Методология обеспечения единства измерений высокочастотного электрического напряжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, доктор технических наук Федоров, Александр Михайлович

• Федоров, Александр Михайлович
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Федоров, Александр Михайлович

Общая характеристика работы Введение

1. Особенности высокочастотных средств измерений электрического напряжения и методология обеспечения единства измерений переменного напряжения при высоких

2. Создание, исследование и аттестация Государственного эталона единицы переменного напряжения высокой частоты

3. Теория компенсационных методов измерений переменного напряжения и структурно-алгоритмические принципы построения диодных компенсационных вольтметров -рабочих широкополосных эталонов переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц.

4. Теория, исследование и нормирование частотных погрешностей диодных компенсационных вольтметров

5. Теория, исследование и нормирование погрешностей диодных компенсационных вольтметров при измерении сигналов искаженной формы.

6. Структурно-алгоритмические принципы построения установок для поверки электронных вольтметров -многозначных эталонных мер переменного и импульсного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц частотах

ГЭТ 27

7. Теория и исследование косвенных методов воспроизведения и измерений переменного напряжения при высоких частотах.

8. Методические основы и методики градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных вольтметров, преобразователей и мер напряжения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методология обеспечения единства измерений высокочастотного электрического напряжения»

В диссертационной работе приведено обобщенное изложение методологии и результатов выполнения научных, опытно-конструкторских и методических работ автора в области метрологического обеспечения методов и средств измерений переменного электрического напряжения в широком диапазоне частот, которые в своей совокупности представляют результаты разработки основ Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) указанной электрической величины, используемой в важнейших областях науки и техники - радиолокации, радионавигации, радиоэлектронике, электротехнике, информатике, технике связи, энергетике, медицине, экологии, метеорологии и т.д. При этом к высокочастотным измерениям напряжения относятся (в основном) такие, которые выполняются с помощью радиоэлектронных средств измерений по ГОСТ 15094, характеризующихся, как правило, нормированными входными и выходными импедансами.

Решение указанной проблемы имеет важное хозяйственное значение, внедрение которой вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышает ее обороноспособность.

Работа выполнена автором или под его руководством и непосредственном участии совместно с учениками и сотрудниками лаборатории высокочастотных электрических измерений ВНИИМ и кафедр метрологии и электромагнитных измерений СПФ АСМС. Совместные с промышленными НИИ и КБ разработки эталонных (образцовых) приборов выполнялись автором на основании Постановлений Правительства и хозяйственных договоров.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Напряжение является одной из важнейших электрических величин, характеризующих режимы работы электронных и электрических приборов и устройств. Благодаря этому средства измерений (СИ) напряжения получили широкое распространение в различных областях науки, техники и обороны страны, составляя в общей сложности более 40% всех эксплуатируемых в стране электронных СИ. К их числу относятся электронные вольтметры, измерительные генераторы, электронно-лучевые осциллографы, измерительные преобразователи (усилители, делители напряжения и аттенюаторы), измерители коэффициентов гармоник и модуляции, измерительные системы и комплексы и т.д. Самыми массовыми из них являются электронные вольтметры, обладающие важными техническими, метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Этим обстоятельством объясняется то, что исследованиями в области измерения напряжения и разработками СИ напряжения, а также вопросами метрологии и метрологического обеспечения электрических величин занимались многие известные отечественные ученые и специалисты, в частности Арутюнов В.О., Бондаренко И.К., Бурдун Г.Д., Валитов P.A., Векслер М.С., Волгин Л.И., Володарский Е.Т., Вострокнутов H.H., Грановский В.А., Губарь В.И., Гуревич M.JL, Дойников A.C., Дубенецкий В.Г., Желбаков И.Н., Жилинскас Р.-П.П., Земельман М.А., Зорин Д.И., Исаев JI.K., Кирьянов К.Г., Колтик Е.Д., Кравченко С.А., Кузнецов В.А., Кукуш В.Д., Кьяндский Г.А., Левин М.М., Маграчев З.В., Механников А.И., Мирский Г.Я., Найденов

A.И., Новицкий П.В., Орнатский П.П., Петров В.П., Петров Н.Г., Попов B.C., Рабинович Б.Е., Редькин Б.Е., Рождественская Т.Б., Розенберг В .Я., Ройтман М.С., Рябинин Ю.А., Сирая Т.Н., Солопченко Г.Н., Сретенский В.Н., Тарбеев Ю.В., Туз Ю.М., Чернышев Е.Т., Чуйко В.Г., Широков К.П., Шишкин И.Ф., Шрамков Е.Г., а также иностранцы - Aiken С., Megaw Е., Selby М. и другие.

Большой вклад в создание эталонной базы переменного напряжения внесли сотрудники лабораторий электрических измерений ВНИИМ Акнаев Р.Ф., Байков В.М., Галахова О.П., Крестовский В.В., Петрищев A.A., Телитченко Г.П., Щеглов

B.А. и др.

Необходимой проблемой в этой области измерений является обеспечение единства измерений переменного напряжения в стране, а для этого необходимо создание методологии метрологического обеспечения методов и СИ переменного напряжения, включающей разработку научных, технических, нормативных и организационных основ ее функционирования, чему и посвящена работа.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Главной целью является создание основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений переменного напряжения и разработка эталонных средств воспроизведения и передачи размера единицы напряжения при частотах свыше 30 МГц. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих научно-технических задач:

Создание основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений электрического напряжения при высоких частотах;

Разработка структуры построения, методов исследования и аттестация Государственного эталона единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц;

Разработка теории компенсационных методов измерения переменного напряжения и создание нового вида вольтметров - образцовых диодных компенсационных вольтметров (ДКВ), применяемых в качестве эталонов сравнения при международных сличениях и рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов при передаче размера единицы рабочим средствам измерений в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработка теории и исследование дополнительных частотных погрешностей ДКВ при передаче размера единицы напряжения от государственного эталона до рабочих средств измерений;

Разработка теории и исследование дополнительных погрешностей СИ напряжения (включая и ДКВ) вследствие искажения формы кривой измеряемого напряжения при передаче размера его единицы от эталонных рабочим средствам измерений;

Разработка принципов построения установок (мер, калибраторов напряжения) для поверки электронных вольтметров (УПВ), используемых в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработка теории и исследование независимых косвенных методов измерения напряжения высокой частоты в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности; Создание методических основ и методик градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных средств измерений, в частности, вольтметров, и внедрение их в метрологическую практику.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В диссертационной работе применены теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследований основаны на использовании элементов теории электродинамики, дифференциального и интегрального исчисления, специальных модифицированных функций Бесселя, тригонометрических функций, теории приближенных вычислений и математической статистики. Экспериментальные методы исследований базировались на планировании эксперимента, математическом и физическом моделировании, разработке уникальных методик измерений и исследований, применении ЭВМ, создании специализированных СИ и вспомогательных устройств, защищенных в ряде случаев авторскими свидетельствами на изобретения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем: ■ Разработаны общие принципы и научно-обоснованная методология создания комплекса эталонных средств воспроизведения и передачи единицы электрического напряжения при частотах свыше 30 МГц;

Создан и исследован возглавляющий поверочную схему Государственный эталон ГЭТ 27-82 единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц (ГОСТ 8.072-82);

Разработана и обобщена теория компенсационных методов измерения переменного напряжения с преобразователями на электровакуумных и полупроводниковых диодах. Создана гамма наиболее точных в мире диодных компенсационных вольтметров, применяемых в качестве рабочих эталонов и эталонов сравнения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработаны теоретические и экспериментальные методы исследования и определения доминирующих систематических погрешностей (частотной и от искажения формы кривой измеряемого напряжения) ДКВ и рекомендации по их учету и снижению;

Разработаны и проанализированы принципы построения установок для поверки электронных вольтметров, применяемых в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработаны применяемые при высоких частотах новые методы косвенного измерения напряжения в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

Созданы нормативные методические основы градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации как эталонных, так и рабочих средств измерений переменного напряжения;

Новизна технических и методических решений защищена 13 авторскими свидетельствами на изобретения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ заключается в создании и внедрении в метрологическую практику системы обеспечения единства измерений переменного напряжения при высоких частотах, включающей в себя: ■ Государственный эталон ГЭТ 27-82 единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц с метрологическими характеристиками, соответствующими или превосходящими характеристики аналогичных национальных эталонов ведущих метрологических учреждений мира, что подтвердили проведенные международные сличения эталонов напряжения на частотах от 100 до 1000 МГц, в которых участвовали НИСТ США, ЕКюД Англии, ПТБ и АСМВ

Германии, ОМХ Венгрии, НМЛ Австралии и ВНИИМ;

Рабочие эталоны в виде измерительных приборов переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц - диодные компенсационные вольтметры, представляющие собой наиболее точные в мире диодные электронные вольтметры;

Рабочие эталоны в виде многозначных мер переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц - установки для поверки электронных вольтметров;

Методы косвенных измерений переменного напряжения при высоких частотах в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

Государственную поверочную схему для СИ электрического переменного напряжения при высоких частотах до 3000 МГц (ГОСТ 8.075-73, РС 5540-76 и ГОСТ 8.075-82);

Методики выполнения измерений (МВИ) при градуировке, поверке, калибровке и метрологической аттестации электронных СИ в виде нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ), в частности, действующие в настоящее время ГОСТ 8.429-81, ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.119-85, PC 4770-74, МИ 79-76, МИ 209-80, МИ 210-80, РД 50-347-82 и др.

Практическая значимость работ автора подтверждена актами внедрения Госстандарта, ТПО РЭТ, СКБ РИАП, Ташкентского завода «Эталон» и СПФ АСМС.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ автора внедрены в широкую практику научно-исследовательских, опытно-конструкторских и метрологических органов страны и бывших национальных республик (метрологические отделы НИИ и КБ, центры стандартизации и метрологии, лаборатории госнадзора, лаборатории измерительной техники, лаборатории радиоизмерений и т.д.). Они внедрены также в национальных метрологических центрах ряда зарубежных стран. Самостоятельные или совместные с промышленными НИИ и КБ разработки эталонных (образцовых) СИ внедрены в производство на многих промышленных предприятиях (ТПО РЭТ, Ленинградский, Киевский, Воронежский, Рижский и Ташкентский заводы «Эталон», КБ РИАП и другие). Перечень разработанных эталонных средств приведен в приложении. Этими средствами оснащены многочисленные научные, учебные, оборонные и промышленные учреждения многих стран.

Методические разработки автора (монографии, учебные пособия, статьи, государственные стандарты, инструкции, методики, рекомендации) широко используются в метрологической практике многих учреждений. Отдельные положения разработок автора включены в книги по электрическим и радиоэлектронным измерениям и в соответствующие учебные пособия и учебные программы высших учебных заведений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертация является результатом обобщения опубликованных автором работ, выполненных в период 1958-2004 г.г.

Результаты исследований и научных разработок автора докладывались и обсуждались на многочисленных отечественных и международных научно-технических конференциях, конгрессах, сессиях, семинарах, симпозиумах, совещаниях, секциях научно-технических советов, организаторами которых были Академия наук СССР и РФ, Госстандарт, Министерство связи, Министерство общего и профессионального образования, Научный Совет по распространению радиоволн АН, ВНИИМ, ВНИИФТРИ, СНИИМ, ВНИИМС, НПО «Кварц», ТПО РЭТ, Институт Электродинамики АН Украины, Институт кибернетики АН Эстонии, С.-Петербургский, Киевский и Таллиннский технические университеты (политехнические институты), НТО

РЭС им. A.C. Попова, НТО Приборпром им. С.И. Вавилова, ИМЕКО, общ. «Знание» и др.

Наиболее актуальные и приоритетные из этих докладов и сообщений, опубликованные в открытой печати, указаны в разделе «Публикации по теме диссертации».

Основное содержание научных разработок автора опубликовано в монографиях, учебных пособиях, научных статьях, нормативных документах (государственных стандартах, инструкциях, методических указаниях и рекомендациях по стандартизации Государственной системы обеспечения единства измерений). 13 разработок автора защищены авторскими свидетельствами на изобретения. За разработку образцовых (эталонных) СИ напряжения высшей точности он награжден 2-мя золотыми и 2-мя серебряными медалями ВДНХ и большой золотой медалью международной Лейпцигской ярмарки.

Под руководством автора было выполнено и защищено 7 диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук по проблемам обеспечения единства измерений электрического напряжения.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации и смежным областям измерений автором опубликовано более 250 печатных работ, включая 8 книг и учебных пособий. Среди публикаций преобладают научные статьи в таких журналах, как «Измерительная техника», «Компетентность», «Квалификация и с качество», «Метрология», «Метрология и измерительная техника» и в периодических сборниках «Известия ВУЗов» по разделу «Приборостроение» и «Вопросы радиоэлектроники», в трудах метрологических институтов Госстандарта (ВНИИМ, ВНИИФТРИ, ВНИИМС), в научно-технических журналах «Техника средств связи», «Радиоэлектроника и связь» и «Радиотехника». Ряд важных разработок и проблем обеспечения единства измерения напряжения, а также вопросов их метрологического обеспечения опубликован в материалах и трудах международных и отечественных конгрессов, научных сессий, конференций, симпозиумов, семинаров.

Автор является руководителем и исполнителем (иногда с соавторами) более 30 нормативных документов по вопросам метрологического обеспечения методов и средств измерений напряжения (государственные стандарты, инструкции, методические указания и рекомендации по стандартизации) Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: ■ Разработанные в диссертации научные, технические и нормативно-методические основы измерений переменного напряжения позволяют создать комплексную систему обеспечения единства измерений (ОЕИ) этой важнейшей электрической величины, широко используемой в электрорадиоэлектронике, связи, оборонной технике и других отраслях науки и техники.

Предложенная система ОЕИ основана на прямых или косвенных методах компарирования или замещения измеряемого переменного напряжения высокоточным постоянным напряжением, воспроизводимым или измеряемым встроенными в СИ меры, с дополнением путем теоретических и экспериментальных исследований характеристик эталонных СИ с целью исключения или минимизации их погрешностей.

Разработанные структурно-алгоритмические принципы построения Государственного эталона единицы высокочастотного напряжения и экспериментальные и аналитические методы и средства его исследования и аттестации позволяют воспроизводить и передавать размер единицы напряжения рабочим эталонам и СИ на уровне точности, соответствующей лучшим мировым достижениям.

Созданная теория компенсационных методов измерений переменного напряжения с преобразователями на диодах и баланс погрешностей позволил разработать наиболее точные в мире образцовые диодные компенсационные вольтметры (ДКВ) для диапазона частот от 10 Гц до 1500 МГц, являющиеся основой для передачи размера единицы напряжения от эталона ГЭТ 27-82. до рабочих СИ.

Теоретические и экспериментальные исследования систематических частотных погрешностей ДКВ позволили получить новые выражения для их оценки и исключения, что обеспечивает повышение точности измерений в 4 - 10 раз.

Теоретические и экспериментальные исследования систематических и случайных погрешностей ДКВ вследствие влияния формы кривой измеряемого напряжения дали новые зависимости для их оценки, что позволило сформулировать положения по снижению или полному устранению их влияния на погрешность передачи единицы напряжения.

Разработанные структурно-алгоритмические принципы построения автоматизированных установок для поверки электронных вольтметров в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц позволили обеспечить передачу размера единицы напряжения рабочим СИ с необходимой точностью и производительностью.

Разработанная теория и анализ погрешностей независимых косвенных методов измерения напряжения в коаксиальных трактах передачи известного сопротивления по проходящей через линию мощности позволяют проводить исследование амплитудно-частотных характеристик электронных приборов.

Разработанные нормативные документы на Поверочную схему и методики градуировки, метрологической аттестации, поверки и калибровки электронных СИ и методики выполнения измерений решают практические задачи ОЕИ переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность разработанных моделей и корректность баланса погрешностей, аналитических зависимостей и алгоритмов.

Введение

В диссертации дано обобщенное изложение методологии и результатов проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и методических работ, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) и Санкт-Петербургском филиале Академии стандартизации, метрологии и сертификации (СПФ АСМС), посвященных решению важной научно-технической проблемы обеспечения единства измерений электрического переменного напряжения и созданию эталонных средств и методик выполнения измерений указанной физической величины с преимущественным акцентом на область высоких частот. При этом к высокочастотным измерения относятся (в основном) такие, которые выполняются с помощью радиоэлекторнных средств измерений по ГОСТ 15094, характеризующихся, как правило, нормированными входными и выходными импедансами.

Обеспечение единства измерений различных физических величин является одним из важнейших составляющих метрологии, под которой понимается наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

При этом под обеспечением единства измерений, в соответствии с ГОСТ 16263-70 и РМГ 2В-99, понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых государственными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью.

Измерения с древнейших времен являются одним из основных элементов познания объектов окружающего нас мира и происходящих в нем явлений и процессов [70,74,77,84]. Еще академик Якоби говорил, что наука начинается там, где начинают измерять.

По мере дальнейшего развития научных знаний роль измерений все более возрастает, становясь решающим фактором дальнейшего развития и совершенствования науки и техники [84].

Важное значение имеют электрические и радиоэлектронные измерения, особенно в электротехнике, электронике, связи, информатике, энергетике и т.д. Именно они обеспечивают надежные и высококачественные исследования и контроль функционирования многочисленных технических устройств и явлений в указанных областях.

В работе приведены результаты многолетних работ автора в указанной области метрологической деятельности, достаточно полно опубликованных им в более чем 250 печатных работ (книгах, научных статьях, докладах, нормативных документах и изобретениях) в частности в [1-8,10-19,22,26,27,30-35,3742,49,51,55-58,62-69,71,73,75,76,78,80,83-89, Д1-Д16, И1-И13].

В начале диссертации изложены основы методологии обеспечения единства измерений переменного напряжения на основе разработанной под руководством автора Государственной поверочной схемы для высокочастотных средств измерений (СИ) напряжения и изложены принципы создания рабочих эталонов, ранее называвшихся образцовыми средствами измерений, для передачи размера единицы этой величины от государственного эталона до рабочих СИ [1-4, 6, 68, 73, 83, Д8, Д11].

Далее приведены результаты разработки и исследования Государственного специального эталона единицы напряжения для диапазона частот от 30 до 3000 МГц и указаны его основные метрологические характеристики [2, 4, 11, 22, 27, 38, 39, 41, 42, 51,55, 68, 70, 74, 83, 84,Д11,И10].

Для передачи размера единицы от государственного эталона высокой частоты нижестоящим по поверочной схеме СИ разработаны наиболее точные в мире диодные электронные компенсационные вольтметры (ДКВ), используемые в качестве эталонов 1-го и 2-го разрядов. Приведены результаты исследования их основных метрологических характеристик [2, 5,

10, 17, 20, 21, 25, 29, 32, 53, 55, 69, 74, 83, 84, ДО, Д7, Д8, Д11-Д13, И1, И2].

В связи с характерной для электронных СИ широкополосностью их рабочий диапазон частот иногда включает как низкие, так и высокие частоты. Поэтому приведенные в монографии методы измерений и особенно рабочие разрядные эталоны имеют диапазон частот от единиц герца до единиц гигагерц, что вызывает необходимость разработки и исследования методов и средств определения частотных погрешностей СИ и учета специфики их нормирования [1-6, 11-18, 30, 43, 46, 53, 57, 61, 63, 74, 83, 84, И4, ИИ].

Столь же сложной проблемой является определение и нормирование погрешностей электронных СИ переменного напряжения, в частности электронных вольтметров, вследствие искажения формы измеряемых сигналов. Этим вопросам посвящены два раздела работы [6, 9, 23, 26, 30, 31, 37, 46, 55, 61, 63, 83-87].

В ряде случаев особенности схемно-конструктивных решений электронных СИ напряжения определяют целесообразность применения косвенных методов их градуировки, поверки и калибровки. Это приводит к возможности возникновения существенных погрешностей напряжения и к усложнению методик измерений, что вызвало необходимость введения в работу соответствующего раздела с анализом методов косвенных измерений и способов преодоления их погрешностей [1,5, 6, 19, 35, 55, 64, 74, 83, 84, И4, И10].

Для градуировки, поверки и калибровки электронных вольтметров и измерительных преобразователей промышленными предприятиями с участием автора разработана гамма специализированных поверочных установок (УПВ), применяемых в качестве рабочих эталонов 2-го разряда -многозначных мер переменного напряжения. УПВ широко используются в метрологической практике вследствие удобства и высокой производительности при выполнении измерений. Поэтому принцип действия и анализ метрологических характеристик УПВ дан в отдельной главе диссертации [1-6, 12, 14,20, 23,25,43, 52, 55, 62, 74, 83, 84, Д1, Д9, Д13-Д15].

Заключительный раздел работы посвящен разработке методик выполнения измерений напряжения и в особенности методологических основ градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации широко распространенных в измерительной практике электронных вольтметров, измерительных преобразователей и мер напряжения [1-6, 12, 20, 24, 25, 27, 30, 33-36, 41-43, 45, 48, 50, 52-55, 58-63, 74, 76, 79, 80, 82-88, 91, 92, Д1-Д16].

При изложении материалов встречается понятие «напряжение высокой частоты». Оно является достаточно условным, так как граница между низкой и высокой частотой электромагнитных колебаний однозначно не установлена и в различных материалах, в том числе и в государственных стандартах, указывается в пределах от 1-10 кГц до 1-10 МГц. В большинстве же случаев она упоминается в пределах 0,1-1 МГц. К тому же эта граница иногда принимается исходя из технических, исторических и субъективных соображений. В настоящее время логичнее классифицировать средства измерений электрических и магнитных величин на электро- и радиоэлектронные измерительные приборы в соответствии с ГОСТ 22261 и ГОСТ 15094 вне зависимости от их часто перекрывающихся рабочих диапазонов частот. К тому же принципы действия и схемно-конструктивные решения, включая элементную базу, большинства современных электрических и электронных СИ все меньше различаются. Это характерно и для методологии обеспечения единства измерений многих электромагнитных величин, включая методики выполнения измерений.

Что касается диапазонов частот Государственных специальных эталонов единиц переменного напряжения, то их смежная частота установлена на значении 30 МГц и объясняется принципами действия указанных СИ и традициями разрабатывавших их лабораторий - лаборатории электрических измерений и лаборатории высокочастотных измерений ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Одним из важнейших аспектов обеспечения единства измерений является оценка (определение) погрешностей методов, методик и средств измерений. Теоретически наиболее обоснованной и достоверной методикой оценки суммарной (полной) погрешности серийных изделий, в частности сложных электронных СИ, является разработанная Бородачевым H.A.1 теория статистического суммирования их частных погрешностей, дополненная для области радиоэлектронных измерений в работе Рабиновича Б.Е.2, рекомендованной в 1963г МПСС в качестве базовой методики при оценке погрешности разрабатываемых радиоэлектронных средств измерений. Несмотря на определенную сложность анализа частных (отдельных составляющих) погрешностей как средств, так и методов измерений, в работе при оценке суммарной погрешности эталонных средств измерений мы пользовались указанной методикой. Наиболее полно эта методика применялась при расчете суммарной основной погрешности диодных компенсационных вольтметров (ДКВ) подтвердившая ее высокую достоверность при выпуске и эксплуатации всех указанных моделей этих приборов (от первого типа ОКВ-2 до

1 Бородачев H.A. Анализ качества и точности производства,- М.; 1946.

2 Рабинович Б.Е. Методика суммирования частных погрешностей в области радиотехнических измерений. - Труды институтов Комитета стандартов, вып. 57(117). - М.; Стандартгиз, 1961. последнего типа ВЗ-бЗ). Так при условии соблюдения технологии производства ДКВ, в частности правильности их комплектации и монтажа, а так же соблюдения установленных допусков на отдельные комплектующие электронные и электрические элементы, практически отсутствует брак приборов при их выпуске из производства по установленной основной погрешности измерения напряжения [2].

Методика суммирования частных погрешностей включает ряд последовательных этапов ее выполнения.

1 этап. Определение значений частных систематических, неисключенных систематических (НСП) и случайных (СЛП) погрешностей методов и средств измерений путем теоретических и (или) экспериментальных исследований основных уравнений измерений, макетов, образцов средств измерений и их комплектующих элементов и устройств.

2 этап. Теоретический и (или) экспериментальный анализ законов распределения частных составляющих НСП и СЛП в поле их допусков или отклонений от математического ожидания (МО) исследуемых распределений. При этом МО для ряда погрешностей может иметь положительный или отрицательный знак, что приведет к несимметричности оцениваемой суммарной погрешности. Это характерно для ДКВ вследствие очевидного превалирования составляющих со знаком «минус» (см. рис.3-3) [2].

3 этап. Суммирование всех видов частных погрешностей по одной из трех формул в зависимости от характера их проявления и особенности (целесообразности) их учета. м1=£м,, (0-1) 1 где м - математическое ожидание систематических погрешностей (с учетом их знака); = (0-2) где о - неисключенные систематические погрешности, с = 1,05 —1,4 - коэффициент, учитывающий количество составляющих погрешностей и соотношение между ними;

0-3) где а - средние квадратические отклонения случайных погрешностей.

В формулах (0-1) - (0-3) все составляющие погрешности должны быть выражены в одних и тех же значениях - абсолютных или относительных (обычно в процентах).

4 этап. Оценка полной (суммарной) доверительной погрешности з1 методов, методик и средств измерений по формуле

5;+«^), (0-4) где а = 2 при Р = 0,95, а = 3 при Р = 0,99 (0,997).

В случаях коррелированности отдельных составляющих погрешностей данное обстоятельство может быть учтено путем введения соответствующих корректирующих коэффициентов.

Однако рассмотренная методика суммирования частных погрешностей достаточно корректна только для определения доверительной суммарной погрешности ансамбля средств измерений определенного типа, комплектуемых элементами с установленными допусками. Отдельные же приборы из рассматриваемого ансамбля СИ будут содержать индивидуальные систематические погрешности, обусловленные конкретными погрешностями комплектующих электрорадиоэлектронных элементов. Вследствие этого отдельные экземпляры измерительных приборов, в частности ДКВ, в пределах доверительной основной погрешности содержат систематическую составляющую, отличную от выражения (0-1).

Вследствие этого точность диодных компенсационных вольтметров может быть повышена путем индивидуального исследования отдельных их экземпляров при метрологической аттестации в соответствии с МИ 79-76 и МИ 899-85 [2, 6, 10, 53, 69, ДО].

В 80 - 90 годы в ряде нормативных документов системы ГСИ была установлена упрощенная методика суммирования частных погрешностей. Эта методика, вследствие

3 МИ 1552-86. ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей результатов измерений. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. статистического характера ее выполнения, дает оценку результатов суммарной погрешности, приближающуюся к методике Бородачева Н.А. - Рабиновича Б.Е. Поэтому в последних работах мы часто пользовались последней методикой. Это тем более допустимо, что в ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин» при выпуске СИ из производства устанавливается 20-процентный производственно-эксплуатационный запас по основной погрешности, создающий определенный запас «надежности» при оценке суммарной погрешности. Методика предполагает, что все систематические погрешности исключены, а частные неисключенные систематические погрешности распределены по равномерному (равновероятному) закону относительно центров их группирования, что во многих случаях справедливо. В случаях же более сложных законов распределения значений погрешностей, характеризующих рассеяние отклонений независимых составляющих погрешностей от центров группирования или в границах допусков на отдельные электрорадиоэлектронные элементы и большей достоверности ее оценки, могут быть введены корректирующие коэффициенты для таких законов распределения, имеющиеся в работе Б.Е. Рабиновича.

Методика предполагает определение (исследование) всех частных неисключенных систематических (НСП) ©,. и случайных составляющих погрешностей (СЛП) <т, с последующим их суммированием по известным формулам. при «<з, (0-5) прип>4, (0-6) где ©£ - суммарная граница НСП, к = 1,05 -1,4 - коэффициент, зависящий от соотношения между частными погрешностями и доверительной вероятности:

Е(Р)=±/^, (0-7) где е(р) - доверительная граница СЛП; = 2-з - коэффициент, зависящий от принятой доверительной вероятности; т(. - средние квадратические отклонения частных случайных погрешностей.

Суммарная доверительная погрешность результата однократных измерений оценивается по формуле фг|+|ЕМ|], (0-8) где к = 0,70 - 0,85 - коэффициент, зависящий от доверительной вероятности (р = о,95или/5 = 0,99) и отношения между суммарными границами НСП и СЛП.

В работе, как указывалось ранее, приведены результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных под руководством автора или при его участии в лаборатории высокочастотных электрических измерений ВНИИМ, которой он руководил с 1964 по 1983 гг., и кафедрах электромагнитных измерений и метрологии СПФ АСМС с 1983г. по настоящее время. В выполнении работ участвовали ученики автора и сотрудники указанных выше подразделений. Ряд аспирантов и соискателей, участвовавших в исследованиях под руководством автора, защитили диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по проблемам измерений электрического напряжения (Вайсбанд М.Д., Крестовский В.В., Пакаи П., Петрищев A.A., Саркисов Э.А., Сидоренков Н.Я., Телитченко Г.П. и Щеглов В.А.). От СПФ АСМС в работах участвовали к.т.н. Лячнев В.В., Мичурин В.И., Синяков А.И., Цыган Н.Я.

Ряд работ по созданию и внедрению в производство рабочих эталонов выполнен в сотрудничестве с представителями приборостроительной промышленности (НПО «Кварц», Таллиннское производственное объединение РЭТ, заводы производственного объединения «Эталон» Госстандарта и др.). Общее количество выпущенных указанными предприятиями эталонных СИ превышает 30 тыс. экземпляров. Этими измерительными устройствами оснащены многие метрологические службы страны. Они применяются не только в качестве рабочих эталонов, но и рабочих СИ в науке, технике и обороне как России, так и многих государств мира для метрологического обеспечения СИ, а также выполнения высокоточных измерений напряжения и других электрических величин.

В заключение автор выражает глубокую благодарность всем научно-техническим сотрудникам научных, конструкторских и производственных учреждений страны, принимавших участие в решении важной комплексной народно-хозяйственной проблемы по обеспечению единства измерений переменного электрического напряжения, и в особенности ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, АСМС, НПО «Кварц», ТКБРЭ, ТПО РЭТ, Горьковского СКБ РИАП, а также Ленинградского, Киевского, Ташкентского, Рижского и Воронежского заводов «Эталон» Госстандарта.

Заключение диссертации по теме «Метрология и метрологическое обеспечение», Федоров, Александр Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты многолетних научно-исследовательских, опытно-конструкторских и методических работ автора в области создания методологии Государственной системы обеспечения единства измерений высокочастотного электрического напряжения, узаконенной в многочисленных государственных стандартах страны и иностранных государств.

При этом под методологией, в соответствии с ее энциклопедическим толкованием, понимается совокупность приемов исследования, применяемых в какой-либо науке, в частности, в метрологии и конкретно в области измерений электрического переменного напряжения, являющегося одним из важнейших видов измерений в электротехнике, электронике, связи, информатике, энергетике и обороне страны.

Работа включает в себя весь комплекс элементов метрологического обеспечения измерений напряжения, от создания и исследования Государственного специального эталона единицы высокочастотного напряжения ГЭТ 27-82 (от 30 до 3000 МГц) и рабочих разрядных эталонов (ранее образцовых средств измерений от 10 Гц до 1500 МГц) для передачи размера единицы напряжения рабочим средствам измерений - электронным вольтметрам, измерительным преобразователям и генераторам в соответствии с разработанными им или под его руководством методиками метрологической аттестации, поверки, калибровки и градуировки указанных средств измерений.

Созданный автором эталон единицы напряжения высокой частоты типа ГЭТ 27-82 прошел международные сличения с эталонами ведущих метрологических центров мира на частотах от 100 до 1000 МГц и пилот-лабораторией ПТБ Германии признан одним из наиболее точных в мире.

Результаты исследований автора опубликованы более чем в 250 книгах, статьях и нормативных документах (стандартах, рекомендациях, инструкциях) как отечественных, так и зарубежных изданий и широко используются в работах и публикациях других авторов по вопросам электрорадиоэлектронных измерений.