автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Методология обеспечения единства измерений высокочастотного электрического напряжения

На правах рукописи

Федоров Александр Михайлович

МЕТОДОЛОГИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

05.11.15 —«Метрология и метрологическое обеспечение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» и Санкт Петербургском филиале Академии стандартизации, метрологии и сертификации (СПФ АСМС).

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Колтик Е.Д.

- доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Кондрашкова Г. А.

- доктор физико-математических наук, профессор Семенчинс-кий С.Г.

Ведущая организация: ЗАО «Светлана» (г.Санкт-Петербург)

Защита состоится 21 сентября 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 308.001.01 во Всероссийском Научно-Исследовательском Институте Метрологической Службы (ВНИИМС) по адресу 119361, Москва, ул.Озерная, 46, ауд.1005.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИМС.

Автореферат разослан 15 августа 2006 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета

X

д.т.н.

Лысенко В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе приведено обобщенное изложение методологии и результатов выполнения научных, опытно-конструкторских и методических работ автора в области метрологического обеспечения методов и средств измерений переменного электрического напряжения (далее - напряжения) в широком диапазоне частот, которые в своей совокупности представляют результаты разработки основ Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) указанной электрической величины, используемой в важнейших областях науки и техники - радиолокации, радионавигации, электронике, электротехнике, информатике, технике связи, энергетике и т.д.

Работа выполнена автором или под его руководством и непосредственном участии совместно с учениками и сотрудниками лаборатории высокочастотных электрических измерений ВНИИМ и кафедр метрологии и электромагнитных измерений СПФ АСМС. Совместные с промышленными НИИ и КБ разработки эталонных (образцовых) приборов выполнялись автором на основании Постановлений Правительства и хозяйственных договоров.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Напряжение является одной из важнейших электрических величин, характеризующих режимы работы электронных и электрических приборов и устройств. Благодаря этб!му средства измерений (СИ) напряжения получили широкое распространение в различных областях науки, техники и обороны страны. К их числу относятся электронные вольтметры, измерительные генераторы, электронно-лучевые осциллографы, измерительные преобразователи и т.д. Самыми массовыми из них являются электронные вольтметры.

Исследованиями в области измерения напряжения и разработками СИ напряжения, а также вопросами метрологии и метрологического обеспечения электрических величин занимались многие известные отечественные ученые и специалисты, в частности Арутюнов В.О., Бонда-ренко И.К., Бурдун Г.Д., Валитов P.A., Векслер М.С., Волгин Л.И., Володарский Е.Т., Вострокнутов H.H., Грязное М.И., Губарь В.И., Гуре-вич М.Л., Дойников A.C., Дубенецкий В.Г., Желбаков И.Н., Жилинскас Р.-П.П., Земельман М.А., Зорин Д.И., Исаев Л.К., Кирьянов К.Г., Кол-тик Е.Д., Кравченко С.А., Кузнецов В.А., Кукуш В.Д., Кьяндский Г.А., Левин М.М., Маграчев З.В., Механников А.И., Мирский Г.Я., Найденов

A.И., Новицкий П.В., Орнатский П.П., Петров В.П., Петров Н.Г., Попов

B.C., Рабинович Б.Е., Редькин Б.Е., Рождественская Т.Б., Розенберг

В.Я., Ройтман М.С., Рябинин Ю.А., Солопченко Г.Н., Сретенский В.Н., Тарбеев Ю.В., Туз Ю.М., Чернышев Е.Т., Чуйко В.Г., Широков К.П., Шишкин И.Ф., Шрамков Е.Г., а также иностранцы - Aiken С., Megaw Е., Selby М. и другие.

Большой вклад в создание эталонной базы переменного напряжения внесли сотрудники лабораторий электрических измерений ВНИИМ Акнаев Р.Ф., Байков В.М., Галахова О.П., Крестовский В.В., Петрищев A.A., Телитченко Г.П., Щеглов В.А. и др.

Необходимой проблемой в этой области измерений является обеспечение единства измерений переменного напряжения в стране, а для этого необходимо создание методологии метрологического обеспечения методов и СИ напряжения, включающей разработку научных, технических, нормативных и организационных основ ее функционирования, чему и посвящена работа.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Главной целью является создание основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений переменного напряжения и разработка эталонных средств воспроизведения и передачи размера единицы напряжения при частотах свыше 30 МГц. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих научно-технических задач:

- Создание основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений электрического напряжения при высоких частотах;

- Разработка структуры построения, методов исследования и аттестация Государственного эталона единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц;

- Разработка теории компенсационных методов измерения переменного напряжения и создание нового вида вольтметров — образцовых диодных компенсационных вольтметров (ДКВ), применяемых в качестве эталонов сравнения и рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов при передаче размера единицы рабочим средствам измерений в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

- Разработка теории и исследование дополнительных частотных погрешностей ДКВ при передаче размера единицы напряжения от государственного эталона до рабочих средств измерений;

- Разработка теории и исследование дополнительных погрешностей СИ напряжения (включая и ДКВ) вследствие искажения формы кривой измеряемого напряжения;

- Разработка принципов построения установок (мер, калибраторов напряжения) для поверки электронных вольтметров (VI1В), исполь-

зуемых в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

- Разработка теории и исследование независимых косвенных методов измерения напряжения высокой частоты в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

- Создание методических основ и методик градуировки, Поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных средств измерений, в частности, вольтметров, и внедрение их в метрологическую практику.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В диссертационной работе применены теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследований основаны на использовании элементов теории электродинамики, дифференциального и интегрального исчисления, специальных функций Бесселя, тригонометрических функций, теории приближенных вычислений и математической статистики. Экспериментальные методы исследований базировались на планировании эксперимента, математическом и физическом моделировании, разработке уникальных методик исследований, создании специализированных СИ и устройств, защищенных в ряде случаев авторскими свидетельствами на изобретения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

- Разработаны общие принципы и научно-обоснованная методология создания комплекса эталонных средств воспроизведения и передачи единицы напряжения при частотах свыше 30 МГц;

- Создан и исследован Государственный эталон ГЭТ 27-82 единицы напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц (ГОСТ 8.072-82);

- Разработана и обобщена теория компенсационных методов измерения напряжения с преобразователями на электровакуумных и полупроводниковых диодах. Создана гамма наиболее точных в мире диодных компенсационных вольтметров, применяемых в качестве рабочих эталонов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц; "

- Разработаны теоретические и экспериментальные методы исследования и определения доминирующих систематических погрешностей (частотной и от искажения формы кривой измеряемого напряжения) ДКВ;

- Разработаны и проанализированы принципы построения установок для поверки электронных вольтметров, применяемых в качестве рабо-

чих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

- Разработаны новые методы косвенного измерения напряжения в линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

- Созданы нормативные методические основы градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации как эталонных,' так и рабочих СИ напряжения;

- Новизна технических и методических решений защищена 13 авторскими свидетельствами на изобретения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ заключается в созднии и внедрении в метрологическую практику системы обеспечения единства измерений переменного напряжения при высоких частотах, включающей в себя:

- Государственный эталон ГЭТ 27-82 единицы напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц с метрологическими характеристиками, соответствующими или превосходящими характеристики аналогичных национальных эталонов ведущих метрологических учреждений мира, что подтвердили проведенные международные сличения эталонов напряжения на частотах от 100 до 1000 МГц, в которых участвовали НИСТ США, ЕКюД Англии, ПТБ и АСМВ Германии, ОМХ Венгрии, НМЛ Австралии и ВНИИМ;

- Рабочие эталоны в виде измерительных приборов переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц - ДКВ, представляющие собой наиболее точные в мире диодные вольтметры;

- Рабочие эталоны в виде многозначных мер напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц — установки для поверки электронных вольтметров;

- Методы косвенных измерений напряжения при высоких частотах в линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

- Государственную поверочную схему для СИ электрического . переменного напряжения при высоких частотах До 3000 МГц (ГОСТ 8.075-73, РС 5540-76 и ГОСТ 8.072-82);

- Методики выполнения измерений (МВИ) при градуировке, поверке, калибровке и метрологической аттестации электронных СИ в виде нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений. (ГСИ). .

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ автора внедрены в практику научных, исследовательских, конструкторских и метрологических организаций страны и национальных метрологических центров ряда зарубежных стран. Самостоятельные или совместные с промышленными НИИ и КБ разработки эталонных СИ внедрены в производство на многих промышленных предприятиях (ТПО РЭТ, заводы объединения «Эталон», КБ РИАП и другие). Перечень разработанных эталонных средств приведен в приложении. Этими средствами оснащены многочисленные научные, учебные, эксплуатационные, оборонные и промышленные учреждения многих стран.

Методические разработки автора (монографии, учебные пособия, статьи, нормативные документы) широко используются в метрологической практике многих учреждений. Отдельные положения разработок автора включены в книги по электрическим и радиоэлектронным измерениям учебных заведений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований и разработок автора обсуждались на многих отечественных и международных конференциях, конгрессах, сессиях, организаторами которых были Академия наук СССР и РФ, Госстандарт, Министерство связи, Министерство общего и профессионального образования, ВНИИМ, ВНИИФТРИ, СНИИМ, ВНИИМС, НПО «Кварц», ТПО РЭТ, Институт Электродинамики АН Украины, Институт кибернетики АН Эстонии, НТО РЭС им. A.C. Попова, НТО Приборпром им. С.И. Вавилова, ИМЕКО, общ. «Знание» и др.

Основное содержание научных разработок автора опубликовано в монографиях, учебных пособиях, научных статьях, нормативных документах. За разработку образцовых СИ напряжения он награжден 2-мя золотыми и 2-мя серебряными медалями ВДНХ и большой золотой медалью Международной Лейпцигской ярмарки.

Под руководством автора было выполнено и защищено 7 диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук по проблемам обеспечения единстЬа измерений электрического напряжения.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации и смежным областям метрологии и метрологического обеспечения автором опубликовано более 250 печатных работ, включая 8 книг и учебных

пособий. В разделе «Основные публикации» диссертации приведено 121 наименование наиболее приоритетных работ автора. Среди публикаций преобладают научные статьи в таких журналах, как «Измерительная техника», «Компетентность», «Квалификация и качество», «Метрология», «Метрология и измерительная техника» и в периодических сборниках «Известия ВУЗов», «Вопросы радиоэлектроники», «Техника средств связи», Труды метрологических институтов Госстандарта (ВНИИМ, ВНИИФТРИ, ВНИИМС), в научно-технических журналах «Радиотехника» и «Радиоэлектроника и связь». Ряд исследований опубликован в трудах международных и отечественных конгрессов, научных сессий, конференций, симпозиумов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- Разработанные в диссертации научные, технические и нормативно-методические основы измерений переменного напряжения позволяют создать комплексную систему обеспечения единства измерений (ОЕИ) этой важнейшей электрической величины, широко используемой в электрорадиоэлектронике, связи, оборонной технике и других отраслях науки и техники.

- Предложенная система ОЕИ основана на прямых или косвенных методах компарирования или замещения измеряемого переменного напряжения высокоточным постоянным напряжением, воспроизводимым или измеряемым встроенными в эталонные СИ меры, с дополнением путем теоретических и экспериментальных исследований метрологических характеристик преобразователей напряжения и дополнительных методических и инструментальных погрешностей эталонов с целью их исключения или минимизации.

- Разработанные структурно-алгоритмические принципы построения Государственного эталона единицы высокочастотного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц и экспериментально-математические методы и средства его исследования и аттестации позволяют воспроизводить и передавать размер единицы напряжения рабочим эталонам и СИ на уровне точности, соответствующей лучшим мировым достижениям.

- Созданная теория компенсационных методов измерений переменного напряжения с преобразователями на диодах и баланс погрешностей позволил разработать наиболее точные в мире образцовые диодные компенсационные -вольтметры (ДКВ) для диапазона частот от 10 Гц до 1500 МГц, являющиеся основой для

передачи размера единицы напряжения от эталона ГЭТ 27-8& до рабочих СИ.

- Теоретические и экспериментальные исследования систематических частотных погрешностей ДКВ (резонансной и вследствие инерционности электронов) позволили получить новые выражения для их оценки и исключения, что обеспечивает повышение точности измерений в 4 - 10 раз.

- Теоретические и экспериментальные исследования погрешностей ДКВ вследствие влияния формы кривой измеряемого напряжения дали новые зависимости для их оценки, что позволило сформулировать положения по снижению или полному устранению их влияния на погрешность передачи единицы напряжения.

- Разработанные -структурно-алгоритмические принципы построения автоматизированных установок для поверки электронных вольтметров в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц позволили обеспечить передачу размера единицы напряжения рабочим СИ с необходимой точностью и производительностью.

- Разработанная теория и анализ погрешностей независимых косвенных методов измерения напряжения в коаксиальных трактах передачи известного сопротивления по проходящей через линию мощности позволяют проводить исследование амплитудно-частотных характеристик электронных приборов.

- Разработанные нормативные документы на Поверочную схему и методики градуировки, поверки и калибровки электронных СИ и методики выполнения измерений решают практические задачи ОЕИ переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц.

- Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность разработанных моделей и корректность баланса погрешностей, аналитических зависимостей и алгоритмов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация содержит аналитический обзор состояния проблемы, теоретическую часть, экспериментальные исследования, обоснования структурно-алгоритмических принципов созданных эталонов и разработку методических документов. Работа состоит из ее общей характеристики, введения, восьми глав, заключения, основных результатов выполненных автором работ, списка основных публикаций и приложений. Общий объем диссертации составляет 193 страницы (без актов внедрения работ автора).

Содержание работы

Во введении дано изложение методологии и результатов проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и методических работ, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) и Санкт-Петербургском филиале Академии стандартизации, метрологии и сертификации (СПФ АСМС), посвященных решению важной научно-технической проблемы обеспечения единства измерений электрического переменного напряжения (далее — напряжения) и созданию эталонных средств и методик выполнения измерений указанной физической величины с преимущественным акцентом на область высоких частот. При этом к высокочастотным измерениям относятся (в основном) такие, которые выполняются с помощью электорнных СИ по ГОСТ 15094..

Во введении приведены краткие сведения из работ ряда видных метрологов (Бородачева Н.В., Рабиновича Б.Е., Селиванова М.Н. и др.) о способах оценки частных составляющих и суммировании (определении) погрешностей методов и средств измерений. Указанные способы анализа погрешностей применялись автором при разработке методов и эталонных средств измерений.

В работе, как указывалось ранее, приведены результаты работ, выполненных под руководством автора или при его участии в лаборатории высокочастотных электрических измерений ВНИИМ, которой он руководил с 1964 по 1983 гг., и кафедрах электромагнитных измерений и метрологии СПФ АСМС с 1983г. по настоящее время. В выполнении работ участвовали ученики автора и сотрудники указанных, выше подразделений. Ряд аспирантов и соискателей, участвовавших в исследованиях под руководством автора, защитили диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по проблемам измерений напряжения (Вайсбанд М.Д., Крестовский -В.В., Пакаи П., Петрищев

A.A., Саркисов Э.А., Сидоренков Н.Я., Телитченко Г.П. и Щеглов

B.А.). От СПФ АСМС в работах участвовали Лячнев В.В., Мичурин В.И., Синяков А.И., Цыган Н.Я.

Ряд работ по созданию и внедрению в производство рабочих эталонов (РЭ) выполнен в сотрудничестве с представителями приборостроительной промышленности (НПО «Кварц», Таллиннское производственное объединение РЭТ, заводы производственного объединения «Эталон» Госстандарта и др.). Общее количество выпущенных указанными предприятиями эталонных СИ превышает 30 тыс. экземпляров.

Этими измерительными устройствами оснащены многие метрологические службы страны.

Автор выражает глубокую благодарность всем научно-техническим сотрудникам научных, конструкторских и производственных учреждений страны, принимавших участие в решении важной комплексной хозяйственной проблемы по обеспечению единства измерений переменного напряжения, и в особенности ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, АСМС, НПО «Кварц», ТКБРЭ, ТПО РЭТ, Горьковского СКБ РИАЛ, а также Ленинградского, Киевского, Ташкентского, Рижского и Воронежского заводов «Эталон» Госстандарта.

В первой главе изложены особенности высокочастотных СИ напряжения и методология обеспечения единства измерений напряжения при высоких частотах [1-6, 19, 21, 28, 29, 30, 32, 34, 37, 40, 41, 44, 47, 48,49,53,54].

Методология измерений напряжения базируется на таких основополагающих понятиях метрологии как измерение физических величин, единство измерений, единообразие СИ и методики выполнения измерений (МВИ), а также особенностях методов и средств измерений этой величины. .

При этом наивысшая точность достигается при измерениях постоянного напряжения, размер единицы которого воспроизводится Государственным первичным эталоном ГЭТ 13-2001. Поэтому в эталонных средствах воспроизведения и передачи единицы переменного напряжения с целью достижения высшей точности и стабильности СИ целесообразно (а в ряде случаев и необходимо) опираться на встраиваемые в них меры постоянного напряжения.

Важным аспектом методологии обеспечения единства измерений напряжения является выбор частотных и амплитудных пределов воспроизведения и передачи его единицы. При этом СИ напряжения подразделяются на условно низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ), к которым, в основном, относятся электронные СИ по ГОСТ 15094. Однако граница между средствами НЧ и ВЧ нормативно не установлена и в различных случаях указывается в пределах от 1 кГц до 30 МГц. В пределах работы применительно к государственным эталонам такой границей выбрана частота 30 МГц. Диапазон частот эталонов переменного напряжения должен быть не уже диапазона частот рабочих СИ. Уровни же воспроизводимых государственными эталонами напряжений с целью обеспечения наивысшей точности целесообразно выбрать в пределах от десятых долей до единиц вольта с перепадом не менее 20

дБ. Поскольку во ВНИИМ создавались два эталона напряжения - НЧ и ВЧ, то для обеспечения единства измерений необходимо согласование воспроизводимых этими эталонами единиц напряжения путем их сличений [6, 16, 21].,

Что касается РЭ, то они должны передавать размер единицы напряжения в возможно широком диапазоне измеряемых уровней напряжения, что требует разработки специальных' методов и средств расшиг реиия пределов измерений до уровней измерений рабочих измерительных устройств.

В ГОСТ 1.25-76 с целью поддержания единства измерений и требуемой точности измерений было установлено понятие «Метрологическое обеспечение» (МО). Введение указанного понятия оказало положительное влияние на развитие метрологической деятельности в стране, акцентируя общее внимание широких научных и технических кругов на этом виде деятельности [5, 6, 25, 29, 43, 45, 50, 52, 55, 59, 65, 84]. С точки зрения создания основ обеспечения единства измерений напряжения и их метрологического обслуживания необходим приведенный в работе анализ и учет ряда характерных особенностей методов и СИ данной величины; подробно рассмотренных в [1, 3, 5,6 и др.].

■ Эти особенности требуют создания во многих случаях специфической методологии обеспечения единства измерений напряжения и централизованного воспроизведения размера его единицы с помощью эталонов во всем диапазоне частот эксплуатирующихся электронных СИ, т.е. от 10 Гц до 1500 МГц. Их необходимо учитывать также при разработке поверочных схем (ПСх) и методов и средств градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации (далее - поверки) СИ напряжения и выполнения самих измерений, без учета которых может быть нарушено единство измерений.

Как известно, ПСх устанавливают порядок передачи размеров единиц измеряемых величин от государственных (национальных) или международных эталонов при помощи вторичных эталонов и образцовых средств измерений (ОСИ), называемых в настоящее время рабочими эталонами (РЭ), рабочим средствам измерений (РСИ) с указанием погрешностей и основных методов поверки. В соответствии с этим ПСх являются исходными нормативными документами при разработке методик градуировки и поверки как РЭ, так и РСИ. Вместе с тем они выступают важнейшими документами при планировании разработки новых и совершенствовании действующих эталонов всех рангов и РСИ. Эта необходимость объясняется непрерывным повышением требований

науки и техники к таким метрологическим характеристикам СИ, как диапазоны частот и измеряемых величин, точности измерений, коэффициенты отражений в трактах передачи электрических величин, минимизация размеров элементов СИ и трактов передачи и др.

Во главе государственных ПСх стоят государственные эталоны единиц величин. В области измерений переменного напряжения разработка эталонов началась в 60-е годы в лабораториях электрических и высокочастотных измерений ВНИИМ. В первой из них создавался эталон единицы напряжения с диапазоном частот от 20 Гц до 30 МГц, а во второй - от 100 до 1500 МГц. Это было принято с учетом имеющегося опыта и традиций лабораторий, а также особенностей передачи размеров единиц напряжения на низких и высоких частотах.

Первая официальная общесоюзная ПСх для высокочастотных средств измерений напряжения по ГОСТ 8.075-73 была разработана под руководством автора в 1973 году после завершения ЫИИОКР по созданию Государственного эталона ГЭТ 27-73. Разработке ПСх предшествовали детальные технико-экономические исследования, посвященные целесообразности и необходимости ее создания, структуре ее построения и т.д.

В 1976г. автором была разработана "ПСх СЭВ для СИ напряжения в диапазоне частот от 30 до 1000 МГц [Д16]. Вторая усовершенствованная редакция ПСх по ГОСТ 8.072-82 была разработана под руководством автора и утверждена Госстандартом в 1982 году после разработки модернизированного государственного эталона ГЭТ 27-82.

Вторая редакция сохранила структуру построения первой и отличалась от нее расширением диапазона частот и снижением уровней погрешностей, достигнутых за десятилетний срок действия первой ПСх. В 1988 году во ВНИИМ при переработке государственных стандартов на эталоны и поверочные схемы в рекомендации институтов на ПСх была разработана объединенная государственная схема для СИ электрического напряжения в диапазоне частот от 0,01 Гц до 3 ГТц (МИ 1935-88), представляющая в основе своей объединение двух поверочных схем на средства электроизмерительных и электронных устройств для измерений напряжения. В связи с трудностями такого объединения из схемы выпал ряд важных деталей по поверке высокочастотных СИ; в ней отсутствует ветвь передачи размеров единиц переменного напряжения методом косвенных измерений через мощность.

Структура объединенной схемы сохранилась в соответствии с ПСх по ГОСТ 8.072-82. Разработанная нами государственная ПСх содержит

поля эталонов, рабочих эталонов (ОСИ), заимствованных из других ПСх, рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов И РСИ.

Возглавляет ПСх Государственный эталон единицы напряжения высокой частоты ГЭТ 27-82 с граничными метрологическими характеристиками, указанными ниже. В поле эталонов имеются также вторичные эталоны и эталоны сравнения.

. . Поле РЭ 1-го разряда реализуется, в основном, с помощью ДКВ различных типов, которых было выпущено предприятиями более 15000 экземпляров. Применяемые для этих целей ДКВ подвергают метрологической аттестации в качестве РЭ (ОСИ) 1-го разряда в соответствии с МИ 899-85.

Поле РЭ 2-го разряда реализуется с помощью мер напряжения (поверочных установок), электронных вольтметров (в основном ДКВ, прошедших метрологическую аттестацию в соответствии с МИ 79-76 [Д2]), мер импульсного напряжения, электронных импульсных вольтметров, генераторов импульсного напряжения и других СИ.

В поле РСИ имеются в виду измерители напряжения (вольтметры видов ВЗ, В6, В7; преобразователи вида В9; электронно-лучевые осциллографы вида С1; измерители коэффициентов гармоник вида Сб; измерительные усилители вида У2, УЗ, У7 и другие), меры переменного и импульсного напряжения (генераторы видов ГЗ, Г4, Г5, Г6), вольтметры импульсного напряжения вида В4.

В работе приведены направления дальнейшего совершенствования ПСх, ее обеспеченности рабочими эталонами и экономической эффективности ее внедрения. Рассмотрены методы передачи размера единицы напряжения от ГЭТ до РСИ.

Во второй главе приведены результаты создания, исследования и аттестации государственного эталона высокочастотного напряжения ГЭТ 27-82 [1-4, 6, 16, 17, 19, 21, 27, 28, 29, 30, 31, 34, 35, 37, 40, 41, 44, 48, 49, 53, ИЗ, И10].

Необходимость создания эталонных высокочастотных СИ возникла в 50-е годы в связи с запланированным Правительством широким производством отечественных электронных измерительных приборов, в которых нуждались новые направления техники.

В связи с этим Госстандарту , ВНИИМ и НПО «Кварц» было поручено разработать модель образцового электронного вольтметра для внедрения в серийное производство в ТПО РЭТ и аппаратуру для его аттестации и поверки при частотах до 300 МГц. Таким образом, в начале 60-х годов перед нами была поставлена задача создания исходного

для страны калибратора для воспроизведения с высокой точностью единицы напряжения высокой частоты. В качестве такого калибратора — меры напряжения был разработан и исследован термисторный измеритель напряжения (ТИМ) с пределами уровней воспроизводимого напряжения от 0,1 до 1 В в диапазоне частот 0,1-1 ГГц и пределами допускаемой погрешности не более 1% . Однако в связи с рядом недостатков используемых в ТИМ полупроводниковых термисторов, в дальнейшем мы от них отказались, применив в качестве терморезисторов платиновые болометры.

Болометрический измеритель основан на терморезисторном косвенном методе измерения (воспроизведения) напряжения путем сравнения (компарирования) при помощи терморезисторного преобразователя (ТРП), представляющего собою коаксиальную конструкцию, включенную в одно из плеч уравновешенного моста постоянного тока, действующего значения переменного и постоянного напряжения по их тепловому действию за счет рассеиваемой в терморезисторе мощности. В качестве терморезистора использован разработанный в лаборатории В.И. Кржимовским платиновый болометр БП4-150. Структурная схема эталона представлена на рис. 1. Пояснения его работы дано в [2,3,4,6,17,21,30,31,48,49]. Воспроизводимое переменное напряжение рассчитывается по формуле

и ~=иБ = ^ - и22 = 7(2С/, - &и)Аи , (1)

где ¡7, - постоянное напряжение на терморезисторе до подачи на

вход ТРП переменного напряжения, и2 - постоянное напряжение на терморезисторе после подачи на

вход ТРП переменного напряжения, т = и{ -и2 - разность постоянных напряжений.

Вследствие наличия в ТРП реактивных элементов эталон содержит систематические частотные погрешности. В его рабочем диапазоне частот эквивалентная электрическая схема замещения ТРП может быть представлена в виде рисунка 2, позволяющего произвести экспериментально-теоретическое определение значений ее параметров [2,6,30,31,35]. Сопротивление Яб= 200 Ом устанавливается с помощью высокоточных резисторов плеча сравнения моста постоянного тока с погрешностью не более 0,01%. Конструктивный конденсатор СБл емкостью более 3500 пФ в рабочем диапазоне частот эталона практически не вносит погрешность в расчет измеряемого напряжения и им можно пренебречь. Параметры Ьб и Сн могут быть рассчитаны по приведенным в работе известным формулам электродинамики.

Их расчетные значения составляют Lb= 8 нГн и С„ = 0,16 пФ. Однако вследствие квазисосредоточенности этих реактивностей ТРП и влияния краевых эффектов расчет значений параметров схемы недостаточно достоверен, что привело к необходимости их экспериментального определения (подтверждения).

Соотношение между переменным напряжением Ид на входе градуируемого вольтметра и эквивалентным ему по тепловому действию измеренным постоянным напряжением Ub на терморезисторе в соответствии с эквивалентной схемой рис.2 можно представить в виде

ид = и£^-соЧБСнУ + (toLs /Rs)2 = UE{1 + До, /100) , (2)

где &ох - частотная поправка ТРП эталона, %.

Для определения частотной поправки применялся способ определения параметров эквивалентной схемы, основанный на методе вариации активного сопротивления терморезистора [2,4,17, 35, ИЗ].

Сущность метода заключается в том, что при неизменном высокочастотном напряжении на терморезисторе (при неизменном показании подключенного к ТРП вольтметра) и постоянной частоте изменять активное сопротивление болометра, то при наличии реактивных сопротивлений преобразователя будет изменяться показание терморезистор-ного моста - Ub- Полученные экспериментальные данные позволяют рассчитать реактивное сопротивление ТРП на данной частоте. Расчетные формулы приведены в работе.

Для получения более достоверных экспериментальных данных измерения проводят при нескольких значениях как сопротивления болометра (обычно 175, 200 и 225 Ом), так и ряда высоких частот (от 0,6 до 3 ГГц). Полученные результаты позволяют, используя метод наименьших квадратов, определить параметры эквивалентной схемы ТРП. Не приводя здесь все преобразования и вычисления [35], укажем лишь, что в результате решения системы нормальных уравнений получены наиболее вероятные значения реактивных параметров эквивалентной схемы преобразователя с оценкой средних квадратических погрешностей их определения

LB = (0,800 ± 0,002) 10-*Гн И

Со = C„[l - (0,01^]= (0,125± 0,003)10"12Ф .

Полученные экспериментальные значения этих параметров хорошо согласуются с расчетными значениями.

С целью повышения эффективности исследований ТРП разработаны алгоритм и программа, реалйзующие обработку эксперименталь-

ных данных на основе применения ЭВМ, позволяющие автоматизировать процесс обработки результатов измерений по методу наименьших квадратов, включая расчет и протоколирование значений частотной поправки, а также хранение и статистический анализ результатов [35].

В табл.1 приведены полученные значения частотной поправки д0Л. при = 200 Ом для эталонногоТРП.

, ■___Таблица 1.

Частота, ГГц 0,03 од 0,5 1,0 з,о ,

Значение Дох, % <0,001 -0,008 -0,20 -0,75 -1,5

©ь % 0,001 0,003 0,08 0,25 1,5

После введения частотной поправки в результатах измерений присутствуют ее неисключенные остатки ©ь являющиеся доминирующими составляющими при высоких частотах.

Второй составляющей является погрешность ©2 вследствие неточности измерений постоянного напряжения в соответствии с формулой (1). Для используемого режима напряжений в терморезисторном мосте она. оценивается по формуле ©2 = г/, /(2и, -дгуус/, /их + (гу, -дц)/(2с/,-дсфдг/мс/«

и не превосходит 0,03; 0,05 и 0,13% при напряжениях иБ=1,0; 0,3 и 0,1 В соответственно.

Третьей составляющей является погрешность 03 эталона вследствие механической нестабильности элементов ТРП. Она не превосходит значений, приведенных в табл. 2

_____Таблица 2

Частота, ГГц 0,03 0,1 0,5 1,0 • 3,0

©з, % - 0,01 0,05 0,10 0,20

Полная погрешность воспроизведения единицы напряжения оценивается средним квадратическим отклонением (СКО) - Б0 и неисклю-ченной систематической погрешностью (НСП) — ©о,

Первая составляющая определяется только случайными погрешностями измерения и определена путем многократных измерений одного и того же уровня напряжения. При десятикратном повторении измерений СКО не превосходило значений, приведенных в табл. 3..

Таблица 3

Уровень напряжения, В СКО в процентах при частотах, ГТц

0,03 0,1 0,5 1,0 3,0

1 0,005 0,005 0,01 0,02 0,1

0,3 0,02 0,02 0,03 0,06 0,3

0,1 0,07 0,07 0,10 0,15 0,5

Для НСП в результате суммирования частных погрешностей установлены округленные значения, приведенные в табл. 4. ____ Таблица 4

Уровень напряже- НСП в процентах при частотах, ГГц

ния, В 0,03 0,1 0,5 1,0 3,0

1 0,05 0,10 0,20 0,35 2,0

0,3 0,10 0,15 0,25 0,40 2,0

0,1 0,20 0,25 0,35 0,50 2,0

Указанные в таблице оценки НСП при частотах до 1 ГГц подтверждены результатами международных сличений эталона ГЭТ 27-82 с национальными эталонами напряжения ведущих метрологических институтов мира - Австралии,'Англии, Венгрии, Германии и США [16, 27.-29].

Анализ результатов сличения показал, что отклонение размера единицы напряжения, воспроизводимого эталоном ВНИИМ, от среднего международного значения для всех эталонов сравнения не превосходило (0,02-0,2)% на частотах от 0,1 до 1 ГТц [27], что подтверждает правильность оценок точности эталона ГЭТ 27-82, приведенных в табл. 4 [30, 31, Д11].

Эксплуатация (хранение и применение) Государственного эталона ГЭТ 27-82 осуществляется с начала его утверждения Госстандартом до настоящего времени во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в соответствии с «Правилами хранения и применения эталона ГЭТ 27-82» [53]. Регулярно передается размер единицы напряжения при частотах до 1500 МГц вторичным и рабочим эталонам как метрологических учреждений и предприятий России, так и стран СНГ [30, 41, 44, 48, 49].

В третьей главе изложена теория компенсационных методов измерений переменного и импульсного напряжения и структурно-

алгоритмические принципы построения ДЮЗ — рабочих эталонов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц [2-4, 6, 10, 16, 19, 23, 25, 37, 41, 44, 45,48,Д2,Д12,И1,И2].

Разработанные лабораторией высокочастотных измерений ВНИ-ИМ совместно с НПО «Кварц» и ТКБ РЭ ДКВ получили широкое распространение в измерительной практике как высокоточные электронные вольтметры, разрядные рабочие эталоны и эталоны сравнения [2, 6, 10, 19, 37, 44, 48, 49, Д7-Д14, И1, И2, И5]. Они до сих пор являются наиболее точными в мире электронными высокочастотными вольтметрами, по1решность которых при ряде условий не превосходит сотых долей процента.

В ДКВ в качестве устройств сравнения измеряемого переменного напряжения с известным (компенсационным) постоянным напряжением используются нелинейные двухполюсники — детекторы на вакуумных и полупроводниковых диодах. Первые исследования теории детектирования в экспоненциальной области вольт-амперной характеристики диодов провели в 30-е годы Aiken C.B. и Birdsall L.C. и в 50-е годы Рабинович Б.Е. и Федоров А.М. [2].

В разработанных ДКВ с вакуумными диодами используется два метода измерений синусоидального напряжения — способом постоянного- среднего тока и способом постоянного напряжения смещения на аноде диода. Простейшие электрические схемы ДКВ, в которых ¡реализуются эти методы, представлены на рис. 3 и 4. В работе изложена теория этих методов [2].

При первом методе уравнение измерения приводится к виду

Цд= Um/V2 = F(UK,K), (4)

где Um - амплитудное значение напряжения, Uk - компенсационное напряжение, К - параметр диода.

При определенном значении К зависимость (4) имеет вид

ид=F (Uk) при K=const. (5)

Отсюда следует, что значение компенсационного напряжения однозначно определяет измеряемое напряжение. Поэтому в большинстве разработанных нами типов ДКВ органы регулирования или измерения компенсационного напряжения непосредственно проградуированы в действующих значениях измеряемого напряжения [И2].

При методе измерений способом постоянного напряжения смещения уравнение измерения приводится к виду

ид = Um / Л = F (Rh, / Rm, К), (6)

где Rhi и Rh2 — сопротивления в цепи катода диода.

При определенном значении К справедливо соотношение

ид = Б (КН1 / й-ш) при К= сопэг. (7)

Следовательно, при заданном измеряемое напряжение однозначно определяется значением регулируемого сопротивления Иш. Органы регулирования Яш непосредственно градуируются в значениях измеряемого напряжения [И1].

Для измерений импульсных напряжений разработан видоизмененный компенсационный метод способом постоянного смещения на аноде диода. При нем в случае подачи на вход вольтметра импульсного напряжения сопротивление нагрузки в катоде диода увеличивают в соответствии со скважностью измеряемых импульсов в С? раз и регулированием компенсационного напряжения добиваются первоначального значения напряжения смещения на сопротивлении нагрузки. В работе приведены уравнения измерений различных форм импульсных сигналов [2].

Методы измерения импульсных напряжений реализованы в вольтметрах ОКВ-5, В4-11 и В4-19.

Компенсационные методы с использованием вакуумных диодов наряду с достоинствами, имеют и недостатки, главными из которых являются относительно низкая точность при измерении малых напряжений (менее 10-30 мВ) и относительно большие размеры диодов, ограничивающие диапазон частот вольтметров [2]. В связи с этим представляет интерес анализ компенсационного метода измерений напряжения с полупроводниковым (п/п) диодом в качестве детектора [23]. В работе приведена теория и получено уравнение измерений компенсационного метода с детектором на п/п диоде. Даны рекомендации по применению п/п диодов в компенсационных методах измерений.

В диссертации и работах [2, 32] приведены выражения для оценки чувствительности и входного сопротивления ДКВ, являющиеся их важными эксплуатационными характеристиками.

Для определения частных погрешностей измерения с помощью ДКВ и их суммирования необходимо иметь общие формулы погрешности рассмотренных ранее компенсационных методов. В работе [2] приведены общие выражения для расчета погрешностей ДКВ вследствие неточности установки (определения) компенсационного напряжения, параметра диода К, допусков и погрешностей комплектующих приборы элементов, утечек по изоляции и других источников погрешности измерения.

В соответствии с указанными общими формулами погрешностей ДКВ применительно к конкретным их схемно-конструктивным решениям с учетом допусков на отдельные элементы схем. или их исследований были получены значения частных погрешностей измерения для всего диапазона измеряемых напряжений. В работе не указывается большинство этих погрешностей (их более 20) в связи с громоздкостью выражающих их формул. Сведения о них приведены в монографии [2] й технических описаниях ДКВ. На основании полученных значений частных погрешностей проведено их статистическое суммирование с учетом всех систематических и случайных составляющих. В результате получены доверительные границы основной погрешности ДКВ. На основании этих значений с учетом коэффициента производственно-эксплуатационного запаса (К= 1,1 - 1,3) подобраны эмпирические формулы для пределов допускаемых погрешностей ДКВ, приведенные в табл. 5

______Таблица 5

Тип вольтметра Предел допускаемой основной погрешности, %

ВЗ-8 (ОКВ-2), ВЗ-9 (ОКВ-ЗА), ВЗ-24 (ОКВ-4), В3-49, ВЗ-бЗ 0,2 + 0,08 /их

В4-11 (ОКВ-5), В4-19 0,2+ 1,5 /ип при (2 = 2-Ю-1 0,3 + 1,5 / ип при 0 = Ю3 - 105

Указанные погрешности ДКВ справедливы для измерений напряжения в их нормальном диапазоне частот от 20 Гц до 10 МГц. В рабочем (расширенном) диапазоне частот возникают частотные погрешности, которые будут рассмотрены далее.

В зависимости от назначения ДКВ (эталонный или рабочий прибор) его погрешность во всем диапазоне частот определяется средне-квадратическим суммированием основной погрешности и неисключен-ных частотных погрешностей после введения (учета путем поправок) усредненных для всех типов вольтметров частотных погрешностей или определенных путем метрологической аттестации конкретных экземпляров приборов в соответствии с МИ 79-76 и МИ 899-85.

Для целей радионавигации был разработан и выпускался малыми сериями упрощенный компенсационный импульсный вольтметр с полупроводниковым измерительным диодом в качестве детектора и неполной компенсацией по специально разработанной методике от регу-

лируемой меры постоянного напряжения [И5]. Его погрешность не превосходила десятых долей процента.

В четвертой главе приведена теория, исследования и нормирование частотных погрешностей ДКВ [1-3, 6, 10, 11-14, 24, 37, 38, 48, 54, Д2, Д13]. По мере повышения частоты (свыше 100-200 МГц) указанные погрешности становятся доминирующими по отношению к основной погрешности измерений и требуют особого подхода к их определению и нормированию.

По характеру проявления частотные, погрешности электронных СИ являются .дополнительными систематическими составляющими [1-б, 11-14, 38, 49]. Так они нормируются и определяются для некоторых СИ. Для рабочих электронных вольтметров в соответствии с ГОСТ 9781 их нормируют в сумме с основной погрешностью в виде погрешности в расширенных областях частот в форме т.н. «трубы со скачкообразным диаметром». Такая форма удобна для эксплуатационников и поверителей приборов и хорошо согласуется с классом точности СИ. Однако, в ряде случаев, при необходимости повышения точности измерений желательно иметь информацию о частотных погрешностях как систематических составляющих, позволяющих исключить или уменьшить их влияние на суммарную погрешность измерений. Однако это усложняет систему МО вольтметров, но достаточно широко используется в эталонных полях поверочных схем.

Для ДКВ нормируется и контролируется при поверке и метрологической аттестации основная погрешность измерений в нормальном диапазоне частот, погрешность в расширенных областях частот и информация об усредненных или индивидуальных для каждого экземпляра вольтметра частотных погрешностях. ■

Выполненный анализ показал, что при низких частотах (менее 10 Гц) возникает отрицательная частотная погрешность ДКВ [2]. В диссертации даны формулы для ее оценки.

При высоких частотах в ДКВ возникают резонансная погрешность ©Р положительного знака и погрешность из-за инерционности электронов ©и отрицательного знака [1-3, 6, 11, 12, 14]. Вследствие противоположности знаков имеет место их частичная компенсация.

Резонансная погрешность возникает вследствие резонансных явлений во входной высокочастотной цепи диодных вольтметров, представляющих собою последовательный контур [2, 11].

В диссертации приведена как известная формула для определения резонансной погрешности диодных вольтметров, когда их.входная цепь

может быть представлена эквивалентной схемой со средоточенными параметрами, так и полученная нами формула, когда их входная цепь может быть представлена эквивалентной схемой в виде линии передачи с распределенными параметрами, нагруженной емкостью измерительного диода. Получены соотношения между расчетами по этим формулам.

Конструкция измерительной головки (пробника) входной цепи ДКВ соответствует линии с квазираспределенной индуктивностью, нагруженной на емкость измерительного диода, и для расчета его резонансной погрешности следует пользоваться полученной нами формулой. Для снижения резонансной погрешности следует оптимизировать волновое сопротивление и минимизировать конструктивными приемами индуктивность пробника, т.е. уменьшить перепады его диаметров и длину высокочастотной цепи. С этой целью детекторы ДКВ выполнены с открытым входом, повышающим их пшрокополосность. Этот же принцип должен соблюдаться и в конструкциях прилагаемых к вольтметрам соединительных элементов и учитываться в методиках измерений [11, 24, 38]. Для упрощения расчета резонансной погрешности нами предложена номограмма [2,11]. Даны предложения по способам ее уменьшения.

Погрешность из-за инерционности электронов ©и при детектировании напряжений вакуумными диодами анализировали многие отечественные и зарубежные исследователи (Л.С.Гуткин, А.Д.Кузьмин, д-р Арденне, д-р Мегоу.и др.) [2]. Но вследствие трудности учета всех физических явлений в диодах при детектировании высокочастотных сигналов они рассматривали явление инерции электронов только для частных случаев и при ряде упрощений и ограничений, а экспериментальное ее определение проводили с помощью макетов диодов, не соответствующих их современным конструкциям. Поэтому погрешность вследствие инерционности электронов целесообразно проанализировать по результатам ее экспериментального определения для реальных конструкций современных диодов и режимов их работы в вольтметрах.

Нами разработана расчетно-экспериментальная методика определения погрешности вследствие инерционности электронов в диодах ДКВ, подробно изложенная в диссертации [2, 3, б, 12, 38]. При низких уровнях напряжения (0,1-1 В) ее рассчитывают по суммарной частотной погрешности, полученной с помощью государственного эталона, и резонансной погрешности вольтметра. При более высоких уровнях напряжения ее определяют по специально разработанной методике, осно-

ванной на измерении отношения действительных значений напряжения с помощью измерителя отношений синусоидальных напряжений с учетом показаний исследуемого вольтметра при двух уровнях напряжения и последующего расчета. Структурная схема измерительной установки при экспериментально-расчетном определении погрешности приведена на рис. 5.

Оценка доверительной погрешности ее определения' описанным способом при показаниях вольтметров от 1 до 100 В и десятикратном повторении измерений показала, что она не превосходит 0,2-0,4% при частотах до 400 МГц, 0,3-0,6% - до 600 МГц и 0,4-0,7% - до 1000 МГц. Статистическая обработка результатов исследования ряда моделей ДКВ с различными экземплярами диодов показала, что эта погрешность может быть рассчитана по эмпирической формуле [1,2,3,6].

0И =F[f,d,Uq) --0,25 fd/U^ (%), (8)

где f - частота напряжения, МГц; d - межэлектродное расстояние диода, мм: UB - действующее напряжение, В.

Формула справедлива для диодов с межэлектродным расстоянием от 40 до 80 мкм в горячем состоянии при напряжениях от 1 до 100 В и частотах до 1,5 ГГц. Формула (8) структурно аналогична распространенной в литературе формуле Мегоу, но существенно отличается от последней значениями числовых коэффициентов.

Приведено сравнение полученных по нашей формуле значений погрешности 0И с теоретическими и экспериментальными ее значениями, опубликованными другими авторами, и дано объяснение их различия.

Суммарная частотная погрешность. ДКВ при экспериментально-расчетном способе их аттестации в качестве рабочих эталонов 1-го разряда (свыше 1 до 100 В) определяется расчетом по известным значениям ее составляющих по формуле

вч = |(1 + 0,01£р)(1 + 0,01ви)~ 1]10о (%). (9)

Обычно вольтметр аттестуется при UB = 3,10,30,100 В.

Анализ неточностей определения частотной погрешности по отдельным ее составляющим показал, что неисключенная частотная погрешность рабочего эталона 1-го разряда при напряжениях свыше 1 до 100 В не превосходит значений 0,3-0,5% при частотах до 200 МГц, 0,50,7% при частотах до 600 МГц, 1,0-1,2% при частотах до 1000 МГц и 23% при частотах до 1500 МГц. Для расчета частотной погрешности при других показаниях ДКВ используется специально разработанная номо-

грамма [2] или интерполяционный расчет по логарифмической шкале [Д2].

Определение частотных погрешностей ДКВ путем их индивидуальной аттестации с помощью государственного первичного или вторичного эталона в соответствии с МИ 899-85 или методом сличения с рабочим эталоном . 1-го разряда в соответствии с МИ 79-76 достаточно трудоемко и далеко не всегда необходимо. Поэтому в практике измерений напряжения часто пользуются усредненными частотными погрешностями ДКВ.

В технических описаниях на ДКВ приведены графики усредненных частотных погрешностей в зависимости от частоты и показаний приборов от 0,1 до 100 В. Приведены также интерполяционные формулы и номограммы для расчета частотных погрешностей при показаниях ДКВ, не равных круглым значениям [2, Д2]. Значения 0Ч получены в результате усреднения частотных погрешностей ДКВ с 15-25 различными по межэлектродному расстоянию диодами. В технических описаниях на приборы и в [2] указаны также неисключенные остатки Аду

как усредненных, так и индивидуальных частотных погрешностей после их исключения в процессе измерений.

Анализ погрешностей показал, что суммарная погрешность Д^

ДКВ после исключения систематических частотных погрешностей не превосходит

а^±К^1+А2вч , (10)

где А0 - основная погрешность ДКВ из таблицы 5, %; - дополнительная частотная погрешность (НСП) ДКВ, %; К - коэффициент, зависящий от соотношения суммируемых погрешностей, по МИ 155286.

В пятой главе приведена теория исследования и нормирования погрешностей ДКВ при измерении сигналов искаженной формы [2,6,9,19,20,26,48,50,52^9].

Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания СИ рассматривалось многими авторами применительно к многообразным методам, средствам и целям измерений.

При измерении напряжений, а также градуировке, поверке и аттестации вольтметров, генераторов и других СИ одной из доминирующих дополнительных погрешностей часто является составляющая за счет отклонения формы кривой измеряемого сигнала от градуировочного

или идеализированного измеряемого (синусоидального, прямоугольного импульса или др.) сигнала. Она зависит, в основном, от принципа преобразования сигнала в средстве измерений. Особенно актуален учет указанной погрешности для эталонных СИ (в частности, ДКВ).

В общем виде погрешность вольтметров от формы измеряемого сигнала вф (далее погрешность от формы сигнала) определяется выражением

9ф=г{к1,и1,ип,гх,гп,<Рп), (11)

где К1 - коэффициенты, характеризующие искажение формы измеряемого сигнала [5,51]; £/- уровень первой гармоники напряжения; ип - уровни высших гармонических составляющих; /м - значения частот гармонических составляющих; <рп - разность фаз между гармоническими составляющими.

Из выражения (11) следует, что определение и нормирование погрешности вф имеет свои особенности и трудности.

Поэтому анализ погрешностей от формы сигнала может быть аналитически проведен только для конкретных схем вольтметров и режимов работы отдельных их узлов, в частности детектора, и целей измерений. В пределах работы рассмотрим только те вопросы, которые имеют отношение к правильности передачи размера единицы напряжения эталонным и рабочим СИ и исследованию и нормированию дополнительной погрешности электронных вольтметров вследствие влияния формы напряжения.

Проанализируем влияние формы напряжения на показания ДКВ при необходимости измерения им первой гармоники синусоидального напряжения и наличии высших гармонических составляющих методом постоянного среднего тока на низких частотах. Приложим ко входу вольтметра измеряемое напряжение

V ~=и^со5а>1 + ипсо5(па\. + (рп). (12)

Не приводя громоздких вычислений и преобразований, укажем полученное общее выражение для погрешности измерения вследствие наличия высших гармонических составляющих [2, 50-52]:

вф-~и[ кщфщ) +кихфиХ(кип)С0%(Рп, (13)

где 1п\ки^ - функция Бесселя п-го порядка.

Из выражения (13) следует, что погрешность вф содержит две составляющие. Первая из них не зависит от номера высших гармоник и фазового сдвига между ними и напряжением основной частоты, имея положительный знак. Вторая - зависит как от номера гармонических составляющих, так и от фазового сдвига между ними и напряжением основной частоты. При этом последняя составляющая в зависимости от фазового сдвига может иметь как положительный, так и отрицательный знак. Максимальное ее значение будет при cos <р = ±1 , т.е. при <р = пл.

В диссертации приведены упрощенные формулы для различных уровней напряжения, позволяющие очевиднее оценить влияние высших гармоник на погрешность измерений [2, 50-52].

Влияние формы кривой измеряемого напряжения при высоких частотах отличается от выражения (13) вследствие рассмотренной в разделе 4 работы резонансной погрешности ДКВ. Погрешность измерения напряжения из-за искажения формы кривой сигнала при высоких частотах может быть во много раз больше, чем при низких частотах [6,9]. Особенно это может проявляться при частотах, близких к значению, определяемому уравнением

/ = (14)

где fp - резонансная частота ДКВ (2150± 150 МГц) [2].

Вывод этой теоремы позволил объяснить причины непредсказуемых аномалий показаний диодных вольтметров при высоких частотах и дать предложения по повышению точности измерений переменного напряжения, в частности, при градуировке, поверке и метрологической аттестации вольтметров [9]. В результате формула (14) была введена различными авторами во многие учебники и книга по электроизмерениям напряжения.

Для точного учета этой погрешности необходимо иметь количественные и фазовые данные о гармониках в измеряемом сигнале, что практически трудно реализовать. Погрешность от формы сигнала при высоких частотах и малых напряжениях (лгг/,<1) может быть оценена выражением

^=0,5S^2/t/2> (15)

где у. - частотный множитель i-й гармоники.

В этом случае влияние высших гармоник заметно снижается.

При больших уровнях напряжения (кгу,>10) погрешность может быть оценена в соответствии с выражением

вф^ЧигГг'иг (1б)

В этом случае влияние гармоник существенно повышается. Поэтому при измерении напряжения диодными вольтметрами не следует выбирать частоты (если это возможно) близкие к значению частоты, определяемой по формуле (14). Кроме того, при измерении напряжения при высоких частотах следует предъявлять повышенные требования к чистоте формы кривой напряжения и принимать меры к снижению содержания каждой из высших гармоник до 0,01-0,1%.

При измерении переменных напряжений и передаче размера этой единицы рабочим эталонам и СИ при высоких частотах необходимо учитывать влияние соединительных цепей (соединителей) между сличаемыми средствами или объектами измерений. Указанные цепи могут изменить относительное содержание гармоник в измеряемом напряжении. При этом может возникнуть дополнительная погрешность измерения от изменения формы сигнала [20,22,24,50,52].

В диссертации приведены выражения для оценки погрешностей вследствие искажения формы импульсных сигналов при их измерении ДКВ типа ОКВ-5, В4-11 и В4-19 [2].

В шестой главе рассмотрены структурно-алгоритмические принципы построения установок для поверки вольтметров — многозначных эталонных мер переменного и импульсного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц [1-3,5,6,18,19,25,27,32,-34,36,37,40,44,48.49,Д5,Д6,Д10,Д13-Д16, И6, И8 ,И9-И13].

В первом разделе показана перспективность применения в качестве разрядных многозначных мер (далее — мер) напряжения. Эта тенденция развития МО СИ напряжения отражена и в поверочной схеме [3,5,6,Д11].

Как уже отмечалось, особо актуально применение эталонных мер напряжения 2-го разряда, предназначенных непосредственно для поверки и градуировки рабочих вольтметров й измерительных преобразователей напряжения в широком диапазоне, частот (от 10-20 Гц до 1-2 ГГц) и уровней напряжения (от 10-100 мкВ до 0,3-1 кВ). При этом требующиеся точности измерений существенно различны в зависимости от частоты, уровня и формы напряжения. Для МО СИ необходимы меры переменного (синусоидального) и импульсного напряжения различной формы.

Рассмотрены пути решения указанной задачи и результаты разработки и исследования ряда мер напряжения, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора.

В общем виде обобщенные структурные схемы мер переменного напряжения соответствуют рис. 6 и 7. В зависимости от необходимых метрологических характеристик (МХ) мер отдельные элементы и связи, указанные на рисунках, могут отсутствовать или дополняться (усложняться). Общей тенденцией указанных мер была все большая их автоматизация по мере разработки новых моделей. В диссертации рассмотрены назначение, особенности и требованюг'к отдельным структурным элементам (узлам) мер переменного напряжения.

Общее уравнение измерения рассмотренных мер может быть представлено выражением

и~=к{[/г,и0,А,/,Кф), (17)

где ¡Ур - уровень опорного (градуировочного) переменного напряжения; Е/ф - уровень опорного постоянного напряжения; А - коэффициент передачи масштабного преобразователя; Г - частота напряжения, определяющая АХЧ меры; Кф - коэффициент искажения формы напряжения.

Указанные величины и определяют основные составляющие погрешности воспроизведения напряжения, находящиеся для различных типов мер в пределах от сотых долей до единиц процента.

По схеме рис. 6 во ВНИИМ разработаны и исследованы установки для поверки электронных вольтметров типа УПВ-1000-1-ьУПВ-1000-5, УПЭМ-1А, различные модификации которых использовали в качестве измерителей уровня вольтметры типа ОКВ-2 (ВЗ-8), ОКВ-4 (ВЗ-24 и ВЗ-49), ОКВ-5 (В4-11). Установки выпускались Ленинградским, Рижским и Киевским заводами «Эталон» по 10-50 экземпляров в год.

По схеме рис. 7 ТКБ РЭ с участием автора и его учеников разработаны калибраторы — автоматизированные установки для поверки вольтметров типаВ1-4, В1-6, В1-8, В1-15, В1-16, В1-29, выпускавшиеся серийно заводом Пунане Рэт (ТПО РЭТ).

Обобщенная структурная схема автоматизированной меры импульсного напряжения прямоугольной формы представлена на рис.8

Уравнение измерения мер импульсного напряжения может быть в обобщенном виде представлено выражением

ип=Р(и_,Цо, А, т, Б, Кф,С? ), (18)

где и_ - уровень меры постоянного напряжения; и0 - уровень меры опорного напряжения; А - коэффициент передачи масштабного преобразователя; т -временные характеристики импульсного напряже-

ния; Р - частота повторения импульсов; Кф — коэффициенты искажения формы воспроизводимых импульсов; С) - скважность импульсов.

В седьмой главе изложена теория и исследование косвенных методов воспроизведения и измерений переменного напряжения [1-

В ряде случаев при измерении интенсивности электромагнитных колебаний возникает необходимость применения косвенных методов измерения и воспроизведения переменного напряжения. •

В связи с этим было разработано несколько методов воспроизведения напряжения на входе вольтметров с диодными измерительными головками, использующими разработанные ПО «Светлана» новые модели диодов 6Д8Д и 6Д13Д с целью определения их АЧХ и предельных частотных возможностей.

Первый способ основан на измерении напряжения в определенных точках (сечениях) измерительной линии с двумя параллельными пластинами в качестве внешнего проводника. Теория метода заключается в том, что проходящая через линию без потерь мощность, поглощаемая ваттметром, определяется выражением

^ = итахит[п/г^^/Хо. (19)

: Из формулы (19) следует

где их - действующее значение напряжения, Р- проходящая мощность, г0 - волновое сопротивление линии передачи.

Следовательно, в передающей линии имеются такие точки, напряжение в которых может был. определено по формуле (20) на основании известного значения волнового сопротивления линии и измеренного значения проходящей через линию мощности. Дальнейшие выкладки с использованием выражения эпюры для напряжения вдоль коаксиальной линии позволяют рассчитать расстояние АХ, на которое необходимо сместить пробник вольтметра вдоль центрального проводника линии от положения, соответствующего легко определяемому с помощью того же вольтметра значения При этом, сместив пробник

вольтметра на расстояние АХ от положения, соответствующего узлу напряжения, измеряют проходящую через линию мощность Р и определяют по формуле (20) значение измеряемого напряжения соответствующее определенному показанию вольтметра. Практически удобнее расстояние АХ выразить в обобщенных относительных значениях от

3,6,13,15,37,39,40,И4,И10].

(20)

длины волны - Я, т.е. ДХ/Я. В [13] приведены расчетные таблицы и номограммы значений ДХ/Я = .Р(Г) и ДХ/Я = Р(КСВ) в пределах аргументов коэффициента отражения Г от 0 до 1 и Ксв от 1 до 20.

Упрощенная структурная схема установки для градуировки вольтметров с.в.ч. приведена на рис. 9.

Проанализированы составляющие погрешности определения напряжения указанным способом и показано, что погрешность воспроизведения напряжения при применении эталонных и вспомогательных СИ ВНИИМ не превосходит 0,9-2,6% при коэффициентах отражения соответственно 0,025-0,2 и частотах до 3 ГГц [13].

Рассмотренный способ не позволяет градуировать вольтметры с тройниковыми пробниками, предназначенными для измерения напряжения в коаксиальных трактах.

В связи с этим был предложен другой способ градуировки вольтметров, основанный на теории измерений прежнего метода [И4], но лишенный его недостатков. Упрощенная схема установки для градуировки вольтметров с.в.ч. этим способом приведена на рис. 10.

Методика градуировки вольтметров сводится к следующему. Вначале с помощью измерительной линии определяют значение Ксв в тракте передачи и по таблицам или графикам, приведенным в [13], находят необходимое смещение дх узла напряжения относительно пробника вольтметра, установленного в тройниковый элемент. Затем, с помощью регулируемого фазовращателя, устанавливают на входе пробника вольтметра узел напряжения — ит;п. Зондом измерительной головки линии фиксируют положение какого-либо узла напряжения в пределах рабочей части этой линии. После этого смещают каретку с зондом измерительной линии на расстояние дх от зафиксированного (в предыдущей операции) положения и, не меняя ее положения, с помощью фазовращателя устанавливают узел напряжения - £/т^п на зонде линии.

При этом узел напряжения сместится относительно пробника вольтметра также на дх. Регулируя мощность генератора, устанавливают необходимые показания градуируемого вольтметра и измеряют при этом проходящую мощность — Р. Далее при известном волновом сопротивлении тройникового элемента и полученному значению мощности рассчитывают значение напряжения на входе пробника вольтметра по формуле (20) и погрешность градуируемого вольтметра. Методическим приемом, указанным в [15], можно снизить влияние вносимого

при регулировании фазовращателя изменения коэффициента отражения.

Проанализированы составляющие погрешности градуировки вольтметров этим: способом и показано, что погрешность воспроизведения напряжения при применении эталонных и вспомогательных СИ ВНИИМ не превосходит 0,8 - 2,6% при коэффициентах отражения (0,025 - 0,2) и частотах до 3 ГГц [15].

Третий способ градуировки вольтметров основан на измерении напряжения в пучности (£/шах) и узле (С/~п11-Г|) линии передачи при одном и том же показании вольтметра и измеряемых с помощью ваттметра в том и другом случаях значениях проходящей мощности. При этом смещение узла и пучности напряжения в линии передачи осуществляется с помощью регулируемого фазовращателя — коаксиальной линии переменной длины. Показания вольтметра поддерживаются постоянным регулированием мощности генератора. Результаты измерений можно выразить в виде известной системы уравнений:

Vтах = и*2 ~ (21)

и1ш=ш2=Р220'КСВ2> (22>

: где Сщах и итт " Действующее напряжение в пучности и в узле,

Р^ и Р2 - проходящая через линию передачи мощность при установке

пробника вольтметра соответственно в пучности и в узле линии, г0 -

волновое сопротивление линии передачи.

Перемножив выражения (21) и (22) и произведя преобразования, получим для расчета значения напряжения формулу

иХ = 1Р1Р220КСВ1'КСВ2 = 1Р1Р2Ф+АКСВ/КСВ2)' (23) где лкся = кСВ1~кСВ2. Если кса при первом и втором измерении остается постоянным (дксд = о), то формула (23) вырождается в вид

иХ^Р1Р221- (24>

Упрощенная структурная схема установки для градуировки вольтметров этим способом представлена на рис. 11 [13,15,И12].

Указанный на рисунке фиксированный фазовращатель, рассчитанный на определенные длины волн, представляет собою прецизионную коаксиальную линию без потерь и отражений длиною - (А/2)(2л-1), где п — целое число. Его включение и выключение в измерительную

цепь автоматически смещает эпюру напряжения на входе пробника вольтметра на (Я/2).

Проанализированы погрешности градуировки вольтметров этим способом и показано, что погрешность воспроизведения напряжения при применении эталонных,и вспомогательных СИ ВНИИМ не превосходит 0,3 - 0,5% при частотах до 0,5 ГГц и 0,5 - 1,0% при частотах до 1,5 ГТц [И12].

Этот способ применялся для градуировки эталона сравнения ВНИИМ, в качестве которого выступал ДКВ типа ВЗ-24А. В свою очередь эталон сравнения использовался нами при проведении международных сличений эталонов напряжения при частотах до 1 ГТц в качестве независимого от государственного эталона единицы напряжения высокой частоты и дал сходимость с государственным эталоном в пределах ±(0,05 - 0,2)% при частотах от 0,1 до 1,0 ГТц, подтвердив высокую точность эталонов напряжения и мощности ВНИИМ [19,27,28]. Способ использовался также при исследовании частотных характеристик разрабатывавшихся измерительных диодов 6Д24Н, примененных в ДКВ.

К числу косвенных методов измерения (воспроизведения) напряжения, строго говоря, может быть отнесен и метод измерения напряжения с помощью электронных вольтметров (измерителей опорного напряжения) во всех устройствах с масштабными преобразователями для поверки электронных вольтметров, описанных в разделе 6.

В восьмой главе описаны методические основы и методики градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных вольтметров, преобразователей и мер напряжения [1-8,17-19, 24-26,30-32,36,37,41-45,48-54, Д1-Д16,И4-И13].

Нормативное обеспечение передачи размера единицы переменного напряжения от государственного эталона до рабочих СИ, в частности электронных вольтметров, преобразователей и мер напряжения, базируется на комплексе разработанных под руководством и при непосредственном участии автора государственных стандартов, методик и рекомендаций ГСИ.

При этом поверка, калибровка, метрологическая аттестация и градуировка электронных СИ претерпели в последние годы некоторые изменения в терминологическом и организационном отношении, сохранившись практически без изменения по техническому содержанию. Их целью является обеспечение единства измерений электрических величин, в которых проградуированы СИ (в частности электронные вольтметры — ЭВ), путем передачи размера единиц этих величин от эталонов

рабочим СИ. При дальнейшем изложении будем употреблять наиболее часто встречающийся в метрологической практике термин — поверка.

Методологические основы передачи размеров единицы переменного напряжения должны учитывать, во-первых, особенности высокочастотных СИ, указанные в разделе 1; а, во-вторьгх, возможность возникновения при этом дополнительных инструментальных; и методических погрешностей [2, 3, 5, 6, 36, 38, 48, 53, 54]; Известно, что единство измерений может быть обеспечено только при учете и минимизации отдельных составляющих погрешности передачи размера единицы напряжения и нормировании условий проведения измерений, что необходимо принимать во внимание при разработке конкретных методик градуировки и поверки СИ, в зависимости от вида поверки (комплектная или поэлементная), метода поверки, схемно-конструктивных особенностей СИ, их элементной базы, характера проявления погрешностей, способа их нормирования и т.д.

Техническое содержание операций поверки по определению МХ поверяемых ЭВ всегда заключается в сравнении его показания с дейст-~ вительным значением напряжения на входе вольтметра, измеряемым или воспроизводимым с помощью эталонных СИ (мер или измерительных приборов). При этом соединение входа испытуемого ЭВ с эталонными СИ на высоких частотах выполняются с помощью специальных коаксиальных соединительных элементов, к которым предъявляется требование минимизации их геометрических размеров с целью исключения или снижения дополнительных частотных похрешностей и электрических наводок. Многочисленные исследования автора и его учеников позволили сформулировать основные требования к методам и средствам поверки ЭВ и условиям ее проведения. Эти исследования получили свое отражение во многих нормативных документах Госстандарта, ПКС СЭВ и ВНИИМ по обеспечению единства измерений переменного напряжения при поверке и метрологической аттестации соответствующих эталонных и рабочих СИ [Д2-^Д16 и др.].

Поверка ЭВ выполняется в нормальных' условиях. Дополнительно к ним в ГОСТ 9781 на электронные вольтметры по нашему предложению установлены требования к дополнительной погрешности их поверки вследствие искажения формы кривой измеряемого напряжения. В зависимости от класса точности прибора эта погрешность не должна превышать (1/4 1/10) предела допускаемой погрешности поверяемого ЭВ [51].

В диссертации сформулированы требования к погрешности поверки ЭВ вследствие искажения формы измеряемого сигнала в широком диапазоне частот в зависимости от схемно-конструктивцых особенностей эталонных и поверяемых приборов, в частности примененных в них детекторов (преобразователей), значений измеряемых уровней напряжения, диапазонов частот, способов нормирования допускаемых погрешностей и других их особенностей.

В рекомендациях' по поверке ЭВ, кроме обычных общетехнических операций, предусмотрены две характерные операции по определению их МХ - определение (контроль) основной погрешности на частоте градуировки и погрешности в рабочем диапазоне частот.

Определение погрешностей ЭВ выполняется, в основном, двумя методами. Первый из них основан на сличении показаний поверяемого и эталонного вольтметров, включенных с помощью тройникового элемента параллельно в тракт передачи или через делитель напряжения. Последний вариант расширяет пределы измерений в область микро и милливольтовых уровней поверяемых приборов, но требует применения специальных широкополосных делителей напряжения и создания методов и средств их поверки и метрологической аттестации. В качестве эталонного вольтметра в основном применяются ДКВ. Способ применяется также при метрологической аттестации ДКВ в качестве РЭ 2-го разряда. Достоинством его является высокая точность и возможность измерений больших уровней напряжений (до 100 В). Метод измерений реализуется с помощью рассмотренных в разделе 6 работы поверочных установок УПВ-1000.

Получил широкое распространение в поверочной практике и второй метод, основанный на прямом измерении поверяемым ЭВ напряжения, воспроизводимого мерой - установкой для поверки вольтметров (УПВ). Разработанные УПВ обеспечивают высокопроизводительную поверку ЭВ с непосредственным отсчетом погрешностей поверяемых приборов в процентах по шкалам встроенных в установки измерительных устройств — аналоговых и цифровых. К таким УПВ относятся широко распространенные приборы типа В1-8, В1-9, В1-15, В1-16, В1-27, В1-28, В1-29, Н5-3, рассмотренные в разделе 6 работы (рис.7).

В отдельных случаях получил распространение расчетно-экспериментальный метод определения (контроля) погрешностей ЭВ и мер напряжения путем измерения отношения напряжений и интерполяции (экстраполяции) их значения для различных уровней напряжения и частот [2,6,Д2,Д13].

Общей важной задачей обеспечения единства измерений является оптимизация поверочного дела, его качества и производительности. Это в значительной степени относится и к поверке вольтметров, поскольку ежегодно в стране подвергается только периодической поверке около миллиона таких приборов. Оптимизация поверки ЭВ является комплексной проблемой, включающей проведение соответствующих научных исследований и конструкторских разработок, а также создание нормативно-технических документов, . реализующих разработанные предложения по поставленной задаче [6,33,36,45,49,54]. .

Положения оптимизации поверки ЭВ в полной мере относятся к большинству вольтметров переменного напряжения.

Особенно необходимо подчеркнуть целесообразность использования при поверке электрорадиоэлектронных СИ специальных групповых или индивидуальных графиков, номограмм, таблиц и карт поверки [11,14,33].

Метрологическое обеспечение таких мер напряжения как установки вида В1 и УПВ-1000 для поверки электронных вольтметров осуществляется методами комплектной и поэлементной поверки (градуировки), разработанными под руководством или с участием автора, путем прямых измерений воспроизводимого установками напряжения (свыше 0,1-0,3 В) или отношения напряжений (менее 0,1 В) на переменном или постоянном токе с помощью ДКВ и измерителей отношения напряжений вида Д1 (МУ №230, МУ №243, МУ№288, МУ№289, МУ№306, МУ№308 и др.).

При градуировке и поверке таких мер напряжения как низкочастотные и высокочастотные генераторы видов ГЗ, Г4 и Г6 применяются, в основном, разработанные нами методы и эталонные средства измерений, рекомендованные ВНИИМ и ВНИИФТРИ в стандартах ГОСТ 8.314-76, ГОСТ 16863-71, ГОСТ 8.322-78 - по поверке генераторов [2,Д8,Д11,Д16]. Поверка СИ напряжения импульсно-модулированных колебаний выполняется в соответствии с рекомендациями [2,20,И5,И8,И13].

В разделе 6 работы указывалось, что для расширения пределов измерений напряжения и повышения точности в отдельных случаях в СИ и МВИ целесообразно применение эталонных масштабных преобразователей напряжения (МПН - делителей напряжения, аттенюаторов, мер затухания) [7]. В связи с этим нами был разработан ряд МПН [Д1-13, Д1-13А, ДНВ-5, ДНВ-6 и др.]. Их отличием является широкополос-ность (от постоянного тока до 5-30-1000 МГц), сравнительно высокая

точность (от 0,05 до 1%), широкие пределы ослабления (от 10 до 110 дБ), возможность высокоточной градуировки и поверки на постоянном напряжении. Но в силу своей щирокополосности они обладают частотными погрешностями вносимого ослабления. Э!то вызывает необходимость их аттестации в рабочем диапазоне частот [2, 5, 6, 8, 19, 39, ДЗ, Д4,Д13,Д15,И6,И7,И11].

Разработанные под руководством автора МЛН широко используются при поверке электронных вольтметров, измерительных генераторов, фазометров и других эталонных и рабочих СИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты научно-исследовательских, опытно-конструкторских и методических работ автора в области создания методологии Государственной системы обеспечения единства измерений высокочастотного электрического напряжения, узаконенной в многочисленных государственных стандартах страны и иностранных государств.

При этом под методологией, в соответствии с её энциклопедическим толкованием, понимается совокупность приемов исследования, применяемых в какой-либо науке, в частности, в метрологии и конкретно в области измерений электрического переменного напряжения, являющегося одним из важнейших видов измерений в электротехнике, электронике, связи и обороне страны.

Работа включает в себя весь комплекс элементов метрологического обеспечения измерений напряжения, от создания и исследования Государственного эталона единицы высокочастотного напряжения ГЭТ 27-82 (от 30 до 3000 МГц) и рабочих разрядных эталонов (ранее образцовых средств измерений от 10 Гц до 1500 МГц) для передачи размера единицы напряжения РСИ — электронным вольтметрам, измерительным преобразователям и генераторам в соответствии с разработанными методиками метрологической аттестации, доверки и градуировки указанных СИ.

Созданный автором эталон единицы напряжения высокой частоты типа ГЭТ 27-82 прошел международные сличения с эталонами ведущих метрологических центров мира на частотах от 100 до 1000 МГц и пилот-лабораторией ПТБ Германии признан одним из наиболее точных в мире. Результаты исследований автора опубликованы в более чем 250 книгах, статьях, изобретениях и нормативных документах (стандартах,

рекомендациях, инструкциях) как отечественных, так и зарубежных изданий и широко используются в работах и публикациях других авторов по вопросам электрорадиоэлектронных измерений. В диссертации даны ссылки на 120 наиболее приоритетных и значимых публикаций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННЫХ АВТОРОМ РАБОТ

В результате теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором, а также опытно-конструкторских и методических разработок, проводившихся под его руководством или при непосредственным участии, решена важная хозяйственная проблема по созданию основ научно обоснованной методологии обеспечения единства измерений переменного электрического напряжения и эталонных средств воспроизведения и передачи размера единицы напряжения при высоких частотах для метрологического обеспечения методов и средств измерений этой важнейшей электрической величины, широко используемой в науке, технике и обороне страны, что вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышает её обороноспособность. В решение указанной проблемы вошли:

1. Разработка основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений электрического переменного напряжения при высоких частотах и создание, исследование и аттестация Государственного эталона ГЭТ 27-82 единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц. Оценки погрешностей эталона подтверждены результатами его международных сличений с национальными эталонами единицы напряжения высокой частоты Германии, Англии, США, Венгрии и Австралии в диапазоне частот от 100 до 1000 МГц;

2. Создание теории, разработка и внедрение в производство нового вида наиболее точных в мире высокочастотных электронных вольтметров - образцовых диодных компенсационных вольтметров (ДКВ), применяемых в качестве эталона сравнения при международных сличениях и рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов при передаче размера единицы рабочим средствам измерений в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

3. Разработка теории и исследование доминирующих систематических погрешностей (частотной и от искажения формы кривой изме-

ряемого напряжения) ДКВ при передаче размера единицы напряжения от государственного эталона до рабочих средств измерений;

4. Разработка принципов построения автоматизированных установок для поверки электронных вольтметров (УПВ), используемых в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

5. Разработка теории и исследование независимых косвенных методов измерения напряжения при высоких частотах в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

6. Создание методических основ и методик градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных средств измерений (в частности вольтметров, измерительных преобразователей, измерительных генераторов и т.д.) и внедрение их в практику деятельности метрологических органов страны и зарубежья. В общей сложности разработано более 30 государственных стандартов, инструкций, рекомендаций и методик Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ);

7. Отдельные технические и методические решения выполненных разработок защищены 13 авторскими свидетельствами на изобретения;

8. Перечень разработанных под руководством или при непосредственном участии автора эталонных и прецизионных средств измерений приведен в приложении.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Монографии, книги и учебные пособия

1. Морозова Т.Б., Федоров A.M. Измерение токов, напряжений и мощностей и их отношений при высоких и сверхвысоких частотах. -М., Машиностроение, 1968, 120с. (Автор разд. 1,2 и общее редактирование).

2. Федоров A.M. Диодные компенсационные вольтметры. - М., Изд.стандартов, 1976, 148с.

3. Галахова О.П., Федоров A.M. Методы точных измерений силы тока, напряжения, мощности и их отношений в диапазоне звуковых и высоких частот. - М., Машиностроение, 1976, 128с (Автор разд. 1-1, 1-3, 3, 4-4, 4-5 и 4-6).

4. Кротков И.Н., Рождественская Т.Е., Федоров А.М., Фрумкин В.Д. Эталоны единиц электрических величин для широкого диапазона частот. - М., Машиностроение, 1978, 96с (Автор разд. 4-3, 5-1).

5. Федоров A.M., Цыган Н.Я., Мичурин В.И. Метрологическое обеспечение электронных средств измерений электрических величин. Справочная книга. - Л., Энергоатомиздат, 1988, 208с. (Автор 1, 2, 3, 4, 5,10,11 и 14 глав и общее редактирование).

6. Федоров А.М., Методология обеспечения единства измерений электрического переменного напряжения. — СПФ АСМС, 2001, 75с.

. 7. Синяков А.И., Федоров A.M. Метрологическое обеспечение измерительных преобразователей электрических величин. - СПФ АСМС, 2002, 15с.

8. Синяков А.И., Федоров A.M. Метрологическое обеспечение измерительных систем. - СПФ АСМС, 2003, 21с.

П. Научные статьи и публикации

9. Федоров A.M. Влияние формы кривой измеряемого напряжения на показания диодных пиковых вольтметров. — Измерительная техника, 1958, № 6, с.74-77.

10. Рабинович Б.Е., Федоров А.М. Образцовый диодный компенсационный вольтметр. - Измерительная техника* 1958, № 2, с.74-78.

11. Федоров A.M. Резонансная погрешность диодных вольтметров и номограмма для ее определения. - Известия ВУЗ-ов по разд. «Приборостроение», - 1960, № 5, с.29-33.

12. Федоров A.M. Методика и аппаратура для определения пролетной погрешности диодных вольтметров. - Измерительная техника, 1961, № 1, с.47-48.

13. Федоров А.М. Исследования метода определения частотных погрешностей диодных вольтметров при частотах до 3000 МГц. - Труды институтов Комстандарта, вып.70(130), Стандартгиз, 1963, с.5-16.

14. Федоров А.М., Яковлева Н.Ф. Частотные погрешности диодных компенсационных вольтметров. — Измерительная техника, 1965, № 8, с.35-37.

15. Федоров A.M. и др. Способ градуировки электронных вольтметров с помощью фазовращателя, измерительной линии и измерителя мощности. - Труды метрологических институтов СССР, вып. 107(167), Изд.стандартов, 1969, с. 13-16.

16. Федоров А.М., Младенов И. и др. Результаты сличений образцовых средств измерений напряжения стран — членов СЭВ при высоких частотах. - Измерительная техника, 1974, № 6, с.32-34.

17. Федоров А.М., Крестовский В.В. Государственный специальный эталон единицы напряжения переменного тока при высоких частотах. — Измерительная техника, 1974, № 11, с.6-8.

18. Петрищев А.А., Федоров А.М. Меры импульсных напряжений и анализ предъявляемых к ним требований. — Метрология (приложение к журналу Измерительная техника), 1974, № 12, с.20-26.

19. Федоров А.М. Система обеспечения единства измерений напряжения, мощности и затухания в коаксиальных трактах передачи. — Измерительная техника, 1975, № 9, с.58-61.

20. Федоров А.М., Петрищев А.А. Нормирование и определение дополнительной погрешности электронных вольтметров, обусловленной влиянием формы кривой измеряемого напряжения. — Метрология, 1976, № 6, с.52-58.

21. Rozhdestvenskaja Т.В., Galahova O.P., Fiodorov А.М. ... Standard Apparatus for the Volt Realization in the frequency Range from 20 Hz to 1500 MHz. - ШЕЕ Trans. On Instr, and Measurement, V. In - 25, № 4, 1976, p.538-541.

22. Федоров A.M., Петрищев A.A., Долобеева Н.Г. Нормирование и определение погрешностей электронных вольтметров от частоты и формы сигналов. — Тезисы докладов 4 Всесоюзного симпозиума «Динамические измерения». - Л., Изд. ВНИИМ, 1984, с.283-286.

23. Федоров А.М., Щеглов В.А. Анализ компенсационного метода измерения переменного напряжения с применением в качестве детектора полупроводникового диода. - Техника средств связи, серия «Радиоизмерительная техника», вып. 2(20), 1979, с.6-10.

24. Федоров A.M., Щеглов В.А. Анализ погрешности измерений переменного напряжения высокой частоты, обусловленной явлениями трансформации в измерительной цепи. - Труды метрологических институтов СССР, вып. 232(292). - JL, Изд. «Энергия», 1979, с.44-46.

25. Пакаи П. (ВНР), Федоров A.M. Результаты исследования потерь в коаксиальных переходах и их воспроизводимости в соединителях. -Измерительная техника, 1980, № 4, с.45-46 и Acta IMEKO, изд. АН Венгрии, Будапешт, 1979, с.803-810.

26. Петрищев А.А., Федоров A.M. Влияние формы измеряемого напряжения на погрешность электронных вольтметров. - Измерительная техника, 1983, № 1, с.51-53.

27. Федоров A.M., Крестовский В.В. Результаты международных сличений эталонов единицы электрического напряжения при частотах до 1000 МГц. - Сб.научных трудов «Исследования метрологических характеристик эталонов и образцовых приборов в области радиоизмерений СВЧ». -М., Изд. ВНИИФТРИ, 1983, с.7-13.

28. Fiodorov A.M., Krestovsky V.V., Sergeev I.A. Role of international comparisons in the accuracy and improving the national electrical standards. - Proc. "Theoretical and practical limits of measurement accuracy" of 2 Simposium of the IMEKO, Budapest, 1983,p.58-65.

29. Федоров A.M. Анализ направлений оптимизации метрологического обеспечения электронных вольтметров. - Материалы Всесоюзного совещания «Точные измерения электрических величин переменного тока, напряжения, мощности, энергии и угла фазового сдвига». — Д.; Изд. ВНИИМ, 1988, с. 36-37.

30. Федоров А.М., Крестовский В.В. Государственный специальный эталон единицы электрического напряжения в диапазоне частот 30 — 3000 МГц. - Сб. «Метрологическая служба в СССР», вып. 4, - М., ВНИИКИ, 1983, с. 19-24.

31. Fiodorov A.M., Krestovsky V.V. The USSR state high frequency voltage Standard. - Digest of "Conference on Precision Electromagnetic Measurement", Delft, Netherlands, 1984, p.195-198.

32. Федоров A.M. О правильности измерений напряжения при высоких частотах. - Материалы НТК «Применение микропроцессоров в народном хозяйстве», Эст. РП РЭС им. А.С. Попова, Таллинн, 1988, с. 712.

33. Федоров A.M. Анализ путей оптимизации поверки радиоэлектронных средств измерений интенсивности эдектромагнитных колеба-

ний. - Материалы 7 ВНТК «Метрология в радиоэлектронике», - М., ВНИИФТРИ, 1988, с.6-7.

34. Федоров A.M. О содержании поверочных схем для измерений электрических величин. — Материалы 7 ВНТК «Метрология в радиоэлектронике», - М., ВНИИФТРИ, 1988, с. 8.

35. Федоров A.M., Крестовский В.В. Методика аттестации эталонных терморезисторных преобразователей напряжения. - Измерительная Техника, 1989, № 2, с.25-27.

36. Федоров А.М. Состояние и проблемы поверки аналоговых и цифровых электронных вольтметров. - Материалы 46 НТК «Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники, связи», - ЛДНТП общ. «Знание», 1991, с.11-13.

37. Федоров А.М. Метрологическое обеспечение измерений напряжения в радиоэлектронике. - Радиоэлектроника и связь, - Л., 1991, № 1, с.72-76.

38. Федоров A.M. Методики измерений переменного электрического напряжения. - Радиоэлектроника и связь, СПб, НТО РЭС им. A.C. Попова, 1999, № 2 (16), с.9-14.

39. Федоров A.M. Косвенные методы измерений интенсивности электромагнитных колебаний. - Радиоэлектроника и связь, СПб, НТО РЭС им. A.C. Попова, 1999, № 2 (16), с. 23-26.

40. Синяков А.И., Федоров А.М. Технико-экономическое обоснование государственных поверочных схем. - Квалификация и качество, 2000, №2, с. 18-22.

41. Федоров А.М. Об истории развития метрологии в радиоэлектронике и связи за 100 лет. - Сб. научных трудов АСМС, - М., АСМС, 2000, № 3, с. 84-96.

42. Синяков А.И., Федоров A.M. Метрологическое обеспечение измерителей уровня с согласованным входным сопротивлением. - Сб. научных трудов АСМС. 2000, № 3, с. 114-120.

43. Синяков А.И., Федоров A.M. О горизонтальных связях в ступенях поверочных схем для передачи размеров единиц физических величин. — Квалификация и качество, 2001, № 1, с. 18-20.

44. Федоров A.M., Кравченко С.А. История развития радиотехнических измерений. — Российская метрологическая энциклопедия. — СПб, ИИФ «Лики России», 2001, с. 539-542.

45. Синяков А.И., Федоров A.M. Основные направления повышения качества средств измерений электрических величин. - Квалификация и качество, 2001, № 4, с.16-19.

46. Федоров A.M. История создания в России единой службы времени и частоты. - Российская метрологическая энциклопедия. - СПб, ИИФ «Лики России», 2001, с. 465-467.

47. Синяков А.И., Федоров A.M., Никитина A.M. О философских и учебных аспектах некоторых определений метрологии. - Квалификация и качество, 2002, № 4, с. 42-47.

48. Федоров A.M. Состояние и проблемы обеспечения единства измерений электрического напряжения. - Труды 58-й Научной сессии, посвященной Дню радио, - М; изд. редакции журнала «Радиотехника»,

2003, с. 31-33.

49. Федоров A.M. Метрологическое обеспечение средств радиоэлектроники. -Радиотехника, 2003, № 4, с.81-86.

50. Федоров A.M., Синяков А.И. Влияние формы электрических сигналов на погрешность измерения напряжения. - Квалификация и качество, 2003, № 4, с. 17-26.

51. Федоров А.М., Черных IO.B. Коэффициенты искажения гармонических сигналов и их определение. - Труды 59-й Научной сессии, посвященной Дню радио, ч. 1, - М.; изд. редакции журнала «Радиотехника», 2004, с. 109-110.

52. Синяков А.И., Федоров А.М. Влияиие формы электрических сигналов на точность измерения напряжения. — Труды 59-й научной сессии, посвященной Дню радио, ч. 1. - М. ; изд. редакции журнала «Радиотехника», 2004, с. 107-109.

53. Лячнев В.В., Синяков А.И., Федоров A.M. Воспроизведение, хранение и передача размеров единиц физических величин. - Компетентность, 2004, № 2, с. 16-19.

54. Синяков А.И., Федоров A.M. Проблемы разработки методик выполнения измерений физических величин. - Материалы Международной конференции «Инноватика - 2004», ч.8, - М.; изд. Радио и связь,

2004, с.20-21.

Ш Нормативные документы (ссылки с индексом «Д»)

Д1. Инструкция 222-65 по поверке электронных вольтметров при частотах до 1000 МГц — М., Изд. стандартов, 1965, 16 стр.

Д2. МИ 79-76. Методика метрологической аттестации диодных компенсационных вольтметров в качестве образцовых средств измерений 2-го разряда. -М., Изд.стандартов, 1976, 8 стр.

ДЗ. МИ 209-80. Методика метрологической аттестации приборов Д1-13 (АСО-ЗМ) в качестве образцовых средств измерений в диапазоне

частот 0-35 МГц-М., Изд.стандартов, 1981, 12 стр. (соисполнитель Те-литченко Г.П.).

Д4. МИ 210-80. Методика метрологической аттестации делителей напряжения ДНВ-5 и ДНВ-6 в качестве образцовых средств измерений 2-го разряда. - М., Изд.стандартов, 1981, 8 стр. (соисполнитель Щеглов В .А.).

Д5. Методические указания № 228 по поверке импульсных милливольтметров и вольтметров при импульсных напряжениях. - М., Изд.стандартов, 1966, 12 стр.

Д6. Методические указания РД 50-347-82. Вольтметры цифровые импульсные. Методы и средства поверки. - М., Изд.стандартов, 1982, 15 стр. (соисполнитель Лопарева А.Т.).

Д7. ГОСТ 8.072-73. ГСИ. Государственный специальный эталон единицы напряжения переменного тока в диапазоне частот от 100 до 1500 МГц - М., Изд.стандартов, 1973, 3 стр. (соисполнитель Крестовский В.В.).

Д8. ГОСТ 8.075-73. ГСИ. Общесоюзная поверочная схема для средств измерений напряжения переменного тока при высоких частотах. - М., Изд.стандартов, 1973, 6 стр.

Д9. ГОСТ 8.118-74. ГСИ. Вольтметры электронные. Методы и средства поверки при высоких частотах. - М., Изд.стандартов, 1974, 15 стр. (соисполнитель Крестовский В.В.).

Д10. ГОСТ 8.429-81. ГСИ. Вольтметры электронные аналоговые импульсные. Методы и средства поверки. - М., Изд.стандартов, 1981, 14 стр. (соисполнитель Лопарева А.Т.).

Д11. ГОСТ 8.072-82. ГСИ. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений электрического напряжения при высоких частотах до 3000 МГц - М., Изд.стандартов, 1982, 6 стр. (соисполнитель Крестовский В.В.).

Д12. ГОСТ 8.117-82. ГСИ. Вольтметры диодные компенсационные. Методы и средства поверки. - М., Изд.стандартов, 1983, 24 стр. (соисполнители Лопарева А.Т. и Цыган Н.Я.).

Д13. ГОСТ 8.118-85. ГСИ. Вольтметры электронные аналоговые переменного тока. Методика поверки. - М,, Изд.стандартов, 1986, 14 стр. (соисполнители Щеглов В.А. и Цьвган Н.Я.).

Д14. ГОСТ 8.119-85. ГСИ. Вольтметры электронные селективные. Методика поверки. - М., Изд.стандартов, 1986, 13 стр. (соисполнитель Лопарева А.Т.).

Д15. PC 4770-74. Рекомендация по стандартизации «Метрология. Измерители напряжения в диапазоне частот от 20 Гц до 1 ООО МГц - рабочие. Методы поверки». - СЭВ, 1974, 10 стр.

Д16. PC 5540-76. Рекомендация по стандартизации «Метрология. Средства измерений напряжения в диапазоне частот от 30 до 1000 МГц. Поверочная схема». — СЭВ, 1976, 6 стр.

IV. Изобретения (ссылки с индексом «И») '

И1. A.c. 119931 (СССР). Электронный диодный вольтметр (соавтор Б.Е.Рабинович). - Опубл. в БИ, 1959, № 10.

И2. A.c. 122812 (СССР). Электронный диодный компенсационный вольтметр (соавторы - Б.Е.Рабинович и Б.И. Птичкин). - Опубл. в БИ, 1959, №19.

ИЗ. A.c. 135148 (СССР) Способ измерения электрических параметров полупроводниковых с.в.ч. термисторов (соавтор Г.М.Стрижков). -Опубл. в БИ, 1961, №2.

И4. A.c. 150890 (СССР). Способ градуировки вольтметров в диапазоне с.в.ч. (соавтор Б.Е. Рабинович). - Опубл. в БИ, 1962, № 20.

И5. A.c. 183826 (СССР), Компенсационный способ измерения амплитуды импульсного напряжения (соавторы - Н.Я.Сидоренков, В.Я. Мальцев и Л.А.Валихан). - Опубл. в БИ, 1966, № 14.

И6. A.c. 290247 (СССР). Способ поверки и градуировки электроизмерительных приборов при высоких частотах (соавтор В.С.Киселев). -Опубл. в БИ, 1971, №2.

И7. A.c. 429373 (СССР). Устройство для измерения коэффициента передачи четырехполюсников на переменном токе (соавтор Г.П.Телитченко). - Опубл. в БИ, 1974, № 19.

И8. A.c. 441535 (СССР). Устройство для поверки и градуировки вольтметров импульсно-модулированных колебаний (соавтор Г.П.Телитченко). - Опубл. в БИ, 1974, № 32.

И9. A.c. 532092 (СССР). Устройство для стабильного напряжения переменного тока (соавтор A.A. Петрищев). - Опубл. в БИ, 1976, № 38.

И10. A.c. 635432 (СССР). Устройство для воспроизведения напряжения переменного тока высокой частоты (соавтор В.А. Щеглов). -Опубл. в БИ, 1978, № 44.

И11. A.c. 758009 (СССР). Устройство для поверки сверхвысокочастотных делителей напряжения с низким выходным сопротивлением (соавтор В .А. Щеглов). - Опубл. в БИ, 1980, № 31.

И12. A.c. 797358 (СССР). Устройство для поверки и градуировки сверхвысокочастотных вольтметров (соавтор В.В.Крестовский). — Опубл. в БИ, 1981, №2.

И13. A.c. 1187118 (СССР). Многозначная мера радиоимпульсного напряжения (соавторы - Ю.П.Ильичев, Л.З.Пазин, Л.С.Румянцев и Г.П.Телитченко). - Опубл. в БИ, 1985, № 39.

Приложение 1

Эталоны и прецизионные средства измерений, разработанные под руководством или при непосредственном участии Федорова A.M.

№ Наименование Основные метрологические характеристики Предприятия-

п/п СИ Диапазон Пределы Основная изготовители

частот измерений погрешность,%

1. Гос. эталон (0,1-1,5) ГГц (0,1 - 1) В S0=0,02-0,3 ВНИИМ

ГЭТ 27-73 00=0,15-0,7

2. Гос. эталон (0,03-3) ГГц (0,1-1)В So=0,005-0,5 ВНИИМ

ГЭТ 27-82 ©0=0,05-2

3. ДКВ ОКВ-2 20 Гц-1 ГГц (0,025-100) В 0,2+0,08 / U Эталон, Л-д

4. ДКВ ОКВ-ЗА 20 Гц-0,3 ГГц (0,015-1,25) В - « - - « -

5. ДКВ ОКВ-4 20 Гц-1 ГГц (0,1-100) В - « - - « -

6. ДКВИ ОКВ-5 20 Гц-1 ГГц (0,12-150) В 0,2+0,12/U - « -

7. ДКВ ВЗ-9 20 Гц-0,3 ГГц (0,02-1,25) В 0,2+0,08 / U Пунанэ РЭТ

8. ДКВ ВЗ-24 20 Гц-1 ГГц (0,02-100) В - « - - « -

9. ДКВ ВЗ-49 20 Гц-1 ГГц (0,01-100) В - « - - « -

10. ДКВ В3-63 10 Гц-1,5 ГГц (0,05-100) В . - « - - « -

11. ДКВИ В4-11 20 Гц-50 МГц (1-150) В 0,2-1,8 - « -

12. ДКВИ В4-19 - « - - « - - « - СКБРИАП

13. Делитель ДНВ-5 (0-1) ГГц 20 дБ 0,4-1 Эталон, Киев

14. Делитель ДНВ-6 - « - 40 дБ *•« - - « -

15. Аттенюатор Д1 -13 (0-6,5) МГц 10,20...90 дБ 0.12-0,6 Эталон, Ташк.

16. Аттенюатор Д1 -13 А (0-30) МГц 10,20...110 дБ 0,05-1,5 -« -

17. Фильтр ФРФ-1 1 кГц-50 МГц - Q> 10 Эталон, Киев

18. Фильтр ФР-1 (1-3) ГГц - Q > 500 Эталон, Л-д

19. Фильтр ФР-2 (0,15-1) ГГц - Q > 200 Эт., Рига, Киев

20. Фильтр ФР-3 (60-150) МГц — Q> 50 - « -

21. Уст. УПВ-1000-1 20 Гц-1 ГГц (0,05-100) В 0,2-4 Эталон, Л-д

22. Уст. УПВ-1000-3 - « - - « - 0,2-3 Эт., Л-д, Рига

23. Уст. УПВ-1000-5 - « - 1 мВ-100 В 0,2-2,5 Эт., Л-д, Киев

24. Уст. В1-4 (55-1000) Гц 0,1 мВ-ЗООВ 0,5-1 Пунанэ РЭТ

25. Уст. В1-8 (45-1000) Гц - « - 0,3-0,5 - « -

26. Уст. В1-15 (0,03-1) ГГц 3 мВ-3 В 0,5-6 - « -

27. Уст. В1-16 10 Гц-50 МГц 0,1 мВ-3 В 0,2-3 - « -

28. Уст. УПЭМ (0,03-1) ГГц (0,1-300) мВ 0,5-2 ВНИИМ

Рис. 1 Структурная схема эталона высокочастотного напряжения. (АС Ла 635432).

I — генератор, 2 - переключатель, 3 — фильтр, 4 -ТРП преобразователь-компаратор, 5 — мост постоянного тока, 6 - АЦП, 7 - нагрузка, 8 — аттестуемый ДКВ, 9 - пульт управления, 10-микропроцессор,

II — цифровое устройство. .

Рис.3. Принципиальная схема ДКВ при Измерении напряжения методом постоянного среднего тока. (АС№ 122812).

5ИК

ЗЗНГОтС!

"пт:

—Е

^_I

Рис.2 Эквивалентная электрическая схема ТРП.

(АС № 135148). На рисунке: - индуктивность болометра, -активное сопротивление болометра, Сц - ймкс^сть нерегулярности внутреннего проводника, С^я — блок. Емхость.

14, еах

I

нн*-

ъ.

Рис.4. Принципиальная схема ДКВ при измерении напряжения методом постоянного напряжения смещения 11см-Пий Я««» (АС № 119931)

Рнс.5. Структурная схема измерительной

установки (АС №135148). 1 - генератор, 2 - переключатель, 3 - фильтр, 4 - тр-р полных сопротивлений, 5 — предельный аттенюатор, 6 и 9 - нагрузочные резисторы, 7 — измеритель отношения напряжений, 8 - аттестуемый ДКВ.

Рис. 6; Структурная схема установки для поверки электронных вольтметров - неавтоматизированной меры переменного напряжения и_(АС№ 290247, АС №758009).

где I - генератор, 2 - переключатель,' 3 - фильтр, .4 —тр-р полных сопротивлений, 5 - масштабный преобразователь, б - нагрузка, 7 - ДКВ (эталонный вольтметр).

Ряс. 7. Обобщенная структурная схема автоматизированной меры переменного напряжения и_ где I - генератор, 2 - система фильтров, 3 - масштабный преобразователь, 4 - блок управления, 5 -источник опорного пост, напр., б - юмернтель опорного уровня персм. напр., 7 - микропроцессор, 8 - указатель погрешности (ЦВ. АЦП), 9 - измеритель разности пост, напряжений.

Рис. 8. Обобщенная структурна схема автоматизированной меры импульсного напряжения Un, где I — мера пост, напр., 2 - электронный ключ (модулятор), 3 - масштабный парообразователь, 4 - блок управлений, 5 - источник per. опорного пост, напр., 6 — источник опорного пост, напр., 7 — микропроцесс-сор, 8 - измеритель разности пост, напр., 9 - указатель погрешностей (ЦВ, АЦП).

EZH

Рис. 9. Структурная схема установки для градуировки электронных вольтметров. (АС № 150890). где 1 - генератор с коммутирующими, фильтрующими и согласующими устройствами (см. рис.6), 2 - изм. линия, 3 - ваттметр поглощаемой мощности, 4 - градуируемый вольтметр.

Рис. 10. Структурная схема установки для градуировки . электронных вольтметров (АС № 150890). где 1 — генератор, 2 - тройниковый коаксиальный элемент, 3 - иэм> линия, 4 - регулируемый фазовращатель, 5 — ваттметр поглощаемой мощности, 6 — градуируемый вольтметр.

Рис. 1!, Структурная схема установки для градуировки . электронных вольтметров. (АС Ла 797358). где 1 - генератор, 2 - нзм. линия, 3 - тройниковый элемент, 4 - регулируемый фазовращатель, 5 — фиксированный фазовращатель, б — ваттметр поглащаемой мощности, 7 — градуируемый вольтметр.

Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97

Санитарнсиэпидемиологическо/^удочение№ 78-01ат^53.П.005б41.11.03 от 21.11.2003 г. Подписано в печать 10.08.06 Формат 60x84

1\16

Б. кн.-журн. П.л. 2,0 Б.л. 1.0 Издательство СЗТУ Тираж 100_экз._Заказ 1431_

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства СЗТУ, члена Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга

191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

pV О г ^

Общая характеристика работы Введение

1. Особенности высокочастотных средств измерений электрического напряжения и методология обеспечения единства измерений переменного напряжения при высоких

2. Создание, исследование и аттестация Государственного эталона единицы переменного напряжения высокой частоты

3. Теория компенсационных методов измерений переменного напряжения и структурно-алгоритмические принципы построения диодных компенсационных вольтметров -рабочих широкополосных эталонов переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц.

4. Теория, исследование и нормирование частотных погрешностей диодных компенсационных вольтметров

5. Теория, исследование и нормирование погрешностей диодных компенсационных вольтметров при измерении сигналов искаженной формы.

6. Структурно-алгоритмические принципы построения установок для поверки электронных вольтметров -многозначных эталонных мер переменного и импульсного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц частотах

ГЭТ 27

7. Теория и исследование косвенных методов воспроизведения и измерений переменного напряжения при высоких частотах.

8. Методические основы и методики градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных вольтметров, преобразователей и мер напряжения.

В диссертационной работе приведено обобщенное изложение методологии и результатов выполнения научных, опытно-конструкторских и методических работ автора в области метрологического обеспечения методов и средств измерений переменного электрического напряжения в широком диапазоне частот, которые в своей совокупности представляют результаты разработки основ Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) указанной электрической величины, используемой в важнейших областях науки и техники - радиолокации, радионавигации, радиоэлектронике, электротехнике, информатике, технике связи, энергетике, медицине, экологии, метеорологии и т.д. При этом к высокочастотным измерениям напряжения относятся (в основном) такие, которые выполняются с помощью радиоэлектронных средств измерений по ГОСТ 15094, характеризующихся, как правило, нормированными входными и выходными импедансами.

Решение указанной проблемы имеет важное хозяйственное значение, внедрение которой вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышает ее обороноспособность.

Работа выполнена автором или под его руководством и непосредственном участии совместно с учениками и сотрудниками лаборатории высокочастотных электрических измерений ВНИИМ и кафедр метрологии и электромагнитных измерений СПФ АСМС. Совместные с промышленными НИИ и КБ разработки эталонных (образцовых) приборов выполнялись автором на основании Постановлений Правительства и хозяйственных договоров.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Напряжение является одной из важнейших электрических величин, характеризующих режимы работы электронных и электрических приборов и устройств. Благодаря этому средства измерений (СИ) напряжения получили широкое распространение в различных областях науки, техники и обороны страны, составляя в общей сложности более 40% всех эксплуатируемых в стране электронных СИ. К их числу относятся электронные вольтметры, измерительные генераторы, электронно-лучевые осциллографы, измерительные преобразователи (усилители, делители напряжения и аттенюаторы), измерители коэффициентов гармоник и модуляции, измерительные системы и комплексы и т.д. Самыми массовыми из них являются электронные вольтметры, обладающие важными техническими, метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Этим обстоятельством объясняется то, что исследованиями в области измерения напряжения и разработками СИ напряжения, а также вопросами метрологии и метрологического обеспечения электрических величин занимались многие известные отечественные ученые и специалисты, в частности Арутюнов В.О., Бондаренко И.К., Бурдун Г.Д., Валитов P.A., Векслер М.С., Волгин Л.И., Володарский Е.Т., Вострокнутов H.H., Грановский В.А., Губарь В.И., Гуревич M.JL, Дойников A.C., Дубенецкий В.Г., Желбаков И.Н., Жилинскас Р.-П.П., Земельман М.А., Зорин Д.И., Исаев JI.K., Кирьянов К.Г., Колтик Е.Д., Кравченко С.А., Кузнецов В.А., Кукуш В.Д., Кьяндский Г.А., Левин М.М., Маграчев З.В., Механников А.И., Мирский Г.Я., Найденов

A.И., Новицкий П.В., Орнатский П.П., Петров В.П., Петров Н.Г., Попов B.C., Рабинович Б.Е., Редькин Б.Е., Рождественская Т.Б., Розенберг В .Я., Ройтман М.С., Рябинин Ю.А., Сирая Т.Н., Солопченко Г.Н., Сретенский В.Н., Тарбеев Ю.В., Туз Ю.М., Чернышев Е.Т., Чуйко В.Г., Широков К.П., Шишкин И.Ф., Шрамков Е.Г., а также иностранцы - Aiken С., Megaw Е., Selby М. и другие.

Большой вклад в создание эталонной базы переменного напряжения внесли сотрудники лабораторий электрических измерений ВНИИМ Акнаев Р.Ф., Байков В.М., Галахова О.П., Крестовский В.В., Петрищев A.A., Телитченко Г.П., Щеглов

B.А. и др.

Необходимой проблемой в этой области измерений является обеспечение единства измерений переменного напряжения в стране, а для этого необходимо создание методологии метрологического обеспечения методов и СИ переменного напряжения, включающей разработку научных, технических, нормативных и организационных основ ее функционирования, чему и посвящена работа.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Главной целью является создание основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений переменного напряжения и разработка эталонных средств воспроизведения и передачи размера единицы напряжения при частотах свыше 30 МГц. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих научно-технических задач:

Создание основ научно-обоснованной методологии обеспечения единства измерений электрического напряжения при высоких частотах;

Разработка структуры построения, методов исследования и аттестация Государственного эталона единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц;

Разработка теории компенсационных методов измерения переменного напряжения и создание нового вида вольтметров - образцовых диодных компенсационных вольтметров (ДКВ), применяемых в качестве эталонов сравнения при международных сличениях и рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов при передаче размера единицы рабочим средствам измерений в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработка теории и исследование дополнительных частотных погрешностей ДКВ при передаче размера единицы напряжения от государственного эталона до рабочих средств измерений;

Разработка теории и исследование дополнительных погрешностей СИ напряжения (включая и ДКВ) вследствие искажения формы кривой измеряемого напряжения при передаче размера его единицы от эталонных рабочим средствам измерений;

Разработка принципов построения установок (мер, калибраторов напряжения) для поверки электронных вольтметров (УПВ), используемых в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработка теории и исследование независимых косвенных методов измерения напряжения высокой частоты в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности; Создание методических основ и методик градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации электронных средств измерений, в частности, вольтметров, и внедрение их в метрологическую практику.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В диссертационной работе применены теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы исследований основаны на использовании элементов теории электродинамики, дифференциального и интегрального исчисления, специальных модифицированных функций Бесселя, тригонометрических функций, теории приближенных вычислений и математической статистики. Экспериментальные методы исследований базировались на планировании эксперимента, математическом и физическом моделировании, разработке уникальных методик измерений и исследований, применении ЭВМ, создании специализированных СИ и вспомогательных устройств, защищенных в ряде случаев авторскими свидетельствами на изобретения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем: ■ Разработаны общие принципы и научно-обоснованная методология создания комплекса эталонных средств воспроизведения и передачи единицы электрического напряжения при частотах свыше 30 МГц;

Создан и исследован возглавляющий поверочную схему Государственный эталон ГЭТ 27-82 единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц (ГОСТ 8.072-82);

Разработана и обобщена теория компенсационных методов измерения переменного напряжения с преобразователями на электровакуумных и полупроводниковых диодах. Создана гамма наиболее точных в мире диодных компенсационных вольтметров, применяемых в качестве рабочих эталонов и эталонов сравнения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработаны теоретические и экспериментальные методы исследования и определения доминирующих систематических погрешностей (частотной и от искажения формы кривой измеряемого напряжения) ДКВ и рекомендации по их учету и снижению;

Разработаны и проанализированы принципы построения установок для поверки электронных вольтметров, применяемых в качестве рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц;

Разработаны применяемые при высоких частотах новые методы косвенного измерения напряжения в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

Созданы нормативные методические основы градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации как эталонных, так и рабочих средств измерений переменного напряжения;

Новизна технических и методических решений защищена 13 авторскими свидетельствами на изобретения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ заключается в создании и внедрении в метрологическую практику системы обеспечения единства измерений переменного напряжения при высоких частотах, включающей в себя: ■ Государственный эталон ГЭТ 27-82 единицы переменного напряжения в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц с метрологическими характеристиками, соответствующими или превосходящими характеристики аналогичных национальных эталонов ведущих метрологических учреждений мира, что подтвердили проведенные международные сличения эталонов напряжения на частотах от 100 до 1000 МГц, в которых участвовали НИСТ США, ЕКюД Англии, ПТБ и АСМВ

Германии, ОМХ Венгрии, НМЛ Австралии и ВНИИМ;

Рабочие эталоны в виде измерительных приборов переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц - диодные компенсационные вольтметры, представляющие собой наиболее точные в мире диодные электронные вольтметры;

Рабочие эталоны в виде многозначных мер переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц - установки для поверки электронных вольтметров;

Методы косвенных измерений переменного напряжения при высоких частотах в коаксиальных линиях передачи известного волнового сопротивления по проходящей через линию мощности;

Государственную поверочную схему для СИ электрического переменного напряжения при высоких частотах до 3000 МГц (ГОСТ 8.075-73, РС 5540-76 и ГОСТ 8.075-82);

Методики выполнения измерений (МВИ) при градуировке, поверке, калибровке и метрологической аттестации электронных СИ в виде нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ), в частности, действующие в настоящее время ГОСТ 8.429-81, ГОСТ 8.117-82, ГОСТ 8.118-85, ГОСТ 8.119-85, PC 4770-74, МИ 79-76, МИ 209-80, МИ 210-80, РД 50-347-82 и др.

Практическая значимость работ автора подтверждена актами внедрения Госстандарта, ТПО РЭТ, СКБ РИАП, Ташкентского завода «Эталон» и СПФ АСМС.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ автора внедрены в широкую практику научно-исследовательских, опытно-конструкторских и метрологических органов страны и бывших национальных республик (метрологические отделы НИИ и КБ, центры стандартизации и метрологии, лаборатории госнадзора, лаборатории измерительной техники, лаборатории радиоизмерений и т.д.). Они внедрены также в национальных метрологических центрах ряда зарубежных стран. Самостоятельные или совместные с промышленными НИИ и КБ разработки эталонных (образцовых) СИ внедрены в производство на многих промышленных предприятиях (ТПО РЭТ, Ленинградский, Киевский, Воронежский, Рижский и Ташкентский заводы «Эталон», КБ РИАП и другие). Перечень разработанных эталонных средств приведен в приложении. Этими средствами оснащены многочисленные научные, учебные, оборонные и промышленные учреждения многих стран.

Методические разработки автора (монографии, учебные пособия, статьи, государственные стандарты, инструкции, методики, рекомендации) широко используются в метрологической практике многих учреждений. Отдельные положения разработок автора включены в книги по электрическим и радиоэлектронным измерениям и в соответствующие учебные пособия и учебные программы высших учебных заведений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертация является результатом обобщения опубликованных автором работ, выполненных в период 1958-2004 г.г.

Результаты исследований и научных разработок автора докладывались и обсуждались на многочисленных отечественных и международных научно-технических конференциях, конгрессах, сессиях, семинарах, симпозиумах, совещаниях, секциях научно-технических советов, организаторами которых были Академия наук СССР и РФ, Госстандарт, Министерство связи, Министерство общего и профессионального образования, Научный Совет по распространению радиоволн АН, ВНИИМ, ВНИИФТРИ, СНИИМ, ВНИИМС, НПО «Кварц», ТПО РЭТ, Институт Электродинамики АН Украины, Институт кибернетики АН Эстонии, С.-Петербургский, Киевский и Таллиннский технические университеты (политехнические институты), НТО

РЭС им. A.C. Попова, НТО Приборпром им. С.И. Вавилова, ИМЕКО, общ. «Знание» и др.

Наиболее актуальные и приоритетные из этих докладов и сообщений, опубликованные в открытой печати, указаны в разделе «Публикации по теме диссертации».

Основное содержание научных разработок автора опубликовано в монографиях, учебных пособиях, научных статьях, нормативных документах (государственных стандартах, инструкциях, методических указаниях и рекомендациях по стандартизации Государственной системы обеспечения единства измерений). 13 разработок автора защищены авторскими свидетельствами на изобретения. За разработку образцовых (эталонных) СИ напряжения высшей точности он награжден 2-мя золотыми и 2-мя серебряными медалями ВДНХ и большой золотой медалью международной Лейпцигской ярмарки.

Под руководством автора было выполнено и защищено 7 диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук по проблемам обеспечения единства измерений электрического напряжения.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации и смежным областям измерений автором опубликовано более 250 печатных работ, включая 8 книг и учебных пособий. Среди публикаций преобладают научные статьи в таких журналах, как «Измерительная техника», «Компетентность», «Квалификация и с качество», «Метрология», «Метрология и измерительная техника» и в периодических сборниках «Известия ВУЗов» по разделу «Приборостроение» и «Вопросы радиоэлектроники», в трудах метрологических институтов Госстандарта (ВНИИМ, ВНИИФТРИ, ВНИИМС), в научно-технических журналах «Техника средств связи», «Радиоэлектроника и связь» и «Радиотехника». Ряд важных разработок и проблем обеспечения единства измерения напряжения, а также вопросов их метрологического обеспечения опубликован в материалах и трудах международных и отечественных конгрессов, научных сессий, конференций, симпозиумов, семинаров.

Автор является руководителем и исполнителем (иногда с соавторами) более 30 нормативных документов по вопросам метрологического обеспечения методов и средств измерений напряжения (государственные стандарты, инструкции, методические указания и рекомендации по стандартизации) Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: ■ Разработанные в диссертации научные, технические и нормативно-методические основы измерений переменного напряжения позволяют создать комплексную систему обеспечения единства измерений (ОЕИ) этой важнейшей электрической величины, широко используемой в электрорадиоэлектронике, связи, оборонной технике и других отраслях науки и техники.

Предложенная система ОЕИ основана на прямых или косвенных методах компарирования или замещения измеряемого переменного напряжения высокоточным постоянным напряжением, воспроизводимым или измеряемым встроенными в СИ меры, с дополнением путем теоретических и экспериментальных исследований характеристик эталонных СИ с целью исключения или минимизации их погрешностей.

Разработанные структурно-алгоритмические принципы построения Государственного эталона единицы высокочастотного напряжения и экспериментальные и аналитические методы и средства его исследования и аттестации позволяют воспроизводить и передавать размер единицы напряжения рабочим эталонам и СИ на уровне точности, соответствующей лучшим мировым достижениям.

Созданная теория компенсационных методов измерений переменного напряжения с преобразователями на диодах и баланс погрешностей позволил разработать наиболее точные в мире образцовые диодные компенсационные вольтметры (ДКВ) для диапазона частот от 10 Гц до 1500 МГц, являющиеся основой для передачи размера единицы напряжения от эталона ГЭТ 27-82. до рабочих СИ.

Теоретические и экспериментальные исследования систематических частотных погрешностей ДКВ позволили получить новые выражения для их оценки и исключения, что обеспечивает повышение точности измерений в 4 - 10 раз.

Теоретические и экспериментальные исследования систематических и случайных погрешностей ДКВ вследствие влияния формы кривой измеряемого напряжения дали новые зависимости для их оценки, что позволило сформулировать положения по снижению или полному устранению их влияния на погрешность передачи единицы напряжения.

Разработанные структурно-алгоритмические принципы построения автоматизированных установок для поверки электронных вольтметров в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц позволили обеспечить передачу размера единицы напряжения рабочим СИ с необходимой точностью и производительностью.

Разработанная теория и анализ погрешностей независимых косвенных методов измерения напряжения в коаксиальных трактах передачи известного сопротивления по проходящей через линию мощности позволяют проводить исследование амплитудно-частотных характеристик электронных приборов.

Разработанные нормативные документы на Поверочную схему и методики градуировки, метрологической аттестации, поверки и калибровки электронных СИ и методики выполнения измерений решают практические задачи ОЕИ переменного напряжения в диапазоне частот от 10 Гц до 1500 МГц.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность разработанных моделей и корректность баланса погрешностей, аналитических зависимостей и алгоритмов.

Введение

В диссертации дано обобщенное изложение методологии и результатов проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских и методических работ, выполненных под руководством или при непосредственном участии автора во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) и Санкт-Петербургском филиале Академии стандартизации, метрологии и сертификации (СПФ АСМС), посвященных решению важной научно-технической проблемы обеспечения единства измерений электрического переменного напряжения и созданию эталонных средств и методик выполнения измерений указанной физической величины с преимущественным акцентом на область высоких частот. При этом к высокочастотным измерения относятся (в основном) такие, которые выполняются с помощью радиоэлекторнных средств измерений по ГОСТ 15094, характеризующихся, как правило, нормированными входными и выходными импедансами.

Обеспечение единства измерений различных физических величин является одним из важнейших составляющих метрологии, под которой понимается наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

При этом под обеспечением единства измерений, в соответствии с ГОСТ 16263-70 и РМГ 2В-99, понимается такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых государственными эталонами, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью.

Измерения с древнейших времен являются одним из основных элементов познания объектов окружающего нас мира и происходящих в нем явлений и процессов [70,74,77,84]. Еще академик Якоби говорил, что наука начинается там, где начинают измерять.

По мере дальнейшего развития научных знаний роль измерений все более возрастает, становясь решающим фактором дальнейшего развития и совершенствования науки и техники [84].

Важное значение имеют электрические и радиоэлектронные измерения, особенно в электротехнике, электронике, связи, информатике, энергетике и т.д. Именно они обеспечивают надежные и высококачественные исследования и контроль функционирования многочисленных технических устройств и явлений в указанных областях.

В работе приведены результаты многолетних работ автора в указанной области метрологической деятельности, достаточно полно опубликованных им в более чем 250 печатных работ (книгах, научных статьях, докладах, нормативных документах и изобретениях) в частности в [1-8,10-19,22,26,27,30-35,3742,49,51,55-58,62-69,71,73,75,76,78,80,83-89, Д1-Д16, И1-И13].

В начале диссертации изложены основы методологии обеспечения единства измерений переменного напряжения на основе разработанной под руководством автора Государственной поверочной схемы для высокочастотных средств измерений (СИ) напряжения и изложены принципы создания рабочих эталонов, ранее называвшихся образцовыми средствами измерений, для передачи размера единицы этой величины от государственного эталона до рабочих СИ [1-4, 6, 68, 73, 83, Д8, Д11].

Далее приведены результаты разработки и исследования Государственного специального эталона единицы напряжения для диапазона частот от 30 до 3000 МГц и указаны его основные метрологические характеристики [2, 4, 11, 22, 27, 38, 39, 41, 42, 51,55, 68, 70, 74, 83, 84,Д11,И10].

Для передачи размера единицы от государственного эталона высокой частоты нижестоящим по поверочной схеме СИ разработаны наиболее точные в мире диодные электронные компенсационные вольтметры (ДКВ), используемые в качестве эталонов 1-го и 2-го разрядов. Приведены результаты исследования их основных метрологических характеристик [2, 5,

10, 17, 20, 21, 25, 29, 32, 53, 55, 69, 74, 83, 84, ДО, Д7, Д8, Д11-Д13, И1, И2].

В связи с характерной для электронных СИ широкополосностью их рабочий диапазон частот иногда включает как низкие, так и высокие частоты. Поэтому приведенные в монографии методы измерений и особенно рабочие разрядные эталоны имеют диапазон частот от единиц герца до единиц гигагерц, что вызывает необходимость разработки и исследования методов и средств определения частотных погрешностей СИ и учета специфики их нормирования [1-6, 11-18, 30, 43, 46, 53, 57, 61, 63, 74, 83, 84, И4, ИИ].

Столь же сложной проблемой является определение и нормирование погрешностей электронных СИ переменного напряжения, в частности электронных вольтметров, вследствие искажения формы измеряемых сигналов. Этим вопросам посвящены два раздела работы [6, 9, 23, 26, 30, 31, 37, 46, 55, 61, 63, 83-87].

В ряде случаев особенности схемно-конструктивных решений электронных СИ напряжения определяют целесообразность применения косвенных методов их градуировки, поверки и калибровки. Это приводит к возможности возникновения существенных погрешностей напряжения и к усложнению методик измерений, что вызвало необходимость введения в работу соответствующего раздела с анализом методов косвенных измерений и способов преодоления их погрешностей [1,5, 6, 19, 35, 55, 64, 74, 83, 84, И4, И10].

Для градуировки, поверки и калибровки электронных вольтметров и измерительных преобразователей промышленными предприятиями с участием автора разработана гамма специализированных поверочных установок (УПВ), применяемых в качестве рабочих эталонов 2-го разряда -многозначных мер переменного напряжения. УПВ широко используются в метрологической практике вследствие удобства и высокой производительности при выполнении измерений. Поэтому принцип действия и анализ метрологических характеристик УПВ дан в отдельной главе диссертации [1-6, 12, 14,20, 23,25,43, 52, 55, 62, 74, 83, 84, Д1, Д9, Д13-Д15].

Заключительный раздел работы посвящен разработке методик выполнения измерений напряжения и в особенности методологических основ градуировки, поверки, калибровки и метрологической аттестации широко распространенных в измерительной практике электронных вольтметров, измерительных преобразователей и мер напряжения [1-6, 12, 20, 24, 25, 27, 30, 33-36, 41-43, 45, 48, 50, 52-55, 58-63, 74, 76, 79, 80, 82-88, 91, 92, Д1-Д16].

При изложении материалов встречается понятие «напряжение высокой частоты». Оно является достаточно условным, так как граница между низкой и высокой частотой электромагнитных колебаний однозначно не установлена и в различных материалах, в том числе и в государственных стандартах, указывается в пределах от 1-10 кГц до 1-10 МГц. В большинстве же случаев она упоминается в пределах 0,1-1 МГц. К тому же эта граница иногда принимается исходя из технических, исторических и субъективных соображений. В настоящее время логичнее классифицировать средства измерений электрических и магнитных величин на электро- и радиоэлектронные измерительные приборы в соответствии с ГОСТ 22261 и ГОСТ 15094 вне зависимости от их часто перекрывающихся рабочих диапазонов частот. К тому же принципы действия и схемно-конструктивные решения, включая элементную базу, большинства современных электрических и электронных СИ все меньше различаются. Это характерно и для методологии обеспечения единства измерений многих электромагнитных величин, включая методики выполнения измерений.

Что касается диапазонов частот Государственных специальных эталонов единиц переменного напряжения, то их смежная частота установлена на значении 30 МГц и объясняется принципами действия указанных СИ и традициями разрабатывавших их лабораторий - лаборатории электрических измерений и лаборатории высокочастотных измерений ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

Одним из важнейших аспектов обеспечения единства измерений является оценка (определение) погрешностей методов, методик и средств измерений. Теоретически наиболее обоснованной и достоверной методикой оценки суммарной (полной) погрешности серийных изделий, в частности сложных электронных СИ, является разработанная Бородачевым H.A.1 теория статистического суммирования их частных погрешностей, дополненная для области радиоэлектронных измерений в работе Рабиновича Б.Е.2, рекомендованной в 1963г МПСС в качестве базовой методики при оценке погрешности разрабатываемых радиоэлектронных средств измерений. Несмотря на определенную сложность анализа частных (отдельных составляющих) погрешностей как средств, так и методов измерений, в работе при оценке суммарной погрешности эталонных средств измерений мы пользовались указанной методикой. Наиболее полно эта методика применялась при расчете суммарной основной погрешности диодных компенсационных вольтметров (ДКВ) подтвердившая ее высокую достоверность при выпуске и эксплуатации всех указанных моделей этих приборов (от первого типа ОКВ-2 до

1 Бородачев H.A. Анализ качества и точности производства,- М.; 1946.

2 Рабинович Б.Е. Методика суммирования частных погрешностей в области радиотехнических измерений. - Труды институтов Комитета стандартов, вып. 57(117). - М.; Стандартгиз, 1961. последнего типа ВЗ-бЗ). Так при условии соблюдения технологии производства ДКВ, в частности правильности их комплектации и монтажа, а так же соблюдения установленных допусков на отдельные комплектующие электронные и электрические элементы, практически отсутствует брак приборов при их выпуске из производства по установленной основной погрешности измерения напряжения [2].

Методика суммирования частных погрешностей включает ряд последовательных этапов ее выполнения.

1 этап. Определение значений частных систематических, неисключенных систематических (НСП) и случайных (СЛП) погрешностей методов и средств измерений путем теоретических и (или) экспериментальных исследований основных уравнений измерений, макетов, образцов средств измерений и их комплектующих элементов и устройств.

2 этап. Теоретический и (или) экспериментальный анализ законов распределения частных составляющих НСП и СЛП в поле их допусков или отклонений от математического ожидания (МО) исследуемых распределений. При этом МО для ряда погрешностей может иметь положительный или отрицательный знак, что приведет к несимметричности оцениваемой суммарной погрешности. Это характерно для ДКВ вследствие очевидного превалирования составляющих со знаком «минус» (см. рис.3-3) [2].

3 этап. Суммирование всех видов частных погрешностей по одной из трех формул в зависимости от характера их проявления и особенности (целесообразности) их учета. м1=£м,, (0-1) 1 где м - математическое ожидание систематических погрешностей (с учетом их знака); = (0-2) где о - неисключенные систематические погрешности, с = 1,05 —1,4 - коэффициент, учитывающий количество составляющих погрешностей и соотношение между ними;

0-3) где а - средние квадратические отклонения случайных погрешностей.

В формулах (0-1) - (0-3) все составляющие погрешности должны быть выражены в одних и тех же значениях - абсолютных или относительных (обычно в процентах).

4 этап. Оценка полной (суммарной) доверительной погрешности з1 методов, методик и средств измерений по формуле

5;+«^), (0-4) где а = 2 при Р = 0,95, а = 3 при Р = 0,99 (0,997).

В случаях коррелированности отдельных составляющих погрешностей данное обстоятельство может быть учтено путем введения соответствующих корректирующих коэффициентов.

Однако рассмотренная методика суммирования частных погрешностей достаточно корректна только для определения доверительной суммарной погрешности ансамбля средств измерений определенного типа, комплектуемых элементами с установленными допусками. Отдельные же приборы из рассматриваемого ансамбля СИ будут содержать индивидуальные систематические погрешности, обусловленные конкретными погрешностями комплектующих электрорадиоэлектронных элементов. Вследствие этого отдельные экземпляры измерительных приборов, в частности ДКВ, в пределах доверительной основной погрешности содержат систематическую составляющую, отличную от выражения (0-1).

Вследствие этого точность диодных компенсационных вольтметров может быть повышена путем индивидуального исследования отдельных их экземпляров при метрологической аттестации в соответствии с МИ 79-76 и МИ 899-85 [2, 6, 10, 53, 69, ДО].

В 80 - 90 годы в ряде нормативных документов системы ГСИ была установлена упрощенная методика суммирования частных погрешностей. Эта методика, вследствие

3 МИ 1552-86. ГСИ. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей результатов измерений. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. статистического характера ее выполнения, дает оценку результатов суммарной погрешности, приближающуюся к методике Бородачева Н.А. - Рабиновича Б.Е. Поэтому в последних работах мы часто пользовались последней методикой. Это тем более допустимо, что в ГОСТ 22261-94 «Средства измерений электрических и магнитных величин» при выпуске СИ из производства устанавливается 20-процентный производственно-эксплуатационный запас по основной погрешности, создающий определенный запас «надежности» при оценке суммарной погрешности. Методика предполагает, что все систематические погрешности исключены, а частные неисключенные систематические погрешности распределены по равномерному (равновероятному) закону относительно центров их группирования, что во многих случаях справедливо. В случаях же более сложных законов распределения значений погрешностей, характеризующих рассеяние отклонений независимых составляющих погрешностей от центров группирования или в границах допусков на отдельные электрорадиоэлектронные элементы и большей достоверности ее оценки, могут быть введены корректирующие коэффициенты для таких законов распределения, имеющиеся в работе Б.Е. Рабиновича.

Методика предполагает определение (исследование) всех частных неисключенных систематических (НСП) ©,. и случайных составляющих погрешностей (СЛП) <т, с последующим их суммированием по известным формулам. при «<з, (0-5) прип>4, (0-6) где ©£ - суммарная граница НСП, к = 1,05 -1,4 - коэффициент, зависящий от соотношения между частными погрешностями и доверительной вероятности:

Е(Р)=±/^, (0-7) где е(р) - доверительная граница СЛП; = 2-з - коэффициент, зависящий от принятой доверительной вероятности; т(. - средние квадратические отклонения частных случайных погрешностей.

Суммарная доверительная погрешность результата однократных измерений оценивается по формуле фг|+|ЕМ|], (0-8) где к = 0,70 - 0,85 - коэффициент, зависящий от доверительной вероятности (р = о,95или/5 = 0,99) и отношения между суммарными границами НСП и СЛП.

В работе, как указывалось ранее, приведены результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных под руководством автора или при его участии в лаборатории высокочастотных электрических измерений ВНИИМ, которой он руководил с 1964 по 1983 гг., и кафедрах электромагнитных измерений и метрологии СПФ АСМС с 1983г. по настоящее время. В выполнении работ участвовали ученики автора и сотрудники указанных выше подразделений. Ряд аспирантов и соискателей, участвовавших в исследованиях под руководством автора, защитили диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по проблемам измерений электрического напряжения (Вайсбанд М.Д., Крестовский В.В., Пакаи П., Петрищев A.A., Саркисов Э.А., Сидоренков Н.Я., Телитченко Г.П. и Щеглов В.А.). От СПФ АСМС в работах участвовали к.т.н. Лячнев В.В., Мичурин В.И., Синяков А.И., Цыган Н.Я.

Ряд работ по созданию и внедрению в производство рабочих эталонов выполнен в сотрудничестве с представителями приборостроительной промышленности (НПО «Кварц», Таллиннское производственное объединение РЭТ, заводы производственного объединения «Эталон» Госстандарта и др.). Общее количество выпущенных указанными предприятиями эталонных СИ превышает 30 тыс. экземпляров. Этими измерительными устройствами оснащены многие метрологические службы страны. Они применяются не только в качестве рабочих эталонов, но и рабочих СИ в науке, технике и обороне как России, так и многих государств мира для метрологического обеспечения СИ, а также выполнения высокоточных измерений напряжения и других электрических величин.

В заключение автор выражает глубокую благодарность всем научно-техническим сотрудникам научных, конструкторских и производственных учреждений страны, принимавших участие в решении важной комплексной народно-хозяйственной проблемы по обеспечению единства измерений переменного электрического напряжения, и в особенности ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, АСМС, НПО «Кварц», ТКБРЭ, ТПО РЭТ, Горьковского СКБ РИАП, а также Ленинградского, Киевского, Ташкентского, Рижского и Воронежского заводов «Эталон» Госстандарта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены результаты многолетних научно-исследовательских, опытно-конструкторских и методических работ автора в области создания методологии Государственной системы обеспечения единства измерений высокочастотного электрического напряжения, узаконенной в многочисленных государственных стандартах страны и иностранных государств.

При этом под методологией, в соответствии с ее энциклопедическим толкованием, понимается совокупность приемов исследования, применяемых в какой-либо науке, в частности, в метрологии и конкретно в области измерений электрического переменного напряжения, являющегося одним из важнейших видов измерений в электротехнике, электронике, связи, информатике, энергетике и обороне страны.

Работа включает в себя весь комплекс элементов метрологического обеспечения измерений напряжения, от создания и исследования Государственного специального эталона единицы высокочастотного напряжения ГЭТ 27-82 (от 30 до 3000 МГц) и рабочих разрядных эталонов (ранее образцовых средств измерений от 10 Гц до 1500 МГц) для передачи размера единицы напряжения рабочим средствам измерений - электронным вольтметрам, измерительным преобразователям и генераторам в соответствии с разработанными им или под его руководством методиками метрологической аттестации, поверки, калибровки и градуировки указанных средств измерений.

Созданный автором эталон единицы напряжения высокой частоты типа ГЭТ 27-82 прошел международные сличения с эталонами ведущих метрологических центров мира на частотах от 100 до 1000 МГц и пилот-лабораторией ПТБ Германии признан одним из наиболее точных в мире.

Результаты исследований автора опубликованы более чем в 250 книгах, статьях и нормативных документах (стандартах, рекомендациях, инструкциях) как отечественных, так и зарубежных изданий и широко используются в работах и публикациях других авторов по вопросам электрорадиоэлектронных измерений.