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

–разработкисистемыточнойкоррекциипараметров мер магнитной индукции и компенсации внешних магнитныхфакторов, влияющихнаточностьвоспроизведения и передачи единицы магнитной индукции;

–разработки методики измерений углов между магнитными осями многокомпонентных мер магнитной индукции;

–создания эталонного компаратора магнитной индукции переменного поля на основе преобразователя магнитнойиндукциивэлектрическоенапряжениеспренебрежимо малой зависимостью от частоты;

–создания единой эталонной расчетной меры магнитной индукции, магнитного потока и магнитного момента и эталонного компаратора средств измерений этих величин;

–создания эталонной меры градиента магнитной индукции.

– теоретическое обоснование метода контроля стабильности эталонных мер магнитного потока.

Международное сотрудничество. Сличения

Основные компоненты эталонной измерительной системы, определяющие его метрологические характеристики, участвовали в ключевых многосторонних и двусторонних сличениях в процессе выполнения работ по совершенствованию ГПЭ.

Ключевые сличения консультативного комитета по Электричеству и магнетизму – ССЕМ.V-К1 национальныхэталонов10 стран вобласти магнитных измерений. Результаты сличений эталонов единицы Тл/А постоянного поля представлены в таблице 1.

Относительная разность магнитной индукции, воспроизведенной соленоидом ВНИИМ, при токе КРИСС в его обмотке и измеренной эталонным магнитометром КРИСС составила 1,2·10-6, что согласуется с оценкой неопределенностей примененных эталонных средств измерений двух институтов.

Втаблице2 представленыданныепосопоставлению национальныхэталоновстран, имеющихнаиболеевысокий уровень метрологического обеспечения магнитных измерений, почислувоспроизводимыхмагнитныхпараметров иточности воспроизведения ипередачи размера базовой единицы – магнитной индукции.

Литература

1. Shifrin V.Ya., Khorev V.N., Kalabin V.N., Park P.G. Experimental estimation of the accuracy of modern scalar quantum magnetometers in measurements of the Earth’s magnetic field. Journal title: Physics of the Earth and Planetary Interiors. №166. P. 147–152.

2.Shifrin V.Ya., Khorev V.N., Park P.G. Choi C.H., Lee S.

Determination of the tesla to ampere ratio for KRISS-VNIIM gamma p‘-experiments. IEEE Trans. Inst. Meas. 1999. 48 (2). P. 196–199.

3.Shifrin V.Ya., Alexandrov E.B. et al. Magnetic flux density standard for geomagnetometers. Metrologia. 37(3). 2000.

4.Shifrin V.Ya., Khorev V.N., Park P.G. The Precise System for the Direct Current Reproduction on a Basis ofAtom Magnetic Resonance in Helium-4. Metrologia. 36(3). 1999.

5.Shifrin V.Ya., Khorev V.N., Park P.G., Shilov A.E. Research of long-time stability of an atomic magnetic resonance standard system for reproduction of direct current and magnetic flux density. IEEE. Trans. Meas. Instr. 2003.

6.Отчет по теме «НИОКР. Разработка квантовой меры силыпостоянноготоканаосноведвойногорадиооптического атомного магнитного резонанса для совершенствования государственного первичного эталона единицы силы по- стоянногоэлектрическоготокаГЭТ4-91». ФГУП«ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». 2009–2010 гг.

7.Khorev V.N., Shifrin V.Ya., Shubin S.A., Park P.G. Standard measuring system for calibration of magnetic flux denisty gradiometers. СРЕМ 2010. Daejeon. Korea.

В.Я. Шифрин, Д.И. Беляков

СозданвФГУП«СНИИМ» (2006–2008), утвержден приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21.10.2009 г. № 3774.

Методы воспроизведения единиц

– наборы мер единиц относительных магнитной и диэлектрической проницаемостей – расчетные отрезки короткозамкнутой и разомкнутой коаксиальной линии

различной длины с воздушным заполнением для диапазона частот 1–200 МГц;

–измерение смещения резонансной частоты и изменения ширины резонансной кривой коаксиального резонатора переменной длины и тороидального резонатора, вызванных мерой для диапазона частот 0,2–4 ГГц;

–измерение резонансной частоты и добротности меры, помещеннойврадиальныйиликруглыйволноводы для диапазона частот 1–18 ГГц:

– вычисление воспроизводимых параметров по расчетнымсоотношениямдлякаждойэталоннойустановки.

Состав эталона

–меры единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей, тангенса угла диэлектрических и магнитной потерь;

–эталонная установка ЭУ-1 для воспроизведения единиц относительной магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь в диапазоне частот

1–200 МГц;

–эталонная установка ЭУ-2 для воспроизведения единицотносительнойдиэлектрическойпроницаемости

вдиапазоне частот 1–200 МГц;

–эталонная установка ЭУ-3 для воспроизведения единиц относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей и тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь в диапазоне частот 0,6–4 ГГц;

–эталонная установка ЭУ-4 для воспроизведения единицотносительнойдиэлектрическойпроницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот 0,2–2 ГГц;

–эталонная установка ЭУ-5 для воспроизведения единицотносительнойдиэлектрическойпроницаемости

Эталонные установки ЭУ-5, ЗУ-6

итангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот 1–18 ГГц (на основе конструкции радиального волновода);

–эталонная установка ЭУ-6 для воспроизведения единицотносительнойдиэлектрическойпроницаемости

итангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот 1–18 ГГц (на основе конструкции круглого волновода);

–программное обеспечение для эталонных устано-

вок;

–комплект эксплуатационной документации.

Метрологические характеристики

Диапазон рабочих частот 1 МГц...18 ГГц Диапазон воспроизводимых значений единиц:

–относительной диэлектрической проницаемости

1,2...400;

–относительноймагнитнойпроницаемости1,5...100;

–тангенсаугладиэлектрическихпотерь0,00005...0,01;

–тангенса угла магнитных потерь 0,001...1. Оценка случайной погрешности воспроизведения

единиц:

– относительныхдиэлектрическойимагнитнойпро-

ницаемостей 0,0002...0,002;

Кпромышленныммагнитомягкимматериалам(далее

МММ) относится, прежде всего, электротехническая сталь. Как отмечено в литературе, объем производства и потребления электротехнической стали практически пропорционален количеству вырабатываемой электроэнергии, а этот показатель характеризует уровень промышленного развития той или иной страны [1].

Одной из важнейших характеристик МММ (в частности, электротехнической стали) являются магнитные потери, то есть мощность магнитных потерь и удельная мощностьмагнитныхпотерь. Этахарактеристикарешающимобразомвлияетнакоэффициентполезногодействия электрооборудования.

Внормативной документации, регламентирующей технические требования и методы определения магнитных свойств МММ [2–6], применяются термины «магнитные потери» и «удельные магнитные потери», которые в стандарте [8] определены как одна и та же физическая величина. Поэтому в проекте стандарта на государственную поверочную схему для средств измерений мощности магнитных потерь были введены и определеныединицыизмерения, основанныенасистеме единиц СИ:

– мощность магнитных потерь (магнитные по-

тери): мощность, рассеиваемая в виде тепла в образце магнитомягкого материалапривоздействиинаобразец периодически меняющегося во времени магнитного поля, Вт;

– удельнаямощностьмагнитныхпотерь(удельные магнитные потери): мощность, рассеиваемая в виде тепла в единице массы магнитомягкого материала при воздействии на материал периодически меняющегося во времени магнитного поля, Вт/кг.

В1993 г. в Свердловском филиале ВНИИМ им. Д.И. Менделеева(внастоящеевремя– ФГУП«УНИИМ») быларазработанаустановкавысшейточностидлявоспроизведения единицмощностимагнитныхпотерьУВТ82- А-93, возглавляющаягосударственнуюповерочнуюсхему

поМИ2378 [7, 10], котораядомарта2012 г. устанавливала порядок передачи единиц мощности магнитных потерь от УВТ к рабочим СИ. В качестве средств передачи единицы используются СО утвержденных типов. Было разработано 7 типов ГСО удельных магнитных потерь.

Внастоящеевремяразработаниутвержденприказом Росстандарта № 287 от 3 мая 2012 г. Государственный первичный эталон единиц мощности магнитных потерь ГЭТ 198-2011, обеспечивающий воспроизведение и передачу единиц мощности и удельной мощности магнитных потерь.

Принцип действия установок, входящих в состав эталона, основан на индукционном методе измерений, базирующемсянаиспользованиизаконаэлектромагнитной индукции Фарадея, устанавливающего связь между электродвижущей силой, наведенной в измерительной обмотке образца, и скоростью изменения магнитного потока. Методизмерения, использованныйвэталоне, ос- нованнааналого-цифровомпреобразованиимгновенных значений сигналов, пропорциональных напряженности магнитногополянаповерхностиобразцаипроизводной по времени средней по сечению образца магнитной индукции в цифровые коды с последующим вычислением магнитных характеристик образца [11].

ЭталонпозволяетвоспроизводитьмощностьмагнитныхпотерьиудельнуюмощностьмагнитныхпотерьвобразцахМММввиделистов, полосдляаппаратаЭпштейна и колец при синусоидальном изменении индукции:

–в диапазоне частот перемагничивания от 50 Гц до

200 кГц;

–вдиапазонезначенийамплитудымагнитнойиндукции от 0,1 до 1,8 Тл;

–вдиапазонезначениймассыобразцаот0,1 до1,2 кг. Государственный первичный эталон единиц мощ-

ности магнитных потерь включает в себя:

–установку ЦИКЛ, предназначенную для хранения

ивоспроизведенияединицмощностимагнитныхпотерь в образцах МММ в виде полос для аппарата Эпштейна

толщиной от 0,10 до 0,65 мм и образцов кольцевой формы, изготовленныхсогласнотребованиямГОСТ12119.4 [2], ГОСТ 21427.1 [3], ГОСТ 21427.2 [4], ГОСТ 21427.4 [5], ГОСТ 10160 [8], ГОСТ 12635 [9] в диапазоне частот от 50 Гц до 200 кГц;

–установкуЦИКЛ-2, предназначеннуюдляхранения

ивоспроизведенияединицмощностимагнитныхпотерь в образцах в виде листов длиной от 500 до 1000 мм, шириной от250 до 500 мм, толщинойот 0,20 до 0,65 мм

ивобразцахкольцевойформы, изготовленныхсогласно ГОСТ 12119.4 [2] и ГОСТ 10160 [8], в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц;

–весы электронные с диапазоном измерений от 0 до 1,5 кг и расширенной неопределенностью 0,01 г;

–ленту измерительную с диапазоном измерения от 0 до 2 м и расширенной неопределенностью 0,16 мм;

–калибратор универсальный Н4-7 с диапазоном измерения переменного синусоидального напряжения от 0,1 до 700 В и расширенной неопределенностью 0,01%;

–стандартные образцы удельных магнитных потерь ГСО3134-85 (СОДМС-Э1) №№17,18; ГСО859-76 (СО- ТЭС-1) № 1; ГСО 2002-80 (ИНЭС-1) № 04.

ОсобенностьюустановкиЦИКЛ-2 являетсявозможность измерения магнитных характеристик образцов листовой формы двумя методами: с использованием образцового резистора R для измерения напряженности магнитного поля и с использованием катушек поля, размещенныхвнутрилистовогоаппарата, дляизмерениянапряженностимагнитногополя. Приэтомиспользование катушекполяприизмерениинапряженностимагнитного поляимощностимагнитныхпотерьпозволяетисключить влияние формы замыкающего магнитный поток ярма, используемого в аппарате листов.

ГЭТ 198-2011 имеет следующие метрологические характеристики:

–диапазон воспроизведения мощности магнитных потерь от 0,1 до 20 Вт;

–диапазон воспроизведения удельной мощности магнитных потерь от 0,1 до 200,0 Вт/кг;

–стандартная неопределенность воспроизведения мощности и удельной мощности магнитных потерь, оцениваемаяпотипуАпри10 независимыхизмерениях, составляет от 0,05 до 0,1% в зависимости от частоты;

–стандартная неопределенность воспроизведения мощности и удельной мощности магнитных потерь, оцениваемая по типу В, составляет от 0,06 до 0,35% в зависимости от частоты;

–расширеннаянеопределенность(приК=2) находится в диапазоне от 0,2 до 0,8%.

Передача единиц мощности и удельной мощности магнитных потерь от государственного первичного эталона осуществляется методом прямых измерений с помощьюэталонов1-горазряда, представляющихсобой стандартныеобразцы, аттестованнымзначениемкоторых являются мощность магнитных потерь (для образцов кольцевой формы) или удельная мощность магнитных

потерь при заданных значениях амплитуды магнитной индукции и частоты перемагничивания.

Для оценки измерительных возможностей эталона в 2010–2012 гг. былиуспешнопроведеныдополнительные сличения установок, входящих в состав эталона с эталонными установками Физико-технического института (РТВ) ГерманиииЧешскогометрологическогоинститута (CMI) Республики Чехия.

Результатысличенийпоказалиэквивалентностьэталонныхсредствизмеренийстран– участниковсличений.

Таким образом, разработан, утвержден и введен в

действие государственный первичный эталон единиц мощности магнитных потерь ГЭТ 198-2011, характеристики которого соответствуют мировому уровню.

На эталоне проводятся работы по созданию новых утвержденных типов стандартных образцов магнитных свойств МММ, обеспечивающих градуировку, поверку (калибровку), испытаниявцеляхутверждениятипавсех имеющихсясредствизмерениймагнитныхсвойствМММ

как отечественного производства, так и импортных.

Литература

1.Корзунин Г.С. Современное состояние контроля некоторых магнитных характеристик анизотропной электротехнической стали (обзор) // Дефектоскопия. 2001. № 10.

С. 23–57.

2.ГОСТ12119.4-98. Стальэлектротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения удельных магнитных потерь и действующего значения напряженности магнитного поля.

3.ГОСТ21427.1-83. Стальэлектротехническаяхолоднокатанаяанизотропнаятонколистовая. Техническиеусловия.

4.ГОСТ 21427.2-83. Сталь электротехническая холоднокатанаяизотропнаятонколистовая. Техническиеусловия.

5.ГОСТ21427.4-83. Лентастальнаяэлектротехническая холоднокатаная анизотропная. Технические условия.

6.ГОСТ Р 53934-2010. Прокат тонколистовой холоднокатаный из электротехнической анизотропной стали. Технические условия.

7.МИ2378-96. ГСИ. Государственнаяповерочнаясхема для средств измерений магнитных потерьвмагнитомягких материалах в диапазоне частот от 50 Гц до 200 кГц. Реко-

мендация. – Екатеринбург: УНИИМ, 1996.

8.ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитомягкие. Технические условия.

9.ГОСТ 12635-67. Материалы магнитомягкие высокочастотные. Методы испытаний в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц.

10.Дидик Ю.И., Корзунин Г.С., Малюк В.П. Метро-

логическое обеспечение измерений магнитных потерь в магнитомягких материалах при синусоидальном режиме

перемагничивания // Дефектоскопия. 2003. № 5. С. 68–76. 11. Малюк В.П., Люхина И.В., Корзунин Г.С. Влияние несинусоидальностирежимаперемагничиваниянаудельные магнитные потери в электротехнической стали // Дефекто-

скопия. 2012. № 9. С. 24–30.

Измерения радиотехнических величин являются одним из наиболее массовых видов измерений. Период бурного развития радиоизмерений в нашей стране начался в середине прошлого века и был связан с ростом парка радиоизмерительных приборов, а также острой необходимостью разработки высокоточных средств и методов измерений. К середине 50-х гг. направление радиоизмерений было сформировано во вновь созданном Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), где были начаты работы по созданию установокдляповеркичастотоизмерительнойаппаратуры, измерителейрадиопомех, токанавысокихчастотах, свойств диэлектриков.

Первый этап по созданию комплекса радиотехнических эталонов, обеспечивавших единство и достоверность радиоэлектронных измерений в стране, был завершен в 1976 г.

В1972 г. был утвержден государственный специальный эталон единицы мощности электромагнитных колебаний в волноводных трактах в диапазоне частот

2,59–37,5 ГГц (ГЭТ 26-72);

В1973 г. – государственныйспециальныйэталонединицы напряженности электрического поля в диапазоне частот 0,15–30 МГц (ГЭТ 45-73);

В1973 г. – государственный специальный эталон единицы напряженности магнитного поля в диапазоне частот 0,01–30 МГц (ГЭТ 44-73);

В1975 г. – государственныйспециальныйэталонединицы напряженности электрического поля в диапазоне частот 30–1000 МГц (ГЭТ 96-75).

Вэто время создавались не только исходные государственныеэталоны, возглавлявшиеповерочныесхемы средствизмерений, ноодновременноразрабатывалисьи изготавливалисьприборы, относящиесяксреднемузвену поверочнойсхемы – образцовымсредствамизмерений – предназначеннымдляиспытанийрабочихсредствизмерений и контроля их метрологических характеристик в течение жизненного цикла. Таким образом, была возведенапирамида, воснованиикоторойнаходилисьрабочие средства измерений, разрабатываемые и выпускаемые серийно промышленностью.

Характерной особенностью при создании первых исходных эталонов являлось то, что эталонные первичные преобразователи, которые являлись основой

эталона, разрабатывались и изготавливались силами работников ФГУП «ВНИИФТРИ». Существовал свое- образныйсплавсотрудниковнаучно-исследовательских лабораторийимакетноймастерской, вкоторойработали высококлассные профессионалы, которые могли не только изготовить деталь, но и разработать технологию изготовления конструкции в целом, исходя из ее функциональногоназначения исуществующихтехнических возможностей.

Следующимважнейшимэтапомвразвитииэтогонаправления стало создание комплекса военных эталонов для основных физических величин в радиоизмерениях, работы по которому были завершены к началу 80-х гг.

Впериод существования СССР его эталонная база на уровне государственных первичных эталонов (ГЭТ) была сконцентрирована в 10 государственных научных метрологических институтах, три из которых после 1991 г. оказались за пределами Российской Федерации. При этом в НПО «Метрология» (Украина) и ВНИИРИ (Армения) былососредоточенозначительноеколичество радиотехнических и антенных эталонов.

За короткий срок ВНИИРИ, который изначально являлсяфилиаломВНИИФТРИ, создалгосударственные специальные эталоны единиц коэффициента усиления, распределенияотношенийнапряженностейполяизлучения, коэффициента направленного действия в измеряемой плоскости, коэффициента поляризации в главном направлении поля излучения и эффективной площади антенных систем.

С1986 г. ВНИИФТРИбылиразвернутыисследования

вобластиметрологииэлектромагнитныхполейвсвободном пространстве на частотах выше 1 ГГц.

Учитываяпостоянновозрастающиеметрологические потребностирадиоприборостроения, былипродолжены работы по дальнейшему совершенствованию государственныхэталонов, повышениюихточности, освоению новых частотных и динамических диапазонов.

Внастоящее время актуальной проблемой в области радиотехническихвеличинявляетсяповышениеэффективностиметрологическогообеспеченияприоритетных, перспективных направлений экономики, обороны и социального развития Российской Федерации. В частности, предстоит решить задачу обеспечения единства измеренийвприоритетныхнаправленияхикритических технологиях, «Перечни» которых утверждены Прези-

Традиционнымивкачествеперспективныхявляются направления, связанныесрасширениемдиапазоначастот существующих и создания новых эталонов в области миллиметрового диапазона частот:

–Ведется плановая работа по совершенствованию государственного первичного эталона единицы мощности электромагнитных колебаний в диапазоне частот 37,50–53,57 ГЭТ167-2005 сцельюрасширенияверхнего значения диапазона частот до 78 ГГц.

–Имеетсясерьезныйзадел(специальноепомещение, аппаратура) длясозданияпервичногоэталонакомплексного отражения в волноводных трактах в диапазоне частот до 110 ГГц, в перспективе до 170 ГГц.

–Существует потребность в повышении статуса исходного эталона 3.1.ZZT.0014.2012 единицы спектральной плотности энергетической яркости и единицы радиояркостной температуры в микроволновой области спектра от 18,1 до 118,3 ГГц с расширением диапазона частот до 220 ГГц.

Полученныерезультатыисозданныезаделыпозволяютсформулироватьследующуюстратегиюпоразвитию основногонаправления– обеспечения единстваизмерений в закрепленных областях:

–ПоследовательноерасширениечастотногодиапазонапервичногоэталонаСВЧмощностидо178 (200) ГГц;

–Расширение частотного диапазона первичных эталонов ослабления электромагнитных колебаний и спектральной плотности мощности шумового радиоизлучения;

–Создание первичного эталона комплексного коэффициентаотраженияипередачивволноводныхтрактах;

–Создание вторичного эталона комплексного коэффициентаотраженияипередачивкоаксиальныхтрактах;

–Освоение и выпуск во ВНИИФТРИ по заказам потребителейрабочихэталоновмощностиикомплексного коэффициента отражения в волноводных трактах;

–Расширение функциональных возможностей эталона плотности потока электромагнитной энергии, для метрологическогообеспеченияизмеренийамплитудных, фазовыхиполяризационныхпараметровизмерительных антенн в диапазоне частот от 1 до 40 ГГц:

–Создание специального первичного эталона фазовых параметров антенн глобальных навигационных систем (ГНСС);

–Совершенствование первичного специального эталона единицы девиации частоты с уменьшением неисключенной систематической погрешности до (0,02–0,05)%, расширением частотного диапазона до 18 ГГц, диапазоназначенийдевиациичастотыдо10 МГц;

–Расширениечастотногодиапазонапервичногоэталона единицыкоэффициентаамплитудноймодуляциидо18 ГГц.

–Расширениечастотногодиапазонапервичногоэталонанапряженностимагнитногополядо300 (1000) МГц;

–Создание вторичного эталона напряженности электрического поля до 3 ГГц на базе расчетных антенн

сВЧ-выходом;

–Созданиепервичногоэталонарадиояркостнойтемпературы (РЯТ) и спектральной плотности энергетическойяркости(СПЭЯ) вмикроволновойобластиспектра; Данные мероприятия проводятся с учетом современных и перспективных направлений развития радио-

электронной промышленности.