Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Том 74, № 4 (2025)
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫ
Усовершенствованный Государственный первичный эталон единицы давления для области абсолютного давления в диапазоне от 1·10–2 до 1·107 Па ГЭТ 101-2011
Аннотация
Приведены краткие исторические сведения о создании и развитии эталонной базы Российской Федерации в области давления. Кратко представлены результаты анализа состояния и тенденций развития мировой метрологии в области измерений абсолютного давления, основанные на изучении литературных данных и результатов ключевых сличений. Изложены причины, которые обусловили в 2000 г. начало разработки во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева лазерных интерференционных жидкостных манометров и введение их в 2011 г. в состав Государственного первичного эталона единицы давления для области абсолютного давления в диапазоне 1·10–1–7·105 Па ГЭТ 101-2011. Проанализированы существующие проблемы эталонной базы Российской Федерации в области абсолютного давления. Определены цели и представлены результаты исследований, направленные на повышение точности и расширение диапазона воспроизведения единицы абсолютного давления, определившие выбор направлений работ по модернизации ГЭТ 101-2011: разработку лазерного интерференционного масляного манометра высокого разрешения и изготовление грузопоршневого манометра абсолютного давления с набором измерительных поршневых систем. Приведён состав модернизированного ГЭТ 101-2011, кратко описаны конструкции и принципы действия эталонных установок на основе лазерных интерференционных жидкостных и грузопоршневого манометров абсолютного давления, а также средства передачи единицы давления вторичным и рабочим эталонам из состава ГЭТ 101-2011. Представлены результаты исследований усовершенствованного ГЭТ 101-2011 и его основные метрологические характеристики, подтверждённые государственными испытаниями. Диапазон воспроизведения единицы абсолютного давления расширен в области низкого и высокого абсолютного давления и составляет 1·10–2–1·107 Па, точность воспроизведения единицы увеличена в 3–1,5 раза в диапазоне 1·10–1–102 Па, усовершенствован процесс передачи единицы давления вторичным и рабочим эталонам.
Измерительная техника. 2025;74(4):4-13
4-13
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Способ определения в широком диапазоне температур диэлектрических и сегнетоэлектрических характеристик тонкой плёнки релаксорного сегнетоэлектрика SBN60 на полупроводниковой подложке
Аннотация
Описаны перспективы применения бессвинцовых релаксорных сегнетоэлектриков со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы, например ниобата бария-стронция Sr0.6Ba0.4Nb2O (SBN60), в полупроводниковых технологиях при разработке ячеек памяти, пироэлектрических матриц и микроэлектромеханических систем. Методами диэлектрической спектроскопии исследованы диэлектрические характеристики и сегнетоэлектрические свойства тонких (600 нм) плёнок релаксорного сегнетоэлектрика SBN60, а также изучены температуры фазовых превращений в этих плёнках. Тонкая плёнка SBN60 со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы синтезирована на подложке полупроводника Si(001). Для роста плёнок использован метод высокочастотного катодного распыления в атмосфере кислорода. Методом рентгено-дифракционного анализа показано, что плёнки SBN60 являются однофазными, беспримесными и c-ориентированными (параметр элементарной ячейки с=0,3932 нм). По данным атомно-силовой микроскопии рельеф поверхности плёнок однородный, не содержит каверн, пор или иных дефектов поверхности. Разработан способ экспериментального определения диэлектрической проницаемости и степени её дисперсии, который основан на результатах измерения высокочастотных вольт-фарадных зависимостей конденсаторной структуры металл/SBN60/Si(001) при фиксированной температуре из диапазона 83–473 K и позволяет также определить температуры фазовых переходов как из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу, так и между различными сегнетоэлектрическими фазами. Показано, что температура зарождения полярных нанообластей в анализируемой плёнке составляет 383 K. Освещены перспективы использования данного способа для анализа свойств гетероструктур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник.
Измерительная техника. 2025;74(4):14-20
14-20
Метод определения дефектных изделий в партии по одному результату измерения контролируемого параметра
Аннотация
Рассмотрены методы сокращения времени контроля партии изделий серийного производства. Существующие методы не позволяют проконтролировать всю партию изделий за один цикл контроля одного изделия. Разработан метод, позволяющий сократить до минимально возможного время её контроля одним средством контроля независимо от статистических характеристик параметров изделий партии. Метод применим для контроля изделий определённого класса в партии одним средством контроля с использованием образцов. Контролируемый параметр изделия имеет два различных значения. При достижении одного значения изделие признается годным, а при достижении другого – дефектным. Контроль (например, электромагнитных реле) проводится с использованием образцов с известными значениями контролируемого параметра. Согласно методу задают объём партии, условия измерения, критерий дефектности изделия при установленных условиях. К каждому изделию партии параллельно выходам, по которым контролируют параметр, подключают образец. Значение контролируемого параметра образца отличается от указанных выше значений контролируемого параметра изделия. Образцы соединяют последовательно, нумеруют по порядку позиции расположения образцов с изделиями. Задают значение параметра первого образца, параметры остальных образцов задают в виде геометрической прогрессии со знаменателем два в степени, зависящей от номера позиции образца. Измеряют контролируемый параметр одновременно всех изделий партии с образцами, определяют суммарное значение контролируемого параметра, делят его на значение параметра первого образца. Получают частное и находят ближайшее к нему целое число, которое представляют в двоичной системе счисления. Номер позиции дефектного изделия определяют по разряду этого числа, в котором есть единица, если дефектом считается достижение первого значения контролируемого параметра изделия, или есть нуль, если дефектом считается достижение второго значения. Представлена функциональная схема устройства для реализации разработанного метода и описана работа устройства. Приведён пример использования метода. Метод позволяет сократить время контроля партии по сравнению с методом поштучного контроля в количество раз, равное объёму партии. Результаты настоящей работы полезны специалистам по автоматизации контроля штучных изделий и технологам при разработке технологических процессов, включающих операции контроля изделий.
Измерительная техника. 2025;74(4):21-27
21-27
Методы восстановления входных сигналов нелинейных нестационарных динамических систем
Аннотация
Рассмотрена актуальная для современной метрологии и измерительной техники задача восстановления входных электрических, радиотехнических, оптических и виброакустических сигналов. Восстановление входных сигналов измерительных систем требуется при решении множества задач во многих отраслях науки и техники. В основном для восстановления входных сигналов рассматриваются модели линейных динамических систем. В связи с изменением условий эксплуатации динамических систем, когда нестационарность и нелинейность процессов становится более выраженной, требуются методы, позволяющие восстанавливать входные сигналы и при этом учитывать их нелинейность и нестационарность. Разработаны методы определения входных сигналов нелинейных нестационарных динамических систем (непрерывных и дискретных), описанных функциональным рядом Вольтерра. Методы основаны на решении нелинейного интегрального уравнения, порождённого отрезком ряда Вольтерра. При восстановлении входного сигнала предполагается, что интегральные преобразования ядер Вольтерра обладают факторизацией, основанной на теореме Бореля, что приводит к нелинейному алгебраическому уравнению. Разработаны методы восстановления входных сигналов непрерывных нелинейных динамических систем, описывамых отрезком ряда Вольтерра и их дискретными аналогами. При восстановлении входного сигнала для непрерывных систем применяется интегральное преобразование Лапласа, для дискретных систем – Z-преобразование. Приведён пример математического решения задачи восстановления дискретного одномерного сигнала. Пример иллюстрирует работоспособность и эффективность разработанных методов. Результаты исследований по восстановлению сигналов нелинейных динамических систем будут полезны специалистам, занимающимся теоретическими исследованиями и математическим моделированием в областях цифровой обработки сигналов и векторного анализа электрических цепей.
Измерительная техника. 2025;74(4):28-35
28-35
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод решения обратной задачи кинематики мехатронного объекта в рамках концепции разделения измерительного и физического пространств движения
Аннотация
Рассмотрены вопросы повышения точности управления сложными мехатронными объектами в робототехнике и прецизионных системах. Решена проблема несовпадения измерительного и физического пространств мехатронных объектов. Несовпадение измерительного и физического пространств возникает изза погрешностей изготовления мехатронных объектов, нестабильности характеристик датчиков механических исполнительных систем и иных систематических факторов. Предложен метод решения обратной задачи кинематики, основанный на кусочно-линейном преобразовании и определении ориентации осей физического пространства с использованием концепции разделения пространств (измерительного, физического и обобщённого). Для построения матрицы преобразования использованы направляющие косинусы осей физического пространства, что позволяет уменьшить погрешность позиционирования в реальных условиях. Предложен алгоритм коррекции матрицы направляющих косинусов, связывающей координаты в разных пространствах. Экспериментальная часть выполнена на монорельсовом триптероне (МГТУ «СТАНКИН», Россия). С помощью лазерного трекера Leica LTD800 (Leica Geosystems AG, Швейцария) оценены погрешности позиционирования при использовании традиционного метода (на основе идеальной модели) и модифицированного подхода с учётом искажений. Результаты показали уменьшение суммарной погрешности с 5,69 мм до 3,41 мм (на 40,1 %) в 11 контрольных точках. Основное преимущество метода решения обратной задачи кинематики – возможность компенсации систематических погрешностей без точного измерения геометрических параметров мехатронного объекта. Полученные результаты применимы в промышленной и коллаборативной робототехнике, медицинских манипуляторах и других системах, где критична точность пространственного управления. Полученные результаты вносят вклад в развитие методов калибровки мехатронных объектов с неидеальной геометрией.
Измерительная техника. 2025;74(4):36-46
36-46
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод калибровки имитатора чёрного тела: определение температурных поправок на основании тепловизионных измерений и расчётных значений поглощения излучения в воздухе
Аннотация
Реализация космического эксперимента «Солнце-Терагерц» планируется на борту российского сегмента Международной космической станции в 2026–2029 гг. Цели эксперимента – получение данных о терагерцевом излучении Солнца, а также изучение солнечных активных областей и солнечных вспышек. Научная аппаратура для космического эксперимента «Солнце-Терагерц» включает в себя восемь детектирующих каналов, целевые частоты которых лежат в диапазоне 0,4–12,0 ТГц. Для проведения наземных калибровок разработан имитатор черного тела, позволяющий направлять в телескопы научной аппаратуры потоки от излучающего элемента при различных заданных температурах нагревателя. С помощью тепловизора, основой которого является ик-камера MLX90640 произведены измерения температуры от имитатора черного тела непосредственно из точки расположения входного окна приемника научной аппаратуры. Данный подход позволяет учесть следующие эффекты для имитатора черного тела: температурный градиент от центра к краю отражающей поверхности; расхождение пучка излучения. Для телескопов научной аппаратуры: учет потерь в областях перекрытия входящего потока излучения малым зеркалом и его крестовиной. Кроме того, произведен расчет спектрального коэффициента пропускания воздушной среды между излучающим элементом имитатора черного тела и входным окном приемника. По результатам экспериментальной проверки сделаны выводы о фактических потоках излучения, поступающих в приемники научной аппаратуры от имитатора черного тела во время калибровок, в зависимости от заданной на измерителе-регуляторе температуры. Данная статья может быть полезна экспериментаторам, занимающихся теплофизическими измерениями, спектрометрическими научными приборами на базе оптоакустических преобразователей (ячейка Голея) и других чувствительных элементах.
Измерительная техника. 2025;74(4):47-54
47-54
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Модули расширения частотного диапазона 50–178,4 ГГц для векторных анализаторов цепей
Аннотация
Современные исследования и разработка аппаратуры сверхвысокочастотного диапазона требуют метрологического измерительного оборудования с динамическим диапазоном измерений более 100 дБ и возможностью перестройки выходной мощности. Разработаны и изготовлены модули расширения частотного диапазона серии ВЕКТОР для векторных анализаторов цепей. Модули расширения частотного диапазона серии ВЕКТОР работают в частотных диапазонах 50–75; 53,57–78,33; 75–110; 78,33–118,1; 110–170 и 118,1–178,4 ГГц. Описана структурная схема разработанных модулей расширения частотного диапазона. Модули расширения частотного диапазона обеспечивают смещение верхней границы диапазона рабочих частот векторного анализатора цепей в случае его применения для измерений комплексных коэффициентов передачи и отражения (элементов матрицы рассеяния) многополюсников. Векторный анализатор цепей с подключёнными к нему модулями расширения частотного диапазона образуют единую измерительную систему. Исследование характеристик модулей расширения частотного диапазона серии ВЕКТОР показало, что модули ВЕКТОР для частотных диапазонов 50–75; 75–110; 110–170 ГГц имеют типичную выходную мощность и рабочий динамический диапазон соответственно 15 дБм (31,6 мВт) и 125 дБ; 11 дБм (12,6 мВт) и 120 дБ; 1 дБм (1,3 мВт) и 110 дБ.Разработанные модули расширения частотного диапазона совместимы как с отечественными векторными анализаторами цепей, так и с зарубежными аналогами производства фирм Rohde&Schwarz GmbH&Co KG (г. Мюнхен, Германия) и Keysight Technologies (г. Санта-Роза, США). Сравнительный анализ представленных в работе модулей расширения частотного диапазона с модулями расширения частотного диапазона фирмы Virginia Diodes (г. Шарлотсвилл, США) серии WR15VNA и фирмы Ceyear Technologies серии 3643NA (г. Циндао, Китай) показал, что выходная мощность и динамический диапазон измерений разработанных устройств не уступают характеристикам зарубежных аналогов. К основным областям применения векторных анализаторов цепей с модулями расширения частотного диапазона относятся проверка, настройка и разработка различных радиотехнических устройств в условиях промышленного производства и лабораторий, в том числе в составе автоматизированных измерительных стендов.
Измерительная техника. 2025;74(4):55-63
55-63
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод акустического анализа голосового источника речи в режиме реального времени
Аннотация
Рассмотрена задача неинвазивного исследования голосовой функции речевого аппарата по речевому сигналу диктора. На основе двухэтапной измерительной процедуры разработан метод акустического анализа голосового источника импульсного типа. На первом этапе измерений предусмотрена фильтрация сигнала голосового возбуждения речевого тракта, а на втором этапе – преобразование отфильтрованного сигнала в конечную импульсную последовательность, синхронную с основным тоном речевого сигнала. Рассмотрен пример технической реализации разработанного метода, оценены его вычислительная сложность и быстродействие. Установлена способность метода к работе в режиме мягкого (с задержкой на сотые доли секунды) реального времени. С использованием авторского программного обеспечения поставлен и проведён натурный эксперимент. Показано, что для конечных интервалов вокализации речевого сигнала разработанный метод гарантирует устойчивость частоты повторения и формы импульсов возбуждения, что ценно с точки зрения точности измерений всех основных параметров голосового источника речи: от частоты основного тона до амплитудных возмущений (мерцаний) импульсов источника. Полученные результаты можно использовать при разработке новых и модернизации существующих алгоритмов и технологий синтеза речевых сигналов и цифровой передачи речи по низкоскоростным каналам связи, а также систем медицинской диагностики и голосовой терапии.
Измерительная техника. 2025;74(4):64-73
64-73
Фазоимпульсный метод оценки времени пробега звуковой волны при измерениях скорости звука в водной среде
Аннотация
Рассмотрены вопросы повышения точности измерений скорости звука в воде с использованием как эталонных установок, так и малогабаритных автономных измерителей. Обсуждены способы оценки времени пробега звуковой волны при измерениях скорости звука в водной среде времяпролётным методом с переменной базой. Показаны общие недостатки этих способов – малое количество характерных точек сигналов, используемых для оценки временных интервалов, и субъективность выбора характерных точек. Предложен вариант фазоимпульсного метода, позволяющий получать интегральную оценку времени пробега звуковой волны. Приведено теоретическое обоснование применимости метода для измерения скорости звука в водной среде. Время пробега оценивают по частотной зависимости набега фазы звуковой волны, которую получают как разность фазовых спектров (взаимный фазовый спектр) разнесённых по времени приёма копий широкополосных сигналов. В отсутствие дисперсии звука взаимный фазовый спектр представляет собой пропорциональную частоте зависимость набега фазы звуковой волны. Аппроксимируя взаимный фазовый спектр линейной регрессионной моделью, частотную зависимость преобразуют в числовой параметр, с точностью до 2π равный времени пробега звуковой волны. Использование взаимного фазового спектра позволяет исключить субъективный фактор при выборе характерных точек сигнала, контролировать качество эксперимента, значительно повышать помехозащищённость измерений, улучшать статистические характеристики получаемой оценки. Описан эксперимент по опробованию предложенного метода. Найденные оценки скорости звука не уступают по точности эмпирическим формулам и стандартизованным табличным значениям. Полученные результаты будут полезны при дальнейших исследованиях, направленных на повышение точности измерений скорости звука с применением фазоимпульсного метода до точности, предъявляемой к эталонным установкам.
Измерительная техника. 2025;74(4):74-81
74-81
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Стандартные образцы: выбор алгоритма оценки аттестованного значения и его неопределённости по результатам межлабораторного эксперимента
Аннотация
Применение стандартных образцов – наиболее доступный инструмент обеспечения метрологической прослеживаемости результатов измерений в самых различных отраслях промышленности, а основной критерий выбора стандартного образца – его метрологические характеристики, в том числе неопределённость аттестованного значения и подтверждённая метрологическая прослеживаемость. Одним из источников неопределённости аттестованного значения стандартного образца является выбранный производителем способ его характеризации. Рассмотрен способ характеризации стандартного образца на основании результатов межлабораторного эксперимента с использованием алгоритмов из ГОСТ 8.532-2002 «ГСИ. Стандартные образцы состава веществ и материалов. Порядок межлабораторной аттестации», ISO 33405:2024 “Reference materials – Approaches for characterization and assessment of homogeneity and stability” и других алгоритмов. Проанализирована достоверность оценок неопределённости аттестованного значения стандартного образца по результатам межлабораторного эксперимента. Показано, что в некоторых случаях указанная выше неопределённость аттестованного значения значительно меньше неопределённости методик измерений, применяемых в межлабораторном эксперименте, а в отдельных случаях меньше неопределённости используемых средств калибровки, в том числе стандартных образцов. При этом у разработчиков и производителей стандартных образцов создаётся иллюзия высокой точности характеризации стандартного образца методом межлабораторного эксперимента, сравнимой с методами, основанными на применении эталонов. Описаны случаи необоснованного занижения оценки неопределённости аттестованного значения стандартного образца вследствие различных причин, в том числе вследствие низкой эффективности метода математической обработки результатов межлабораторного эксперимента. Низкая эффективность связана с необоснованным исключением из оценки аттестованного значения стандартного образца результатов, полученных в тех или иных лабораториях. Также оценка неопределённости аттестованного значения стандартного образца может быть необоснованно занижена из-за несоответствия статистической модели, на которой основаны алгоритмы обработки результатов межлабораторного эксперимента, реальным экспериментальным данным. Проанализированы различные алгоритмы оценки аттестованного значения и стандартной неопределённости характеризации стандартного образца по результатам межлабораторного эксперимента. Показано, что для оценки указанной неопределённости с точки зрения высокой устойчивости к выбросам эффективен подход, предложенный Морисом Коксом. На основе этого подхода разработаны оригинальные алгоритмы, которые можно использовать для оценки коммутативности стандартных образцов и для иных целей. Для повышения доверия к результатам определения метрологических характеристик стандартных образцов в Российской Федерации и обеспечения гармонизации с международными документами при пересмотре ГОСТ 8.532-2002 рекомендовано использовать алгоритм Мориса Кокса.
Измерительная техника. 2025;74(4):82-93
82-93
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ
Механизм оценки экономических потерь от погрешности измерений
Аннотация
Представлен механизм оценки экономических потерь от погрешности измерений, т. е. потерь от ошибок ложноположительных и ложноотрицательных решений, обусловленных погрешностями применяемых средств измерений. В исследовании под механизмом оценки понимается совокупность методов и инструментов, определяющих порядок оценки экономических потерь от погрешности измерений.В качестве основных составляющих механизма оценки рассмотрены математическая модель оценки экономических потерь от погрешности измерений, графики определения вероятности ложноположительного и ложноотрицательного решений, а также таблица их предельных значений.Термин «потери от погрешности измерений» введён в МИ 2546-99 «ГСОЕИ. Методы определения экономической эффективности метрологических работ». Однако МИ 2546-99 не содержит описания механизмов оценки экономических потерь от погрешности измерений, что является проблемой для объективной количественной характеристики влияния метрологии на экономику. В качестве источников научных данных и методов решения указанной проблемы изучены отечественные и зарубежные нормативные документы и публикации. Разработана компьютерная программа расчёта вероятностей принятия ложноотрицательных и ложноположительных решений. С применением этой программы сформирована расширенная таблица, содержащая результаты расчёта предельных значений вероятностей, а также диаграммы определения этих показателей на основании данных о допуске контролируемого параметра, среднеквадратической погрешности измерений и среднеквадратической погрешности изготовления (технологической). Сформулирована и представлена в общем виде математическая модель оценки экономических потерь от погрешности измерений. Модель разработана с учётом положений математической статистики и теории вероятностей. Предложено при оценке инвестиционных метрологических проектов применять в качестве показателя экономической эффективности не объём выручки организации, а объём денежных средств, которые получены в результате сокращения экономических потерь при внедрении средств измерений с меньшей погрешностью измерений. Результаты исследования актуальны для разработки методики оценки эффективности инвестиционных проектов, учитывающей особенности метрологической деятельности.
Измерительная техника. 2025;74(4):94-100
94-100
МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО
Результаты пилотных сличений в области измерений пищевой ценности соевой муки КООМЕТ 881/RU-а/23
Аннотация
Для обеспечения достоверности результатов измерений содержания белков, жиров, влаги и золы в пищевых продуктах и продовольственном сырье требуются стандартные образцы, аналогичные по составу анализируемым пробам и прослеживаемые к эталонам и/или результатам измерений национальных метрологических институтов. Эквивалентность результатов измерений национальных метрологических институтов должна быть подтверждена в ключевых сличениях. Представлены результаты проведённых в 2024 г. пилотных сличений в области измерений пищевой ценности соевой муки КООМЕТ 881/RU-а/23 как подготовительного этапа перед организацией ключевых сличений в этой области. В сличениях приняли участие национальные метрологические институты России, Кыргызской Республики и Китая. В качестве образцов для сличений использованы образцы состава обезжиренной и полуобезжиренной соевой муки с предварительно исследованными однородностью и стабильностью. Измеряемые характеристики – массовые доли влаги, азота, белка, сырого жира и золы. Участники сличений применяли методики измерений, реализованные на эталонном оборудовании, а также первичные референтные методики измерений. При оценивании неопределённости учитывали составляющие, обусловленные следующими источниками: расхождением результатов параллельных определений; округлением результата измерений; прямыми измерениями величин, входящих в уравнения измерений; выполнением условий достижения постоянной массы после высушивания, экстракции и озоления; отклонением условий проведения измерений от оптимальных значений. В сличениях получены согласованные результаты измерений массовых долей влаги, азота, белка и сырого жира с расширенными неопределённостями (при коэффициенте охвата 2) соответственно 0,06–0,12 %, 0,034–0,060 %, 0,19–0,40 %, 0,04–0,08 %, что в 2–8 раз превышает точность стандартизованных методик (методов) измерений. Наблюдаемый несогласующийся результат измерений массовой доли золы, полученный одним участником сличений, обусловлен эмпирическим характером измеряемой величины. В случае измерения значений эмпирических величин согласованности результатов можно достичь путём строгого установления условий выполнения измерений и допускаемых пределов варьирования условий. Результаты сличений планируется использовать при подготовке предложений по проведению ключевых сличений в области измерений пищевой ценности соевой муки.
Измерительная техника. 2025;74(4):101-112
101-112