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

С.А. Колотыгин

ГосстандартСССРв80-хгг. прошлогостолетияначал работынабазеВНИИФТРИпосозданиюэталоннойбазы вобластиизмеренийскоростизвукавводе. Итогомэтих работ явилась разработка Государственного первичного эталона единицы скорости звука в жидких средах ГЭТ 201-2012, утвержденного согласно приказу № 1216 от 28.12.2012 г. Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Министерства промышленности и торговли РФ.

Ученый-хранитель Белогольский Владимир Андреевич.

Диапазон воспроизведения единицы скорости звука и передачи ее размера в жидкостях (800…2000) м/с при температурах (– 4…+ 50) оС, избыточных давлениях

(0…60) МПа.

Среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измерений скорости звука не превышает 0,005 м/с.

Несключеннаясистематическаяпогрешностьрезультата измерений скорости звука не превышает 0,04 м/с.

Стандартнаянеопределенностьрезультатаизмерений скорости звука, оцененная по типу А, UA = 0,005 м/с.

Стандартнаянеопределенностьрезультатаизмерений скорости звука, оцененная по типу В, UB = 0,02 м/с.

Суммарнаястандартнаянеопределенностьрезультата измерений скорости звука UC = 0,02 м/с.

Расширенная неопределенность результата измерений скорости звука U = 0,04 м/с при коэффициенте охвата К = 2.

Межаттестационный интервал составляет 5 лет. УтвержденнациональныйстандартРФГОСТ8.8702014 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений скорости звука в жидких средах в диапазонеот800 до2000 м/с» согласноприказу№538-ст от11.06.2014 г. Федеральногоагентствапотехническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Министер-

ства промышленности и торговли РФ.

ГЭТ 201-2012 представляет собой комплекс из трех самостоятельных установок. Установка Э-1 работает при атмосферном давлении, установки Э-2 и Э-3 – при гидростатических давлениях. Установки объединены эталонным измерительным преобразователем скорости звука, обеспечивающим взаимное сличение установок при нормальных условиях.

Области применения ГЭТ 201-2012: гидроакустика, гидрофизика, океанография, экология, медицина, оборонная промышленность.

Основным элементом ГЭТ 201-2012 является эталонныйизмерительныйпреобразовательскоростизвука ЭИПСЗ. В нем реализован времяпролетный метод измеренияскоростизвука. Привоспроизведенииединицы скоростизвукаЭИПСЗпомещаютврабочуюкамеру, заполненнуюрабочейжидкостью. Врежиместабилизации температуры и избыточного давления, если оно задано, производятизмерениятемпературыивременныхинтервалов. Результаты измерений обрабатывают на ПЭВМ. Измерения скорости звука инвариантны к свойствам

Установка Э-1 для измерений при атмосферном давлении в диапазоне температур (– 4…+ 50) оС

Установка Э-2 для измерений при избыточных гидростатических давлениях (0…60) МПа в диапазоне температур (+ 1…+ 35) оС для малогабаритных изделий (габариты не более = 90 мм, h = 150 мм)

Установка Э-3 для измерений при избыточных гидростатических давлениях (0…15) МПа в диапазоне температур (+ 15…+ 25) оС

для крупногабаритных изделий (габариты не более = 400 мм, h =1000 мм)

Гидроакустические измерения с момента образования ВНИИФТРИ и по настоящее время являются одним из основных направлений его деятельности. В 70-х гг. прошлого века во ВНИИФТРИ была создана эталонная база в области гидроакустических измерений в виде государственных эталонов ГЭТ 55-74 и ГЭТ 103-77. Так как данная эталонная база к середине 80-х гг. уже не удовлетворяла возросшим потребностям науки и техники, то в 1991 г. был разработан и введен в строй эталонный комплекс второго поколения ГЭТ 55-91 с меньшимипогрешностямивоспроизведенияипередачи размера единицы звукового давления.

В2006–2008 гг. ФГУП «ВНИИФТРИ» выполнил первый (ГЭТ 55-2008), а с 2009 по 2011 гг. второй этап (ГЭТ55-2011) посовершенствованиюгосударственного первичного специального эталона единицы звукового давлениявводнойсреде. Врезультатеэтойработыбыли созданы новые автоматизированные установки, расши- ренчастотныйдиапазонвобластьнизкихчастотс10-2 до 10-3 Гц, сниженапогрешностьвоспроизведенияединицы звукового давления в 1,5–2 раза.

В2012 г. был утвержден новый государственный первичный специальный эталон единицы звукового давления в водной среде ГЭТ 55-2011.

Вэталоне используется гидростатический метод, метод сличения, метод взаимности в малой камере (при избыточном статическом давлении от 0,5 до 50 МПа) и метод взаимности в свободном поле (в большом гидроакустическом бассейне и баке).

Первичный специальный эталон состоит из комплекса следующих технических средств и специальных инженерных сооружений:

–установка Э-1 для воспроизведения звуковых давленийот80 до100 Павполестоячей волнывчастотном диапазоне от 0,001 до 1 Гц;

–установкаЭ-2 длявоспроизведениязвуковыхдавлений от 0,5 до 1000 Па в поле стоячей волны в частотном диапазоне от 0,5 до 2000 Гц;

Установка Э-1: 0,001…1 Гц

Установка Э-2: 0,5…2000 Гц

–установка Э-3 для воспроизведения звуковых давлений от 20 до 50 Па в поле стоячей волны в диапазоне частот от 0,5 до 500 Гц при избыточном гидростатическом давлении от 0,5 до 50 МПа;

–установка Э-4 для воспроизведения звуковых давленийот10 до200 Павполебегущейволнывдиапазоне

частот от 1,0·103 до 2,5·105 Гц в гидроакустическом бассейне размерами 10х6х6 м;

– установка Э-5 для воспроизведения звуковых давленийот50 до250 Павполебегущейволнывдиапазоне частот от 1,6·105 до 1,0·106 Гц в гидроакустическом бассейне размерами 1,5х1х1 м.

Перспективы дальнейшего совершенствования первичного эталона

Анализ результатов международных сличений и тенденций развития рабочих средств измерений выявил основные направления развития гидроакустических эталонов:

–измерение комплексных частотных характеристик на «непрерывной» сетке частот;

–использование сигналов со сложным спектром;

–измерение частотной характеристики в полосе частот (1/3 октава и др.)

–измерение частотной характеристики крупногабаритных измерительных гидроакустических мо-

дулей в условиях лабораторных гидроакустических бассейнов;

–исследование влияния конструкций гидроакустическихмодулейиэлементовкрепленияначувствительность измерительных гидрофонов;

–измерение чувствительности и характеристик направленностипротяженныхгидроакустическихантенн

ицепочек гидрофонов;

–расширение частотного диапазона эталонов в ультразвуковую область до 40 МГц;

–реконструкция диаграммы направленности и чувствительности крупногабаритных приемных и излучающих систем по измерениям в ближней и переходной зоне.

Параметры распространения ультразвуковых (УЗ) волн различных типов в твердых средах (скорость распространения и коэффициент затухания) являются важнейшимихарактеристикамиприисследованиях, диагностике состояния и контроле свойств твердых сред. В неразрушающемконтролекачестваматериаловиизделий ультразвуковой неразрушающий контроль в настоящее время является одним из наиболее надежных, достоверных и информативных методов оценки состояния материаловиизделий. Такиеинформативныепараметры, какскорость, затухание, дисперсияскоростиизатухания, структура ультразвуковых волн неразрывно связаны с физико-механическими характеристиками материала, в котором они распространяются.

Наиболееперспективныминаправлениямиразработкиисходныхэталонныхсредствизмеренияявляетсяприменение бесконтактных методов возбуждения и приема ультразвуковых волн, к которым относятся лазерный и емкостныйметодыизмерений, которыепозволяютпроводитьизмерениявширокойполосечастотиобеспечивают существенное повышение точности и достоверности результатов измерений.

ВДальневосточном филиале ФГУП «ВНИИФТРИ» (ранее– ХабаровскийфилиалВНИИФТРИ, НПО«Дальстандарт», ФГУП«ВНИИФТИ«Дальстандарт»), начиная

с1971 г. (т. е. одними из первых в мире), проводились исследования бесконтактных (т. е. исключающих механический и акустический контакт между преобразователями и объектом) оптических методов возбуждения и регистрации акустических волн лазерным излучением,

ас 1980 г. – емкостных методов.

Вотличие от зарубежных исследователей, при изучении лазерной генерации ультразвука сразу было выбрано направление на разработку соответствующих бесконтактныхширокополосныхприемниковУЗ-волн– лазерныхинтерферометров. Былиразработаныметоды достижения наивысших значений технических характеристик широкополосных бесконтактных приемников ультразвуковых волн: лазерного интерферометра, а также емкостного датчика с тонкопленочным диэлектриком. Изучены механизмы возбуждения и выявлены оптимальные режимы генерации продольных, сдвиговых и поверхностных УЗ-волн. На базе разработанных акустических приемников были созданы устройства для измерения колебаний и перемещений в широкой полосе частот и порогом чувствительности, близким к предельному, анаосновемоноимпульсныхтвердотельных лазеров созданы генераторы акустических волн, позволяющие возбуждать короткие и сверхкороткие акустические импульсы различных типов волн (наносекундный и субнаносекундный диапазон) со стабильными амплитудно-временными характеристиками и управлять формой волны. Разработаны высокоточные методикиизмеренияпараметровраспространения акустических волн: скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн; коэффициента

затухания ультразвуковых волн; дисперсии скорости и затухания.

Полученный теоретический и экспериментальный задел позволил заложить основы метрологического обеспечения акустических измерений в твердых средах, включающие в себя создание ряда установок высшей точности – УВТ, рабочих эталонов высших разрядов – РЭ, разработку системы передачи размеров единиц физических величин (скорости, затухания) от УВТ рабочим средствам измерений – Рекомендаций по метрологии (МИ).

Опытиспользованияисовершенствованияустановок высшей точности УВТ 39-А-86 для измерения скорости распространения продольных УЗ-волн и УВТ 79-А-92 дляизмеренияскоростираспространенияповерхностных УЗ-волн позволил убедиться в правильности принятых техническихрешенийиприступитьв2006 г. кразработке наихбазегосударственногопервичногоэталонаединиц скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных ультразвуковых волн в твердых средах, предназначенного для обеспечения единства в области акустических измерений в твердых средах на новом качественном уровне.

На первом этапе создания данного ГПЭ был разработан и утвержден в 2010 г. государственный первичный эталон единицы скорости распространения продольных УЗ-волн ГЭТ 189-2010. В 2011 г. впервые утвержден ГОСТ Р 8.756-2011 «ГСИ. Государственная поверочнаясхемадлясредствизмеренийскоростираспространения продольных УЗ волн в твердых средах», обеспечивающий прослеживаемость средств ультразвуковых измерений и неразрушающего контроля к национальному эталону.

В2012 г. в состав ГЭТ 189 были введены еще две эталонные установки: для воспроизведения единиц скоростей распространения сдвиговых УЗ-волн (совмещенной с эталонной установкой по продольным УЗволнам) иповерхностныхУЗ-волн, такжеразработанные набазебесконтактныхоптическихметодоввозбуждения

ирегистрацииУЗ-волн. ГПЭполучилнаименованиеГЭТ 189-2012 – Государственный первичный эталон единиц скоростейраспространенияпродольных, сдвиговыхипо- верхностныхУЗ-волнвтвердыхсредах. Такимобразом, ГЭТ 189-2012 обеспечивает единство измерений скоростейраспространениявсехосновныхтиповакустических волн в твердых средах.

В2014 г. утвержден пересмотренный ГОСТ Р 8.756-

2014 нагосударственнуюповерочнуюсхемудлясредств измеренийскоростейраспространенияУЗ-волн. Государственный первичный эталон ГЭТ 189-2012 возглавляет государственную поверочную схему, состоящую из 3-х частей (для средств измерений соответственно каждого типа скорости УЗ-волн в твердых средах, а в дальнейшем– икоэффициентовзатуханияразличныхтиповУЗволн), в которой передача размеров единиц от высшего звена поверочной схемы осуществляется через эталоны