Введение к работе
з
Диссертационная работа посвящена созданию государственного первичного эталона единицы электрического напряжения нового поколения, а также методов и средств передачи размера вольта, являющихся научно-технической основой метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения. Работа выполнена в Федеральном ^^Государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева») и включает исследования, проводившиеся в течение 1990-2005 гг.
Актуальность проблемы
Потребность в повышении точности измерений постоянного электрического напряжения существует практически во всех современных отраслях экономики России. В первую очередь это авиационная, космическая и электронная промышленность, приборо- и машиностроение. Высокая точность результатов измерений постоянного электрического напряжения является основой решения многих актуальных измерительных задач критических технологий федерального уровня, обеспечивающих необходимую точность ^^технологического контроля производства промышленной продукции в таких приоритетных направлениях развития техники и технологий, как «Информационно-телекоммуникационные технологии и электроника», "Производственные технологии", «Энергосберегающие технологии». Необходимость в точных измерениях постоянного электрического напряжения имеет место в высокоточных системах навигации, системах контроля и мониторинга сейсмической обстановки. В настоящее время во всем мире потребность в точных измерениях постоянного электрического напряжения весьма высока.
Средства измерений постоянного электрического напряжения совершенствуются в соответствии с возрастающими требованиями науки и технологий. Совреметшая техника все больше ориентируется на качественно новые высокоточные источники постоянного напряжения (калибраторы), измерители и преобразователи электрических величин. Поэтому важным направлением деятельности становится совершенствование метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения. Это^ особенно важно в связи с подписанием Россией международного Соглашения 9 взаимном признании национальных измерительных эталонов и сертификатов калибровки па измерения, выдаваемых национальными метрологическими институтами.
Имеющийся в России парк приборов требует периодической калибровки и поверки. Уже к концу семидесятых годов отечественный парк приборов для измерений постоянного электрического напряжения насчитывал сотни миллионов приборов различных систем, выпущенных отечественными и зарубежными фирмами, используемых для измерения электрического напряжения постоянного тока в различных областях экономики.
Необходимость обеспечения единства, точности и достоверности измерений, выполняемых с помощью приборов для измерения постоянного напряжения, обусловила создание национального эталона вольта на основе нормальных элементов уже в начале 19 века. Повышение точности измерения постоянного напряжения связано с открытием эффекта Джозефсона и внедрением его в середине 70-х годов в аппаратуру эталона вольта. Одновременно с совершенствованием аппаратуры эталона вольта развивалось и метрологическое обеспечение средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы (ЭДС). Существенный вклад в развитие национальной системы метрологического обеспечения средств измерений постоянного электрического напряжения внесли такие известные ученые как Айнитдинов X. А., Александров В. С, Арутюнов В. О., Боровицкий С. И.,
Галахова О. П., Горбацевич С. В., Егоров Н. Г., Карпов О. В., Клушин А. М.,
Колосов А. К., Колтик Е. Д., Короткова И. В., Краснов К. А.,
Краснополин И. Я., Кржимовский В, И., Крутиков В. Н., Лахов В. М., Маликов М. Ф., Мюллер В. В., Потапов С. В., Рождественская Т. Б., Тарбеев Ю. В., Таубе Б. С, Телитченко Г. П., Тунинский В. С, Француз Э. Т., Ханов Н. И., Чураева Т. С. и другие. Необходимо также отметить вклад коллег из Физико-технического института Германии Нимайер Ю. и Бэр Р.
)
Начиная с 90-х годов, парк средств измерений постоянного напряжения
претерпел значительные структурные изменения. В самые последние годы в связи с ростом промышленного производства разрабатываются отечественные (НПК РИТМ) и закупаются импортные приборы высокой точности (Fluke, Keitley, Transmile), что требует наличия современных средств и методик измерений для использования их в национальной системе метрологического обеспечения. Применяемые приборы для измерения постоянного напряжения (8.5 разрядные калибраторы, вольтметры, аналого-цифровые преобразователи) по своим метрологическим параметрам приближаются к уровню точности государственного первичного эталона.
В девяностые годы появились новые технические средства и аппаратура, кардинально изменившие возможности достижения высокой точности измерений в области постоянного напряжения. Внедрение интегральных джозефсоновских микросхем, созданных с использованием последних технологических достижений (NIST, Hypres, США; РТВ, IPHT, Германия), позволяет существенно повысить точность измерения постоянного напряжения.
Внедрение достижений технического прогресса в процесс измерения постоянного напряжения вызвало необходимость критического анализа действующей до этого времени системы метрологического обеспечения средств измерений постоянного напряжения, и делало актуальным проведение работ по совершенствованию метрологического обеспечения средств измерений в
области постоянного электрического напряжения, научной и технической основой которого является создание более точного государственного первичного эталона, а также методов и средств передачи размера вольта.
Цель и основные задачи работы
Целью работы является создание государственного первичного эталона, а также методов и средств передачи размера вольта, совокупность которых объединила разработки и достижения последних лет и привела систему! метрологического обеспечения средств измерения постоянного электрического напряжения в соответствие с современными и прогнозируемыми на перспективу требованиями науки и технологий.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
анализа и систематизации наиболее точных методов измерения постоянного напряжения;
создания комплекса аппаратуры нового государственного первичного эталона (ГПЭ) единицы электрического напряжения - вольта;
разработки и исследования методов и средств передачи размера единицы
электрического напряжения от ГПЭ вторичным эталонам, эталонным и
рабочим средствам измерений постоянного напряжения на более высоком
уровне точности; і
разработки и создаїгия эталона сравнения, позволяющего осуществлять международные ключевые сличения ГПЭ единицы электрического напряжения на современном уровне точности.
Методы исследования
Поставленные в диссертации задачи решались как экспериментальными, так и теоретическими методами исследований. Среди которых следует выделить - теоретические и экспериментальные исследования источников
погрешности воспроизведения вольта с использованием эффекта Джозефсона, погрешности сличения эталонов на эффекте Джозефсона и масштабного преобразования воспроизводимого напряжения до 1000 В, а также экспериментальные исследования мер напряжения и мер ЭДС из состава эталона-копии (ВЭТ13-10-89), которые проводились в течение более чем пятилетнего периода. Теоретические методы исследования включали статистический анализ погрешности измерений, Фурье анализ и 'преобразование Алана для исследования предельных возможностей компараторов и мер напряжения, обработку и интерпретацию данных полученных при проведении исследований различных мер постоянного электрического напряжения и ЭДС, расчеты и математическое моделирование на ЭВМ процессов связанных с измерением напряжения.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Комплекс аппаратуры нового государственного первичного эталона
единицы постоянного электрического напряжения и результаты его исследования.
2. Комплекс аппаратуры квантового эталона сравнения, позволивший впервые
осуществлять международные ключевые сличения ГПЭ с эталоном МБМВ
и 11 национальными эталонами единицы электрического напряжения, и
I результаты его исследования.
-
Метод масштабного преобразования постоянного напряжения до 1000 В.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований погрешности
передачи размера вольта.
-
Результаты совершенствования и исследования эталона-копии.
-
Результаты ключевых сличений национальных эталонов вольта с помощью
квантового эталона сравнения.
Научная новизна работы заключается в следующем
Созданы научные и технические основы построения системы метрологического обеспечения в области измерения постоянного электрического напряжения в диапазоне до 1000 В на более высоком уровне точности, которая ориентирована на современные и перспективные требования науки и технологий, а именно:
проведенные соискателем теоретические и прецизионные^
экспериментальные исследования позволили выявить основные источники' погрешности аппаратуры, используемой при реализации эффекта Джозефсона для воспроизведения вольта, провести оценку предельных возможностей аппаратуры и обеспечить создание нового поколения государственного первичного эталона единицы постоянного электрического напряжения (ГЭТ 13-
01);
впервые предложен метод сличения национальных эталонов вольта с помощью разработанного квантового эталона сравнения; проведены исследования источников погрешности, получены теоретические и экспериментальные оценки погрешности передачи размера вольта, которые использованы при проведении международных ключевых сличений EUROMET.EM.BIPM-KlO.a;
проведен теоретический и экспериментальный анализ влияния шумов компаратора напряжения и мер напряжения на предельную точность передачи} и хранения единицы напряжения; теоретически обосновано подавление фликкер шума компаратора при проведении измерений;
разработан и исследован метод измерения отношений постоянных напряжений до 1000 В на основе использования отношения равно номинальных напряжений в каскадном включении, получены аналитические выражения для расчета измеряемых отношений напряжения, выявлены источники погрешности измерения отношения напряжений и получены теоретические и экспериментальные оценки погрешности отношения напряжений, которые
обеспечили высокую точность измерений при проведении международных ключевых сличений ССЕМ-К8;
теоретически разработан и экспериментально исследован метод прямой передачи размера вольта от нового государственного первичного эталона на основе использования джозефсоновской микросхемы типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник эталону копии, имеющему в своем составе нормальные элементы; результаты исследований позволили определить ^динамические параметры компаратора при которых обеспечивается относительная погрешность передачи размера вольта нормальным элементам на уровне 10"9.
Практическое значение и реализация результатов работы
1. Разработан и утвержден комплекс аппаратуры эталона вольта нового
поколения ГЭТ13-01. Комплекс обеспечивает воспроизведения единицы
напряжения с относительной суммарной неопределенностью 1,1-Ю"9, что в
пять раз точнее по сравнению с предшествующим эталоном вольта
ГЭТ13-89.
2. Впервые в мировой метрологической практике создан и внедрен квантовый
эталон сравнения на эффекте Джозефсона в виде меры напряжения, что
обеспечило возможность проведения ключевых сличений
EUROMET.EM.BIPM-KlO.a государственного эталона ГЭТ13-01 с эталоном МБМВ и национальными эталонами 11 стран Европы с относительной суммарной неопределенностью на уровне 10"9 в рамках проекта Евромет № 723.
3. На основе разработанных методов передачи размера вольта проведены
исследования и утверждены вторичные эталоны с установками на эффекте
Джозефсона, принадлежащие метрологическим институтам
Ростехрегулирования (ВЭТ13-12-99, ВЭТ13-13-01, ВЭТ13-12-04, ВЭТ13-14-
05).
4. Проведено совершенствование эталона копии ВЭТ13-10-89, что позволило
снизить нестабильность групповой меры ЭДС из состава этого эталона до уровня 50 нВ за год и расширить диапазон измерений эталона до 10 В.
5. Разработанный метод калибровки отношения напряжений в диапазоне до
1000 В обеспечил высокую точность при проведении международных ключевых сличений отношения напряжений 1000 В/10В и 100В/10В (ССЕМ-К8), что позволило использовать полученные данные для расчета опорных значений сличений. Кроме того, применения данного метода при| построении меры напряжения до 1000 В позволило, примерно на порядок, повысить точность калибровки средств измерений постоянного напряжения.
-
Разработан и внедрен межгосударственный стаїщарт ГОСТ 8.027-2001 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы».
-
Теоретические положения и научно обоснованные технические решения,
реализованы при создании эталонов, проведении международных сличений
и разработке нормативных документов, что позволило повысить уровень
точности метрологического обеспечения средств измерения и
гарантировало взаимное признание измерительных возможностей и
сертификатов калибровки по 10 пунктам международного банка данных в
части измерений постоянного напряжения в диапазоне от 100 мкВ до
1000 В. і
Апробация работы
Материалы данной диссертации докладывались на:
международных конференциях по точным электромагнитным измерениям — Conference on Precision Electromagnetic Measurements - СРЕМ (Вашингтон 1998, Сидней 2000, Монреаль 2002, Лондон 2004, Турин 2006);
международных совещаниях экспертов Евромет (Стамбул 2001, Братислава 2003, Берн 2005);
международном семинаре "Математическая, статистическая и компьютерная поддержка качества измерений" (Санкт-Петербург 2006);
сессии международного Консультативного комитета по Электричеству и Магнетизму — ССЕМ (Париж 2004);
конференции Министерства обороны России (Москва 2002);
конференции "Гироскопия и навигация" (Санкт-Петебург 2002);
научно-технических конференциях, посвященных Дню радио, Санкт-Петербургского научно-технического общества радиотехники, электротехники и связи (Санкт-Петербург 1998, 1999, 2000, 2001, 2003, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 38 печатных работ, из них 10 без соавторов, 9 статей опубликованы в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации:
