Представляю вам специальный номер журнала «Измерительная техника», посвящённый знаменательной дате – 70-летнему юбилею Всероссийского    научно-исследовательского    института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ)

Приведены результаты исследований, направленных на обеспечение единства измерений твёрдости по шкалам Виккерса и по шкалам Кнупа. Рассчитаны составляющие случайной и систематической погрешности воспроизведения чисел твёрдости Виккерса HV в диапазоне 2000–5000 и чисел твёрдости Кнупа HK в диапазоне 17–2500. Исследования обусловлены, во-первых, тем, что твёрдость керамик, применяемых в промышленности и медицине, больше 2000 HV, и измерения твёрдости по шкалам Виккерса изделий из указанных керамик не прослеживались к Государственному первичному специальному эталону твёрдости металлов по шкалам Виккерса ГЭТ 31-2010. Во-вторых, отпечаток наконечника Виккерса имеет квадратную форму, поэтому при измерениях твёрдости на ограниченном участке поверхности, например вблизи сварного шва, один из углов отпечатка выходит за границы измеряемой зоны, что приводит к некорректной оценке твёрдости исследуемого участка поверхности. Метод Кнупа, реализуемый с применением наконечника, основание которого выполнено в виде ромба с одной короткой стороной, решает проблему корректного исследования твёрдости на ограниченном участке поверхности. Разработана и включена в состав Государственного первичного эталона твёрдости по шкалам Виккерса и шкалам Кнупа ГЭТ 31-2024 эталонная установка, позволяющая воспроизводить числа твёрдости Виккерса HV в диапазоне 2000–5000 и числа твёрдости Кнупа в диапазоне 17–2500. Таким образом, обеспечена прослеживаемость результатов измерений, полученных с применением твердомеров, к ГЭТ 31-2024. Исследованы метрологические характеристики ГЭТ 31-2024. Применение прослеживаемых к ГЭТ 31-2024 твердомеров позволяет точно оценивать механические свойства   новых   материалов,   прогнозировать   эксплуатационные   характеристики   изделий из новых материалов, повысить достоверность контроля твёрдости изделий.

Проведён экспериментальный анализ программного обеспечения, применяемого для вычисления координат центров эталонных сфер с помощью лазерных координатно-измерительных систем. Выявлено, что проанализированное программное обеспечение производителей лазерных координатно-измерительных систем избыточно по функционалу и предназначено для реализации комплекса крупных научных и образовательных проектов, но не предназначено для решения задач метрологического обеспечения лазерных координатно- измерительных систем. Рассмотренные примеры программного обеспечения не являются метрологическими программами и требуют оптимизации для использования их в целях метрологии. Решена задача высокоточной обработки измерительных данных (трёхмерных облаков точек) при оценке метрологических характеристик наземных лазерных координатно-измерительных систем. Разработано программное обеспечение (алгоритм обработки результатов измерений), позволяющее определять координаты центра эталонной сферы с запасом метрологической точности, достаточным для калибровки по основной характеристике средств измерений типа абсолютные трекеры и сканеры. Предложен алгоритм, реализованный в программной среде MATLAB, позволяющий из набора измерительных пространственных данных распознать сферу и вычислить координаты местоположения её центра, тем самым качественно оценить основную метрологическую характеристику лазерных координатно-измерительных систем. Приведены результаты эксперимента с использованием предложенного алгоритма вычисления координат центров эталонных сфер, входящих в состав эталонного комплекса трёхмерных измерений (измерений координат, приращений координат) в диапазоне 0–60 м из состава Государственного первичного специального эталона единицы длины ГЭТ 199-2024. Эффективность предложенного алгоритма подтверждена результатами реальных измерений. В перспективе разработанный алгоритм будет включён в состав специального программно-математического обеспечения, которое найдёт применение в работе центров стандартизации и метрологии, а также аккредитованных метрологических лабораторий, и позволит прийти к унифицированному способу обработки результатов измерений абсолютных трекеров, наземных лазерных сканеров и их аналогов.

Для определения частот акустического и электромагнитного резонанса в акустической газовой термометрии разработан метод аппроксимации частотных зависимостей акустического сигнала и комплексного коэффициента пропускания резонатором электромагнитного излучения, не требующий задания начального приближения параметров аппроксимации. Метод основан на представлении функции, используемой для аппроксимации частотных зависимостей в акустической газовой термометрии, в виде рациональной функции. Аппроксимация экспериментальной частотной зависимости рациональной функцией сводится к быстро сходящейся последовательности линейных аппроксимаций, которая легко реализуется на персональном компьютере. Отсутствие необходимости задания начального приближения параметров аппроксимации значительно упрощает и ускоряет апроксимацию частотных зависимостей и определение резонансных частот. Проведена аппроксимация рациональной функцией температурных зависимостей сопротивления эталонных родий-железных термометров в диапазоне температур 0,5–273 К как альтернатива традиционной аппроксимации полиномами двух разных типов в двух температурных поддиапазонах 0,5–26 К, 26–273 К. Показано, что при аппроксимации температурной зависимости сопротивления родий-железного термометра единой рациональной функцией в диапазоне температур 0,5–273 К отклонение аппроксимирущей функции от экспериментальных значений температуры не превышает 0,5 мК. Количество параметров аппроксимации рациональной функции меньше, чем при аппроксимации полиномами двух типов с сопоставимым отклонением аппроксимирующей функции в экспериментальных точках. Полученный результат значительно упрощает перевод сопротивления в температуру при использовании родий-железных термометров сопротивления.

Обновление парка радиотехнических и электромагнитных средств измерений обусловлено внедрением наукоёмких технологий, модернизацией изделий радиоэлектронной промышленности. Применение компонентной базы нового поколения в современных средствах измерений позволило улучшить их параметры, такие как диапазоны измерений и частот, инструментальная погрешность. Вследствие этого погрешность средств измерений мощности сверхвысокой частоты ограничивается метрологическими характеристиками рабочих эталонов и методов измерений, применяемых при передаче единицы. Поэтому необходимо совершенствовать теорию и методологию воспроизведения и передачи единицы мощности электромагнитных колебаний от государственного первичного эталона. Сформирована система требований к первичным и рабочим эталонам, которая учитывает результаты измерений комплексных коэффициентов отражения для уменьшения погрешности рассогласования и критерии стабильности. Представлены результаты научно-исследовательских работ по созданию первичных, вторичных, рабочих эталонов и средств измерений мощности электромагнитных колебаний в диапазоне 37,5–178,4 ГГц. Предложены пути обеспечения метрологической прослеживаемости измерений мощности электромагнитных колебаний в диапазоне частот 9·10–6–178,4 ГГц с погрешностью не более 1,5 %. Предложена концепция построения государственной поверочной схемы для средств измерений мощности с использованием заимствованных рабочих эталонов единиц комплексных коэффициентов отражения и передачи, ослабления, частоты. Основные элементы создаваемой системы воспроизведения и передачи единицы сверхвысокочастотной мощности, включая государственный первичный эталон с расширенным диапазоном частот, рабочие эталоны, серийно выпускаемые ваттметры, обеспечивают повышение точности измерений при разработке и испытаниях современных радиотехнических комплексов.

Рассмотрена необходимость создания исходного рабочего эталона единицы относительного уровня фазового шума для обеспечения метрологической прослеживаемости измерений фазовых шумов в области малых значений. Актуальность создания такого эталона обусловлена возросшими требованиями к кратковременной стабильности частоты современных генераторов сигналов и высокостабильных кварцевых генераторов, характеризуемой относительным уровнем фазового шума. Отмечено, что в рамках имеющихся методик поверки погрешность измерений фазовых шумов определяется методом синусоидальной фазовой модуляции, который не охватывает диапазон малых значений фазовых шумов. Экспериментально показано существование дополнительных неучтённых источников погрешности измерений фазовых шумов в области малых значений, подтверждённое в различных зарубежных публикациях. С целью включения в состав исходного рабочего эталона разработан калибратор относительного уровня фазового шума на основе метода аддитивного белого гауссова шума, обеспечивающий воспроизведение единицы в области малых значений фазовых шумов. Для передачи единицы относительного уровня фазового шума в рамках локальной поверочной схемы предложено применять компаратор в виде анализатора фазовых шумов. При этом воспроизводимые калибратором значения относительного уровня фазового шума близки к измеряемым значениям за счёт возможности регулировки уровня аддитивного белого гауссова шума. Такой подход позволил уменьшить погрешность измерений относительного уровня фазового шума в два-три раза по сравнению с нормируемой погрешностью анализаторов фазовых шумов и обеспечил достоверность оценки фазовых шумов в области малых значений.

Описана обновлённая эталонная база ВНИИФТРИ в области гидроакустических измерений. Приведены сведения о специальном многофункциональном метрологическом бассейне, гидроакустическом баке избыточного давления, метрологических характеристиках эталонных установок из составов Государственного первичного эталона единиц звукового давления и колебательной скорости в водной среде ГЭТ 55-2017, Государственного первичного эталона единицы мощности ультразвука в воде ГЭТ 169-2019, Государственного первичного эталона единицы скорости звука в жидких средах ГЭТ 201-2012. Предложена модель гидрофона в виде звена опережения и минимально-фазового четырёхполюсника, введено понятие энергетической чувствительности в полосах частот, предложен способ определения эффективного размера гидрофона и получения его минимально-фазовой частотной характеристики чувствительности, реализованный в ГЭТ 55-2017. Предложен способ представления комплексной частотной характеристики чувствительности формулой и сформулированы требования к функционалу цифровой метрологической платформы. ГЭТ 169-2019 дополнен двумя установками для воспроизведения единиц интенсивности и давления ультразвука в воде, которые позволят найти комплексное решение проблемы метрологического обеспечения ультразвукового медицинского и иного оборудования, производимого и используемого в Российской Федерации. Состав ГЭТ 201-2012 дополнен установкой для воспроизведения и передачи единицы скорости звука в воде времяпролётным импульсным методом с переменной базой. Изменение длины базы измеряют оптико-интерференционным методом, временно́й задержки – по характерным точкам импульсных сигналов. Обсуждены перспективы совершенствования перечисленных эталонов. Обозначены проблемы, связанные с участием Российской Федерации в международных сличениях, и предложены возможные пути их решения.

Изучена возможность расширения частотного диапазона и функциональных возможностей Государственного первичного эталона единиц скоростей распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн в твёрдых средах ГЭТ 189-2014 при воспроизведении и передаче единицы скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах путём применения резонансного метода измерений. Данная характеристика твёрдых сред используется в толщинометрии, дефектоскопии и других научных и практических областях. Представлены результаты исследований резонансного метода измерений скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах. В эксперименте использованы меры скорости из оптического стекла и лейкосапфира, позволяющие измерять скорость в диапазоне 4000– 11200 м/с при её частотной дисперсии менее 10–4. Для возбуждения и регистрации продольных ультразвуковых волн в диапазоне частот 1–100 МГц применены бесконтактные широкополосные ёмкостные преобразователи. Проведён анализ точности результатов измерений, полученных резонансным методом, в сравнении с лазерным импульсным методом, применяемым на ГЭТ 189-2014. Установлено, что абсолютная погрешность измерений скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах резонансным методом, определяемая как отклонение от действительного значения величины, составляет не более 1 м/с в зависимости от материала меры, относительная погрешность – менее 10–4. В низкочастотном диапазоне при применении меры скорости из лейкосапфира отмечен монотонный рост измеренной скорости продольных ультразвуковых волн, что может быть обусловлено физическими свойствами этого материала. Полученные результаты подтверждают возможность расширения частотного диапазона и функциональных возможностей ГЭТ 189-2014 с применением резонансного метода измерений и ёмкостных преобразователей, не требующих высокого (оптического) качества поверхностей аттестуемых мер.

Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения измерений водородного показателя рН в сильнокислой среде. В рН-зондах медицинских изделий обычно используется сурьмяный электрод, однако сурьма токсична, а сурьмяные электроды характеризуются высокой погрешностью определения рН в сильнокислой области. Поэтому для рН-метрии важно создавать более точные и нетоксичные электроды из коррозионностойкого, дешёвого и токопроводящего материала с быстрым откликом, способного к достижению электрохимического равновесия в сильнокислых средах. Исследована возможность изготовления измерительных электродов из нетоксичного и относительно коррозионностойкого металлического висмута с добавкой графита в качестве модификатора. Подобраны оптимальные соотношения основного вещества электрода (висмута) и модификатора (графита), предложен связующий раствор для повышения степени однородности рабочей поверхности электрода, описана методика изготовления измерительных электродов. Разработана экспериментальная установка для измерений потенциала изготовленных электродов относительно потенциала нормального водородного электрода. В состав установки входит комплекс технических средств, в том числе генератор водорода, водородный электрод, применяемый при стандартных условиях и выполняющий функции анода, а также измерительный электрод, выполняющий функции катода. В качестве измерительного электрода использованы различные электроды, изготовленные в рамках проведения данной работы. Построены электродные функции для сурьмяного и висмутовых электродов разных модификаций. Проведено сравнение результатов измерений потенциала изготовленных висмутовых и сурьмяных электродов, которые используются в качестве рН-зондов в медицинском оборудовании. Приведены результаты исследований влияния модифицирующей добавки на электродный потенциал и коррозионную стойкость измерительных электродов. Предложены пути дальнейших исследований с целью оптимизации состава рабочей поверхности электродов для использования в сильнокислой среде.