Введение к работе
Диссертационная работа посвящена решению проблем, связанных с созданием комплексов аппаратуры для обеспечения контроля изделий электронной техники, хранения и передачи размера единицы электрического сопротивления. В диссертации представлено обобщение результатов исследований, выполненных автором в 1983 - 2006 годах. В работе рассматривается ряд положений, нуждавшихся в детальной проработке и доведенных до практической реализации, а также новые положения и направления исследований, являющиеся перспективными для дальнейшего развития В совокупности результаты работы обладают функциональной полнотой и обеспечивают решение широкого круга задач при исследовании свойств и контроле параметров средств измерений и других изделий электронной техники.
Актуальность проблемы.
За последние десятилетия произошло качественное и количественное изменение научных и практических задач, стоящих перед специалистами, работающими в области измерения электрического сопротивления. С одной стороны, усложнился состав единичного метрологического оборудования, и произошло превращение отдельных измерительных установок в технико-метрологические комплексы, требующие нового научного подхода к организации их проектирования, обслуживания и менеджменту. С другой стороны, возросла общая потребность в обеспечении комплексами аппаратуры, работающими в автономном режиме, ведущих метрологических центров, а также крупных промышленных предприятий, объединенных отраслевой принадлежностью, технологическими связями, местом расположения Актуальным становится не только создание единичного эталонного оборудования, отвечающего современным требованиям по точности, надежности, эстетичности, стоимости, энергозатратам и трудозатратам, но и создание систем, функционирование которых и решает задачу технического совершенствования средств и методов измерений и контроля, повышения их качества и эффективности
В полной мере это относится к такой сфере деятельности, как измерение электрического сопротивления. Возросшие к концу 70-х годов масштабы метрологической деятельности, резко увеличившийся парк рабочих средств измерений (СИ) и изделий электронной техники, в том числе высокоточных
'Г
рабочих СИ, резисторов и резисторных сборок, привели к необходимости разработки и создания комплексов аппаратуры, включающих в качестве основного элемента вторичные эталоны
Исследованиями свойств высокоточных средств измерений и других изделий в области измерения электрического сопротивления занимались многие отечественные ученые и специалисты, в частности Маликов М Ф, Маренина АИ, Любомудрова К П., Кроткое И.Н, Горбацевич С В., Шигорин В П, Кухарь В В Среди иностранных ученых интересны своими работами ТJ.Witt, G. Boella, А.М Tompson, RF Dziuba, G.W Small, DR. While, J M. Williams, J С Riley При создании измерительной аппаратуры использовались работы Клибанова Л И, Павленко Е С, Зеликовского З.И, Заславского В А
Фундаментальные и прикладные исследования вопросов воспроизведения и передачи размеров единиц физических величин нашли отражение в трудах таких отечественных ученых, как Арутюнов В О., Исаев Л К, Тарбеев Ю В., Кузнецов В А., Колтик Е Д, Шишкин И Ф., Фридман А Э, Балалаев В А, Слаев В А, Пудалов В М, Семенчинский С Г, Брянский Л Н, Дойников С А., Крупин Б Н, Грановский В А, Семенов Л А, Волгин Л И, Телитченко Г.П., Векслер М С, Кравченко С А, Солопченко Г Н, ТиходеевПМ и др.
Тем не менее, несмотря на заложенные прочные основы в таком приоритетном направлении, как измерение электрического сопротивления, дальнейшее развитие в этой области на современном этапе потребовало поиска кардинально новых подходов к решению проблем, связанных с развитием системы хранения и передачи размера единицы электрического сопротивления, контролем средств измерений и других изделий, применяемых в этой сфере деятельности.
Решение проблем осуществлялось в рамках правительственных программ по оснащению эталонами ведущих метрологических центров и предприятий отраслей экономики (в том числе предприятий оборонного комплекса и министерства обороны), федеральных научно — технических программ, планов поисковых НИР, а также при выполнении ведомственных тематических заказов Основное требование при создании новых комплексов, часть из которых предназначалась для оснащения ведомственных метрологических служб, заключалось в повышении автономности их функционирования с учетом территориального (пространственного) фактора
Цель и основные задачи диссертационной работы.
Общей целью работы является разработка теории и методологии создания комплексов аппаратуры, обеспечивающей повышение информационной и метрологической надежности контроля изделий электронной техники и приведение системы передачи размера единицы электрического сопротивления в соответствие с современными и прогнозируемыми на перспективу требованиями науки и технологий
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1 Разработать теоретические основы для реализации системы передачи размера единицы электрического сопротивления, сочетающей принципы централизации и автономности в работе ведущих метрологических центров
2. Обосновать методы, позволяющие оценить пределы автономности работы метрологических лабораторий в зависимости от конкретного состава средств измерений и технических средств, необходимых для их функционирования, которыми располагает метрологическая лаборатория, а также номенклатуры применяемых методик выполнения измерений
-
Разработать принципы построения комплексов аппаратуры для обеспечения хранения и передачи размера единицы электрического сопротивления, контроля метрологических характеристик прецизионной измерительной техники и комплектующих изделий, а также критерии управления их структурой
-
Обосновать и сформулировать основные принципы, на основе которых должен осуществляться выбор новых типов средств измерений, необходимых для создания современных эталонов в области измерения электрического сопротивления
-
На базе комплексных исследований предложить конкретные технические решения для реализации комплексов аппаратуры переменного состава с использованием новых метрологических технологий, включающих разработку новых и усовершенствование существующих методов для передачи размера единицы всем средствам измерений, образующим систему потребления информации о размере единицы, исследования и контроля свойств средств измерений и изделий электронной техники.
-
Научно обосновать критерии оценки необходимого соотношения числа уникальных, разовых исследований и метрологических работ, выполняемых стабильно в течение значительного периода времени, а также для выбора
номенклатуры и численности средств измерений и оборудования, необходимого для функционирования конкретного комплекса аппаратуры.
7. Разработать теоретические основы и методы, позволяющие объединять в рамках одного комплекса эталоны различного уровня точности для обеспечения доступа к измерительной информации и информации о размере единицы любого внешнего и внутреннего пользователя
Научная новизна полученных результатов состоит в системном анализе методов и средств для получения измерительной информации при передаче и хранении размера единицы электрического сопротивления и контроле изделий электронной техники Наиболее существенные научные результаты, полученные автором, заключаются в следующем"
показана необходимость и эффективность методологии развития системы передачи размера единицы электрического сопротивления и контроля изделий электронной техники, основанной на выделении в качестве объекта исследований базового комплекса аппаратуры, элементом которого являются вторичные эталоны;
применительно к области измерения электрического сопротивления развиты теоретические основы одноканальных систем передачи размеров единиц,
-в результате теоретических и экспериментальных исследований сформулированы принципы формирования групповых эталонов и обосновано разделение функций, выполняемых мерами из состава групповых эталонов и эталонных наборов,
на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны и реализованы методы выбора опорного отношения и расчета весовых коэффициентов, основанные на применении математического аппарата теории чисел,
разработана и исследована комплексная методика синтеза электрических схем мер опорных отношений и переходных мер электрического сопротивления с учетом конкретных задач и технического ресурса базового комплекса, основанная на анализе сформированной информационной базы данных по существующим схемотехническим решениям;
-доказано, что реализация блочного принципа позволяет осуществлять диагностику компонентов базовых комплексов и решить проблему создания установок для исследования мер электрического сопротивления и резистивных элементов с необходимыми функциональными возможностями;
- обоснована перспективность оценки оптимальности структуры и состава базовых комплексов, номенклатуры выполняемых работ, оценки соотношения уникальных и массовых работ на основе применения гиперболических распределений,
Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в том, что разработанные теоретические положения послужили основой для решения ряда метрологических задач, в их перечень входят
-
Разработка и внедрение установки высшей точности, основанной на блочном принципе и предназначенной для исследования мер, резистивных элементов и резисторных сборок с номинальными значениями в диапазоне от 10 мОм до 1 ГОм
-
Выполнение работ по усовершенствованию методик первичных исследований мер электрического сопротивления и изделий электронной промышленности.
-
Проведение исследований нагрузочных характеристик мер и высокоточных резистивных элементов и осуществление передачи размера единицы на уровне номинального значения 1 Ом при токах нагрузки до 1 А
-
Осуществление исследований мер из состава рабочих эталонов первого разряда с номинальными значениями отличными от кратных и дольных десяти
-
Проведение международных сличений на уровне номинальных значений 6,453 кОм, 100 Ом, 10 МОм и 1 ГОм
-
Переход к исходным групповым эталонам с номинальными значениями 100 Ом и 10 кОм при выполнении работ по совершенствованию эталона 32 ГНИИИ МО РФ и национального эталона Республики Казахстан
-
Реализация одноканальной системы передачи при модернизации вторичных эталонов на территории РФ и эталона 32 ГНИИИ МО РФ, что отражено в разработанной документации (Хд1 456 455).
Положения о необходимости контроля основных характеристик мер и устройств для их сравнения отражены в новой редакции ГОСТ 8 237 — 2003 "ГСИ. Меры электрического сопротивления однозначные Методика поверки" Исследования и реализация наиболее значимых результатов проводились автором при выполнении ряда тем в соответствии с планами фундаментальных и поисковых НИР, Федеральными целевыми научно-техническими программами, в том числе НИР "Проведение исследований по совершенствованию систем передачи размеров единиц физических величин
метра, килограмма, кельвина, радиана, вольта, ома, паскаля"(в части ома, завершена в 1996 г); НИР "Исследование по осуществлению связи между национальными эталонами единиц электрического сопротивления и емкости на основе абсолютных измерений и применения квантовых эффектов на постоянном и переменном токе" (в части передачи размера ома на постоянном токе, завершена в 1998 г.), ОКР "Автолюбитель - 52" (завершена в 1998 г), НИР "Разрезальщик-2000П, Разрезальщик - 2003" (в части исследования возможностей и способов восстановления технического ресурса ВЭ-20), НИР "Проведение теоретических и экспериментальных исследований для согласования размеров ампера, вольта, ома, теслы" (в части ома, завершена в 2000 г ), НИР "Игарец - 95П - ВЭ20" (методы аттестации и метрологическое исследование аппаратуры модернизируемого эталона, завершена в 2004г); план государственной стандартизации ПГС-2000, программа межлабораторных сличений рабочих эталонов единицы электрического сопротивления постоянного тока органов государственной метрологической службы, планы международных и ключевых сличений с Национальными метрологическими институтами (РТВ (Германия), MIKES (Финляндия), KRISS (Корея), NIM (Китай), BIPM (Международное бюро мер и весов), проведены в 1997-2001 гг.); ПМР по совершенствованию Государственного первичного и вторичных эталонов ома (1996-2005 г г) Основные положения и результаты, выносимые на защиту. 1. Теоретическое обоснование выделения в качестве объекта исследований базового комплекса аппаратуры для обеспечения хранения и передачи размера единицы электрического сопротивления и контроля метрологических характеристик прецизионной измерительной техники, основы создания базовых комплексов.
-
Концепция и техническая реализация одноканальной системы передачи размера единицы электрического сопротивления
-
Теоретические основы построения устройств для исследования мер электрического сопротивления и резистивных элементов на основе блочного принципа
4. Применимость критериев гиперболического Н-распределения для оценки оптимальности структуры и состава базовых комплексов, номенклатуры выполняемых работ Оценка соотношения уникальных, разовых и массовых, стандартизованных работ, необходимого для улучшения эффективности функционирования базовых комплексов
-
Теория и методология формирования новых групповых эталонов и эталонных наборов мер электрического сопротивления и их роль в развитии эталонной базы в РФ
-
Методы синтеза электрических цепей мер отношения и переходных мер электрического сопротивления, применяемых при передаче размера единицы электрического сопротивления, исследовании и контроле метрологических характеристик средств измерений и изделий электронной техники в области измерения электрического сопротивления Роль информационной базы данных по существующим схемным решениям.
-
Методы выбора опорного отношения и методика использования мер отношений на основе дуальных переходов при исследовании мер электрического сопротивления и резистивных элементов электрических цепей.
8 Совокупность результатов теоретических и экспериментальных
исследований основных компонентов разработанных базовых комплексов и
результаты обобщения результатов создания и эксплуатации базовых
комплексов в целом.
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на. втором и третьем Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1985, 1988 гг); НТК "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность-97" (СПб, 1997 г), ежегодных НТК НТО Радиотехники, электроники и связи им А.С Попова (СПб, 1997-2004 гг), международной Научно-практической конференции "Метрология-97" (Минск, 1997 г), четвертой и пятой Всероссийской НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 1997, 1998 г), Всероссийской НТК "Методологические проблемы разработки и внедрения методик выполнения измерений" (СПб, 1999 г.), научно-технической и методической конференции "Энергосбережение Электроснабжение Электрооборудование" (СПб, 1999 г), Международной конференции по электричеству и магнетизму СРЕМ 2000 (Сидней, Австралия, 2000 г ), V Международной научной конференции по философии техники и технетике (Калининград, 2000 г ); юбилейной НТК "Радиотехника, метрология" (СПб, 2000 г), VI Международной научной конференции по философии техники и технетике ( Москва, 2001 г), ХХШ конференции памяти НН Острякова (СПб, 2002 г), VIII научной конференции
"Пролегомены философии и семиотики техники" (СПб, 2003 г); Международном научно-техническом семинаре "Математические методы при обеспечении качества и взаимного признания результатов измерений"(СПб, 2О04 г.); юбилейной НТК, посвященной 75-летию СЗТУ (СПб, 2005), НТК Ранговые и видовые распределения в технике, информатике, лингвистике (СПб, 2006)
Публикации
В целом, материалы диссертации отражены в 73 печатных работах, а также нормативных документах (ГОСТ 8 237 - 2003, МИ 1696 - 97) Список основных публикаций включает 36 работ, десять из которых входят в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ для опубликования материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Основная часть диссертации изложена на 250 страницах машинописного текста (включая рисунки, таблицы и список литературы).
