Примаков
Положение
о Государственном комитете Российской Федера-
ции по стандартизации и метрологии
(утв. постановлением Правительства РФ от 7 мая
1999 г. № 498)
1. Государственный комитет Российской Федера-
ции по стандартизации и метрологии (Госстандарт
России) является федеральным органом исполнитель-
ной власти, осуществляющим межотраслевую коорди-
нацию, а также функциональное регулирование в об-
ласти стандартизации, метрологии и сертификации.
2. В своей деятельности Госстандарт России руко-
водствуется Конституцией Российской Федерации,
федеральными конституционными законами, феде-
ральными законами, указами и распоряжениями Пре-
зидента Российской Федерации, постановлениями и
распоряжениями Правительства Российской Федера-
ции, а также настоящим Положением.
3. Госстандарт России осуществляет свою деятель-
ность непосредственно и через находящиеся в его ве-
дении центры стандартизации, метрологии и серти-
фикации и государственных инспекторов по надзору
за государственными стандартами и обеспечению
единства измерений.
Госстандарт России осуществляет руководство Го-
сударственной метрологической службой, Государст-
венной службой времени и частоты и определения па-
раметров вращения Земли, Государственной службой
стандартных образцов состава и свойств веществ и ма-
териалов, Государственной службой стандартных
справочных данных о физических константах и свой-
ствах веществ и материалов.
В ведении Госстандарта России находятся центры
стандартизации, метрологии и сертификации и дру-
гие организации согласно приложению.
4. Госстандарт России осуществляет свою деятель-
ность во взаимодействии с федеральными органами
исполнительной власти и органами исполнительной
власти субъектов Российской Федерации, а также с
другими организациями.
5. Основными задачами Госстандарта России явля-
ются:
1) реализация государственной политики в сфере
стандартизации, метрологии и сертификации, уста-
новления и использования стандартов, эталонов и еди-
ниц величин и исчисления времени;
2) осуществление мер по защите прав потребите-
лей и экономических интересов Российской Федера-
ции в области контроля за соблюдением требований
безопасности товаров (работ, услуг);
3) обеспечение функционирования и развития сис-
тем стандартизации, обеспечения единства измере-
ний, сертификации, аккредитации и научно-техниче-
ской информации в этих областях, а также их гармо-
низация с международными (региональными) и
национальными системами зарубежных стран;
4) организация и проведение государственного
контроля и надзора за соблюдением обязательных
требований государственных стандартов, правил обя-
зательной сертификации, за сертифицированной
продукцией, а также государственного метрологиче-
ского контроля и надзора;
5) формирование совместно с федеральными ор-
ганами исполнительной власти федеральных инфор-
---- 721
мационных ресурсов и инфраструктуры стандартиза-
ции, метрологии, сертификации, аккредитации, ка-
чества и классификации технико-экономической ин-
формации.
6. В целях решения основных задач Госстандарт
России:
1) разрабатывает с участием заинтересованных фе-
деральных органов исполнительной власти предложе-
ния по приоритетным направлениям развития работ по
стандартизации, метрологии и сертификации, их науч-
ному, правовому, организационно-техническому, мето-
дическому, финансовому и информационному обеспе-
чению, а также по преодолению технических барьеров
во внешней торговле;
2) принимает участие в разработке прогнозов со-
циально-экономического развития Российской Феде-
рации, разрабатывает федеральные целевые програм-
мы по стандартизации, метрологии и сертификации,
выступает в установленном порядке государственным
заказчиком этих программ, участвует в формирова-
нии и реализации иных федеральных и межгосудар-
ственных целевых программ, включая программы соз-
дания и производства оборонной продукции, в части
их нормативного обеспечения качества и метрологи-
ческого обеспечения;
3) осуществляет совместно с Министерством эко-
номики Российской Федерации, Министерством фи-
нансов Российской Федерации и Министерством нау-
ки и технологий Российской Федерации рассмотре-
ние, оценку и подготовку заключений по проектам
федеральных целевых программ;
4) разрабатывает и вносит в установленном поряд-
ке в Правительство Российской Федерации проекты
федеральных законов и иных нормативных правовых
актов, дает заключения по проектам федеральных за-
конов и иных нормативных правовых актов по вопро-
сам стандартизации, метрологии и сертификации;
5) организует выполнение научно-исследователь-
ских и опытно-конструкторских работ в закреплен-
ных областях деятельности;
6) устанавливает с участием заинтересованных фе-
деральных органов исполнительной власти правила
проведения работ по стандартизации, метрологии,
сертификации и аккредитации, государственному
контролю и надзору в области стандартизации и сер-
тификации, государственному метрологическому кон-
тролю и надзору, осуществляет методическое руково-
дство этими работами;
7) организует проведение работ по межведомст-
венной унификации продукции на основе стандарти-
зации общепромышленных норм и конструкций, а
также методов контроля, испытаний и испытательно-
го оборудования;
8) организует и координирует совместно с Мини-
стерством обороны Российской Федерации и другими
федеральными органами исполнительной власти рабо-
ты по стандартизации, сертификации и обеспечению
единства измерений вооружения, военной и специаль-
ной техники, в том числе в рамках международных до-
говоров Российской Федерации;
9) формирует совместно с заинтересованными ор-
ганизациями в установленном порядке надобровольной
основе технические комитеты по стандартизации для
разработки государственных стандартов Российской Фе-
дерации, международных и региональных стандартов,
осуществляет методическое руководство и координа-
цию их деятельности;
10) принимает и вводите действие государственные
стандарты Российской Федерации в областях, отнесен-
ных законодательством Российской Федерации к его
компетенции, а также общероссийские классификато-
ры технико-экономической информации, проводит
экспертизу проектов государственных стандартов и
других нормативных документов в области стандарти-
зации, метрологии, сертификации и аккредитации на
соответствие федеральному законодательству в облас-
ти стандартизации, метрологии и сертификации;
11) устанавливает общетехнические нормы и пра-
вила, обеспечивающие техническую и информацион-
ную совместимость при разработке и эксплуатации
(использовании) продукции, а также совместимость
требований на общепромышленную продукцию с ну-
ждами обороны страны;
12) устанавливает правила применения в Россий-
ской Федерации международных (региональных) стан-
дартов, национальных стандартов, правил, норм и ре-
комендаций по стандартизации, метрологии, сертифи-
кации, аккредитации и качеству зарубежных стран,
если иное не установлено международными договора-
ми Российской Федерации;
13) осуществляет государственную регистрацию
нормативных документов по стандартизации, метро-
логии, сертификации и аккредитации;
14) устанавливает правила создания, утверждения,
хранения и применения эталонов единиц величин;
15) утверждает государственные эталоны единиц
величин и обеспечивает их хранение, развивает госу-
дарственную эталонную базу, совместно с Министер-
ством обороны Российской Федерации определяет
порядок использования военных эталонов единиц ве-
личин в качестве резерва государственных эталонов:
16) вносит в Правительство Российской Федера-
ции предложения по утверждению единиц величин,
допускаемых к применению в Российской Федерации;
17) утверждает перечни групп средств измерений,
подлежащих поверке, принимает решение об отнесе-
нии технического устройства к средствам измерения,
устанавливает правила представления средств изме-
рений на поверку и испытания, а также интервалы ме-
жду поверками, проводит поверку и испытания, утвер-
ждает типы средств измерений, ведет Государствен-
ный реестр средств измерений, допущенных к
применению на территории Российской Федерации,
осуществляет публикацию официальной информации
об утверждении типа средств измерений;
18) устанавливает правила выполнения повероч-
ных и калибровочных работ, аккредитации метроло-
гических служб юридических лиц на право выполне-
ния этих работ и выдачи сертификатов утверждения
типа средств измерений, о калибровке или о нанесе-
нии калибровочного знака;
19) организует проведение приемочных и серти-
фикационных испытаний топлив, масел, смазок и спе-
циальных жидкостей для различных видов техники;
20) проводит государственную регистрацию сис-
тем сертификации и знаков соответствия, действую-
щих в Российской Федерации, аккредитованных ор-
ганов по сертификации, измерительных и испыта-
' —..................... 722 ------- -.................-
тельных лабораторий (центров), публикует офици-
альную информацию о них и представляет эту инфор-
мацию в установленном порядке в международные и
региональные организации по сертификации, ведет
Государственный реестр по сертификации и аккреди-
тации и осуществляет архивное хранение материалов
по государственной регистрации;
21) осуществляет работу по подтверждению соот-
ветствия (в том числе сертификации), определяет в
установленном порядке номенклатуру продукции и ус-
луг, подлежащих обязательной сертификации, созда-
ет системы сертификации, определяет формы серти-
фикации, аккредитует юридические лица в качестве
органов по сертификации, испытательных лаборато-
рий (центров), устанавливает правила признания за-
рубежных сертификатов, знаков соответствия и ре-
зультатов испытаний, ведет государственный реестр
участников и объектов сертификации, устанавливает
правила проведения инспекционного контроля за со-
блюдением правил обязательной сертификации и сер-
тифицированной продукцией, рассматривает апелля-
ции по вопросам сертификации;
22) осуществляет в соответствии с законодательст-
вом Российской Федерации содействие федеральным
органам исполнительной власти, органам исполнитель-
ной власти субъектов Российской Федерации и хозяй-
ствующим субъектам в организации работ по стандар-
тизации и сертификации продукции и услуг, разработ-
ке систем качества и проведении работ по обеспечению
единства измерений, унификации изделий и их состав-
ных частей;
23) ведет Государственный кадастр гражданского
и служебного оружия и патронов к нему;
24) готовит в установленном порядке предложения
о присоединении к международным (региональным)
системам стандартизации и обеспечения единства из-
мерений, международным (региональным) системам
сертификации и аккредитации, а также заключает в
установленном порядке соглашения с соответствующи-
ми организациями зарубежных стран о взаимном при-
знании результатов сертификации;
25) участвует в работе международных (региональ-
ных) организаций, комиссий, занимающихся вопро-
сами стандартизации, метрологии, сертификации, ак-
кредитации и качества, сотрудничает с зарубежными
национальными органами по стандартизации, метро-
логии, сертификации, аккредитации и качеству; в ка-
честве национального органа Российской Федерации
по стандартизации, метрологии, сертификации и ак-
кредитации осуществляет в установленном порядке
членство в международных (региональных) органи-
зациях и координирует работу федеральных органов
исполнительной власти по проведению согласован-
ной политики в этих организациях;
26) устанавливает порядок осуществления государ-
ственного надзора за соблюдением обязательных тре-
бований государственных стандартов, правил обяза-
тельной сертификации, государственного метрологи-
ческого контроля и надзора, а также организует
проведение указанного контроля и надзора;
27) создает и ведет федеральный фонд государст-
венных стандартов и общероссийских классификато-
ров технико-экономической информации, междуна-
родных (региональных) стандартов и национальных
стандартов зарубежных стран, правил, норм и реко-
мендаций по стандартизации, метрологии, сертифи-
кации;
28) обеспечивает создание, актуализацию и ис-
пользование баз и банков данных нормативных доку-
ментов, общероссийских классификаторов, научно-
технической терминологии, каталогизации продук-
ции и информации в области стандартизации,
метрологии, сертификации, аккредитации, государ-
ственного контроля и надзора, являющихся федераль-
ными информационными ресурсами;
Постановлением Правительства РФ от 11 января
2000 г. № 26 на Госстандарт возложена координация
работ по созданию федеральной системы каталогиза-
ции продукции для федеральных государственных
нужд и организационно-методическое руководство
указанными работами
29) осуществляет в установленном порядке офи-
циальное опубликование и распространение государ-
ственных стандартов Российской Федерации, стан-
дартных справочных данных о составе и свойствах ве-
ществ и материалов, нормативных документов по
стандартизации, метрологии, сертификации, аккре-
дитации, а также указателей стандартов, перечней до-
пущенных к применению средств измерений, стандар-
тов и рекомендаций международных (региональных)
организаций, национальных стандартов зарубежных
стран, используемых в Российской Федерации в со-
ответствии с международными договорами;
30) устанавливает правила аккредитации и выдачи
разрешений (лицензий) на проведение определенных
видов работ по обязательной сертификации (лицен-
зий на применение знака соответствия), выдает и ан-
нулирует разрешения (лицензии) на проведение опре-
деленных видов работ по обязательной сертификации
аккредитованным им органам по сертификации и ис-
пытательным лабораториям (центрам); осуществляет
полномочия по лицензированию деятельности цен-
тров обязательной сертификации и испытательных ла-
бораторий (центров) в области обязательной серти-
фикации;
31) устанавливает порядок лицензирования дея-
тельности юридических и физических лиц, осущест-
вляющих предпринимательскую деятельность, по из-
готовлению, ремонту, продаже и прокату средств из-
мерений;
32) устанавливает порядок маркирования знаком
соответствия государственным стандартам продукции
и услуг, а также порядок выдачи лицензий на деятель-
ность по маркированию этим знаком продукции и ус-
луг, ведет Государственный реестр продукции и услуг,
маркированных знаком соответствия государствен-
ным стандартам;
33) выполняет в соответствии с законодательством
Российской Федерации функции федерального ведом-
ственного органа управления образованием по вопро-
сам стандартизации, метрологии, сертификации и ак-
кредитации, осуществляет методическое руководство
обучением в этих областях, определяет требования к
уровню квалификации и компетентности персонала,
осуществляющего работы по стандартизации, метро-
логии, сертификации, аккредитации и испытаниям;
723
34) организует подготовку, переподготовку и по-
вышение квалификации специалистов по вопросам
стандартизации, метрологии, сертификации, аккре-
дитации, систем качества, испытаний, государствен-
ного контроля и надзора;
35) разрабатывает и ежегодно представляет в ус-
тановленном порядке предложения к проекту феде-
рального бюджета о финансировании деятельности
Госстандарта России;
36) осуществляет сотрудничество с общественны-
ми объединениями по вопросам, входящим в его ком-
петенцию;
37) координирует деятельность федеральных ор-
ганов исполнительной власти в области контроля за
качеством и безопасностью товаров (работ, услуг);
38) осуществляет учет, хранение, использование
и передачу в установленном порядке документов го-
сударственной части Архивного фонда Российской
Федерации, организует работу ведомственных архив-
ных и делопроизводственных служб, осуществляет
контроль за соблюдением подведомственными орга-
низациями законодательства Российской Федерации
в области архивного дела;
39) обеспечивает в установленном законодатель-
ством Российской Федерации порядке защиту государ-
ственной тайны;
40) осуществляет в пределах, установленных зако-
нодательством Российской Федерации, работу по мо-
билизационной подготовке, по гражданской обороне
и защите персонала в чрезвычайных ситуациях при-
родного и техногенного характера;
41) обеспечивает деятельность Государственной
метрологической службы, Государственной службы
времени и частоты и определения параметров враще-
ния Земли, Государственной службы стандартных об-
разцов состава и свойств веществ и материалов, Госу-
дарственной службы стандартных справочных дан-
ных о физических константах и свойствах веществ и
материалов;
42) создает в установленном порядке террито-
риальные органы для осуществления своих полно-
мочий.
7. Госстандарт России имеет право
1) запрашивать в установленном порядке у феде-
ральных органов исполнительной власти, органов ис-
полнительной власти субъектов Российской Федера-
ции и организаций независимо от организационно-
правовой формы и формы собственности документы
и сведения по вопросам, входящим в компетенцию
Госстандарта России;
2) давать разъяснения по входящим в компетен-
цию Госстандарта России вопросам разработки и при-
менения стандартов, правил, рекомендаций и иных
документов по стандартизации, метрологии, серти-
фикации, аккредитации, государственному контролю
и надзору, инспекционному контролю;
3) создавать в установленном порядке по вопро-
сам, отнесенным к компетенции Госстандарта России,
межведомственные научные и научно-технические со-
веты, комиссии, экспертные и рабочие группы с при-
влечением к их работе специалистов федеральных ор-
ганов исполнительной власти и органов исполнитель-
ной власти субъектов Российской Федерации и других
организаций;
4) заключать в соответствии с законодательством
Российской Федерации договоры (контракты) на соз-
дание, передачу и использование научной и (или) на-
учно-технической продукции, оказание научных, на-
учно-технических, инженерно-консультационных и
иных услуг;
5) заключать договоры на выпуск официальных из-
даний государственных стандартов, стандартных
справочных данных о составе и свойствах веществ и
материалов, нормативных документов по стандарти-
зации, метрологии, сертификации, аккредитации,
указателей стандартов, перечней допущенных к при-
менению средств измерений, стандартов и рекомен-
даций международных (региональных) организаций,
национальных стандартов зарубежных стран, исполь-
зуемых в Российской Федерации в соответствии с ме-
ждународными договорами, а также договоры на вы-
пуск других изданий, необходимых для выполнения
задач, возложенных на Госстандарт России;
6) принимать в пределах своей компетенции по-
становления, обязательные для выполнения феде-
ральными органами исполнительной власти, органа-
ми исполнительной власти субъектов Российской Фе-
дерации, субъектами хозяйственной деятельности;
7) представлять в установленном порядке Россий-
скую Федерацию в международных (региональных)
организациях по стандартизации, метрологии, серти-
фикации, аккредитации, качеству и испытаниям;
8) проводить в установленном порядке перегово-
ры по вопросам сотрудничества с органами по стан-
дартизации, метрологии, сертификации, аккредита-
ци и, качеству и государственному надзору зарубежных
стран;
9) вносить предложения о создании, реорганиза-
ции и ликвидации организаций для обеспечения за-
дач, возложенных на Госстандарт России;
10) учреждать в установленном законодательством
Российской Федерации порядке газеты, журналы, дру-
гие средства информации.
8. Госстандарту России принадлежит исключитель-
ное право официального опубликования в установлен-
ном порядке принятых им государственных стан-
дартов, общероссийских классификаторов технико-
экономической информации, а также сведений,
содержащихся в Общероссийском каталоге продукции
и услуг, внесенных в Государственный реестр продук-
ции и услуг, маркированных знаком соответствия го-
сударственным стандартам.
9. Должностные лица Госстандарта России — госу-
дарственные инспектора по надзору за государствен-
ными стандартами и обеспечению единства измере-
ний осуществляют от его имени и в соответствии с
положением об организации и осуществлении госу-
дарственного контроля и надзора, утверждаемым
Правительством Российской Федерации, государст-
венный контроль и надзор за соблюдением обязатель-
ных требований государственных стандартов, правил
обязательной сертификации и за сертифицирован-
ной продукцией, государственный метрологический
контроль и надзор, контроль за качеством и безопас-
ностью товаров (работ, услуг).
10. Госстандарт России возглавляет председатель,
назначаемый на должность и освобождаемый от долж-
ности Правительством Российской Федерации.
===== 724
Председатель Госстандарта России имеет замести-
телей, количество которых устанавливается Прави-
тельством Российской Федерации.
Заместители председателя Госстандарта России
назначаются и освобождаются от должности Прави-
тельством Российской Федерации.
Председатель Госстандарта России:
1) осуществляет руководство деятельностью Гос-
стандарта России, организует выполнение возложен-
ных на него задач и несет персональную ответствен-
ность за их выполнение;
2) распределяет обязанности между заместителя-
ми председателя;
3) утверждает структуру и штатное расписание
центрального аппарата Госстандарта России в преде-
лах установленных Правительством Российской Фе-
дерации численности и фонда оплаты труда работни-
ков, а также смету расходов на его содержание в пре-
делах средств, предусмотренных в федеральном
бюджете на государственное управление;
4) назначает на должность и освобождает от долж-
ности работников центрального аппарата Госстандар-
та России;
5) решает в соответствии с законодательством Рос-
сийской Федерации о государственной службе вопро-
сы, связанные с приемом на федеральную государст-
венную службу, ее прохождением и увольнением с фе-
деральной государственной службы;
6) поощряет работников Госстандарта России и на-
лагает на них дисциплинарные взыскания;
7) представляет в установленном порядке особо от-
личившихся работников системы Госстандарта Рос-
сии к присвоению почетных званий и награждению
государственными наградами Российской Федерации;
8) подписывает постановления Госстандарта Рос-
сии, утверждает правила, инструкции и положения,
издает распоряжения и приказы, дает указания;
9) является главным государственным инспекто-
ром Российской Федерации по надзору за государст-
венными стандартами и обеспечению единства изме-
рений;
10) является по должности председателем Межве-
домственной комиссии по времени и эталонным час-
тотам;
11) назначает на должность и освобождает от
должности руководителей центров стандартизации,
метрологии и сертификации и организаций, находя-
щихся в ведении Госстандарта России, и главных го-
сударственных инспекторов субъектов Российской
Федерации, отдельных населенных пунктов по надзо-
ру за государственными стандартами и обеспечению
единства измерений и их заместителей;
12) утверждает положения о подразделениях цен-
трального аппарата Госстандарта России и в установлен-
ном порядке уставы (положения) организаций, находя-
щихся в ведении Госстандарта России;
13) подписывает в установленном порядке между-
народные договоры межведомственного характера по
вопросам сотрудничества с органами по стандартиза-
ции, метрологии, сертификации, аккредитации, ка-
честву и государственному надзору зарубежных стран.
11. В Госстандарте России образуется коллегия в
составе председателя Госстандарта России (председа-
тель коллегии) и его заместителей, входящих в нее
по должности, руководителей ведущих подразделе-
ний центрального аппарата Комитета, ведущих уче-
ных и специалистов.
Количество членов коллегии устанавливается Пра-
вительством Российской Федерации.
Члены коллегии, кроме лиц, входящих в ее состав
по должности, утверждаются Правительством Россий-
ской Федерации.
Решения коллегии реализуются постановлениями
Госстандарта России, а также распоряжениями и при-
казами председателя Госстандарта России.
12. Для рассмотрения научно-технических про-
блем, относящихся к компетенции Госстандарта Рос-
сии, в Комитете образуется научно-технический со-
вет.
Персональный состав этого совета и положение
о нем утверждаются председателем Госстандарта Рос-
сии.
13. Финансирование расходов на содержание цен-
трального аппарата Госстандарта России осуществля-
ется за счет средств, предусмотренных в федеральном
бюджете на государственное управление.
14. Госстандарт России является юридическим ли-
цом, имеет самостоятельный баланс, бюджетный и
иные счета в учреждениях банков и органах федераль-
ного казначейства, печать с изображением Государст-
венного герба Российской Федерации и со своим на-
именованием, другие печати и штампы, необходимые
для обеспечения деятельности Госстандарта России.
Местонахождение Госстандарта России — г. Москва.
Приложение
к Положению о Государственном
комитете Российской Федерации
по стандартизации и метрологии
Перечень
центров стандартизации, метрологии и сертифи-
кации и других
организаций, находящихся в ведении Государст-
венного комитета
Российской Федерации по стандартизации и мет-
рологии
Российский центр испытаний и сертификации —
Москва, г. Москва
Центр испытаний и сертификации — Санкт-Петер-
бург, г. Санкт-Петербург
Адыгейский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Майкоп
Алтайский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Барнаул
Амурский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Благовещенск
Армавирский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Армавир
Архангельский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Архангельск
Астраханский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Астрахань
Центр стандартизации, метрологии и сертифика-
ции Республики Башкортостан, г. Уфа
Белгородский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Белгород
- 725
Боровичский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г, Боровичи
Братский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Братск
Брянский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Брянск
Буденновский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Буденновск
Бурятский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Улан-Удэ
Великолукский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Великие Луки
Владимирский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Владимир
Волгоградский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Волгоград
Волгодонский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Волгодонск
Вологодский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Вологда
Воронежский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Воронеж
Горно-Алтайский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Горно-Алтайск
Дагестанский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Махачкала
Центр стандартизации, метрологии и сертифика-
ции Еврейской автономной области, г. Биробиджан
Ивановский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Иваново
Ингушский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Назрань
Иркутский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Иркутск
Кабардино-Балкарский центр стандартизации,
метрологии и сертификации, г. Нальчик
Калининградский центр стандартизации, метро-
логии и сертификации, г. Калининград
Калмыцкий центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Элиста
Калужский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Калуга
Камчатский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Петропавловск-Камчатский
Карачаево-Черкесский центр стандартизации,
метрологии и сертификации, г. Черкесск
Карельский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Петрозаводск
Кемеровский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Кемерово
Кировский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Киров
Клинский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Клин
Коломенский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Коломна
Коми центр стандартизации, метрологии и серти-
фикации, г. Сыктывкар
Комсомольский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Комсомольск-на-Амуре
Костромской центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Кострома
Краснодарский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Краснодар
Красноярский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Красноярск
Курганский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Курган
Курский центр стандартизации, метрологии и сер-
тификации, г. Курск
Липецкий центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Липецк
Магаданский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Магадан
Магнитогорский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Магнитогорск
Марийский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Йошкар-Ола
Менделеевский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, п. Менделеево, Московская область
Можайский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Можайск
Мордовский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Саранск
Мурманский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Мурманск
Находкинский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Находка
Нижегородский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Нижний Новгород
Нижнетагильский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Нижний Тагил
Новосибирский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Новосибирск
Новгородский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Великий Новгород
Новороссийский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Новороссийск
Таймырский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Норильск
Омский центр стандартизации, метрологии и сер-
тификации, г. Омск
Оренбургский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Оренбург
Орехово-Зуевский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Орехово-Зуево
Орловский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Орел
Пензенский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Пенза
Пермский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Пермь
Приморский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Владивосток
Псковский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Псков
Пятигорский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Пятигорск
Ростовский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Ростов-на-Дону
Рязанский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Рязань
Самарский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Самара
Саратовский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Саратов
Сахалинский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Южно-Сахалинск
Северо-Осетинский центр стандартизации, метро-
логии и сертификации, г. Владикавказ
Сергиево-Посадский центр стандартизации, мет-
рологии и сертификации, г. Сергиев Посад
Серпуховской центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Серпухов
Смоленский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Смоленск
Сочинский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Сочи
Ставропольский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Ставрополь
Стерлитамакский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Стерлитамак
Тамбовский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Тамбов
Таганрогский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Таганрог
Татарстанский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Казань
Тверской центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Тверь
Тольяттинский центр стандартизации, метроло-
гии и сертификации, г. Тольятти
Томский центр стандартизации, метрологии и сер-
тификации, г. Томск
Тульский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Тула
Тывинский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Кызыл
Тюменский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Тюмень
Удмуртский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Ижевск
Ульяновский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Ульяновск
Уральский центр стандартизации, метрологии и
сертификации — Уралтест, г. Екатеринбург
Хабаровский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Хабаровск
Хакасский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Абакан
Челябинский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Челябинск
Череповецкий центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Череповец
Читинский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Чита
Чувашский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Чебоксары
Якутский центр стандартизации, метрологии и
сертификации, г. Якутск
Ярославский центр стандартизации, метрологии
и сертификации, г. Ярославль
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут метрологии имени Д.И. Менделеева, г. Санкт-Пе-
тербург
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут оптико-физических измерений, г. Москва
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут физико-технических и радиотехнических измере-
ний, пос. Менделеево, Московская область
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут физико-технических измерений, г. Хабаровск
Научно-исследовательский центр по изучению
свойств поверхности и вакуума, г. Москва
Сибирский государственный научно-исследова-
тельский институт метрологии, г. Новосибирск
Уральский научно-исследовательский институт
метрологии, г. Екатеринбург
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут расходометрии, г. Казань
Восточно-Сибирский научно-исследовательский
институт физико-технических и радиотехнических
измерений, г. Иркутск
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут метрологической службы, г. Москва
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут классификации, терминологии и информации по
стандартизации и качеству, г. Москва
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут сертификации, г. Москва
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут стандартизации и сертификации агропромышлен-
ной продукции, г. Краснодар
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут стандартизации и сертификации в машинострое-
нии, г. Москва
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут стандартизации, г. Москва
Всероссийский научно-исследовательский центр
стандартизации, информации и сертификации сы-
рья, материалов и веществ, г. Москва
Государственный научно-технический центр мет-
рологии систем экологического контроля, г. Москва
Научный центр оптико-физических исследова-
ний, г. Москва
Государственное научно-производственное пред-
приятие „Хронос", г. Петропавловск-Камчатский
Волгоградский опытный завод „Эталон", г. Волго-
град
Владимирский завод „Эталон", г. Владимир
Иркутский опытный завод „Эталон", г. Иркутск
Казанский опытный завод „Эталон", г. Казань
Опытно-экспериментальное производство Все-
российского научно-исследовательского института
расходометрии, г. Казань
Нижегородский завод „Эталон", г. Нижний Новго-
род
Омский опытный завод „Эталон", г. Омск
Смоленский опытный завод „Протон", г. Смоленск
Уфимский опытный завод „Эталон", г. Уфа
Петрозаводский опытный завод „Эталон", г. Пет-
розаводск
Псковский завод „Эталон", г. Псков
Опытно-экспериментальное производство Ураль-
ского научно-исследовательского института метроло-
гии, г. Екатеринбург
Опытный завод Всероссийского научно-исследо-
вательского института физико-технических и радио-
технических измерений, пос. Менделеево, Москов-
ская область
Академия стандартизации, метрологии и сертифи-
кации (учебная), г. Москва
Московская инженерная школа метрологии и ка-
чества, г. Москва
Уральский колледж метрологии и качества, г. Сред-
неуральск
Дирекция административного здания Госстандар-
та России, г. Москва
Издательско-полиграфический комплекс „Изда-
тельство стандартов", г. Москва
Типография „Московский печатник", г. Москва
Государственное производственно-транспортное
предприятие „Стандарт", г. Москва
Государственный институт по проектированию
предприятий, зданий и сооружений Госстандарта Рос-
сии, г. Москва
Центральное конструкторское бюро, г. Москва
Специальное конструкторское бюро Всероссий-
ского научно-исследовательского института физико-
технических и радиотехнических измерений,
пос. Менделеево, Московская область
Смоленское специальное конструкторское бюро Все-
российского научно-исследовательского института оп-
тико-физических измерений, г. Смоленск
Саратовское специальное конструкторское бюро
оптико-электронных приборов, г. Саратов
Российский центр испытаний и сертификации
нефтехимической продукции, г. Казань
Регистр системы сертификации персонала, г. Мо-
сква
Технический центр регистра систем качества,
г. Москва
Консультационно-внедренческая фирма „Интер-
стандарт", г. Москва
Редакция журнала „Стандарты и качество", г. Мо-
сква
Научно-исследовательский центр контроля и ди-
агностики технических систем, г. Нижний Новгород
Калужская типография стандартов, г. Калуга
728
Государственная система обеспечения единства
измерений (ГСИ)
Государственная система обеспечения единства
измерений (ГСИ)—государственная система управле-
ния деятельностью по ОЕИ в стране, возглавляемая,
реализуемая и контролируемая Госстандартом России.
Проблема повышения точности и достоверности из-
мерительной информации, т.е. проблема, которую
должна решать метрология и результаты решения ко-
торой используют все отрасли народного хозяйства,
была и остается одной из первостепенных государст-
венных задач. Понятие „измерительная информация"
охватывает любые данные о количественных характе-
ристиках свойств веществ, материалов, изделий, про-
дукции, процессов, явлений, полученные в результате
выполнения измерений. На информации, полученной
путем измерений, во многом основана деятельность
всех органов управления народным хозяйством. В ос-
нове всей метрологической деятельности по решению
любых научно-технических и производственных задач
лежит единый метрологический базис. Этим базисом
является единство измерений, т.е. такое состояние
процессов получения и использования измерительной
информации, при котором измерительная информа-
ция (результаты измерений) выражена в установлен-
ных единицах (шкалах) и (или) формах, и оценены
значения показателей ее точности (погрешности).
Метрологическая деятельность, направленная на обес-
печение возможности правильного и единообразного
определения показателей точности (погрешности) из-
мерительной информации, определяется как ОЕИ. До
официального введения ГСИ метрологическая прак-
тика была ограничена основным, а, по существу, един-
ственным объектом деятельности — средствами изме-
рений (мерами и измерительными приборами). Разра-
ботка ГСИ ознаменовала собой новый важный этап
развития метрологической практики. Внедрение ГСИ
впервые в законодательном порядке включило в сфе-
ру деятельности метрологической службы процессы и
результаты измерений, переориентировало ее цели и
задачи с обеспечения единообразия мер и приборов
на ОЕИ. При этом обеспечение единообразия мер и
измерительных приборов вошло составной частью в
круг задач ОЕИ.
ГСИ была принята Комитетом по стандартам
11.11.1966. В ее создании активное участие приняли
Л.К. Горелов, М.А. Земельман, Л.А. Коноров, А.П. Руд-
нев. Основной целью ГСИ как системы НД, по сущест-
ву, являлась регламентация метрологических правил
подготовки и выполнения измерений, обработки и
представления их результатов. Полное и повсеместное
выполнение этих правил позволяло правильно оцени-
вать погрешности получаемых и используемых резуль-
татов измерений.
Любая система, имеющая прикладное примене-
ние, имеет научные корни, т.е. зиждется па той или
иной одной или нескольких науках. Для ГСИ основой
является метрология — наука об измерениях, методах,
средствах и алгоритмах обеспечения их единства и
способах достижения требуемой точности. Нормаль-
ное функционирование ГСИ как системы нереализуе-
мо без физики, экономики, математики, политологии,
химии и др. наук, но метрология была, есть и оста-
нется превалирующей. Именно метрологии решать
проблему повышения точности и достоверности из-
мерительной информации. Необходимость решения
проблемы определена ее высокой народнохозяйст-
венной значимостью, которая, в свою очередь, обу-
словлена следующими основными причинами:
а) отказом от административных форм управления
и введением в метрологическую практику норм и тре-
бований, учитывающих переход народного хозяйст-
ва на рыночную экономику — к таким нормам и требо-
ваниям, в первую очередь, следует отнести передачу
ранее только государственных функций управления
деятельностью по ОЕИ метрологическим службам фе-
деральных органов государственной власти и юриди-
ческих лиц, введение антимонопольной политики в
проведении метрологических работ, создание инсти-
тутов калибровки и сертификации средств измере-
ний, не подпадающих под действие ГМКН;
б) масштабами деятельности, связанной с измере-
ниями — каждую секунду у нас в стране выполняются
сотни миллионов измерений, используемых для по-
вышения степени безопасности труда и охраны окру-
жающей среды, технического уровня и качества про-
дукции, учета материальных ресурсов, оптимизации
технологических процессов, обеспечения безопасной
и безаварийной работы транспорта, устойчивости
энергетических систем, для медицинских диагнозов
и в торговле. Измерения являются самым массовым
продуктом человеческой деятельности и спрос на
этот продукт, потребности общества в этом продукте
возрастают из года в год;
в) важностью и ответственностью измерений — из-
мерения используются на всех этапах, на всех уровнях
управления народным хозяйством и их точностью обу-
словлена эффективность, действенность всех форм
управления и правильность любых принимаемых на
основе этих измерений решений. Таким образом, из-
мерения становятся не только самым массовым, но и
особо важным и ответственным продуктом, требова-
ния к качеству которого (т.е. к точности) также непре-
рывно возрастают;
г) развитием международного научно-техническо-
го сотрудничества и международной торговли — эф-
фективное сотрудничество с зарубежными странами,
совместная разработка научно-технических программ
(например, в области освоения космоса, мирового
океана, медицины, охраны окружающей природной
среды и др.), дальнейшее развитие торговых отноше-
ний, интеграции и кооперирования производства —
все это требует растущего взаимного доверия к изме-
рениям, являющимся одним из основных объектов об-
мена при совместном решении научно-технических
проблем, основой взаимных расчетов при торговых
операциях, заключении контрактов на поставку мате-
риалов и оборудования Следовательно, и здесь необ-
ходимое качество измерений (их точность), единооб-
разие принципов и способов оценки и контроля этого
качества имеют первостепенное значение. Еышеи
зложенное предопределило, что ГСП как система НД
уже не удовлетворяла современным условиям осуще-
ствления метрологической деятельности и, следова-
тельно, стал необходимым пересмотр ее структуры и
правового статуса. В соответствии с Законом ГФ „Об
обеспечении единства измерений" единсл во измере-
ний сегодня рассматривается как одно из важнейших
условий эффективности исследований и разработок,
управления производством и другими объектами, ди-
агностики и лечения болезней, достоверного учета ма-
терия льпых и энергетических ресурсов, контроля ка-
чества продукции, условий безопасности труда и охра-
ны окружающей среды, надежности работы связи и
трансш >рта, < обороны государства, а ГСИ должна трак-
товаться как государственная система управления дея-
тельностью по ОЕИ. Таким образом, ГСИ — государст-
венная система управления деятельностью по обеспе-
чению такого состояния измерений, при котором их
результаты выражены в узаконенных единицах вели-
чин и погрешности измерений не выходят за установ-
ленные границы с заданной вероятностью. Основные
принципы Концепции совершенствования ГСИ сфор-
мулированы учеными ВНИИМС и ВНИИМ В.С. Алек-
сандровым. А.И. Асташенковым, Х.О. Маликовой,
ГП. Сафаровым, М.Н. Селивановым, Ю.В. Тарбеевым,
М.Г. Шароновым. Следует отметить, что ГСИ, по су-
ти, является квинтэссенцией Российской системы из-
мерений, т.е. такой системы, кот орая предст являет со-
бой конгломерат следующих элементов: метрология,
измерительная техника и потребители измерительной
техники и измерительной информации. Российская
система измерений должна охватывать (и охватывает)
как органы и службы, обеспечивающие единство из-
мерений в стране, так и разработчиков, производите-
лей и пользователей продукции приборостроения. Го-
сударственное управление деятельностью по ОЕИ осу-
ществляет Госстандарт России (статья 4 Закона РФ „Об
обеспечении единства измерений"). Управление ОЕИ
в отраслях народного хозяйства, Вооруженных Силах
РФ, на предприятиях и в организациях осуществляют
руководители структур, определяемые в порядке, ус-
тановленном законодательством РФ.
В свете изложенного и с учетом объективных ре-
альностей сегодняшнего дня основная цель ГСИ фор-
мулируется следующим образом: создание на межот-
раслевом уровне правовых, нормативных, организа-
ционных, технических и экономических условий,
необходимых для решения задач по обеспечению воз-
можности всем отраслям, предприятиям, организаци-
729
ям, исследователям, специалистам во всех сферах дея-
тельности правильно оценивать точность выполняе-
мых ими измерений, а также, что не менее важно, оце-
нивать влияние точности измерений на правильность
основанной на результатах измерений информации
о свойствах веществ и материалов, о количестве и ка-
честве материальных и энергетических ресурсов, сы-
рья, материалов, полуфабрикатов, продукции, о ха-
рактеристиках процессов и явлений. Определение
круга задач, которые должна решать ГСИ для дости-
жения этой цели, требует, в первую очередь, очерчи-
вания конгломерата метрологических объектов и про-
цессов (видов) деятельности. Этот конгломерат весь-
ма обширен: от фундаментальных физических и
химических констант до квалифицированных кадров-
метрологов. Реализация ранее сформулированной це-
ли возможна, если ГСИ вместо системы НД будет рас-
сматриваться как функционально-организационно-
техническая система, включающая в себя правовую,
организационную, и техническую подсистемы. Объ-
единение этих сегодня реально существующих эле-
ментов в одну систему и присвоение этому объедине-
нию наименования „ГСИ“ дает возможность обосно-
вать, увязать рациональные пути и направления
развития всех ее составляющих подсистем с единой
целью, с единых системных позиции. Соответствен-
но, определяются следующие основные задачи ГСИ:
разработка оптимальных принципов управления дея-
тельностью по ОЕИ; организация и проведение фун-
даментальных научных исследований с целью созда-
ния более совершенных и точных методов и средств
воспроизведения и передачи размеров единиц вели-
чин и шкал измерений; установление единиц величин
и шкал измерений, допускаемых к применению; уста-
новление основных понятий метрологии, унифика-
ция их терминов и определений; установление эко-
номически рациональной системы ГЭТ. их создание,
утверждение, применение и совершенствование; ус-
тановление систем (по видам измерений) передачи
размеров единиц величин и шкал измерений от ГЭТ
средствам измерений, применяемым в стране; созда
нис и совершенствование вторичных и рабочих эта-
лонов, комплектных поверочных установок и лабора-
торий; установление общих метрологических требо-
ваний к эталонам, средствам измерений, МВИ,
методикам поверки (калибровки) средств измерений
и всех других требований, соблюдение которых явля-
ется необходимым условием ОЕИ; разработка и экс-
пертиза разделов метрологического обеспечения фе-
деральных и иных государственных программ, в том
числе программ создания и развития производства
оборонной техники; осуществление ГМК: утвержде-
ние типа средств измерений, поверка средств изме-
рений. лицензирование деятельности юридических
и физических лиц по изготовлению, ремонту, прода-
же и прокату среде тв измерений; осуществление ГМН
за выпуском, состоянием и применением средств из-
мерений, аттестованными МВИ, эталонами, соблюде-
нием метрологических правил и норм, количеством
товаров, отчуждаемых при совершении торговых опе-
раций, количеством фасованных товаров в упаковках
любого вида при их расфасовке и продаже; разработ-
ка принципов оптимизации материально-техниче-
ской и кадровой базы органов ГМС; аттестация МВИ;
24 Зак. 450
— 730 - " - --- -
калибровка и сертификация средств измерений, не
подлежащих ГМКН; аккредитация метрологических
служб и иных структур юридических или физических
лиц по различным видам метрологической деятель-
ности; аккредитация поверочных, калибровочных, из-
мерительных, испытательных и аналитических лабо-
раторий, лабораторий неразрушающего и радиацион-
ного контроля в составе действующих в РФ систем
аккредитации; участие в работе международных ор-
ганизаций, деятельность которых связана с ОЕИ, и в
подготовке к вступлению России в ВТО; установление
совместно с компетентными федеральными органа-
ми государственной власти порядка определения
стоимости (цены) метрологических работ и регули-
рования тарифов на эти работы; организация подго-
товки и подготовка кадров метрологов; информаци-
онное обеспечение по вопросам ОЕИ; совершенство-
вание и развитие ГСИ.
Гарантией успешного решения поставленных за-
дач и, соответственно, надежного функционирования
ГСИ является четкое взаимодействие составляющих
ее подсистем (как было упомянуто ранее, правовой,
организационной и технической). Правовая подсис-
тема представляет собой комплекс законодательных
актов и межотраслевых нормативных и рекоменда-
тельных документов, регламентирующих общие пра-
вила и нормы в метрологии, ГПС, методики поверки
(калибровки) и МВИ. Комплекс метрологических до-
кументов основан и тесно взаимоувязан с Государст-
венной системой стандартизации, которая определя-
ет порядок планирования, разработки, внедрения до-
кументов, структуру их построения и содержания.
Документы ГСИ также взаимоувязаны со стандарта-
ми ЕСКД и ЕСТПП. В свою очередь, нормы и требо-
вания, установленные в метрологических документах,
учитываются в этих системах. Организационная под-
система ГСИ — совокупность подразделений Госстан-
дарта России, осуществляющих функции по обеспе-
чению единства измерений, ГНМЦ и органов ГМС,
ГСВЧ, ГССО, ГСССД, метрологических служб феде-
ральных органов государственной власти и юридиче-
ских лиц, метрологической службы Вооруженных Сил
РФ, деятельность которых направлена на обеспече-
ние единства и требуемой точности измерений при
исследованиях, разработке, производстве, испытани-
ях, контроле, эксплуатации и ремонте продукции. Тех-
ническую подсистему составляют ГЭТ, УВТ, рабочие
эталоны всех разрядов, СО и испытательное обору-
дование, необходимые для осуществления метрологи-
ческого контроля и надзора. Эти подсистемы реаль-
но функционируют уже в течение многих десятиле-
тий. Так, в частности, нормативная база ГСИ к началу
1999 г. насчитывает около 2500 обязательных и реко-
мендательных документов, регламентирующих прак-
тически все аспекты в области метрологии. Возглав-
ляют этот солидный массив документации Закон РФ
„Об обеспечении единства измерений" и Постанов-
ление Правительства РФ от 12 февраля 1994 г., № 100.
Организационную, научную и практическую деятель-
ность по обеспечению единства измерений осущест-
вляют 11 метрологических научно-исследовательских
институтов и центров и 104 ЦСМ Госстандарта Рос-
сии, более 30 тысяч метрологических служб органи-
заций и предприятий других министерств и ведомств.
Техническую основу составляют 114 ГЭТ, 76 УВТ, око-
ло 15 миллионов рабочих эталонов (ранее — образцо-
вых средств измерений) и средств испытаний, более
8000 типов стандартных образцов.
А.И. Асташенков, Г.П. Сафаров, М.Г. Шаронов
731
Государственная метрологическая служба
(ГМС)
Государственная метрологическая служба (ГМС)
Российской Федерации осуществляет свою деятель-
ность в соответствии с Законом Российской Федера-
ции „Об обеспечении единства измерений" и представ-
ляет собой систему органов и организации, действую-
щую в целях ОЕИ в стране. Главной задачей ГМС
является проведение единой технической политики по
обеспечению единства измерений в стране, влияющих
на уровень жизни и благосостояние граждан, эконо-
мику и производство, обеспечение обороны государ-
ства, правопорядок, науку и технику, международное
сотрудничество, а также координация деятельности
федеральных органов исполнительной власти Россий-
ской Федерации и юридических лиц в области обеспе-
чения единства измерений. ГМС находится в ведении
Госстандарта России и включает: подразделения цен-
трального аппарата Госстандарта России, осуществ-
ляющие функции по ОЕИ; ГНМЦ; органы ГМС на тер-
риториях республик Российской Федерации, автоном-
ной области, автономных округов, краев, областей,
городов, действующие в составе территориальных ор-
ганов Госстандарта России. ГМС взаимодействует с
иными государственными службами по обеспечению
единства измерений - Государственной службой вре-
мени и частоты и определения параметров вращения
Земли (ГСВЧ). Государственной службой стандартных
образцов состава и свойств веществ и материалов
(ГССО) и Государственной службой стандартных спра-
вочных данных о физических константах и свойствах
веществ и материалов (ГСССД) Научно-методическое
руковс >дство ГМС осуществляет ВНИИМС Госстандар-
та России. ГМС осуществляет свою деятельность в тес-
ном взаимодействии с федеральными органами госу-
дарственной власти, органами государственной власти
на территории республик в составе Российской Феде-
рации, автономной области, автономных округов, кра-
ев, а также соответствующими метрологическими
службами этих органов, координирует свою деятель-
ность с контрольно-надзорными органами. Отдельные
функции ГМС могут быть возложены па специализи-
рованные организации федеральных органов государ-
ственной власти, которые решением Госстандарта
России аккредитованы в качестве ГЦИ СИ, или на мет-
рологические службы юридических лиц, аккредито-
ванные решением Госстандарта России на право повер-
ки средств измерений. ГМС в соответствии с возложен-
ными на нее задачами: осуществляет ГМКН на основе
единых требований к его организации и проведению
в соответствии с законодательством РФ; проводит фун-
даментальные и прикладные научно-исследователь-
ские и опытно-конструкторские работы в облас ти мет-
рологии, выполняет работы по созданию, совершен-
ствован! по, хранению и 1 фименению государственных
эталонов единиц величин, шкал измерений и переда-
чу размеров единиц величин исходным эталонам; про-
водит сличения государственных эталонов с нацио-
нальными эталонами других стран, участвует в разра-
ботке международных норм и правил; выполняет
работы, связанные с деятельностью ГСВЧ, ГССО,
ГСССД, РСК; осуществляет межрегиональную и меж-
отраслевую координацию деятельности по ОЕИ РФ;
определяет и утверждает в установленном порядке еди-
ные метрологические требования к средствам, мето-
дикам и резулвтатам измерений, к организации и
порядку проведения работ по ОЕИ, подготавливает и
вносит в установленном порядке предложения по еди-
ницам величин, допускаемым к применению на терри-
тории РФ; готовит предложения по вопросам ОЕИ в
стране для принятия решений федеральными органа-
ми государственной власти, органами государственной
власти Субъектов РФ и органами местного самоуправ-
ления; разрабатывает целевые программы по вопро-
сам обеспечения единства и требуемой точности из-
мерений, а также предложения к проектам федераль-
ных и региональных научно-технических программ по
вопросам, связанным с получением достоверной изме-
рительной информации, используемой в стране, в том
числе для укрепления ее обороноспособности и моби
лизационной готовности; проводит метрологическую
экспертизу проектов федеральных и меж! осударствен-
ных целевых программ, финансируемых полностью
или частично из средств федера льного бюджета, а так-
же проектов государственных ста! тар гов и других НД;
осуществляет аккредитацию метрологических служб
юридических лиц, измерительных, аналитических и
испытательных лабораторий (центров) на право по-
верки и калибровки средств измерений, аттестации
МВИ в порядке, устанавливаемом Госстандартом Рос-
сии; проводит калибровку средств измерений, аттеста-
цию МВИ, выполняет работы и оказывает услуги ин-
женерно-технического и методического характера;
проводит сертификацию средств измерений и участ-
вует в проведении испытаний и сертификации продук-
ции (услуг) в порядке, установленном в системе серти-
фикации; осуществляет подготовку и переподготовку
кадров в области метрологии.
А.И. Асташенков, Р.И. Генкина,
Х.О. Маликова, В.А. Сковородников
732
Метрологические службы федеральных
органов исполнительной (государственной)
власти (ФОИВ) и юридических лиц
Метрологические службы федеральных органов
исполнительной (государственной) власти (ФОИВ) и
юридических лиц согласно Закону РФ „Об обеспече-
нии единства измерений" — совокупность субъектов
деятельности и видов работ, направленных на ОЕИ
ФОИВ, а также предприятия, организации, учрежде-
ния, являющиеся юридическими лицами, создают в
необходимых случаях в установленном порядке мет-
рологические службы для выполнения работ по ОЕИ
и для осуществления МКН. При выполнении работ в
сферах распространения ГМКН создание метрологи-
ческих служб или иных организационных структур по
ОЕИ является обязательным. Права и обязанности
метрологических служб, определяются положениями
о них, утверждаемыми руководителями ФОИВ и юри-
дических лиц в порядке, устанавливаемом Правитель-
ством РФ. Правительство РФ Постановлением от
12 февраля 1994 г. „Об организации работ по стандар-
тизации, обеспечению единства измерений, сертифи-
кации продукции и услуг" утвердило „Порядок утвер-
ждения положений о метрологических службах
федеральных органов исполнительной власти и юри-
дических лиц". ВНИИМС разработал правила по мет-
рологии ПР 50-732 „ГСИ. Типовое положение о мет-
рологической службе государственных органов управ-
ления Российской Федерации и юридических лиц".
Метрологические службы ФОИВ — система, которая
включает структурные подразделения (службу) глав-
ного метролога в центральном аппарате; головные и
базовые организации метрологической службы в от-
раслях и подотраслях, назначаемые ФОИВ, метроло-
гические службы предприятий, объединений, органи-
заций и учреждений. В составе концернов, ак-
ционерных обществ, ассоциаций, межотраслевых
объединений может создаваться аналогичная струк-
тура метрологической службы, включающая службу
главного метролога объединения, головные и базовые
организации метрологической службы, выполняю-
щие свои функции на основании договоров с предпри-
ятиями, метрологические службы предприятий (ор-
ганизаций), возглавляемые главными метрологами.
Головные и базовые организации метрологической
службы определяются из числа ведущих научно-про-
изводственных объединений, научно-исследователь-
ских, проектно-конструкторских и технологических
организаций, независимо от форм собственности, для
выработки технической политики и координации ра-
бот в области ОЕИ в отрасли или иных областях дея-
тельности, закрепленных за ФОИВ или юридическим
лицом. Головные и базовые организации метрологи-
ческой службы назначаются ФОИВ или объединения-
ми юридических лиц по согласованию с Госстандар-
том России и подвергаются аккредитации в порядке,
установленном Госстандартом России. Для выполне-
ния своих функций головные и базовые организации
должны располагать эталонами, средствами поверки
и калибровки, другим контрольно-измерительным и
испытательным оборудованием. Метрологические
службы юридических лиц образуются, как правило, в
виде самостоятельных структурных подразделений.
В состав метрологических служб могут входить само-
стоятельные калибровочные лаборатории, а также
структурные подразделения по ремонту средств изме-
рений. Допускается возложение отдельных функций
метрологической службы на иные структурные под-
разделения юридических лиц. Права и обязанности
структурных подразделений метрологической служ-
бы или иных организационных структур по ОЕИ в
центральном аппарате ФОИВ, головных и базовых ор-
ганизаций метрологической службы, а также на пред-
приятиях, объединениях, организациях и учреждени-
ях, пользующимися правами юридического лица, оп-
ределяются Положением о метрологической службе
ФОИВ или юридического лица, разрабатываемым на
основе ПР 50-732. Положение должно содержать так-
же информационные данные о ФОИВ, структуре мет-
рологической службы и ее звеньях, головных и базо-
вых организациях метрологической службы, их основ-
ные задачи, обязанности и права. В Положении
закрепляется распределение обязанностей, устанав-
ливается порядок утверждения Положений о голов-
ных и базовых организациях, основные направления
деятельности всех звеньев метрологической службы.
Положение о метрологической службе ФОИВ утвер-
ждается его руководителем. В случаях, когда деятель-
ность осуществляется в сферах распространения
ГМКН, предусмотренных статьей 13 Закона РФ „Об
обеспечении единства измерений", Положения о мет-
рологических службах ФОИВ подлежат согласованию
с Госстандартом России. Положение о метрологиче-
ской службе юридических лиц содержит информаци-
онные данные о юридическом лице и определяет
структуру метрологической службы и ее звеньев, их
задачи, обязанности и права. Структура и штаты мет-
рологической службы определяются руководителем
юридического лица исходя из объемов работ и с уче-
том того, что работы по ОЕИ относятся к основным
видам работ, а подразделения метрологической служ-
бы — к основным производственным, научно-исследо-
вательским, конструкторским, проектно-конструктор-
ским или технологическим подразделениям. В своей
деятельности метрологические службы ФОИВ и юри-
733
дических лиц руководствуются законодательством
РФ, в том числе Законом РФ „Об обеспечении един-
ства измерений", законодательными актами респуб-
лик в составе Российской Федерации, актами, приня-
тыми администрацией автономной области, автоном-
ных округов, краев, областей и городов, стандартами
и другими НД по ОЕИ, постановлениями Госстандар-
та России, Положением о метрологической службе,
приказами и руководящими документами федераль-
ных органов государственной власти.
К главным задачам метрологических служб ФОИВ
и юридических лиц относятся: обеспечение единст-
ва и требуемой точности измерений, повышение уров-
ня и развитие техники измерений в объединениях, на
предприятиях; определение основных направлений
деятельности и выполнение работ по метрологиче-
скому обеспечению исследований, разработки, про-
изводства, испытаний и эксплуатации продукции или
иных областей деятельности; внедрение современ-
ных методов и средств измерений, автоматизирован-
ного контрольно-измерительного оборудования,
измерительных систем и комплексов, эталонов, при-
меняемых для калибровки СИ; осуществление метро-
логического контроля путем калибровки СИ, провер-
ки своевременности представления СИ на испытания
в целях утверждения типа, а также на поверку; осуще-
ствление надзора за состоянием и применением СИ,
аттестованными МВИ, эталонами единиц величин,
применяемыми для калибровки СИ, соблюдением
метрологических правил и норм, НД по ОЕИ.
Е.А. Заец, И.П. Канаева
734
Орган государственной метрологической
службы
Орган государственной метрологической службы,
образуемый в составе соответствующих территориаль-
ных органов Госстандарта России и действующий в пре-
делах компетенции, установленной законодательством
РФ, Положением о нем, утвержденным Правительст-
вом РФ, осуществляет свои функции на территориях
республик в составе РФ, автономной области, автоном-
ных округов, краев, областей, городов ГМКН, а также
иные функции, возложенные на ГМС. Органы ГМС осу-
ществляют свою деятельность в тесном взаимодейст-
вии с органами государственной власти на территори-
ях республик в составе РФ, автономной области, авто-
номных округов, краев, областей, городов и другими
контрольно-надзорными органами. Органы ГМС в со-
ответствии с установленной компетенцией: осуществ-
ляют поверку средств измерений, подлежащих ГМКН,
при выпуске их из производства или ремонта, при вво-
зе по импорту и эксплуатации; обеспечивают хранение
и содержание эталонов, применяемых для поверки
средств измерений, а также передачу размеров единиц
величин эталонам, используемым в соответствии с ус-
тановленными требованиями метрологическими служ-
бами юридических лиц, аккредитованными на право
поверки или калибровки средств измерений; выполня-
ют работы по испытаниям, утверждению типа и сер-
тификации средств измерений в соответствии с обла-
стью аккредитации; осуществляют ГМН за выпуском,
состоянием и применением средств измерений, атте-
стованными МВИ, эталонами единиц величин, соблю-
дением метрологических правил и норм; осуществля-
ют ГМН за количеством товаров, отчуждаемых при со-
вершении торговых операций; осуществляют ГМН за
количеством фасованных товаров в упаковках любого
вида при их расфасовке и продаже; проводят выдачу
лицензий на изготовление, ремонт, продажу и прокат
средств измерений, применяемых в сферах распро-
странения ГМКН; проводят калибровку средств изме-
рений, не подлежащих поверке, в соответствии с обла-
стью аккредитации; принимают участие (в порядке, ус-
танавливаемом Госстандартом России) в проведении
работ по аккредитации испытательных и измеритель-
ных центров (лабораторий) на право проведения ис-
пытаний продукции (в том числе сертификационных),
а также метрологических служб юридических лиц, в
том числе на право поверки и калибровки средств из-
мерений; принимают участие в испытаниях и сертифи-
кации продукции (услуг), в аттестации производств
предприятий, представляющих продукцию (услуги) на
сертификацию, а также в сертификации систем каче-
ства, используемых при производстве продукции (ока-
зании услуг); осуществляют межотраслевую координа-
цию деятельности по обеспечению единства измере-
ний на соответствующей территории на основе взаи-
модействия с метрологическими службами отраслей и
отдельных юридических лиц, в том числе с метрологи-
ческими службами Вооруженных Сил РФ; выполняют
на основе договоров работы и услуги инженерно-тех-
нического и методического характера. Функции, свя-
занные с осуществлением ГМН, реализуются должно-
стными лицами органов ГМС — главными государствен-
ными инспекторами по ОЕИ. на соответствующей тер-
ритории, заместителями главных государственных
инспекторов по ОЕИ. и государственными инспекто-
рами по ОЕИ.. Государственные инспекторы, осущест-
вляющие поверку средств измерений, должны быть ат-
тестованы в качестве поверителей в порядке, опре-
деляемом Госстандартом России. Главные государ-
ственные инспекторы по ОЕИ., их заместители и
государственные инспекторы по ОЕИ. имеют право: по-
сещать объекты, где эксплуатируются, производятся,
ремонтируются, продаются, содержатся или хранятся
средства измерений, независимо от подчиненности и
форм собственности этих объектов, получать все не-
обходимые документы и материалы; проверять соот-
ветствие используемых единиц величин допущенным
к применению; проверять состояние и условия приме-
нения средств измерений, их соответствие утвержден-
ному типу; проверять состояние эталонов, применяе-
мых для поверки средств измерений; проверять соблю-
дение аттестованных МВИ; проверять количество
товаров, отчуждаемых при совершении торговых опе-
раций, и проводить контрольную закупку проверяемых
товаров без предъявления служебного удостоверения;
отбирать образцы-продукции и товаров, а также фасо-
ванные товары в упаковках любого вида для осуществ-
ления надзора; вскрывать готовые упаковки; использо-
вать технические средства и привлекать персонал объ-
екта, подвергаемого ГМКН; запрещать применение и
выпуск средств измерении неутвержденных типов или
не соответствующих утвержденному типу, а также не-
поверенных; гасить поверительные клейма или анну-
лировать свидетельства о поверке в случаях, когда сред-
ство измерений дает неправильные показания или про-
срочен межповерочный интервал; при необходимости
изымать средство измерений из эксплуатации; пред-
ставлять предложения по аннулированию лицензий на
изготовление, ремонт, продажу и прокат средств изме-
рений в случаях нарушения требований к этим видам
деятельности; давать обязательные предписания и ус-
танавливать сроки устранения нарушений метрологи-
ческих правил и норм. Главные государственные ин-
спекторы по ОЕИ. вправе рассматривать дела об адми-
нистративных правонарушениях и налагать админист-
ративные взыскания от имени Госстандарта России в
соответствии со статьями 170и224/11 Кодекса РСФСР
об административных правонарушениях.
Органы ГМС вправе осуществлять хозяйственную,
информационно-издательскую и учебно-просветитель-
скую деятельность. Инженерно-технические работы и
услуги, выполняемые органами ГМС в соответствии с
заключенными договорами, оплачиваются заинтересо-
ванными юридическими и физическими лицами.
Р.И. Генкина, Х.О. Маликова, В.А. Сковородников
735
Государственная служба стандартных образцов
состава и свойств
веществ и материалов
Российской Федерации
Возникнув как средство контроля правильности
результатов химического анализа, стандартные образ-
цы (СО) состава в настоящее время стали одним из
необходимых условий эффективной деятельности
аналитической службы и широко используются в мет-
рологической практике в качестве вторичных этало-
нов (образцовых средств измерений).
Сегодня СО повсеместно признаны разновидно-
стью средств измерений, позволяющих с большой эф-
фективностью решать сложнейшие задачи обеспече-
ния единства измерений при определении состава и
свойств обширной номенклатуры веществ и материа-
лов в условиях появления более высоких технологий,
таких как микротехника и нанотехнология, биотех-
нология, производство лекарственных препаратов,
защита окружающей среды, диагностика высокоско-
ростных динамических процессов, экспрессные тест-
системы и т.п. Создание и применение СО преврати-
лось в область метрологической деятельности, в ко-
торой принимают участие многие организации
различных отраслей.
Для упорядочения всех форм работ в этой облас-
ти и осуществления межрегиональной и межотрасле-
вой координации работ по разработке и внедрению
СО в отраслях народного хозяйства создана Государ-
ственная служба стандартных образцов состава и
свойств веществ и материалов (ГССО) как составная
часть государственной службы обеспечения единст-
ва измерений. Руководство ГССО осуществляет Гос-
стандарт России.
Правовую основу функционирования ГССО со-
ставляют четыре Закона РФ: „Об обеспечении един-
ства измерений", „О сертификации продукции и ус-
луг", „О защите прав потребителей", „О стандартиза-
ции", которыми регламентированы соответствующие
виды деятельности и органы, осуществляющие эту
деятельность.
ГССО — постоянно функционирующая система
технических средств (СО и средств их аттестации),
норм и правил создания и применения СО, организа-
ций, предприятий и других юридических лиц, объе-
диненных общей научно-технической и метрологиче-
ской деятельностью при определении состава и
свойств веществ и материалов.
ГССО, кроме названной выше задачи, связанной
с координацией работ по созданию и внедрению СО
в народное хозяйство, осуществляет разработку и ус-
тановление норм и технических требований, регла-
ментирующих порядок создания и применения СО;
проводит анализ и прогнозирование потребности
промышленности, науки, обороны и других отраслей
в стандартных образцах; обеспечивает информацион-
ное обслуживание разработчиков и потребителей по
проблеме СО; организует метрологический контроль
и надзор за соблюдением требований и метрологиче-
ских норм и правил при разработке и применении СО;
формирует рациональную номенклатуру типов СО;
разрабатывает научно-методические, нормативные,
организационные и правовые основы создания СО и
обеспечения единства измерений состава и свойств
веществ и материалов на основе их применения.
Для достижения перечисленных целей ГССО как
достаточно самостоятельная метрологическая под-
система должна иметь:
— организационную структуру;
— нормативную базу как совокупность норматив-
ных документов, устанавливающих организационно-
правовые основы функционирования ГССО, а также
многочисленные нормы и правила, регламентирую-
щие вопросы создания, узаконения и применения СО;
— техническую базу, на которой основываются раз-
работки новых СО, важнейшей составной частью ко-
торой является собственно метрологическая база,
включающая парк эталонов и специальных средств из-
мерений, принадлежащих другим организациям.
Кроме того, ГССО должна включать в себя также
определенную систему постоянно действующего мет-
рологического контроля, без которого возможны на-
рушения установленного порядка и другие негатив-
ные явления.
К организационным элементам собственно ГССО
относятся: Госстандарт России, Толовной орган ГССО
(Уральский НИИ метрологии), отраслевые и регио-
нальные органы ГССО, организации-разработчики
СО.
В процессе реализации различных функций ГССО,
как это видно на схеме (рис. 1), взаимодействует с орга-
нами по сертификации, органами метрологической
службы страны (ГМС). Компетенция и основные функ-
ции органов, входящих в организационную структуру
ГССО, регламентируются подзаконными нормативны-
ми документами: положениями, правилами по метроло-
гии, рекомендациями. Так, рекомендация [1] определя-
ет общее содержание задач, функций и компетенцию
этих органов. Правила по метрологии [2] предусматри-
вают аккредитацию этих органов, в частности, на пра-
во проведения метрологической экспертизы техниче-
ской документации на СО.
Руководство ГССО осуществляет Госстандарт Рос-
сии, включая утверждение типов государственных СО
и общую координацию международного сотрудниче-
ства РФ по проблеме стандартных образцов.
-- --- - 736 ............
Рабочим аппаратом и научно-методическим цен-
тром ГССО является Головной орган, функции кото-
рого возложены на Уральский НИИ метрологии, дей-
ствующий на основании Положения, утверждаемого
Госстандартом России.
Головной орган ведет Государственный реестр СО,
допущенных к выпуску и применению в Российской
Федерации, формирует и ведет контрольный фонд
ГСО и фонд документов Госреестра, осуществляет
оформление и выдачу сертификатов на утвержденные
Госстандартом России типы ГСО, осуществляет про-
дление действия сертификата, принимает участие в
лицензировании деятельности организаций по изго-
товлению и продаже ГСО, проводит в установленном
порядке аккредитацию и учет предприятий и органи-
заций на право проведения работ, в том числе в каче-
стве органов ГССО, согласно нормам и правилам
ГССО.
Определяющее значение в деятельности ГССО
имеет основополагающий стандарт [3], который ус-
танавливает порядок разработки, утверждения (при-
знания) СО, их применения и метрологического кон-
троля за разработкой и применением СО.
Введена система лицензирования, изготовления и
продажи СО [4], совершенствуется система государ-
ственного метрологического надзора за выпуском и
применением СО. Четко упорядочена система регла-
ментации и учета утвержденных типов ГСО [5].
Госреестр СО (ведущийся с 1970 г.) в настоящее
время разделен на две части: образцы, утвержденные
в период 1970- 1992 гг. включительно, составляют так
называемый межгосударственный фонд СНГ; с 1993 г.
ведет отсчет Реестр ГСО Российской Федерации.
Примерное распределение ГСО утвержденных ти-
пов по областям применения (1993-1997 гг.) следую-
щее:
Общее число типов ГСО. внесенных в Реестр, и
срок действия которых продлен — 1655
Охрана окружающей природной среды — 360
Здравоохранение, безопасность труда — 39
Обязательная сертификация пищевой продукции
(в том числе санэпиднадзор) — 243
Обеспечение контроля и испытаний продукции:
в процессе производства — 416
при оценке качества рудного сырья и иных при-
родных ресурсов, включал нефть, газ и другие виды
топлива —555.
В современных условиях весьма важное значение
имеет оперативная и другая техническая информация
о деятельности ГССО, включающая сведения об СО,
содержащихся в Госреестре, сведения о разработчи-
ках, нормативные документах и т.д.
Эта деятельность сосредоточена в Головном орга-
не ГССО, где функционирует компьютерный банк
данных (КБД СО), в котором содержится до 10000 раз-
личных документов: сформирована абонентская сеть
организаций-заказчиков информации.
Параллельно с КБД СО России уже несколько лет
функционирует международный банк данных по СО
„КОМАР" с сетью национальных центров кодирова-
ния данных. Один из таких центров кодирования, свя-
занный с центральным секретариатом банка, функ-
ционирует в УНИИМ.
Информационное обслуживание по проблеме
„Стандартные образцы" осуществляется по разовым
запросам, в форме абонементного обслуживания, пу-
Рис. 1. Схема взаимодействия в системе межотраслевой координации работ в рамках ГССО
— 737 —
тем выпуска и реализации периодических справоч-
ных изданий в виде сборников (включая тематиче-
ские подборки).
Международное сотрудничество по обеспечению
единства измерений особенно активизировалось за
последние десятилетия в связи с глобальными изме-
нениями в мировой торговле, совместным изготовле-
нием товаров, усложнением большинства изделий и
услуг, возросшими проблемами здоровья населения,
связанными с безопасностью и охраной окружающей
среды. В этом плане применение СО как одного из
эффективных методов повышения точности измере-
ний составляет самостоятельную проблематику в раз-
личных международных организациях: ИСО (Коми-
тет по стандартным образцам — РЕМСО), МОЗМ
(ТК18), КООМЕТ (Сотрудничество по метрологии
среди центрально-европейских стран), МГС СНГ
(Межгосударственный совет по стандартизации, мет-
рологии и сертификации стран СНГ).
Основными направлениями международного со-
трудничества ГССО являются:
— создание организационно-правовых основ и про-
цедур сотрудничества в различных международных
организациях;
— гармонизация методических принципов созда-
ния СО и нормативных требований к их техническо-
му уровню и качеству;
— формирование условий и разработка процедур
признания СО для беспрепятственного допуска их
применения в первую очередь при взаимных постав-
ках соответствующих веществ и материалов по дого-
ворам и торговым контрактам, при сертификации по-
ставляемой продукции, а также в народном хозяйст-
ве сотрудничающих сторон;
— создание рационального механизма взаимных
поставок СО как для метрологических разработок, так
и для применения в различных областях измерений
и испытаний;
— формирование системы международных сличе-
ний СО, применяемых для целей обеспечения един-
ства измерений в областях, имеющих особую важ-
ность в международных отношениях, таких как эко-
логический мониторинг сопредельных территорий,
речных и морских бассейнов и т.д.
Литература:
1. МИ 2471-98. Рекомендация. НСИ. Органы государст-
венной службы стандартных образцов состава и свойств ве-
ществ и материалов. Общие требования.
2. ПР 50.2.013-97. ГСИ. Порядок лицензирования дея-
тельности по изготовлению, ремонту, продаже и прокату
средств измерений.
8. ГОСТ 8.315-97. ГСИ. Стандартные образцы состава и
свойств веществ и материалов. Основные положения.
4. ПР 50.2.021-98. ГСИ. Порядок лицензирования дея-
тельности по изготовлению и продаже государственных
стандартных образцов.
5. ПР 50.2.020-96. ГСИ. Порядок ведения государствен-
ного реестра утвержденных типов стандартных образцов.
И.Е. Добровинский
24* Зак 450
738
Российская система калибровки (РСК)
Российская система калибровки (РСК) — совокуп-
ность субъектов деятельности и калибровочных ра-
бот, направленных на обеспечение единства измере-
ний в сферах, не подлежащих ГМКН и действующих
на основе установленных требований к организации
и проведению калибровочных работ. Закон РФ „Об
обеспечении единства измерений" устанавливает, что
средства измерений, не подлежащие поверке, могут
подвергаться калибровке при выпуске из производст-
ва или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуата-
ции, прокате и продаже. Калибровка средств изме-
рений проводится метрологическими службами
юридических лиц с использованием эталонов, сопод-
чиненных государственным эталонам единиц вели-
чин. Результаты калибровки средств измерений удо-
стоверяются калибровочным знаком, наносимым на
средства измерений, или сертификатом о калибров-
ке, а также записью в эксплуатационных документах.
С целью создания условий для обеспечения пригод-
ности средств измерений, не подлежащих ГМКН, в
стране организована и функционирует с 1995 г. Рос-
сийская система калибровки.
Принципы организации, структура и функции
РСК. РСК строится на следующих принципах: добро-
вольность вступления; обязательная передача разме-
ров единиц от государственных эталонов или устано-
вок высшей точности рабочим средствам измерений;
профессионализм и техническая компетентность
субъектов РСК; самоокупаемость. Вступление метро-
логической службы юридического лица в РСК посред-
Аккредитация |
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Рис. 1.
739
ством проведения аккредитации осуществляется на
добровольной основе. Основным стимулом вступле-
ния в РСК, как это имеет место в международной
практике, является усиление степени доверия потре-
бителя к показателям качества продукции, контро-
лируемым путем измерений, что повышает конкурен-
тоспособность продукции. Кроме того, процесс сер-
тификации продукции в соответствие с требованиями
международных стандартов ИСО/МЭК серии 9000 и
общеевропейскими стандартами EN 45000 выдвигает
обязательное требование аккредитации испытатель-
ных и калибровочных лабораторий, являющейся ус-
ловием признания достигаемого качества. Последнее
является стимулом для вступления метрологических
служб предприятий в РСК. Членство в РСК позволя-
ет метрологическим службам получать также методи-
ческое и информационное обеспечение по всем ас-
пектам калибровочной деятельности. Обязательная
передача размеров единиц от государственных этало-
нов или установок высшей точности при помощи
рабочих эталонов, находящихся в органах ГМС,
эталонам предприятий и далее рабочим средствам
измерений является главным условием для обеспече-
ния единства и достоверности результатов измере-
ний. Профессионализм и компетентность субъектов
РСК—непременное условие гарантии высокого каче-
ства калибровочных работ и обеспечения престиж-
ности членства в РСК. Четвертый принцип — само-
окупаемость РСК диктуется требованиями рыночной
экономики, т.к. потребность в обеспечении точных
и достоверных результатов измерений в ходе разви-
тия экономики не уменьшается, а возрастает. Струк-
тура РСК показана на схеме. Субъектами являются
(рис. 1) метрологические службы юридических лиц,
аккредитованные на право калибровки средств изме-
рений с использованием эталонов, подчиненных го-
сударственным эталонам или установкам высшей точ-
ности; ГНМЦ и органы ГМС, зарегистрированные в
РСК как аккредитующие органы, имеющие право ак-
кредитовывать метрологические службы юридиче-
ских лиц на право калибровки средств измерений; Гос-
стандарт России, являющийся Центральным органом
РСК, координирующим деятельность субъектов РСК;
ВНИИМС Госстандарта России, осуществляющий
функции по организационному, методическому и ин-
формационному обеспечению деятельности РСК; со-
вещательный орган РСК — Совет РСК, образованный
Госстандартом России для формирования и обсужде-
ния проектов решений Центрального органа РСК по
вопросам технической политики деятельности РСК.
Членами Совета РСК могут быть руководители аккре-
дитующих органов, руководители аккредитованных
метрологических служб, представители отраслей на-
родного хозяйства и предприятий, научно-исследова-
тельских институтов и объединений, а также других
заинтересованных в РСК обществ и объединений.
Термины и определения. Калибровка средств из-
мерений — совокупность операций, выполняемых с це-
лью определения и подтверждения действительных
значений метрологических характеристик и (или)
пригодности к применению средства измерений, не
подлежащего государственному метрологическому
контролю и надзору. Сертификат о калибровке — до-
кумент, удостоверяющий факт и результаты калибров-
ки средства измерений, который выдается организа-
цией, осуществляющей калибровку.
Литература:
1. ПР 50.2.016 ГСИ. Требования к выполнению калибро-
вочных работ.
2. ПР 50.2.017 ГСИ. Положение о Российской системе
калибровки.
3. ПР 50.2.018 ГСИ. Порядок аккредитации метрологи-
ческих служб юридических лиц на право проведения калиб-
ровочных работ.
4. ПР РСК 001 Порядок регистрации государственных
научных метрологических центров и органов ГЬсударствен-
ной метрологической службы в качестве аккредитующих ор-
ганов в Российской системе калибровки.
5. ПР РСК 002 Калибровочные клейма.
6. ПР РСК 003 Порядок осуществления инспекционно-
го контроля за соблюдением аккредитованными метрологи-
ческими службами требований к проведению калибровоч-
ных работ.
7. Р РСК 001 Типовое положение о калибровочной лабо-
ратории.
Р.И. Генкина, В.А. Сковородников
740
Поверка средств измерений
Поверка средств измерений — совокупность опе-
раций, выполняемых органами ГМС (другими упол-
номоченными на то органами, организациями) с це-
лью определения и подтверждения соответствия
средств измерений установленным техническим тре-
бованиям. Поверка имеет целью ОЕИ в той части, ко-
торая связана с требованием о не выходе погрешно-
стей мер и измерительных приборов за установлен-
ные границы с заданной вероятностью.
Контроль за правильностью торговых мер и весов,
а также монетами (средствами платежа) законодатель-
но установлен на Руси еще с X в. (Устав князя Влади-
мира) и поручался церкви. С XVI в. эта функция пере-
ходит к светским властям — воеводам и старостам. В
1842 г. было принято и с 1 января 1845 г. введено в дей-
ствие „Положение о мерах и весах", в соответствии с
которым поверка осуществлялась казенными палата-
ми, городскими уездами и управами. Выдающимся ор-
ганизатором поверочного дела явился великий рус-
ский ученый Д.И. Менделеев, организовавший в
1900 г. шесть поверочных учреждений („поверочных
палаток"). Эти учреждения занимались поверкой и
клеймением ограниченной номенклатуры мер и изме-
рительных приборов (весы, гири, меры длины, меры
вместимости). К 1906 г. количество поверочных учре-
ждений было доведено до 25. В советское время раз-
витию поверочной деятельности уделяется сущест-
венное внимание. В 1927 г. на территории СССР
имеется уже 55 поверочных учреждений. Растет но-
менклатура средств измерений, подлежащих обяза-
тельной поверке. В их число входят медицинские тер-
мометры, приборы измерений параметров давления
и вакуума, водомеры, электросчетчики и т.д. К 1939 г.
сеть поверочных учреждений возрастает до 200 лабо-
раторий. В 1986 г. поверку осуществляли 14 метроло-
гических НИИ и НПО, ПО ЦСМ, 124 лаборатории
госнадзора Госстандарта. С принятием в 1993 г. Зако-
на РФ „Об обеспечении единства измерений" метро-
логическая деятельность была поделена на две сфе-
ры: сферу государственного регулирования и сферу
добровольной метрологической деятельности. Тер-
мин „поверка" применяется только в рамках первой
из них. К началу 1999 г. поверку в России осуществля-
ют 11 метрологических НИИ, 100 ЦСМ или 570 мет-
рологических служб юридических лиц, аккредитован-
ных на право поверки. Поверка является одной из
форм ГМКН и включает в себя необходимый набор
требований и процедур, обеспечивающих метрологи-
ческую пригодность средств измерений. Можно вы-
делить три группы требований, регламентируемых
для средств измерений: нормативные, технические,
метрологические (последние являются частью техни-
ческих требований). Нормативные требования вклю-
чают в себя критерии идентификации отдельных ти-
пов средств измерений, характеристики их внешне-
го вида, условия применения, критерии установления
соответствия или не соответствия средств измерений
предъявляемым к ним требованиям, методики повер-
ки. Технические требования устанавливают основные
характеристики средств измерений, необходимые для
определения пригодности данного средства для реше-
ния той или иной измерительной задачи. При этом
метрологические требования устанавливают такие
свойства средств измерений, как пределы допускае-
мой погрешности (или показатели неопределенно-
сти) и условия, при которых обеспечиваются эти ха-
рактеристики. Процедуры поверки должны обеспе-
чить передачу размера единицы величины от ГЭТ или
УВТ к рабочему средству измерений. Для обеспече-
ния правильности такой передачи устанавливается
определенный порядок, который отражается в НД на
ГПС. С точки зрения этапа жизненного цикла разли-
чают первичную поверку, осуществляемую при выпус-
ке средств измерений из производства или ремонта,
и последующие (периодические). По характеру решае-
мых задач различают поверки очередную — первич-
ную или периодическую; внеочередную — проводимую
в случае повреждения поверительного клейма, утра-
ты свидетельства о поверке, вводе в эксплуатацию
средств измерений после длительного хранения, про-
ведении повторной юстировки или неудовлетвори-
тельной работе прибора; инспекционную — осущест-
вляемую в рамках ГМН для выявления пригодности
средств измерений к применению; экспертную — вы-
полняемую по поручению органов суда, прокуратуры,
арбитражного суда и федеральных органов государ-
ственной власти. Поверка может характеризоваться
также методом передачи размера единицы величины.
Различают следующие методы: непосредственное сли-
чение (т.е. без компаратора) поверяемого средства из-
мерений с рабочим эталоном того же вида (т.е. меры
с мерой или измерительного прибора с измеритель-
ным прибором); сличение поверяемого средства из-
мерений с рабочим эталоном того же вида при помо-
щи компаратора; прямые измерения поверяемым из-
мерительным прибором величины эталонной меры;
прямые измерения эталонным измерительным при-
бором величины, воспроизводимой поверяемой ме-
рой; косвенные измерения эталонными средствами
измерений величины, воспроизводимой мерой или
измеряемой прибором, подвергаемым поверке; неза-
висимая поверка, то есть поверка средств измерений
— 741 '
относительных (безразмерных) величин, не требую-
щая передачи размеров единиц от государственных
или рабочих эталонов, проградуированных в едини-
цах размерных величин.
Качество поверки характеризуется показателями
$е достоверности. Наиболее распространенным явля-
ются следующие показатели: наибольшая вероятность
ошибочного признания поверяемого средства изме-
рений годным, при условии, что его действительные
характеристики выходят за установленные границы,
и наибольшее превышение нормированных метроло-
гических характеристик (при заданном уровне веро-
ятности) для средств измерений, прошедших повер-
ку с положительным результатом. Указанные показа-
тели достоверности определяются рядом факторов,
при этом наиболее существенными следует считать
соотношение нормированных погрешностей пове-
ряемых средств измерений и рабочих эталонов, ко-
личество контролируемых характеристик поверяемо-
го средства измерений, количество точек, в которых
осуществляется оценка показателей погрешности и
их расположение внутри измерительного диапазона,
план выборочного контроля при выборочной повер-
ке и ряд других. Процедуры и результаты поверки
должны документироваться. Процедура поверки рег-
ламентируется при утверждении типа средств изме-
рений. Это может быть сделано в виде стандарта, ре-
комендации или раздела в эксплуатационной докумен-
тации на конкретный прибор. Результаты поверки
фиксируются в протоколе. Если средство измерений
признают пригодным к дальнейшему применению, то
на него или техническую документацию наносят от-
тиск поверительного клейма, делают запись в паспор-
те или выдают свидетельство о поверке. В противном
случае выписывают извещение о непригодности или
делают соответствующую запись в технической доку-
ментации.
Литература:
1. Закон РФ „Об обеспечении единства измерений11,
1993.
2. ПР 50.2.006 ГСИ. Порядок проведения поверки
средств измерений.
3 Стандарт ИСО 10012-1 Требования, гарантирующие
качество измерительного оборудования. Часть 1. Система
подтверждения метрологической пригодности измеритель-
ного оборудования.
4. МД № 3 МОЗМ Соответствие средств измерений за-
конодательным требованиям.
5. МД № 20 МОЗМ Первичная и последующая поверка
средств измерений и процессов.
б Бурдун Г.Д., Марков Б.II. Основы метрологии. — М.:
Изд-во стандартов, 1975.
Ю.Е. Лукашов, М.Г. Шаронов
742
Методика выполнения измерений
Методика выполнения измерений — совокупность
операций и правил, выполнение которых обеспечива-
ет получение результатов измерений с известной по-
грешностью. Получение результатов измерений с из-
вестной погрешностью или с погрешностью, не пре-
вышающей допускаемых пределов (норм погрешности
измерений), является важнейшим условием ОЕИ,
МВИ, отвечающие современным требованиям, игра-
ют решающую роль в ОЕИ. Как метрологический объ-
ект, МВИ появились в 1972 г. Объективными причи-
нами появления МВИ в метрологической деятельно-
сти явились сформулированные в это время принципы
ОЕИ: результаты измерений должны выражаться в уза-
коненных единицах и погрешность измерений долж-
на быть известна. Для реализации этих принципов в
этот период были разработаны и стали внедряться ос-
новные положения ГСИ, для внедрения которых ока-
залось недостаточным иметь СИ, метрологические ха-
рактеристики которых удовлетворяют традиционным
требованиям. Это объясняется тем, что погрешность
многих измерений зависит не только от метрологиче-
ских характеристик СИ, но и от других причин, кото-
рые определяются методом и процедурой измерений
(погрешность метода, погрешности, возникающие при
отборе и приготовлении пробы, личностные погреш-
ности, условия измерений и другие причины). В этой
связи был разработан ГОСТ 8.010-72 „ГСИ. Общие тре-
бования к стандартизации и аттестации методик вы-
полнения измерений", в котором были регламентиро-
ваны основные положения разработки и применения
МВИ. Начался процесс их внедрения в практику рабо-
ты метрологических служб. В результате работ в этой
области появились стандарты и методические докумен-
ты на МВИ, началась аттестация МВИ. Эти работы на-
шли отражение в отраслевых программах метрологи-
ческого обеспечения. За 25 лет со времени появления
МВИ в метрологической деятельности разработано
большое количество документов на МВИ, входящих в
ГСИ, соответствующих ведомственных документов и
документов предприятий на МВИ. Новый импульс мет-
рологической деятельности в области МВИ дал при-
нятый в 1993 г. Закон РФ „Об обеспечении единства
измерений". Необходимо отметить, что в странах СНГ
законодательство в области метрологии в части тре-
бований к МВИ и СИ, применяемых в сферах распро-
странения ГМКН, существенно отличается от Закона
Российской Федерации „Об обеспечении единства из-
мерений". Это обстоятельство определило разработ-
ку государственного стандарта РФ ГОСТ Р 8.563-96
„ГСИ. Методики выполнения измерений", который
введен в действие с 1 июля 1997 г.
Требования ГОСТ Р 8.563 распространяются на
вновь разрабатываемые и пересматриваемые МВИ, в
т.ч. на методики количественного химического анали-
за. Документы на МВИ, разработанные до введения в
действие стандарта, остаются в силе вплоть до их пе-
ресмотра. При этом остаются в силе такие документы
и на неаттестованные МВИ. Стандарт не распростра-
няется на МВИ, характеристики погрешности измере-
ний по которым определяют в процессе или после их
применения. По этой причине такие МВИ не могут
быть аттестованы в соответствии с требованиями
ГОСТ Р 8.563. Подобные МВИ применяют в научных
исследованиях, при проведении экспериментов и в
других случаях, когда имеют место „разовые" процеду-
ры измерений или сами МВИ находятся в стадии ис-
следований. В стандарте установлены наиболее важ-
ные исходные данные и требования к разработке МВИ.
Среди них целесообразно отметить необходимость
четкой регламентации измеряемой величины (в т.ч.
распределенной в пространстве, меняющейся во вре-
мени и т.п.) и назначения МВИ. Другими важными ис-
ходными данными являются требования к точности из-
мерений в явном и неявном выражении. В явном виде
требования к точности измерений обычно выражают
пределами допускаемой погрешности измерений. При
этом вероятность, с которой погрешность измерений
должна находиться в заданных пределах, принимает-
ся существенно близкой к 1. В неявном виде обычно
требования к точности измерений могут задаваться в
виде требований к погрешности результатов испыта-
ний или в виде допускаемых вероятностей брака изме-
рительного контроля. К исходным данным относятся
условия измерений (внешние влияющие величины:
температура окружающего воздуха и измеряемой сре-
ды, напряжение, частота и искажения питающей се-
ти, вибрация, внешнее магнитное поле и т.п.) и фак-
торы, влияющие на методические составляющие по-
грешности измерений. Важнейшей частью разработки
МВИ является выбор метода и средств измерений. Оп-
тимальным считается выбор таких СИ, с которыми по-
грешность измерений незначительно меньше преде-
ла допускаемых значений. Необходимо иметь в виду,
что в документе на МВИ могут указываться так назы-
ваемые приписанные характеристики погрешности
измерений, которые соответствуют любому измере-
нию, выполненному в оговоренных в документе на
МВИ условиях. Под МВИ понимают технологический
процесс измерений. Поэтому не следует смешивать
МВИ и документ на МВИ. Необходимо иметь в виду,
что многие МВИ не регламентированы в документах,
так как такая регламентация не вызывается объектив-
. 743 =============
ними причинами. Необходимость регламентации
МВИ в соответствующем документе может устанавли-
вать разработчик конструкторской, технологической
или проектной документации при возможной сущест-
венной методической составляющей или личностной
составляющей погрешности. По этим причинам мно-
гие методики количественного химического анализа
регламентированы в соответствующих документах.
Необходимо иметь в виду, что при отсутствии до-
кумента на МВИ ее аттестация невозможна. Аттеста-
ция МВИ — процедура установления и подтверждения
соответствия МВИ предъявляемым к ней метроло-
гическим требованиям. Необходимо отличать ат-
тестацию от метрологических исследований МВИ.
Метрологические исследования — часть процедуры
аттестации МВИ. В результате метрологических ис-
следований устанавливают метрологические характе-
ристики, а при аттестации на основе результатов ис-
следований делается вывод о соответствии МВИ
заданным требованиям или приписанным характери-
стикам (регламентированным в документе на МВИ).
Одно из главных требований ГОСТ Р 8.563 — МВИ,
применяемые в сферах распространения ГМКН, а
также для контроля состояния сложных технических
систем (СТС) по ГОСТ Р 22.2.04-94 „Безопасность в
чрезвычайных ситуациях. Техногенные аварии и ка-
тастрофы. Метрологическое обеспечение контроля
состояния сложных технических систем. Основные
положения и правила", должны быть аттестованы.
ГОСТ Р 22.2.04-94 распространяется на СТС, в кото-
рых может возникнуть источник чрезвычайной ситуа-
ции или чрезвычайная ситуация при воздействии
внешнего источника. СТС — техническая система
(объект), представляющая собой совокупность взаи-
модействующих, функционально самостоятельных
подсистем, предназначенных для достижения общей
(конкретной) цели. Аттестацию МВИ, применяемых
в сферах распространения ГМКН, осуществляют:
ГНМЦ, органы ГМС, метрологические службы и иные
организационные структуры по ОЕИ, аккредитован-
ные на право аттестации МВИ. Аттестацию МВИ,
применяемых вне сфер распространения ГМКН, про-
водят в порядке, установленном в ведомстве или на
предприятии. Необходимость аттестации таких МВИ
может определяться заказчиком или указываться в
техническом задании на разработку МВИ.
Аттестацию МВИ осуществляют путем метрологи-
ческой экспертизы документации, теоретических или
экспериментальных исследований МВИ. Способ атте-
стации определяется сложностью МВИ и опытом ат-
тестации аналогичных МВИ. Метрологическая экспер-
тиза МВИ — это анализ и оценка выбора методов и
средств измерений, операций и правил проведения из-
мерений и обработки их результатов с целью установ-
ления соответствия МВИ предъявляемым метрологи-
ческим требованиям. При экспертизе документа на
МВИ, которая будет использоваться в сферах распро-
странения ГМКН, а также для контроля состояния
СТС, необходимо проверить утверждение типов СИ.
Оценивание погрешности измерений является глав-
ной частью разработки и аттестации МВИ. Эту часть
исследований начинают с анализа возможных источ-
ников и составляющих погрешности измерений. При
этом следует обратить внимание на возможность на-
личия методических составляющих погрешности при
косвенных методах измерений. Необходимо иметь в
виду, что характеристики погрешности измерений мо-
гут быть приписаны измерениям, выполняемым по
регламентированным МВИ. Приписанная характери-
стика погрешности измерений — это характеристика
погрешности любого результата совокупности измере-
ний, полученного при соблюдении требований и пра-
вил данной МВИ. Кроме того, характеристики погреш-
ности измерений могут указываться для конкретного
экспериментально полученного результата измерений
(статистическая оценка характеристики погрешности
измерений). Приписанные значения и статистические
оценки погрешности не следует смешивать с нормами
точности измерений, т.к. методы их установления и
использования различны. Обычно прямое экспери-
ментальное оценивание погрешности измерений в ре-
альных (производственных) условиях измерений прак-
тически неосуществимо из-за недоступности точки от-
бора информации об измеряемой величине (входа
датчика), отсутствия СИ необходимой точности, спо-
собных работать в этих условиях, и других ограниче-
ний. В производственных условиях эксперименталь-
ным способом можно оценить погрешность лишь
части измерительного канала, т.е. некоторые состав-
ляющие погрешности измерений. Наиболее рацио-
нальной процедурой оценивания погрешности изме-
рений при разработке большинства МВИ является рас-
четно-экспериментальная процедура. Эта процедура
заключается в расчетном или экспериментальном оце-
нивании составляющих погрешности измерений и
дальнейшем расчетном сумм иро вании этих составляю-
щих. Экспериментальными методами оцениваются те
составляющие погрешности измерений, для которых
могут быть выполнены указанные выше условия. При
разработке и аттестации ряда МВИ исследуются спо-
собы оперативного контроля точности получаемых ре-
зультатов измерений. Для этого контроля используют
характеристики погрешности или ее составляющих.
Оперативный контроль нарушения точности резуль-
татов измерений в автоматизированных системах мо-
жет осуществляться с помощью косвенных показа-
телей (по результатам тестирования автоматизирован-
ных систем управления или их подсистем; по неувязкам
в балансе материальных и энергетических потоков в
системах трубопроводов или сетях; по расхождениям
показаний дублирующих приборов; по выходу изме-
ренных значений параметров за установленные грани-
цы при нормальном протекании технологического
процесса, что может фиксироваться СИ других пара-
метров; по превышению скорости изменения резуль-
татов измерений максимально физически возможной
скорости изменения параметра).
При положительных результатах экспертизы или
аттестации МВИ документ на МВИ утверждают в уста-
новленном порядке. Об аттестации МВИ, изложенной
в отдельном документе, в этом документе указывают:
„МВИ аттестована" с указанием организации, прово-
дившей аттестацию, и даты аттестации. При положи-
тельных результатах аттестации МВИ, применяемой
в сферах распространения ГМКН, а также для контро-
ля состояния СТС, оформляют свидетельство об атте-
стации МВИ.
Н.П. Миф
744
Нормативный документ по обеспечению
единства измерений
Нормативный документ по обеспечению единства
измерений устанавливает правила, общие принципы
или характеристики, касающиеся деятельности в об-
ласти обеспечения единства измерений (ОЕИ) или ее
результатов. Эта деятельность является составной ча-
стью стандартизации — общей деятельности по уста-
новлению требований, норм, правил и характеристик
в целях обеспечения как единства измерений, так и
безопасности продукции, работ и услуг для окружаю-
щей среды, жизни, здоровья и имущества; технической
и информационной совместимости, а также взаимоза-
меняемости продукции; качества продукции, работ и
услуг в соответствии с уровнем развития науки, техни-
ки и технологии; экономии всех видов ресурсов; безо-
пасности хозяйственных объектов с учетом риска воз-
никновения природных и техногенных катастроф и
других чрезвычайных ситуаций; обороноспособности
и мобилизационной готовности страны. Стандартиза-
ция направлена на достижение оптимальной степени
упорядочения в определенной области посредством ус-
тановления положений для всеобщего и многократно-
го применения в отношении реально существующих
или потенциальных задач. Эта деятельность проявля-
ется в разработке, опубликовании и применении стан-
дартов. Важнейшими результатами деятельности по
стандартизации являются повышение степени соот-
ветствия продукции, работ (процессов) и услуг их
функциональному назначению, устранение барьеров
в торговле и содействие научно-техническому и эко-
номическому сотрудничеству. Первый документ Совет-
ского правительства в области стандартизации — дек-
рет Совета народных Комиссаров РСФСР от 14 сентяб-
ря 1918 г. „О введении международной метрической
системы мер и весов1'. 15 сентября 1918 г. Совет народ-
ных комиссаров СССР принял решение о создании Ко-
митета по стандартизации при Совете труда и оборо-
ны. История государственной стандартизации в нашей
стране началась с утверждения 7 мая 1926 г. первого
общесоюзного стандарта: ОСТ-1 „Пшеница. Селекци-
онные сорта зерен. Номенклатура", получившего си-
лу государственного закона. Первые НД (тогда — нор-
мативно-технические документы) по ОЕИ появились
в СССР в 40-е гг. Это были инструкции, которые утвер-
ждала Главная Палата мер и измерительных приборов
Министерства финансов СССР (с 1954 г. — Комитет
стандартов, мер и измерительных приборов при Со-
вете Министров СССР). С 1956 г. в практику были вве-
дены НД вида методических указаний. Такие НД утвер-
ждали метрологические институты Комитета. Инст-
рукции и методические указания устанавливали
методы и средства поверки наиболее широко приме-
няемых, традиционных приборов для измерений дли-
ны, массы, объема (деревянных линеек, гирь, весов,
мерной посуды ит.п.). Установление метрологических
требований и норм в виде государственных стандар-
тов (ГОСТ) началось в 1966 г. (в основном, это были
ГОСТ на методы и средства поверки электрических и
температурных приборов). Комплекс действующих
НД по ОЕИ был объединен в ГСИ 11 ноября 1966 г. Зна-
чительный вклад в установление принципов развития
нормативной базы ГСИ внесли работники и ученые
Госстандарта СССР и его метрологических институтов
В.О. Арутюнов, К.П. Широков, С.Б. Булатов, А П. Руд-
нев, Г.П. Сафаров, М.Н. Селиванов. С этого времени в
НД по ОЕИ регламентировались общие (основопола-
гающие) метрологические нормы, положения, требо-
вания (ГОСТ 16263-70 „Метрология. Термины и опре-
деления", ГОСТ 8.000-71 „ГСИ. Основные положения",
ряд ГОСТ, определяющих организацию и порядок про-
ведения государственных испытаний и поверки
средств измерений, требования к стандартизации и ат-
тестации МВИ и т.д.). В 1973 г. в метрологии появился
такой вид НД по ОЕИ как методики институтов (МИ),
утверждаемые метрологическими институтами по по-
ручению Госстандарта СССР и имеющие рекоменда-
тельный статус. Этот статус отражает возможность ис-
пользования МИ в определенных условиях или в кон-
кретной отрасли (на предприятии) и не исключает
возможности разработки и применения другой МИ для
того же объекта регламентации, но в иных условиях
или в другой отрасли (на предприятии). При этомпри-
знание возможности использования МИ обуславли-
вает необходимость выполнения регламентированных
в ней норм, положений, требований. По результатам
апробации МИ в стране разрабатывают НД с обя-
зательным статусом. С самого начала МИ, благодаря
упрощенной процедуре разработки, утверждения и
введения в действие, получили широкое распростра-
нение.
Закон РФ „Об обеспечении единства измерений"
установил, что к НД по О.Е.И. относятся — государст-
венные стандарты, международные (региональные)
стандарты, применяемые в установленном порядке,
правила, положения, инструкции и рекомендации. За-
кон определил также, что НД по ОЕИ, устанавливаю-
щие метрологические правила и нормы и имеющие
обязательную силу на территории РФ. утверждает Гос-
стандарт России. При этом допускается утверждение
НД по ОЕИ Госстандартом России и заинтересованны-
ми федеральными органами государственной власти,
несущими ответственность за применение указанных
документов в порученных им сферах управления. Пре-
745
валирующее применение в нашей стране из видов НД
по ОЕИ, перечисленных в Законе, в конце XX в. име-
ют стандарты, правила по метрологии и рекоменда-
ции, принимаемые Госстандартом России, а также ре-
комендации, утверждаемые ГНМЦ. К правилам (ПР)
по метрологии относятся документы в области метро-
логии, устанавливающие обязательные для примене-
ния организационно-технические и (или) общетехни-
ческие положения, порядки (правила процедуры),
методы (способы, приемы) выполнения работ соответ-
ствующих направлений, а также обязательные требо-
вания к оформлению результатов этих работ. К реко-
мендациям относятся документы в области метроло-
гии, содержащие добровольные для применения
организационно-технические и (или) общетехниче-
ские положения, порядки (правилапроцедуры), мето-
ды (способы, приемы) выполнения работ соответст-
вующих направлений, а также рекомендуемые прави-
ла оформления результатов этих работ. К началу 1999 г.
нормативную базу ГСИ составило около 2500 НД по
ОЕИ. В их числе 380 государственных и межгосудар-
ственных стандартов (15 %), более 20 ПР, почти
2000 МИ (80 %). Остальную часть составляют метро-
логические НД упраздненных к этому времени видов
документов (руководящие документы — РД, методиче-
ские указания и др.). Основными объектами регламен-
тации в области ОЕИ являются общие, основополагаю-
щие метрологические нормы и правила, государствен-
ные поверочные схемы (ГПС), методики поверки
средств измерений (МП) и методики выполнения из-
мерений (МВИ). Основополагающие НД ГСИ охваты-
вают полную сферу метрологической деятельности и
устанавливают совокупность узаконенных единиц ве-
личин и шкал измерений; терминологию в области мет-
рологии; требования к воспроизведению и передаче
размеров единиц величин и шкал измерений; спосо-
бы и формы представления результатов измерений и
характеристик их погрешности; методы оценивания
погрешности и неопределенности измерений; требо-
вания к МВИ, порядку их разработки и аттестации;
комплексы НМХ средств измерений; методы установ-
ления и корректировки межповерочных (рекомендуе-
мых межкалибровочных) интервалов; правила прове-
дения испытаний в целях утверждения типа средств
измерений, порядок их сертификации; правила про-
ведения поверки и калибровки средств измерений;
правила осуществления метрологического контроля и
надзора; порядок лицензирования деятельности юри-
дических и физических лиц по изготовлению, ремон-
ту, продаже и прокату средств измерений; типовые за-
дачи, правила и обязанности метрологических служб
федеральных органов государственной власти и юри-
дических лиц; порядок аккредитации метрологиче-
ских служб по различным направлениям метрологиче-
ской деятельности; порядок аккредитации повероч-
ных, калибровочных, измерительных, испытательных
и аналитических лабораторий, лабораторий неразру-
шающего и радиационного контроля; термины и оп-
ределения по видам измерений. НД на ГПС устанав-
ливают состав и метрологические характеристики ГЭТ
или УВТ, а также методы и средства (вторичные и ра-
бочие эталоны) передачи размера единиц величин — с
указанием их кратких метрологических характеристик
— рабочим средствам измерений. НД на ГПС опреде-
ляют оптимальный порядок передачи размера единиц.
В НД на МП включают описания методов и средств
поверки, условий и алгоритмов ее проведения, обра-
ботки результатов измерений, способов оформления
результатов поверки. Массив таких НД наиболее объ-
емен (более 80 % от общего количества НД по ОЕИ).
НД на МВИ предназначены для определения с гаран-
тированной точностью значений величин: параметров
и характеристик продукции, материалов, технологи-
ческих процессов и т.д. НД на МВИ устанавливают ме-
тоды, средства и условия проведения измерений, а так-
же обработку их результатов. Информация о вновь ут-
вержденных (принятых), отмененных и замененных
НД по ОЕИ, а также о внесении изменений в них пуб-
ликуется в ежемесячном информационном указателе
„Государственные стандарты" и ежегодном указателе
„Нормативные документы в области метрологии".
Со времени перехода страны на новые условия хо-
зяйствования нормативная база ГСИ совершенству-
ется на основе следующих основных принципов. Пер-
вый — НД по ОЕИ, независимо от их правового стату-
са, должны быть такими, чтобы их несоблюдение было
невыгодным ни отдельным лицам, ни предприятиям,
ни государству в целом. Второй — отказ от админист-
ративных рычагов управления и введение в метроло-
гическую практику норм и требований, учитывавших
переход народного хозяйства России на рыночную эко-
номику. И третий — максимальное сближение принци-
пов проведения деятельности по ОЕИ в России с ана-
логичными принципами передовых зарубежных госу-
дарств. Основой для создания и реализации этих
принципов совершенствования нормативной базы по
ОЕИ послужили труды работников и ученых Госстан-
дарта России и ВНИИМС А.И. Асташенкова, В.И. Бе-
лоцерковского, В.М. Лахова, ГП. Сафарова, М.Г. Ша-
ронова. Закон РФ „Об обеспечении единства измере-
ний" обязывает осуществлять метрологический
контроль и надзор (в т.ч. государственный) за соблю-
дением метрологических правил и норм и НД по ОЕИ.
За нарушение положений этого Закона (в т.ч. в части,
касающейся НД по ОЕИ) предусмотрена в соответст-
вии с действующим законодательством уголовная, ад-
министративная либо гражданско-правовая ответст-
венность.
Литература:
1. Закон РФ „Об обеспечении единства измерений". —
1993.
2. ГОСТ Р 1.0-92 Государственная система стандартиза-
ции Российской Федерации. Основные положения.
3. ГОСТ Р 1.10-95 Государственная система стандартиза-
ции Российской Федерации. Порядок разработки, приня-
тия, регистрации, правил и рекомендаций по стандартиза-
ции, метрологии, сертификации, аккредитации и информа-
ции о них.
Г.И. Сафаров
746
Метрологическая экспертиза технической
документации
Метрологическая экспертиза технической доку-
ментации — это анализ и оценивание технических ре-
шений по выбору измеряемых величин, установлению
требований к точности измерений, выбору методов
и средств измерений, их метрологическому обслужи-
ванию. При метрологической экспертизе (МЭ) выяв-
ляются ошибочные или недостаточно обоснованные
решения, вырабатываются рекомендуемые наиболее
рациональные решения по конкретным вопросам мет-
рологического обеспечения. В современных услови-
ях МЭ решает технико-экономические задачи. В прак-
тике деятельности метрологических служб МЭ техни-
ческой документации начала осуществляться в начале
70-х гг. в связи с возрастанием роли метрологическо-
го обеспечения в повышении качества продукции и
эффективности производства. МЭ — часть комплекса
работ по метрологическому обеспечению и может
быть частью технической экспертизы нормативной,
конструкторской, технологической и проектной до-
кументации. Общая цель МЭ — обеспечение эффек-
тивности метрологического обеспечения, выполне-
ние общих и конкретных требований к метрологи-
ческому обеспечению наиболее рациональными
методами и средствами. Конкретные цели МЭ опре-
деляются назначением и содержанием технической
документации. МЭ может включать метрологический
контроль технической документации. Метрологиче-
ский контроль — это проверка технической докумен-
тации на соответствие конкретным метрологическим
требованиям, регламентированным в стандартах и
других НД. Замечания и предложения экспертов при
метрологическом контроле в части соответствия кон-
кретным НД имеют обязательный характер. При ор-
ганизации МЭ технической документации подготови-
тельные мероприятия заключаются в определении
подразделения, силами специалистов которого долж-
на проводиться МЭ; разработке нормативного или ме-
тодического документа, устанавливающего конкрет-
ный порядок проведения МЭ на предприятии; на-
значении экспертов; подготовке и повышении
квалификации экспертов; формировании комплекса
необходимых нормативных и методических докумен-
тов, справочных материалов. На практике имеют ме-
сто следующие формы организации МЭ: силами
экспертов-метрологов в метрологической службе
предприятия (эта форма организации МЭ предпоч-
тительна при сравнительно небольших объемах раз-
рабатываемой технической документации); силами
специально подготовленных экспертов из числа раз-
работчиков документации в конструкторских, техно-
логических, проектных и других подразделениях
предприятия (эта форма предпочтительна при боль-
ших объемах разрабатываемой технической докумен-
тации); силами специально создаваемой комиссии ли-
бо группы специалистов при приемке технических
(эскизных, рабочих) проектов сложных изделий или
технологических объектов, систем управления, на
других этапах разработки технической документации
большого объема; силами группы или отдельных спе-
циалистов, привлекаемых к проведению метрологи-
ческой экспертизы по договору. Необходимо иметь в
виду также следующее: организация МЭ проектов го-
сударственных стандартов возлагается на межгосудар-
ственные технические комитеты или технические ко-
митеты и их подкомитеты; проекты НД, в которых
излагаются МВИ, предназначенные для применения
в сферах распространения ГМКН, подвергают МЭ в
ГНМЦ. Данная экспертиза не проводится, если
ГНМЦ ранее аттестовал стандартизуемую МВИ. Ка-
чество результатов МЭ во многом определяется ква-
лификацией экспертов. Прежде всего, эксперту необ-
ходимо четко представлять свои функции. Эксперт не
должен заменять конструктора, технолога, проектан-
та при разработке технической документации, ответ-
ственность за качество которой несет исключитель-
но разработчик. Эксперт несет ответственность за
правильность и объективность заключений по резуль-
татам МЭ. Эксперт должен хорошо представлять объ-
ект и задачи МЭ, обладать навыками их решения,
уметь выделить приоритетные вопросы при рассмот-
рении конкретной документации. Эксперты-метроло-
ги должны хорошо представлять содержание раз-
личных видов конструкторских и технологических
документов на конкретную продукцию, состав и содер-
жание проектной документации, особенно в части ме-
тодик контроля и испытаний продукции и ее со-
ставных частей. Эксперты из числа разработчиков
документации должны хорошо знать основные мет-
рологические правила, ориентироваться в метроло-
гических документах, относящихся к разрабатывае-
мым объектам. Метрологическая служба предприятия
должна заботиться о систематическом повышении
квалификации экспертов. Использование вычисли-
тельной техники значительно повышает эффектив-
ность МЭ. Для МЭ могут найти применение следую-
щие программные средства для персональных ЭВМ:
автоматизированные базы данных о технических ха-
рактеристиках СИ, прошедших испытания с целью ут-
верждения типа и допущенных к обращению; о пове-
рочных и ремонтных работах, проводимых метроло-
гическими службами; о нормативной и справочной
документации в области метрологии; о рабочих эта-
141
лонах, и поверочных устройствах; электронные ката-
логи выпускаемых приборов; автоматизированные
системы расчета погрешности измерений, включаю-
щие базы данных о всех метрологических характери-
стиках широко применяемых типов СИ. В таких сис-
темах помимо результатов расчета суммарной по-
грешности измерений могут выдаваться значения
составляющих погрешности, что дает возможность
принять рациональные решения при выборе СИ и ус-
ловий их эксплуатации и сделать объективные оцен-
ки по этим вопросам. Одной из задач МЭ является оце-
нивание рациональности номенклатуры измеряемых
параметров. Обычно эксперт руководствуется следую-
щими общими положениями: для деталей, узлов и со-
ставных частей изделий их контроль должен обес-
печить размерную и функциональную взаимоза-
меняемость; для готовой продукции необходимо
обеспечить контроль основных характеристик, опре-
деляющих качество продукции (в непрерывных про-
изводствах также количество продукции); для техно-
логического оборудования, систем контроля и управ-
ления технологическими процессами необходимо
осуществлять измерения параметров, определяющих
безопасность, оптимальность режима по производи-
тельности и экономичности, экологическую защиту
от вредных выбросов.
Многие технические характеристики деталей, уз-
лов, составных частей изделий определяются преды-
дущими этапами технологических процессов, обору-
дованием, инструментом. Надо принимать во внима-
ние взаимосвязь параметров в технологическом
процессе. При анализе номенклатуры измеряемых па-
раметров необходимо обращать внимание на чет-
кость указаний об измеряемой величине. Неопре-
деленность трактовки подлежащей измерениям ве-
личины может привести к большим неучтенным
погрешностям измерений. Другая типичная задача
МЭ — оценивание оптимальности требований к точ-
ности измерений и точности СИ. Погрешность изме-
рений, как правило, является источником неблаго-
приятных последствий (экономические потери, по-
вышение вероятности травматизма, загрязнений
окружающей среды и т.п.). Повышение точности из-
мерений снижает размеры таких неблагоприятных
последствий. Однако уменьшение погрешности изме-
рений связано с существенными дополнительными за-
тратами на измерения и на метрологическое обслу-
живание средств измерений. Поэтому чрезмерный за-
пас по точности СИ экономически не оправдан.
Одной из важных задач МЭ является оценивание со-
ответствия фактической точности измерений требуе-
мой. При этом анализе необходимо иметь в виду че-
тыре группы факторов, влияющих на погрешность из-
мерений: метрологические свойства СИ; условия
измерений (внешние влияющие величины); процеду-
ры подготовки и выполнения измерительных опера-
ций; свойства объекта измерений (адекватность из-
меряемой величины определяемой характеристике
объекта, обмен энергией между объектом и СИ и т.п.).
К задачам МЭ относится оценивание контроле при-
годности конструкции (измерительных систем). Под
контролепригодностью конструкции изделия (систе-
мы) понимают обеспечение конструкцией возможно-
сти контроля необходимых параметров в процессе из-
готовления, испытаний, эксплуатации и ремонта
изделий. При МЭ основное внимание уделяется прак-
тическим возможностям измерительного контроля
необходимых параметров, определяющих работоспо-
собность изделия в указанных условиях. Обращается
внимание на точность таких измерений, особенно в
условиях эксплуатации и ремонта. При МЭ докумен-
тации на измерительные системы оценивается эффек-
тивность устройств и подсистем самоконтроля, в т.ч.
подсистем контроля достоверности измерительной
информации, поступающей отдатчиков. Оценивание
возможности эффективного метрологического обслу-
живания выбранных СИ — также типичная задача МЭ.
При решении этой задачи руководствуются НД на
МП. Рациональность выбранных средств и МВИ вхо-
дит в комплекс задач МЭ. Оценивание рационально-
сти выбранных средств измерений во многом облег-
чается, если имеются соответствующие документы по
выбору СИ для конкретных ситуаций. Однако во мно-
гих случаях такие документы отсутствуют. Поэтому
эксперт анализирует рациональность выбранных СИ
не только в части точности измерений, но и по сле-
дующим характеристикам: возможность использо-
вания СИ в заданных условиях; трудоемкость и себе-
стоимость измерительных операций; соответствие
производительности (инерционности) СИ произво-
дительности технологического оборудования, по-
требностям систем управления в темпе поступления
измерительной информации; удовлетворение требо-
ваниям техники безопасности; трудоемкость и себе-
стоимость метрологического обслуживания. Вычис-
лительная техника находит все большее применение
в измерительных операциях. Часто средства вычис-
лительной техники встраиваются в измерительные
системы; измерительные каналы АСУТП обычно в
своем составе содержат те или иные компоненты
ЭВМ. Часто алгоритм вычислений не в полной мере
соответствует функции, связывающей измеряемую ве-
личину с значениями величины на входе средств из-
мерений. Обычно это несоответствие вызвано воз-
можностями вычислительной техники и вынужден-
ными упрощениями алгоритма вычислений. В таких
случаях одним из основных объектов анализа при МЭ
должен быть алгоритм обработки и вычислений ре-
зультатов измерений. Правильное использование тер-
минологии — залог предотвращения типичных
ошибок и неоднозначности в содержании техниче-
ской документации. Применяемые в технической до-
кументации метрологические термины должны соот-
ветствовать НД по ОЕИ в части метрологической тер-
минологии. Наименования измеряемых величин
могут быть самыми различными. Однако в докумен-
тации должны быть те или иные сведения, позволяю-
щие судить о величине, подвергаемой измерениям с
помощью СИ, „привязанных" к определенной пове-
рочной схеме. Это необходимо для объективной оцен-
ки выбранных методов и средств измерений, возмож-
ности их метрологического обслуживания.
Н.П. Миф
748
Государственный центр испытаний средств
измерений
Испытания средств измерений для целей утвер-
ждения их типа проводятся ГНМЦ Госстандарта Рос-
сии, аккредитованными им в качестве государствен-
ных центров испытаний средств измерений (ГЦИ
СИ). Решением Госстандарта России в качестве ГЦИ
СИ могут быть аккредитованы и другие специализи-
рованные организации. Аккредитация ГЦИ СИ явля-
ется официальным признанием их компетентности в
проведении работ, связанных с испытаниями типа
средств измерений и его утверждением в соответст-
вии с законодательством Российской Федерации в об-
ласти ОЕИ. При аккредитации ГЦИ СИ выдается ат-
тестат аккредитации с приложением к нему, устанав-
ливающим область аккредитации. Срок действия
аттестата аккредитации не должен превышать трех
лет. Если в одной и той же области аккредитовано не-
сколько ГЦИ СИ, то координацию их деятельности
осуществляет ГНМЦ, за которым закреплен данный
вид измерений.
Научно-методическое руководство работами по ат-
тестации и аккредитации ГЦИ СИ, а также регистра-
цию аккредитованных ГЦИ СИ осуществляет ВНИ-
ИМС. ГЦИ СИ, подлежащие аккредитации, должен
иметь организационную структуру, персонал, испыта-
тельное оборудование, средства измерений и помеще-
ния, обеспечивающих проведение испытаний средств
измерений для целей утверждения типа. ВНИИМС
проводит экспертизу материалов по результатам аккре-
дитации, готовит проект протокола заседания Науч-
но-технической комиссии по метрологии и изме-
рительной технике (НТК) Госстандарта России и на-
правляет эти материалы в Управление метрологии
Госстандарта России (Управление). При положитель-
ном решении НТК Госстандарта России Управление
представляет аттестат аккредитации на утверждение
заместителю Председателя Госстандарта России по
метрологии. После утверждения аттестата ВНИИМС
проводит регистрацию ГЦИ СИ в Государственном
реестре средств измерений, формирует дело ГЦИ СИ
и направляет аттестат заявителю.
Литература:
1. Закон Российской Федерации „Об обеспечении един-
ства измерений". —1993.
В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин
749
Всероссийский научно-исследовательский
институт метрологии им. Д.И. Менделеева
Метрология — наука об измерениях, методах и сред-
ствах обеспечения их единства и способах достижения
точности в соответствии с потребностями развиваю-
щегося общества, может быть, как никакая другая из
наук тесно связана с повседневной научной и произ-
водственной деятельностью человека. Она имеет ис-
ключительно большое значение для развития эконо-
мики государств, их научных, культурных и торговых
связей. И если основателем научной метрологии ми-
ровое сообщество по праву считает Дмитрия Ивано-
вича Менделеева, то Всероссийский научно-исследо-
вательский институт метрологии (ВНИИМ), носящий
с 1945 г. его имя, можно назвать колыбелью отечест-
венной метрологии.
Датой основания первого в России метрологиче-
ского учреждения является 16 июня 1842 г., когда в
Санкт-Петербурге было создано Депо образцовых мер
и весов. Однако подлинно научным это учреждение
стало только после того, как его возглавил Д.И. Мен-
делеев. Он преобразовал Депо в Главную палату мер и
весов, заложил научные и организационные основы
для обеспечения единства измерений в стране, воспи-
тал плеяду блестящих метрологов и создал российскую
метрологическую школу.
Сегодня, благодаря усилиям ученых и специалистов
института, продолжающих традиции Главной палаты,
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева — один из крупнейших
мировых центров научной и практической метроло-
гии. Имея статус Государственного научного центра
Российской Федерации и находясь в ведении Госстан-
дарта России, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, являет-
ся:
— главным центром государственных эталонов РФ;
— головной организацией в стране по фундамен-
тальным исследованиям в области метрологии и раз-
витию эталонной базы РФ;
— государственным центром испытаний средств из-
мерений;
— испытательным центром приборостроительной
и газовой продукции;
— органом по аккредитации измерительных, ана-
литических лабораторий и лабораторий радиационно-
го контроля;
— аккредитующим органом в Российской системе
калибровки;
— базовой организацией Метрологической акаде-
мии.
В 1999 г. система качества ВНИИМ им. Д.И. Мен-
делеева была сертифицирована на соответствие тре-
бованиям ГОСТ Р ИСО 9001-96.
В соответствии с законом РФ „Об обеспечении
единства измерений" ВНИИМ выполняет функции,
возложенные на него государством, а также оказыва-
ет на коммерческой основе метрологические услуги
отечественным и зарубежным предприятиям, органи-
зациям, учреждениям и гражданам по следующим ви-
дам своей деятельности:
— обеспечение единства измерений в России путем
применения и хранения государственных эталонов
единиц физических величин;
— проведение фундаментальных и поисковых ис-
следований, исследований по созданию и совершенст-
вованию государственных эталонов;
— проведение высокоточных измерений на государ-
ственных эталонах;
— разработка высокоточных методов и средств из-
мерений, в том числе эталонов;
— разработка и аттестация методик выполнения из-
мерений;
— разработка и изготовление стандартных образ-
цов свойств и состава материалов, в том числе нефти
и нефтепродуктов;
— калибровка, поверка и сертификация средств из-
мерений, в том числе средств измерений зарубежного
производства, предназначенных для ввоза в Россию;
— проведение сертификации продукции в соответ-
ствии с ГОСТ Р;
— аккредитация лабораторий на право проведения
калибровки и поверки в системах аналитических ла-
бораторий и лабораторий радиационного контроля;
— проведение метрологической экспертизы проек-
тов, технической и нормативной документации и их
разработка;
— разработка нормативной документации по мет-
рологии;
— осуществление международного научно-техниче-
ского сотрудничества в области метрологии, в том чис-
ле представительство РФ в международных организа-
циях;
— участие в формировании и реализации важней-
ших федеральных и отраслевых научно-технических
программ, таких, например, как „Программа развития
ТЭК“, „Мировой океан" и т.д.;
— оказание консультаций по вопросам метрологи-
ческого обеспечения для различных отраслей науки и
техники;
— подготовка научных кадров — метрологов высшей
квалификации, стажировка специалистов и пропаган-
да отечественных достижений в области метрологии.
Н.И. Ханов
750
Всероссийский научно-исследовательский
институт метрологической службы (ВНИИМС)
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут метрологической службы (ВНИИМС) является од-
ним из старейших метрологических институтов Рос-
сии. Датой его основания считается 1 октября 1900 г.
В этот день в Москве по инициативе Д.И. Менделее-
ва было открыто одно из первых поверочных учреж-
дений в России — Московская поверочная палатка тор-
говых мер и весов, на основе которой в дальнейшем
получил свое развитие ВНИИМС. За годы своего су-
ществования институт имел целый ряд наименова-
ний, в том числе: Московский институт метрологии
и стандартизации — МОИМС (1932-1934 гг.), Россий-
ский институт метрологии —РОНИМ (1934-1937 гг.),
Московский государственный институт мер и измери-
тельных приборов — МГИМИП (1937-1956 гг.),
ВНИИ Комитета и Госкомитета стандартов — ВНИИК
и ВНИИГК (1956-1972 гг.). С развитием и становлени-
ем института тесно связано образование ряда других
метрологических учреждений страны: ВНИИФТРИ,
Ростест-Москва, НИЦ ПВ, ВНИЦ СМВ. Свое совре-
менное наименование, а также задачи и функции, оп-
ределяющие роль и место института среди других мет-
рологических институтов страны, ВНИИМС получил
в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Сове-
та Министров СССР от 9 декабря 1972 г. В 1994 г.
ВНИИМС присвоен статус ГНМЦ. В стенах ВНИИМС
выросли, работали и продолжают трудиться многие
известные ученые и специалисты-метрологи, создав-
шие метрологические школы в области законодатель-
ной и прикладной метрологии и различных областях
измерений, в том числе измерений давления и рас-
хода, массы, вибрации, высоких и сверхвысоких
электрических напряжений, физико-химических из-
мерений, метрологии свойств поверхности, метроло-
гии измерительных систем и многих других. В их
числе: П.Н. Агалецкий, А.И. Асташенков, В.Я. Бараш,
А.С. Боровик-Романов, С.Б. Булатов, Е.В. Васильев,
Б.П. Горшков, В.Н. Граменицкий, В.А. Егоров,
М.К. Жоховский, Л.М. Закс, М.А. Земельман, Н.М. Ка-
релин, С.М. Кессельман, В.И. Кипаренко, В.П. Кузне-
цов, В.И. Лошак, В.С. Лукьянов, С.Ф. Маликов,
А.Е. Манохин, А.П. Павловский, Н.А. Пеликс, Г.П. Са-
фаров, Н.И. Тюрин, Ш.Р. Фаткудинова, К.И. Хансува-
ров, В.Г. Цейтлин, А.С. Чинарев, В.Я. Эйдинов.
ВНИИМС является единственным метрологическим
институтом в России, который специализируется в ре-
шении общих задач метрологического контроля и над-
зора и повышения эффективности метрологической
службы в целом. Это объясняется тем, что еще в 1965 г.
институт был назначен головной организацией по го-
сударственному надзору за средствами измерений, а
с 1973 г. институт становится Главным центром Госу-
дарственной метрологической службы и проводит
значительный объем работ по исследованиям в облас-
ти организационных, правовых и экономических про-
блем деятельности ГМС, созданию научного и мето-
дического обеспечения работ по метрологическому
контролю и надзору, принимает непосредственное
участие в разработке и внедрении законодательных
и других нормативных актов и документов по ОЕИ в
стране, оказывает методическую помощь в организа-
ции и становлении метрологических служб мини-
стерств и ведомств, предприятий и организаций. В
значительной мере по этой причине ВНИИМС, его
ученым и специалистам была поручена разработка За-
кона РФ „Об обеспечении единства измерений", а за-
тем совместно с Госстандартом России, другими мет-
рологическими институтами и органами ГМС — вне-
дрение положений этого Закона в метрологическую
практику. ВНИИМС осуществляет функции: Центра
Государственных эталонов; Государственного центра
испытаний средств измерений; Центра метрологии
и метрологического обеспечения информационно-из-
мерительных систем; Центра гравитации и фундамен-
тальных исследований; Научно-методического центра
Российской системы калибровки; Научно-методиче-
ского центра Системы сертификации средств измере-
ний; Центра подготовки кадров в области метрологии;
Органа по аккредитации аналитических лабораторий;
Органа по аккредитации на право поверки средств из-
мерений; Органа по аккредитации на право калибров-
ки средств измерений. Институт имеет аккредитован-
ные поверочные и калибровочные лаборатории. ВНИ-
ИМС также проводит системные исследования и
разработки по правовым, организационным, методи-
ческим и экономическим проблемам ОЕИ, включая ус-
тановление единых метрологических требований,
проблем совершенствования деятельности ГМС, в том
числе обеспечение работ по ГМКН; проводит иссле-
дования и разработки по совершенствованию методи-
ческих основ деятельности метрологических служб
предприятий и организаций, других юридических лиц;
проводит анализ состояния измерений, контроля и ис-
пытаний на производстве и в сфере услуг; участвует в
разработке и реализации федеральных и иных государ-
ственных научно-технических программ; осуществля-
ет научно-методическое руководство и проведение ис-
пытаний средств измерений с целью утверждения
типа, ведение Государственного реестра средств изме-
рений. ВНИИМС осуществляет координацию участия
российских организаций в международном научно-тех-
ническом сотрудничестве в области метрологии в рам-
ках международных и региональных организаций
(МОЗМ, ИСО, КООМЕТ), а также СНГ, имеет тесные
научные связи с ведущими научными центрами мира:
NIST (США), NPL (Великобритания), РТВ (Германия)
и др. В институте функционируют аспирантура и Уче-
ные советы по присуждению ученой степени кандида-
та наук. На базе института действуют филиалы базовых
кафедр метрологии ряда московских вузов. Исследова-
ния и разработки ВНИИМС по проблемам подготовки
и повышения квалификации специалистов в области
метрологии внедрены в государственные образователь-
ные стандарты и программы. ВНИИМС осуществляет
разработку и внедрение информационных технологий
в метрологическую деятельность. Основные базы дан-
ных института зарегистрированы. К началу 1999 г. на-
учно-исследовательская база ВНИИМС включала
10 эталонов, в том числе 2 ГЭТ, 3 рабочих эталона и
5 УВТ, ряд из которых не имеют аналогов в стране и за
рубежом. В институте работает 260 человек, в том чис-
ле 11 докторов и 53 кандидата наук. Институт издает
научно-технический журнал „Законодательная и при-
кладная метрология".
Основные этапы становления и развития
ВНИИМС:
01.10.1900 г.— открытие по инициативе Д.И. Мен-
делеева при Московском окружном Пробирном управ-
лении Поверочной палатки торговых мер и весов № 3;
1925 г. — при Московской палате (так стала она на-
зываться с 1922 г. в соответствии с Положением о ме-
стных поверочных палатах мер и весов) организована
мастерская по переделке русских мер в метрические.
Так было положено начало опытному производству ин-
ститута, которое в свое время внесло достойный вклад
в развитие эталонной базы страны;
1926 г. — Московская палата завершила проверку
состояния мер и измерительных приборов в районах,
которые она обслуживала (в то время это Московская,
Тверская и Смоленская губернии ряд железных до-
рог). Это было начало работ по анализу состояния из-
мерений, методологию которого разработал и вне-
дрил ВНИИМС в наше время;
1932 г. — организация на базе лабораторий Москов-
ской палаты мер и весов Московского института мет-
рологии и стандартизации (МОИМС);
1934 г. — реорганизация МОИМС в Российский
научно-исследовательский институт метрологии
(РОНИИМ). Учреждение Московского управления
мер и весов, которое проводило поверку простых,
подлежащих обязательной поверке мер и приборов;
1937 г. — создание на базе РОНИИМ и Московско-
го управления мер и весов Московского государствен-
ного института мер и весов (МГИМВ), ас 1939 г. — Мо-
сковского государственного института мер и измери-
тельных приборов (МГИМИП);
1955 г. — преобразование МГИМИП во Всесо-
юзный научно-исследовательский институт Комите-
та стандартов, мер и измерительных приборов
(ВНИИК), а затем с 1963 г. - во ВНИИГК;
1965 г. — возложение на ВНИИГК функций голов-
ной организации страны по государственному надзо-
ру за средствами измерений (в соответствии с поста-
новлением Совета Министров СССР „Об улучшении
работ по стандартизации"). Развитие работ по созда-
нию и внедрению ГСИ;
1973 г. — преобразование ВНИИГК во Всесоюзный
научно-исследовательский институт метрологиче-
ской службы (ВНИИМС). Назначение института Глав-
ным центром Государственной метрологической служ-
бы. Отделение от института его поверочной части и
образование Московского центра стандартизации и
метрологии;
1992 г. — изменение названия на Всероссийский на-
учно-исследовательский институт метрологической
службы (ВНИИМС);
1994 г. — присвоение статуса „Государственный на-
учный метрологический центр" — ГНМЦ „ВНИИМС";
1998 г. — аккредитация ВНИИМС в качестве науч-
ной организации.
А.И. Асташенков, Б.П. Горшков
752
Всероссийский научно-исследовательский
институт физико-технических и
радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут физико-технических и радиотехнических измере-
ний (ВНИИФТРИ) — государственный научный центр
Российской Федерации и государственный научный
метрологический центр Госстандарта России.
ВНИИФТРИ был организован 18.02.1955 г. на базе
Центрального научно-исследовательского бюро еди-
ной службы времени (ЦНИБ), Центрального научно-
исследовательского института радиоизмерений
(ЦНИИР) и получил в наследство площадку, недостро-
енные корпуса и небольшой поселок (ныне п. Менде-
леево) строящегося Центрального научно-исследова-
тельского инсти тута физико-технических измерений
(ЦНИФТИ).
За прошедшие годы на этой основе был создан со-
временный метрологический институт, имеющий в
своем составе специальное конструкторское бюро, ма-
кетные мастерские и опытно-экспериментальное пред-
приятие. Он способен выполнять фундаментальные и
теоретические поисковые исследования, в т.ч. и в не-
традиционных областях измерений, создавать слож-
нейшую эталонную аппара гуру и разрабатывать нор-
мативную документацию, т.е. решать задачи, относя-
щиеся к сферам теоретической, законодательной и
прикладной метрологии.
Во ВНИИФТРИ работают Ученый Совет, специа-
лизированные Советы по рассмотрению диссертаций
на соискание ученых степеней доктора и кандидата
технических наук, аспирантура.
ВНИИФТРИ один из крупнейших центров Государ-
ственных эталонов. В нем хранятся и эксплуатируют-
ся 26 государственных эталонов, 16 установок высшей
точности и более ста вторичных и рабочих эталонов
разных разрядов и поверочных установок. В их числе
два (из шести) первичных государственных эталона,
воспроизводящих основные единицы СИ — эталон вре-
мени и частоты (секунды, герца и шкал текущего вре-
мени) и эталон единицы термодинамической темпе-
ратуры — кельвина — в диапазоне от 0,8 до 273,16 К.
ВНИИФТРИ аккредитован Госстандартом как го-
сударственный центр испытаний средств измерений
(по своей специализации).
-- 1 - 753 ..- - -
Всероссийский научно-исследовательский
институт оптико-физических измерений
(ВНИИОФИ)
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) — ве-
дущее научно-производственное предприятие страны
в создании общегосударственной системы обеспече-
ния единства измерений в фотометрии, радиометрии
оптического излучения, импульсной электромагнито-
метрии.
ВНИИОФИ является Государственным научным
метрологическим центром в областях:
— фотометрии;
— радиометрии, в том числе лазерной;
— спектрорадиометрии и спектрофотометрии;
— колориметрии;
— радиационной пирометрии;
— сенситометрии и денситометрии;
— рефрактометрии и поляриметрии;
— измерений параметров волоконно-оптических
линий связи;
— измерений параметров оптических быстропро-
текающих процессов;
— измерений параметров импульсных электриче-
ского и магнитного полей.
Во ВНИИОФИ функционирует Российский коми-
тет по Высокоскоростной фотографии и фотонике, в
состав которого входят ведущие специалисты Рос-
сийской академии наук, высшей школы и промыш-
ленности.
Всероссийский научно-исследовательский инсти-
тут оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) Гос-
стандарта России образован Распоряжением Совета
Министров СССР от 28.12.1965 г. на базе предприятия
Министерства среднего машиностроения СССР.
Приказом по Госстандарту России от 11.06.1996 г.
Государственному предприятию „ВНИИОФИ" присво-
ен статус Государственного научного метрологическо-
го центра.
ГУП „ВНИИОФИ" аккредитован в 1998 г. Мини-
стерством науки и технологий Российской Федерации
в качестве научной организации.
Госстандартом России на ГУП „ВНИИОФИ" возло-
жены функции:
— головной организации в области оптико-физиче-
ских измерений и метрологии быстропротекающих
процессов;
— головной организации по обеспечению единст-
ва измерений в здравоохранении и производстве ме-
дицинской техники;
— головной организации по метрологическому
обеспечению в области неразрушающего контроля.
ГУН „ВНИИОФИ" аккредитован на техническую
компетентность в области поверки средств измерений
и зарегистрирован в качестве аккредитующего органа
в Российской системе калибровки средств измерений.
ГУН „ВНИИОФИ" аккредитован в качестве:
— Государственного центра испытаний средств из-
мерений (ГЦИ СИ ВНИИОФИ);
— Государственного испытательного центра свето-
технической, оптической продукции и изделий меди-
цинской техники (ГИЦ „Оптосерт"). Центр аккреди-
тован также по испытаниям комплексов приборов на
электромагнитную совместимость;
— Испытательного центра сырья, материалов и ве-
ществ (ИЦ „Микроанализ");
— Органа по сертификации средств измерений.
В. С. Иванов
754
СНИИМ (Сибирский Государственный ордена
Трудового Красного Знамени научно-
исследовательский институт метрологии)
В России — главный центр государственных эта-
лонов в областях измерений:
— параметров электрорадиотехнических цепей на
высоких и сверхвысоких частотах;
— электромагнитных характеристик материалов
на высоких и сверхвысоких частотах;
— больших масс;
— тепловых потоков;
— слабых магнитных полей;
— малых длин;
— параметров спектров лазеров.
За Уралом — вторая эталонная база России, кото-
рая представлена 52 эталонами, в том числе:
— государственными эталонами электрической ем-
кости, добротности, волнового сопротивления, маг-
нитной и диэлектрической проницаемости;
— эталонами-копиями единицы массы, электриче-
ской емкости, магнитного потока и мощности лазер-
ного излучения;
— вторичными эталонами единиц длины и угла,
массы и силы, температуры и теплофизических вели-
чин, магнитной индукции, времени и частоты, дли-
ны для спектроскопии.
Осуществляет
— разработку и поставку эталонных средств изме-
рений национальным метрологическим центрам СНГ,
региональным центрам стандартизации, метрологии
и сертификации и отраслевым метрологическим
службам;
— работы в рамках Государственной службы стан-
дартных справочных данных (ГСССД) и Государствен-
ных стандартных образцов свойств веществ и мате-
риалов (ГСО);
— разработку методик измерений.
Как государственный центр испытаний средств из-
мерений
— проводит испытания различных средств изме-
рений, в том числе зарубежных, для целей утвержде-
ния их типа, получения сертификата с правом серий-
ного выпуска или продажи на территории России;
— проводит метрологическую экспертизу и атте-
стацию методик измерений по ГОСТ Р8.563-96;
— имеет лицензию на проведение специальных ра-
бот, а также право поверки 257 типов средств изме-
рений.
Научная работа
— фундаментальные научные исследования и на их
основе создание Государственных эталонов единиц
физических величин в закрепленных областях изме-
рений;
— НИР и ОКР для различных отраслей промыш-
ленности;
— участие в системе технических средств государ-
ственной службы времени и частоты
Международные связи
— международное сотрудничество с рядом зарубеж-
ных метрологических центров;
— выполнение международных контрактов по раз-
работке метрологического оборудования и вторич-
ных эталонов (Германия, Швеция, Южная Корея);
— участие в работе международных метрологиче-
ских организаций (МОЗМ, ИМЕКО, КООМЕТ и т.д.)
Научный потенциал
— развитая инфраструктура, позволяющая прово-
дить полный цикл НИР и ОКР;
— научные отделы, специальное конструкторское
бюро, опытно-экспериментальное производство, уни-
кальная загородная магнитная лаборатория;
— аспирантура для подготовки научных кадров
755
Центр испытаний и сертификации
Санкт-Петербург (Тест-С.-Петербург)
Центр испытаний и сертификации — Санкт-Петер-
бург (Тест-С.-Петербург) является территориальным
органом Госстандарта России в Санкт-Петербурге и
Ленинградской области.
В конце XIX в. по инициативе великого русского
ученого Д.И. Менделеева—управляющего Главной па-
латой мер и весов России начала формироваться сеть
региональных учреждений, обеспечивающих единст-
во и однообразие мер, применяемых на всей терри-
тории Российской Империи.
Законодательной основой для создания подобных
региональных учреждений явилось „Положение о ме-
рах и весах", высочайше утвержденное Николаем II4
июня 1899 г., которым устанавливалось: „Для вывер-
ки и клеймения применяемых в торговле и промыш-
ленности мер и весов учреждаются в различных ме-
стностях Империи состоящие из поверителей пове-
рочные палатки".
Во исполнение этого Положения и в соответствии
с распоряжением Министра финансов 23 (10) сентяб-
ря 1900 г. была открыта Санкт-Петербургская пове-
рочная палатка.
Первым заведующим Палаткой был Д.Б. Шостако-
вич — отец великого русского композитора Д.Д. Шос-
таковича.
Палатка проводила постоянный надзор и поверку
мер, весов и инструментов, а также других средств из-
мерений путем ревизий в казенных учреждениях, на
почтамтах, железнодорожных станциях, фабриках и
заводах, в торговых и промышленных заведениях, на
рынках и в таможнях. В сферу ее деятельности кроме
Санкт-Петербургской губернии с 1904 г. входила Эст-
ляндская губерния.
В ноябре 1904 г. по предложению Д.И. Менделее-
ва создается передвижная палатка, размещенная в осо-
бом железнодорожном вагоне (вагон-палатка) для
проведения поверок в отделанных местах Санкт-Пе-
тербургской губернии. Вагон-палатка стала прообра-
зом передвижных метрологических лабораторий.
В 1914 г. Санкт-Петербургская поверочная палат-
ка переименовывается в Петроградскую поверочную
палатку. Несмотря на суровые условия, вызванные
первой мировой и гражданской войнами, Палатка, од-
но из немногих учреждений, не приостановила свою
деятельность, продолжая производить как плановые
ревизии, так и поверки и клеймение мер и измери-
тельных приборов по запросам войсковых и промыш-
ленных учреждений, а также торговых точек.
С началом восстановления народнохозяйственной
жизни страны встал вопрос об упорядочении мер и
весов на основе метрической системы в соответствии
с Декретом Совета Народных Комиссаров от 14 сен-
тября 1918 г. „О введении международной метриче-
ской системы мер и весов". В этот период осуществ-
ляются преобразования и переименования Петро-
градской поверочной палатки: в 1922 г. преобразуется
в Петроградскую палату мер и весов, в 1924 г. пере-
именовывается в Ленинградскую, а в 1925 г. в Северо-
Западную палату мер и весов. Сотрудники Палатки, а
затем Палаты активно участвовали в работе метриче-
ских комиссий — уездных и областной.
Активная деятельность сотрудников Палаты зна-
чительно способствовала досрочному завершению
метрической реформы в Ленинграде и области (к
1 июля 1925 г., в то время как по стране — к 1927 г.).
В течение 1930-х гг. функции Палаты расширяют-
ся. В ее веденье вошли обеспечение единства измере-
ний и государственный надзор за применением стан-
дартов. Должности поверителей были упразднены и
вместо них введены должности инспекторов, кото-
рым вменялось в обязанность производить поверки
мер, измерительных приборов и одновременно осу-
ществлять контроль за соблюдением стандартов.
В 1931 г. Северо-Западная палата мер и весов реорга-
низована в Ленинградское областное бюро по стандар-
тизации, в 1934 г. — в Ленинградское управление мер и
весов; в 1936 г. — в отдел мер и весов Управления НКВД
по Ленинграду и Ленинградской области, а в 1938 г. —
в Ленинградское Управление мер и измерительных
приборов, в составе которого в 1944 г. организовано
три отделения: в Волхове, Выборге и Тихвине.
В годы Великой Отечественной войны Ленинград-
ское Управление мер и измерительных приборов
обеспечивало нужды фронта и блокадного Ленингра-
да. Война поставила новые задачи перед стандарти-
зацией и метрологией. Утвержденные в эти годы стан-
дарты были направлены на сокращение числа типов,
видов, марок и размеров различных изделий, машин,
приборов и инструментов, обеспечение взаимозаме-
няемости узлов и деталей. Они устанавливали уско-
ренные методы испытаний и более простые методы
контроля качества изготавливаемой продукции без
ущерба ее боевых качеств. Именно за этим следили
немногочисленные сотрудники Управления. Профес-
сиональная деятельность Управления не прекраща-
лась ни на один день. Калибровочная лаборатория,
возглавляемая С.И. Изотовым, занималась поверкой
мер и измерительных приборов на ленинградских
предприятиях, проводила контрольно-ревизионные
проверки. За образцовое выполнение заданий ко-
мандования Ленинградского фронта С.И. Изотов был
награжден орденом трудового Красного Знамени.
756
Уровень точности измерений
Диапазон Разряд, погрешность
Измерения длины: • концевые меры длины • штриховые меры длины Измерения наружных линейных размеров Измерения внутренних линейных размеров Измерения углов Измерения прямолинейности и плоскости 0,1-100 мм 100-1000 мм 0,001-200 мм до 1000 мм 0-4000 м 0-200 мм 0-360° L до 3 м Н до 200 мкм 0 разряд 1 разряд 1 разряд 2 разряд ПГ 0,002-300 мкм ПГ (0.5+5L) мкм 1 разряд ПГ 1-10 мкм Измерения геометриче- ских величин
Диапазон Разряд, погрешность
Измерения массы Измерения силы Измерения твердости: • по шкале Бриннеля • по шкале Виккерса • по шкале Роквелла • по шкале Супер-Роквелла Измерения параметров движения: • тахометры • таксометры • спидометры • измерители скорости движения (дистанционные) Ю*-1 кг 1 Н-1 МН 8-450 НВ 8-2000 HV 25-100 HRV 70-93 HRA 80-100 HRC 40-94 HRN 10-93 HRT 10-60-Ю3 об/мин 0,01-999,99 км 20-220 км/ч 20-220 км/ч 0 разряд 2 разряд 1 разряд 1 разряд 1 разряд 1 разряд ПГ 0,05 % ПГ 0,02 км ПГ 0,5 км/ч ПГ ±0,5 км/ч Измерения механиче- ских величин
Диапазон Разряд
Измерения избыточного давления Микроманометрия Измерения абсолютного давления 0,04-60 МПа 100-4000 Па г.гк^-гэоо-^па 0 разряд 0 разряд 1 разряд Измерения давления
Диапазон Разряд, погрешность
Измерения расхода жидкости Измерения расхода нефти Измерения расхода газа Измерения расхода жидкости 0-560 м’/ч 1,1-10М,6Ю2м3/с 4,4-10'6-5 м3/с 210*-1 м3 ПГ ±0,05 % ПГ 0,1-0,5 % ПГ 0,5-1,5 % 1 разряд Измерения расхода и объема
Диапазон Разряд, погрешность
Измерение вязкости Измерения плотности Газоанализаторы Хроматография рН-метрия Кондуктометрия Измерения влажности газов Ю’-Ю1 м2/с 650-2000 кг/м’ 0-100 % об. 0-100 % 1-14 ед.рН 104-102Cm/m 5-100 % -60-60 "С ПГ 0,2 % 0 разряд ПГ 0,002-4 % ПГ±3% 2 разряд 1 разряд 2 разряд Измерения физико- химических величии
Диапазон Разряд, погрешность
Измерения температуры 77-303 К 0-1085 °C 800-2000 °C (яркостная) 900-2800 °C (цветовая) 0 разряд 0 разряд 1 разряд Температур- ные и теплофизи- ческие измерения
- 757
Диапазон Разряд, погрешность
Спектрофотометрия Измерения световых величин Колориметрия Рефрактометрия Поляриметрия Измерения средней мощности лазерного излучения Измерения средней мощности в ВОСП 200-250 нм 0-100 % 1-1000 кд 0,1-1000 лк 10-3500 лм X 2,5-109,8 Y 1,4-100,0 Z 1,7-118,2 1,33-1,45 -4Г-+41’ 0,25-0,9; 1,06; 10,6 мкм 0,5-1000 Вт 0,7-1,6 мкм 109-2-10’Вт 0 разряд ПГ1,8% ПГ 3,2 % ПГ1,5% 0 разряд ПГ 5-10^-1-10’ ПГ 102-2-10 1 разряд ПГ1,6% Измерения оптико- физических величин
Диапазон Разряд, погрешность
Измерения параметров вибрации Измерения звукового движения в воздушной среде ЗЮ7-1-1О’м 210’-110'2м/с 1-1,5-10’м/с2 20 Гц-100 кГц 0 разряд ПГ 0,2-0,5 дБ Виброакусти- ческие измерения
Диапазон Разряд
Измерения ЭДС и напряжения Измерения силы постоянного тока Измерения напряжения переменного тока Измерения силы переменного тока Измерения сопротивления Измерения емкости Измерения индуктивности 1 Измерения тангенса угла потерь Измерения электрической мощности Измерения магнитной индукции постоянного магнитного поля Измерения магнитной индукции переменного магнитного поля Измерения магнитного потока 1-1000В 10-30 А 0,1-300 В 20-3 1 07 Гц 2-1О-6-25А 40-2-105 Гц Ю-’-Ю9 Ом 1-10“ пФ 50-1-104^ 10^-10 Гц 02-Ю6 Гц 104-1 Ю2-7500 Вт 40-20-103 Гц 10*-ЮчТл 10^-3-10’т/а 107-2,5-102Вб 1 разряд 1 разряд 0 разряд 1 разряд 1 разряд 1 разряд 1 разряд 1 разряд 1 разряд 2 разряд 1 разряд 1 разряд Измерения электриче- ских и магнитных величин
Диапазон Погрешность
Измерения времени и частоты Измерения девиации частоты Измерения амплитудной модуляции Измерения нелинейных искажений Измерения ослабления Измерения напряженности магнитного поля Измерения мощности электромагнитных колебаний Измерения напряженности электрического поля 1-37,5-Ю9Гц Ю-’-Ю7 с Д/1-10° Гц / 0,128-1000 МГц F 0,03-200 кГц М 0,1-100 % /0,01-425 МГц F 0,03-200 кГц 20-200-10’Гц 0,03-100 % 0,1-100 МГц 0-140 дБ 0,01-300 МГц 0,5-500 А/м 2,5-1(Г’-5-1(Г'А/м 1-Ю5-102Вт до 37,5 ГГц 0,01-1000 МГц 0,1-3000 В/м Sz3-10l2-10’ SO 1,5-1012 ПГ 0,7-1,5 % ПГ 0,07-0,57 % ПГ 0,5-1 % ПГ 0,004-0,5 дБ ПГ12 % ПГ4-7% ПГ1,6% ПГ 5-12 % Радиоэлек- тронные измерения
- - !---------- 758 -- -
Диапазон Разряд
Измерения плотности потока нейтронов Измерения активности радионуклидов, 8.104-1,1-108с‘.м2 2 разряд Измерения параметров
потока и плотности (,(-частиц Измерения экспозиционной дозы и мощности 4-81 О’ Бк 1 разряд ионизирую- щих излуче-
экспозиционной дозы гамма-излучения 510п-21(У7Ак 51010-210’4Кл/кг 0 разряд НИЙ
В последние годы проводилась дальнейшие преоб-
разования и совершенствование деятельности Управ-
ления.
В 1954 г. Ленинградское Управление мер и измери-
тельных приборов переименовано в Ленинградское
управление измерительной техники и стандартизации.
В 1965 г. оно реорганизовано в Ленинградскую ла-
бораторию государственного надзора за стандартами
и измерительной техники.
В 1974 г. Лаборатория преобразована в Северо-За-
падный центр стандартизации и метрологии, который
в 1977 г. переименован в Ленинградский центр стан-
дартизации и метрологии.
Специалисты Центра приступили к решению про-
блем качества. Они внедряли комплексные системы
управления качеством продукции, общетехнические
системы стандартов, одними из первых в стране орга-
низовали ряд государственных испытательных цен-
тров, ставших прообразом и основой будущей систе-
мы сертификации.
В 1990 г. на базе Ленинградского центра стандар-
тизации и метрологии создан Союзный центр испы-
таний продукции — Ленинград (Союзтест — Ленин-
град).*
В 1992 г. он переименован в Центр испытаний и
сертификации — С.-Петербург (Тест-С.-Петербург).
Основные направления деятельности
„Тест-С.-Петербург“ в области
обеспечения единства измерений:
— исследование, поддержание, хранение и сличе-
ние рабочих и исходных эталонов С.-Петербурга и Ле-
нинградской области;
— анализ состояния измерений и выдача рекомен-
даций по организации метрологического обеспечения;
— испытания СИ с целью утверждения типа;
— поверка и калибровка СИ;
— аккредитация метрологических служб на право
поверки и калибровки, а также на право аттестации
МВИ и проведения метрологической экспертизы до-
кументов;
— аттестация методик выполнения измерений;
— сертификация СИ;
— метрологическая аттестация испытательного
оборудования;
— лицензирование деятельности по производству,
ремонту, продаже и прокату средств измерений.
Метрологи „Тест-С.-Петербург“ активно участвуют
в работе по совершенствованию системы учета и кон-
троля материально-сырьевых ресурсов, в разработке
программ экономии тепла, газа, воды, электроэнергии.
*До 1990 г. подразделения поверки и Госнадзора находились
в составе ВНИИМ им. Менделеева в качестве структурной
единицы.
„Тест-С.-Петербург" осуществляет метрологиче-
ский надзор за
— выпуском, состоянием и применением средств из-
мерений, аттестованными методиками выполнения из-
мерений, эталонами и соблюдением метрологических
правил и норм;
— за количеством товаров, отчуждаемых при совер-
шении торговых операций;
— за количеством фасованных товаров.
Особенностью проведения государственного мет-
рологического надзора является его социальная на-
правленность, и поэтому повышенное внимание уде-
ляется таким социально значимым сферам, как торгов-
ля, здравоохранение, экология, охрана труда.
„Тест-С.-Петербург" обладает уникальной метроло-
гической базой, имеющей около 200 высокоточных
эталонов и установок.
Достигнутый уровень точности измерений, высо-
кий профессиональный уровень персонала позволяет
проводить испытания, поверку и калибровку практи-
чески всех средств измерений, применяемых на пред-
приятиях и организациях С.-Петербурга и Ленинград-
ской области, а также для других регионов России,
стран СНГ и Прибалтики.
В „Тест-С.-Петербург" аккредитовано 6 органов по
сертификации и 2 испытательных лаборатории. В ча-
стности, лаборатория по испытаниям электрообору-
дования признана в Системе сертификации Междуна-
родной комиссии (МЭК).
В 1993 г. „Тест-С.-Петербург" одним из первых в
стране был аккредитован на право проведения серти-
фикации систем качества на соответствие международ-
ным стандартам ИСО 9000.
В целях развития работ по взаимному признанию
результатов испытаний и сертификации „Тест-С.-
Петербург" укрепляет контакты с родственными зару-
бежными организациями Германии, Финляндии,
Швейцарии, Австрии, Австралии и др., принимает ак-
тивное участие в работе международных организаций
в области метрологии, стандартизации и качества.
В „Тест-С.-Петербург" работает свыше 700 высоко-
квалифицированных специалистов, имеющих боль-
шой опыт производственной, научно-исследователь-
ской, инспекционной и поверочной работы. Среди
них доктора и кандидаты наук, академики ряда отрас-
левых отечественных и международных академий.
15 сотрудников включены в Государственный реестр
экспертов Системы сертификации ГОСТ Р, а четыре
эксперта занесены в реестры зарубежных стран.
Генеральный директор „Тест-С.-Петербург" В.В. Ок-
репилов, д.э.н., проф., Президент Санкт-Петербургско-
го отделения Академии проблем качества России, дей-
ствительный член и вице-президент Метрологической
Академии, чл.-корр. РАН, заслуженный деятель науки
и техники РФ, лауреат Государственной премии РФ в
области науки и техники.
В.В. Окрепилов
759
Ростовский центр стандартизации,
метрологии, и сертификации
(Ростовский ЦСМ)
Ростовский центр стандартизации, метрологии и
сертификации (Ростовский ЦСМ) основан в 1901 г.,
когда по инициативе Д.И. Менделеева было открыто
одно из первых поверочных учреждений на Юге Рос-
сии — Ростовская поверочная палатка № 9 для повер-
ки торговых гирь и весов, преобразованная затем в
Ростовскую Госконтрольную лабораторию по измери-
тельной технике, на основе которой в дальнейшем по-
лучил свое развитие Северо-Кавказский ЦСМ (При-
каз Госстандарта РСФСР от 20.11.79 г.), впоследствии
переименованный в Ростовский ЦСМ (Приказ Гос-
стандарта России от 27.05.94 г.).
В условиях становления рыночных отношений,
приведших к определенной децентрализации управ-
ления отраслями народного хозяйства и резкому со-
кращению объемов работ отраслевых научно-иссле-
довательских институтов Ростовской области, Ростов-
ский ЦСМ оказался одним из немногих органов
государственного управления, способным возглавить
организационно-методическую и практическую рабо-
ту по адаптации предприятий региона к работе в но-
вых условиях и решению комплекса актуальных про-
блем обеспечения качества продукции.
Наряду с исполнением основных функций, предпи-
сываемых территориальным органам Госстандарта
России и направленных на осуществление государст-
венного метрологического контроля и надзора, госу-
дарственного надзора за соблюдением обязательных
требований государственных стандартов и сертифика-
цией продукции, товаров и услуг, Ростовский ЦСМ в
своей деятельности приобрел функции научно-техни-
ческого центра.
В соответствии с этими функциями Центр осуще-
ствляет прикладные научные исследования и разра-
ботки, направленные на формирование и реализацию
государственной научно-технической политики в об-
ласти стандартизации, метрологии и сертификации
передовых наукоемких технологий гражданского и во-
енного назначения, контроля качества продукции, вы-
пускаемой организациями и предприятиями Ростов-
ской области независимо от их ведомственной при-
надлежности и форм собственности, обеспечения
единства измерений, разработки и внедрения новых
методов, приборов и устройств, используемых в про-
мышленности, сельском хозяйстве, рациональном
природопользовании и охране окружающей среды.
Госстандарт России, учитывая сложность органи-
зационной работы с введением в действие в 1992 г. За-
конов РФ „О защите прав потребителей" и „О серти-
фикации продукции и услуг", устанавливает Ростов-
скому ЦСМ официальный статус Центрального
органа по сертификации с целью предоставления воз-
можности и соответствующих полномочий научно-ме-
тодического Центра по созданию в кратчайшие сро-
ки действенного механизма реализации положений
введенных в действие законов РФ в Северо-Кавказ-
ском регионе. В этой связи с 1997 г. проводится ин-
тенсивная работа по созданию систем качества и сер-
тификации продукции с учетом требований междуна-
родных стандартов ИСО и МЭК.
По состоянию на июль 1999 г. общая численность
работников Ростовского ЦСМ составила 283 челове-
ка, в том числе 1 академик, 2 члена-корреспондента
Академии проблем качества Российской Федерации,
2 члена-корреспондента Метрологической академии
Российской Федерации, 8 кандидатов наук, 53 экспер-
та Системы сертификации ГОСТР, 60 государствен-
ных инспекторов.
Структура Центра включает в себя научно-техни-
ческие отделы, сектора и лаборатории, выполняющие
прикладные научно-исследовательские и испытатель-
ные работы, а также обеспечивающие оказание науч-
но-технических услуг заинтересованным организаци-
ям и предприятиям в части аккредитации научно-ис-
следовательских, аналитических, испытательных и
производственных лабораторий, практического при-
менения ГОСТов в конкретных условиях Северо-Кав-
казского экономического района, производства пове-
рочных работ и обеспечения единства измерений.
Ростовский ЦСМ является коллективным членом
Академии проблем качества Российской Федерации;
по инициативе и при активном участии Ростовского
ЦСМ образован Северо-Кавказский филиал этой Ака-
демии.
В мае 1999 г. на базе Центра открыт Северо-Кав-
казский филиал Метрологической академии Россий-
ской Федерации.
В Центре работают Научно-технический совет, вы-
полняющий функции коллегиального органа управле-
ния, Региональный координационный совет по серти-
фикации, Совет испытательных лабораторий регио-
на. Генеральный директор Ростовского ЦСМ является
председателем Совета директоров территориальных
органов 1осстандарта России по Северо-Кавказскому
региону, в состав которого входят 16 ЦСМ.
Ростовский ЦСМ тесно сотрудничает с головными
институтами Госстандарта России по соответствую-
щим направлениям — ВНИИМС, ВНИИС, ВНИИКИ,
ВНИЦСМВ (г. Москва), ВНИИМ (г. Санкт-Петербург),
УНИИМ (г. Екатеринбург), с научными центрами и ин-
ститутами Северо-Кавказского региона — СК НЦ ВШ,
НИИ физики, НИИ ФОХ, НИИ МиПМ Ростовского
- = ' = 760 — - 1
госуниверситета, ДГТУ, РГУПС, РГСУ, НГТУ, АзНИ-
ИРХ, а также с ростовскими институтами „Кавжелдор-
проект", „СевкавНИПИагропром", „ГипродорНИИ",
„НИИинтрофек", „Ростовгипрошахт", „РосрыбНИИ-
проект", „Росмясомолпром", „ПромстройНИИпро-
ект“, с Центральным институтом агрохимического об-
служивания сельского хозяйства (ЦИН АО), с Ассоциа-
цией предприятий высоких технологий и другими.
В состав Ростовского ЦСМ входят Волгодонский
и Таганрогский ЦСМ. Ростовским ЦСМ созданы три
филиала — Шахтинский, Каменский и Сальский — с
целью максимального приближения к потребителям
научно-технической продукции, научно-методическо-
го и организационного обеспечения основных задач
деятельности центра в пределах наиболее крупных уг-
лепромышленных и сельскохозяйственных районов
Ростовской области.
Ростовский ЦСМ совместно с Донским Государст-
венным техническим университетом (ДГТУ) ведет ак-
тивную многоплановую работу по совершенствова-
нию системы подготовки и переподготовки кадров
высшей квалификации в области стандартизации,
метрологии и сертификации. С этой целью в ДГТУ
создана кафедра „Метрология и управление качест-
вом", организована подготовка инженеров по специ-
альности 07.20.00 „Стандартизация и сертификация",
открыта соответствующая аспирантура, функциони-
рует Специализированный совет по защите кандидат-
ских диссертаций.
Ростовский ЦСМ аккредитован в качестве Государ-
ственного центра испытаний средств измерений (ат-
тестат аккредитации № 30042-00 в Государственном
реестре СИ); с 1997 г. проведены исследования и ис-
пытания с целью внесения в Госреестр и на соответ-
ствие утвержденному типу 43 единицы средств изме-
рений.
Ростовский ЦСМ систематически проводит иссле-
дования и разработки по созданию новых средств из-
мерений, приборов и устройств. С центром взаимо-
действуют практически все подразделения предпри-
ятий военно-промышленного комплекса (ВПК),
занимающиеся разработкой медицинской техники.
Центр оказал значительную организационную и тех-
ническую помощь ВНИИ „Градиент" (г. Ростов-на-До-
ну) в разработке и внедрении в медицинскую практи-
ку нового поколения аппаратов для магнитотерапии.
Эти аппараты, прошедшие „метрологическую прора-
ботку" в Ростовском ЦСМ, награждены золотой и
бронзовой медалями Выставки медицинской техни-
ки в Брюсселе.
Совместно с Геотехцентром „Юг" Ростовского гос-
университета проводятся научно-исследовательские
и опытно-конструкторские работы по созданию
средств измерения нового поколения — электромаг-
нитных дозиметров поляризации твердых, жидких и
газообразных веществ, на основе которых разработа-
ны и аттестованы универсальные влагомеры для зер-
на и продуктов его переработки (ЭВД-1, ЭВД-3), ин-
дикаторы выбросоопасности ископаемых углей
(ЭДИП-1), приборы для обнаружения и диагностики
геопатогенных зон (ЭДИП-2).
Измерение геометрических величин. Проведена рабо-
та по улучшению безопасности движения на Северо-
Кавказской железной дороге, внедрены новые мето-
дики по оперативной поверке используемых средств
измерений. Это позволило повысить надежность экс-
плуатации транспортных средств и аппаратуры управ-
ления движением.
Измерение давления. Ведутся работы по совершен-
ствованию поверочного оборудования; проведена мо-
дернизация серийного грузопоршневого манометра
МП60 с установкой электронного блока снятия пока-
заний, что позволило сократить время поверки на
40 % и повысить точность измерения за счет исклю-
чения субъективной составляющей погрешности.
Измерение расхода. Ростовским ЦСМ совместно с
метрологической службой АО „Ростовэнерго" разра-
ботана и внедрена информационно-измерительная
система по учету тепловой энергии и теплоносителя
с использованием персонального IBM-совместимого
компьютера и 16-и канального аналого-цифрового
преобразователя.
Создан универсальный комплекс поверки средств
измерений расхода воздуха и воздушных смесей для
целей здравоохранения и охраны окружающей среды.
Разработаны и внедрены три поверочных уста-
новки для поверки газовых счетчиков любых систем
с горизонтальной и вертикальной системами подачи
газа.
Совместно с фирмой „Теплоком" (г. Санкт-Петер-
бург) ведутся работы по созданию комплекса средств
измерений, обеспечивающих возможность коррек-
ции объема на действующих узлах учета газа.
Измерение механических величин. Проведены работы
по обеспечению высокого качества поверки различ-
ных весовых устройств; для этих целей внедрены ком-
пьютерные системы с автоматической регистрацией
сигналов тензометрических датчиков. Выполнены ра-
боты для комплексов дорожного контроля с исполь-
зованием статистических методов, которые позволя-
ют определять полный вес автомобилей и автопоез-
дов в движении, осевую нагрузку на дорожное
покрытие, скорость и направление движения транс-
портных средств.
Измерение электрических величин. Основная работа
была направлена на повышение эффективности ме-
тодов и средств стандартизации в целях обеспечения
энергосбережения в Ростовской области. Разработа-
на новая методическая база по обеспечению достовер-
ности учета электрической энергии, по аттестации
стационарных и передвижных высоковольтных лабо-
раторий.
Совместно с АО „Ростовэнерго" разработан ком-
плекс программно-аппаратных средств „Дон-Энергия"
для информационно-измерительных систем по учету
электроэнергии. Утверждена во ВНИИМС методика
поверки данного комплекса, проводятся его испыта-
ния для целей утверждения типа.
Для поверки образцовых счетчиков электриче-
ской энергии класса 0,2 произведена модернизация и
разработана методика аттестации установки УППУ-
1М совместно с ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.
Разработаны и внедрены установка для испытаний
счетчиков на воздействие импульса тока УИТ-1, источ-
ник тока и напряжения для испытаний однофазного
счетчика электроэнергии на уровень звуковых шумов
типа ИТН-1, а также установка для испытаний счетчи-
ков электрической энергии на электропрочность.
— 761
Разработана и внедрена установка „Индукция 0,5“,
предназначенная для формирования внешнего магнит-
ного поля при испытании счетчиков электроэнергии
на электромагнитную совместимость.
Проведена работа по переходу от испытаний на со-
ответствие требованиям отечественных стандартов к
стандартам международной электротехнической ко-
миссии (МЭК); в 1998 г. МЭК аккредитовала лаборато-
рию по испытаниям бытовых электроприборов Рос-
товского ЦСМ как международную испытательную ла-
бораторию (реестр по схеме МЭК СЭ от 22-24.09.1998,
решение № 46).
Создана автоматизированная база данных по нор-
мативному обеспечению поверки средств измерений
электрических величин.
Измерение радиотехнических величин. Совместно с
ВНИИстандарт (г. Москва) Ростовским ЦСМ разрабо-
тан государственный стандарт „Совместимость техни-
ческих средств электромагнитная. Радиопомехи ин-
дустриальные от бытовых приборов с электродвига-
телями и нагревательными элементами, ручных
электроинструментов и аналогичных бытовых элек-
троустройств. Нормы и методы испытаний" взамен
ГОСТ 23511-79 с учетом требований международных
стандартов.
Совместно с Научным конструкторским бюро
„Пьезоприбор" (г. Ростов-на-Дону) проводятся разра-
ботки и исследования вибродатчиков и виброметров
с целью улучшения их технических характеристик.
Измерения физико-химических величин. Проведены
научно-исследовательские работы по анализу состава
и свойств веществ и материалов в целях выдачи дан-
ных для изготовления стандартных образцов по оп-
ределению температуры вспышки нефтепродуктов.
Совместно с ВНИИМ им. Д.И. Менделеева разра-
ботана универсальная установка для поверки любых
типов ареометров. Проведены испытания и осущест-
влена метрологическая аттестация малой серии вла-
гомеров нового типа ЭВ Д-З, созданных сотрудниками
Южно-Российского Геотехцентра-Юг Ростовского го-
сударственного университета, которые отличаются
высокими техническими характеристиками. Прибо-
ры внедрены в лабораториях и на элеваторах Ростов-
ского комбината хлебопродуктов. Проводятся иссле-
дования по аттестации вакуумных декриптографов ти-
па ВД-5 — высокоточных приборов для определения
температур газовыделения при нагревании твердых
веществ в вакууме и газово-хроматографического ана-
лиза выделяющихся летучих компонентов.
Одним из важнейших направлений совместной
деятельности Ростовского ЦСМ с научно-исследова-
тельскими организациями является экологическое. В
Ростовской области действуют такие специализиро-
ванные по проблемам экологии институты, как АЗНИ-
ИРХ и Гидрохимический.
Центр проводит работы по аттестации и апроба-
ции методик определения токсикантов в природной
среде. В настоящее время 18 методик аттестованные
центром, внесены в перечень методик, допущенных
к применению для целей государственного экологи-
ческого надзора. В 8-ми из представленных на экспер-
тизу методик в качестве основного анализатора ис-
пользуется хроматомасс-спектрометр.
Согласно Программе действий по охране окружаю-
щей природной среды Ростовской области Ростов-
ский ЦСМ совместно с фирмой „Экология транспор-
та" при НИИ механики и прикладной математики Рос-
товского государственного университета занимается
разработкой методик регулировки дизелей по техни-
ческим и экологическим параметрам, принимает уча-
стие в проведении инструментального контроля ди-
зелей по параметрам СО, СН и NO2 с использовани-
ем приборов типа VMR-1400 и усовершенствованных
газоанализаторов „Варио-Плюс" (Германия).
Организован „сервис-центр" Юго-Восточной же-
лезной дороги для сервисного обслуживания компь-
ютерных газоанализаторов VMR-1400, VMR-2000 и
VMR-3000 фирмы VMR (Германия), а также дымоме-
ров ИДС-1, используемых на железнодорожном транс-
порте.
В Ростовской области центром аккредитовано бо-
лее 20 лабораторий экологического направления в
системе,Аналитика". Все они тесто связаны между со-
бой и регулярно проводят взаимный внешний кон-
троль с привлечением лабораторной службы Ростов-
ского ЦСМ, Госкомприроды и Госсанэпиднадзора.
При решении проблем качества на уровне пред-
приятий Ростовской области основное внимание уде-
ляется созданию систем качества. При этом теорети-
ческой основой проведения работ являлись основные
положения теории оперативного управления, поло-
жения теории управления качеством, а также разра-
ботанные методические основы выполнения обяза-
тельных требований международных стандартов
ИСО серий 9000 и 10000, системы МЭК СЭ.
С целью квалифицированного проведения работ
Ростовский ЦСМ был аккредитован Госстандартом
России в качестве Органа по сертификации систем
качества. Практической работе по данному направле-
нию деятельности предшествовали теоретические ис-
следования.
Работы по сертификации систем качества осуще-
ствляются высококвалифицированными экспертами
(один из них имеет международный сертификат ме-
неджера по качеству Европейского центра сертифи-
кации „TUV"). Проведена большая организационно-
методическая работа по подготовке предприятий Рос-
товской области для участия во Всероссийском
конкурсе на присуждение Премии Правительства Рос-
сийской Федерации в области качества.
В 1998 и 1999 гг. Ростовским ЦСМ были организо-
ваны и проведены региональные конкурсы по програм-
ме „100 лучших товаров России". По результатам регио-
нальных конкурсов были отобраны 6 предприятий об-
ласти, товары народного потребления которых были
рекомендованы региональной комиссией для участия
во Всероссийском конкурсе.
В настоящее время в Ростовском ЦСМ 1осстандар-
том России аккредитованы органы по сертификации:
— средств измерений;
— электрооборудования;
— пищевой, легкой и сельскохозяйственной про-
дукции;
— услуг;
— продукции машиностроения;
— нефтехимической и лесопромышленной продук-
ции;
— систем качества,
а также орган по аккредитации аналитических ла-
бораторий.
25 Зак. 450
762 -
В рамках программы „ВУЗ — Сертификация*1 Рос-
товский ЦСМ как координирующая организация со-
вместно с научно-исследовательскими учреждениями
и организациями Ростовской области, в том числе с
Северо-Кавказским научным центром высшей школы
(СК НЦ ВШ), участвовал в создании и аккредитации
ряда испытательных лабораторий.
При активном содействии центра на базе Ростов-
ского государственного строительного университета
были аккредитованы две лаборатории по испытаниям
строительных материалов и изделий, а затем универ-
ситет прошел аккредитацию в качестве органа по сер-
тификации продукции предприятий стройиндустрии.
Центр систематически ведет работу по метрологи-
ческому обслуживанию геодезических работ и работ
по исследованию грунтов с научно-исследовательски-
ми и проектными институтами.
Важным направлением в сфере научно-техниче-
ских услуг центра является проведение плановых ра-
бот и выполнение заказов на поверку и калибровку
средств измерений. Ежегодно осуществляется повер-
ка и калибровка более 300 тыс. измерительных прибо-
ров и устройств на общую сумму свыше 10 млн. руб.
Кроме отмеченных выше совместных исследова-
ний и разработок, особое внимание уделяется вопро-
сам прогнозирования и метрологического обеспече-
ния научно-исследовательских работ по созданию и
развитию наиболее перспективных технологий в об-
ласти промышленности, сельского хозяйства, рацио-
нального природопользования, которые являются до-
минирующими отраслями в регионе.
В Ростовской области Международный банк рекон-
струкции и развития осуществляет проект „Монито-
ринг Нижнего Дона". Сотрудники центра входят в
оргкомитет группы и активно сотрудничают с ней по
вопросам достоверности информации, метрологиче-
ского обеспечения, использования современных мето-
дов мониторинговых исследований.
Ростовским ЦСМ ежегодно разрабатываются свы-
ше 140 технических условий на продукцию и оказыва-
ется практическая помощь в приведении ее испытаний
при постановке новых видов продукции на серийное
производство.
Результаты научно-технической деятельности Рос-
товского ЦСМ используются аккредитованными орга-
нами по сертификации, испытательными и аналитиче-
скими лабораториями, высшими учебными заведения-
ми, отраслевыми НИИ и организациями Ростовской
области, а также при проведении исследований и раз-
работок предприятиями ВПК. Наиболее важными в
практическом отношении представляются следующие
результаты научно-исследовательских работ:
— разработка концепции многоуровневой системы
контроля и повышения качества и безопасности това-
ров народного потребления, промышленной и сель-
скохозяйственной продукции на основе комплексных
исследований в области стандартизации, метрологии
и сертификации;
— результаты системных исследований по обеспе-
чению единства измерений и методик испытаний, в
соответствии с которыми выданы практические реко-
мендации более 250 испытательным лабораториям;
— научно-методическое и метрологическое обеспе-
чение работ по созданию новых средств измерений
(ежегодно около 10 приборов и устройств), внедрение
инженерных методик оценки и контроля качества про-
дукции статистическими методами (более 20 методик
в год);
— разработка и реализация совместно с научными
центрами, институтами и контролирующими органа-
ми региона высокоэффективных методик по экологи-
ческому мониторингу и контролю состояния природ-
ной среды;
— научно-методическое обеспечение государствен-
ного метрологического надзора, проведение метроло-
гической аттестации и плановых поверок средств из-
мерений (за 1996-1999 гг. свыше 1,3 млн. средств из-
мерений);
— разработка учебно-методических материалов для
подготовки дипломированных инженеров-специали-
стов в области сертификации и управления качеством
для органов по сертификации, испытательных лабо-
раторий и промышленных предприятий (в 1999 г. осу-
ществлен первый выпуск таких специалистов в коли-
честве 48 чел.);
Ростовский ЦСМ располагает парком различного
оборудования, содержащим около 6,5 тыс. единиц, что
позволяет обеспечивать единство измерений по 16 из
17 видов измерений. Имеются несколько рабочих эта-
лонов, в т.ч.:
— рабочие эталоны единицы массы 1-500 г и 1 кг;
— рабочие эталоны единицы давления до 6 кгс/см2
и до 60 кгс/см2;
— рабочий эталон единицы pH;
— рабочий эталон девиации частоты (автоматизи-
рованное рабочее место АРМ ИДЧ).
В Ростовском ЦСМ имеются исследовательские и
испытательные лаборатории по испытаниям:
— пищевой и сельскохозяйственной продукции;
— парфюмерной продукции;
— бытовых электроприборов;
— измерительных приборов и вычислительной тех-
ники;
— кабельной продукции.
Метрологические службы с испытательными лабо-
раториями размещены в 7 корпусах, их общая произ-
водственная площадь составляет 7,5 тыс. кв.м.
Балансовая стоимость основных фондов на
1.01.2000 г. составила 38131449 руб., в том числе про-
изводственного характера — 36638462 руб.
Ростовский ЦСМ располагает фондом норматив-
ных документов, содержащим:
— указатели государственных стандартов;
— свыше 20 тыс. ед. российских и межгосударствен-
ных стандартов;
— около 9 тыс. стандартов ИСО;
— более 200 стандартов МЭК (в том числе около
100 переводов стандартов на русский язык);
— более 300 НД по сертификации продукции, услуг,
систем и пр.;
— более 500 НД по метрологии, в т.ч. ПР, МИ и т.д.;
— около 400 ед. специальной литературы.
Ряд нормативных документов имеется в виде элек-
тронных версий.
Библиографические данные по имеющимся изда-
ниям и НД размещены в систематическом каталоге.
Парк вычислительной техники Ростовского ЦСМ
включает более 60 персональных ЭВМ. Компьютерные
средства расположены во всех подразделениях центра.
В.И. Валков
— .- 763 --
Развитие метрологической службы в
Республике Беларусь
Метрическая конвенция, принятая правительства-
ми 17 стран 125 лет тому назад, стала одним из первых
международных соглашений в области метрологии и
послужила основой для обеспечения единства измере-
ний и доверия к их результатам. Именно принятие
Метрической конвенции создало предпосылки для ме-
ждународного сотрудничества в области торговли, нау-
ки и производства продукции и услуг.
Обеспечение единства измерений в любой стране
берет свое начало с узаконенной системы единиц и на-
циональных эталонов. В основе законодательства Рес-
публики Беларусь по обеспечению единства измере-
ний лежит применение Международной системы еди-
ниц СИ (81), принятой Генеральной конференцией по
мерам и весам и рекомендованной к применению Ме-
ждународной организацией законодательной метроло-
гии. Действие системы на территории республики рег-
ламентировано Постановлением Правительства от
31 декабря 1996 г. № 856 „О единицах измерений, при-
меняемых на территории Республики Беларусь".
Создание Системы обеспечения единства измере-
ний Республики Беларусь началось 76 лет назад, когда
в Белоруссии было основано первое метрологическое
учреждение — Палата мер и весов. До этого Минская и
Могилевская губернии обслуживались Виленской по-
верочной палаткой, а Витебская — Петербургской па-
латой мер и весов. Работа этих поверочных учрежде-
ний ограничивалась поверкой весов, мер длины и
объема. Создание самостоятельных поверочных учре-
ждений в Белоруссии началось лишь после Октябрь-
ской революции и окончания гражданской войны.
Именно поэтому дата основания Белорусской палаты
мер и весов — 29 февраля 1924 г. — считается датой соз-
дания метрологической службы республики.
В 1925 г. в республике была законодательно введе-
на Метрическая система.
В последующие годы деятельность Палаты мер и
весов расширялась, к ней была присоединена Витеб-
ская палата, были созданы отделения палаты в других
городах республики, возросли объемы и номенклату-
ра поверяемых приборов; внедрена в основном Мет-
рическая система; создана приборостроительная про-
мышленность.
К началу Великой Отечественной войны метроло-
гическая служба была полностью сформирована во
всех областных городах Белоруссии и достаточно хо-
рошо технически оснащена. Но за время войны она
была полностью разрушена, и восстанавливать ее при-
ходилось почти с нуля. После войны Республиканское
управление Палаты мер и весов размещалось в двух
комнатах уцелевшего дома в Минске. Из оборудования,
сохранившегося у жителей, были пара образцовых ве-
сов с гирями и мановакуумпресс для поверки маномет-
ров. С этого и начали.
Уже к 1950 г. был восстановлен довоенный уровень
развития метрологической службы на качественно но-
вой основе: в год поверяли около 500 тыс. мер и при-
боров; на крупных предприятиях были созданы мет-
рологические службы.
В последующие годы метрологическая служба рес-
публики совершенствуется, проводятся работы по
стандартизации, развивается приборостроение, рас-
ширяется номенклатура поверяемых приборов, испы-
тывается разрабатываемая и серийная техника и т.д.
За последнее десятилетие проведена работа по со-
вершенствованию метрологической службы и системы
обеспечения единства измерений Республики Беларусь
в целом: в 1995 г. принят Закон Республики Беларусь
„Об обеспечении единства измерений"; разработана
Программа стандартизации в области метрологии, в
рамках которой утверждены первые стандарты Систе-
мы обеспечения единства измерений; начата разработ-
ка первых национальных эталонов Республики Бела-
русь; приняты Постановления „О государственном
надзоре за выполнением требований стандартов, обес-
печением единства измерений и контроле за соблюде-
нием правил обязательной сертификации в Республи-
ке Беларусь", „О единицах измерений, применяемых
на территории Республики Беларусь", „О создании
Межведомственной комиссии по времени и эталонным
частотам Республики Беларусь"; создана и зарегистри-
рована Академия Метрологии „Белая Русь" и т.д.
Активно развиваются международные связи, уста-
навливаются контакты с региональными и междуна-
родными метрологическими организациями, а также
с метрологическими институтами России, Украины и
других стран СНГ, Германии, Франции, Англии и др.
Республика Беларусь с декабря 1992 г. является членом
КООМЕТ (Организация государственных метрологи-
ческих учреждений стран Центральной и Восточной
Европы). В сентябре 1993 г. принято постановление
Президиума Верховного Совета Республики Беларусь
„О правопреемственности Республики Беларусь в от-
ношении Конвенции, которая учреждает Международ-
ную организацию законодательной метрологии"; с
1994 г. Республика Беларусь принята в МОЗМ.
Государственную метрологическую службу респуб-
лики возглавляет Государственный комитет по стандар-
тизации, метрологии и сертификации (Госстандарт),
который включает в свою сеть: Белорусский государ-
ственный институт метрологии (БелГИМ); Государст-
венные службы времени и частоты; 1осударственную
- — — — - " 764 ' - — -
службу стандартных образцов; пятнадцать центров
стандартизации и метрологии; ИПК Госстандарта, а
также многочисленные метрологические службы
министерств, ведомств, предприятий и организаций
республики.
Большое внимание в республике уделяется созда-
нию эталонной базы, являющейся фундаментом СО-
ЕЙ, существование которой в каждом государстве яв-
ляется неотъемлемыми чертами суверенитета и эко-
номической независимости. Главной эталонной базой
республики по всем видам измерений является Бело-
русский государственный институт метрологии (Бел-
ГИМ). Сегодня в республике существует пять нацио-
нальных эталонов, пять исходных и 3628 рабочих эта-
лонов.
В настоящее время в Республике Беларусь утвер-
ждены в качестве национальных и исходных десять
эталонов, в том числе пять национальных и пять ис-
ходных эталонов Республики Беларусь.
Ускорение научно-технического прогресса, разви-
тие перспективных направлений науки и отраслей про-
изводства требуют совершенствования эталонной ба-
зы на основе использования и освоения новых физи-
ческих явлений и технологий.
В соответствии с этими требованиями Госстандар-
том разработана и утверждена Государственным коми-
тетом науки и новейших технологий Концепция про-
граммы развития эталонной базы Республики Беларусь
на 2000-2005 гг., которая предусматривает создание
взаимосвязанных комплексов эталонов в области элек-
трических, механических, геометрических, физико-
химических, оптико-физических, теплотехнических,
температурных, ионизирующих и других измерений,
увеличение областей применения эталонов для обес-
печения единства измерений в экстремальных услови-
ях, в расширенных диапазонах значений измеряемых
величин.
Большое значение при планировании создания но-
вых эталонов имеют разработка и внедрение научно
обоснованных и экономически оптимальных вариан-
тов метрологического обеспечения в различных отрас-
лях экономики Республики Беларусь. Решение этой за-
дачи в рамках Программы позволит обоснованно и эко-
номически грамотно подходить к созданию эталонной
базы республики.
С учетом прикладного значения эталонов для эко-
логии, охраны здоровья, торговли, связи, транспорта,
обороны, защиты потребителя, для которых хранение
и передача размеров единиц измерений необходимы
на внутреннем рынке, Программа получила статус го-
сударственной научно-технической.
Программа включает следующие разделы.
Эталоны основных единиц СИ. Раздел предусмат-
ривает разработку эталонов единиц массы, силы све-
та, длины и модернизацию эталонов единиц времени,
частоты, температуры и количества вещества.
Эталоны производных единиц СИ и специаль-
ные. Раздел предусматривает разработку эталонов еди-
ниц, служащих для обеспечения единства измерений
в важных сферах технических измерений.
Государственные стандартные образцы. Раздел
описывает разработку гаммы государственных стан-
дартных образцов состава, служащих для обеспечения
единства измерений в сфере определения состава ве-
ществ. Назначение создаваемых стандартных образ-
цов — экология, контроль пищевых и сельскохозяйст-
венных продуктов, санитарный надзор и другие сфе-
ры аналитического контроля.
Рабочие эталоны. Раздел предусматривает разра-
ботку рабочих эталонов, привязанных к националь-
ным и осуществляющих передачу размеров единиц ве-
личин рабочим средствам измерений различных от-
раслей в регионах Республики Беларусь.
Научно-методическое определение направлений
развития эталонной базы Республики Беларусь. Раз-
дел предусматривает проведение исследований состоя-
ния и уровня измерений, необходимых для выполне-
ния требований, предъявляемых к ним законодательст-
вом республики; разработку методов, обеспечивающих
повышение метрологических характеристик и эконо-
мических показателей национальных и рабочих эта-
лонов; разработку алгоритма определения качества из-
мерений в жизненно важных сферах деятельности.
При формировании предложений по созданию и
модификации эталонов единиц физических величин
в Республике Беларусь во внимание приняты следую-
щие критерии;
— требования необходимости выполнения данно-
го измерения установлены законодательно;
— распространенность (массовость) измерений фи-
зической величины в экономике;
— взаимосвязь величин, например электрических,
на основе известных физических законов;
— предпочтительное применение международной
системы единиц СИ;
— оптимальность состава и взаимозаменяемость ис-
ходных и рабочих эталонов;
— универсальность для применения в основных
сферах практической деятельности;
— объединение (комплектование) средств матери-
ально-технической базы воспроизведения и хранения
единиц физических величин;
— соподчиненность эталонов высшего уровня —
первичного, „свидетеля", сличения и т.п.;
— возможность получения единицы от первичных
межгосударственных или международных эталонов;
— научно-технические и экономические возможно-
сти создания эталонов.
Главное внимание уделено созданию эталонов ос-
новных и важнейших производных единиц физиче-
ских величин, а также эталонов, исходных для эконо-
мики республики.
Национальные эталоны, воспроизводящие эти еди-
ницы, размеры которых передаются рабочим средст-
вам измерений, используемым в промышленности,
торговле, медицине, являются национальным достоя-
нием, определяют уровень научного, технического и
культурного развития страны.
В этой связи приобретают большое значение во-
просы создания рабочих эталонов, „привязанных" к на-
циональным, которые, находясь в территориальных
органах Госстандарта — центрах стандартизации и мет-
рологии (ЦСМ), обеспечивают передачу размера
единиц рабочим средствам измерений в городах и
регионах республики. Рабочие эталоны ЦСМ, мак-
симально приближенные к конкретным нуждам, спо-
собны наиболее эффективно обеспечить точностные
потребности, поднять уровень измерений.
765
Таблица 1
Достигнутый уровень точности измерений БелГИМ
Область измерений Диапазон Погрешность
Длина от 0,1 до 100 мм от 0,02 до 0,04 мкм
от 100 до 1000 мм от 0,1 до 0,2 мкм
Длина (штриховые меры) до 1000 мм от 1,3 до 4 3 мкм
от 1 до 50 м от 0,01 до 0,51 мм
Плоский угол от 0 до 360° ±0,11"
от Одо 1200” ±0,15”
Отклонения от плоскостности и прямолинейности до 120 мм ±0,02 мкм
до 3000 мм ±2 мкм
Масса от 1Л0'3до 1 кг СКО от 8 • 1О4 мг до 2-10 ‘- мг
Сила от 1 Н до 2 МН от 0,005 % до 0,12 %
Давление от 0,04 до 6 МПа СКО 2-105
до 250 МПа ±0,02 %
Температура от 213 до 273,15 К ±0,01 К
от 0 до 660 °C от2Л04до l-10'2°C
от 300 до 1200 °C от 0,25 до 1 °C
от 800 до 2500 °C от 3 до 6 °C
ЭДС и напряжение от МО^доЫО’В ±0,0004 %
от 1-Ю3 до 7010’В ±1 %
Напряжение переменного тока от110 3до 1-103 В ±0,002 %
от 1-10* До 50-10’ В, частота 50 Гц ±1 %
Электрическая индуктивность от 1 10 “ до 1 Гн, частота 1 -10s Гц ±0,1 %
Электрическое сопротивление постоянного от ЫО^до 1-Ю1’ Ом,
и переменного тока частота 1-Ю3 Гц ±0,0002 %
Индукция постоянного магнитного ПОЛЯ от 0,05 до 2 Тл ±0.0035 %
Радиоэлектронные измерения:
Напряжение от 30 мкВ до 1000 В частота от 0,001 Гц до 1 ГГц ±0,05 %
Плотность потока энергии от 0,32 мкВт/см2 до 100 МВт/см2 частота от 0,3 до 39,65 ГГц ±12%
Частота от 1 до 1-10® Пг ±5Л0’13
Акустические измерения от 31,5 Гц до 12,5 кГц ±0,5 дБ
от 20 Гц до 20 кГц ±0,5 дБ
от 20 кГц до 100 кГц ±0,7 дБ
Сила света от 35 до 500 кд СКО 0,ЗЛО2 лк
Освещенность от 10 до 1500 лк
pH от 1 до 12 ед,pH ±0,015 ед.рН
Колориметрия (X,Y,Z) от 380 до 780 нм Sxy-0,2; Sz-0,25 (для отражающих
от 2 до 116 ед. X,Y,Z образцов) ±0,1 (для прозрачных образцов)
Керма в воздухе рентгеновское излучение: от2-1012до ЗЛО4-Гр/с ±4%
гамма-излучение. от 2-1012до 3-10* Гр/с ±4%
Мощность поглощенной дозы рентгеновское излучение: от 5-10’5 до 1 • 103 Гр/с ±4%
гамма-излучение: 5-Ю5 до Ы0’3Гр/с ±4%
нейтронное излучение. от 2-10* до 1 10* Гр/с ±10%
Активность радионуклидов в твердой и а-, и у- излучения.
жилкой фазах от 2 до 2-107 Бк ±5%
Коллегией Госстандарта утверждена программа
„Эталон44, согласно которой создается или модерни-
зируется 36 рабочих эталонов.
В обеспечении качества материалов важная роль
принадлежит системе контроля оценки тех парамет-
ров материалов, которые определяют их эксплуата-
ционные или потребительские свойства. К этим па-
раметрам относятся химический состав материалов,
их физические, физико-химические и разнообразные
технические свойства, такие как тепло- и электропро-
водность, механическая твердость, структурный со-
став и ряд других.
В последнее время потребность в информации о
составе и свойствах веществ на государственном уров-
не непрерывно возрастает.
Разработка и создание ГСО является одной из глав-
ных задач СОЕЙ Республики Беларусь.
766 —.........
При этом заметно увеличилось потребление ГСО
в области сертификационных испытаний пищевой
продукции, охраны труда, здравоохранения; стандарт-
ные образцы нашли широкое применение при аккре-
дитации аналитических лабораторий, при инспекци-
онном контроле за деятельностью аккредитованных
подразделений.
Ряд отраслей экономики очень быстро реагирует
на повышение точности соответствующих националь-
ных эталонов, повышая точность рабочих средств из-
мерений и технические показатели разрабатываемой
и выпускаемой продукции. К таким отраслям относят-
ся прецизионное станкостроение, отрасли машино-
строения и приборостроения, электронная промыш-
ленность и другие. Именно в них систематически по-
вышаются требования к точности и созданию новых
национальных и исходных эталонов Республики Бе-
ларусь.
Характеристика структуры промышленности Рес-
публики Беларусь и ее научного потенциала приводит
к выводу о постоянном и, по мере стабилизации эко-
номической ситуации в республике, возрастающем ис-
пользовании средств и результатов измерений различ-
ных физических величин: геометрических, массы, си-
лы и твердости, давления и вакуума, параметров
движения, расхода и количества жидкостей и газа,
плотности и вязкости, физико-химических, темпера-
турных и теплофизических, оптических и оптико-фи-
зических, акустических, электрических, магнитных,
времени и частоты, радиотехнических, ионизирую-
щих (таблица1).
Возможность проводить исследования и создавать
эталоны единиц физических величин и стандартные
образцы имеются лишь у стран с развитой наукой,
промышленными технологиями, материаловедением.
Таким потенциалом Республика Беларусь располага-
ет. Вместе с тем, любая эталонная база должна соот-
ветствовать как имеющимся общественным потреб-
ностям, так и располагать определенным резервом в
номенклатуре, диапазонах и уровнях точности вос-
произведения единиц физических величин
(таблица?).
В Республике Беларусь существует развитая инфра-
структура науки, производства продукции, услуг, снаб-
жения, транспорта, коммуникационных сетей. Ее су-
ществование, бесперебойное и эффективное функ-
ционирование очень важно для нормальной жизни
государства. При этом технический уровень указан-
ного потенциала является базой для создания конку-
рентоспособной продукции — основы благосостояния
общества. Чрезвычайно важной задачей при обеспе-
чении технического уровня промышленного потен-
циала страны является создание в ней условий, обес-
печивающих получение, применение, хранение и об-
мен измерительной информацией, качество которой
должно соответствовать требуемому уровню развития
производительных сил, потребностей граждан, нужд
Таблица 2
Национальные эталоны Республики Беларусь
Наименование Пределы измерений Погрешность 1од утверждения
Национальный эталон времени, частоты и шкалы времени (0,1-15-106) Hi ±(5-1012-1,0) мкс 1995
Национальный эталон единицы температуры (кельвин) Национальный первичный эталон напряжения (0,1-660)°C до 1000 В, ±(2-10+-10'2) °C 1995
электрического тока (вольт) Национальный эталон координат цвета и спектральных коэффициентов пропускания и отражения в диапазоне длин волн 0,2-2,5 мкм: до 30 МГц, до 10 В, до 2 ГГц СКО (2105-510я) В 1997
коэффициент пропускания коэффициент отражения координаты цвета 0,001-0,99 0,01-1,00 х: 2,5-109 у: 1,4-98 z: 1,7-10’ СКО (0,001-0,02; СКО (0,001-0,02) СКО (0,1-0,25) 1999
Национальный эталон единицы магнитной индукции (тесла) (0,05-2,0) Тл ±0,0035 % 1999
Таблица 2
Исходные эталоны Республики Беларусь
Наименование Пределы измерений Погрешность Год утверждения
Эталон единицы массы (килограмм) (МОМ) кг СКО (8-1О-2-10-2) мг 1995
Эталон единицы длины (метр) (0,1-100) мм ±(0,02+0,1 L) мкм 1996
Эталон единицы электрического (МОМ-Ю’) Ом СКО 5108 Ом 1989
сопротивления (ом) (1-10‘-МО9) Ом СКО 5-10’Ом
/=1 кГц
Эталон единицы давления (паскаль) (0,04-6) МПа ±2Т05МПа 1995
Эталон единицы плоского угла в области (0-1200)" ±0,15" 1996
малых углов (секунда)
1— 767
науки, промышленности, образования, здравоохране-
ния, обороны и т.д. Кроме того, создание подобных
условий является обязательным требованием мирово-
го сообщества как в части соблюдения выработанных
международными организациями правил и норм при
измерениях, так и в области торговли, экологии, сер-
тификации продукции и других видах межгосударст-
венных отношений (таблица 3).
Международное сотрудничество по обеспечению
единства измерений особенно активизировалось в по-
следние годы в связи с глобальными изменениями в
мировой торговле, совместным изготовлением това-
ров, научно-технической насыщенностью товаров и
услуг, возросшими проблемами здоровья населения,
связанными с безопасностью и охраной окружающей
среды.
Одним из важнейших условий интеграции Респуб-
лики Беларусь в мировой рынок, повышения конку-
рентоспособности отечественной продукции и услуг,
обеспечения их безопасности и надежности являет-
ся существование национальной Системы обеспече-
ния единства измерений Республики Беларусь как
инструмента защиты потребителя при купле-продаже
товаров, основы поддержания измерений на уровне
требований экономики и их совершенствования в
соответствии со стратегией научно-технического
развития.
На признании национальных эталонов, воспроиз-
водящих единицы величин, базируются многосторон-
ние соглашения по взаимному признанию националь-
ных систем аккредитации и сертификации. Междуна-
родные требования наиболее четко изложены в
Соглашении о взаимном признании измерительных
эталонов и сертификатов калибровки, выдаваемых на-
циональными метрологическими институтами стран-
участников Метрической Конвенции.
Соглашение опирается на усилия каждого нацио-
нального метрологического института основывать
свои измерения и неопределенности измерений на
единицах СИ.
Не являясь участником Метрической Конвенции,
Беларусь не участвует в сличениях в рамках МКМВ, и
перспективы получения признания эквивалентности
национальных эталонов целиком связаны с работами
в региональных организациях КООМЕТ и Региональ-
ных метрологических организациях на пространстве
СНГ.
Российские метрологи активно сотрудничают с бе-
лорусскими метрологами, большую помощь оказыва-
ют в создании эталонов: силы, массы, температуры,
плоского угла, в области дозиметрии, радиометрии.
Активно проводятся работы в рамках программы сою-
за России и Республики Беларусь по созданию единой
эталонной базы.
В.Н. Корешков, Н.А. Жагора, Л.Е. Астафьева
768
История государственной поверочной
деятельности в Средней Азии
1923 г. — Созданы Туркестанское бюро мер и весов
и Поверочная Палатка торговых мер и весов в г. Таш-
кенте;
— утверждено „Положение о мерах и весах".
1924 г. — создана первая лаборатория государст-
венного надзора за стандартами и средствами из-
мерений (ЛГН);
— Поверочная Палатка переименована в Средне-
азиатскую Палату мер и весов.
1930 г. — образован Комитет по стандартизации при
Совнаркоме Узбекской ССР.
1931 г. Комитет по стандартизации при Совнарко-
ме Узбекской ССР объединена с Палатой мер и весов.
1924 г. Образована Кокандская государственная кон-
трольная лаборатории (ГКЛ).
1925 г. Образована Самаркандская ГКЛ.
1929 г. Образована Бухарская ГКЛ.
1935 г. Образована Хорезмская ГКЛ.
1936 г. Образована Сурхандарьинская ГКЛ.
1938 г. Образована Каракалпакская ГКЛ.
1946 г. Образована Андижанская и Наманганская
ГКЛ.
1951 г. Образована Кашкадарьинская ГКЛ.
1953 г. Образована Ферганская ГКЛ.
1966 г. — ГКЛ преобразованы в лаборатории госу-
дарственного надзора за стандартами и измеритель-
ной техникой (ЛГН);
— организована Узбекская республиканская лабо-
ратория государственного надзора за стандартами
и измерительной техникой (УзРЛГН);
— образована Сырдарьинская ЛГН.
1971 г. Образована Чирчикская ЛГН.
1975 г. Образована Джиззакская ЛГН.
1979 г. — УзРЛГН преобразована в Узбекский центр
стандартизации и метрологии (УзЦСМ);
— все ЛГН преобразованы в центры стандартиза-
ции и метрологии (ЦСМ)
1980 г. Образована Навоийская ЦСМ.
1992 г. — УзЦСМ преобразован в Узбекский госу-
дарственный центр стандартизации, метрологии и
сертификации при Кабинете Министров Республи-
ки Узбекистан (Узгосстандарт);
— Региональные ЦСМ преобразованы в Регио-
нальные центры стандартизации, метрологии и
сертификации (РЦСМС);
1995 г. Образован Бекободский и Алмаликский
РЦСМС.
1998 г. Образован Ташкентский РЦСМС.
Сегодня Узгосстандарт и его региональные орга-
ны располагают парком высокоточного поверочно-
го оборудования и образцовыми средствами изме-
рений (СИ), включающие в себя 3 рабочих эталона
и 2319 единиц образцовых средств измерений. Ла-
бораториями, которые располагаются в новом
двухэтажном здании, площадью более 10 тысяч
кв.м., осуществляются поверка СИ по 15 видам из-
мерений.
Иностранный член МА О. Хакимов
Испытания, сертификация и
аккредитация в области метрологии
25* Зак. 450
. — - -. — 770
Утверждение типа средств измерений
Утверждение типа средств измерений в соответст-
вии с Законом Российской Федерации „Об обеспече-
нии единства измерений" является видом ГМК и про-
водится в целях обеспечения единства измерений в
стране и постановки на производство и выпуска в об-
ращение средств измерений, соответствующих требо-
ваниям, установленным в нормативных документах. Ре-
шение об утверждении типа принимается Госстандар-
том России по результатам обязательных испытаний
средств измерений для целей утверждения типа. При
испытаниях средств измерений для целей утверждения
типа проверяют соответствие технической документа-
ции и технических характеристик средств измерений
требованиям технического задания, проекта техниче-
ских условий и распространяющихся на них норматив-
ных и эксплуатационных документов, а также обеспе-
ченность средств измерений методами и средствами
поверки. Закон „О мерах и весах" от 1899 г. придал боль-
шое значение испытаниям средств измерений. В Совет-
ском Союзе эти испытания получили статус государст-
венных и именовались так до 1993 г. Испытания и
утверждение типа средств измерений включают испы-
тания средств измерений для целей утверждения типа;
принятие решения об утверждении типа, его государ-
ственную регистрацию и выдачу сертификата об утвер-
ждении типа; испытания средств измерений на соот-
ветствие утвержденному типу; признание утверждения
типа или результатов испытаний типа средств измере-
ний, проведенных компетентными организациями за-
рубежных стран; информационное обслуживание по-
требителей измерительной техники, контрольных
надзорных органов и органов государственного управ-
ления. Организационная структура испытаний и утвер-
ждения типа включает Научно-техническую комиссию
по измерительной технике Госстандарта России; Управ-
ление Госстандарта России, на которое возложено ру-
ководство работами в Системе; ВНИИМС; ГЦИ СИ; ор-
ганы ГМС. Испытания средств измерений для целей ут-
верждения типа проводят по программе, которая не
только устанавливает объем и методику испытаний, а
также продолжительность испытаний, номенклатуру и
количество документов, представляемых на испыта-
ния. Программа испытаний средств измерений может
предусматривать только определение метрологиче-
ских характеристик конкретных образцов средств из-
мерений и экспериментальную апробацию НД на МП.
Положительные результаты испытаний являются осно-
ванием для принятия Госстандартом России решения
об утверждении типа, которое удостоверяется серти-
фикатом об утверждении типа. Срок действия серти-
фиката устанавливает Госстандарт России при его вы-
даче. Средства измерений, на которые выданы серти-
фикаты об утверждении типа, подлежат государствен-
ной регистрации в Государственном реестре средств из-
мерений. Заявитель обеспечивает нанесение Знака ут-
верждения типа средств измерений на средства изме-
рений, тип которых утвержден, и на эксплуатационную
документацию, сопровождающую каждый экземпляр.
Если из-за особенностей конструкции нецелесообраз-
но наносить Знак утверждения типа на средство изме-
рений, допускается его нанесение только на эксплуата-
ционные документы.
В соответствии с международными соглашениями,
заключенными Россией с другими странами, Госстан-
дартом России может быть принято решение о призна-
нии результатов испытаний или утверждения типа, что
является основанием для внесения типа импортируе-
мых средств измерений в Государственный реестр и их
применения в Российской Федерации. Испытания на
соответствие средств измерений утвержденному типу
проводят при наличии информации от потребителей
об ухудшении качества выпускаемых или импортируе-
мых средств измерений; при внесении в их конструк-
цию или технологию изготовления изменений, влияю-
щих на их нормированные метрологические характе-
ристики; при истечении срока действия сертификата
об утверждении типа; по решению Госстандарта Рос-
сийской Федерации при постановке на производство
средства измерений изготовителем. Испытания
средств измерений на соответствие утвержденному ти-
пу проводят также в случае выдачи лицензии на право
производства средств измерений предприятию, не яв-
ляющемуся изготовителем образцов средств измере-
ний, по результатам испытаний которых утвержден их
тип. Во ВНИИМС разработана нормативная база испы-
таний и утверждения типа средств измерений, которая
гармонизирована с международным документом
МОЗМ № 19 „Испытания и утверждение типа средств
измерений".
Литература:
1. Закон Российской Федерации „Об обеспечении един-
ства измерений".
2. ПР 50.2.009-94. Правила по метрологии. ГСИ. Поря-
док проведения испытаний и утверждения типа СИ.
3. ПР 50.2.010-94. Правила по метрологии. ГСИ. Требо-
вания к государственным центрам испытаний СИ и порядок
их аккредитаций.
4. ПР 50.2.011-94. Правила по метрологии. ГСИ. Поря-
док ведения государственного реестра средств измерений.
5. МД МОЗМ № 19 Испытания и утверждение типа
средств измерений, 1998.
В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин
771
Взаимное признание результатов испытаний и
утверждения типа средств измерений
Процедура испытаний средств измерений, проводи-
мых с целью утверждения типа, также как и поверка —
традиционный вид деятельности государственных мет-
рологических служб развитых в промышленном отно-
шении стран. Это обусловлено тем, что во всех странах
средства измерений относят к виду продукции, за раз-
работкой, производством и эксплуатацией которой осу-
ществляется ГМКН. Наличие специфических законода-
тельных требований к средствам измерений, с одной
стороны, обуславливает наличие барьеров для товаро-
обмена измерительной техникой, в первую очередь, из-
за необходимости дублировать метрологической служ-
бой страны-импортера испытания и поверку, проведен-
ные в стране-экспортере. С другой стороны, вследствие
сходства этих требований, создаются предпосылки для
развития работ по взаимному признанию результатов
испытаний и поверки средств измерений на междуна-
родном уровне. При этом, учитывая особенности нацио-
нальных законодательств большинства стран, междуна-
родное сотрудничество в этой области может осущест-
вляться лишь на уровне государственных метрологиче-
ских служб стран-партнеров. Решая вопрос о взаимном
признании результатов испытаний, утверждения типа
и поверки средств измерений, государственные метро-
логические службы не стремятся получить равные вы-
годы. Одна из сторон желает способствовать ускорению
внедрения современных средств измерений, а другая —
увеличению объема торговли и повышению конкурен-
тоспособности на мировом рынке. Такое различие в под-
ходах к решению этой проблемы не создает препятст-
вий к проведению работ по взаимному признанию ре-
зультатов испытаний и поверки средств измерений, так
как каждая сторона преследует общую цель — сокраще-
ние или устранение технических барьеров в междуна-
родной торговле между странами, даже если прибыли
и выгоды неравноценны. Кроме упрощения товарооб-
мена и сокращения затрат на повторное проведение ис-
пытаний и поверки средств измерений в стране-импор-
тере, взаимное признание их результатов способствует
ускорению выпуска в обращение импортируемых при-
боров, установлению рациональной номенклатуры из-
мерительного парка стран-партнеров, унификации тех-
нических требований к взаимопоставляемой измери-
тельной технике и внедрению в странах единых про-
грессивных методов контроля метрологических харак-
теристик средств измерений. Проблемой взаимного
признания результатов испытаний и поверки средств
измерений страны различных регионов начали зани-
маться 20 лет назад не столько вследствие увеличения
товарообмена измерительной техникой, сколько благо-
даря созданию МОЗМ необходимой нормативной базы,
в первую очередь, утверждению международного доку-
мента МОЗМ № 13, в котором даны рекомендации, ка-
сающиеся содержания и порядка заключения междуна-
родных соглашений по этому вопросу. Госстандарт Рос-
сии имеет большой опыт многостороннего (в рамках
СЭВ) и двустороннего сотрудничества в этой области
(на основе соглашений, заключенных с государственны-
ми метрологическими службами Болгарии, Венгрии,
Германии, Кубы, КНДР, Польши, Чехословакии и Фин-
ляндии). Через процедуру взаимного признания в рам-
ках этих соглашений прошло 270 типов средств измере-
ний. На основе этого опыта в сравнительно короткий
период была создана нормативная база, необходимая
для сотрудничества в этой области в рамках СНГ. Руко-
водители органов по стандартизации, метрологии и сер-
тификации государств-участников „Соглашения о прове-
дении согласованной политики в области стандартиза-
ции, метрологии и сертификации” подписали 6.10.1992
„Соглашение о взаимном признании результатов госу-
дарственных испытаний и утверждения типа, метроло-
гической аттестации, поверки и калибровки средств из-
мерений, а также результатов аккредитации лаборато-
рий, осуществляющих испытания, поверку или калиб-
ровку средств измерений”. Подписанное Соглашение
регламентирует, что Договаривающиеся Стороны обла-
дают полной самостоятельностью в деятельности по
ОЕИ, гармонизируя организационно-технические осно-
вы ее с международными и межгосударственными нор-
мами и правилами, и учитывают сохранение действия
стандартов с аббревиатурой „ГОСТ” в качестве межго-
сударственных. В 1994 г. было заключено двустороннее
Соглашение между Госстандартом России и Литовской
службой стандартизации о взаимном признании резуль-
татов испытаний, утверждения типа и калибровки
средств измерений. Это Соглашение разработано с уче-
том рекомендаций МОЗМ, а также норм, регламенти-
рованных в рассмотренном выше многостороннем со-
глашении государственных метрологических служб
стран СНГ. Реализация подписанных соглашений осуще-
ствляется на уровне государственных метрологических
служб. Поэтому заинтересованные производители и по-
требители измерительной техники должны направлять
соответствующие предложения непосредственно в го-
сударственные метрологические службы.
Литература:
1. Закон Российской Федерации „Об обеспечении един-
ства измерений”.
2. ПР 50.2.009-94. Правила по метрологии. ГСИ. Поря-
док проведения испытаний и утверждения типа СИ.
3. ПР 50.2.010-94. Правила по метрологии. ГСИ. Требо-
вания к государственным центрам испытаний СИ и порядок
их аккредитаций.
4. ПР 50.2.011-94. Правила по метрологии. ГСИ. Поря-
док ведения государственного реестра средств измерений.
5. МД МОЗМ № 19, 1998.
В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин
т
Государственный реестр средств измерений
Государственный реестр средств измерений предназначен для регист-
рации утвержденных типов средств измерений. Государственный реестр
средств измерений ведется в целях учета средств измерений утвержден-
ных типов и создания централизованных фондов информационных дан-
ных о средствах измерений, допущенных к производству, выпуску в обра-
щение и применению в Российской Федерации; учета выданных серти-
фикатов об утверждении типа средств измерений и аттестатов
аккредитованных ГЦИ СИ; регистрации аккредитованных ГЦИ СИ; уче-
та типовых программ испытаний средств измерений для целей утвержде-
ния типа; организации информационного обслуживания заинтересован-
ных юридических и физических лиц, в том числе национальных метроло-
гических служб стран, принимающих участие в сотрудничестве по
взаимному признанию результатов испытаний и утверждения типа средств
измерений. Ведение Государственного реестра возложено на ВНИИМС.
Руководство и контроль за ведением Государственного реестра осуществ-
ляет Госстандарт России. Государственный реестр Российской Федерации
включает в себя все типы средств измерений, утвержденные Госстандар-
том СССР на 01.01.1992 и средства измерений, утвержденные Госстандар-
том России.
Литература:
1. Закон Российской Федерации „Об обеспечении единства измерений".
2. ПР 50.2.009-94. Правила по метрологии. ГСИ. Порядок проведения испыта-
ний и утверждения типа СИ.
3. ПР 50.2.011-94. Правила по метрологии. ГСИ. Порядок ведения государст-
венного реестра средств измерений.
В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин
Знак утверждения типа средств измерений
Знак утверждения типа средств измерений наносят на средство изме-
рений утвержденного типа и на эксплуатационные документы, сопровож-
дающие каждый экземпляр.
В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин
773
Сертификация средств измерений
На основании полномочий, предоставленных
Законом Российской Федерации „О сертифика-
ции продукции и услуг", Госстандарт России за-
регистрировал в Государственном реестре под
Л!» РОСС RU.0001.04CEOO Систему добровольной
сертификации средств измерений Методологиче-
ской основой построения Системы сертификации
средств измерений (Системы) и Российской системы
калибровки являются НД ИСО, МЭК, ИЛАК, Систе-
мы сертификации ГОСТ Р и Систс мы сертификатов
МОЗМ. Основными целями и задачами Системы яв-
ляются создание условий для деятельности предпри-
ятий, учреждений, организаций и предпринимателей
на едином товарном рынке Российской Федерации, а
также для участия в международном экономическом,
научно-техническом сотрудничестве и международ-
ной торговле; содействие потребителю в компетент-
ном выборе средств измерений; содействие экспорту
и повышение конкурентоспособности измеритель-
ной техники; защита потребителя от недобросовест-
ности изготовителя (продавца, исполнителя) средств
измерений; проверка обеспеченности средств изме-
рений методиками калибровки для передачи разме-
ров от утвержденных Госстандартом России эталонов;
подтверждение показателей качества средств измере-
ний, заявленных изготовителями.
Организационную структуру Системы образуют
Центральный орган Системы — Управление метроло-
гии Госстандарта России; Координационный Совет;
Апелляционный комитет; научно-методический
центр Системы — ВНИИМС; органы по сертифика-
ции.
Система сертификации средств измерений преду-
сматривает:
— добровольную сертификацию средств измере-
ний на соответствие метрологическим нормам и пра-
вилам по всем видам измерений;
— разработку, ведение и актуализацию НД, устанав-
ливающих метрологические нормы и правила для
средств измерений;
— разработку, ведение и актуализацию типовых
программ испытаний для целей сертификации
средств измерений;
— апробирование и утверждение в процессе сер-
тификации методик калибровки средств измерений,
а также подготовку предложений по межкалибровоч-
ным интервалам;
— аттестацию МВИ с помощью сертифицирован-
ных средств измерений;
— создание разветвленной сети аккредитованных
по видам измерений органов по сертификации
средств измерений и испытательных лабораторий
(центров) конкретных групп средств измерений;
— осуществление сотрудничества с национальны
ми метрологическими службами стран по взаимному
признанию аккредитации органов, лабораторий (цен
трое), сертификатов соответствия, Знаков соответст-
вия, а также результатов сертификации средств изме-
рений.
Система является открытой для вступления и уча-
стия в ней юридических лиц. Система предусматри-
вает свободный доступ изготовителям, обществен-
ным организациям, органам по сертификации, испы-
тательным лабораториям, а также всем другим
заинтересованным предприятиям, организациям и
отдельным лицам к информации о деятельности в
Системе, ее правилах, участниках, результатах аккре-
дитации, сертификации и т.д. Система обеспечивает
конфиденциальность информации, составляющей
коммерческую тайну. Сертификацию средств измере-
ний проводят по III, IV или V схемам классификации
ИСО. В связи с особенностями конкретных средств
измерений могут использоваться другие схемы по со-
гласованию с Центральным органом Системы. Серти-
фикацию средств измерений проводят аккредитован
ные органы по сертификации средств измерений по
результатам испытаний, проведенных аккредитован
ними испытательными лабораториями (центрами)
как самостоятельными, так и входящими в состав ор
ганов по сертификации. Испытания средств измере-
ний для целей сертификации проводят аккредитован
ные на техническую компетентность и независимость
испытательные лаборатории (центры) средств изме-
рений. Допускается проводить испытания для целей
сертификации в испытательных лабораториях, аккре-
ди! ованных только на техническую компетентность,
при наличии лицензионного соглашения с органом
по сертификации. Отвез ственность за объективность
испытаний, проведенных в испытательной лаборато-
рии, аккредитованной только на техническую компе-
тентность, несет орган по сертификации, заключив-
ший с ней лицензионное соглашение. Аккредитацию
испытательных лабораторий (центров) средств изме-
рений проводят в соответствии с Правилами по мет-
рологии ПР 50.02.010-94. При аккредитации испыта-
тельной лаборатории (центра) выдается аттестат ак-
кредитации с приложением к нему, устанавливающим
область аккредитации. Аккредитацию органов по сер-
тификации осуществляет Центральный орган Систе-
мы. ГЦИ СИ и испытательные лаборатории (центры),
аккредитованные в Системе испытаний и утвержде-
ния типа средств измерений, дополнительным
----- - 774 ........... —
проверкам в соответствующей области аккредитации
в Системе сертификации средств измерений могут не
подвергаться. Сертификат соответствия выдается
Заявителю Центральным органом Системы или орга-
ном по сертификации на основе лицензионного со-
глашения с Центральным органом Системы. Срок дей-
ствия сертификата соответствия устанавливается вы-
давшим его органом. Инспекционный контроль за
деятельностью аккредитованных органов по серти-
фикации организует Центральный орган Системы.
Порядок проведения сертификации в общем случае
включает представление Заявителем в Центральный
орган заявки на проведение сертификации; рассмот-
рение заявки и принятие по ней решения; направле-
ние Заявителю решения по заявке; проведение испы-
таний; сертификацию производства или системы ка-
чества, если это предусмотрено принятой схемой сер-
тификации; анализ полученных результатов и приня-
тие решения о возможности выдачи сертификата со-
ответствия; регистрацию материалов испытаний и
выдачу сертификата соответствия; информацию о ре-
зультатах сертификации.
Литература:
1. МИ 2277-93 Рекомендация. ГСИ. Сертификация
средств измерений. Основные положения и порядок прове-
дения работ.
2. МИ 2278-93 Рекомендация. ГСИ. Сертификация
средств измерений. Органы по сертификации. Порядок ак-
кредитации.
3. МИ 2279-93 Рекомендация. ГСИ. Система сертифика-
ция средств измерений. Порядок ведения реестра системы.
В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин
—————— 775 .—
Аккредитация головных и базовых организаций
метрологической службы
Аккредитация головных и базовых организаций
метрологической службы — это официальное призна-
ние технической компетентности в осуществлении
функций головной (базовой) организации в области
ОЕИ и в проведении других метрологических работ,
определенных положением об аккредитуемой органи-
зации, в соответствии с требованиями действующего
законодательства РФ, закона РФ „Об обеспечении
единства измерений1*, стандартов и других ИД по
ОЕИ. Головные и базовые организации метрологиче-
ской службы определяются положением о метрологи-
ческой службе федеральных органов государственной
власти и объединений юридических лиц из числа ве-
дущих научно-производственных (производствен-
ных) объединений, научно-исследовательских, про-
ектно-конструкторских и технологических организа-
ций. Головная организация создается для выработки
и проведения единой технической политики и коор-
динации работ в области ОЕИ в отрасли или иных об-
ластях деятельности, закрепленных за соответст-
вующим федеральным органом, или объединением
юридических лиц, которому подчинена головная ор-
ганизация. Базовая организация назначает ся для вы-
полнения работ по ОЕИ в подотрасли или закреплен
ных областях деятельности. Работы по аккредитации
головных и базовых организаций проводятся с 1979 г.
В настоящее время аккредитация проводится в соот-
ветствии с правилами по метрологии ПР 50.2.008
„ГСИ. Порядок аккредитации головных и базовых ор-
ганизаций метрологической службы государственных
органов управления Российской Федерации и объе-
динений юридических лиц“. Аккредитацию головных
и базовых организаций метрологической службы про-
водят федеральные органы исполнительной власти
(ФОИВ) РФ или объединения юридических лиц, на-
значившие эти организации, с привлечением спепиа
листов ГНМЦ и органов ГМС. Научно-методическое
руководство работами по аккредитации головных и
базовых организаций осуществляет ВНИИМС. Толов-
ные и базовые организации подвергаются первичной,
периодической и внеочередной аккредитации. Пер-
вичная аккредитация проводится для определения
технической компетентности и соответствия деятель-
ности вновь утверждаемых головных и базовых орга-
низаций поставленным перед ними задачам. Перио-
дическая аккредитация проводится систематически
с целью контроля за деятельностью головных и базо-
вых организаций. Внеочередная аккредитация прово-
дится при выявлении серьезных нарушений в дея-
тельности головных и базовых организаций или при
изменении функций и объема работ ранее аккреди-
тованных организаций. Аккредитацию рекомендует-
ся проводить не реже одного раза в пять лет. Перио-
дичность аккредитации устанавливает ФОИВ или
объединение юридических лиц, назначившие голов-
ную (базовую) организацию. Работа по аккредитации
головных и базовых организаций проводится комис-
сиями, назначаемыми ФОИВ или объединениями
юридических лиц. В состав комиссии по аккредита-
ции включают; представителей службы главного мет-
ролога центрального аппарата ФОИВ или объедине-
ний юридических лиц; специалистов ГНМЦ или ор-
ганов ГМС; специалистов других головных или
базовых организаций отрасли, при необходимости
представителей заказчика; главных метрологов веду-
щих предприятий отрасли (подотрасли). Комиссия в
ходе аккредитации проверяет фактическое состояние
дел и устанавливает наличие положения о головной
(базовой) организации, утвержденного в установлен-
ном порядке, и соответствие установленных в нем
требований к головной (базовой) организации, опре-
деленным в Положении о метрологической службе
федерального органа государственной власти или
объединения юридических лиц и правилах по метро-
логии ПР 50-732 „ГСИ. Типовое положение о метро-
логической службе государственных органов управле-
ния Российской Федерации и юридических лиц“; на-
личие приказа о назначении главного метролога
головной (базовой) организации; соответствие фак-
тической структуры метрологической службы струк-
туре, утвержденной в положении о головной (базо-
вой) организации; наличие в тематическом плане ор-
ганизации перспективных и текущих планов работ по
совершенствованию метрологического обеспечения
отрасли (подотрасли), в том числе по повышению
уровня работ по метрологическому обеспечению на
прикрепленных предприятиях; соответствие выпол-
няемых головной (базовой) организацией работ зада-
чам и обязанностям, определенным положением о
ней; наличие условий, обеспечивающих техническую
компетентность организации в осуществлении функ-
ций головной (базовой) организации (в том числе
укомплектованность подразделений специалистами,
имеющими профессиональную подготовку, квалифи-
кацию и опыт в выполняемых головной (базовой) ор-
ганизацией работах; оснащенность организации не-
обходимыми СИ и их состояние); наличие НД, регла-
ментирующих различные направления деятельности
головной (базовой) организации; состояние реализа-
ции мероприятий по совершенствованию деятельно-
сти организации, необходимость которых отмечена
в протоколе предыдущей аккредитации. Результаты
аккредитации оформляются актом, в котором отра-
жают выводы по каждому направлению работ, общие
замечания и предложения по совершенствованию дея-
тельности организации. Акт должен содержать кон-
кретные сроки устранения недостатков в деятельно-
сти организации, общую оценку деятельности голов-
ной (базовой) организации, решение комиссии о
соответствии или несоответствии головной (базовой)
организации предъявляемым к ней требованиям и
срок проведения следующей аккредитации. Результа-
ты аккредитации считаются положительными, если
в ходе работы подтверждена техническая компетент-
ность и способность аккредитуемой организации
обеспечить полноту и правильность проведения воз-
ложенных на организацию работ. По результатам ак-
кредитации ФОИВ РФ или объединение юридиче-
ских лиц выдает головной (базовой) организации мет-
рологической службы аттестат аккредитации. По
окончании работы комиссии материалы аккредита-
ции направляются для регистрации соответственно
во ВНИИМС или ВНИИФТРИ (по закрепленным за
ВНИИФТРИ метрологическим службам ФОИВ. Дей-
ствие аттестата аккредитации может быть отменено
ФОИВ или объединением юридических лиц досроч-
но при выявлении несоответствия деятельности ор-
ганизации требованиям, предъявляемым в Положе-
нии о ней. В случае реорганизации ФОИВ или объе-
динений юридических лиц при подтверждении их
правоприемниками статуса аккредитованных голов-
ных и базовых организаций метрологической служ-
бы, аттестаты аккредитации этих организаций долж-
ны быть перерегистрированы. О факте перерегист-
рации следует уведомить Госстандарт России. По
материалам аккредитации ВНИИМС и ВНИИФТРИ
ведут регистрацию головных и базовых организаций
метрологической службы (объединений юридических
лиц) и создают справочно-информационные фонды
деятельности головных и базовых организаций.
Е.А. Заец, И.П. Канаева
- 777 " -- --------------
Аккредитация метрологических служб
юридических лиц на право аттестации методик
выполнения измерений и проведения
метрологической экспертизы документов
Аккредитация метрологических служб юридиче-
ских лиц на право аттестации методик выполнения из-
мерений и проведения метрологической экспертизы
документов — это проверка и официальное признание
компетентности метрологической службы юридиче-
ского лица при проведении таких работ. Работы по ак-
кредитации ведутся, начиная с 1994 г., в соответствии
с ПР 50.2.013. С введением с 01.07.98 ГОСТ Р 8.563
„ГСИ. Методики выполнения измерений" аттестацию
МВИ, применяемых в сферах распространения
ГМКН, имеют право проводить только аккредитован-
ные метрологические службы юридических лиц (на-
ряду с ГНМЦ, органами ГМС Госстандарта России и
32 ГНИИИ Минобороны России). Аккредитация мет-
рологических служб на право проведения метрологи-
ческой экспертизы является добровольной. Аккреди-
тация метрологических служб юридических лиц (в том
числе головных и базовых организаций метрологиче-
ской службы ФОИВ) на право аттестации МВИ и про-
ведения метрологической экспертизы документов осу-
ществляется по их инициативе ГНМЦ, органами ГМС
Госстандарта России или 32 ГНИИИ Минобороны Рос-
сии (в сфере обороны и безопасности). Проведение
аккредитации организаций ГССО или других структур-
ных подразделений организаций, основное содержа-
ние деятельности которых и заявляемая область аккре-
дитации связаны с проведением работ по СО, на право
проведения метрологической экспертизы техниче-
ской документации, предназначенной для изготовле-
ния, аттестации и применения СО, осуществляется Го-
ловной организацией ГССО — УНИИМ. При аккреди-
тации метрологических служб проверяется наличие
условий, обеспечивающих необходимый уровень ра-
бот метрологической службы в заявленной области ак-
кредитации в соответствии Положением о метроло-
гической службе. Аккредитация метрологических
служб допускается при наличии следующих условий:
наличие аттестованных метрологической службой
МВИ, отчетов по соответствующим НИР, иных мате-
риалов по вопросам аттестации в заявленной области
аккредитации; наличие экспертных заключений по до-
кументам категорий, указанных в заявленной области
аккредитации; внедрение в практику метрологической
экспертизы основных положений НД Госстандарта
России по проведению метрологической экспертизы;
наличие оборудования (средств измерений, контроля,
испытаний, эталонов, стандартных образцов), необ-
ходимого для проведения работ по аттестации МВИ в
заявленной области; наличие стандартов и других НД
по ОЕИ, других НД в области деятельности аккреди-
туемой организации; наличие стандартов предпри-
ятия, регламентирующих деятельность метрологиче-
ской службы юридического лица в заявленной облас-
ти аккредитации; наличие достаточного по количест-
ву и квалификации персонала, имеющего профессио-
нальную подготовку и опыт работ не менее трех лет в
заявленной области аккредитации; наличие помеще-
ний для проведения метрологических работ по атте-
стации МВИ, соответствующих по площади, состоя-
нию и условиям (температуре, влажности, освещенно-
сти, виброизоляции, снабжению водой, теплом,
хладагентом и т.д.), санитарным нормам, требовани-
ям выполнения измерений, поверки и калибровки. Все
средства измерений, контроля, испытаний, эталоны,
стандартные образцы состава и свойств веществ и ма-
териалов, химические реактивы должны содержаться
в условиях, обеспечивающих их полную сохранность.
Каждая единица средств измерений, контроля, испы-
таний, эталонов, стандартных образцов состава и
свойств веществ и материалов, испытательного обо-
рудования, используемая для аттестации МВИ, долж-
на быть учтена. Сотрудники, непосредственно участ-
вующие в проведении аттестации МВИ и метрологи-
ческой экспертизы документов, должны знать формы
представления результатов измерений, характеристи-
ки погрешности измерений и формы их представле-
ния для всех возможных случаев применения, а также
способы использования характеристик погрешностей
измерений для определения характеристик погрешно-
стей испытаний и достоверности контроля парамет-
ров продукции, выполняемых с помощью измерений.
Такие специалисты должны быть аттестованы в каче-
стве экспертов в порядке, установленном 1осстандар-
том России. В течение срока действия аттестата аккре-
дитации аккредитующая организация осуществляет
инспекционный контроль за деятельностью аккреди-
тованной метрологической службы. На ВНИИМС воз-
ложено ведение Реестра аккредитованных метрологи-
ческих служб на право аттестации МВИ и проведения
метрологической экспертизы документов. Реестр со-
держит адрес аккредитованной организации, область
аккредитации, аккредитующую организацию, сведе-
ния об инспекционном контроле. Материалы аккреди-
тации, проведенной любой аккредитующей организа-
цией, поступают во ВНИИМС на экспертный кон-
троль. Экспертный контроль позволяет проводить
определенную унификацию областей аккредитации,
излагаемых аккредитующими организациями в произ-
вольной форме, и исключить возможность включения
в область аккредитации МВИ, в аттестации которых
у метрологической службы нет достаточного опыта
или необходимого оборудования. ВНИИМС после
— —— — - 778
проведения экспертного контроля присваивает номер
аттестату аккредитации и заносит его в Реестр. Разра-
ботанное ВНИИМС Положение о формировании, ве-
дении и издании Федерального реестра методик
выполнения измерений, применяемых в сферах рас-
пространения ГМКН, предусматривает включение
Реестра аккредитованных метрологических служб в ка-
честве раздела в Федеральный реестр. Формирование
и ведение Федерального реестра позволяет организо-
вать информационное обслуживание заинтересован-
ных юридических и физических лиц об аттестованных
МВИ и метрологических службах юридических лиц,
аккредитованных на право аттестации МВИ.
Е.А. Зоей,, И.П. Канаева
....- 779 ' --
Аккредитация на право поверки средств
измерений
Аккредитация на право поверки средств измере-
ний — процедура, имеющая своей целью официальное
признание компетенции и полномочий аккредитуе-
мых организаций в проведении поверки средств из-
мерений. На основании требований Закона РФ „Об
обеспечении единства измерений" поверку осущест-
вляют органы ГМС и метрологические службы юри-
дических лиц, аккредитованные Госстандартом Рос-
сии. Работа по аккредитации метрологических служб
юридических лиц на право поверки средств измере-
ний началась в России с 1994 г., когда были аккреди-
тованы первые 4 метрологические службы. С 1997 г.
началась аналогичная работа по аккредитации на тех-
ническую компетентность в области поверки ГНМЦ
и органов ГМС Госстандарта России. В отличие от
юридических лиц в данном случае отсутствует необ-
ходимость в официальном признании полномочий,
однако, определение области аккредитации нуждает-
ся в официальном подтверждении. Процедуры аккре-
дитации в основных чертах совпадают. В числе основ-
ных требований к аккредитуемым метрологическим
службам можно назвать следующие: наличие системы
обеспечения качества выполнения поверочных ра-
бот; наличие соответствующего объему предполагае-
мых работ и номенклатуре поверяемых средств изме-
рений числа сотрудников, аттестованных в качестве
поверителей; наличие необходимых рабочих этало-
нов и вспомогательного оборудования; наличие поме-
щений, обеспечивающих необходимые условия для
поверки средств измерений.
Процедура аккредитации включает два основных
вида работ: экспертизу документов, представленных
метрологической службой и проверку комиссией ре-
ального состояния аккредитуемой метрологической
службы. По завершении комплекса работ по аккреди-
тации формируется документ, носящий название „Об-
ласти аккредитации", содержащий перечень групп
средств измерений, поверку которых имеет возмож-
ность осуществлять аккредитуемая метрологическая
служба. Документом, официально подтверждающим
компетентность и полномочия аккредитованной мет-
рологической службы, является аттестат аккредита-
ции, выдаваемый Госстандартом России. Для метроло-
гических служб юридических лиц устанавливаются
ограничения на сферу действия аттестата аккредита-
ции, то есть ограничивается перечень владельцев
средств измерений, для которых может осуществлять
поверку аккредитованная метрологическая служба
(например, для собственных нужд, для нужд предпри-
ятий, входящих в систему одной организации или ве-
домства, и т.д.). Для органов ГМС подобные ограни-
чения не устанавливаются. За деятельностью аккре-
дитованных метрологических служб осуществляется
регулярный контроль со стороны Госстандарта Рос-
сии и его органов.
Литература:
1. ПР 50.2.014 ГСИ. Правила проведения аккредитации
метрологических служб юридических лиц на право поверки
средств измерений.
2. ПР 50.2.012 ГСИ. Порядок аттестации поверителей
средств измерений.
Ю.Е. Лукашов, М.Г. Шаронов
780
Российская система аккредитации
аналитических лабораторий (центров)
Система аккредитации аналитических лаборато-
рий (центров) (далее — СДАЛ) введена в действие по-
становлением Госстандарта России (№ 19 от
2.12.1992 г.) с 1 апреля 1993 г. для проведения работ
по аккредитации лабораторий (центров) независимо
от их ведомственной принадлежности как один из
важнейших элементов Государственной системы обес-
печения единства измерений.
Разработанная с учетом метрологических норм и
правил, СААЛ призвана обеспечить единство и точ-
ность измерений показателей химического состава ве-
ществ и материалов, достоверность их сертификаци-
онных испытаний и аналитического контроля в целом.
Самостоятельный статус СААЛ как подсистемы
Системы аккредитации измерительных лабораторий
продиктован спецификой измерений показателей хи-
мического состава и физико-химических свойств ве-
ществ и материалов, осуществляемых путем проведе-
ния количественного химического анализа (КХА), и
особенностями их метрологического обеспечения.
Эти измерения широко распространены в про-
мышленном производстве, сельском хозяйстве, здра-
воохранении, охране окружающей среды, в научных
исследованиях и при осуществлении товарообмена и
научно-технического сотрудничества между страна-
ми.
Специфика этой области измерений обусловлена
влиянием матрицы пробы вещества, физико-химиче-
ских факторов пробы на результаты измерений опре-
деляемых компонентов, сложностью процедур устра-
нения и учета этого влияния; отсутствием (имеющих-
ся в других видах измерений) эталонов, необходимых
в достаточном количестве универсальных образцовых
средств измерений и, прежде всего, — стандартных об-
разцов, поверочных схем; отсутствием разработанных
методик анализа для ряда объектов и показателей, под-
лежащих контролю, крайне неудовлетворительным
метрологическим уровнем действующих методик КХА,
особенно применяемых в сферах природоохранного
аналитического контроля, в здравоохранении, при
сертификационных испытаниях пищевых продуктов
и продовольственного сырья (ПП и ПС); необходимо-
стью проведения процедур контроля точности полу-
чаемых результатов КХА с целью обеспечения досто-
верности аналитической информации.
За прошедшее время СААЛ сформирована и дей-
ствует по установленным правилам.
Организационная структура СААЛ представлена
на рис. 1.
Решение научно-методических вопросов функцио-
нирования СААЛ возложено на Уральский НИИ мет-
рологии.
Документы, определяющие организационную ос-
нову функционирования СААЛ, представлены на
рис. 2.
Согласно правилам СААЛ, аккредитацию лабора-
торий общегосударственных служб, осуществляющих
аналитические измерения для целей государственно-
го контроля и надзора, проводят во взаимодействии
с соответствующими органами государственного кон-
троля и надзора. Учитывая государственный статус ла-
бораторий этой группы, специфику организации ра-
бот, межотраслевой характер их деятельности, были
разработаны самостоятельные документы по аккре-
дитации лабораторий Минприроды России, Росги-
дромета, конкретизирующие правила СААЛ примени-
тельно к лабораториям вышеуказанных государствен-
ных служб (рис. 2).
СААЛ предусматривает деятельность, связанную
с признанием технической компетентности лабора-
торий в проведении КХА с требуемой точностью, ес-
ли нормы погрешности результатов измерений зада-
ны, или с точностью, гарантируемой методиками КХА
при их реализации в аккредитуемых лабораториях.
Правила СААЛ, основанные на реализации прин-
ципов, норм, правил, требований и процедур Систе-
мы обеспечения единства измерений, устанавливают
жесткие требования к аккредитуемым лабораториям:
— в аккредитованной лаборатории должно быть
обеспечено единообразие используемых средств из-
мерений (СИ) при их эксплуатации и ремонте в соот-
ветствии с требованиями нормативных документов
государственной системы обеспечения единства из-
мерений (ГСИ);
— документы, регламентирующие методики КХА,
должны соответствовать требованиям ГОСТ Р 8.563
„ГСИ. Методики выполнения измерений" и содер-
жать информацию о характеристиках погрешности
методик и нормативах их контроля при реализации
методик КХА;
— применяемые для метрологического обеспече-
ния СИ и методик КХА стандартные образцы (СО)
должны отвечать требованиям МС ГОСТ 8-315 „ГСИ.
Стандартные образцы состава и свойств веществ и ма-
териалов. Основные положения", аттестованные сме-
си — требованиям МИ 2334-95 „ГСИ. Смеси аттесто-
ванные. Порядок разработки, аттестации и примене-
ния";
— в аккредитованной лаборатории должна функ-
ционировать система обеспечения качества КХА, при
этом процедуры обеспечения качества КХА, в том чис-
ле контроля точности результатов КХА и проведения
корректирующих воздействий, должны быть регла-
ментированы „Руководством по качеству";
— 781
— установление технической компетентности ла-
бораторий должно предусматривать проведение экс-
периментальной проверки качества проведения КХА
как на стадии ее непосредственной аккредитации, так
и в процессе инспекционного контроля.
Критериями аккредитации лабораторий в СДАЛ
являются:
— наличие условий, обеспечивающих техническую
компетентность лабораторий в заявленной области
аккредитации, и их соответствие правилам СААЛ;
— положительные результаты экспериментальной
проверки качества проведения КХА.
В соответствии с правилами СААЛ аккредитация
лабораторий предусматривает последующий, в тече-
ние всего срока действия аттестата аккредитации, ин-
спекционный контроль за аккредитованными лабора-
ториями, организуемый аккредитующим органом.
Необходимость обоснованности процедур призна-
ния технической компетентности аккредитуемых ла-
бораторий привела к регламентации правилами СА-
АЛ принципа взаимной увязки: нормативной докумен-
тации (НД) на объект испытаний, регламентирующей
показатели безопасности и качества; НД на методи-
ки измерений (испытаний) этих показателей; требо-
ваний к точности измерений нормируемых показате-
лей и фактически обеспечиваемой в НД на методики
их испытаний, используемых средств измерений
(СИ), испытательного оборудования и их метрологи-
ческого обеспечения; стандартных образцов, приме-
няемых для метрологического обеспечения СИ (гра-
дуировки, поверки), и контроля точности результатов
выполняемых измерений, что нашло отражение в раз-
работанных формах Паспорта для аккредитуемых ла-
бораторий.
Для методического обеспечения СААЛ Уральским
НИИ метрологии разработан комплекс документов
различного уровня, регламентирующих: алгоритмы
оценивания характеристик погрешности методик
КХА, порядок разработки и аттестации на предпри-
ятиях стандартных образцов, аттестованных смесей;
формы и алгоритмы проведения контроля качества
результатов КХА; методы оценивания основных мет-
рологических характеристик аналитических прибо-
ров и комплексов при их испытаниях; рекомендации
по проверке технической компетентности лаборато-
рии и составлению программы экспериментальной
проверки качества их работы и т.д. (см. рис. 2).
Специфика количественного химического анали-
за предопределила в системе функциональных звень-
ев его метрологического обеспечения ведущее место
СО как средствам испытаний, градуировки, поверки
аналитических приборов и комплексов, метрологиче-
ской аттестации методик КХА и контроля точности по-
лучаемых по ним результатов анализа. Особая роль от-
водится СО при проведении экспериментальной про-
верки качества выполнения КХА как на стадии
аккредитации лабораторий, так и в процессе инспек-
ционного контроля за их деятельностью. Отсутствие
СО практически не позволяет в практике аналитиче-
ских испытаний иметь объективные критерии призна-
ния технической компетентности аккредитуемых
лабораторий. В связи с этим работам по созданию и
Рис. 1. Структура системы аккредитации аналитических лабораторий (центров)
ДОКУМЕНТЫ, РЕГЛАМЕНТИРУЮЩИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ СИСТЕМЫ АККРЕДИТАЦИИ
АНАЛИТИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ (Центров) (СААЛ)
Основополагающие документы СААЛ:
• Система аккредитации аналитических
лабораторий (центров)"
• РД „Аттестация специализированных
инспекций аналитического контроля
Минприроды РФ и аккредитации
экоаналитических лабораторий"
• РД „Аккредитация лабораторий,
выполняющих измерения в области
мониторинга состояния и загрязнения
окружающей среды"
• „Система аккредитации аналитических
лабораторий (центров). Инспекционный
контроль за деятельностью аккредитованных
аналитических лабора
торий (центров)"
• Соглашения о взаимодействии СААЛ с:
Системой сертификации ГОСТ Р
Системой аккредитации лабораторий -
Госсанэпидслужбы
Системой обязательной сертификации
по экологическим требованиям
Документы, определяющие
организационную основу
функционирования СААЛ:
• „Положение о реестре СААЛ"
• „Положение об аттестационном
Совете СААЛ"
• „Положение о комиссии по
апелляциям СААЛ"
• Инструкция „Требования к
аккредитации органов по аккредитации
аналитических лабораторий (центров)"
Методические документы:
• „Внешний контроль качества результатов
количественного химического анализа"
„Стандартные образцы предприятий. Порядок
разработки, аттестации, утверждения и применения"
„Квалификационные требования к экспертам, порядок
их подготовки и сертификации"
Программа подготовки и обучения экспертов СААЛ
Временный регламент работы эксперта
Методика проведения экспертизы материалов,
представленных с заявкой на аккредитацию
• Рекомендации по установлению расчетных значений
характеристик погрешности МВИ, включаемых в область
аккредитации
• Рекомендации по заполнению форм паспорта
аккредитованной лаборатории
Типовые образцы форм паспорта для лабораторий,
осуществляющих контроль питьевых, природных,
сточных вод, почв, нефтепродуктов
Типовые образцы Руководства по качеству
экоаналитической, промышленной, „нефтяной"
лаборатории
Типовые образцы приложений к аттестату
аккредитации лабораторий
• Рекомендации по аккредитации лабораторий в
области оценки показателей состава и свойств веществ и
материалов
• Требования к методике проведения работ по
идентификации и качественному анализу
• Типовое заключение о продлении срока действия
аттестата аккредитации по результатам инспекционного
контроля
• Перечень аттестованных МВИ для целей
государственного и производственного экологического
контроля
Перечень НД в области МО КХА
Рис. 2. Документы СААЛ
грамотному применению СО в СААЛ придается серь-
езное значение.
Важнейшим элементом функционирования СААЛ,
направленным на признание результатов ее деятель-
ности, является разработка соглашений о взаимодей-
ствии СААЛ с другими Системами, действующими в
Российской системе аккредитации (см. рис. 2).
Учитывая возрастающий интерес стран СНГ к Рос-
сийской Системе аккредитации аналитических лабо-
раторий и с целью международного признания лабо-
раторий, аккредитованных в Российской СААЛ, в ка-
честве важнейшей поставлена задача разработки
механизма взаимодействия СААЛ с международными
Системами и признания ими лабораторий, аккреди-
тованных в СААЛ.
В.И. Панева
784
Система аккредитации измерительных
лабораторий
Система аккредитации измерительных лаборато-
рий —совокупность измерительных лабораторий, со-
ответствующих общим положениям и конкретным
НД, аккредитованных авторитетным органом и объ-
единенных общими целями, задачами и структурой.
Мировая и отечественная практика доказали, что в
промышленности невозможно обеспечить качество
выпускаемой продукции без должного уровня метро-
логических работ, связанных с ее контролем и испы-
таниями. Поэтому создание системы таких лаборато-
рий, их компетентность — актуальная задача метро-
логов России. Отсюда, развитие и совершенствование
работ по оценке соответствия, т.е. по определению
компетентности юридических и физических лиц в со-
блюдении установленных для продукции, процессов
или услуг требований в различных областях деятель-
ности, немыслимо в РФ без установления метрологи-
ческой компетентности, без метрологической под-
держки, без участия в единой системе ОЕИ. Для раз-
ных участников во всех областях народного хозяйства
степень участия в этой системе различна, но все они
— потребители средств измерений и измерительной
информации, создатели средств измерений, метроло-
ги (от ученого-хранителя эталона до поверителя) объ-
единены в едином процессе — ОЕИ. Под термином
измерительная лаборатория принимается обобщен-
ное понятие, распространяющееся на метрологиче-
ские службы и иные организационные структуры юри-
дических лиц по ОЕИ (поверочные, калибровочные,
испытательные, аналитические, измерительные, экс-
пертные лаборатории, лаборатории радиационного,
экологического, неразрушающего контроля и др.), в
которых осуществляется научно-исследовательская,
организационно-методическая, экспертная, надзор-
ная, техническая или другая деятельность, продуктом
которой является метрологическая продукция или ус-
луга, связанная с обеспечением единства и требуемой
точности измерений, установлением в определенных
условиях действительного значения измеряемой ве-
личины, соблюдением установленных метрологиче-
ских правил и норм, нахождением значений метро-
логических и технических характеристик качества
продукции и услуг, параметров окружающей среды
или определением их соответствия установленным
требованиям и т.п. Основной целью Системы аккре-
дитации измерительных лабораторий (далее — Сис-
тема) является установление общих норм, правил и
процедур, необходимых и достаточных для официаль-
ного признания технической компетентности, объек-
тивности и независимости измерительных лаборато-
рий на основе оценки их соответствия требованиям
нормативных документов Системы, являющегося для
потребителей определенной гарантией в получении
ими надлежащего качества метрологической продук-
ции или услуги. Основными задачами Системы явля-
ются: ОЕИ; создание условий для достоверной оцен-
ки обеспечения качества, конкурентоспособности и
безопасности отечественной продукции; установле-
ние единых требований к технической компетентно-
сти, объективности и независимости измерительных
лабораторий, гармонизированных с требованиями
международных документов по аккредитации; оцен-
ка соответствия измерительных лабораторий установ-
ленным в Системе требованиям с учетом специфики
деятельности измерительных лабораторий в конкрет-
ной области аккредитации; обеспечение воспроизво-
димости результатов измерений (испытаний) и их
объективности и достоверности; установление взаи-
мосвязи Системы с другими действующими в стране
системами аккредитации; содействие установлению
взаимодействия аккредитованных лабораторий с объ-
ектами других систем аккредитации; взаимодействие
с международными организациями по вопросам вза-
имного признания результатов работ, проводимых в
Системе. Метрологическая компетентность юридиче-
ского лица, т.е. его способность выполнять и соблю-
дать все метрологические правила и рекомендации в
конкретном случае является основой для доказатель-
ства достоверности результатов измерений и испы-
таний, что, в свою очередь, обеспечивает объектив-
ность сертификата соответствия на продукцию (про-
цесс, услугу). В рамках Европейского сотрудничества
по аккредитации (ЕА) страна может получить право
на аккредитацию органов по сертификации в рамках
ЕА только после получения такого права на аккреди-
тацию в рамках ЕА калибровочных и испытательных
лабораторий. Разработка общих принципов и правил
проведения работ по аккредитации, гармонизирован-
ных с документами международных и региональных
организаций мирового сообщества, вызвала объек-
тивную необходимость формирования в создаваемой
Российской системе аккредитации (РОСА), помимо
прочих ветвей, практически двух самостоятельных
направлений: аккредитации измерительных лабора-
торий и аккредитации испытательных лабораторий.
В мировой практике из широкого класса „измеритель-
ных лабораторий" выделяется класс „калибровочных
лабораторий", которые совместно с „испытательны-
ми лабораториями" объединены в новой редакции Ру-
ководства ИСО/МЭК 25 „Требования к аккредитации
калибровочных и испытательных лабораторий". Осо-
бенностью нового документа является внесение в не-
785
го требований стандартов ИСО 9001 и 9002, поэтому
при аккредитации лаборатории сертификат будет
иметь силу и сертификата соответствия требовани-
ям ИСО для системы качества. В целях упорядочения
и координации работ по аккредитации лабораторий
в законодательно-регулируемых видах деятельности
и инспекционному контролю приказом Госстандарта
России от 25.03.97 № 77 в рамках РОСА создана Сис-
тема аккредитации измерительных лабораторий.
Большой вклад в ее создание внесли А.И. Асташенков,
В.И. Белоцерковский, Л.К. Исаев, В.М. Лахов,
Н.П. Муравская, В.И. Панева, А.Л. Пятов, В.А. Сково-
родников, М.Г. Шаронов, В.Н. Яншин, В.П. Ярына.
Система предусматривает как аккредитацию на право
проведения испытаний средств измерений с целью ут-
верждения типа и на право проведения поверочных
работ, относящихся к ГМК, так и аккредитацию в та-
ких добровольных видах деятельности, как калибров-
ка средств измерений, проведение аналитических и
других видов измерений, неразрушающий, экологиче-
ский и радиационный контроль и другие виды изме-
рительного контроля. Это следует отметить в связи с
постановкой задачи создания в РОСА межведомствен-
ных систем аккредитации органов по сертификации,
испытательных лабораторий и организаций по подго-
товке экспертов. Органы по сертификации и испыта-
тельные лаборатории системы ГОСТ Р, созданной Гос-
стандартом России в начале 90-х гг., а также организа-
ции по подготовке экспертов для этой системы,
используя накопленный опыт, в условиях рыночной
экономики являются основой создаваемых межведом-
ственных систем аккредитации и опираются на Сис-
тему аккредитации измерительных лабораторий, так
как она гармонизирована с международными требова-
ниями ИСО, МЭК, ИЛАК, ЕАЛ и ЕА, применяет в сво-
ей деятельности международные документы и реко-
мендации МОЗМ, служит гарантом достоверности и
воспроизводимости измерений, выполняемых в Рос-
сии, а также основой для признания мировым сообще-
ством аккредитованных отечественных лабораторий
и организаций, на базе которых они действуют.
Основные положения по организации, структуре
и функциям Системы распространяются на следующие
объекты аккредитации: ГНМ1J; органы ГМС; метроло-
гические службы юридических лиц; лаборатории юри-
дических лиц, занимающиеся измерениями (испыта-
ниями). В сферах распространения ГМКН объекты
Системы могут быть аккредитованы в качестве ГЦИ
СИ на право поверки средств измерений, проведения
аттестации МВИ и экспертизы. Вместе с тем объекты
Системы могут быть аккредитованы в качестве калиб-
ровочной лаборатории; лабораторий неразрушающе-
го, радиационного и экологического контроля; анали-
тической лаборатории, оценивающей показатели со-
става и свойств веществ и материалов; испытательной
лаборатории средств измерений; лаборатории, осуще-
ствляющей измерения параметров различных изме-
ряемых объектов, а также лаборатории, осуществляю-
щей метрологическую деятельность в области исполь-
зования или применения средств измерений. На
начало 1999 гг. в Системе аккредитованы: 41 ГЦИ СИ,
563 метрологических служб юридических лиц на пра-
во поверки и 745 — на право калибровки, 59 — на право
аттестации МВИ и 11 — на право проведения метроло-
гической экспертизы документов, 21 ИЛ СИ, 876 ана-
литических лабораторий, 367 лабораторий радиацион-
ного и 21 лаборатория неразрушающего контроля.
Система является открытой для вступления и участия
в ней юридических лиц и аккредитующих органов в
целях решения ее задач, а также взаимодействия с дру-
гими системами. Она предусматривает свободный дос-
туп изготовителям, общественным организациям,
органам по сертификации, испытательным и измери-
тельным лабораториям, а также всем другим заинте-
ресованным предприятиям, организациям и отдель-
ным лицам к неконфиденциальной информации о сво-
ей деятельности, обеспечивая конфиденциальность
информации, составляющей коммерческую тайну. Ор-
ганизационную структуру Системы Нестандарта Рос-
сии образуют Центральный орган Системы (Управле-
ние метрологии), научно-методический центр Систе-
мы (ВНИИМС), аккредитующие органы и объекты
аккредитации. Центральный орган Системы осущест-
вляет управление и координацию работ; утверждение
основных принципов и правил аккредитации и взаи-
модействие с органами РОСА и Межведомственными
системами по аккредитации; назначение аккредитую-
щих органов и их проверку, а также организаций,
управляющих конкретными подсистемами аккредита-
ции; организацию внутреннего аудита в Системе и рас-
смотрение жалоб и апелляций по вопросам аккреди-
тации; утверждение персонального состава экспертов
для проведения оценки соответствия заявителей
предъявляемым требованиям; установление порядка
оплаты работ по аккредитации и инспекционному кон-
тролю. Научно-методический центр Системы в соот-
ветствии с НД осуществляет: научно-методическое и
техническое руководство работами, включая разработ-
ку основных принципов и правил аккредитации Сис-
темы; подготовку для рассмотрения Центральным
органом проектов правил взаимодействия с другими
системами аккредитации, включая международное вза-
имное признание результатов аккредитации; разработ-
ку правил признания других систем аккреди тации и
общих требований к документам по аккредитации, а
также проверку аккредитующих органов; учет и реги-
страцию аккредитующих органов и подсистем аккре-
дитации. Научно-методический центр публикует ин-
формацию о правилах аккредитации, аккредитующих
органах и системах аккредитации, определяет требо-
вания к экспертам, участвует в организации специаль-
ной подготовки и обучения экспертов, разрабатывает
учебные материалы, программы и порядок оплаты ра-
бот, а также формирования банков данных и инфор-
мационного обеспечения Системы. Научно-методиче-
ский центр Системы осуществляет также предвари-
тельное рассмотрение заявки на аккредитацию,
экспертизу представленных документов, подготовку
экспертного заключения и заключение договоров на
проведение работ по аккредитации; проведение оцен-
ки аккредитуемой измерительной лаборатории с под-
готовкой проектов решений Центрального органа ли-
бо организации, получившей от него полномочия по
аккредитации объектов; регистрацию и учет аккреди-
тованных измерительных лабораторий, организацию
инспекционного контроля за деятельностью аккреди-
тованных измерительных лабораторий; рассмотрение
результатов инспекционного контроля, подготовку
. ..... -. , 78б —,
проектов решений по результатам проверок и публи-
кацию соответствующей информации; создание, веде-
ние и эксплуатацию информационной системы по
аккредитации, включающую всю информацию о дея-
тельности всей Системы. Аккредитующие органы под-
систем, утвержденные Центральным органом, разра-
батывают структуру, принципы, правила и порядок ак-
кредитации объектов на основе общих положений и
требований Системы и осуществляют: реализацию еди-
ной технической политики в области ОЕИ через уста-
новление конкретных требований к аккредитуемым из-
мерительным лабораториям; определение требований
к экспертам в своей подсистеме аккредитации, участие
в организации специальной подготовки и обучения
экспертов по профилю своей сферы деятельности и
рассмотрение жалоб; ведение Реестра экспертов и пе-
редачу их регистрационных данных в Научно-методи-
ческий центр Системы; подготовку экспертного заклю-
чения и заключение договоров на проведение работ
по аккредитации; проведение оценки аккредитуемой
измерительной лаборатории с подготовкой проектов
решений Центрального органа либо организации,
получившей от него полномочия по аккредитации
объектов; регистрацию и учет аккредитованных из-
мерительных лабораторий, выдачу аттестатов с по-
следующей передачей информации в Реестр аккреди-
тованных измерительных лабораторий Научно-мето-
дического центра; организацию инспекционного
контроля за деятельностью аккредитованных измери-
тельных лабораторий; рассмотрение результатов ин-
спекционного контроля, подготовку проектов реше-
ний по результатам проверок и публикацию соот-
ветствующей информации; создание, ведение и
эксплуатацию информационной системы по аккреди-
тации, включающую всю информацию о деятельно-
сти своей подсистемы, необходимую для эффективной
работы всей Системы. Функции, права, обязанности
и ответственность аккредитованных измерительных
лабораторий устанавливаются в НД подсистем, утвер-
ждаемых Госстандартом России.
Литература:
1. Исаев Л.К. Российская система измерений // Изме-
рительная техника. —1993. — №11.
2. Исаев Л.К., Асташенков А.И., Горшков Б.П. — Состоя-
ние и перспективы развития метрологической деятельно-
сти в стране // Законодательная и прикладная метрология.
- 1997. - № 4-5.
А.И. Асташенков, А.Л. Пятов
787
Лицензирование деятельности по
изготовлению, ремонту, продаже и прокату
средств измерений
Лицензирование деятельности по изготовлению,
ремонту, продаже и прокату средств измерений (ли-
цензирование) — мероприятия, связанные с выдачей
лицензий, переоформлением документов, подтвер-
ждающих наличие лицензий, приостановлением и ан-
нулированием лицензий и надзором лицензирующих
органов за соблюдением лицензиатами соответствую-
щих лицензионных требований и условий. Лицензи-
рование является одним из видов государственного
метрологического контроля, регламентированного За-
коном РФ „Об обеспечении единства измерений1'. По-
рядок лицензирования, а также лицензионные требо-
вания и условия, являющиеся совокупностью требова-
ний и условий, выполнение которых лицензиатом
обязательно при осуществлении данного вида деятель-
ности, установлены ПР 50.2.005. Лицензирующими ор-
ганами, осуществляющими лицензирование в соответ-
ствии с Законом, являются органы ГМС, которые
осуществляют также надзор за соблюдением лицензиа-
тами лицензионных требований и условий. Надзор за
соблюдением лицензиатами лицензионных требова-
ний и условий представляет собой систему мер, осу-
ществляемых лицензирующими органами в пределах
их компетенции в целях обеспечения соблюдения ли-
цензиатами соответствующих лицензионных требова-
ний и условий. Лицензиатами могут являться юриди-
ческие лица или индивидуальные предприниматели,
имеющие лицензию на изготовление, ремонт, прода-
жу или прокат средств измерений. В соответствии с
ПР 50.2.005 основанием для выдачи соискателю лицен-
зии — юридическому лицу или индивидуальному пред-
принимателю, обратившемуся в орган ГМС с заявле-
нием о выдаче лицензии, является само заявление, по-
ложительные результаты экспертизы представленных
документов и положительные результаты проверки со-
блюдения лицензионных требований и условий. Ли-
цензия на изготовление средств измерений дает пра-
во лицензиату осуществлять их ремонт, продажу и про-
кат. Осуществление без лицензии деятельности по
изготовлению, ремонту для сторонних организаций,
продаже и прокату средств измерений, входящих в
сферу распространения ГМКН, является администра-
тивным правонарушением и в соответствии с Кодек-
сом РСФСР „Об административных правонарушени-
ях" наказывается штрафом от тридцати до ста мини-
мальных размеров оплаты труда. В соответствии со
ст. 27 Закона лицензирование оплачивается заин-
тересованными лицами в соответствии с условия-
ми заключаемых договоров.
Основные термины и определения. Лицензия
— разрешение (право) на осуществление лицензи-
руемого вида деятельности при обязательном со-
блюдении лицензионных требований и условий,
выданное лицензирующим органом юридическому
лицу или индивидуальному предпринимателю. Ли-
цензируемый вид деятельности — вид деятельно-
сти, на осуществление которого на территории РФ
требуется получение лицензии в соответствии с на-
стоящим Федеральным законом и вступившими в
силу до момента вступления в силу настоящего Фе-
дерального закона иными федеральными закона-
ми. Лицензионные требования и условия — сово-
купность установленных нормативными правовы-
ми актами требований и условий, выполнение
которых лицензиатом обязательно при осуществ-
лении лицензируемого вида деятельности. Лицен-
зирующие органы — федеральные органы государ-
ственной власти, органы государственной власти
субъектов РФ, органы местного самоуправления,
осуществляющие лицензирование в соответствии
с законодательством РФ. Лицензиат — юридиче-
ское лицо или индивидуальный предприниматель,
имеющие лицензию на осуществление конкретно-
го вида деятельности. Соискатель лицензии — юри-
дическое лицо или индивидуальный предпринима-
тель, обратившиеся в лицензирующий орган с за-
явлением о выдаче лицензии на осуществление
конкретного вида деятельности. Надзор за соблю-
дением лицензиатами лицензионных требований
и условий — система мер, осуществляемых лицен-
зирующими органами, государственными надзор-
ными и контрольными органами в пределах их ком-
петенции в целях обеспечения соблюдения лицен-
зиатами при осуществлении лицензируемых видов
деятельности соответствующих лицензионных тре-
бований и условий.
Литература:
1. ПР 50.2.005-94 Правила по метрологии. ГСИ. Поря-
док лицензирования деятельности по изготовлению, ре-
монту, продаже и прокату средств измерений.
Р.И. Генкина, В.А. Сковородников
Правовые основы обеспечения
единства измерений
790
Законодательная метрология
Законодательная метрология (ЗМ) — совокупность
взаимоувязанных и взаимообусловленных метрологи-
ческих правил и норм, направленных на ОЕИ, кото-
рые возводятся в ранг правовых положений уполно-
моченными на то федеральными органами государст-
венной власти и находятся под контролем
государства. ЗМ устанавливает правовые основы дея-
тельности по ОЕИ. Первым метрологическим зако-
нодательным правилом, очевидно, следует считать
библейское изречение из Пятикнижия Моисеева: „13.
В кисе твоей не должны быть двоякие гири, ..., двоя-
кая ефа, ... 15. Гиря ... и ефа у тебя должна быть точ-
ная и правильная, ... 16. Ибо мерзок пред Господом,
Богом твоим, всякий делающий неправду". (Ветхий
Завет, Второзаконие, гл. 25). Первые упоминания о не-
обходимости единообразия мер — одного из аспектов
ЗМ — в Древней Руси встречаются с X в. в церковных
уставах и княжеских грамотах. Развитие научных, пра-
вовых и организационных основ метрологии обусло-
вило качественный скачок в ЗМ — переход от установ-
ления единообразия мер к ОЕИ. Первым норматив-
ным документом, регламентирующим такую
переориентацию, явился ГОСТ 8.000-72 „Государст-
венная система обеспечения единства измерений. Ос-
новные положения", а первым законодательным — по-
становление Совета Министров СССР „Об обеспече-
нии единства измерений в стране" (1983).
Необходимость закрепления основных положений
ОЕИ актом наиболее высокого ранга, определяемая
принципами правового государства, привела к приня-
тию Закона РФ от 27 апреля 1993 г. „Об обеспечении
единства измерений". В его создании активное уча-
стие приняли ученые ВНИИМС Б.П. Горшков, Е.А. За-
ец, Э.Э. Зульфугарзаде, В.П. Кузнецов, Х.О. Малико-
ва, Н.П. Миф, Г.П. Сафаров, В.А. Сковородников,
М.Г. Шаронов, В.Н. Яншин. Закон установил право-
вые основы ОЕИ в РФ и определил свою направлен-
ность на защиту прав и законных интересов граждан,
установленного правопорядка и экономики РФ от от-
рицательных последствий недостоверных результа-
тов измерений.
Принятием Закона практически завершена иерар-
хическая законодательная схема в области О.Е.И:
Во главе схемы (1) — конституционная норма „71
р)“ (Конституция РФ, 1996), которая относит метро-
логическую деятельность к основным видам общего-
сударственной деятельности. В развитие этой нормы
разработан и принят 27 апреля 1993 г. Верховным Со-
ветом РФ Закон РФ „Об обеспечении единства изме-
рений" (2). Постановлением ВС РФ № 4872-1 о введе-
нии в действие этого Закона предусмотрена разработ-
ка постановлений Совета Министров — правительства
РФ по отдельным (реперным) направлениям метро-
логической деятельности (3), в т.ч. постановления
Правительства РФ от 12 февраля 1994 г. № 100 „Об ор-
ганизации работ по стандартизации, обеспечению
единства измерений, сертификации продукций и ус-
луг". Прикладная метрологическая деятельность осу-
ществляется в соответствии с конкретными норма-
тивными, методическими, справочными и информа-
ционными документами по ОЕИ, массив которых
составляет около 2500 наименований (4).
А.И. Асташенков, Г.П. Сафаров, М.Г. Шаронов
791
Закон РФ от 27 апреля 1993 г. № 4871-1
„Об обеспечении единства измерений46
Настоящий Закон устанавливает правовые осно-
вы обеспечения единства измерений в Российской
Федерации, регулирует отношения государственных
органов управления Российской Федерации с юриди-
ческими и физическими лицами по вопросам изготов-
ления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и
импорта средств измерений и направлен на защиту
прав и законных интересов граждан, установленного
правопорядка и экономики Российской Федерации от
отрицательных последствий недостоверных резуль-
татов измерений.
Раздел I. Общие положения
Статья 1. Основные понятия
Для целей настоящего Закона применяются сле-
дующие основные понятия:
— единство измерений—состояние измерений, при
котором их результаты выражены в узаконенных еди-
ницах величин и погрешности измерений не выходят
за установленные границы с заданной вероятностью;
— средство измерений — техническое устройство,
предназначенное для измерений;
— эталон единицы величины — средство измере-
ний, предназначенное для воспроизведения и хране-
ния единицы величины (или кратных, либо дольных
значений единицы величины) с целью передачи ее раз-
мера другим средствам измерений данной величины;
— государственный эталон единицы величины —
эталон единицы величины, признанный решением
уполномоченного на то государственного органа в ка-
честве исходного на территории Российской Федера-
ции;
— нормативные документы по обеспечению един-
ства измерений — государственные стандарты, приме-
няемые в установленном порядке международные (ре-
гиональные) стандарты, правила, положения, инструк-
ции и рекомендации;
— метрологическая служба — совокупность субъек-
тов деятельности и видов работ, направленных на обес-
печение единства измерений;
— метрологический контроль и надзор — деятель-
ность, осуществляемая органом Государственной мет-
рологической службы (государственный метрологиче-
ский контроль и надзор) или метрологической служ-
бой юридического лица в целях проверки соблюдения
установленных метрологических правил и норм;
— поверка средства измерений — совокупность опе-
раций, выполняемых органами Государственной мет-
рологической службы (другими уполномоченными на
то органами, организациями) с целью определения и
подтверждения соответствия средства измерений ус-
тановленным техническим требованиям;
— калибровка средства измерений — совокупность
операций, выполняемых с целью определения и под-
тверждения действительных значений метрологиче-
ских характеристик и (или) пригодности к примене-
нию средства измерений, не подлежащего государст-
венному метрологическому контролю и надзору;
— сертификат об утверждении типа средств изме-
рений — документ, выдаваемый уполномоченным на
то государственным органом, удостоверяющий, что
данный тип средств измерений утвержден в порядке,
предусмотренном действующим законодательством,
и соответствует установленным требованиям;
— аккредитация на право поверки средств измере-
ний — официальное признание уполномоченным на
то государственным органом полномочий на выпол-
нение поверочных работ;
— лицензия на изготовление (ремонт, продажу,
прокат) средств измерений — документ, удостоверяю-
щий право заниматься указанными видами деятельно-
сти, выдаваемый юридическим и физическим лицам
органом Государственной метрологической службы;
— сертификат о калибровке — документ, удостове-
ряющий факт и результаты калибровки средства из-
мерений, который выдается организацией, осущест-
вляющей калибровку.
Статья 2. Законодательство Российской Феде-
рации об обеспечении единства измерений
Регулирование отношений, связанных с обеспече-
нием единства измерений в Российской Федерации,
в соответствии с Конституцией Российской Федера-
ции осуществляется настоящим Законом и принимае-
мыми в соответствии с ним актами законодательства
Российской Федерации.
Статья 3. Международные договоры
Если международным договором Российской Фе-
дерации установлены иные правила, чем те, которые
содержатся в законодательстве Российской Федера-
ции об обеспечении единства измерений, то приме-
няются правила международного договора.
Статья 4. Государственное управление обеспече-
нием единства измерений
1. Государственное управление деятельностью по
обеспечению единства измерений в Российской Фе-
дерации осуществляет Комитет Российской Федера-
ции по стандартизации, метрологии и сертификации
(Госстандарт России).
2. К компетенции Госстандарта России относятся:
— межрегиональная и межотраслевая координация
деятельности по обеспечению единства измерений в
Российской Федерации;
— представление Правительству Российской Феде-
рации предложений по единицам величин, допускае-
мым к применению;
— установление правил создания, утверждения,
хранения и применения эталонов единиц величин;
— определение общих метрологических требова-
ний к средствам, методам и результатам измерений;
— осуществление государственного метрологиче-
ского контроля и надзора;
— осуществление государственного контроля за со-
блюдением условий международных договоров Рос-
сийской Федерации о признании результатов испы-
таний и поверки средств измерений;
— руководство деятельностью Государственной
метрологической службы и иных государственных
служб обеспечения единства измерений;
— участие в деятельности международных органи-
заций по вопросам обеспечения единства измерений.
Статья 5. Нормативные документы по обеспече-
нию единства измерений
1. В соответствии с настоящим Законом и други-
ми актами законодательства Российской Федерации
Госстандарт России утверждает нормативные доку-
менты по обеспечению единства измерений, устанав-
ливающие метрологические правила и нормы и имею-
щие обязательную силу на территории Российской
Федерации.
2. Допускается утверждение нормативных доку-
ментов по обеспечению единства измерений Госстан-
дартом России и заинтересованными государственны-
ми органами управления Российской Федерации, не-
сущими ответственность за применение указанных
документов в порученных им сферах управления.
Раздел II. Единицы величин.
Средства и методики выполнения
измерений
Статья 6. Единицы величин
1. В Российской Федерации в установленном по-
рядке допускаются к применению единицы величин
Международной системы единиц, принятой Генераль-
ной конференцией по мерам и весам, рекомендован-
ные Международной организацией законодательной
метрологии.
Наименования, обозначения и правила написания
единиц величин, а также правила их применения на
территории Российской Федерации устанавливает
Правительство Российской Федерации, за исключе-
нием случаев, предусмотренных актами законодатель-
ства Российской Федерации.
Правительством Российской Федерации могут
быть допущены к применению наравне с единицами
величин Международной системы единиц внесистем-
ные единицы величин.
2. Характеристики и параметры продукции, по-
ставляемой на экспорт, в том числе средств измере-
ний, могут быть выражены в единицах величин, уста-
новленных заказчиком.
Статья 7. Государственные эталоны единиц ве-
личин
Государственные эталоны единиц величин исполь-
зуются в качестве исходных для воспроизведения и
хранения единиц величин с целью передачи их раз-
меров всем средствам измерений данных величин на
территории Российской Федерации.
Государственные эталоны единиц величин являют-
ся исключительной федеральной собственностью,
подлежат утверждению Госстандартом России и нахо-
дятся в его ведении.
Статья 8. Средства измерений
1. Средства измерений используются для опреде-
ления величин, единицы которых допущены в уста-
новленном порядке к применению в Российской Фе-
дерации и должны соответствовать условиям эксплуа-
тации и установленным требованиям.
2. Решения об отнесении технического устройст-
ва к средствам измерений и об установлении интер-
валов между поверками принимает Госстандарт Рос-
сии.
Статья 9. Методики выполнения измерений
Измерения должны осуществляться в соответст-
вии с аттестованными в установленном порядке ме-
тодиками. Порядок разработки и аттестации методик
выполнения измерений определяется Госстандартом
России.
Раздел III. Метрологические службы
Статья 10. Государственная метрологическая
служба и иные государственные службы обеспече-
ния единства измерений
1. Государственная метрологическая служба нахо-
дится в ведении Госстандарта России и включает:
— государственные научные метрологические цен-
тры;
— органы Государственной метрологической служ-
бы на территориях республик в составе Российской
Федерации, автономной области, автономных окру-
гов, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петер-
бурга.
Госстандарт России осуществляет руководство Го-
сударственной службой времени и частоты и опреде-
ления параметров вращения Земли (ГСВЧ), Государ-
ственной службой стандартных образцов состава и
свойств веществ и материалов (ГССО) и Государствен-
ной службой стандартных справочных данных о фи-
зических константах и свойствах веществ и материа-
лов (ГСССД) и координацию их деятельности.
2. Государственные научные метрологические цен-
тры несут ответственность за создание, совершенст-
вование, хранение и применение государственных
эталонов единиц величин, а также за разработку нор-
мативных документов по обеспечению единства из-
мерений.
3. Органы Государственной метрологической служ-
бы осуществляют государственный метрологический
контроль и надзор на территориях республик в соста-
ве Российской Федерации, автономной области, ав-
тономных округов, краев, областей, городов Москвы
и Санкт-Петербурга.
============ 793
4. Государственная служба времени и частоты и оп-
ределения параметров вращения Земли осуществляет
межрегиональную и межотраслевую координацию ра-
бот по обеспечению единства измерений времени, час-
тоты и определения параметров вращения Земли.
5. Государственная служба стандартных образцов со-
става и свойств веществ и материалов осуществляет
межрегиональную и межотраслевую координацию ра-
бот по разработке и внедрению стандартных образцов
состава и свойств веществ и материалов в отраслях на-
родного хозяйства в целях обеспечения единства из-
мерений на основе их применения.
6. Государственная служба стандартных справочных
данных о физических константах и свойствах веществ
и материалов осуществляет межрегиональную и меж-
отраслевую координацию работ по разработке и вне-
дрению стандартных справочных данных о физиче-
ских константах и свойствах веществ и материалов в
науке и технике в целях обеспечения единства измере-
ний на основе их применения.
7. Положения об организациях и органах Государ-
ственной метрологической службы и иных государст-
венных службах обеспечения единства измерений, пе-
речисленных в пунктах 2, 3, 4, 5 и 6 настоящей статьи,
утверждаются в соответствии с настоящим Законом
Правительством Российской Федерации.
Статья 11. Метрологические службы государст-
венных органов управления Российской Федерации
и юридических лиц
1. Государственные органы управления Российской
Федерации, а также предприятия, организации, учреж-
дения, являющиеся юридическими лицами, создают в
необходимых случаях в установленном порядке метро-
логические службы для выполнения работ по обеспе-
чению единства и требуемой точности измерений и для
осуществления метрологического контроля и надзора.
При выполнении работ в сферах, предусмотренных
статьей 15 настоящего Закона, создание метрологиче-
ских служб или иных организационных структур по
обеспечению единства измерений является обязатель-
ным.
Права и обязанности метрологических служб опре-
деляются положениями о них, утверждаемыми руково-
дителями государственных органов управления Россий-
ской Федерации или юридических лиц в порядке, уста-
навливаемом Правительством Российской Федерации.
2. Метрологический контроль и надзор осуществ-
ляются метрологическими службами юридических лиц
путем:
— калибровки средств измерений;
— надзора за состоянием и применением средств из-
мерений, аттестованными методиками выполнения из-
мерений, эталонами единиц величин, применяемыми
для калибровки средств измерений, соблюдением мет-
рологических правил и норм, нормативных докумен-
тов по обеспечению единства измерений;
— выдачи обязательных предписаний, направлен-
ных на предотвращение, прекращение или устранение
нарушений метрологических правил и норм;
— проверки своевременности представления
средств измерений на испытания в целях утверждения
типа средств измерений, а также на поверку и калиб-
ровку.
Раздел IV. Государственный
метрологический контроль и надзор
Статья 12. Виды государственного метрологиче-
ского контроля и надзора
1. Государственный метрологический контроль и
надзор осуществляются Государственной метрологи-
ческой службой Госстандарта России.
2. Государственный метрологический контроль
включает:
— утверждение типа средств измерений;
— поверку средств измерений, в том числе этало-
нов;
— лицензирование деятельности юридических и
физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже
и прокату средств измерений.
3. Государственный метрологический надзор осу-
ществляется:
— за выпуском, состоянием и применением средств
измерений, аттестованными методиками выполнения
измерений, эталонами единиц величин, соблюдени-
ем метрологических правил и норм;
— за количеством товаров, отчуждаемых при совер-
шении торговых операций;
— за количеством фасованных товаров в упаковках
любого вида при их расфасовке и продаже.
Статья 13. Сферы распространения государст-
венного метрологического контроля и надзора
Государственный метрологический контроль и
надзор, осуществляемые с целью проверки соблюде-
ния метрологических правил и норм, распространя-
ются на:
— здравоохранение, ветеринарию, охрану окружаю-
щей среды, обеспечение безопасности труда;
— торговые операции и взаимные расчеты между
покупателем и продавцом, в том числе на операции с
применением игровых автоматов и устройств;
— государственные учетные операции;
— обеспечение обороны государства;
— геодезические и гидрометеорологические работы;
— банковские, налоговые, таможенные и почтовые
операции; производство продукции, поставляемой по
контрактам для государственных нужд в соответствии
с законодательством Российской Федерации;
— испытания и контроль качества продукции в це-
лях определения соответствия обязательным требо-
ваниям государственных стандартов Российской Фе-
дерации;
— обязательную сертификацию продукции и услуг;
— измерения, проводимые по поручению органов
суда, прокуратуры, арбитражного суда, государствен-
ных органов управления Российской Федерации;
— регистрацию национальных и международных
спортивных рекордов.
Нормативными актами республик в составе Рос-
сийской Федерации, автономной области, автоном-
ных округов, краев, областей, городов Москвы и
Санкт-Петербурга государственный метрологический
контроль и надзор могут быть распространены и на
другие сферы деятельности.
26 Зак. 450
--- — 794 -
Статья 14. Утверждение типа средств измере-
ний
1. В сферах распространения государственного
метрологического контроля и надзора средства изме-
рений подвергаются обязательным испытаниям с по-
следующим утверждением типа средств измерений.
Решение об утверждении типа средств измерений
принимается Госстандартом России и удостоверяет-
ся сертификатом об утверждении типа средств изме-
рений. Срок действия этого сертификата устанавли-
вается при его выдаче Госстандартом России.
Утвержденный тип средств измерений вносится
в Государственный реестр средств измерений, кото-
рый ведет Госстандарт России.
2. Испытания средств измерений для целей утвер-
ждения их типа проводятся государственными научны-
ми метрологическими центрами Госстандарта России,
аккредитованными им в качестве государственных цен-
тров испытаний средств измерений.
Решением Госстандарта России в качестве государ-
ственных центров испытаний средств измерений мо-
гут быть аккредитованы и другие специализирован-
ные организации.
3. Для проведения испытаний образцы средств из-
мерений с соответствующими нормативными и экс-
плуатационными документами должны быть пред-
ставлены в установленном Госстандартом России по-
рядке.
4. Соответствие средств измерений утвержденно-
му типу на территории Российской Федерации кон-
тролируется органами Государственной метрологиче-
ской службы по месту расположения изготовителей
или пользователей.
5. На средство измерений утвержденного типа и
на эксплуатационные документы, сопровождающие
каждый экземпляр, наносится знак утверждения ти-
па средств измерений, установленной формы.
6. Информация об утверждении типа средств из-
мерений и решение об его отмене публикуются в офи-
циальных изданиях Госстандарта России.
Статья 15. Поверка средств измерений
1. Средства измерений, подлежащие государствен-
ному метрологическому контролю и надзору, подвер-
гаются поверке органами Государственной метрологи-
ческой службы при выпуске из производства или
ремонта, при ввозе по импорту и эксплуатации. Допус-
каются продажа и выдача напрокат только поверенных
средств измерений.
Перечни групп средств измерений, подлежащих
поверке, утверждаются Госстандартом России.
2. По решению Госстандарта России право повер-
ки средств измерений может быть предоставлено ак-
кредитованным метрологическим службам юридиче-
ских лиц. Деятельность этих метрологических служб
осуществляется в соответствии с действующим зако-
нодательством и нормативными документами по обес-
печению единства измерений. Порядок аккредитации
определяется Правительством Российской Федера-
ции.
Поверочная деятельность, осуществляемая аккре-
дитованными метрологическими службами юридиче-
ских лиц, контролируется органами Государственной
метрологической службы по месту расположения этих
юридических лиц.
3. Поверка средств измерений осуществляется фи-
зическим лицом, аттестованным в качестве повери-
теля органом Государственной метрологической служ-
бы.
Ответственность за ненадлежащее выполнение
поверочных работ и несоблюдение требований соот-
ветствующих нормативных документов несет соответ-
ствующий орган Государственной метрологической
службы или юридическое лицо, метрологической
службой которого выполнены поверочные работы.
4. В сферах распространения государственного
метрологического контроля и надзора юридические
и физические лица, выпускающие средства измере-
ний из производства или ремонта, ввозящие средст-
ва измерений и использующие их в целях эксплуата-
ции, проката или продажи, обязаны своевременно
представлять средства измерений на поверку.
Порядок представления средств измерений на по-
верку устанавливается Госстандартом России.
5. Положительные результаты поверки средств из-
мерений удостоверяются поверительным клеймом
или свидетельством о поверке.
Форма поверительного клейма и свидетельства о
поверке, порядок нанесения поверительного клейма
устанавливается Госстандартом России.
6. При выполнении поверочных работ на терри-
тории отдельного региона с выездом на место эксплуа-
тации средств измерений орган исполнительной вла-
сти этого региона обязан оказывать поверителям со-
действие, в том числе:
— предоставлять им соответствующие помещения;
— обеспечивать их вспомогательным персоналом
и транспортом;
— извещать всех владельцев и пользователей
средств измерений о времени поверки.
Статья 16. Лицензирование деятельности юри-
дических и физических лиц по изготовлению, ре-
монту, продаже и прокату средств измерений
1. Деятельность по изготовлению, ремонту, про-
даже и прокату средств измерений, применяемых в
сферах распространения государственного метроло-
гического контроля и надзора, может осуществлять-
ся юридическими и физическими лицами лишь при
наличии лицензии, выдаваемой в порядке, устанавли-
ваемом Госстандартом России.
2. Лицензирование деятельности по изготовле-
нию, ремонту, продаже и прокату средств измерений
проводится после проверки органами Государствен-
ной метрологической службы наличия необходимых
для этой деятельности условий, а также соблюдения
лицами, осуществляющими эту деятельность, установ-
ленных метрологических правил и норм.
3. В случаях нарушения установленных пунктом 2
настоящей статьи условий лицензия аннулируется.
Статья 17. Государственный метрологический
надзор за выпуском, состоянием и применением
средств измерений, аттестованными методиками
выполнения измерений, эталонами, соблюдением
метрологических правил и норм
Государственный метрологический надзор за вы-
пуском, состоянием и применением средств измере-
ний, аттестованными методиками выполнения изме-
— 795
рений, эталонами, соблюдением метрологических
правил и норм осуществляется в порядке, устанавли-
ваемом Госстандартом России.
Статья 18. Государственный метрологический
надзор за количеством товаров, отчуждаемых при
совершении торговых операций
Государственный метрологический надзор за коли-
чеством товаров, отчуждаемых при совершении тор-
говых операций, осуществляется в целях определения
массы, объема, расхода или других величин, характе-
ризующих количество этих товаров.
Порядок проведения указанного вида государст-
венного метрологического надзора устанавливается
Госстандартом России в соответствии с законодатель-
ством Российской Федерации
Статья 19. Государе гвенный метрологический
надзор за количеством фасованных товаров в упа-
ковках. любого вида при их расфасовке и продаже
Государственный метрологический надзор за коли-
чеством фасованных товаров в упаковках любого ви-
да при их расфасовке и продаже осуществляется в слу-
чаях, когда содержимое упаковки пе может быть из-
менено без ее вскрытия или деформации, а масса,
объем, длина, площадь или иные величины, указываю-
щие количество содержащегося в упаковке товара,
обозначены на упаковке.
Порядок проведения указанного вида государст-
венного метрологического надзора устанавливается
Госстандартом России в соответствии с законодатель-
ством Российской Федерации.
Статья 20. Права и обязанности государствен-
ных инспекторов по обеспечению единства изме-
рений
1. Государственный метрологический контроль и
надзор осуществляют должностные лица Госстандар-
та России — главные государственные инспекторы и
государственные инспекторы по обеспечению един-
ства измерений Российской Федерации, республик в
составе Российской Федерации, автономной области,
автономных округов, краев, областей, городов Моск-
вы и Санкт-Петербурга (далее — государственные ин-
спекторы).
Осуществление государственного метрологиче-
ского контроля и надзора может быть возложено на
государственных инспекторов по надзору за государ-
ственными стандартами, действующих в соответст-
вии с законодательством Российской Федерации и
прошедших аттестацию в качестве государственных
инспекторов по обеспечению единства измерений.
Государственные инспекторы, осуществляющие
поверку средств измерений, подлежат аттестации в
качестве поверителей.
2. Государственные инспекторы, осуществляющие
на соответствующей территории государственный
метрологический контроль и надзор, вправе беспре-
пятственно, при предъявлении служебного удостове-
рения:
— посещать объекты, где эксплуатируются, произ-
водятся, ремонтируются, продаются, содержатся или
хранятся средства измерений независимо от подчи-
ненности и форм собственности этих объектов;
— проверять соответствие используемых единиц ве-
личин допущенным к применению;
— поверять средства измерений, проверять их со-
стояние и условия применения, а также соответствие
утвержденному типу средств измерений;
— проверять применение аттестованных методик
выполнения измерений, состояние эталонов, приме-
няемых для поверки средств измерений;
— проверять количество товаров, отчуждаемых при
совершении торговых операций;
— отбирать образцы продукции и товаров, а также
фасованные товары в упаковках любого вида для осу-
ществления надзора;
— использовать технические средства и привлекать
персонал объекта, подвергаемого государственному
метрологическому контролю и надзору.
3. При выявлении нарушений метрологических пра-
вил и норм государственный инспектор имеет право:
— запрещать применение и выпуск средств измере-
ний неутвержденпых типов или пе соответствующих
утвержденному типу, а также неповеренных;
— гасить поверительные клейма или аннулировать
свидетельство о поверке в случаях, когда средство из-
мерений дает неправильные показания или пр< к.рочен
межповерочный интервал;
— при необходимости изымать средство измерений
из эксплуатации;
— представлять предложения по аннулированию
лицензий на изготовление, ремонт, продажу и прокат
средств измерений в случаях нарушения требований
к этим видам деятельности;
— давать обязательные предписания и устанавли-
вать сроки устранения нарушений метрологических
правил и норм;
— составлять протоколы о нарушении метрологи-
ческих правил и норм.
Статья 21. Ответственность государственных
инспекторов
1. Государственные инспекторы, осуществляющие
государственный метрологический контроль и надз< >р,
обязаны строго соблюдать законодательство Россий-
ской Федерации, а также положения нормативных до-
кументов по обеспечению единства измерений и госу-
дарственного метрологического контроля и надзора.
За невыполнение или ненадлежащее выполнение
должностных обязанностей, превышение полномочий
и за иные нарушения, включая разглашение государ-
ственной или коммерческой тайны, государственные
инспекторы могут быть привлечены к ответственно-
сти в соответствии с законодательством Российской
Федерации.
2. Жалобы на действия государственных инспекто-
ров подаются в 20-дневный срок со дня принятия ими
решений в тот орган Государственной метрологиче-
ской службы, которому они непосредственно подчи-
нены, или в вышестоящий орган. Жалобы рассматри-
ваются, и решения по ним принимаются в месячный
срок со дня подачи жалобы.
Действия государственных инспекторов могут так-
же быть в установленном порядке обжалованы в суд.
3. Обжалование действий государственных ин-
спекторов не приостанавливает реализацию их
предписаний.
— 1 —........— 796 -----
Статья 22. Содействие государственному инспек-
тору
Юридические и физические лица обязаны оказы-
вать содействие государственному инспектору в выпол-
нении возложенных на него обязанностей. Лица, пре-
пятствующие осуществлению государственного метро-
логического контроля и надзора, несут ответствен-
ность в соответствии с законодательством Российской
Федерации.
Раздел V. Калибровка и
сертификация средств измерений
Статья 23. Калибровка средств измерений
1. Средства измерений, не подлежащие поверке,
могут подвергаться калибровке при выпуске из произ-
водства или ремонта, при ввозе по импорту, при экс-
плуатации, прокате и продаже.
Калибровка средств измерений проводится метро-
логическими службами юридических лиц с использо-
ванием эталонов, соподчиненных государственным
эталонам единиц величин.
Результаты калибровки средств измерений удосто-
веряются калибровочным знаком, наносимым на сред-
ства измерений, или сертификатом о калибровке, а
также записью в эксплуатационных документах.
2. На основе договоров, заключаемых с государст-
венными научными метрологическими центрами или
органами Государственной метрологической службы,
заинтересованные метрологические службы юридиче-
ских лиц могут быть аккредитованы на право проведе-
ния калибровочных работ.
В этих случаях аккредитованным метрологическим
службам юридических лиц предоставляется право вы-
давать сертификаты о калибровке от имени органов и
организаций, которые их аккредитовали.
Ответственность за ненадлежащее выполнение ка-
либровочных работ несут юридические лица, метро-
логическими службами которых выполнены калибро-
вочные работы.
При рассмотрении споров в суде, арбитражном су-
де, государственных органах управления Российской
Федерации результаты калибровки, оформленные над-
лежащим образом, могут быть использованы в качест-
ве доказательств.
3. Калибровочная деятельность аккредитованных
метрологических служб юридических лиц контроли-
руется государственными научными метрологически-
ми центрами или органами Государственной метроло-
гической службы в соответствии с условиями заклю-
ченных договоров.
4. Порядок аккредитации на право выполнения ка-
либровочных работ и выдачи сертификата о калибров-
ке или нанесения калибровочного знака, требования
к выполнению калибровочных работ устанавливают-
ся Госстандартом России.
Статья 24. Сертификация средств измерений
Добровольная сертификация средств измерений
проводится в соответствии с актами законодательст-
ва Российской Федерации.
Раздел VI. Ответственность за
нарушение положений настоящего
закона
Статья 25. Уголовная, административная либо
гражданско-правовая ответственность
Юридические и физические лица, а также государ-
ственные органы управления Российской Федерации,
виновные в нарушении положений настоящего Зако-
на, несут в соответствии с действующим законодатель-
ством уголовную, административную либо гражданско-
правовую ответственность.
Раздел VII. Финансирование работ по
обеспечению единства измерений
Статья 26. Обязательное государственное финанси-
рование
1. Обязательному государственному финансирова-
нию подлежат:
— разработка, совершенствование, хранение и при-
менение государственных эталонов единиц величин;
— фундаментальные исследования в области метро-
логии;
— работы, связанные с деятельностью ГСВЧ, ГССО,
ГСССД;
— содержание, приобретение и разработка обору-
дования, необходимого для оснащения органов Госу-
дарственной метрологической службы;
— разработка утверждаемых Госстандартом России
нормативных документов по обеспечению единства из-
мерений;
— работы по государственному метрологическому
надзору.
2. При разработке федеральных и иных государст-
венных программ, финансируемых полностью или час-
тично из средств республиканского бюджета Россий-
ской Федерации, в том числе программ создания и раз-
вития производства оборонной продукции, должны
быть предусмотрены разделы метрологического обес-
печения.
Статья 27. Оплата метрологических работ и услуг
Метрологические работы и услуги, оказываемые
юридическим и физическим лицам государственными
научными метрологическими центрами и органами Го-
сударственной метрологической службы Госстандарта
России; испытания для последующего утверждения ти-
па средств измерений, поверка средств измерений, ли-
цензирование деятельности по изготовлению, ре-
монту, продаже и прокату средств измерений, серти-
фикация средств измерений, калибровка средств
измерений, аттестация методик выполнения измере-
ний, экспертиза нормативных документов, аккредита-
ция метрологических служб и лабораторий, другие ус-
луги, — оплачиваются заинтересованными лицами в со-
ответствии с условиями заключаемых договоров.
Президент Российской Федерации Б. Ельцин
Москва, Дом Советов России
27 апреля 1993 г. №4871-1
797
Государственный метрологический надзор
Государственный метрологический надзор (ГМН)
— система мер, осуществляемых органами ГМС в пре-
делах их компетенции в целях обеспечения соблю-
дения юридическими лицами и индивидуальными
предпринимателями требований Закона РФ „Об обес-
печении единства измерений", а также других метро-
логических правил и норм. ГМН распространяется на
здравоохранение, ветеринарию, охрану окружающей
среды, обеспечение безопасности труда; торговые опе-
рации и взаимные расчеты между покупателем и про-
давцом, в том числе на операции с применением игро-
вых автоматов и устройств; государственные учетные
операции; обеспечение обороны государства; геодези-
ческие и гидрометеорологические работы; банков-
ские, налоговые, таможенные и почтовые операции;
производство продукции, поставляемой по контрак-
там для государственных нужд в соответствии с зако-
нодательством Российской Федерации; испытания и
контроль качества продукции в целях определения со-
ответствия обязательным требованиям государствен-
ных стандартов РФ; обязательную сертификацию про-
дукции и услуг; измерения, проводимые по поручению
органов суда, прокуратуры, арбитражного суда, феде-
ральных органов государственной власти РФ; регист-
рацию национальных и международных спортивных
рекордов; область энергосбережения, в соответствии
с Законом РФ „Об энергосбережении". ГМН осущест-
вляется: за выпуском, состоянием и применением
средств измерений, аттестованными МВИ, эталонами
единиц величин, соблюдением метрологических пра-
вил и норм; за количеством товаров, отчуждаемых при
совершении торговых операций; за количеством фасо-
ванных товаров в упаковках любого вида при их расфа-
совке и продаже. Организация и порядок осуществле-
ния каждого вида ГМН регламентируется подзаконны-
ми актами, соответственно, ПР 50.2.002, ПР 50.2.003,
ПР 50.2.004. ГМН осуществляется в объединениях, на
предприятиях, в организациях и учреждениях незави-
симо от их подчиненности и форм собственности в ви-
де проверок, проводимых государственными инспек-
торами по ОЕИ. Государственные инспекторы, осуще-
ствляющие на соответствующей территории ГМН,
вправе беспрепятственно, при предъявлении служеб-
ного удостоверения; посещать объекты, где эксплуати-
руются, производятся, ремонтируются, продаются, со-
держатся или хранятся средства измерений, независи-
мо от подчиненности и форм собственности этих
объектов, получать все необходимые документы и ма-
териалы; проверять соответствие используемых еди-
ниц величин допущенным к применению; проверять
состояние и условия применения средств измерений,
их соответствие утвержденному типу; проверять со-
стояние эталонов, применяемых для поверки средств
измерений; проверять соблюдение аттестованных
МВИ; проверять количество товаров, отчуждаемых
при совершении торговых операций, и производить
контрольную закупку проверяемых товаров без предъ-
явления служебного удостоверения; отбирать образцы-
продукции и товаров, а также фасованные товары в
упаковках любого вида для осуществления надзора;
вскрывать готовые упаковки; использовать техниче-
ские средства и привлекать персонал объекта, подвер-
гаемого ГМКН; запрещать применение и выпуск
средств измерении неутвержденных типов или не со-
ответствующих утвержденному типу, а также непове-
ренных; гасить поверительные клейма или аннулиро-
вать свидетельства о поверке в случаях, когда средст-
во измерений дает неправильные показания или
просрочен межповерочный интервал; при необходи-
мости изымать средство измерений из эксплуатации;
представлять предложения по аннулированию лицен-
зий на изготовление, ремонт, продажу и прокат
средств измерений в случаях нарушения требований
к этим видам деятельности; давать обязательные пред-
писания и устанавливать сроки устранения нарушений
метрологических правил и норм; рассматривать дела
об административных правонарушениях от имени Гос-
стандарта России и принимать решения о наложении
административных взысканий на виновных лиц в со-
ответствии со статьями 170 и 224/11 Кодекса РСФСР
об административных правонарушениях.
Литература:
1. ПР 50.2.002 Правила по метрологии. ГСИ. Порядок осу-
ществления государственного метрологического надзора за
выпуском, состоянием и применением средств измерений, ат-
тестованными методиками выполнения измерений, эталона-
ми и соблюдением метрологических правил и норм.
2. ПР 50.2.003 Правила по метрологии. ГСИ. Порядок осу-
ществления государственного надзора за количеством това-
ров, отчуждаемых при совершении торговых операций.
3. ПР 50.2.004 Правила по метрологии. ГСИ. Порядок осу-
ществления государственного метрологического надзора за
количеством фасованных товаров в упаковках любого вида
при их расфасовке и продаже.
Р.И. Генкина, В.А. Сковородников
798
Виды и сферы государственного
метрологического контроля и надзора
Виды и сферы государственного метрологическо-
го контроля и надзора (ГМКН) определены Законом
РФ „Об обеспечении единства измерений" (статьи 12
и 13). Организация и проведение конкретных видов
контрольно-надзорной деятельности регулируются
НД по ОЕИ, утверждаемыми Госстандартом России.
ГМКН и его виды представляют собой способ обеспе-
чения законности в области метрологии, реализуемый
в качестве функции государственного управления, ко-
торая имеет межотраслевое и надведомственное зна-
чение. ГМКН осуществляется путем проведения про-
верок соблюдения установленных метрологических
правил и норм и с применением в необходимых случа-
ях установленных законодательством МГП. Осущест-
вление ГМКН возложено на ГМС Госстандарта России,
включающую органы ГМС, действующие в составе ТО
Госстандарта России, и ГНМЦ Госстандарта России.
Объем прав и обязанностей этих органов и организа-
ций, а также уполномоченных должностных лиц (го-
сударственных инспекторов и главных государствен-
ных инспекторов по ОЕИ) определен в соответствии
с компетенцией каждого из них. Статья 12 Закона РФ
„Об обеспечении единства измерений" относит одни
виды контрольно-надзорной деятельности к ГМК, а
другие — к ГМН.
Первая группа включает утверждение типа средств
измерений; поверку средств измерений, в том числе
эталонов; лицензирование деятельности юридических
и физических лиц по изготовлению, ремонту, прода-
же и прокату средств измерений.
Ко второй группе отнесены надзор за выпуском, со-
стоянием и применением средств измерений, аттесто-
ванными МВИ, эталонами единиц величин, соблюде-
нием метрологических правил и норм; надзор за коли-
чеством товаров, отчуждаемых при совершении
торговых операций; надзор за количеством фасован-
ных товаров.
Классификация видов ГМКН установлена в целях
разграничения видов, осуществляемых на началах без-
возмездности, и тех из них, проведение которых вклю-
чает выполнение ряда необходимых эксперименталь-
ных либо технических работ (например, испытания в
целях утверждения типа СИ, поверка СИ, аттестация
МВИ). В этих случаях контрольные операции являют-
ся, как правило, длительными, сложными и дорого-
стоящими, в связи с чем возникает необходимость воз-
мещения расходов, связанных с их проведением
(статьи 26 и 27 Закона РФ „Об обеспечении единства
измерений"; постановление Правительства РФ „Об ор-
ганизации работ по стандартизации, обеспечению
единства измерений, сертификации продукции и ус-
луг" от 12.02.94). Пределы распространения ГМКН оп-
ределены статьей 13 Закона РФ „Об обеспечении един-
ства измерений". Положения, установленные этой
статьей, относятся ко всем видам ГМКН. Утверждение
типа СИ — один из важнейших видов ГМН. Обязатель-
ному утверждению подлежат типы только тех СИ, ко-
торые предназначены для выпуска из производства и
ввоза по импорту, если имеется в виду их использова-
ние в сферах распространения ГМКН. Решение об ут-
верждении типа принимается Госстандартом России
по результатам испытаний образца прибора, которые
проводятся в целях проверки метрологических харак-
теристик образца. Утверждение сипа СИ удостоверя-
ется Сертификатом об утверждении типа, выдаваемым
Госстандартом России на определенный срок. Испы-
тания СИ для целей утверждения типа проводятся
ГНМЦ Госстандарта России, которые были им аккре-
дитованы в качестве государственных центров испы-
таний СИ (ГЦИ СИ). Статус ГЦИ СИ может быть при-
своен и другим специализированным организациям на
основании решения, принимаемого Госстандартом
России. Испытания образцов СИ в целях утверждения
их типа проводятся на основе соответствующих нор-
мативных и эксплуатационных документов, которые
в установленном Госстандартом России порядке пред-
ставляются заинтересованной организацией на ис-
пытания вместе с образцом, подлежащим испытани-
ям. Последующие партии СИ утвержденного типа,
предназначенные к выпуску или ввозу по импорту,
должны полностью соответствовать параметрам и мет-
рологическим характеристикам образца, удостоверен-
ным Описанием утверждения типа, являющимся обя-
зательным приложением к Сертификату об утвержде-
нии типа.
Руководствуясь этими документами, органы ГМС,
действующие по месту расположения изготовителей
или пользователей СИ, типы которых утверждены,
систематически контролируют их соответствие утвер-
жденному типу СИ. Госстандартом России ведется Го-
сударственный реестр СИ утвержденных типов, кото-
рый используется в качестве информационной базы в
деле ОЕИ в стране.
Обязательной поверке, как виду ГМН, также под-
лежат лишь СИ, применяемые в сферах распростра-
нения ГМКН. Поверка проводится при выпуске СИ из
производства или ремонта, при ввозе по импорту и экс-
плуатации. Согласно статье 15 Закона РФ „Об обеспе-
чении единства измерений" проведение поверки воз-
ложено на органы ГМС. При этом предусмотрено, что
по решению Госстандарта России право поверки мо-
жет быть предоставлено также аккредитованным мет-
- 799 '
рологическим службам юридических лиц.
Порядок аккредитации этих служб определяется
Правительством РФ, а требования к процедуре и ме-
тодам проведения аккредитации устанавливаются
Госстандартом России. Аккредитованная метрологиче-
ская служба обязана действовать в строгом соответст-
вии с законодательством РФ и НД по ОЕИ, утверждае-
мыми Госстандартом России. Органы ГМС, действую-
щие по месту расположения метрологических служб
юридических лиц, которые были аккредитованы на
право поверки, постоянно контролируют выполнение
последними поверочных работ. Практика последних
лет предъявляет к поверке некоторые новые требова-
ния, дополняющие положения статьи 15 Закона „Об
обеспечении единства измерений". Так, наряду с орга-
нами ГМС и аккредитованными метрологическими
службами юридических лиц право поверки СИ предос-
тавляется также ГНМЦ Госстандарта России. Эта тен-
денция обусловлена, прежде всего, значительным рос-
том потребностей в поверке и она получила свое отра-
жение в постановлении Правительства РФ „Об
организации работ по стандартизации, обеспечению
единства измерений, сертификации продукции и ус-
луг" от 12.02.94. Лица, допускаемые к поверке, долж-
ны соответствовать установленным требованиям: они
обязаны получить квалификацию поверителя и прой-
ти специальную аттестацию. Положительные резуль-
таты поверки СИ удостоверяются поверительным
клеймом или свидетельством о поверке, форма и по-
рядок нанесения которых устанавливается Госстандар-
том России. Поскольку поверке СИ придается об-
щегосударственное значение, местным органам ис-
полнительной власти предписывается оказывать
поверителям всяческое содействие в случаях их выез-
да на место эксплуатации СИ для проведения повероч-
ных работ.
Лицензирование деятельности юридических и фи-
зических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и
прокату СИ, как один из видов ГМК, имеет в своей ос-
нове выдачу лицензии на осуществление перечис-
ленных видов деятельности. Лицензия выдается Гос-
стандартом России в порядке, им устанавливаемом
(статья 16 Закона „Об обеспечении единства измере-
ний"). Лицензия может быть получена лишь после про-
верки органами ГМС наличия необходимых для этой
деятельности условий. Нарушение установленных тре-
бований в процессе выполнения лицензируемых видов
работ является основанием для аннулирования лицен-
зии. ГМН за выпуском, состоянием и применением
СИ, аттестованными МВИ, эталонами, соблюдением
метрологических правил и норм — наиболее часто при-
меняемый на практике вид ГМН. Он направлен на про-
верку соблюдения любых утвержденных в установлен-
ном порядке метрологических правил и норм, однако
при этом выделяются те из них, которые находят по-
всеместное применение и, следовательно, имеют гла-
венствующее значение: это правила, которыми опреде-
ляются требования к СИ, эталонам, МВИ и др. Норма-
тивная база, лежащая в основе данной разновидности
государственного метрологического надзора, весьма
обширна и охватывает наряду с правилами о поверке
и утверждении типа СИ целый ряд других. Прочие ви-
ды, предусмотренные статьями 18 и 19 Закона „Об
обеспечении единства измерений", касаются торговых
операций и направлены на проверку количества отчу-
ждаемых товаров, в том числе фасованных. В этих слу-
чаях надзору подлежат именно процессы и результа-
ты измерений. Этим обусловлена необходимость при-
менения в процессе проверок особых методов и
процедур. Конкретизация необходимых метрологиче-
ских требований, а также порядок проведения этих
проверок — в НД Госстандарта России.
Сферы распространения ГМКН установлены
статьей 13 Закона РФ „Об обеспечении единства из-
мерений" с учетом особенностей периода перехода к
рыночной экономике: в отличие от предыдущего ис-
торического этапа, когда в условиях административ-
но-плановой системы ГМКН подвергались практиче-
ски все отрасли и все применявшиеся в отраслях СИ,
в настоящее время действует ограниченный перечень
сфер распространения ГМКН При этом в целях огра-
ничения вмешательства государства во внутренние де-
ла предприятия во главу угла этого перечня поставле-
ны непроизводственные отрасли: здравоохранение,
охрана окружающей среды, торговля, ветеринария,
обеспечение безопасности и др. Некоторые производ-
ственные сферы предусмотрены в указанном перечне
в порядке исключения и с учетом особенностей совре-
менного состояния экономики. Вместе с тем, прини-
мая во внимание федеративное устройство России и в
целях учета территориальных и национальных особен-
ностей регионов, допускается на основе нормативных
актов республик в составе РФ, автономной области, ав-
тономных округов, краев, областей, городов Москвы
и Санкт-Петербурга распространение ГМКН и на дру-
гие сферы деятельности в пределах этих регионов.
А.И. Асташенков, Х.О. Маликова
800
Государственный инспектор по обеспечению
единства измерений
Государственно-правовой характер метрологии
прослеживается в истории России с Х1-ХП вв. Так в
уставе Новгородского князя Всеволода „О церковных
судах и о людях и о мерилах торговли" (1136) предпи-
сывалось: „...торговые все меры и мерила блюсти без
пакости, ни умаливати, ни умноживати, а всякий год
извещивати". В „Двинской грамоте" Ивана Грозного
(1550) регламентированы правила хранения и пере-
дачи размера новой меры сыпучих веществ — осьми-
ны. Ее медные экземпляры рассылались по городам
на хранение выборным „верным людям" — старостам,
соцким, целовальникам. В дальнейшем царские ука-
зы, касавшиеся введения единых „казенных мер" в
стране, также отсылались на места вместе с копиями
таких мер. В провинции надзор за этими мерами и их
правильным применением был возложен на персонал
воеводских и земских „померных изб". Государствен-
ная дисциплина при этом была суровой. За злоумыш-
ленную порчу казенных мер грозило наказание —
вплоть до „предания казни смертию". При советской
власти, начиная с Декрета Совета Народных Комис-
саров РСФСР „О введении Международной Метриче-
ской системы мер и весов" (1918), метрологическая
деятельность приобрела нормативно-правовой харак-
тер. В соответствии с Законом РФ „Об обеспечении
единства измерений" (1993) ГМКН осуществляют
должностные лица Госстандарта России — главные
государственные инспекторы и государственные
инспекторы по ОЕИ (далее — государственные ин-
спекторы) на соответствующей территории РФ: в рес-
публиках, автономных областях и округах, краях, об-
ластях и городах.
Государственные инспекторы, осуществляющие
ГМКН на своей территории, вправе беспрепятствен-
но, при предъявлении служебного удостоверения: по-
сещать объекты, где эксплуатируются, производятся,
ремонтируются, продаются, содержатся или хранят-
ся СИ независимо от подчиненности и форм собст-
венности этих объектов; проверять соответствие ис-
пользуемых единиц величин, допущенных к примене-
нию; поверять СИ, проверять их состояние и условия
применения, а также соответствие утвержденному ти-
пу; проверять применение аттестованных МВИ, со-
стояние эталонов, применяемых для поверки СИ; про-
верять количество товаров отчуждаемых при со-
вершении торговых операций; отбирать образцы
продукции и товаров, а также фасованные товары в
упаковках любого вида для осуществления надзора; ис-
пользовать технические средства и привлекать пер-
сонал объекта, подвергаемого ГМКН.
При выявлении нарушений метрологических пра-
вил и норм государственный инспектор имеет право:
запрещать применение и выпуск СИ неутвержденных
типов или не соответствующих утвержденному типу,
а также неповеренных; гасить поверительные клей-
ма или аннулировать свидетельство о поверке в слу-
чаях, когда СИ дают неправильные показания или
просрочен межповерочный интервал; при необходи-
мости изымать СИ из эксплуатации; представлять
предложения по аннулированию лицензий на изготов-
ление, ремонт, продажу и прокат СИ в случаях нару-
шения требований к этим видам деятельности; давать
обязательные предписания и устанавливать сроки уст-
ранения нарушений метрологических правил и норм;
составлять протоколы о нарушениях метрологиче-
ских правил и норм. Государственные инспекторы,
осуществляющие ГМКН, обязаны строго соблюдать
законодательство РФ, а также положения НД по ОЕИ
и ГМКН.
За невыполнение или ненадлежащее выполнение
должностных обязанностей, превышение полномо-
чий и за иные нарушения, включая разглашение госу-
дарственной или коммерческой тайны, государствен-
ные инспекторы могут быть привлечены к ответст-
венности в соответствии с законодательством РФ.
Жалобы на действия государственных инспекторов
подаются в 20-дневный срок со дня принятия ими ре-
шений в тот орган ГМС, которому они непосредствен-
но подчинены, или в вышестоящий орган. Действия
государственных инспекторов могут быть также в ус-
тановленном порядке обжалованы в суд. Обжалование
действий государственных инспекторов не приоста-
навливает реализацию их предписаний. Юридиче-
ские и физические лица обязаны оказывать содей-
ствие государственным инспекторам в выполнении
возложенных на них обязанностей. Лица, препятст-
вующие осуществлению ГМКН, несут ответствен-
ность в соответствии с законодательством РФ.
Приказом Госстандарта России от 30 декабря
1993 г. утвержден „Порядок аттестации государствен-
ных инспекторов", где установлено, что аттестуемые
в качестве государственных инспекторов должност-
ные лица территориальных органов Госстандарта Рос-
сии должны иметь высшее образование и практиче-
ский опыт работы в области метрологии, стан-
дартизации, сертификации и контроля качества;
периодическая переаттестация государственных ин-
спекторов проводится один раз в три года; должност-
ные лица, аттестуемые в качестве государственных ин-
спекторов, проходят переподготовку и повышение
____ 801
квалификации в учебных заведениях Госстандарта
России в установленном порядке. Постановлением
Правительства РФ от 12 февраля 1994 г. „Об органи-
зации работ по стандартизации, обеспечению един-
ства измерений, сертификации продукции и услуг" ус-
тановлено, что главным государственным инспекто-
ром РФ по надзору за государственными стандартами
и ОЕИ является председатель Госстандарта России;
главными государственными инспекторами респуб-
лик в составе РФ, автономных образований, краев, об-
ластей и городов по надзору за государственными
стандартами и ОЕИ являются руководителями соот-
ветствующих территориальных органов Госстандар-
та России.
Литература:
1. Закон Российской Федерации „Об обеспечении един-
ства измерений", 1993.
2. Постановление Правительства РФ от 12.02.94 „Об ор-
ганизации работ по стандартизации, обеспечению единст-
ва измерений, сертификации продукции и услуг".
Ю.В. Немчинов
802
Меры государственного принуждения за
нарушение метрологических правил и норм
Меры государственного принуждения за наруше-
ние метрологических правил и норм(МГП) устанавли-
ваются актами федерального законодательства в целях
предупреждения нарушений метрологических правил
и норм, либо пресечения уже начавшихся нарушений;
либо в целях привлечения к ответственности (уголов-
ной, административной или гражданско-правовой) не-
посредственных виновников нарушений. МГП — сред-
ство, используемое органами государственной власти
для обеспечения соблюдения метрологических требо-
ваний, принятых в виде правовых норм и имеющих
обязательную силу. К МГП, которые направлены на
предупреждение нарушений, относятся надзорные
действия, в частности, принудительный отбор или ос-
мотр СИ, проверка наличия и состояния НД. МГП пре-
секательного значения применяются в виде запрета
эксплуатации или выпуска непригодных СИ, приоста-
новления их выпуска, аннулирования лицензии и т.п.
МГП, суть которых в привлечении к юридической от-
ветственности — это разнообразные меры непосред-
ственного воздействия на виновника нарушения путем
наложения на него либо административных взысканий
(например, денежного штрафа); либо применения мер
гражданско-правового воздействия (например, возме-
щение имущественного ущерба, нанесенного в резуль-
тате нарушения); либо вынесения приговора в уголов-
но-правовом порядке. Пресекательные меры и меры
по привлечению к юридической ответственности но-
сят репрессивный характер и представляют собой
юридические санкции. Предупредительные же меры
не являются репрессивными и не могут быть отнесе-
ны к юридическим санкциям. Они применяются при
отсутствии самого факта нарушения. А МГП по при-
влечению к юридической ответственности занимают
особое место среди других мер. Необходимым услови-
ем их применения является наличие вины нарушите-
ля. Система МГП, действующая в настоящее время, рас-
пространяется на метрологические правила и нормы,
установленные как актами федерального законодатель-
ства, так и подзаконными актами, которые могут быть
приняты Президентом или Правительством РФ, а так-
же Госстандартом России, которому предоставлено
право утверждения общеобязательных нормативных
документов по обеспечению единства измерений
(статья 4 Закона РФ „Об обеспечении единства изме-
рений").
Состав МГП, содержание и юридические послед-
ствия, предусмотренные на случай нарушений, суще-
ственно видоизменялись на разных этапах историче-
ского развития в соответствии с состоянием эко-
номики, системой государственного управления,
достижениями в области науки и техники, а также с
учетом функциональных обязанностей, возложенных
на органы ГМС в тот или иной период времени. Так,
начиная с 1917 и по 1960 гг., в стране действовала до-
вольно детально разработанная система МГП. Она от-
личалась, во-первых, большим разнообразием преду-
смотренных мер — от предупредительных и пресека-
тельных до дисциплинарных и административных
взысканий, а также уголовно-правовых санкций, верх-
ний предел которых, начиняя с 1934 г., достигал 10 лет
лишения свободы (за обвешивание и обмеривание по-
купателей, использование неверных измерительных
приборов и за другие нарушения в торговле); во-вто-
рых, активным участием в деятельности по ГМН ор-
ганов милиции, которым, в отличие от общего надзо-
ра, возложенного на палаты мер и весов, был пору-
чен так называемый „ближайший надзор", при
сохранении руководящей роли палат мер и весов; в-
третьих, широким привлечением к делу реализации
МГП всей системы правоохранительных органов, в
том числе органов суда, включая Пленум Верховного
суда РСФСР. Этот период, в особенности 30-е и 40-е гг.,
характеризуется особо активным вмешательством и
воздействием органов государства на осуществление
ГМКН и применение МГП, а также высоким каратель-
ным уровнем последних.
Характерно, что в эти годы применение дисцип-
линарных взысканий за нарушение метрологических
правил и норм, что по существу относится к ведению
администрации предприятий и организаций и долж-
но применяться по усмотрению последних, предпи-
сывалось им законодательством в области метрологии
(Положение о мерах и весах, утв. пост. ЦИК и СНК
РСФСР от 6.06.24; Постановление „О мерах и весах",
утв. ЦИК и СНК СССР 9.09.34; Инструкция милиции
по надзору за соблюдением правил о мерах и весах от
3.07.24, „Поверочное дело", вып. 1 (2), 1925; Поста-
новления Пленума Верховного суда РСФСР „О квали-
фикации нарушений правил о мерах и весах" от
29.07.25, „Поверочное дело", 1925, № 3(4) и от 8.05.41;
Директивное письмо Прокуратуры СССР „Об обяза-
тельном клеймении весов, гирь, литров, метров и дру-
гих измерительных приборов" от 28.09.34, „Инфор-
мационные и инструктивные материалы Комитета
стандартов, мер и измерительных приборов при СМ
СССР" М., 1949; Постановление ЦИК и СНК СССР
от 15.01.35 „О специальных государственных повери-
телях измерительных приборов"; Приказ народного
Комиссариата юстиции РСФСР № 12 от 24.02.1941,
„Информационные и инструктивные материалы Ко-
митета стандартов, мер и измерительных приборов"
- — 803
М., 1949; Уголовные кодексы РСФСР 1922 и 1926 гг.).
В 1960- 1961 гг. система МГП была подвергнута прин-
ципиальным изменениям: Указом Президиума Верхов-
ного Совета СССР от 21.06.61 был отменен денежный
штраф, налагаемый в административном порядке, а
из Уголовного кодекса 1960 г. были исключены статьи
об уголовной ответственности за нарушение метро-
логических правил и норм.
Таким образом, если не считать дисциплинарных
взысканий, система МГП фактически была ограниче-
на лишь мерами предупреждения и пресечения, без
возможности привлечения нарушителей к юридиче-
ской ответственности. Происшедшее сужение преде-
лов государственного принуждения носило в то время
всеобщий характер, отражало общие тенденции раз-
вития советского законодательства и распространя-
лось не только на деятельность по ОЕИ. Однако при
этом, в соответствии с растущими потребностями эко-
номики, достижениями в области науки и техники, был
введен в действие целый ряд новых метрологических
правил и норм, а вместе с ними новые, соответствую-
щие им МГП. Последние носили лишь предупредитель-
ный или пресекательный характер и их реализация
осуществлялась исключительно органами ГМКН. В со-
временных условиях соблюдение метрологических
правил и норм обеспечивается не только мерами пре-
дупреждения и пресечения, предусмотренными стать-
ей 20 Закона РФ „Об обеспечении единства измере-
ний" от 27.04.93. Однако именно эти меры продолжа-
ют занимать преобладающее место. Вместе с тем,
начиная с 1995 г. (Федеральный закон от 19.06.95), ус-
тановлен новый порядок и повышены меры админи-
стративно-правовой ответственности, к которой ви-
новные лица могут быть привлечены на основании Ко-
декса РСФСР об административных правонарушениях
(статьи 170 и 224/11). МГП, действующие в настоящее
время, могут применяться исключительно главными
государственными инспекторами и государственными
инспекторами по ОЕИ. Госстандарта России, на кото-
рые возложены функции ГМКН. При этом допускает-
ся возложение указанных обязанностей также на госу-
дарственных инспекторов по надзору за государствен-
ными стандартами при условии их аттестации в
качестве государственных инспекторов по ОЕИ. Сис-
тема МГП, предусмотренная статьей 20 Закона РФ „Об
обеспечении единства измерений", построена в соот-
ветствии с основными положениями этого Закона и с
учетом содержания предписываемых конкретных пра-
вил и норм. Так, государственному инспектору предос-
тавлено право беспрепятственно посещать объекты,
подлежащие ГМКН; проверять соответствие исполь-
зуемых единиц величин допущенным к применению;
проверять состояние и применение СИ, их соответст-
вие установленным требованиям; проверять количе-
ство товаров, отчуждаемых при совершении торговых
операций, в том числе количество фасованных това-
ров в упаковках любого вида; и др. При необходимо-
сти государственный инспектор вправе применять
предусмотренные Законом меры пресечения: запре-
щать применение и выпуск СИ; гасить поверительные
клейма и аннулировать свидетельства о поверке; анну-
лировать лицензии на изготовление, ремонт, продажу
и прокат СИ и т.д.
Необходимо подчеркнуть, что по мере возникно-
вения новых задач, решаемых ГМС, набор обязатель-
ных метрологических требований и соответствующих
им МГП также подлежит пересмотру, изменению или
дополнению. Эти действия не всегда совпадают во
времени, что обусловлено продолжительностью зако-
нодательных процедур. Что касается административ-
но-правовой ответственности, то согласно существую-
щему порядку к ней могут быть привлечены виновные
лица за любые нарушения метрологических правил и
норм; существенно повышен размер взимаемого де-
нежного штрафа; расширен круг лиц, которые могут
быть привлечены к ответственности (как должност-
ные лица, так и граждане, зарегистрированные в ка-
честве индивидуальных предпринимателей); а отны-
не право рассматривать дела об административных
правонарушениях и принимать по ним решения в на-
стоящее время предоставлено главным государствен-
ным инспекторам Госстандарта России.
Статьей 25 Закона РФ „Об обеспечении единства
измерений" предусмотрена также возможность при-
влечения лиц, виновных в нарушении метрологиче-
ских правил и норм, к уголовной или гражданско-пра-
вовой ответственности. Последняя, т.е. имуществен-
ная ответственность за ущерб, причиненный в
результате нарушения метрологических требований,
может быть применена в общем порядке, путем предъ-
явления иска на основании Гражданского кодекса РФ.
Уголовная же ответственность наступает лишь при ус-
ловии наличия в действиях или бездействии наруши-
теля признаков (элементов) одного из преступлений,
предусмотренных Уголовным кодексом. Например, —
статьей 200 „Обман потребителей" или статьей 238
„Выпуск или продажа товаров, выполнение работ или
оказание услуг, не отвечающих требованиям безопас-
ности" или специальных статей об уголовной ответ-
ственности за особо тяжкие нарушения метрологиче-
ских правил и норм в действующем Уголовном кодек-
се нет, что, судя по современной практике ГМКН,
можно рассматривать как пробел в действующем за-
конодательстве.
Х.О. Маликова
Международное сотрудничество
в области метрологии
806
Международная Организация Мер и Весов
(МОМВ)
Международная организация мер и весов - межправительственная ор-
ганизация по метрологии — основана 20 мая 1875 г. в соответствии с Мет-
рической конвенцией, подписанной 17 странами, в том числе и Россией.
Целью организации является практическое распространение метриче-
ской системы мер в международном масштабе, хранение международных
прототипов эталонов метра и килограмма, а также эталонов других еди-
ниц физических величин, проведение их исследований и сличений с на-
циональными эталонами, выполнение большого объема работ в области
фундаментальной и прикладной метрологии.
Руководящий орган Метрической конвенции - Генеральная конферен-
ция по мерам и весам (ГКМВ), в ее работе принимают участие представи-
тели всех 48 государств, присоединившихся к Конвенции. ГКМВ собира-
ется один раз в четыре года. Конференция избирает Международный ко-
митет мер и весов (МКМВ), который руководит всей работой организации
в промежутках между Генеральными конференциями и созывается еже-
годно. Он определяет основные направления работ организации. В МКМВ
входят 18 членов — широко известных ученых-метрологов из разных стран.
Руководит деятельностью МКМВ председатель, организационные дела ве-
дет секретарь, избираемый из состава комитета. В состав МКМВ входит
10 Консультативных комитетов по видам измерений, членами которых яв-
ляются крупнейшие метрологические учреждения стран-членов Метри-
ческой конвенции и которые играют первостепенную роль в выборе и
проведении ключевых сличений национальных эталонов, проверку и под-
тверждение их результатов.
В соответствии с Метрической конвенцией создан и функционирует
международный научно-исследовательский центр — Международное бю-
ро мер и весов (МБМВ), расположенное в Севре, близ Парижа (Франция).
МБМВ осуществляет деятельность по воспроизведению, хранению и пе-
редаче размеров единиц физических величин, координирует и проводит
обширные исследования, направленные на создание более совершенных
первичных эталонов. Под эгидой Бюро проводятся ключевые сличения
национальных эталонов с целью установления их эквивалентности.
Ниже приводится структурная схема Международной организации мер
и весов.
807
Организация метрической конвенции
808
Международная организация законодательной
метрологии (МОЗМ)
Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) —
межправительственная организация, созданная по инициативе СССР в
1955 г., объединяет 96 государств, 54 из которых являются государствами-
членами и 42 — государствами-корреспондентами. Основной целью орга-
низации является гармонизация национальных метрологических требо-
ваний стран, входящих в МОЗМ, направленная на устранение техниче-
ских барьеров при реализации внешнеторговых, промышленных и
научно-технических связей, оказание методической и технической помо-
щи развивающимся странам, разработка системы взаимного признания
сертификатов МОЗМ на средства измерений. Высший орган МОЗМ — Ме-
ждународная конференция законодательной метрологии, созывается один
раз в 4 года для рассмотрения отчетов о работе организации, проведения
выборов Президента МКЗМ и его заместителей, утверждения Междуна-
родных рекомендаций (МР) и Документов (МД), рассмотрения общих во-
просов, связанных с долгосрочной политикой МОЗМ, ее финансовым со-
стоянием, принятием новых членов. В период между конференциями ра-
ботой МОЗМ руководит Международный комитет законодательной
метрологии (МКЗМ) и его президентский совет, заседания которых про-
водятся ежегодно. Президент и два вице-президента МКЗМ выбираются
на срок 6 лет. Исполнительным органом МОЗМ является Международное
Бюро Законодательной метрологии (МБЗМ), на которое возлагается под-
готовка конференций МОЗМ и заседаний МКЗМ, контроль за реализаци-
ей решений конференций, координация работ технических комитетов
(ТК) и подкомитетов (ПК) МОЗМ, подготовка к публикации МР и МД
МОЗМ, организация технических семинаров, сотрудничество с междуна-
родными и региональными организациями, регистрация сертификатов
МОЗМ, публикация Бюллетеней МОЗМ. Рабочими органами МОЗМ слу-
жат технические комитеты и подкомитеты, которые разрабатывают МР
и МД по общим вопросам законодательной метрологии, требованиям и
техническим характеристикам, методам испытаний и поверки средств из-
мерений, подлежащим законодательному контролю (охрана окружающей
среды, здравоохранение и т.д.). При этом МД МОЗМ служат руководства-
ми для национальных метрологических служб по общим вопросам зако-
нодательной метрологии, включая основные законы, единицы величин,
метрологический надзор, требования к МП и подготовку кадров. Техни-
ческие комитеты и подкомитеты состоят из экспертов государств-членов
МОЗМ и сотрудничающих международных и региональных органов. К на-
чалу 2001 г. в МОЗМ работают 18 ТК и 50 ПК по различным видам измере-
ний, которыми разработано 145 МР и МД. С 1991 г. введена система сер-
тификатов МОЗМ для СИ, которая распространяется на 33 МР. К началу
2001 г. выдано более 705 сертификатов на соответствие П-ти МР. Более
210 заявителей из 31 страны получили сертификаты МОЗМ. Разрабаты-
вается еще 15 МР для включения их в систему сертификатов.
В.В. Мардин
809
КОНВЕНЦИЯ, УЧРЕЖДАЮЩАЯ
МЕЖДУНАРОДНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ ПО
ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ’
Государства — участники настоящей Конвенции,
желая разрешить в международном плане техниче-
ские и административные проблемы, возникающие в
связи с применением измерительных приборов, и соз-
навая важность координации своих усилий для дос-
тижения этого, договорились о создании Междуна-
родной организации по законодательной метроло-
гии, определяемой следующим образом:
Раздел первый
ЦЕЛИ ОРГАНИЗАЦИИ
Статья I
Учреждается Международная организация по за-
конодательной метрологии. Эта Организация имеет
целью:
1) создать центр по документации и информации:
с одной стороны, о различных национальных
службах, занимающихся проверкой и контролирова-
нием измерительных приборов, подлежащих или мо-
гущих подлежать законодательной регламентации;
с другой стороны, о вышеуказанных измеритель-
ных приборах, рассматриваемых с точки зрения их
конструирования, изготовления и применения;
2) переводить и издавать тексты законодательных
предписаний об измерительных приборах и их при-
менении, действующих в различных государствах, со
всеми основанными на конституционном и админи-
стративном правах этих государств разъяснениями,
необходимыми для полного понимания этих предпи-
саний;
3) определять общие принципы законодательной
метрологии;
4) изучать, в целях унификации методов и правил,
те задачи законодательного и распорядительного ха-
рактера законодательной метрологии, решение кото-
рых имеет международное значение;
5) составить проекты типовых законов и правил
по измерительным приборам и их применению:
6) разработать проект материальной организации
типовой службы по проверке и контролированию из-
мерительных приборов;
7) устанавливать необходимые и достаточные ха-
рактеристики и качества, которым должны отвечать
измерительные приборы, для того, чтобы они могли
быть одобрены государствами-членами и чтобы их
применение могло быть рекомендовано в междуна-
родном плане;
8) способствовать сношениям между службами мер
и весов или иными службами, ведающими законода-
тельной метрологией, каждого из государств-членов
Организации.
Раздел второй
УСТАВ ОРГАНИЗАЦИИ
Статья II
Членами Организации являются государства—уча-
стники настоящей Конвенции.
Статья III
Организация включает:
Международную конференцию по законодатель-
ной метрологии, Международный комитет законода-
тельной метрологии,
Международное бюро законодательной метроло-
гии, о которых идет речь ниже.
МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО
ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ
Статья IV
Конференция имеет целью:
1) изучать вопросы, касающиеся целей Организа-
ции, и принимать все решения по ним;
2) обеспечить создание руководящих органов, при-
званных выполнять работы Организации, а также из-
бирать членов Комитета или утверждать их коопта-
цию;
3) изучать и утверждать доклады, представляемые
по завершении их работ различными организациями
законодательной метрологии, созданными в соответ-
ствии с настоящей Конвенцией.
Все вопросы, касающиеся законодательства и
управления отдельного государства, исключают из
круга ведения Конференции, если не будет особой
просьбы этого государства.
Статья V
Государства — участники настоящей Конвенции
участвуют в Конференции в качестве членов, пред-
ставлены на ней, как это предусмотрено статьей VII,
и несут обязанности, определенные Конвенцией.
Кроме членов, в Конференции могут принимать
участие в качестве корреспондентов:
1) государства или территории, которые не могут
или еще не желают быть участниками Конвенции;
2) международные союзы, деятельность которых
связана с деятельностью Организации.
Корреспонденты не представлены на Конферен-
ции, но они могут делегировать на нее наблюдателей,
имеющих только совещательный голос. Они не обя-
заны вносить членских взносов государств-членов, но
* Пер. с франц.
27 Зак. 450
===^==^= 810
они должны оплачивать расходы по обслуживанию,
на которое они могут сделать заявку, а также расходы
по подписке на издания Организации.
Статья VI
Государства-члены обязуются предоставлять Кон-
ференции всю имеющуюся у них документацию, ко-
торая, по их мнению, может позволить Организации
выполнять возложенные на нее задачи.
Статья VII
Государства-члены делегируют на съезды Конфе-
ренции официальных представителей числом не бо-
лее трех. По возможности один из них должен являть-
ся в своей стране выполняющим свои функции чинов-
ником службы мер и весов или какой-либо другой
службы, занимающейся законодательной метрологи-
ей. Только один из них имеет право голоса.
Эти делегаты не должны наделяться „полномочия
ми“ кроме кэк по просьбе Комитета в исключитель-
ных случаях и по вполне определенным вопросам.
Каждое государство несет расходы по своему пред-
ставительству на Конференции.
Члены Комитета, которые не делегированы их
правительством, имеют право участвовать в съездах
с совещательным голосом.
Статья VIII
Конференция принимает решения о рекомендаци-
ях которые надлежит сделать для совместной деятель-
ности государств-членов в областях, указанных в
статье I.
Решения Конференции могут стать применимы-
ми лишь в том случае, когда число присутствующих
государств-членов составляет не менее 2/3 общего
числа государств-членов и если они получили не ме-
нее 4/5 поданных голосов. Число поданных голосов
должно составлять не менее 4/5 числа присутствую-
щих государств-членов.
Не считаются поданными голосами воздержания
и пустые или недействительные бюллетени.
Решения немедленно сообщаются государствам-
членам .для информации, изучения и рекомендации
Государства-члены принимают на себя моральное
обязательство внедрять эти решения во всей возмож-
ной степени.
Однако, при любом голосовании по вопросам ор-
ганизации, управления, администрации, внутренне-
го распорядка Конференции, Комитета, Бюро или по
любому аналогичному вопросу, абсолютное большин-
ство является достаточным для того, чтобы данное ре-
шение могло немедленно выполняться, причем мини-
мальное число присутствующих членов и минималь-
ное число поданных голосов остается таким же, как
указано выше. Если голоса разделяются поровтгу, го-
лос государства-члена, делегат которого занимает
председательское место, является решающим.
Статья IX
Конференция избирает из своей среды, на время
каждой из своих сессий, одного председателя и двух
вице-председателей, при которых состоит в качестве
секретаря директор Бюро.
Статью X
Конференция собирается не менее одного раза в
шесть лет по созыву председателя Комитета или, в слу-
чае невозможности, по созыву директора Бюро, если
к последнему поступит просьба не менее чем от поло-
вины членов Комитета.
По окончании своих работ, Конференция устанав-
ливает место и дату своего следующего съезда или по-
ручает это Комитету.
Статья XI
Официальным языком Организации является
французский язык.
Однако Конференция может предусмотреть ис-
пользование одного или нескольких других языков
для работ и дебатов.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОМИТЕТ
ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ
Статья XII
Задачи, предусмотренные в статье!, предприни-
маются и выполняются Международным комитетом
законодательной метрологии, являющимся рабочим
органом Конференции.
Статья ХП1
Комитет включает представителя каждого государ-
ства-члена организации. Эти представители назнача-
ются правительством их стран.
Они должны быть работающими чиновниками
службы, занимающейся измерительными приборами,
или же лицами, действительно выполняющими офи-
циальные функции в области законодательной метро-
логии.
Они предоставляют Комитету свой опыт, свои со-
веты и труды, но не связывают обязательствами ни
свое правительство, ни свою администрацию.
Члены Комитета избираются на период в шесть
лет и могут быть переизбраны. Однако, если срок их
полномочий истекает в промежуток времени между
двумя сессиями Конференции, то он автоматически
продлевается до второй из этих сессий.
Они перестают быть членами Комитета, как толь-
ко они перестают отвечать условиям, установленным
в настоящей стагье.
Любой член Комитета, который отсутствовал на
двух сессиях подряд без объяснений или передачи сво
его представительства, будет рассматриваться как вы-
шедший в отставку со второй из этих сессий.
Если Конференция, в момент первого формиро-
вания Комитета, не смогла назначить всех его членов
или если образуются вакансии вследствие смерти,от-
ставки или прекращения полномочий, Комитет мо-
жет пополняться путем кооптации. Назначение кооп-
тированных таким путем членов является окончатель-
ным только после утверждения Конференцией, при
условии согласия правительства их страны. Их пол-
номочия истекают одновременно с полномочиями
членов, непосредственно избранных Конференцией.
Члены Комитета участвуют по праву в съездах Кон-
ференции с совещательным голосом. Член Комитета
может быть одним из делегатов своего правительст-
ва на Конференции.
== - -------—— 811
Председатель может приглашать на заседания Ко-
митета с правом совещательного голоса любое лицо,
участие которого он считает полезным.
Статья XIV
Физические лица, сыгравшие определенную роль
в метрологических науке или технике, или бывшие
члены Комитета могут, по решению Комитета, полу-
чать звание почетных членов. Они могут присутство-
вать на заседаниях с совещательным голосом.
Статья XV
Комитет избирает из своей среды председателя,
первого и второго вице- председателей на срок в шесть
лет, могущих быть переизбранными. Однако, если их
полномочия истекают в период между сессиями Ко-
митета, то они автоматически продлеваются до вто-
рой из этих сессий. Директор Бюро состоит при них
в качестве секретаря.
Комитет может передавать некоторые из его функ-
ций своему председателю. Председатель выполняет
задачи, переданные ему Комитетом, и заменяет его
при принятии неотложных решений. Он доводит эти
решения до сведения членов Комитета и отчитыва-
ется за них перед последними в кратчайший срок
Когда могут возникнуть вопросы, представляющие
общий интерес для Комитета и смежных организа-
ций, председатель представляет Комитет в этих ор-
ганизациях
В случае отсутствия, невозможности присутствия,
прекращения полномочий, отставки или смерти пред-
седателя, его временно заменяет первый вице-пред-
седатель.
Статья XVI
Комитет собирается не реже одного раза в два го-
да по созыву своего председателя или, в случае невоз-
можности, по созыву директора Бюро, если к нему по-
ступит просьба не менее чем от половины членов Ко-
митета.
За исключением особых причин, очередные сес-
сии происходят в стране, являющейся местопребыва-
нием Бюро.
Однако информационные заседания могут проис-
ходить на территории различных государств-членов.
Статья XVII
Члены Комитета, не имеющие возможности при
сугствовать на заседаниях, могут передавать свое пра-
во голоса одному из своих коллег, который является
тогда их представителем. В этом случае один член не
может иметь помимо своего голоса более двух других
голосов.
Решения являются действительными лишь в том
случае, когда число присутствующих и представлен-
ных составляет не менее 3/4 числа лиц, выбранных
или кооптированных в качестве членов Комитета, и
если проект собрал не менее 4/5 поданных голосов.
Число поданных голосов должно составлять не менее
4/5 числа присутствующих и представленных на сес-
сии.
Не считаются поданными голосами воздержания
и пустые или недействительные бюллетени.
В перерыве между сессиями и в некоторых особых
случаях Комитет может принимать решения путем пе-
реписки.
Резолюции, принятые в этой форме, являются дей-
ствительными только в том случае, если всем членам
Комитета было предложено высказать их мнение и
если резолюции были одобрены единогласно всеми
поданными голосами, при условии, что число подан-
ных голосов составляет не менее 2/3 числа выбран-
ных или кооптированных членов.
Не считаются поданными голосами воздержания
и пустые или недействительные бюллетени. Отсутст-
вие ответа в сроки, установленные председателем,
рассматривается как воздержание.
Статья XVIII
Комитет поручает специальные изыскания, экспе-
риментальные исследования и лабораторные работы
компетентным службам государств-членов после по-
лучения от них предварительного формального согла-
сия. Если эти задания вызывают необходимость в не-
которых расходах, то в соглашении обусловливается,
в какой пропорции эти расходы несет Организация.
Директор Бюро координирует и централизует все
работы.
Комитет может поручать некоторые задания, в по-
стоянном порядке или на время, рабочим группам или
техническим пли юридическим экспертам, действую-
щим сообразно установленному им порядку. Если эти
задания требуют некоторого вознаграждения или воз-
мещения, то Комитет устанавливает сумму таковых.
Директор Бюро выполняет функции секретариа-
та для этих рабочих групп или этих групп экспертов.
МЕЖДУНАРОДНОЕ БЮРО
ЗАКОНОДАТЕЛЬНОЙ МЕТРОЛОГИИ
Статья ХТХ
Работа Конференции и Комитета обеспечивается
Международным бюро законодательной метрологии,
находящимся под управлением и контролем Коми-
тета.
На Бюро возлагается подготовка съездов Конфе-
ренции и Комитета, установление связи между раз-
личными членами этих организаций и поддержание
отношений с государствами-членами или с корреспон-
дентами и их соответствующими службами.
Ему поручается также выполнение исследований
и работ, упомянутых в статье I, а также составление
протоколов и издание бюллетеня, рассылаемого бес-
платно государствам-членам.
Бюро образует центр документации и информа-
ции, предусмотренный в статье I.
Комитет и Бюро берут па себя выполнение реше-
ний Конференции.
Бюро не производит экспериментальных исследо-
ваний и лабораторных работ. Однако оно может
располагать демонстрационными залами, соответст-
венно оборудованными для изучения характера кон-
струкций и действия некоторых приборов.
Статья XX
Административным местопребыванием Бюро яв-
ляется Франция.
812
Статья XXI
Персонал Бюро включает директора и сотрудни-
ков, назначаемых Комитетом, а также служащих или
агентов, находящихся на постоянной или временной
работе и нанимаемых директором.
Персонал Бюро и, в случае необходимости, экспер-
ты, предусмотренные статьей XVIII, получают возна-
граждение. Они получают оклады или жалованье или
же возмещение, размер которых устанавливается Ко-
митетом.
Положения о директоре, сотрудниках и служащих
или агентах определяются Комитетом, в частности,
относительно условий найма, работы, дисциплины,
выхода на пенсию.
Директор назначает, увольняет или отзывает аген-
тов и служащих Бюро, за исключением сотрудников,
назначаемых Комитетом, к которым применяются
аналогичные меры лишь по решению Комитета.
Каждое государство-член выделяет в своей стране
одного из своих чиновников, которому поручается
обеспечение постоянной связи с Бюро и сосредото-
чение всех изучаемых вопросов. Страны, один из гра-
ждан которых является членом Комитета, могут по-
ручать этому лицу одновременно обеспечивать выше-
указанную связь.
Статья XXII
Директор обеспечивает работу Бюро под контро-
лем и согласно директивам Комитета, перед которым
он является ответственным и которому он должен
представлять на каждой очередной сессии отчет об
управлении.
Директор принимает поступающие доходы, под-
готавливает бюджет, устанавливает и разрешает про-
изводить все расходы по персоналу и материальной
части, распоряжается фондами казначейства.
Директор является по праву секретарем Конфе-
ренции и Комитета.
Статья XXIII
Правительства государств-членов заявляют, что
Бюро признается общественно-полезным, что оно на-
деляется статусом юридического лица и что вообще
оно пользуется привилегиями и льготами, обычно
предоставляемыми межправительственным учрежде-
ниям законодательством, действующим в каждом из
государств-членов.
Раздел третий
ФИНАНСОВЫЕ ПОСТАНОВЛЕНИЯ
Статья XXIV
На финансовый период, равный промежутку меж-
ду ее сессиями, Конференция принимает решения в
отношении:
общей суммы кредитов, необходимых для покры-
тия расходов, связанных с деятельностью Организа-
ции;
ежегодной суммы кредитов, которые должны вы-
деляться в резервный фонд для покрытия чрезвычай-
ных обязательных расходов и для обеспечения выпол-
нения бюджета в случае недостаточности поступле-
ний.
Кредиты исчисляются в золотых франках. Пари-
тетом между золотым франком и французским фран-
ком является паритет, установленный Французским
банком.
В течение финансового периода Комитет может
обратиться к государствам-членам, если он считает,
что увеличение средств необходимо для выполнения
задач Организации или в связи с изменением эконо-
мических условий.
Если по истечении финансового периода Конфе-
ренция не собралась или не смогла принять надлежа-
щего решения, то финансовый период продлевается
до следующей сессии, на которой будет принято та-
кое решение. Первоначально предоставленные кре-
диты увеличиваются пропорционально сроку этого
продления.
В течение финансового периода Комитет устанав-
ливает, в пределах предоставленных кредитов, сумму
расходов по деятельности, относящейся к бюджетным
периодам, равным перерывам между его сессиями. Он
контролирует размещение наличных фондов.
Если по окончании бюджетного периода Комитет
не соберется или не сможет принять надлежащего ре-
шения, то председатель и директор Бюро принима-
ют решение о продлении до следующей сессии, на ко-
торой будут приняты такие решения, всего или части
бюджета истекшего периода.
Статья XXV
Директор Бюро имеет право производить и опла-
чивать по своему усмотрению расходы по деятельно-
сти Организации.
Он не может:
оплачивать чрезвычайные расходы;
заимствовать из резервных кредитов фонды, не-
обходимые для выполнения бюджета в случае недос-
таточности поступлений, если он не получил на это
согласие председателя Комитета.
Бюджетные излишки могут быть использованы в
течение всего финансового периода.
В расходовании бюджетных средств директор под-
чиняется Комитету, который проверяет эти расходы
на каждой из своих сессий.
По окончании финансового периода Комитет
представляет Конференции для контроля отчет о
бюджетных расходах.
Конференция устанавливает назначение остаю-
щихся излишков бюджета. Сумма этих излишков мо-
жет быть зачтена в сумму взносов государств-членов
или добавлена к резервным кредитам.
Статья XXVI
Расходы Организации покрываются:
1) ежегодным взносом государств-членов.
Общая сумма взносов на финансовый период оп-
ределяется в зависимости от суммы кредитов, предос-
тавленных Конференцией, с учетом определения до-
ходов, предусмотренных в пунктах 2 и 5 настоящей
статьи.
Для определения соответствующих долей взносов
государства-члены подразделяются на четыре катего-
рии, исходя из общей численности населения метро-
полии и территорий, которые они представляют со-
гласно их заявлению:
- 813
Категория 1 — Население менее и равное 10 мил-
лионам жителей;
Категория 2 — Население более 10 миллионов и до
40 миллионов включительно;
Категория 3 — Население более 40 миллионов и до
100 миллионов включительно;
Категория 4 — Население свыше 100 миллионов.
Цифра населения округляется до целого низшего
числа миллионов.
Если в каком-либо государстве степень использова-
ния измерительных приборов определена ниже сред-
ней, то это государство может просить о помещении
его в категорию ниже той, к которой оно относится
по своему населению.
Соответственно категориям, доли взносов пропор-
циональны 1, 2, 4 и 8.
Доля государства-члена равномерно распределяет-
ся на все года финансового периода для определения
его ежегодного взноса.
Для создания с самого начала резерва безопасно-
сти, предназначенного для амортизации колебаний в
поступлении доходов, государства-члены представля-
ют авансы в счет их будущих взносов. Сумма этих аван-
сов и их срок устанавливается Конференцией.
Если по окончании финансового периода Конфе-
ренция не соберется или если она не сможет принять
надлежащих решений, ежегодные взносы будут про-
длены в том же размере по соответствующей сессии
Конференции:
2) выручкой от продажи печатных изданий и от оп-
латы за услуги, оказываемые корреспондентам;
3) доходами от помещения сумм, представляющих
кассовые фонды;
4) взносами на финансовый период и вступитель-
ными взносами новых присоединившихся государств;
ретроактивными взносами и вступительными взноса-
ми восстановленных государств-членов; просроченны-
ми взносами государств-членов, возобновивших свои
взносы после перерыва;
5) субсидиями, подписками, дарами или отказами
по завещанию и разными поступлениями.
Для проведения специальных работ, некоторыми
государствами-членами могут предоставляться чрезвы-
чайные субсидии. Они не включаются в общий бюд-
жет и на них ведутся особые счета.
Ежегодные взносы устанавливаются в золотых
франках. Они оплачиваются во французских франках
или в любой обратимой валюте. Паркетом между зо-
лотым франком и французским франком является па-
ритет, указываемый Французским банком, причем за
курс принимается курс на день взноса.
Они вносятся в начале года директору Бюро.
Статья XXVII
Комитет выработает финансовый регламент, осно-
ванный на общих предписаниях вышеуказанных ста-
тей XXIV-XXVI.
Статья XXVIII
1осударство, ставшее членом Организации во вре-
мя одного из периодов, предусмотренных в
статье XXVI, связано с ней до окончания этого перио-
да и подчиняется, с момента своего вступления, таким
же обязательствам, как и ранее принятые члены.
Новое государство-член является совладельцем
имущества Организации и должно внести вследствие
этого вступительный взнос, устанавливаемый Конфе-
ренцией.
Его ежегодный взнос исчисляется так, как если бы
оно вступило 1 января года, следующего за годом сда-
чи на хранение документов о присоединении или ра-
тификационных грамот. Его взнос на текущий год бу-
дет равен стольким двенадцатым частям его пая, сколь-
ко оказалось месяцев до конца года. Этот взнос не
изменит долей, предусмотренных на текущий год для
других членов.
Статья XXIX
Каждое государство, не уплатившее своих взносов
в течение трех лет подряд, рассматривается как авто-
матически выбывшее и вычеркивается из списка госу-
дарств-членов.
Однако Конференция рассматривает положение
некоторых государств-членов, испытывающих в дан-
ный период финансовые затруднения и не могущих в
настоящий момент выполнить возложенные на них
обязательства; Конференция может, в некоторых слу-
чаях, предоставлять им отсрочки или скидки.
Недостаточность доходов в результате исключения
одного государства-члена компенсируется за счет ре-
зервных кредитов, составляемых как указано в
статье XXIV.
Государства-члены, выбывшие добровольно, и го-
сударства-члены, выбывшие автоматически, теряют
право на совладение всем имуществам Организации.
Статья XXX
Государство-член, выбывшее добровольно, может
быть вновь принято по его просьбе. Оно рассматрива-
ется в этом случае как новое государство-член, но всту-
пительный взнос требуется лишь в том случае, если оно
выбыло более пяти лет тому назад.
1осударство-член, выбывшее автоматически, может
быть вновь принято по его просьбе при условии опла-
ты его взносов, которые не были оплачены в момент
его выбытия. Эти ретроактивные взносы подсчитыва-
ются на основе взносов за годы, предшествующие его
выбытию. Затем оно рассматривается как новое госу-
дарство-член, но вступительный взнос подсчитывает-
ся с учетом его прежних взносов, в пропорциях уста-
новленных Конференцией.
Статья XXXI
В случае роспуска Организации ее актив, с оговор-
кой о любом соглашении, которое может быть заключе-
но между государствами-членами, уплатившими свои
взносы ко дню роспуска и с оговоркой о договорных или
приобретенных правах персонала на действитель ной
службе или на пенсии, распределяется между государст-
вами пропорционально сумме их прежних взносов.
Раздел четвертый
ОБЩИЕ ПОСТАНОВЛЕНИЯ
Статья XXXII
Настоящая Конвенция останется открытой для
подписания до 31 декабря 1955 г. в Министерстве ино-
странных дел Французской Республики.
- —. — — - 814 .......... ' -................. =
Она подлежит ратификации.
Ратификационные грамоты будут сданы на хране-
ние Правительству Французской Республики, которое
сообщит каждому государству, подписавшему Конвен-
цию, о дате этой сдачи.
Статья XXXIII
Государства, которые не подпишут Конвенцию,
смогут к ней присоединиться по истечении срока, пре-
дусмотренного статьей XXXII.
Грамоты о присоединении будут сданы на хране-
ние Правительству Французской Республики, которое
сообщит о дате этой сдачи всем подписавшим и при-
соединившимся правительствам.
Статья XXXIV
Настоящая Конвенция вступит в силу спустя три-
дцать дней после сдачи на хранение шестнадцатой ра-
тификационной грамоты или документа о присоеди-
нении.
Она вступит в силу, для каждого государства, кото-
рое ее ратифицирует или присоединится к ней после
этой даты, спустя тридцать дней после сдачи на хра-
нение его ратификационной грамоты или документа
о присоединении.
Правительство Французской Республики уведомит
каждую из Договаривающихся Сторон о дате вступ-
ления в силу Конвенции.
Статья XXXV
Каждое государство может, в момент подписания,
ратификации или в любое другое время, заявить по-
средством уведомления Правительству Французской
Республики о том, что настоящая Конвенция приме-
нима ко всем или к части территорий, которые оно
представляет в международном плане.
Настоящая Конвенция будет применима к терри-
тории или территориям, указанным в уведомлении,
начиная с тридцатого дня после даты получения уве-
домления Правительством Французской Республики.
Правительство Французской Республики передаст
это уведомление другим правительствам.
Статья XXXVI
Настоящая Конвенция заключается на двенадцати-
летний срок, начиная с ее первого вступления в силу.
Впоследствии она останется в силе на период в
шесть лет и так далее между Договаривающимися Сто-
ронами, которые не денонсируют ее не менее чем за
шесть месяцев до истечения срока.
Денонсация производится путем письменного уве-
домления, направленного Правительству Француз-
ской Республики, которое уведомит об этом Догова-
ривающиеся Стороны.
Статья XXXVII
Организация может быть распущена по решению
Конференции, при условии, что делегаты, в момент
голосования, будут наделены полномочиями по это-
му вопросу.
Статья XXXVIII
Если число стран, участвующих в настоящей Кон-
венции, окажется менее шестнадцати, Конференция
может запросить мнение государств-членов с тем, что-
бы установить, следует ли считать Конвенцию дейст-
вительной.
Статья XXXIX
Конференция может рекомендовать Договариваю-
щимся Сторонам поправки к настоящей Конвенции.
Любая Договаривающаяся Сторона, принимаю-
щая поправку, сообщит в письменном виде о своем
принятии поправки Правительству Французской Рес-
публики, которое уведомит другие Договаривающие-
ся Стороны о получении сообщения о принятии по-
правки.
Поправка вступает в силу спустя три месяца после
получения Правительством Французской Республики
сообщения о ее принятии от всех Договаривающих-
ся Сторон. Когда поправка принята таким образом
всеми Договаривающимися Сторонами, Правительст-
во Французской Республики уведомит об этом все дру-
гие Договаривающиеся Стороны, а также правитель-
ства, подписавшие Конвенцию, поставив их в извест-
ность о дате ее вступления в силу.
После вступления в силу поправки ни одно прави-
тельство не может ратифицировать настоящую Кон-
венцию или присоединиться к ней, не приняв одно-
временно эту поправку.
Статья XL
Настоящая Конвенция будет составлена на фран-
цузском языке в одном подлинном экземпляре, кото-
рый будет сдан на хранение в архивы Правительства
Французской Республики, которое разошлет должным
образом заверенные копии всем подписавшим и при-
соединившимся правительствам.
В удостоверение чего нижеследующие Уполномо-
ченные, полномочия которых были найдены в пол-
ном порядке и в должной форме, подписали настоя-
щую Конвенцию.
Составлено в Париже 12 октября 1955 г.
(следуют подписи Уполномоченных)
Подписана СССР 31 декабря 1955 г.
Ратифицирована Президиумом Верховного
Совета СССР 5 ноября 1956 г.
Ратификационная грамота СССР депонирована
Правительству Франции 18 декабря 1956 г.
815
КООМЕТ
КООМЕТ („Cooperation Metrologique*') — органи-
зация сотрудничества государственных метрологиче-
ских учреждений стран Центральной и Восточной Ев-
ропы, открытая для присоединения к ней метрологи-
ческих учреждений стран других регионов в качестве
ассоциированных членов. КООМЕТ создана на осно-
ве Меморандума, подписанного в Варшаве, в июне
1991 г. представителями метрологических учреждений
пяти стран. К началу 1999 г. в состав КООМЕТ входят
организации Беларуси, Болгарии, Германии, Казахста-
на, Кубы, Литвы, Молдовы, Польши, России, Румынии,
Словакии, Украины. Сотрудничество в рамках КО-
ОМЕТ осуществляется в области эталонов единиц ве-
личин, законодательной метрологии и калибровочной
службы. Целями этой Организации являются: содей-
ствие эффективному решению вопросов единообразия
мер, единства и требуемой точности измерений; содей-
ствие развитию сотрудничества в народном хозяйст-
ве и устранению технических препятствий в междуна-
родной торговле; сближение деятельности метрологи-
ческих служб европейских стран. Сфера деятельности
КООМЕТ определяется основными направлениями
сотрудничества этой организации, установленными
Меморандумом и так называемыми тематическими об-
ластями сотрудничества по областям и видам измере-
ний. Организационная структура КООМЕТ во многом
идентична структуре международных метрологиче-
ских организаций стран Западной Европы, в первую
очередь ЕВРОМЕТ. Инициативным и поддерживаю-
щим органом КООМЕТ является Комитет КООМЕТ,
в состав которого входят руководители государствен-
ных метрологических учреждений или уполномочен-
ные ими лица по одному из каждой страны. Из числа
членов Комитета сроком на три года с возможностью
одного повторения этого срока избирается Президент.
На базе аппарата Президента образован Секретариат
КООМЕТ. По каждой тематической области сотрудни-
чества в странах-участницах КООМЕТ назначены кор-
респонденты, которые по согласованию между собой
рекомендуют кандидатуру Докладчика по данной тема-
тической области сотрудничества, утверждаемую за-
тем Комитетом КООМЕТ сроком на 4 года. Докладчи-
ки отвечают за организацию сотрудничества в пору-
ченных им областях, информируют Комитет о ходе
работ и готовят годовые отчеты по ним. Для выполне-
ния конкретных работ создаются рабочие группы, ка-
ждая из которых назначает своего координатора. Ор-
ганизационные и финансовые вопросы рабочие груп-
пы решают автономно. Порядок планирования работ
в рамках КООМЕТ в значительной мере аналогичен
порядку планирования, принятого в ЕВРОМЕТ. Засе-
дания Комитета КООМЕТ проводятся на русском и/
или английском языках. Документы общего характера,
получаемые и распространяемые Секретариатом, под-
готавливаются также на английском и русском языках.
КООМЕТ не имеет собственных финансовых средств.
Для вступления в эту Организацию не требуется упла-
ты членских взносов. Однако реализация тематики по
линии КООМЕТ не исключает выполнения работ по
договорам и контрактам.
Б.П. Горшков
816
Азиатско-Тихоокеанский Форум по
законодательной метрологии (АТФЗМ)
Азиатско-Тихоокеанский форум по законодатель-
ной метрологии (АТФЗМ) — объединение уполномо-
ченных по законодательной метрологии (ЗМ) стран
Азиатско-Тихоокеанского Экономического Содружест-
ва (АТЭС), открытым для присоединения метрологи-
ческих учреждений стран, находящихся в азиатско-ти-
хоокеанском регионе и других стран по усмотрению
Форума. Его создание обусловлено необходимостью
ОЕИ в регионе в условиях открытой и свободной тор-
говли между странами-членами АЛЕК. Решение о соз-
дании АТФЗМ принято на заседании, созванном На-
циональной Комиссией Стандартов Австралии в но-
ябре 1994 г. Среди делегатов заседания были
представители Австралии, Канады, Народной Респуб-
лики Китай, Индонезии, Японии, Республики Корея,
Малайзии, Новой Зеландии, Филиппин, Папуа Новой
Гвинея, Сингапура, Тайваня, США и наблюдатели от
международных организаций. Россия принята в чле-
ны организации в октябре 1995 г. во время второго за-
седания Форума, проходившего в г. Пекин (КНР).
В соответствии с принципами открытой и свобод-
ной торговли в регионе, провозглашенными АЛЕК, це-
лями АТФЗМ являются следующие:
— устранение технических и административных
барьеров в торговле в области ЗМ;
— разработка и поддержание взаимного доверия ме-
жду уполномоченными по ЗМ в регионе;
— обеспечение мер по обмену информацией между
уполномоченными по ЗМ;
— создание условий для заключения соглашений о
взаимном признании между членами и другими регио-
нальными группами и конкретными странами;
— сотрудничество с МОЗМ в целях использования
и принятия МР, МД и схем сертификатов МОЗМ;
— сотрудничество с другими региональными орга-
нами в области ЗМ;
— координация региональных учебных курсов по
ЗМ и способствование обмену специалистами между
метрологическими учреждениями региона. Инициа-
тивным и поддерживающим органом АТФЗМ являет-
ся Исполнительный Комитет, состоящий из Президен-
та (Координатора) Форума, его предшественника на
этом посту, трех членов из трех разных стран, вы-
бираемых большинством голосов членов Организа-
ции и Секретариата АТФЗМ. Участие уполномоченных
по законодательной метрологии в Форуме является
добровольным и решения Форума не обязывают их к
этому.
Программа работ, принятая Форумом, включает:
— разработку проектов документов;
— перевод на английский язык законов по ЗМ неанг-
лоязычных стран;
— разработку способов привлечения потребителей
к участию в деятельности Форума, публикации финан-
совых документов по модернизации законодательных
и административных систем;
— рассылку результатов сличительных испытаний
участникам для замечаний;
— создание новых рабочих групп по таксиметрам;
— метрологический контроль качества товаров об-
щего применения, являющихся предметами междуна-
родной торговли;
— измерения параметров окружающей среды, в ча-
стности, загрязнений воздуха;
— подготовку учебных курсов по поверке различных
приборов;
— разработку учебных курсов по одобрению типов
и поверке приборов;
— разработку Регионального Руководства по обуче-
нию и регионального перечня учебных центров и дру-
гие работы, касающиеся деятельности конкретных ра-
бочих групп.
В.В. Мардин
27* Зак. 450
Метрологическая
Академия
818
Об академии
Основана в мае 1992 г. в Санкт-Петербурге. Орга-
низаторами ее создания являются ученые метрологи
ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, других метрологиче-
ских институтов Госстандарта РФ, ряд известнейших
деятелей вузовской науки из крупнейших технических
университетов России, видные представители РАН, от-
раслевых научных учреждений. Президентом Акаде-
мии на ее Учредительном съезде избран Заслуженный
деятель науки и техники РФ, д.т.н., профессор
Ю.В. Тарбеев.
Научные и практические достижения в области
метрологии являются составной частью интеллекту-
ального фонда России, утрата которой, случись это,
была бы невосполнимой потерей в обозримом буду-
щем.
Сознавая это, в сегодняшних преисполненных раз-
рушительными тенденциями обстоятельствах, ученые-
метрологи России посчитали необходимым предпри-
нять реальные меры не только по сохранению, но и по
дальнейшему развитию метрологического потенциала
нашей страны. Это нашло свое выражение в учрежде-
нии в канун 150-летия Российской государственной сис-
темы единства измерений и Института метрологии
им. Д.И. Менделеева — главного научного центра рос-
сийской метрологической науки — Метрологической
академии — межрегионального добровольного общест-
венного самоуправляющегося творческого объедине-
ния ученых метрологических институтов, профессуры
крупнейших технических университетов России и спе-
циалистов, работающих в области теоретической, фун-
даментальной и прикладной метрологии и информа-
ционно- измерительной техники в отраслевых научных
и производственных организациях и территориальных
организациях Госстандарта РФ.
Учредительный съезд, состоявшийся в мае 1992 г.
в Санкт-Петербурге, утвердил Устав Метрологической
академии, ее структуру и избрал первых действитель-
ных членов, членов-корреспондентов, президента, ви-
це-президентов и главного ученого секретаря.
В настоящее время в составе Академии — 191 дей-
ствительный член, 272 члена-корреспондента, 23 По-
четных члена, 46 иностранных членов, 11 Почетных
иностранных членов. За выдающийся вклад в разви-
тие современной отечественной метрологии Почет-
ными членами академии были избраны академики,
лауреаты Нобелевской премии Вице-Президент РАН
Ж.И. Алферов, академик РАН Н.Г. Басов, академик
РАН А.М. Прохоров; профессор В.В. Бойцов, член-
корреспондент РАН, профессор Ю.Д. Буланже, про-
фессор ГП. Воронин, член-корреспондент РАН, про-
фессор Б.С. Джелепов, член-корреспондент РАН, про-
фессор М.М. Мирошников.
Первыми иностранными членами академии были
избраны Президент Международного Комитета мер
и весов проф. И.И. Ковалевский (Франция), бывший
Президент ПТБ, профессор Д. Кинд (Германия), По-
четный директор Международного Бюро Мер и Ве-
сов, профессор П. Джиакомо (Франция), лауреат Но-
белевской премии, профессор К. фон Клитцинг (Гер-
мания), директор Международного Бюро Мер и
Весов, доктор Т. Квин, директор Института метроло-
гии им. Дж. Колоннетти профессор Л. Кровини (Ита-
лия), один из ведущих теоретиков метрологии Вели-
кобритании профессор Б. Петли.
Специальным положением предусмотрено нали-
чие в составе Метрологической академии коллектив-
ных и иностранных членов, в качестве которых мо-
гут выступать отечественные и зарубежные общест-
венные организации, предприятия и фирмы, а также
ученые, работающие в различных областях науки и
техники, заинтересованные в использовании резуль-
татов деятельности академии.
В настоящее время активно действуют три Коор-
динационных совета Метрологической академии (по
фундаментальным проблемам метрологии, по при-
кладным проблемам метрологии, по проблемам зако-
нодательной метрологии) и 38 региональных отделе-
ний в составе семи филиалов:
— Северо-Западного (г. С.-Петербург);
— Центрально-Европейского (г. Москва);
— Уральского (г. Екатеринбург);
— Западно-Сибирского (г. Новосибирск);
— Восточно-Сибирского (г. Иркутск);
— Поволжского (г. Волгоград);
— Северо-Кавказского (г. Ростов-на-Дону).
В крупных научных центрах, таких как МГТУ
им. Н.Э. Баумана и НИПИ (Нижний Новгород) и ря-
де других, созданы тематические отделения академии.
По просьбе президиума Российской академии естест-
венных наук создано отделение по проблемам геофи-
зики. По желанию ученых республики Беларусь в ап-
реле 1993 г. было учреждено Белорусское зарубежное
отделение „Белая Русь" (г. Минск), члены которого ак-
тивно работают под руководством Н.А. Жагоры. Соз-
дано Украинское отделение (г. Львов), обсуждается
идея создания и других зарубежных отделений. Сего-
дня, когда межгосударственные экономические и по-
литические отношения включают в себя, как неотъ-
емлемый элемент, сотрудничество в области развития
819
науки, техники и производства, совместная деятель-
ность ученых в рамках международных неправитель-
ственных организаций, каковой и является Метроло-
гическая академия, приобретает все большее значе-
ние, содействуя укреплению экономики стран,
достижению взаимопонимания между народами.
Главная цель Метрологической академии — коор-
динация, организация и проведение фундаментальных
и прикладных научных исследований, разработок по
всем разделам метрологии как науки об измерениях и
методах обеспечения их единства посредством эффек-
тивного использования творческого потенциала уче-
ных и специалистов. Практический опыт специали-
стов, составляющих ее ядро, авторитет организаций,
вошедших в ее состав в качестве коллективных членов,
позволяют академии выразить готовность выполнения
таких видов работ, как метрологическая экспертиза
крупных межгосударственных, межправительствен-
ных, международных экономических и научно-тех-
нических проектов с целью обеспечения интересов
России в международном распределении труда и мет-
рологическую поддержку государственных научно-тех-
нических программ. Все это особенно важно, ибо без
метрологического обеспечения эти программы „по-
виснут" в воздухе: идет ли речь о новейших наукоем-
ких и ресурсосберегающих технологиях или об эколо-
гии среды обитания, создании новых сверхчистых, ста-
бильных веществ и материалов или экологически
чистой и безопасной энергетике, сейсмометрии и гра-
виметрии, предупреждении крупных катастроф в зо-
нах действия атомных электростанций, землетрясе-
ний и т.п.
Иными словами, Метрологическая академия, обла-
дая мощным научно-техническим потенциалом, спо-
собна и будет всемерно содействовать решению на са-
мом высоком уровне всего комплекса задач по обеспе-
чению единства измерений в стране, включая также
аттестацию технологий, сертификацию средств изме-
рений и продукции, аккредитацию центров и лабора-
торий, экспертизу государственных программ, иссле-
дования новых материалов, лекарств и т.д.
Почти 160-летний (с 1842 г.) опыт российской мет-
рологической науки и ее высокий международный ав-
торитет являются тому гарантией.
820
Организация
Президиум
Метрологической академии
Президент МА
Тарбеев Юрий Васильевич
Вице-президенты
Метрологической академии
Алексеев Владимир Васильевич
Асташенков Александр Иванович
Гудков Олег Ильич
Исаев Лев Константинович
Леонов Владислав Валентинович
Окрепилов Владимир Валентинович
Солопченко Геннадий Николаевич
Строителен Владислав Николаевич
Цветков Эрик Иванович
Главный ученый секретарь
Метрологической академии
Суворов Владимир Иванович
Члены президиума
Метрологической Академии
Азаров Владимир Николаевич
Александров Валерий Сергеевич
Альшин Борис Иванович
Вагин Владимир Викторович
Волков Валерий Иванович
Иванов Вячеслав Семенович
Каперко Алексей Федорович
Козлов Александр Дмитриевич
Конопелько Леонид Алексеевич
Кузнецов Вениамин Алексеевич
Мигачев Борис Сергеевич
Муха Юрий Петрович
Хорошев Геннадий Алексеевич
Храменков Виктор Николаевич
821
Территориальная структура
I. Филиалы
Северо-Западный (г. С.-Петербург)
Отделения:
Архангельское
Калининградское
Ленинградское
Новгородское
Республика Коми
Санкт-Петербургское
Центрально-Европейский (г. Москва)
Отделения:
Белгородское
Воронежское
Калужское
Курское
Московское
Московское областное
Орловское
Смоленское
Тамбовское
Уральский (г. Екатеринбург)
Отделения:
Свердловское
Челябинское
Пермское
Башкирское
Удмурдское
Западно-Сибирский (г. Новосибирск)
Отделения:
Алтайское
Кемеровское
Новосибирское
Томское
Тюменское
Восточно-Сибирский (г. Иркутск)
Отделения:
Иркутское
Бурятское
Хабаровское
Читинское
Поволжский (г. Волгоград)
Отделения:
Волгоградское
Марийское
Нижегородское
Пензенское
Татарское
Саратовское
Северо-Кавказский (г. Ростов-на-Дону)
Отделения:
Астраханское
Кабардино-Балкарское
Ростовское
II. Зарубежные отделения
Отделение „Белая Русь" (г. Минск)
Украинское отделение (г. Львов)
822
Список грамматических сокращений
в. — век
в осн. — в основном
в т.ч. -— в том числе
гг. — годы
гл. обр. — главным образом
доп. — дополнительный
др. — другой
к.-л. — какой-либо
кон. — конец
млн. — миллион
млрд. — миллиард
напр. -— например
нач. — начало
рис. — рисунок
т.д. — так далее
т.е. — то есть
т.к. — так как
т.н. — так называемый
т.о. — таким образом
ч.-л. — что-либо
Список основных сокращений
АБД — автоматизированный банк данных
АИС — автоматизированная измерительная система
ВНИИМ — Всероссийский научно-исследовательский
институт им. Д.И. Менделеева
ВНИИМС — Всероссийский научно-исследовательский
институт метрологической службы
ГМК — государственный метрологический контроль
ГМНК — государственный метрологический контроль
и надзор
ГМН — государственный метрологический надзор
ГМС —- Государственная метрологическая служба
Госстандарта России
ГНМЦ — государственный научный метрологический
центр Госстандарта России
Госстандарт России — Государственный комитет
Российской Федерации по стандартизации и
метрологии
ГОСТР — государственный стандарт Российской
Федерации
ГПС — государственная поверочная схема
ГСВЧ — Государственная служба времени и частоты и
определения параметров вращения Земли
ГСИ — Государственная система обеспечения единства
измерений
ГССО — Государственная служба стандартных образцов
состава и свойств веществ и материалов
ГСССД — Государственная служба стандартных
справочных данных о физических константах и
свойствах веществ и материалов
ГЭТ — государственный эталон
ГЦИ СИ — государственный центр испытаний
средств измерений
ЗМ — законодательная метрология
КСП — комплектные средства поверки
МВИ — методика выполнения измерений
МГП — меры государственного принуждения
МИ — рекомендации ГНМЦ по метрологии
МКН — метрологический контроль и надзор
МНИИ — метрологический научно-исследовательский
институт
МП — методика поверки
МЭ — метрологическая экспертиза
НД — нормативный документ
НМХ — нормируемые метрологические характеристики
О.Е.И. — обеспечение единства измерений
ПР — правила Российской Федерации
РД — руководящий документ
РОСА — Российская система аккредитации
РСК — Российская система калибровки
РФ — Российская Федерация
СИ — средство измерений
СО — стандартный образец
СТС — сложная техническая система
ТО — территориальный орган Госстандарта России
ФОИВ — федеральный орган исполнительной
(государственной) власти
ФФС — Федеральный фонд стандартов
ЦСМ — центр стандартизации и метрологии
Госстандарта России
УВТ — установка высшей точности
823
Список авторов
1. Александров В.С., Заслуженный метролог РФ,
к. ф.-м. н.
2. Александров Ю.И.
3. Антонов В.Г.
4. Аруев Н.Н.
5. Астафьева Л.Е.
6. Асташенков А.И., Заслуженный метролог РФ,
д. т. н., профессор
7. Афанасьев Ю.В.
8. Байков В.М.
9. Бараш В.Я.
10. Белоцерковский В.И.
11. Бирюкова Э.К.
12. Виллевальде Н.Д.
13. Волков В.И.
14. Воронин Г.П., Председатель Госстандарта
России Почетный член Метрологической академии
д.э.н., профессор
15. Галахова О.П.
16. Генкина Р.И.
17. Герасимов Н.П.
18. Гинак Е.Б.
19. Гончаров А.И.
20. Горобей В.Н.
21. Горшков Б.П.
22. Гркич Р.Д.
23. Гудков О.И.
24. Добровинский И.Е.
25. Долгих И.И.
26. Домостроева Н.Г.
27. Дубовиков Н.И.
28. Егоров П.М.
29. Жагора Н.А.
30. Жбырь С.И.
31. Заец Е.А., Заслуженный метролог РФ
32. Запорожец А.И.
33. Захаров Б.В.
34. Здориков Н.Н.
35. Иванов В.С., Заслуженный метролог РФ, д. э. н.,
профессор
36. Иванова А.Г.
37. Казанцев В.В.
38. Канаева И.П.
39. Кармалицын Н.И.
40. Карпов О.В.
41. Каршенбойм С.Г.
42. Катков А.С.
43. Квинн Д. Д., Директор Международного Бюро мер
и весов, Почетный иностранный член Метрологи-
ческой Академии
44. Киселев Ю.А.
45. Клионский М. Д.
46. Ковалевский И.И., Президент Международного
Комитета мер и весов, Почетный иностранный член
Метрологической Академии, профессор
М. Колтик Е.Д. Заслуженный деятель науки и
техники РФ, д. т. и., профессор
48. Компан Т.А.
49. Конопелько Л.А., Заслуженный метролог РФ,
д. т. н., профессор
50. Корешков В.Н.
51. Корчагина Е.Н.
52. Коряков В.И.
53. Кочин А.Е.
54. Кравченко С.А.
55. Кремлевский П.П., Заслуженный метролог РФ,
д. т. н., профессор
56. Крестовский В.В.
57. Кржимовский В.И.
58. Кривцов Е.П.
59. Кузнецов В.П., Заслуженный метролог РФ
60. Кузьмин В.Я.
61. Кулагин В.И.
62. Кухарь В.В.
63. Литвинов Б.Я.
64. Лобашев А.А.
65. Лукашов Ю.Е.
66. Максимов Н.И.
67. Маликова Х.О., Заслуженный метролог РФ.
68. Мамырин Б.А. Член-корреспондент РАН,
д. ф.-м. н., профессор
69. Манохин А. Е.
70. Мардин В.В.
71. Матвеев М.С.
72. Миф Н.П.
73. Мишустин В.И., Заслуженный метролог РФ
824
74. Моисеев Н.Н.
75. Найденов А.С.
76. Нежиховский Г.Р.
77. Немчинов Ю.В.
78. Новиков А.К.
79. Новикова С.И.
80. Новицкий П.В.
81. Овсянников А. Е.
82. Окрепилов В.В., Член-корреспондент РАН, заслу-
женный деятель науки и техники, профессор
83. Орлов С.Б.
84. Павлов О.М.
85. Панева В.И.
86. Пеклер В.В.
87. Петров С.И.
88. Петровский Г.Т., Академик РАН, д. т. н ,
профессор
89. Плошинский А.В.
90. Подмурная О.О.
91. Потапов С.В.
92. Походун А.И., Заслуженный метролог РФ, д. т.н.
93. Прохоров А.М., Академик РАН, Лауреат
Нобелевской премии. Почетный член Метрологической
Академии
94. Прядилов В.П.
95. Пятов А.Л.
96. Ретивов А.В.
97. Рутенберг О.Л.
98. Сапожникова К.В.
99. Саприцкий В.И.
100. Сафаров Г.П., Заслуженный метролог РФ
101. Себеки А.П.
102. Сейку Е.Е.
103. Селиванов М.Н., Заслуженный метролог РФ,
д. т. н.
104. Семенов С.А.
105. Семенов Ю.П.
106. Синельников А.Е., Заслуженный деятель науки,
д. т. н., профессор
107. Сирая Т.Н.
108. Сковородников В.А., Заслуженный метролог
РФ
109. Слаев В. А., Заслуженный метролог РФ, д. т. н.,
профессор
110. Смирнов В.Я.
111. Снегов В.С.
112. Соболь В.В.
113. Соколов Н.А.
114. Солопченко Г.Н.
115. Студенцов Н.В.
116. Суворов В.И.
117. Табачникова Н.А., Заслуженный метролог РФ
118. Тайманов Р.Е.
119. Тарбеев Ю. В., Главный редактор Энциклопе-
дии, Президент Метрологической академии, Зас-
луженный деятель науки и техники РФ, д. т. н.,
профессор
120. Телитченко Г.П.
121. Тихомиров С.В.
122. Трофимчук С.Г.
123. Трунов Н.Н.
124. Тунинский В.С.
125. Фаткудинова Ш.Р.
126. Федорин В.Л.
127. Федоров А.М.
128. Фоминых В.И.
129. Француз Э.Т.
130. Фридман А.Э.
131. Хакимов О.
132. Ханов Н.И.
133. Харитонов И.А.
134. Цвелик В.А.
135. Цветков И.И.
136. Цветков Э.И.
137. Чаленко Н.С.
138. Челпанов И.Б.
139. Черепанов Б.А.
140. Шапиро Е.З.
141. Шаронов М.Г.
142. Шевцов В.И.
143. Шелюто В.А.
144. Шестопалов Ю.Н.
145. Шипунов А.В.
146. Шифрин В.Я.
147. Шур В.Л.
148. ЩелкинА.П.
149. Юдин М.Ф., Почетный член Метрологической
Академии РФ, д. т. н., профессор, Заслуженный
метролог РФ
150. Юстова Е.Н., Почетный член Метрологической
Академии, д. т. н.
151. Яншин В.Н.
152. Ярославский В.Н.
825
Оглавление
Обращение к читателю. Председатель Госстандарта России,
Почетный член Метрологической Академии, д. э. н., проф. Г.П. Воронин............ 5
I. Вводная часть
Предисловие. Главный редактор Энциклопедии, Президент Метрологической академии,
Заслуженный деятель науки и техники РФ, проф. Ю.В. Тарбеев.......................б
Структура и содержание энциклопедии..................................................7
Введение. Роль метрологии в жизни современного общества и ее влияние
на научно-технический прогресс. Ю.В. Тарбеев.....................................9
II. Исторические аспекты метрологии
Из истории Российской метрологии (с древнейших времен до начала XX века). Е.Б. 1йнак.14
Календарь важнейших событий в истории Российской метрологии.....................21
Метрическая конвенция — основа
мировой системы обеспечения единства измерений. Г.П. Воронин....................25
Вклад российских ученых-метрологов
в деятельность органов Метрической конвенции. Ю.В. Тарбеев......................30
Метрическая конвенция. Предисловие к изданию 1962 г.............................33
Об эквивалентности национальных эталонов. Т.Дж. Квинн.......................... 37
Персоналии
Руководители Депо образцовых мер и весов — Главной палаты мер и весов — ВНИИМ
им. Д.И. Менделеева (1842-2001 гг.).............................................46
Российские ученые — члены МКМВ..................................................54
Выдающиеся ученые и Государственные деятели России, внесшие вклад в развитие метрологии 58
Ученые ВНИИМ — лауреаты Государственных Премий и Премий Правительства РФ........65
Ученые ВНИИМ, удостоенные звания „Заслуженный деятель науки и техники11.........65
Выдающиеся ученые-метрологи ВНИИМ им. Д.И. Менделеева...........................66
III. Некоторые положения теоретической метрологии
Фундаментальные проблемы теоретической метрологии. Ю.В. Тарбеев.................74
Формирование системы основных понятий метрологии. М.Н. Селиванов................79
Международная система единиц (СИ). Н.А. Жагора..................................83
Метрологическая характеристика средств измерений. В.П. Кузнецов.................94
Погрешности средств и результатов измерений и их классификация. П.В. Новицкий ..96
Теория и математический аппарат, используемые при обработке
результатов измерений. Т.Н. Сирая...............................................99
Неопределенность измерений. В.А. Слаев.........................................105
Метрологическая надежность средств измерений. П.В. Новицкий, А.Э. Фридман......109
Надежность результата измерений. А.Э. Фридман................................. 117
Измерения векторных и тензорных величин. А.Е. Синельников, И.Б. Челпанов.............119
Измерительная система (ИС). В.П. Кузнецов......................................125
Информационная технология в метрологической деятельности. С.Б. Орлов...........127
Современные компьютерные измерительные информационные технологии
и их теоретическая поддержка. Г.Н. Солопченко..................................131
Математическая метрология. Э.И. Цветков........................................142
Экономика метрологии. В.В. Окрепилов...........................................147
.........— 826 ------------------- -
IV. Фундаментальные законы, фундаментальные физические постоянные и
макроскопические квантовые эффекты, используемые в теоретической и
прикладной метрологии
Современные физико-метрологические проблемы. Ю.В. Тарбеев.......................150
Квантовая метрология. В.С. Александров, В.В. Кухарь, Н.Н. Трунов................154
Фундаментальные физические константы. Б.А. Мамырин, Н.Н. Аруев..................156
Квантовая электродинамика и фундаментальные физические
константы. С.Г. Каршенбойм, В. А. Шелюто...........................................162
Системы единиц и фундаментальные константы. Н.В. Студенцов......................166
Методы, используемые в согласовании фундаментальных физических констант при
обработке результатов измерений. КС. Тунинский.................................... 171
Периодическая система элементов Д.И. Менделеева как интегральный источник физической
и метрологической информации. Ю.В. Тарбеев, Н.Н. Трунов, А.А. Лобашев, В.В.Кухарь. 178
Квантовое число, управляющее систематикой
многочастичных систем. Ю.В. Тарбеев, Н.Н. Трунов, А.А. Лобашев, В.В. Кухарь........183
Макроскопические квантовые эффекты и их использование для воспроизведения
единиц электрических и магнитных величин и уточнения фундаментальных
физических констант. Э.Т. Француз..................................................190
Туннельный эффект Джозефсона и квантовые преобразователи на его основе. С.В. Потапов.... 197
Квантовый эффект Казимира и атомно-силовая микроскопия
в нанометрологии. Н.Н. Трунов, А.А. Лобашев........................................201
Одноэлектронные системы. Н.П. Герасимов.........................................204
V. Методы измерений и эталоны единиц величин по областям
и видам измерений
Государственная эталонная база России. Ю.В. Тарбеев, А.П. Себекин...............208
Государственные эталоны России..................................................212
Классификация и общие требования по созданию, хранению
и применению эталонов. А.П. Себекин................................................219
Измерение геометрических величин
История развития и современное состояние эталонных измерений длины. В.Л. Шур....224
Государственный первичный эталон единицы длины. В.Л. Федорин....................228
История развития и современное состояние угловых измерений. Ю.Н. Шестопалов.....232
Государственный первичный эталон единицы плоского угла. Ю.Н. Шестопалов.........235
Измерение углов в астрометрии. И.И. Ковалевский.................................237
Измерения параметров шероховатости поверхностей. Н.А. Табачникова...............242
Государственный специальный эталон единицы длины
в области измерений параметров шероховатости поверхностей. Н.А. Табачникова........245
Измерение размеров микро- и нанообъектов на поверхности твердого тела средствами
растровой электронной микроскопии. А.М. Прохоров...................................248
Измерение толщины и поверхностной плотности покрытий. В.В. Казанцев.............251
Измерение отклонений от прямолинейности и плоскостности. Э.К. Бирюкова..........254
Метрологическое обеспечение средств измерительной техники,
встраиваемых в оборудование. Р.Е. Тайманов, К.В. Сапожникова.......................260
Измерение деформации. А.В. Ретивое..............................................263
Государственный специальный эталон единицы длины в области
измерений параметров отклонений формы и расположения поверхностей вращения.........269
Измерения механических величин
Измерения и эталоны массы. В.Я. Кузьмин.........................................271
Государственный первичный эталон единицы массы. В.Я. Кузьмин....................2ТТ
Современные средства измерений массы,
выпускаемые заводами „Госметр" и „Сартогосм". Р.Д. Гркич, В.П. Прядилов............280
Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Роквелла и Супер-Роквелла 282
Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Виккерса.............283
Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля..........284
827
История развития и современное состояние
в области измерения силы. А.Е. Овсянников, С.А. Семенов, Н.С. Чаленко.................285
Государственный первичный эталон единицы силы. А.Е. Овсянников, С.А. Семенов, Н.С. Чаленко ..294
Измерение параметров ударного движения твердого тела. С.И. Петров, В.Я. Смирнов.......296
Измерение параметров вибраций. В.Я. Бараш, А.Е. Манохин, В.Я. Смирнов.................303
Измерение постоянных и низкочастотных линейных ускорений. А.Е. Синельников............309
Государственный специальный эталон единицы угловой скорости...........................317
Государственный первичный эталон единицы постоянного углового ускорения...............318
История развития и современное состояние в области измерений
скорости водного и воздушного потоков. В.И. Мишустин, С.А. Кравченко..................319
Измерения крутящего момента силы. С.И. Жбырь...............................................321
Государственный первичный эталон единицы крутящего момента силы. С.И. Жбырь...........325
Сейсмометрия. Е.П. Кривцов............................................................326
Измерения параметров потока, расхода, уровня и объема
Исследование сопла ВНИИМ с оптимизированными
параметрами профиля Витошинского. КремлевскийП.П....................................................................... 330
Государственный первичный эталон единицы массового расхода жидкости...................332
Государственный первичный эталон единицы объемного расхода жидкости...................333
Государственный первичный эталон единицы массового расхода газа.......................334
Государственный первичный эталон единицы объемного расхода газа.......................335
Государственный первичный эталон единицы объемного расхода воды.......................336
Государственный первичный эталон единицы объемного расхода нефтепродуктов.............337
Измерения давления
Давление. В.Н. Горобей, А.И. Гончаров......................................................339
Вакуумные измерения. В.В. Кузьмин..........................................................350
Государственный первичный эталон единицы давления - паскаля, ГЭТ 23-79. Ю.А. Киселев.......360
Государственный специальный эталон единицы давления
для области абсолютных давлений в диапазоне 110'3-1103 Па, ГЭТ 49-80. В.Н. Горобей....362
Государственный специальный эталон единицы давления
для разности давлений в диапазоне 0,1-4Т04 Па, ГЭТ 95-75. В.Н. Горобей................365
Государственный специальный эталон единицы давления
для абсолютных давлений в диапазоне 2,7-102-1300-102 Па, ГЭТ 101-76. В.А. Цвелик......368
Государственный специальный эталон единицы давления в диапазоне 2500-105-15000-105 Мпа... 369
Измерение переменных давлений. Черепанов Б. А.........................................370
Государственный специальный эталон единицы давления
для области переменных давлений, ГЭТ 140-84. Б.А. Черепанов...........................УТЬ
Государственный специальный эталон единицы давления
для области переменного давления, ГЭТ 131-81. А.В. Шипунов............................375
Установка высшей точности для измерения абсолютного давления. С.И. Новикова................
Государственный специальный эталон единицы
давления для области периодических давлений...........................................379
Физико-химические измерения
Физико-химические измерения. Л.А. Конопельке, Г.Р. Нежиховский........................381
Эталонная база России в области
физико-химических измерений. Ю.В. Тарбеев, Л.А. Конопелько............................383
Методы и средства измерений плотности. В.С. Снегов....................................386
Вискозиметрия. Н.Г. Домостроева.......................................................391
Кондуктометрия. В.И. Суворов..........................................................395
pH-метрия и ионометрия. Н.Н. Здориков, О.В. Карпов, Н.И. Максимов. Е.Е. Сейку, В.В. Соболь.398
Газоаналитические измерения. Г.Р. Нежиховский.........................................402
Методы и средства измерения влажности газа. Н.И. Дубовиков, О.О. Подмурная............410
Измерения влажности зерна и зернопродуктов. В.И. Коряков, А.И. Запорожец..............413
Государственный первичный эталон единицы
объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов. В.В. Пеклер.........................419
Определение состава веществ методом хроматографии. О.Л. Рутенберг, Ш.Р. Фаткудинова........421
' --- -------- 828 =----------------— ---------~
Температурные и теплофизические измерения
Введение. А.И. Походун..............................................................425
Термометрия. А.И. Походун, М.С. Матвеев, А.Г. Иванова...............................426
Калориметрия. Ю.И. Александров......................................................435
Государственный первичный эталон единицы энергии сгорания, ГЭТ 16—96. Е.Н. Корчагина .... 443
Теплоемкость. В.И. Кулагин............................................................446
Государственный первичный эталон единицы удельной теплоемкости твердых тел. В.И. Кулагин 449
Теплопроводность. Н.А. Соколов......................................................450
Государственный первичный эталон единицы теплопроводности твердых тел. Н.А. Соколов...453
Дилатометрия. Т.А. Компан.............................................................455
Государственный первичный эталон единицы температурного коэффициента линейного расшире-
ния твердых тел. Т.А. Компан........................................................461
Измерение времени и частоты
История создания в России единой службы времени и частоты. А.М. Федоров.............465
Государственный первичный эталон
единиц времени (секунда), частоты и национальной шкалы времени......................467
Измерение электрических величин,радиотехнические и радиоэлектронные измерения
История развития метрологии электрических измерений. Е.Д. Колтик....................469
Государственный первичный эталон
единицы силы постоянного электрического тока. А.С. Катков, О.М. Павлов..............475
Токовые весы для абсолютных измерений
силы постоянного электрического тока. О.П. Галахова, Е.Д. Колтик....................478
Государственный специальный эталон
единицы силы тока в диапазоне 20-106 Гц. О. П. Галахова...............................481
Государственный специальный эталон
единицы силы тока высокой частоты в диапазоне 0,1-300 МГц...........................485
Методы сличений эталонов переменного тока
при первичной оценке и периодическом контроле их погрешностей. О. П. Галахова.......486
Государственный первичный эталон единицы электродвижущей силы
и электрического напряжения - вольта. А.С. Катков, В.И. Кржимовский, Е.Д. Колтик....487
Эталон единицы электрического сопротивления. Б.Я. Литвинов, А.В. Плошинский...........491
Методологические особенности сличений эталонов ома. А.В. Плошинский, Б.Я. Литвинов....494
Государственный первичный эталон единицы индуктивности. Ю.П. Семенов, П.М. Егоров.....496
Государственный первичный эталон единицы электрической емкости - фарады. Ю.П. Семенов . 500
Государственный специальный эталон
единицы электрической емкости в диапазоне частот от 1 до 100 МГц....................501
Государственный первичный эталон единицы угла потерь. М. Д. Клионский.................502
Государственный специальный эталон
единицы электрического напряжения в диапазоне частот от 20 Гц до 30 МГц. В. М. Байков.505
Государственный специальный эталон
единицы электрического напряжения в диапазоне частот 30-3000 МГц. В.В. Крестовский....508
Методологические особенности проведения международных сличений эталонов
переменного напряжения. В.М. Байков, В.В. Крестовский, Г.П. Телитченко, В.И. Шевцов.510
Исходные методы измерения высоких электрических напряжений. В.Н. Ярославский........512
Установка высшей точности УВТ 74-А-91. В.Н. Ярославский.............................513
Государственный первичный эталон единицы
электрической мощности в диапазоне частот 40—2500 Гц. Е.З. Шапиро...................519
Государственный специальный эталон единицы угла фазового сдвига между
двумя электрическими напряжениями в диапазоне частот 0,01 Гц—20 МГц. С.А. Кравченко...525
Методологические вопросы
проведения сличения эталонов угла фазового сдвига. С.А. Кравченко...................529
Государственный специальный эталон единиц коэффициента и угла масштабного преобразования
синусоидального тока (МПСТ), ГЭТ 152-86. Б.В. Захаров...............................530
..............- 829 != —
Измерение диэлектрических свойств веществ. О.И. Гудков..................................532
Государственный специальный эталон единицы относительной диэлектрической проницаемости
твердых и жидких диэлектриков в диапазоне частот Ы0-1107 Гц.............................535
Государственный специальный эталон единицы относительной диэлектрической
проницаемости жидких, твердых и газообразных диэлектриков в диапазоне частот 1-10 ГГц ... 536
Государственный специальный эталон единицы относительной диэлектрической
проницаемости в диапазоне частот 1-200 МГц..............................................537
Государственный специальный эталон единиц
бикомплексной проницаемости в диапазоне частот 0,2-1,0 ГГц..............................538
Радиотехнические измерения
История развития радиотехнических измерений. А.М. Федоров, С.А. Кравченко...............539
Государственный специальный эталон единицы
напряженности электрического поля в диапазоне частот 0-20 кГц...........................543
Государственный первичный эталон единицы мощности
электромагнитных колебаний в волноводных трактах в диапазоне частот 0,03-37,5 ГГц.......544
Государственный специальный эталон единицы
волнового сопротивления в коаксиальных волноводах.......................................545
Государственный первичный эталон единицы электрической добротности......................546
Государственный первичный эталон единицы спектральной плотности
мощности шумового радиоизлучения (СПМШ) в диапазоне частот 0,002-178,3 ГГц..............547
Государственный специальный эталон единиц
максимальных значений напряженностей импульсных электрического и магнитного полей.......548
Магнитные измерения
Историческая справка. В.Я. Шифрин.......................................................550
Физические основы магнитных измерений. Магнитные величины и единицы. Ю.В. Афанасьев... 551
Основные законы электромагнетизма...................................................551
Прямые и обратные магнитоизмерительные преобразования...............................552
Магнитные величины и единицы. Ю.В. Афанасьев........................................554
Средства измерений параметров магнитного поля. В.Я. Шифрин..............................556
Меры магнитных величин. В.Н. Хорев................................................................................................ 556
Приборы для измерений параметров магнитного поля В.Н. Хорев.........................560
Квантовые магниторезонансные приборы. В.Я. Шифрин...................................561
- Ядерно-резонансные тесламетры,
основанные на свободной ядерной прецессии. В.Я. Шифрин..............................561
- Ядерно-резонансные тесламетры,
основанные на вынужденной ядерной прецессии. ВЯ. Шифрин.............................562
- Атомно-резонансные тесламетры,
основанные на оптической накачке атомов. В.Я. Шифрин................................563
Феррозондовые приборы. Ю.В. Афанасьев...............................................565
Индукционные приборы. В.Е. Чернышев.................................................568
Магнитомеханические приборы. А.П. Щелкин............................................569
Гальваномагнитные приборы. В.Я. Шифрин..............................................571
Средства измерений магнитных параметров магнитных материалов. В.Г. Антонов..............573
Магнитные параметры материалов. В.Г. Антонов........................................573
Испытуемые образцы и методы измерений их характеристик. В.Г. Антонов................575
Средства измерений магнитных параметров
материалов в замкнутой магнитной цепи. В.Г. Антонов.................................578
Средства измерений магнитных параметров
материалов в разомкнутой магнитной цепи. В.Г. Антонов...............................580
Измерение координат динамических петель намагничивания. В.Г. Антонов................582
Средства измерений параметров основной
динамической кривой намагничивания и магнитной проницаемости. В.Г. Антонов..........583
Измерение удельных магнитных потерь. В.Г. Антонов...................................584
830
Измерения магнитных свойств
магнитомягких материалов в импульсных полях. В.Г. Антонов.....................585
Измерение магнитной восприимчивости
и остаточной намагниченности слабомагнитных материалов. А.П. Щелкин..............587
Метрологическое обеспечение магнитных измерений..................................589
Государственный первичный эталон единиц магнитных величин:
магнитной индукции, магнитного потока и их отношения В.Я. Шифрин..............589
Государственный первичный эталон единицы магнитного момента. А.П. Щелкин, В.Н. Хорев . 592
Метрологическое обеспечение тесламетров
постоянного магнитного поля в диапазоне 0,05-2Тл. В.Я. Шифрин.................593
Метрологическое обеспечение
средств измерений магнитных параметров магнитных материалов...................594
Средства измерений статических магнитных
параметров магнитомягких материалов. А.П. Щелкин..............................594
Средства измерений динамических магнитных
параметров магнитомягких материалов. А.П. Щелкин..............................595
Государственный специальный эталон
единицы начальной магнитной проницаемости при частоте 100 МГц....................599
Государственный первичный эталон
единицы дифференциальной резонансной парамагнитной восприимчивости...............600
Экспериментальные методы определения гиромагнитного отношения протона. В.Я. Шифрин... 601
Акустические измерения
Акустические измерения. А.К. Новиков ............................................606
Государственный первичный эталон единицы звукового давления в воздушной среде.....613
Государственный специальный эталон
единицы звукового давления в воде в диапазоне частот 1-10'2-Ы06Гц................614
Оптические и оптико-физические измерения
Оптика. Г.Т. Петровский..........................................................616
Фотометрия и радиометрия оптического излучения. В.С. Иванов......................619
Государственный первичный эталон единицы силы света. В.И. Саприцкий..............637
Измерения длин волн светового излучения. В.Л. Шур................................641
История развития и современное состояние рефрактометрии. А. С. Найденов..........644
Государственный первичный эталон
единицы показателя преломления твердых тел. А. С. Найденов.......................648
Государственный специальный эталон единиц координат цвета и координат цветности...652
Государственный специальный эталон единицы спектральной плотности
энергетической яркости оптического излучения в диапазоне длин волн 0,04-0,25 мкм.653
Государственный первичный эталон единиц спектральной плотности энергетической
яркости (СПЭЯ), спектральной плотности силы излучения (СПСИ) и спектральной плотности
энергетической освещенности (СПЭО) в диапазоне длин волн 0,25-25,0 мкм; силы излучения
(СИ) и энергетической освещенности (ЭО) в диапазоне длин волн 0,2-25,0 мкм.......654
Государственный специальный эталон единицы мощности
импульсного лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,4-10,6 мкм...............655
Государственный эталон единицы потока
импульсного оптического излучения в диапазоне длин волн 0,8-1,0 мкм..............656
Радиометрия. И.И. Долгих.........................................................657
Государственный первичный эталон
единицы энергетической яркости инфракрасного излучения. И.И. Долгих..............662
Состояние и проблемы метрологического обеспечения
измерений параметров волоконно-оптических систем передачи информации. С.В. Тихомиров.... 666
Метрология лазерной медицинской техники. С.В. Тихомиров..........................672
История развития и современное состояние цветовых измерений. Е.Н. Юстова.........674
831
Измерения ионизирующих излучений
Метрологическое обеспечение в области
измерений ионизирующих излучений. В.И. Фоминых, И.А. Харитонов, М.Ф. Юдин..........681
Государственный первичный эталон единиц активности радионуклидов, потока и плотности
потока альфа-, бета-частиц и фотонов радионуклидных источников. А.Е. Кочин.........690
Государственный первичный эталон единиц экспозиционной дозы, мощности экспозиционной
дозы и потока энергии рентгеновского и гамма-излучений, ГЭТ 8-82. Н.Д. Виллевалъде.694
Государственный первичный эталон
единиц поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы бета-излучения.................699
Государственный первичный эталон
единиц потока и плотности потока нейтронов, ГЭТ 10-81. Н.Н. Моисеев, И.А. Харитонов.700
Международная нормализованная система эталонов единицы массы радия. Н.И. Кармалицын ... 706
Метрологическое обеспечение использования
ионизирующих излучений в медицине. И.И. Цветков.....................................708
Международное сотрудничество национальных метрологических
организаций в области измерений ионизирующих излучений. И.А. Харитонов.............709
Радиоэкологический мониторинг. С.Г. Трофимчук......................................711
Система аккредитации лабораторий радиационного контроля. С.Г. Трофимчук............713
Основные особенности испытаний
и сертификации приборов в области ионизирующих излучений. Н.Д. Виллевалъде.........715
VI. Государственная система обеспечения единства измерений,
Метрологическая служба РФ, метрологические организации РФ
Единство измерений. А.И. Асташенков, Г.П. Сафаров, М.Г. Шаронов....................718
Обеспечение единства измерений (ОЕИ)...............................................719
Госстандарт и его функции..........................................................720
Государственная система обеспечения
единства измерений (ГСИ). А.И. Асташенков, Г.П. Сафаров, М.Г. Шаронов..............728
Государственная метрологическая служба (ГМС).
А.И. Асташенков, Р.И. Генкина, Х.О. Маликова, В.А. Сковородников...................731
Метрологические службы федеральных органов исполнительной
(государственной) власти (ФОИВ) и юридических лиц. Е.А. Заец, И.П. Канаева.........732
Орган государственной
метрологической службы. Р.И. Генкина, Х.О. Маликова, В.А. Сковородников............734
Государственная служба стандартных образцов
состава и свойств веществ и материалов Российской Федерации. И.Е. Добровинский.....735
Российская система калибровки (РСК). Р.И. Генкина, В.А. Сковородников..............738
Поверка средств измерений. Ю.Е. Лукашов, М.Г. Шаронов..............................740
Методика выполнения измерений. Н.П. Миф............................................742
Нормативный документ по обеспечению единства измерений. Г.П. Сафаров...............744
Метрологическая экспертиза технической документации. Н.П. Миф......................746
Государственный центр испытаний средств измерений. В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин..748
Всероссийский научно-исследовательский
институт метрологии им. Д.И. Менделеева. Н.И. Ханов................................749
Всероссийский научно-исследовательский институт
метрологической службы (ВНИИМС) А.И. Асташенков, Б.П. Горшков......................750
Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ).........................752
Всероссийский научно-исследовательский институт
оптико-физических измерений (ВНИИОФИ). В.С. Иванов.................................753
Сибирский Государственный ордена Трудового Красного Знамени
научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ)...............................754
Центр испытаний и сертификации Санкт-Петербург (Тест-С.-Петербург). В.В. Окрепилов..755
Ростовский центр стандартизации, метрологии
и сертификации. (Ростовский ЦСМ). В.И. Волков......................................759
832
Развитие метрологической службы
в Республике Беларусь. В.Н. Корешков, Н.А. Жагора, Л.Е. Астафьева................763
История государственной поверочной деятельности
в Средней Азии. Иностранный член МА О. Хакимов...................................768
VII. Испытания, сертификация и аккредитация в области метрологии
Утверждение типа средств измерений. В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин..............770
Взаимное признание результатов испытаний
и утверждения типа средств измерений. В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин............771
Государственный реестр средств измерений. В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин........772
Знак утверждения типа средств измерений. В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин..........ТП
Сертификация средств измерений. В.И. Белоцерковский, В.Н. Яншин..................773
Аккредитация головных и базовых
организаций метрологической службы. Е.А. Заец, И.Н. Канаева......................775
Аккредитация метрологических служб юридических лиц
на право аттестации методик выполнения измерений и проведения
метрологической экспертизы документов. Е.А. Заец, И.И. Канаева....................ТП
Аккредитация на право поверки средств измерений. Ю.Е. Лукашов, М.Г. Шаронов......779
Российская система аккредитации аналитических лабораторий (центров). В.И. Панева.780
Система аккредитации измерительных лабораторий. А.И. Асташенков, А.Л. Пятов......784
Лицензирование деятельности по изготовлению,
ремонту, продаже и прокату средств измерений. Р.И. Генкина, В. А. Сковородников..787
VIII. Правовые основы обеспечения единства измерений
Законодательная метрология. А.И. Асташенков, Г.И. Сафаров, М.Г. Шаронов..........790
Закон РФ от 27 апреля 1993 г. № 4871-1 „Об обеспечении единства измерений'1......791
Государственный метрологический надзор. Р.И. Генкина, В.А. Сковородников ........797
Виды и сферы государственного
метрологического контроля и надзора. А.И. Асташенков, Х.О. Маликова..............798
Государственный инспектор по обеспечению единства измерений. Ю.В. Немчинов.......800
Меры государственного принуждения
за нарушение метрологических правил и норм. Х.О. Маликова........................802
IX. Международное сотрудничество в области метрологии
Организация Метрической конвенции - Международная Организация Мер и Весов (МОМВ).... 807
Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ). В.В. Мардин.........808
Конвенция, учреждающая международную организацию по законодательной метрологии...809
КООМЕТ. Б.И. Горшков.............................................................815
Азиатско-Тихоокеанский Форум по законодательной метрологии (АТФЗМ). В.В. Мардин..816
X. Метрологическая академия
Об академии .....................................................................818
Организация .....................................................................820
Территориальная структура........................................................821
Списки грамматических и основных сокращений......................................822
Список авторов ..................................................................823
Оглавление ......................................................................825
Contents 833
- - — 833 "
Contents
Address lo the reader. G. P. Voronin..............................................................5
I. Preface
Foreword. Yu. V. Tarbeyev.........................................................................6
Introduction. Role of metrology in the life of modem community and its influence on the scientific and technological
progress. Yu. V. Tarbeyev.........................................................................9
II. Historical aspects of metrology
From the history of Russian metrology (from the ancient times up
to the beginning of the 20th century). Ye. B. Ginak..............................................14
Calendar of the most important events in Russian metrology. Ye. B. Ginak.........................21
Metric Convention as the basis for the world system of measurement traceability. G. P. Voronin...25
Contribution of the Russian scientists-metrologists into
the activities of the Metric Convention organs. Yu. V. Tarbeyev..................................30
Text of the Metric Convention....................................................................33
On the equivalence of the national standards. T. Quinn...........................................37
Personalities
Heads of the DEPOT - VNIIM of the Standard measures and weights, of the Main Chamber of the
measures and weights, of the VNIIM D. I, Mendeleev...............................................46
CIPM members ....................................................................................54
Outstanding scientists and statesmen of Russia...................................................58
Prizewinners ....................................................................................65
Honoured scientists..............................................................................65
Outstanding scientists of VNIIM D. I. Mendeleev..................................................66
III. Some statements of theoretical metrology
Fundamental problems of theoretical metrology. Yu. V. Tarbeyev...................................74
Formation of the system of the basic concept s of metrology. M. N. Selivanov.....................79
International system of Units (SI). N. A. Zhagora................................................83
Metrological characteristics of measuring instruments V. P. Kuznetsov............................94
Errors of measuring instruments and measurement results and their classification. P. V. Novitsky.96
Theory and a body of mathematics used in processing of measurement results. T. N. Siraya.........99
Measurement uncertainty. V. A. Slayev.......................................................... 105
Metrological reliability of measuring instruments. P. V. Novitsky, A. E. Fridman............... 109
Reliability of the measurement result. A. E. Fridman............................................117
Measurement of vector and tensor quantities. A. Ye. Sinelnikov, I. B. Chelpanov................ 119
Measurement system. V. P. Kuznetsov............................................................ 125
Information technology in metrological activities. S. B. Orlov..................................127
Modern computerized measuring
information technologies and their theoretical support. G. N. Solopchenko...................... 131
Mathematical metrology. E. I. Tsvetkov......................................................... 142
Economics of metrology. V. V. Okrepilov........................................................ 147
IV. Fundamental laws, fundamental physical constants and macroscopic quantum
effects used in theoretical and applied metrology
Modern physical and metrological problems. Yu. V. Tarbeyev..................................... 150
Quantum metrology. V. S. Aleksandrov, V. V. Kukhar, N. N. Trunov................................154
Fundamental physical constants. V. A. Mamyrin, N. N. Aruyev.................................................................... 156
Quantum electrodynamics and fundamental physical constants. 5. G. Karshenboim,V. A. Shelyuto..... 162
Systems of units and fundamental constants. N. V. Studentsov....................................166
-- ' ' — 834 ---------------- ----------------------------------—
Methods used for agreement of the fundamental physical constants in processing
of the measurement results. V. S. Tuninsky........................................................... 171
D. I. Mendeleyev’s periodic system of elements as an integral source of physical and metrological
information. Yu. V. Tarbeyev, N. N. Trunov, A. A. Lobashev, V. V. Kukhar..............................178
Quantum number controlling the systematization
of multicomponent systems. Yu. V. Tarbeyev, N. N. Trunov, A. A. Lobashev, V. V Kukhar.................183
Macroscopic quantum effects and their usage for reproduction of the units of electric and magnetic
quantities and refinement of the fundamental physical quantities. E. T. Frantsuz..................... 190
Josephson tunnelling effect and quantum converter based on it. S. V. Potapov......................... 197
Kazimir quantum effect and atomic-force microscopy in nanometrology. N. N. Trunov, A. A. Lobashev ..201
Single-electron systems. N. P. Gerasimov........................................................................................................ 204
V. Measurement methods and standards of units in different fields and kinds of
measurement
Stock of State standards of Russia. Yu. V. Tarbeyev, A. P. Sebekin....................................208
Classification and general requirements to establishment, storage and application of measurement
standards. A. P. Sebekin..............................................................................219
Measurement of geometrical quantities
History of development and modern state of standard measurements of length. V. L. Schur...............224
State primary standard of length. V. L. Fedorin.......................................................228
History of development and modern state of angular measurements. Yu. N. Shestopalov...................232
State primary standard of plane angle. Yu. N. Shestopalov..................................................................... 235
Measurement of angles in astrometry. 1.1. Kovalevsky..................................................237
Surface roughness parameters: Measurement methods. N. A. Tabachnikova.................................242
Surface roughness parameters: State special standart. N. A. Tabachnikova..............................245
Measurement of sizes of micro- and nano-objects on the surface of a solid body by means of scanning
electron microscopy. A. M. Prokhorov..................................................................248
Measurement of thickness and surface density of coatings. V. V. Kazantsev.............................251
Measurement of deviations from straightness and planeness. E. K. Biryukova............................254
Metrological assurance of measuring devices
built into equipment. R. Ye. Taimanov, К. И Sapozhnikova..............................................260
YBT 32-A-85 higher-accuracy installation to reproduce the unit of deformation. A. V. Retivov..........263
State special standard of length in the field of measurement of the parameters
of shape deviations and location of surfaces rotation.................................................269
Measurement of mechanical quantities
Measurements and standards of mass. V. Ya. Kuzmin.....................................................271
State primary standard of mass. V. Ya. Kuzmin.........................................................277
Modern instruments for mass measurement produced by FGUP “St. Petersburg Plant”,
“Gosmetr” and ZAO “Sartogosm”. R. D. Grkich, V. P. Pryadilov..........................................280
State special standard of hardness by Rockwell and Rockwell-superficial scales........................282
State special standard of hardness by Vickers scales..................................................283
State special standard of hardness by Brinel scales...................................................284
History of development and modern
state in the field of force measurement. A. F. Ovsyannikov, S. A. Semyonov, N. S. Chalenko............285
State primary standard of force. A. F. Ovsyannikov, S. A. Semyonov, N. S. Chalenko....................294
Measurement of shock motion parameters of a solid body. State special standard of acceleration
during shock motion-mentioning. S. I. Petrov, V. Ya. Smirnov..........................................296
Measurement of vibration parameters. V. Ya. Barash, A. Ye. Manokhin, V. Ya. Smirnov...................303
Measurement of constant and low-frequency linear accelerations. A. Ye. Sinelnikov.....................309
State special standard of angular velocity............................................................317
State primary standard of constant angular acceleration...............................................318
History of development and modern state in the field of measurement of the velocity of water
and air flows. V. I. Mishustin, S. A. Kravchenko......................................................319
Measurement of the torque moment of force. 5.1. Zhbyr.................................................321
State primary standard of the torque moment of force. S. I. Zhbyr.....................................325
Seismometry. Ye. P. Krivtsov..........................................................................326
.. ... 835 ----- -—
Measurement of the parameters of flow, flow-rate, level and volume
Investigation of the UNIIM nozzle with optimized Vitoshinsky’s profile parameters. P. P. Kremlyavsky .. 330
State primary standard of mass flow-rate of liquid ........................................332
State primary standard of volume flow-rate of liquid.......................................333
State primary standard of mass flow-rate of gas ...........................................334
State primary standard of volume flow-rate of gas..........................................335
State primary standard of volume flow-rate of water .......................................336
State primary standard of volume flow-rate of oil products.................................337
Measurement of pressure, vacuum measurements
Pressure. Historical information. V. N. Gorobey, A. I. Goncharov...........................339
Vacuum measurements. Historical information. Personal details. V. V. Kuzmin................350
State primary standard of pressure - Pascal. Yu. A. Kiselev................................360
State special standard of pressure for the field of absolute pressures in
the range l-10'3~l-103 Pa. V. N. Gorobey...................................................362
State special standard of pressure for the pressure difference from 0,1 Patof'lO4 Pa. V. N. Gombey.365
State special standard of pressure for absolute pressures in the
range 2,7-102-1300-102 Pa. V. A. Tsvelik...................................................368
State special standard of pressure in the range 2500-105-15000«105 MPa. dimensions
in MPa or Pa, in our table - Pa............................................................369
Measurement of alternating pressures. State special standard of pressure for the field of alternating
pressures. B. L. Cherepanov................................................................370
State special standard of pressure for the field of alternating pressures. A. V. Shipunov..375
Absolute pressure. Higher-accuracy installation. 5.1. Novikova.............................У11
State special standard of pressure for the field of periodic pressures.............................379
Measurement of the physical and chemical composition and the properties of substances
Physical and chemical measurements. L. A. Konopelko, G. R. Nejichovsky.....................381
Stock of measurement standards in Russia in the field of physical and
chemical measurements. Y. Y. Tarbeev, L. A. Konopelko......................................383
Methods and means for measuring density. V. S. Snegov......................................386
Viscometry. N. G. Domostroyeva.....................................................................391
Conductometry. V. I. Suvorov.......................................................................395
pH-metry and ionometry. N. N. Zdorikov, О. V. Karpov, N. I. Maximov, Ye. Ye. Seyku, V. V. Sobolev..398
Gas analytical measurements. G. R. Nejichovsky.............................................402
Methods and means for measuring humidity of gases. N. I. Dubovikov, О. O. Podmumaya................410
Measurement of the moisture content of grain and grain products. V. I. Koryakov, A. I. Zaporozhets.413
State primary standard of volume moisture content of oil and oil products. V. V. Pekler............419
Composition of substances. Measurements
by the chromatographic method. O. L. Rutenberg, Sh. R. Fatkudinova.........................421
Thermal physical and temperature measurements
Introduction. A. I. Pokhodun...............................................................425
Thermometry. History of development. State primary standard
of temperature for the range above 0°C. A. I. Pokhodun, M. S. Matveyev, A. G. Ivanova......426
Calorimetry. Yu. A. Aleksandrov............................................................435
State primary standard of combustion energy. Ye. N. Korchagina.............................443
Heat capacity. State primary standard of specific heat capacity of solid bodies. V. I. Kulagin.....446
Heat conduction. N. A. Sokolov.............................................................450
State primary standard of heat conduction of solid bodies. N. A. Sokolov...........................453
Dilatometry. State primary standard of temperature linear expansion coefficient
of solid bodies. T. A. Kompan..............................................................455
State special standard of specific heat capacity: joule per kilogram kelvin of solid bodies in the
temperature range 1337-1800 К. T. A. Kompan................................................461
Time and frequency measurement
History of creation Russian united servise of time and frequency. A. M. Fyodorov...........465
State primary standard of time (second), frequency and national time scale.........................467
' 836 ~ - 1 — '
Measurement of electric quantities, radio engineering and radio electronic measurements
History of development measurement of electrical quantities. Ye. D. Koltik....................469
State primary standard of direct current. A. S. Katkov, О. M. Pavlov..........................475
Current balance for absolute measurement of direct current. О. P. Galakhova, Ye. D. Koltik....478
State special standard of current in the frequency range 20-1 «IO6 Hz. О. P. Galakhova........481
State special standard of high-frequency current in the range 0,1-300 MHz.....................485
Methods for comparison of alternating current standards with the initial estimation and
periodic control of their errors. О. P. Galakhova.............................................486
State primary standard of electromotive force. A. S. Katkov, V. I. Krzhimovsky, Ye. D. Koltik.487
State primary standard of resistance. B. Ya. Litvinov, A. V. Ploshinsky.......................491
Procedure for comparison of the ohm standard with a single-channel
transmission system. B. Ya. Litvinov, A. V. Ploshinsky........................................494
State primary standard of induction. Yu. V. Semenov, PM. Yegorov..............................496
State primary standard of electric capacity. Yu. V. Semenov...................................500
State primary standard of electric capacity in the frequency range 1-100 MHz..................501
State primary standard of loss angle. M. D. Klionsky..........................................502
State special standard of electric voltage in the frequency range 20 Hz - 30 MHz. V. M. Baykov....505
State special standard of electric voltage in the frequency range 30-3000 MHz. V. V. Krestovsky....508
Methodological peculiarities of international comparisons
of a. c. voltage standards. V. M. Baykov, V. V. Krestovsky, G. P. Telitchenko, V. I. Shevtsov.510
High electric voltage. Measurements. V. N. Yaroslavsky........................................512
High electric voltage. Higher-accuracy installation. V. N. Yaroslavsky........................513
State primary standard of electric power in the frequency range 40-2500 Hz. Ye. Z. Shapiro....519
State standard of phase angle between two electric voltages in
the frequency range 0,01 Hz - 20 MHz. S. A. Kravchenko........................................525
Methodological problems of comparisons of phase angle standards. S. A. Kravchenko.............529
State standard of the factor and angle of scale transformation of harmonic current. В. V. Zakharov.530
Dielcometry. О. I. Gudkov.....................................................................532
State special standard of relative dielectric permeability of solid and liquid dielectrics in
the frequency range H10’-107Hz................................................................535
Slate special standard of relative dielectric permeability of liquid, solid and gaseous
dielectrics in the frequency range 1-10 GHz...................................................536
State special standard of relative dielectric permeability in the frequency range 1-200 MHz........537
State special standard of bicomplex permeability in the frequency range 0,2-1,0 GHz...........538
History of development measurement of radio engineering. A. M. Fyodorov, S. A. Kravchenko..........539
State special standard of electric intensity in the frequency range 0-20 kHz..................543
State primary standard of power of electromagnetic modes in waveguide transmission lines in the
frequency range 0,03-37,5 GHz.................................................................544
State special standard of wave resistance in coaxial waveguides...............................545
State primary standard of electric Q-factor...................................................546
State primary standard of spectral density of noise radio-frequency radiation power in the frequency
range 0,002-178,3 GHz.........................................................................547
State special standard of maximum values of the intensity of pulse electric and magnetic fields....548
Measurement of magnetic quantities.
Historical information. V. Ya. Shifrin.............................................................550
Physical principles of magnetic measurements. Magnetic quantities and units. Yu. V. Afanasiyev.....551
Main laws of electromagnetism..................................................................551
Direct and reverse magnetic measurement transformations...................................552
Magnetic quantities and units. Yu. V. Afanasiyev..........................................554
Instruments for measuring magnetic field parameters. V. Ya. Shifrin...........................556
Measuring standards of magnetic quantities. V. N. Khcmev..................................556
Instruments for measuring magnetic field parameters. V. N. Khorev.........................560
Quantum magnetoresonance instruments. V. Ya. Shifrin......................................561
- Nuclear resonance teslameters based on free nuclear precession. V. Ya. Shifrin..............561
- Nuclear resonance teslameters based on forced nuclear precession. V. Ya. Shifrin............562
- Atomic resonance teslameters based on optical pumping of atoms. V. Ya. Shifrin..........563
============== 837 ----------------------------------- -------- - —
Ferromagnetic probe instruments. Yu. V. Afanasiev............................................565
Induction instruments. V. Ye. Chemyshyov.....................................................568
Magnetic mechanical instruments. A. P. Schelkin..............................................569
Galvanomagnetic magnetometers. V. Ya. Shifrin................................................571
Instruments measuring magnetic parameters of magnetic materials. V. G. Antonov...................573
Magnetic parameters of materials. V. G. Antonov..............................................573
Tested samples and methods for measurement of their characteristics. V. G. Antonov...........575
Instruments measuring magnetic parameters of materials in the closed
magnetic circuit. V. G. Antonov..............................................................578
Instruments measuring magnetic parameters of materials in the open
magnetic circuit. V. G. Antonov..............................................................580
Measurement of coordinates of dynamic magnetization loops. V. G. Antonov.....................582
Instruments measuring parameters of the main dynamic magnetization curves and magnetic
permeability. V. G. Antonov..................................................................583
Measurement of specific magnetic losses. V. G. Antonov.......................................584
Measurement of magnetic properties of soft magnetic materials in pulsed fields. V. G. Antonov.585
Instruments measuring magnetic susceptibility and residual magnetization of weak
magnetic materials . A. P. Schelkin..............................................................587
Metrological assurance of magnetic measurements..................................................589
State primary standard of magnetic quantities: magnetic induction,
magnetic flux and their relationship. V. Ya. Shifrin.........................................589
State primary standard of magnetic moment. A. P. Schelkin, V. N. Khorev......................592
Metrological assurance of testameters of constant magnetic induction field
in the range 0,05-2 T. V. Ya. Shifrin...............................................593
Metrological assurance of instruments measuring magnetic parameters of materials.............594
Instruments measuring static magnetic parameters of materials. A. P. Schelkin................594
Instruments measuring dynamic magnetic parameters of materials. A. P. Schelkin...............595
State special standard of initial magnetic permeability at the frequency 100 MHz.................599
State primary standard of differential paramagnetic susceptibility...............................600
Experimental determination of gyromagnetic proton ratio. V. Ya. Shifrin..........................601
Measurement of acoustic quantities
Acoustic measurements. A. K. Novikov.............................................................606
State primary standard of sound pressure in air...................................................613
State primary standard of sound pressure in water in the frequency range 1 «ЮМ* 10* Hz............614
Optical and optical-physical measurements
Optics, introduction. G. T. Petrovsky............................................................616
Photometry and radiometry of optical radiation. V. S. Ivanov.....................................619
State primary standard of luminous intensity. V. I. Saprytsky....................................637
Measurement of light wavelengths. State special standard of light for spectroscopy. V. L. Shur....641
History of development and modern state in the field of refractometry. A. S. Naydenov............644
State primary standard of refractive index of solid bodies. A. S. Naidyonov......................648
State special standard of color coordinates and chromaticity coordinates.........................652
State special standard of spectral density of radiance of optical radiation in the wavelength
range 0,04-0,25 m ...............................................................................653
State primary standard of spectral density of radiance, spectral density of radiation intensity and spectral
density of energy illuminance in the wavelength range 0,25-25,00 m; radiation intensity in the
wavelength range 0,2-25,0 m .....................................................................654
State special standard of pulsed laser radiation power in the wavelength range 0,4-10,6 mkm.......655
State special standard of pulsed optical radiation flux in the wavelength radiation 0,8-1,0 mkm .656
Radiometry. State primary standard of IR radiance. 1.1. Dolgich..................................657
State and problems of metrological assurance for measurement of the parameters of fiber-
opticalinformation transmission systems. S. V. Tichomirov........................................666
Metrology of laser medical equipment. 5. V. Tichomirov...........................................672
History of development and modern state of color measurements. E. N. Yustova.....................674
——————————————— 838 — _ - ------------------------------------------------------ - L.
Measurement of characteristics of ionizing radiations and nuclear constants
Metrological assurance in the field of ionizing radiation measurements: history of development and
modern state. V. I. Fominykh, I. A. Kharitonov, M. F. Yudin.......................................681
State primary standard of radionuclide activity, flux and flux density of. and. particles and photons of
radionuclide sources. A. E. Kochin................................................................690
State primary standard of exposed dose, exposed dose-rate and flux
of X-ray and radiation energy. N. D. Villevalde...................................................694
State primary standard of absorbed dose and dose-rate of radiation................................699
State primary standard of neutron flux and flux density. N. N. Moiseyev, I. A. Kharitonov.........700
International normalized system of radium mass standards. N. I. Karmalitsyn.......................706
Metrological assurance of application of ionizing radiations in medicine. 1.1. Tsvetkov...........708
International cooperation of national metrological organizations in the field of ionizing radiation
measurements. I. A. Kharitonov....................................................................709
Radioecological monitoring. $. G. Trofimchuk......................................................711
System of accreditation of radiation control laboratories. .S’. G. Trofimchuk.....................713
Main features of testing and certification of instruments in the field
of ionizing radiations. N. D. Villevalde..........................................................715
VI. State system of measurement traceability assurance, metrological service of the
RF, metrological organization of the RF
Measurement traceability. A. I. Astashenkov, G. P. Galakhov, M. G. Sharonov.......................718
Measurement traceability assurance (MTA)...........................................................719
Gosstandart and its functions......................................................................720
State system of measurement traceability
assurance (SSI). A. I. Astashenkov, G. P. Galakhov, M. G. Sharonov................................728
State metrological service (SMS). A. I. Astashenkov, R. I. Genkina, Kh. O. Malikova, V. A. Skovorodnikov .. 731
Metrological services of the federal organs of executive (governmental) power (FOEP) and juridical
persons. Fe. A. Zayets, I. P. Kanayeva............................................................732
Organ of the State metrological service. R. I. Genkina, Kh. O. Malikova, V. A. Skovorodnikov......734
State service of standard samples composition and features substance and
materials of Russia. I. Ye. Dobrovinsky...........................................................735
Russian calibration system (RCS). R. I. Genkina, V. A. Skovorodnikov.......................................................... 738
Verification of measurement instruments. Yu. Ye. Lukashov, M. G. Sharonov.........................740
Measurement procedure. N. P. Mif..................................................................742
Standard documents on measurement traceability assurance. G. P. Safarov...........................744
Metrological expertise of technical documentation. N. P. Mif......................................746
State Center for Testing of Measuring Instruments. V. I. Belotserkovsky, V. N. Yanshin............748
VNIIM D. I. Mendeleev. N. I. Khanov...............................................................749
All-Russian Research Institute of Metrological Service (VNIIMS). A. I. Astashenkov, В. P. Gorshkov.750
VNIIFTRI .........................................................................................752
VNIIOFI. V. S. Ivanov.............................................................................753
SNIIM 754
Center of Testing and Certification St. Petersburg (Test-S. Peterburg). V. V. Okrepilov...........755
Rostov Center of Standardization, Metrology and Certification (Rostov CSM). V. I. Volkov..........759
Development of the metrological service in the
Republic of Belarus. V. N. Koreshkov, N. A. Zhagora, L. E. Astafyeva..............................763
History of the State verification activities in the Middle Asia. O. Khakimov......................768
VII. Testing, certification and accreditation in the field of metrology
Pattern approval of measuring instruments. V. I. Belotserkovsky, V. N. Yanshin....................770
Mutual Recognition of testing results and pattern approval of measuring
instruments. V. I. Belotserkovsky, V. N. Yanshin..................................................771
State Register of Measuring instruments. V. I. Belotserkovsky, V. N. Yanshin......................772
Mark of pattern approval of measuring instruments. V. I. Belotserkovsky, V. N. Yanshin............772
Certification of measuring instruments. V. I. Belotserkovsky, V. N. Yanshin.......................773
1 - - 839 -------- -"
Accreditation of leading and basic organizations of the
metrological service. IE A. Zayets, I. P. Kanayeva...........................................775
Accreditation of metrological services of juridical persons for the right to certify measurement
procedures and to perform metrological expertise of documents. IE A. Zayets, I. P. Kanayeva..777
Accreditation for the right to verify measuring instruments. Yu. Ye. Lukashov, M. G. Sharonov.779
Russian system of accreditation of analytical laboratories (centers). V. I. Paneva...........780
System of accreditation of measuring laboratories. A. I. Astashenkov, A. L. Pyatov...........784
Licencing of activities in the field of production, maintenance,
sale and rent of measuring instruments, R. I. Genkina, V. A. Skovorodnikov...................787
VIII. Legal basis of measurement tracebility assurance
Legal metrology (LM). A. I. Astashenkov, G. P. Safarov, M. G. Sharonov.......................790
Law of the RF of April 27, 1993, No. 4871-1 “On Assurance of Measurement Tracebility”........791
State metrological supervision (SMS). R. I. Genkina, V. A. Skovorodnikov.....................791
Types and spheres of the State metrological control and supervision. A. I. Astashenkov, Kh. O. Malikova 798
State inspector on measurement traceability assurance. Yu. V. Nemchinov......................800
Measures of State punishment for infringement
of metrological rules and norms (MSP). Kh. O. Malikova.......................................802
IX. International cooperation in the field of metrology
Organization of the Metric Convention........................................................807
Organization Internationale de Metrologie Legale (OIML). V. V. Mardin........................808
Convention, establishing the OIML............................................................809
COOMET. В. P. Gorshkov.......................................................................815
Asia-Pacific Legal Metrology Forum (APLMF). V. V. Mardin.....................................816
X. Metrological Academy
The Academy .................................................................................818
Organization ................................................................................820
Territorial structur ........................................................................821
List of authors .............................................................................823