Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

–установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения;

–компаратор лазерный интерференционный для измерения длины в субмикронном и нанодиапазоне;

–интерферометр гетеродинный;

–компаратор универсальный интерференционный метровый;

–компаратор лазерный интерференционный тридцатиметровый.

Источник эталонного излучения – He-Ne/I2 лазер и установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения установлены на виброзащитном столе.

Длина волны от источника эталонного излучения –

He-Ne/I2 лазерапередаетсячастотно-стабилизированным лазерам компараторов, входящих в состав эталона.

ДлярасширениядиапазонаГосударственногопервичного эталона единицы длины – метра в субмикронный диапазон и нанодиапазон введены компаратор лазерный интерференционныйдляизмерениядлинывсубмикронном и нанодиапазоне и гетеродинный интерферометр.

Лазерный интерференционный компаратор для измерения длины в субмикронном и нанодиапазоне предназначен для передачи единицы длины в область субмикронных и нанодлин. Данный компаратор обеспечивает калибровку или поверку измерителей линейных перемещений, систем прецизионного позиционирования и сканирования, емкостныхииндуктивныхизмерительных преобразователей, тензодатчиков и лазерных измерителей наноперемещений. Лазерный интерференционный компаратор для измерений длины в субмикронном и нанодиапазоне установлен на виброзащитном столе и состоит из следующих составных частей:

–частотно-стабилизированный лазер;

–электро-оптический модулятор;

–оптико-механическая система;

–системаизмеренийпараметровокружающейсреды; персональный компьютер с программным обеспе-

чением.

Гетеродинный интерферометр предназначен для передачи единицы длины мерам высоты ступени: тип А1 по ISO 5436-1 «Геометрические параметры продук-

ции (ГПП). Текстура поверхности: профильный метод. Эталоны. Часть 1. Материальные меры».

Гетеродинныйинтерферометррасположеннавиброзащитномфундаментеисостоитизследующихосновных составных частей:

–частотно-стабилизированный лазер;

–оптико-механическая система;

–электронный блок управления;

–системаизмеренийпараметровокружающейсреды;

–персональный компьютер с программным обеспечением.

Передача единицы длины мерам высоты ступени осуществляетсяабсолютныминтерференционнымметодомприпомощидвухлучевоголазерногогетеродинного интерферометра с акусто-оптическим модулятором.

Впомещении, гдерасположеныисточникэталонного

излучения – He-Ne/I2 лазер, установки для измерений разности частот и длин волн источников лазерного излучения, лазерныйинтерференционныйкомпаратордля измерений длины в субмикронном и нанодиапазоне, а такжегетеродинныйинтерферометр, температураокружающего воздуха поддерживается спомощьюактивной системы стабилизации в диапазоне (20±1) ºС.

Основой Государственного первичного эталона единицыдлины– метраГЭТ2-2010 служитуниверсальный интерференционный метровый компаратор.

В состав универсального интерференционного метрового компаратора входят:

–частотно-стабилизированный лазер;

–лазерный интерферометр, используемый для измерений штриховых и плоскопараллельных концевых мер длины;

–интерферометр белого света (ахроматический интерферометр), используемый для наведения на измерительные поверхности плоскопараллельной концевой меры длины и притертой к ней опорной пластины. Он совмещен с лазерным интерферометром;

–микроскоп, используемыйдлярегистрацииотметок штриховой меры длины;

–системаизмеренийпараметровокружающейсреды;

–персональный компьютер с программным обеспечением.

Таблица 1

Рис. 1. Общий вид лазерного интерференционного тридцатиметрового компаратора

1 – система лазерная измерительная XL-80; 2 – направляющие; 3 – основание; 4 – каретка; 5 – узел привода каретки с шаговым двигателем; 6 – блок питания шагового двигателя;

7 – блок управления шаговым двигателем; 8 – приемник радиосигнала; 9 – модуль видеозахвата; 10 – система обработки изображения; 11 – блок измерений температуры

в настоящее время в промышленности. Большим преимуществом при использовании компаратора является возможность применять его для других измерительных задач, такихкак поверка икалибровка современных высокоточных лазерных сканеров, трекеров, уровнемеров, светодальномеров и других средств измерений.

Основными составляющими частями тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора являются:

–лазерная измерительная система;

–оптико-механическая система;

–системаизмеренийпараметровокружающейсреды;

–персональный компьютер с программным обеспечением.

Лазерный интерференционный тридцатиметровый компараторрасположенвпомещениицокольногоэтажа. Температура окружающего воздуха в помещении поддерживается в диапазоне (20±2) ºС.

Общий вид компаратора приведен на рис. 1. МетрологическиехарактеристикиГосударственного

первичногоэталонаединицыдлины– метраГЭТ2-2010 приведены в таблице 2.

Универсальный интерференционный метровый компаратор установлен на виброзащитном фундаменте и помещен в специальную термокамеру размером 4,0х2,5х3,0 м, обеспечивающую поддержание температуры окружающего воздуха внутри камеры в месте расположения измеряемой меры в пределах (20±0,1) ºС. Изменениетемпературывнутритермокамеры не превышает 0,005 ºС в течение часа.

В состав Государственного первичного эталона единицы длины – метра входит также тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор. Данный компаратор используется для калибровки (поверки) измерительных лент и рулеток, широко применяющихся

Назначение и область применения

Государственный первичный эталон единицы длины – метра ГЭТ 2-2010 предназначен для воспроизведения, хранения и передачи единицы длины вторичным и рабочимэталонамметодомпрямыхизмеренийиметодом сличения с помощью компаратора и мер сравнения.

ГЭТ 2-2010 успешно справляется с актуальными на сегодняшний день задачами, связанными с передачей единицы длины как в области малых, так и больших длин, что вносит неоспоримый вклад в развитие ряда важнейших отраслей национальной промышленности – машиностроения, автомобильной, аэрокосмической, энергетической, оборонной, микроэлектронной и др.

Таблица 2

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

Государственный первичный эталон единицы длины – метра ГЭТ 2-2010 по своим метрологическим характеристикам не уступает лучшим мировым аналогам, что подтверждено результатами ключевых сличений, приведенными ниже.

На рис. 2 представлен сертификат Международного бюромеривесов(BIPM), выданныйнаисточникэталонного излучения – He-Ne/I2 лазер, стабилизированный по линиинасыщенногопоглощениявмолекулярномйоде127.

Международное сотрудничество. Сличения

Начиная с середины 1970-х гг., ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» принимает участие в международном сотрудничестве в области создания и исследования стабилизированных лазеров видимого диапазона, которое координировалось Международным бюро мер и весов. За это время во ВНИИМ были созданы и исследованы стабилизированные лазеры с длинами волн 633, 612 и 532 нм. ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» принималучастиевсличенияхстабилизированныхпонасыщенномупоглощениювйоде127 лазеров наряду с национальными международными метрологическимиорганизациямиСША, Великобритании, Чехии, Финляндии, Германии и Франции.

В2004 г. ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» принял участие в международных ключевых сличениях BIPM.L-K11, проводившихсяBIPM врамкахпрограммы поисследованиямстабилизированныхлазероввидимого диапазона, используемых национальными метрологическими организациями мира в составе национальных эталоновдлины. ВсличенияхBIPM.L-K11 принялиучастиеметрологическиецентрытакихстранкакФранция, Южная Корея, Испания, Китай, ЮАР и др.

ЭтисличенияHe-Ne/I2 лазеровбылипроведеныспо- мощьюКОМБ-генератора. Оптическиечастотыстабилизированныхлазеровопределялисьабсолютнымметодом,

вотличие от всех сличений, проводившихся с участием ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» с 1979 г., когда оптические частоты определялись по частоте биений двух однотипных лазеров.

Врезультате было измерено абсолютное значение частоты стабилизированного He-Ne/I2 лазера, входящего

всостав Государственного первичного эталона единицы длины– метра, атакжеуточненыкоэффициентысдвигов частоты, обусловленныевариациямирабочихпараметров.

Измеренная частота излучения f-компоненты He-Ne/I2 составила

νf = 473 612 353 603,6 кГц

с расширенной неопределенностью 0,8 кГц или 1,7·10-12

вотносительных единицах.

ЧастотаHe-Ne/I2 лазераФГУП«ВНИИМим. Д.И. Менделеева» может перестраиваться без потери точности в пределах 463 МГц по компонентам a, b, c, d, e, f, g, k, l, m, n линии поглощения R(127) в йоде.

ВходесличенийBIPM.L-K11 былипроведенытакже исследованиястабильностичастотыстабилизированных

Рис. 2. Сертификат BIPM на источник эталонного излучения – He-Ne/I2 лазер, стабилизированный по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127, № 02

лазеровстран-участницвдиапазоневремениусреднения

τ = 1...100 с.

Относительная стабильность частоты лазера ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» описывается выражением <σ(2,τ)> = 7,5·10-11/τ1/2, где τ – время усреднения.

Экспериментальныерезультатыодногоизцикловизмерениястабильностичастоты(вариацияАллана) лазера ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», полученные в ходе ключевых сличений BIPM.L-K11, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты измерений стабильности частоты стабилизированного He-Ne/I2 лазера ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (вариация Аллана)

На графике (рис. 4) приведены результаты измерений абсолютной частоты He-Ne/I2 лазеров (λ=633 нм) стран-участниц сличений BIPM.L-K11. В эту группу входил и лазер ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», являющийся основой воспроизведения единицы длины Государственным первичным эталоном единицы длины – метра.

Врезультате сличений BIPM.L-K11 стабилизирован-

ный He-Ne/I2 лазер ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» получил в BIPM сертификат калибровки (рис. 2). Исследования, проведенные в ходе ключевых сличений BIPM.L-K11, а также в ходе сличений в рамках программы BIPM.L-K10, подтвердили полное соответствие метрологическиххарактеристиклазераГосударственного первичногоэталонаединицыдлинытребованиямМеждународного комитета по мерам и весам.

Сличения стабилизированных He-Ne/I2 лазеров на длине волны 633 нм прошли также рамках СООМЕТ. Результатысличенийлазеровпредставленывтаблице3.

ВрамкахEUROMET проходилиключевыесличения EUROMET.L-K7. Лаборатории35 странпроводилиизмеренияштриховоймерыдлины100 мм. Страны-участни- цыбылиразделенынадвегруппы. Результатыизмерений мерыприведенынарис. 5. Суммарнаянеопределенность измерений меры универсальным интерференционным метровымкомпараторомФГУП«ВНИИМим. Д.И. Менделеева» на 100 мм составила 25 нм.

Литература

1.ЗахаренкоЮ.Г., КононоваН.А., ФедоринВ.Л., Чекирда

К.В. Эталонный He-Ne/I2 лазер для ГПЭ единицы длины – метра// Тез. докл. ХМеждународногонауч.-техн. семинара «Разработка, производство, применениеиметрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума». – СПб. // Репрография ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделее-

ва». – 2006. – С. 41–43.

2.Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Мельников Н.А. и др.

Современное состояние воспроизведения единицы длины метра // Приборы. – 2007. – № 8 (86). – С. 53-55.

3.Александров В.С., Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А.

идр. О возможности использования низкоэнергетических

ядерных переходов в качестве реперов для стабилизации частоты лазеров // Измерительная техника. – 2007. –

№12. – С. 3–8.

4.Aleksandrov V.S., Zakharenko Yu.G., Kononova N.A., Mel’nikov N.A., Fedorin V.L., Kharitonov I.A., Chekirda K.V., Pasternak A.A. Possibility of using low-energy nuclear transitions as benchmarks for frequency stabilization // Measurement Techniques. – 2007. – V.50. – № 12. – P. 1231–1233.

5.ЗахаренкоЮ.Г., КононоваН.А., ФедоринВ.Л., Чекир-

да К.В. Высокоточные измерения геометрических величин на Государственном первичном эталоне единицы длины // Тез. докл. Всероссийскойнаучно-техническойконференции

«Механометрика-2008». – г. Суздаль. – 2008. – С. 40–41.

6.АлександровВ.С., ЗахаренкоЮ.Г., КононоваН.А.идр.

Использование ядерных переходов в качестве эталонов, в томчиследлястабилизациичастотылазеров// Актуальные вопросыметрологии. Сб. мат-ловнауч.-практ. конференции, посвященной30-летиюбазовойкафедрыметрологииСЗТУ приФГУП«ВНИИМим. Д.И. Менделеева». – СПб. – 2010. –

С. 16–22.

7.АлександровВ.С., ЗахаренкоЮ.Г., КононоваН.А.идр.

Стабилизированный лазер Государственного эталона длины– метра// Актуальныевопросыметрологии. Сб. мат-лов науч.-практ. конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.

Менделеева». – СПб. – 2010. – С. 23–27.

8.Aleksandrov V.S., Chekirda K.V., Fedorin V.L., Melnikov N.A., Pasternak A.A., Zakharenko Yu.G. Nuclear transitions and new standards of length and time // XLV Zakopane conference on nuclear physics. Extremes of the nuclear landscape // Acta Physica Polonica, Series B. – 2011. – V.42. – № 3–4. – P. 853–858.

9.АлександровВ.С., ЗахаренкоЮ.Г., КононоваН.А. идр.

Государственныйпервичныйэталонединицыдлины– метра ГЭТ2-2010 // Измерительнаятехника. – 2012. – №6. – С. 3–7.

10.Захаренко Ю.Г., Кононова Н.А., Лейбенгардт Г.И.,

Чекирда К.В. Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор, входящий в состав государственного первичногоэталонаединицыдлины– метра// Измеритель-

ная техника. – 2012. – № 5. – С. 22–26.

11.Алпатов В.Г., Баюков Ю.Д. и др. Первые опыты по наблюдению гамма-резонанса долгоживущего изомера серебра-109м с помощью гравитационного гамма-спектро- метра // Препринт 12-06. – М.: ИТЭФ. – 2006.

Историческая справка

В начале XXI века в Российской Федерации сложиласьситуация, прикоторойразвитиесредствобеспечения единстваизмеренийвобластибольшихдлинсущественно отставало от развития рабочих средств измерений (СИ) длины, в первую очередь – в части применения ГНСС-технологий, что вело в ближайшей перспективе кневозможностиполноценнойпередачиединицыдлины СИ в диапазоне от десятков и сотен метров до десятков тысячкилометров. Приэтомсредстваизмеренийдлины в диапазоне свыше 24 м являлись базовыми в таких областях, какгеодезияикартография, кадастровыеработы, построение фундаментальной основы ГНСС, мониторингобъектовповышеннойопасности, атакже– вцелом ряде задач в области обороны и безопасности.

Основнойпричинойсложившейсяситуацииявлялось отсутствиенеобходимыхэталонныхтехническихсредств и применение устаревшей поверочной схемы «ГОСТ 8.503–84. ГСИ. Государственная поверочная схема для средствизмеренийдлинывдиапазонеот24 до75000 м». Данный документ не позволял в полной мере охватить все перспективные СИ длины в связи с повышением их точностныххарактеристик, акрометоговРоссииотсутствовалбазовыйэлементповерочнойсхемы, откоторого должнабылапрослеживатьсяединицадлины. Комплекс эталонныхсредств, которыйявлялсяосновойповерочной схемы, остался на территории Украины.

Учитывая сферу применения высокоточных измерений длины, единственным вариантом выхода из

сложившейся ситуации являлось создание нового эталонного комплекса в сфере измерения больших длин. Использованиезарубежныхэталонныхсредствявлялось невозможным.

В 2007 г. в рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» было начато выполнение мероприятия, целью которого являлась модернизацияэталоннойбазыкоординатно-временного и навигационного обеспечения.

Результаты проведенного при подготовке мероприятия анализа показали, что создание комплекса, который быпростоповторялранеепредусмотренныеГОСТ8.503– 84 технические средства, является нецелесообразным, так как это не позволит обеспечить передачу единицы длины к перспективным средствам измерений длины. Необходимо было создать единый комплекс, который бы обеспечивал прослеживаемость единицы длины во всем диапазоне длин от десятков метров до десятков тысяч километров.

В связи с этим в рамках мероприятия были поставленызадачипосозданиюкомплексасредствдляобеспечения единства измерений вглобальной навигационной спутниковойсистеме(ГНСС) ГЛОНАССприразработке, испытаниях, поверкенавигационнойаппаратурыпотребителей(НАП) испутниковойгеодезическойаппаратуры (СГА) науровнеточности, соответствующемзарубежному, а также для передачи размера единицы длины вторичным эталонам, включая модернизированный эталон длины МО РФ. Таким образом одной изосновных задач эталонного комплекса являлось обеспечение прослежи-

ваемости единицы длины к СИ, являющимся основой системыГЛОНАСС. Вдекабре2011 г. созданиекомплекса было успешно завершено. Разработанный комплекс былутвержденвкачествеГосударственногопервичного специального эталона единицы длины ГЭТ 199–2012.

Состав, основные метрологические характеристики и принцип действия

В состав ГЭТ 199–2012 входят: эталонный измерительный комплекс длины в диапазоне до 60 м, лазерный эталонсравнения(ЛЭС) иэталонныебазисывдиапазоне 24–3000 м, эталонсравнения(ЭС) наосновеприемников космических навигационных систем (КНС) и опорных базисных пунктов в диапазоне 1–4 000 км. Характеристики ГЭТ 199–2012 приведены в таблице.

Базовым элементом разработанного комплекса является Эталонный измерительный комплекс длины в диапазоне до 60 м (рис. 1).

Основной принцип работы эталонного измерительного комплекса длины в диапазоне до 60 м основан на регистрацииминимумовсигналовдвухчастотнойинтерференции с высоким разрешением [1].

Схема, поясняющая принцип работы, приведена на рис.2. He–Ne-лазер ЛГВС-21/1 генерирует две моды с ортогональнымиполяризациямиимощностьюизлучения вкаждоймодеприблизительно0,4 мВт, интервалмежду модамисоставляет643 МГц. Оптическиечастотылазера стабилизированы по линии усиления He–Ne-среды. Лазеримеетсистемустабилизациимежмодовогоинтервала оптического излучения.

Вторым элементом разработанного комплекса является Лазерный эталон сравнения и эталонные базисы в диапазоне 24–3000 м. Основной частью ЛЭС является дальномер электронного тахеометра, предназначенный для измерений расстояний в указанном диапазоне. При

измерениях учитывают показатель преломления атмосферы вдольтрассы измерений, определенный наоснове результатовизмеренийотдругихсоставныхчастейЛЭС (метеостанции).

Погрешности тахеометров, входящих в состав эталона, существенно отличаются от типовых значений погрешностей тахеометров как за счет проведенного на фирме-производителе отбора устройств с максимально высокими характеристиками, так и за счет оценки составляющихпогрешностиизмерениядлинытахеометром с использованием эталонного комплекса в диапазоне до

60 м.

При одновременных измерениях длины базиса электронно-оптическими и спутниковыми методами применяютплатформыгеодезические, предназначенные для установки тахеометра (либо отражателя) и антенны приемника ГНСС.

Пример измерения базисной линии в 2458 м при помощи средств из состава ЛЭС приведен на рис. 3. Среднее квадратическое отклонение (СКО) измерений ЛЭС в указанном диапазоне для приведенного примера составляет 0,00037 м.

ЗавершающейчастьюГЭТ199-2012 являетсяЭталон сравнения (ЭС) на основе приемников КНС и опорных базисных пунктов в диапазоне 1–4000 км. Основной составной частью ЭС является базис длиной 4156 км, образуемый пунктами для размещения аппаратуры беззапросных измерительных средств (БИС) и квантовооптическихсистем(КОС) вп. Менделеево(Московской обл.) иг. Иркутске. ДляработыЭСвдиапазоне1–100 км используютотдельныйэталонныйкомплектприемников ГНСС.

Основные СИ и вспомогательные устройства ЭС устанавливают на опорных базисных пунктах на открытой местности и в помещениях ВНИИФТРИ. Приемники КНС размещают в помещениях стационарно и они работают в непрерывном режиме.

Для работы ЭС необходима стабильность и устойчивость базисных пунктов, которая обеспечивается закрепленными на местности, установленными на коренные породы пилонами (базисными пунктами) с устройствами принудительного центрирования (УПЦ). Дляоценкистабильностипунктовопорнойбазиснойсети (ОБС) проводят измерения при помощи высокоточной и калиброванной аппаратуры. Посредством комплекса аппаратурыведутмониторингсостоянияОБСвпроцессе хранениядлинидругихгеометрическихпараметровсети сзаданнойточностью, определяютизменениякоординат пунктов ОБС во времени.

ОБС образует на местности систему из:

–основныхпунктовКОСиБИС, накоторыхустановлены спутниковый дальномер «Сажень-ТМ» и антенна приемника ГНСС для непрерывных наблюдений;

–рабочих пунктов для размещения аппаратуры контроляимониторингаизмеренийнапунктахКОСиБИС;

–базисныхпунктовметрологическойсетинаповерхности земли, применяемых для контроля стабильности пунктов, удаленныхдруготдруганарасстояние0,024–3

км, с прямой видимостью на основные пункты, и, по возможности, между собой.

Одновременно с разработкой технических средств ГЭТ 199-2012 была разработана соответствующая поверочная схема [2].

Таким образом, разработанный во ФГУП «ВНИИФТРИ» ГЭТ199–2012 создалтехническиеинормативные основыдляобеспеченияполноценнойпрослеживаемости припередачеединицыдлинырабочимСИвдиапазонеот десятков и сотен метров до десятков тысяч километров.

Литература

1.Щипунов А.Н., Татаренков В.М., Денисенко О.В. и

др. Эталонный комплекс средств обеспечения единства измерений длины в диапазоне свыше 24 м: текущее состояниеиперспективыразвития// Измерительнаятехника,

№11, 2014.

2.ГОСТ Р 8.750–2011. ГСИ. Государственная поверочная схема для координатно-временных средств измерений.

И.С. Сильвестров

Описание вида измерений

Измерение уровня жидкости. Единица измерения – метр. Под измерением уровня понимают определение высоты столба жидкости в мерах вместимости.

Историческая справка

Если обратиться к истории создания уровнемеров, то мы можем видеть, что необходимость их применения появилась в далеком прошлом.

Первый простейший уровнемер был создан для определения уровня воды в озерах, реках и других водоемах и получил название футшток. Его создание было вызваноразвитиемфлотаинавигацииинеобходимостью изучения изменения уровня в конкретном месте водоема, определения среднего уровня моря и установления начального уровня для исчисления высот и глубин. Футшток– уровнемерввидерейки(бруса) сделениями, установленный на водомерном посту для наблюдения и точногоопределенияуровняводывморе, рекеилиозере. Первый футшток появился в Петербурге в 1703 г., а в 1707 г. появилась футшточная служба на Котлине.

Фуштокичастоиспользуютвкачествегеодезичекого опорного пункта. В том числе Крондштатский футшток выбран глобальным геодизическим опорным пунктом и закрепляет 0 отметку высоты в Балтийской системе высот. Позднее появился метршток, представляющий из себя шест с отчетливо накрашенными делениями в

метрах(футах), служитдляизмерениянебольшихглубин 3–3,5 м. Метршток до сих пор применяется на предприятияхтопливнойпромышленностидляизмеренияуровня топлива в резервуарах.

Прогресс не стоял на месте, и с дальнейшим развитием промышленности появилась потребность в новых устройствах для изменения уровня жидкости. В 1712 г. англичанином Ньюкманом был создана первая паровая машина. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Простейшие визуальные указатели уровня были изобретеныспоявлениемпаровыхкотлов. УаттДжеймс

(19.01.1736–19.08.1819) – шотландскийизобретатель– в 1764 г. запатентовал первые существенные усовершенствованияквакуумномудвигателюНьюкомена, которые сделалиегозначительноболееэффективнымпорасходу топлива, а в 1784 г. создал универсальный паровой двигатель, имеющий черты современных паровых машин, с непрерывным вращением с высокой эффективностью, получившийширокоераспространениеименновпроизводственных целях и сыгравший большую роль в промышленной революции XIX века. Он и сконструировал первоеводомерноестекло– визуальныйуказательуровня жидкости.

В XX веке с развитием науки темпы роста промышленности быстро ускорялись, появлялись все новые отрасли, производства и предприятия. Автоматизация производственных процессов требовала

создания автоматических приборов для измерения уровня жидкости.

Технология автоматического замера уровня жидкого продукта при помощи системы слежения была разработана уже в середине 50-х гг. Вскоре после этого был представлен первый автоматический уровнемер для резервуаров.

Далее различными фирмами-производителями измерительной техники были разработаны поплавковые магнитные выключатели, телеметрические датчики уровня и байпасные указатели уровня для различных отраслейпромышленности. Вдальнейшембылисозданы гидростатические, электрические, акустические, радарные, ультразвуковые и прочие уровнемеры, сконструированныесучетомтребованийконкретныхпроизводств: химической, нефте- и газодобывающей промышленности, топливно-энергетического комплекса, фармацевтической и пищевой промышленности, кораблестроения, машиностроения в целом, строительной индустрии и коммунальной сферы.

Для подтверждения заявленных точностных характеристикуровнемероввРоссиииспользовалисьобразцовые уровнемерные установки, например УУО-Н (из серии УМПВ-1А) по ГОСТ 8.321-78, на базе которой создан современный Государственный специальный эталон единицыдлины(уровня) 1 разрядавдиапазоне0,01–20 м.

Развитие вида измерений в России

Измерениеуровня– достаточнораспространенныйи важныйпроцессвразличныхотрасляхпромышленности России, применяемый для дальнейшего определения массыжидкихисыпучихвеществвмерахвместимости.

Применение современных автоматических средств измеренийуровня(уровнемеров) дляопределенияколичества жидких и сыпучих веществ позволяет не только контролировать, но и обеспечивать автоматизацию процессов, которые раньше выполнялись операторами.

Однойизосновныхзадачсовременнойуровнеметрии Россииявляетсяповышениеточностисредствизмерений уровня, что вносит существенный вклад в улучшение экономических показателей.

Основные направления развития

Повышение точности измерений уровня нефти и нефтепродуктов позволяет повысить достоверность определения количества нефти и нефтепродуктов в нефтегазохимическом комплексе Российской Федерации.

Достигнутая на сегодняшний день точность измерений уровня требует совершенствования как эталонов, так и всей системы передачи единиц измерений от эталона к рабочим средствам измерений в условиях их эксплуатации.

Одной из перспектив развития эталонов уровня жидкости является переход на электронно-оптические методы измерения уровня жидкости, что существенно повысит точность измерения уровня.

Принцип действия

Эталон (рис.1) представляет собой два сообщающихся сосуда в виде металлических труб диаметром 600 мм и высотой 21 метр, в одном из которых располагаетсяизмерительнаясистема. Второйсосудслужитдля

установкинанемповеряемыхуровнемеровпоплавкового, буйкового, емкостного, ультразвукового, радарногои других типов.

Измерительнаясистемаэталона(рис. 2), предназначенадляизмеренияуровняжидкостивдиапазонеот0,01 до 20 метров, реализовананабазеэталонногопоплавкового уровнемера и включает в себя:

–эталонную измерительную ленту 3-го разряда длиной 24 метра;

–стальной полый поплавок;

–груз противовес;

–отсчетнуюсистемунабазепреобразователяугловых перемещений, которыйпозволяетсчитыватьпоказанияизмерительнойлентысразрешающейспособностью0,05 мм.

Назначение и область применения

Государственныйспециальныйэталонединицыдлины (уровня) 1 разряда в диапазоне 0,01–20 м предназначендлявоспроизведения, храненияипередачиединицы длиныприпомощирабочихэталоноврабочимсредствам измерений, применяемым в Российской Федерации, с целью обеспечения единства измерений в стране в области измерения уровня жидкостей.

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

Государственныйспециальныйэталонединицыдлины (уровня) 1 разряда в диапазоне 0,01–20 м не имеет аналогов в России по точностным характеристикам. Также на эталоне применятся метод непосредственного воспроизведения уровня жидкости, что позволяет учитывать факторы, влияющие на уровнемеры в условиях их реальной эксплуатации.

Большинство существующих установок для поверки уровнемеров используют метод имитации уровня жидкости.

Международное сотрудничество. Сличения

Сличения не проводились.

Литература

1.Федеральный закон от 26 июня 2008 г. № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений” (в редакции, актуальной с 1 июля 2014 г., с изменениями и дополнениями, внесенными в текст, согласно Федеральным законам: от

18.07.2011 г. № 242-ФЗ, от 30.11.2011 г. № 347-ФЗ, от 28.07.2012 г. № 133-ФЗ, от 02.12.2013 г. № 338-ФЗ, от 23.06.2014 г. № 160-ФЗ).

2.ГОСТ 8.477-82 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений уровня жидкости.

3.ГОСТ8.660-2009 ГСИ. Уровнемерыпромышленного применения. Методика поверки.

4.Биккулов В. Ш., Кондаков А. В., Гаранин И. О., Ми-

гранов В. М. / Описание Государственного специального эталона единицы длинны (уровня) в диапазоне 0,01–20 м

//Законодательная и прикладная метрология. 2014. № 2.

С. 9–11.

5.Гаранин И. О., Кондаков А. В., Биккулов В. Ш., Рама-

занова Л.Р. / Исследование зависимости глубины погружения поплавка от атмосферного давления и относительной влажностивоздуха// ВестникКазанскоготехнологического университета. 2014. №7. С. 126–128.

6.Кондаков А.В, Биккулов В.Ш., Рамазанова Л.Р. /

Метрологическое обеспечение измерений уровня жидких веществвмерахвместимости// ВестникКазанскоготехнологического университета. 2014. №11. С. 233–235.