Разработка и исследование тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для государственного первичного эталона единицы длины-метра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Кононова, Наталья Александровна

• Кононова, Наталья Александровна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кононова, Наталья Александровна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭТАЛОННЫХ ЛЕНТ И СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1.1. История создания компараторов для поверки эталонных измерительных лент

1.1.1. Тридцатиметровый интерференционный компаратор ВНИИМ

1.1.2. Стенной оптико-механический компаратор ВНИИМ

1.2. Компараторы ведущих зарубежных метрологических институтов

1.3. Обзор современных высокоточных лазерно-интерференционных систем для измерений геометрических величин

1.4. Обзор современных средств измерений уровня

1.5. Выбор направления совершенствования Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85

Выводы по главе 1

Глава 2. СОСТАВ ТРИДЦАТИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА

2.1. Состав Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-2010

2.2. Лазерная измерительная система компаратора

2.3. Оптико-механическая система компаратора

2.3.1. Прецизионные направляющие и юстируемые опоры

2.3.2. Каретка и электропривод

2.3.3. Устройства для исследований современных высокоточных средств измерений

2.3.4. Система определения центров штрихов эталонных измерительных лент

2.3.5. Система для крепления и натяжения эталонных измерительных лент

2.4. Система измерений параметров окружающей среды и температуры измеряемого объекта

2.5. Краткое описание программного обеспечения

2.5.1. Передача единицы длины от компаратора лазерным координатно-измерительным системам

2.5.2. Передача единицы длины от компаратора эталонным измерительным лентам

2.5.2.1. Окно «Интерферометр»

2.5.2.2. Окно «Параметры»

2.5.2.3. Измерения методом компарирования

2.5.2.4. Окно «Результаты измерений»

Выводы по главе 2

Глава 3. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛИНЫ С ПОМОЩЬЮ ТРИДЦАТИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА

3.1. Уравнения измерений с помощью компаратора

3.2. Исследования стабильности и воспроизводимости частоты (длины волны в вакууме) излучения лазерной измерительной системы

3.3. Погрешность определения поправки для приведения полученной длины интервала эталонной измерительной ленты к температуре 20 °С

3.4. Исследование характеристик направляющих и каретки компаратора с целью определения ошибки Аббе

3.4.1. Ошибка Аббе при измерении эталонных измерительных лент

3.4.2. Ошибка Аббе при исследованиях и поверке лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем

3.4.3. Ошибка Аббе при поверке уровнемеров

3.4.4. Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой Аббе

3.5. Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой, вызванной отклонением от параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта

3.6. Погрешность определения поправки, связанной с натяжением эталонных измерительных лент и влиянием силы трения

3.7. Определение влияния параметров окружающей среды на погрешность измерений

3.7.1. Погрешность определения поправки при использовании формулы Эдлена для расчета показателя преломления окружающей среды

3.7.2. Погрешность определения показателя преломления при использовании лазерного рефрактометра

3.8. Погрешность определения центра штриха

3.9. Неисключенная систематическая погрешность компаратора

Выводы по главе 3

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОТОЧНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. Результаты экспериментальных исследований лазерной координатно-измерительной системы API ТгаскегЗ

4.2. Результаты экспериментальных исследований эталонной измерительной ленты длиной 24 м

4.3. Пути дальнейшего совершенствования компаратора

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Приказ об утверждении Государственного первичного эталона

единицы длины - метра

Приложение Б. Приказ об утверждении Государственной поверочной схемы

Приложение В. Акты о внедрении

Приложение Г. Сертификат калибровки BIPM He-Ne/I2 лазера

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для государственного первичного эталона единицы длины-метра»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В настоящее время в мире наблюдаются постоянный рост требований к повышению точности измерений длины и расширение номенклатуры средств измерений длины. Наряду с традиционно используемыми в промышленности и при решении ряда научно-технических задач эталонными измерительными лентами (далее эталонные ленты) последние десятилетия активно используются средства измерений на основе лазеров. Появились такие современные высокоточные средства измерений как прецизионные и промышленные лазерные интерферометры, лазерные сканеры, лазерные координатно-измерительные системы и т.п. Данные средства измерений применяются для решения множества научных задач, а также используются в ряде важнейших отраслей национальной промышленности - аэрокосмической, энергетической, оборонной, микроэлектронной, автомобильной и в машиностроении. Используемые ранее для передачи единицы длины эталонным лентам оптико-механические и интерференционные компараторы не могут обеспечить требуемую в современных условиях точность измерений. Многие из них конструктивно не подходят для определения метрологических характеристик лазерных интерферометров, лазерных координатно-измерительных систем и т.п. Также не стоит забывать, что очень большое количество высокоточных средств измерений производятся за рубежом и необходима метрологическая база для их испытаний и дальнейшего метрологического сопровождения на территории Российской Федерации.

Таким образом, для Государственного первичного эталона единицы длины -метра должен быть разработан компаратор, метрологические характеристики и конструкция которого обеспечивают передачу единицы современным высокоточным средствам измерений.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-2010 (далее ГЭТ 2-2010) для исследования и определения метрологических характеристик современных высокоточных лазерных интерферометров, лазерных сканеров, лазерных координатно-измерительных систем, средств измерений уровня из состава измерительно-управляющих систем для коммерческого учета и управления резервуарными парками в нефтегазовой отрасли и других средств измерений, а также поверки эталонных лент. Исследования включают комплексный анализ источников составляющих погрешности компаратора, а также определение наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов, технических средств и решений, позволяющих повысить точность передачи единицы длины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:

- провести анализ многолетнего опыта ВНИИМ и современных измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических институтов, таких как METAS (Швейцария), РТВ (Германия), BEV (Австрия), MIKES (Финляндия) и других, на примере международных сличений с целью разработки и исследований современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010;

- разработать структуру построения современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010, позволяющего расширить его диапазон до 30 м и достичь среднего квадратического отклонения (далее СКО) передачи единицы в данном диапазоне не превышающего 5 мкм;

- разработать методики, которые позволят провести исследования основных источников погрешности компаратора с целью уменьшения их влияния. Определить неисключенную систематическую погрешность компаратора;

- с целью определения случайной и суммарной погрешности передачи единицы провести экспериментальные исследования с помощью компаратора современных высокоточных средств измерений, например, лазерной координатно-измерительной системы API ТгаскегЗ фирмы «Automated Precision Inc.» (США).

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

- разработан и создан новый современный тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор;

- разработана методика контроля длины волны в вакууме He-Ne лазера лазерной измерительной системы компаратора по входящему в состав ГЭТ 2-2010 источнику эталонного излучения VNIIM2 - He-Ne/I2 лазеру, стабилизированному по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127, что позволило повысить точность измерений длины волны в вакууме на порядок;

- разработан и применен метод автоматической компенсации ошибки Аббе с целью уменьшения погрешности измерений, основанный на использовании высокоточного цифрового двухкоординатного автоколлиматора;

-существенно расширены функциональные возможности ГЭТ 2-2010, что позволило метрологически обеспечить на территории РФ передачу единицы длины не только эталонным лентам, но и новейшим высокоточным лазерным интерферометрам, лазерным сканерам, лазерным координатно-измерительным системам, уровнемерам, работа которых основана на различных физических принципах действия, и другим средствам измерений.

Практическая ценность работы

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

- компаратор введен в установленном порядке в состав ГЭТ 2-2010. Приказ об утверждении Государственного первичного эталона единицы длины - метра № 5377 от 23 декабря 2010 г. (приложение А). Работа выполнялась в рамках программы «Совершенствование государственного эталона единицы длины ГЭТ 2-85». Основанием для выполнения работы являлись приказ Минпромэнерго России от

24 января 2008 года № 23 и приказ Ростехрегулирования от 28 апреля 2008 года № 1281;

- разработан и утвержден новый национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от Г10"9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм» (приложение Б), отвечающий современным требованиям промышленности;

- результаты исследований созданного компаратора использованы для конструкторской разработки серийного варианта компараторов для оснащения центров стандартизации и метрологии Российской Федерации, а также ведущих предприятий важнейших отраслей национальной промышленности;

- с помощью компаратора проведен ряд экспериментальных исследований новейших высокоточных средств измерений, таких как лазерные интерферометры, лазерные координатно-измерительные системы, уровнемеры, работа которых основана на различных физических принципах действия;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования источников погрешности компаратора, послужившие основой для разработки методов и определения путей дальнейшего совершенствования конструкции компаратора с целью повышения точности передачи единицы длины.

Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», в РГП «Казахстанский институт метрологии» (КазИнМетр, Казахстан), в ФГКУ «ГНМЦ» Минобороны России (приложение В).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- структура построения и особенности конструкции основных узлов созданного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора, позволяющие обеспечить передачу единицы в диапазоне до 30 м с СКО передачи единицы в данном диапазоне не более 5 мкм;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований основных источников погрешности компаратора;

- результаты экспериментальных исследований современных высокоточных средств измерений, подтверждающие расширение функциональных возможностей ГЭТ 2-2010.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- X Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;

- XXI Национальном научном симпозиуме «Метрология и метрологическое обеспечение», г. Созополь (Болгария), 2011 г.;

- Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- Второй Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.;

- 6-м Международном симпозиуме «Метрология времени и пространства», Менделеево, Московская обл., 2012 г.;

- семинарах отдела геометрических измерений ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 57 наименований и четырех приложений. Общий объем работы составляет 138 страниц, включая 48 рисунков и 19 таблиц.

В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2013 гг.

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭТАЛОННЫХ ЛЕНТ И СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1.1. История создания компараторов для поверки эталонных

измерительных лент

Ранее при решении ряда задач в науке и промышленности для передачи единицы длины в диапазоне (0-30) м широко использовались эталонные ленты, а также измерительные металлические рулетки 2-го и 3-го классов точности [1]. Для исследования метрологических характеристик, поверки и калибровки данных средств измерений в центрах стандартизации и метрологии, а также на ведущих предприятиях национальной промышленности используются оптико-механические и интерференционные компараторы.

Практическая возможность применения световой волны для измерения длины впервые была доказана в работах Майкельсона и Бенуа, которые в 1892 г. измерили метр в длинах волн красной линии кадмия. Спустя несколько лет появились плитки Иогансона (плоскопараллельные концевые меры длины), и интерференция света стала основным средством для контроля их качества и измерения их действительной длины в процессе производства. Это обстоятельство в значительной степени определило дальнейшее направление и развитие интерференционного метода измерения длины. 11-ая Генеральная конференция по мерам и весам в 1927 г. на основании работ Бенуа, Фабри и Перо рекомендовала в качестве естественного эталона метра — длину волны красной линии кадмия [2]. Плоскопараллельные концевые меры длины получили широкое распространение и стали основным видом мер, с помощью которых осуществлялась передача от эталонных средств измерений к рабочим.

Интерферометры для измерений концевых мер длины постоянно совершенствовались.

Но потребности науки и производства не исчерпывались полностью плоскопараллельными концевыми мерами длины, наряду с ними использовались и штриховые меры длины. С развитием приборостроительной и станкостроительной промышленностей существенно изменилась роль штриховых мер и значительно возросли требования к точности их изготовления и определения действительной длины интервалов. Сначала интерференционные методы для измерения штриховых мер не применялись. Это привело к тому, что в метрологии передача единицы длины осуществлялась через штриховые и концевые меры раздельно, различными методами и с различной точностью. Интерференционный метод не применялся для измерений штриховых мер длины в связи со следующими причинами:

- на первом этапе развития интерференционного метода измерения длины качество большинства штриховых мер еще не оправдывало применения для их измерений высокоточного метода;

- отсутствовали средства визирования штрихов с такой точностью, которая была бы соизмерима с точностью интерференционных измерений;

- отсутствовали монохроматические источники света с большой разностью

хода;

- применение интерференционного метода для измерений длины штриховых мер представляло собой технически более сложную задачу, чем для измерений концевых мер.

Требования, выдвинутые внедрением новой техники, поставили перед метрологией цель изыскать новые методы и средства для значительного повышения точности измерения штриховых мер длины.

Особую задачу представляло измерение штриховых мер длиной несколько десятков метров. Первые работы по разработке интерференционных компараторов для измерений мер длиной несколько десятков метров были начаты в 1920-х годах. Первые успешные результаты в решении этой задачи были

получены финским ученым Вейселе. В последствии в России, Германии, Японии и других странах были разработаны несколько типов интерференционных компараторов. В них применялся тот или иной относительный метод измерения, при котором, используя интерференцию, большие длины сравнивались с находящимися с ними в кратных отношениях малыми длинами путем оптического сложения или умножения расстояний между зеркалами. В России первые такие интерференционные компараторы были разработаны и изготовлены во ВНИИМ и ЦНИИГАиК Г.В. Варлихом и У.О. Шварцем в 1930-х годах. Схему первого 24-метрового компаратора предложил в 1932 г. Г.В. Варлих. Она была основана на принципе Вейселе. В 1936 г. У.О. Шварц предложил новую и оригинальную дифференциальную схему 24-метрового компаратора [3].

1.1.1. Тридцатиметровый интерференционный компаратор

ВНИИМ

Метод измерения на тридцатиметровом интерференционном компараторе ВНИИМ [4, 5] был основан на принципе оптического умножения длины исходной меры по дифференциальной схеме У.О. Шварца. В этом методе последовательно оптически умножают два разных расстояния, кратность умножения которых отличается друг от друга на единицу. Для определения длины компаратора необходимо было знать лишь разность исходных расстояний. Эта разность представлялась в виде ступенчатой концевой меры - кварцевого жезла, длина которого должна была быть прослеживаема к эталону единицы длины [6].

Схема компаратора приведена на рисунке 1.1. Основными его элементами являлись зрительная труба 1 и коллиматор 2, трубчатый кварцевый жезл с притертыми к нему зеркалами на подставке 6, два зеркала 4 и 9, а также отсчетные микроскопы 3, 5, 7 и 8.

Рисунок 1.1 - Схема тридцатиметрового интерференционного компаратора

ВНИИМ

Внешний вид компаратора показан на рисунке 1.2. Компаратор помещался на десяти столбах-фундаментах, установленных на полу. Пол в помещении представлял собой сплошной бетонный монолит толщиной около 0,5 м, лежащий на подушке из щебня.

Рисунок 1.2 - Внешний вид тридцатиметрового интерференционного компаратора

ВНИИМ

В ходе предварительных исследований была определена длина кварцевого жезла с возможно большей точностью. Длина определялась на горизонтальном интерферометре в оптической лаборатории и составляла при 20 °С

Ь20°с= 1000,00739 мм

Температурный коэффициент линейного расширения жезла определялся компараторным методом сличением с рабочим эталоном - инварным метром 568 на четырехметровом компараторе. Температура жезла определялась при помощи дифференциальных медь-константановых термопар с ценой деления в среднем 0,006 °С. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кварца при 20 °С равнялся 0,38-10"6 °С"1.

Также были проведены исследования окулярных микрометров микроскопов, зеркал и специальной установки с ртутным термометром и термопарами для измерения температуры при работе с компаратором.

Суммарная погрешность измерений на компараторе складывалась из случайных и систематических погрешностей. Их можно объединить в три группы:

- погрешности длины исходной меры - кварцевого жезла Сть

- погрешности воспроизведения длины компаратора ст2;

- погрешности сравнения длины поверяемых эталонных лент с длиной компаратора а3.

Погрешность длины кварцевого жезла в ходе исследований с учетом влияния температурной погрешности и погрешности, вызванной изгибом жезла, составляла Ст1=±0,12 мкм.

Погрешность воспроизведения компаратора, определяемая погрешностью воспроизведения интерференционной картины и погрешностью, вызванной температурным градиентом, составляла аг=±4,5 мкм.

Погрешность сравнения длины поверяемых эталонных лент с длиной компаратора складывалась из:

- погрешности определения постоянных поправок оптических визиров зеркал;

- погрешности измерения окулярными микрометрами микроскопов расстояния между штрихами зеркала и штрихами поверяемых эталонных лент. Эта погрешность складывалась в свою очередь из погрешностей наведения на штрихи, погрешности отсчетов, погрешностей определения цены деления микрометров и погрешностей, вызванных наклоном осей микроскопов;

- погрешности измерения температуры и погрешности приведения длины эталонной ленты к нормальной температуре;

- погрешности вызванной изменением натяжения эталонных лент.

В ходе исследований было определено, что погрешность сравнения длины эталонных лент с длиной компаратора составляла о3=±24 мкм.

Таким образом, суммарная погрешность измерений на интерференционном компараторе ВНИИМ 24-метровой стальной эталонной ленты составляла:

Следовательно, поверка эталонный 24-метровой стальной эталонной ленты могла производиться с суммарной погрешностью, не превышающей ±25 мкм.

1.1.2. Стенной оптико-механический компаратор ВНИИМ

Стенной оптико-механический компаратор ВНИИМ имел горизонтальный стол длиной 24 м с приспособлениями для крепления начальных концов эталонных лент и совмещения нулевых отметок шкал, а также блоки со струнами и грузы для натяжения эталонных лент. Он был значительно модернизирован в то время, когда создавался тридцатиметровый интерференционный компаратор ВНИИМ. На стене компаратора были установлены на кронштейнах микроскопы с увеличением 20 крат, оснащенные окулярными микрометрами. Первые пять микроскопов располагались вдоль компаратора с интервалом 1 м, остальные с

интервалом 4 м. Горизонтальный стол компаратора был смонтирован на поворачивающихся кронштейнах. Вдоль стола был смонтирован рельсовый путь. Исходной мерой компаратора служил рабочий эталон - четырехметровая инварная мера М4, которая помещалась в специальном футляре на тележке, перемещавшейся вдоль компаратора по рельсовому пути. Температуру меры определяли с помощью дифференциальных термопар. Исследования показали, что поверка эталонных двадцатиметровых стальных лент на усовершенствованном стенном оптико-механическом компараторе могла производиться с суммарной погрешностью, не превышающей ±50 мкм.

1.2. Компараторы ведущих зарубежных метрологических

институтов

Ведущие зарубежные метрологические институты создают компараторы, предназначенные для измерений эталонных лент и рулеток [7-11]. Принцип действия большинства из них основан на лазерном интерферометрическом методе. Основными элементами таких компараторов являются лазерный интерферометр, прецизионные направляющие, по которым перемещается каретка с подвижным отражателем интерферометра, видеомикроскоп для определения центра штриха и система контроля параметров окружающей среды, таких как температура, давление и влажность. Применение таких компараторов ведет к существенному повышению точности измерений эталонных лент.

В 2003-2004 гг. в Европе прошли первые сличения компараторов для измерений эталонных лент и рулеток EUROMET.L-S14 проект 677. В этих сличениях принимали участие лаборатории шестнадцати национальных метрологических институтов [12]. Сличения проходили по круговой системе. В качестве лаборатории-пилота выступал METAS (Швейцария). В качестве мер сличений использовались три измерительные ленты различной длины. Технические характеристики лент приведены в таблице 1.1. Измерения лент лабораторией-пилотом были проведены в начале, середине и конце сличений с

целью изучения изменений их характеристик во времени. По результатам этих трех измерений для каждой ленты было определено среднее арифметическое значение длины интервалов ленты. А также были вычислены отклонения длины интервалов ленты для каждого из трех измерений от среднего значения (Ь) (рисунок 1.3). На графиках показаны зависимости отклонений длины интервалов лент от длины лент, также отображена расширенная неопределенность при начальных измерениях (февраль 2003 г.).

Таблица 1.1 - Технические характеристики лент, участвовавших в сличениях Е1ЖОМЕТ.Ь-814 проект 677

Технические характеристики Значение характеристики для ленты с заводским номером

ЕАМ+94Ь 195.4 ЕАМ+94Ы17 252 РТВ 55

Длина ленты, м 10 30 50

Ширина ленты, мм 13 13 12

Материал ленты сталь сталь сталь

ТКЛР материала ленты, °С"' (11,5±1)10"6 (11,5±1)10"6 (11,7±1)-10"6

Способ нанесения штрихов травление печать гравировка

Рабочее усилие натяжение ленты при измерении, Н 50 50 100

Год изготовления 1994 1994 1955

Ниже приведена сводная таблица 1.2 с кратким описанием особенностей конструкций компараторов, использованных национальными метрологическими институтами при сличениях.

ь, мм 0.150

Рисунок 1.3 - Результаты измерений длины интервалов лент длиной 10 м, 30 м и 50 м в начале, середине и конце сличений EUR.OMET.L-S 14 проект 677

Таблица 1.2 - Особенности конструкций компараторов, участвовавших в сличениях Е1ЛЮМЕТ.Ь-814 проект 677

Национальный метрологическ ий институт (страна) Длина направляющих Тип эталонного средства измерений Система для установки лент Система определения центра штриха ленты

1 2 3 4 5

BEV (Австрия) 30 м Лазерный интерферометр НР 5529А Равномерно распределенные через 0,5 м ролики Оптический микроскоп

СЕМ (Испания) 25 м Лазерный интерферометр НР 5508А Плоская гранитная поверхность Видеомикроскоп

CM1-VUGTK (Чешская республика) 30 м Лазерный интерферометр НР5519А Равномерно распределенные через 1 м ролики Микроскоп

GUM (Польша) 50 м Лазерный интерферометр НР 5529А Равномерно распределенные через 0,21 м ролики Видеомикроскоп

INM (Румыния) 50 м Лазерный интерферометр НР 5526А Плоская стальная поверхность Оптический микроскоп

JV (Норвегия) 50 м Лазерный интерферометр НР 5529В Плоский алюминиевый профиль с малым трением, тефлоновая лента для дополнительного уменьшения силы трения Видеомикроскоп

LNMC (Латвия) 20 м 20-метровая измерительная лента Плоскость Оптический микроскоп

Продолжение таблицы 1.2

1 2 3 4 5

METAS (Швейцария) 50 м Лазерный интерферометр НР 5529В Плоский алюминиевый профиль с малым трением, тефлоновая лента для дополнительного уменьшения силы трения Оптический и фотоэлектрический микроскоп

MIKES (Финляндия) 30 м Лазерный интерферометр НР 5529А Равномерно распределенные через 0,5 м ролики Видеомикроскоп

MIRS (Словения) 3 м Лазерный интерферометр НР 5528А Равномерно распределенные через 0,25 м ролики Видеомикроскоп

NCM (Болгария) 24 м Лазерный интерферометр НР 5528А Равномерно распределенные через 0,5 м ролики Видеомикроскоп

NMIA (Австралия) 70 м Лазерный интерферометр Опоры в точках измерениях Видеомикроскоп

омн (Венгрия) 15,5 м Лазерный интерферометр 1Т40 Плоские пластиковые пластины шириной 80 мм на расстоянии 100 мм друг от друга Видеомикроскоп

РТВ (Германия) 50 м Лазерный интерферометр Равномерно распределенные через 0,4 м ролики Оптический и фотоэлектрический микроскоп

SMD (Бельгия) 10 м Лазерный интерферометр Плоские алюминиевые пластины Видеомикроскоп

SP (Швеция) 50 м Измерительная лента Равномерно распределенные через 0,5 м ролики Оптический микроскоп

Как видно из таблицы 1.2 практически все компараторы были оснащены лазерными интерферометрами, а также видеомикроскопами для определения центра штриха. Причем почти все страны-участницы использовали лазерные интерферометры фирмы «Hewlett Packard».

Результаты сличений приведены на рисунках 1.4-1.6. Для каждого метрологического института были вычислены отклонения длины интервалов каждой ленты от среднего значения (п). На графиках показаны зависимости отклонений длины интервалов лент от длины лент.

Наилучшие результаты на сличениях были получены следующими национальными метрологическими институтами: METAS (Швейцария) [13], GUM (Польша), BEV (Австрия), РТВ (Германия) и NMIA (Австралия) [14]. Бюджет неопределенностей был представлен в соответствии с руководством по выражению неопределенности измерений ISO [15-18]. Составляющие неопределенности измерений приведены в таблице 1.3.

п, мм 0.15

Ь, м

— МЕТАЭ -■—ЭР JV

-к—М1КЕ8

-ж— ртв -•-эл/ю

ч— СЕМ

---ВЕ\/

-—МЕТАБ 2 СМ1

вим

ж ЫСМ

омн

-в—1ЫМ -ВКМ1_ -в— ЫМ1А -ф— МЕТАЭ 3

Рисунок 1.4 - Результаты сличений ELrR.OMET.L-S 14 проект 677 для ленты длиной 10 м

П, ММ 0.4

0

12

18

24

30

L, м

-♦—METAS -m-SP JV

MIKES -*-P TB -•—SMD -4—CEM

-BEV

---METAS 2

CMI GUM -a— LNMC NCM MIRS OMH -a— INM - BRML -©— NMIA METAS 3

Ю

Рисунок 1.5 - Результаты сличений Е1ЖОМЕТ.Ь-814 проект 677 для ленты длиной 30 м

п, мм 0.6

0.3

0.0

-0.3

■0.6

-0.9

-1.2

0

10

20

30

40

50

L, м

-♦—METAS

-m—SP JV

MIKES

-*-PTB —SMD н— СЕМ

-BEV

— METAS 2 CMI GUM -a— LNMC NCM MIRS OMH -u— INM - BRML -©— NMIA METAS 3

Ю

Рисунок 1.6 - Результаты сличений Е1ЛШМЕТ.Ь-814 проект 677 для ленты длиной 50 м

Таблица 1.3 - Сравнение составляющих неопределенности измерений ленты длиной 30 м на компараторах

метрологических институтов мира на сличениях Е1ЖОМЕТХ-814 проект 677

Источник неопределенности, единицы измерений Неопределенность измерений национального метрологического института

ВЕУ СЕМ СМ1 ЫМ1А вим ПММ ЗУ иммс МЕТАБ М1КЕ8 МЖБ мсм ОМН РТВ БМБ БР

Лазерный интерферометр (постоянная составляющая*), мкм 5,5 0,004 0,013 - 0,03 - - 5 - - 0,01 - - - 0,3 40

Лазерный интерферометр (пропорциональная длине составляющая * *), КГ6-/, 0,32 0,08 0,13 0,15 0,34 0,27 1 2,1 0,2 0,11 0,14 0,22 1 0,13 0,18 1

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кононова, Наталья Александровна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. OIML R 35-1. Material measures of length for general use. Part 1: Metrological and technical requirements. - 2007. - [Электронный ресурс]. URL: http://www.oiml.org.

2. Каяк JI.К. Эталоны метра // Исследования в области линейных и угловых измерений: Труды институтов комитета / Всесоюзный научно-исслед. институт метрологии им. Д.И. Менделеева / Отв. ред. В.О. Арутюнов. -М. - JL: Издательство стандартов, 1965. - Вып. 78 (138). - С. 5-14.

3. Баринов В.А. Современное состояние эталонов длины и методы точного измерения длины. - JL: Всесоюзный научно-исслед. институт метрологии, 1941.-С. 156-163.

4. Каяк Л.К., Торопин С.И. Тридцатиметровый интерференционный компаратор ВНИИМ // Исследования в области линейных и угловых измерений: Труды институтов комитета / Всесоюзный научно-исслед. институт метрологии им. Д.И. Менделеева / Отв. ред. В.О. Арутюнов. -М. - Л.: Стандартгиз, 1961.-Вып. 47 (107).-С. 92-112.

5. Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева / Сост. Е.Т. Чернышев. - Л.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1960. -С. 29.

6. Батарчукова Н.Р. Новый эталон для воспроизведения единицы длины // Исследования в области линейных и угловых измерений: Труды институтов комитета / Всесоюзный научно-исслед. институт метрологии им. Д.И. Менделеева / Отв. ред. В.О. Арутюнов. - М. - Л.: Стандартгиз, 1961.-Вып. 47 (107).-С. 5-22.

7. Yandayan Т. and Ozgur В. 5-m measurement system for traceable measurements of tapes and rules // SPIE. - 2003. - № 5190. - P. 419-430.

8. Rosenberg С.В., Munteanu C.S.C. and Ferguson R.A. Calibration of flexible tapes to ppm accuracy level // OIML Bulletin. - 1997. - Vol. XXXVIII, No.2. -P. 25-29.

9. Dugheanu E. Calibration of the comparator for long length measures used for the verification/calibration of tape measures with high accuracy // OIML Bulletin. - 2007. - Vol. XLVIII, No.4. - P. 5-9.

10. Gonzalez H., Galvan C. and Munoz J.A. Image processing automatic interferometric calibration system for line scales // SPIE. - 2003. - № 5190. -P. 93-102.

11. Eom T.B., Jeong D.Y., Kim M.S., Kim J.W., Kim J.A. Tape measuring system using linear encoder and digital camera // SPIE. - 2013. - № 8788. -P. 133-135.

12. EUROMET Supplement Comparison, Project 677. Steel tape measures. Final report. - 2004.

13. Degoumois M. Un «long» laboratoire de mesure // OFMETinfo. - 1998. -Vol. 5, No.2.-P. 1-7.

14. Ciddor P.E., Edensor K.H., Loughry K.J. and Stock H.M. A 70 metre laser interferometer for the calibration of survey and mapping // Aust. Surv. - 1987. -№33.-P. 493-502.

15. JCGM 100:2008 (GUM 1995 with minor corrections). Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement. -2008. - [Электронный ресурс]. URL: http://www.bipm.org.

16. Слаев В.А. Неопределенность измерений // Российская метрологическая энциклопедия / Метрологическая академия РФ / Гл. ред. Ю.В. Тарбеев. -С.-Пб.: Лики России, 2001. - С. 105-108.

17. Руководство по выражению неопределенности измерения / Науч. ред. проф. Слаев В.А. - С.-Пб.: ВНИИМ, ООО «Типография ЛИТАС+», 1999.

18. Чуновкина А.Г., Себекин А.П., Слаев В.А. РМГ 43-2001 ГСИ. Применение «Руководства по выражению неопределенности измерений». - Введ. 01.07.2003. - Минск: ИПК Издательство стандартов, 2002.

19. EUROMET Supplement Comparison, Project 875. Steel tape measures. Final report. - 2006.

20. Kim J., Jeong D.Y., Kim M.S., Kang C.-S., Kim J.-A. and Eom T.B. A 50 m laser interferometer for automatic calibration of surveying tapes using wireless communication // IOP Publishing, Measurement Science and Technology. -2008. -№ 19.-P. 1-7.

21. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Чекирда K.B. Измерительные возможности ВНИИМ им. Д.И. Менделеева при поверке и испытаниях уровнемеров // Измерительная техника. -2013. -№3. - С. 60-61.

22. Федорин B.JI. Государственный первичный эталон единицы длины // Российская метрологическая энциклопедия / Метрологическая академия РФ / Гл. ред. Ю.В. Тарбеев. - С.-Пб.: Лики России, 2001. - С. 228-231.

23. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Лазерные интерферометры и их применение. - Новосибирск: Наука, 1984. - С. 15-20.

24. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры. -Новосибирск: Наука, 1985. - С. 54-66.

25. МИ 1780-87. Ленты образцовые и рулетки металлические измерительные. Методика поверки. - Взамен ГОСТ 8.301-78; введ. 01.01.89. - М.: Издательство стандартов, 1990. - С. 2.

26. ГОСТ 7502-98. Рулетки измерительные металлические. Технические условия. - Взамен ГОСТ 7502-89; введ. 01.07.2000. - Минск: ИПК Издательство стандартов, 1999. - С. 3.

27. Edlen В. The refractive index of air // Metrologia. - 1966. - № 2. - P. 71-80.

28. Muijlwijk R. Update of the Edlen formulae for the refractive index of air // Metrologia. - 1988. -№ 29. - 189 p.

29. Birch K.P., Downs M.J. An updated Edlen equation for the refractive index of air // Metrologia. - 1993. -№ 30. - P. 155-162.

30. Birch K.P., Downs M.J. Correction to the updated Edlen equation for the refractive index of air // Metrologia. - 1994. -№ 31. - P. 315-316.

31. B5nsch G., Potulski E. Measurement of the refractive index of air and comparison with modified Edlen's formulae // Metrologia. - 1998. - №35. -P. 133-139.

32. Bonsch G., Potulski E. Fit of Edlen formulae to measure values of the refractive index of air // SPIE. - 1998. - № 3477. - P. 62-67.

33. Батарчукова H.P., Ирикова JI.A. Длины волн монохроматических источников света и показатели преломления в стандартном и нормальном воздухе - М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1968. - С. 4.

34. ГОСТ 8.381-2009. ГСИ. Эталоны. Способы выражения точности. - Взамен ГОСТ 8.381-80; введ. 01.01.2012. - М.: Стандартинформ, 2011.

35. Фридман А.Э. Основы метрологии. Современный курс. - С.-Пб.: НПО «Профессионал», 2008. - С. 65-82.

36. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. - М.: Издательство стандартов, 1972.-С. 164-173.

37. Багаев С.Н., Чеботаев В.П. Лазерные стандарты частоты // Успехи физических наук-М.: Наука, 1986.-Том 148.-Вып. 1.-С. 143-178.

38. Справочник по лазерам // Ред. A.M. Прохоров. - М.: Советское радио, 1978.-Том 1.-С. 221.

39. Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Лейбенгардт Г.И., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Государственный первичный эталон единицы длины - метра ГЭТ 2-2010 // Измерительная техника. - 2012. - № 6. -С.3-7.

40. Захаренко Ю.Г., Иванов И.В., Малютина Л.К. Измерение частоты стабилизированных He-Ne лазеров на длинах волн 0,63 и 0,61 мкм // Исследование в области линейных и угловых измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.-С. 10-12.

41. Захаренко Ю.Г., Калинин Н.А., Мельников Н.А. Контрастные резонансы насыщенного поглощения в He-Ne/I2 лазере на >.=612 нм // Тез. докл.

III Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». - JI.: ГОИ, 1981. -С. 98-99.

42. Захаренко Ю.Г., Калинин H.A., Мельников H.A. Состояние работ по созданию частотно-стабилизированных He-Ne лазеров для прецизионных измерений длины // Исследование в области линейных и угловых измерений. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - С. 7-11.

43. Витушкин Л.Ф., Захаренко Ю.Г., Лейбенгардт Г.И. и др. Состояние и перспективы работ по созданию высокостабильных источников излучения и измерению их частот-длин волн // Тез. докл. Всесоюзного симпозиума «Квантовые стандарты частоты радио- и оптического диапазонов». - М.:

1987.-С. 48-49.

44. Витушкин Л.Ф., Захаренко Ю.Г., Иванов И.В., Мельников H.A. Резонансы насыщенного поглощения в He-Ne лазере с внешней поглощающей ячейкой на длине волны 0,612 мкм // Труды Всесоюзного совещания «Квантовая метрология и ФФК». - Л.: 1985. - С. 98-99.

45. Захаренко Ю.Г., Болонин A.A., Витушкин Л.Ф. Реализация нового определения метра в СССР // Материалы II Всесоюзного совещания «Квантовая метрология и ФФК». - Л.: 1985. - С. 12-13.

46. Захаренко Ю.Г., Малютина Л.К., Мельников H.A. и др. Частотно-стабилизированный He-Ne лазер: Информационный листок / ЦНТИ. - Л.:

1988.-№ 1044-88.

47. Глозман Ц.И., Захаренко Ю.Г., Лейбенгардт Г.И. и др. Измерение длины волны He-Ne лазера, стабилизированного по йоду // Метрология и повышение качества промышленной продукции. - Л.: ЛДНТП, 1980. -С. 79-82.

48. Витушкин Л.Ф., Захаренко Ю.Г., Коротков В.И. и др. Измерение длины волны излучения He-Ne/I2 лазера государственного первичного эталона единицы длины // Оптика и спектроскопия. - 1988. - Том 65, вып. 5. -С.1186-1188.

49. Chartier J. e. a. International Comparison of Iodine-stabilized Helium-neon Laser at >.=633 nm Involving Seven Laboratories // Metrologia. - 1991. -Vol. 28.-P. 19-25.

50. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Мельников H.A., Федорин B.JI., Чекирда К.В. Современное состояние воспроизведения единицы длины метра // Приборы. - 2007. - № 8 (86). - С. 53-55.

51. Robertsson L., Zucco М., Ma L.-S., Terra О., Saraiva F., Gentil S., Chekirda C., Zakharenko Yu., Fedorin V., Mostert L. Results from the CI-2004 campaign at the BIPM of the BIPM.L-K11 ongoing key comparison // Metrologia. - 2005. -Vol. 42.

52. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Эталонный He-Ne/I2 лазер для ГПЭ единицы длины - метра // Тез. докл. X Международного научно-технического семинара «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума». - СПб. // Репрография ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». - 2006. - С. 41-43.

53. СК 03-251-02-Т. Лазеры частотно-стабилизированные. Методика калибровки. - Введ. 03.04.2010. - ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

54. Справочник по технике линейных измерений // Ред. П. Лейнвебер. - М.: Машгиз, 1959.-С. 157-163.

55. Болонин А.А. Анализ погрешностей интерференционного компаратора штриховых мер длины // Исследования в области линейных и угловых измерений: Сборник научных трудов / НПО «Всесоюзный ордена трудового красного знамени научно-исслед. институт метрологии им. Д.И.Менделеева» / Ред. Л.Ф. Витушкин. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. -С. 19-25.

56. Шур В.Л., Лукин А.Я., Шестопалов Ю.Н., Попов О.И. Двухкоординатный цифровой автоколлиматор // Измерительная техника. - 2005. - № 9. -С. 45-48.

Ханов В.А. Измерение показателя преломления воздуха в лазерных измерительных системах // Лазерные интерферометры. - Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1978. - С. 101-110.

Приказ об утверждении Государственного первичного эталона единицы длины - метра

шшвстгст«ошч>шлшд«шмсткт(жтш госсввасаймдкгАШВ

федеральное Агентство по техническому регулированною и метрологии

ПРИКАЗ

23 декабря 2010 г.

Н» 5377

Об утверждении Государственного первичного эталона

единицы длины - метра

В результате выполнения работ по заказам Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева») усовершенствован Государственный первичный эталон единицы длины (ГЭТ2-85).

Усовершенствованный эталон обладает новыми метрологическими характеристиками, результатами ключевых сличений подтверждена его эквивалентность национальным эталонам единицы длины ведущих стран мира.

Принимая во внимание высокий научно-технический уровень усовершенствованного эталона, а также в целях скорейшего внедрения и эффективного использования эталона на практике приказываю:

1. Утвердить Государственный первичный эталон единицы длины -метра в составе, указанном в паспорте эталона, и присвоить ему регистрационный номер ГЭТ 2-2010 взамен ГЭТ 2-85.

2. Установить место хранения Государственного первичного эталона единицы длины - метра - ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

3. Утвердить ученым хранителем Государственного первичного эталона единицы длины - метра Федари на Виктора Лео