автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для государственного первичного эталона единицы длины-метра

На правах рукописи

005&ЗЭ'*'-

Кононова Наталья Александровна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИДЦАТИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА ДЛЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ - МЕТРА

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Санкт-Петербург 2013

005535424

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева».

Научный руководитель:

кандидат технических наук Федорин Виктор Леонидович. Официальные оппоненты:

Филатов Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина)», декан факультета информационно-измерительных и биотехнических систем;

Мельников Геннадий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», профессор кафедры теоретической и прикладной механики.

Ведущая организация:

Федеральное государственное казенное учреждение «Главный научный метрологический центр» Министерства обороны Российской Федерации.

Защита состоится « // » ноября 2013 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 308.004.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Автореферат разослан Ж октября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время в мире наблюдаются постоянный рост требований к повышению точности измерений длины и расширение номенклатуры средств измерений. Появились такие современные высокоточные средства измерений, как прецизионные и промышленные лазерные интерферометры, лазерные сканеры, лазерные координатно-измерительные системы и т.п. Данные средства измерений применяются для решения множества научных задач, а также используются в ряде важнейших отраслей национальной промышленности -аэрокосмической, энергетической, оборонной, микроэлектронной, автомобильной и в машиностроении. Используемые ранее для передачи единицы длины эталонным измерительным лентам (далее эталонные ленты) оптико-механические и интерференционные компараторы не могут обеспечить требуемую в современных условиях точность измерений. К тому же их конструкция не позволяет исследовать лазерные интерферометры, лазерные координатно-измерительные системы и т.п. Таким образом, для Государственного первичного эталона единицы длины - метра должен быть разработан компаратор, метрологические характеристики и конструкция которого обеспечивают передачу единицы современным высокоточным средствам измерений.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-2010 (далее ГЭТ 2-2010) для исследования и определения метрологических характеристик современных высокоточных лазерных интерферометров, лазерных сканеров, лазерных координатно-измерительных систем, средств измерений уровня из состава измерительно-управляющих систем для коммерческого учета и управления резервуарными парками в нефтегазовой отрасли и других средств измерений, а также поверки эталонных лент. Исследования включают комплексный анализ источников составляющих погрешности компа-

ратора, а также определение наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов, технических средств и решений, позволяющих повысить точность передачи единицы длины.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:

- провести анализ многолетнего опыта ВНИИМ и современных измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических институтов, таких как METAS (Швейцария), РТВ (Германия), BEV (Австрия), MIKES (Финляндия) и других, на примере международных сличений, с целью разработки и исследований современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010;

- разработать структуру построения современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010, позволяющего расширить его диапазон до 30 м и достичь среднего квадратического отклонения (далее СКО) передачи единицы в данном диапазоне не превышающего 5 мкм;

- разработать методики, которые позволят провести исследования основных источников погрешности компаратора с целью уменьшения их влияния. Определить неисключенную систематическую погрешность компаратора (далее НСП);

- с целью определения случайной и суммарной погрешности передачи единицы провести экспериментальные исследования с помощью компаратора современных высокоточных средств измерений, например, лазерной коорди-натно-измерительной системы API ТгаскегЗ фирмы «Automated Precision Inc.» (США).

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

- разработан и создан новый современный тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор;

- разработана методика контроля длины волны в вакууме He-Ne лазера лазерной измерительной системы компаратора по входящему в состав ГЭТ 2-2010 источнику эталонного излучения VNIIM2 - He-Ne/I2 лазеру, стабилизированному

по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127, что позволило повысить точность измерений длины волны в вакууме на порядок;

- разработан и применен метод автоматической компенсации ошибки Аббе с целью уменьшения погрешности измерений, основанный на использовании высокоточного цифрового двухкоординатного автоколлиматора;

- существенно расширены функциональные возможности ГЭТ 2-2010, что позволило метрологически обеспечить на территории РФ передачу единицы длины не только эталонным лентам, но и новейшим высокоточным лазерным интерферометрам, лазерным сканерам, лазерным координатно-измерительным системам, уровнемерам, работа которых основана на различных физических принципах действия, и другим средствам измерений.

Практическая ценность работы

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

- компаратор введен в установленном порядке в состав ГЭТ 2-2010. Приказ об утверждении Государственного первичного эталона единицы длины — метра №5377 от 23 декабря 2010 г. Работа выполнялась в рамках программы «Совершенствование государственного эталона единицы длины ГЭТ 2-85». Основанием для выполнения работы являлись приказ Минпромэнерго России от 24 января 2008 года № 23 и приказ Ростехрегулирования от 28 апреля 2008 года № 1281;

- разработан и утвержден новый национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от 110"9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм», отвечающий современным требованиям промышленности;

- результаты исследований созданного компаратора использованы для конструкторской разработки серийного варианта компараторов для оснащения центров стандартизации и метрологии Российской Федерации, а также ведущих предприятий важнейших отраслей национальной промышленности;

- с помощью компаратора проведен ряд экспериментальных исследований новейших высокоточных средств измерений, таких как лазерные интерферомет-

ры, лазерные координатно-измерительные системы, уровнемеры, работа которых основана на различных физических принципах действия;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования источников погрешности компаратора, послужившие основой для разработки методов и определения путей дальнейшего совершенствования конструкции компаратора с целью повышения точности передачи единицы длины.

Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева», в РГТТ «Казахстанский институт метрологии» (КазИнМетр, Казахстан), в ФГКУ «ГНМЦ» Минобороны России.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- структура построения и особенности конструкции основных узлов созданного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора, позволяющие обеспечить передачу единицы в диапазоне до 30 м с СКО передачи единицы в данном диапазоне не более 5 мкм;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований основных источников погрешности компаратора;

- результаты экспериментальных исследований современных высокоточных средств измерений, подтверждающие расширение функциональных возможностей ГЭТ 2-2010.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- X Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;

- XXI Национальном научном симпозиуме «Метрология и метрологическое обеспечение», г. Созополь (Болгария), 2011 г.;

- Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- Второй Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.;

- 6-м Международном симпозиуме «Метрология времени и пространства», Менделеево, Московская обл., 2012 г.;

- семинарах отдела геометрических измерений ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 57 наименований и 4 приложений. Общий объем работы составляет 138 страниц, включая 48 рисунков и 19 таблиц.

В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2013 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируются цели, научная и практическая значимость исследования.

В Первой главе приведена история создания компараторов для поверки эталонных лент и рулеток, а также рассмотрены конструктивные особенности современных компараторов ведущих зарубежных метрологических институтов на примере результатов международных сличений. Показаны основные источники погрешности измерений эталонных лент.

Возрастающие требования к точности измерений в науке и промышленности вызвали широкое применение при передаче единицы дайны в диапазоне (0-30) м лазерных интерференционных методов измерений. Приведены метрологические характеристики ряда современных высокоточных лазерных измерительных систем, например, «Automated Precision Inc.» (США), «FARO Technologies Inc.» (США), «Renishaw pic» (Великобритания), «Hewlett Packard» (США).

В связи с бурным развитием нефтегазовой отрасли, растет экспорт нефти в страны Евросоюза и СНГ, становится актуальным вопрос поверки современных радарных и ультразвуковых уровнемеров таких фирм как «Emerson Process Man-agement/Rosemount» (США, Швеция) и «Enraf B.V.» (Нидерланды).

Сделан вывод о том, что для поверок и исследований современных средств измерений необходимо создание лазерного интерференционного компаратора с диапазоном измерений не менее 30 м.

Во Второй главе описываются структура построения и основные особенности конструкции компаратора. Внешний вид компаратора приведен на рис. 1.

1 - система лазерная измерительная XL-80;

2 - направляющие;

3 - основание; 4 - каретка;

5 - узел привода каретки с шаговым двигателем;

6 - блок питания шагового двигателя;

7 - блок управления шаговым двигателем;

8 - приемник радиосигнала;

9 - модуль видеозахвата;

10 — система обработки изображения;

11 - блок измерений температуры

Рис. 1. Внешний вид компаратора

Основой лазерной измерительной системы компаратора является измерительный блок и оптические элементы системы XL-80 фирмы «Renishaw pic».

Оптико-механическая система компаратора состоит из прецизионных направляющих, по которым с помощью электропривода перемещается каретка. На каретке закреплены видеомикроскоп и подвижный призменный отражатель лазерной измерительной системы. Видеомикроскоп, установленный на каретке компаратора, служит для позиционирования изображений штрихов измеряемой эталонной ленты. Подсветка осуществляется с помощью светодиодного осветителя на гибком держателе. Изображение штрихов фиксируется монохромной CCD-камерой с разрешением 640x480 пикселей, встроенной в видеомикроскоп,

и передается по радиоканалу приемнику радиосигнала. После этого оно поступает на модуль видеозахвата и передается системе обработки изображений. Система обработки автоматически определяет центр штриха (рис. 2). Для закрепления эталонных лент направляющие снабжены специальными приспособлениями. Рабочее натяжение эталонных лент обеспечивают гири. Для уменьшения силы трения при закреплении гирь в конце направляющих установлен специальный блок, также с целью уменьшения силы трения между эталонной лентой и компаратором наклеена тефлоновая лента. Разработаны устройства, позволяющие использовать его для исследований лазерных координатно-измерительных систем, лазерных интерферометров, уровнемеров и других средств измерений.

Рис. 2. Определение центра штриха

Управление основными функциями компаратора, сбор информации и ее обработка автоматизированы, что позволило упростить процесс измерений, повысить точность и сократить время проведения измерений в 4 раза.

Температура эталонной ленты определяется с помощью четырех измерителей температуры с платиновыми терморезисторами, равномерно распределенных вдоль компаратора. Система контроля параметров окружающей среды предназначена для определения показателя преломления, который определяется либо по формуле Эдлена при измерениях эталонных лент, либо с помощью лазерного рефрактометра при исследованиях высокоточных лазерных измерительных систем.

Описанные особенности показывают, что созданный для ГЭТ 2-2010 компаратор отвечает современным требованиям науки и техники.

Третья глава посвящена исследованию наиболее существенных источников систематической погрешности компаратора для максимально возможного ее исключения путем введения поправок при передаче единицы длины. Источники возникновения погрешности, а также значение погрешности будут различными при исследованиях разных средств измерений. Так уравнения измерений имеют следующий вид для лазерных интерферометров и

лазерных координатно-измерительных систем Lm — ■ N + CAbbe + Ccos, (1)

эталонных лент Lm = • N + Ct + САЬЬе + Ccos + CF + Clc, (2)

ntpf

где Lm - измеренная длина интервала; Яга<г- длина волны лазерного излучения в вакууме; - показатель преломления окружающей среды при температуре /, давлении р и влажности/, N — количество длин волн в измеряемом интервале; Ctjn — поправка, вводимая для приведения полученной длины интервала эталонной ленты к температуре 20 °С; САЬЬе - поправка, связанная с ошибкой Аббе; Ccos — поправка, связанная с ошибкой, вызванной отклонением от параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта; CF -поправка, связанная с натяжением эталонных лент и влиянием силы трения; Cíe - поправка, связанная с определением центра штриха.

Для компаратора был исследован и отобран образец системы XL-80, так как она обладает высокими метрологическими характеристиками. Впервые с целью уменьшения погрешности измерений был применен контроль длины волны в вакууме лазера системы по входящему в состав ГЭТ 2-2010 источнику эталонного излучения - He-Ne/I2 лазеру. Это позволило повысить точность измерений длины волны в вакууме на порядок.

Была рассчитана погрешность определения поправки Ctm, вводимой для приведения полученной длины интервала эталонной ленты к температуре 20 °С. Поправка вычисляется по формуле

с(т = -а ■ {Ьт - 20) ■ I, (3)

где а - температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала измеряемой эталонной ленты (берется из ее паспорта); (т - температура измеряемой эталонной ленты; Ь - номинальная длина интервала измеряемой эталонной ленты.

Погрешность при определении данной поправки будет обусловлена погрешностью при измерении температуры эталонной ленты. Если НСП 1т задана границами в(т, то границы НСП при вычислении поправки С(т (без учета знака) равны

= (4)

С целью определения ошибки Аббе были проведены исследования характеристик направляющих и каретки компаратора с помощью двухкоординатного цифрового автоколлиматора, разработанного ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (диапазоны измерений углов в горизонтальной и вертикальной плоскостях от -5 до +5 угловых минут, пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений углов ±0,05 угловые секунды). Согласно компаратор-ному принципу (принципу Аббе) контролируемый объект и эталонное средство измерений должны располагаться в компараторе так, чтобы один являлся продолжением другого (компаратор с продольным расположением измерительных осей), что позволяет избегать ошибок первого порядка. Это не всегда возможно реализовать, т.к. габаритные размеры такого компаратора вдвое превышают диапазон измерений. При измерении длин порядка 30 м применяется параллельное расположение измерительных осей, тогда при малых углах поворота каретки <р отклонение от прямолинейности направляющих приводит к ошибке, пропорциональной расстоянию Я между измерительными осями

САьье = Н ■ Бтср » Н-(р = (Нн + 8)-ср, (5)

где Нн - номинальное расстояние между измерительными осями контролируемого объекта и эталонного средства измерений; <5 - смещение каретки, вызванное поворотом каретки на угол <р. Эта ошибка является ошибкой первого по-

рядка и существенно превышает ошибку второго порядка. Для ее уменьшения следует минимизировать расстояние Н, т.е. номинальное расстояние Нн и смещение Аббе д.

Отклонения от прямолинейности направляющих вызывают поворот каретки в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси на угол (Я; не превышающий ±100 угловых секунд и поворот в вертикальной плоскости относительно горизонтальной оси на угол <р2 не превышающий ±120 угловых секунд. Использование двухкоординатного автоколлиматора позволяет проводить одновременно исследование прямолинейности направляющих в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Далее вычисляются смещения <5/ и 52. Значение ошибки Аббе зависит не только от смещений д/ и 62, но и от номинальных расстояний между измерительными осями контролируемого объекта и эталонного средства измерений в горизонтальной НН1 и вертикальной НН2 плоскостях, то есть от объекта измерений. Суммарная ошибка Аббе может быть оценена по ошибкам Аббе в горизонтальной Сдъье 1 и вертикальной Сльье2 плоскостях. Использование автоколлиматора позволяет автоматически вносить в результат измерений поправку, связанную с ошибкой Аббе. Введение поправки вызывает возникновение НСП, связанной с погрешностью измерений угла наклона каретки ср. Границы НСП при вычислении поправки САЬЬе (без учета знака)

0с АЬЬе = д-£^-% = Н-в1р, (6)

где вф — границы НСП измерений угла наклона каретки <р.

Для работы компаратора необходимо соблюдать параллельность между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта. В противном случае будет иметь место так называемая косинусная ошибка. Уменьшения ее возможно добиться путем тщательной настройки параллельности осей. Для этой цели используется мишень, на которой наблюдается расположение центра пятна лазерного луча при перемещении каретки. Поправка определяется как

Погрешность при определении данной поправки будет обусловлена погрешностью при измерении угла /? между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта. Если НСП /? задана границами то границы НСП при вычислении поправки Сс05 (без учета знака) будут равны

Данная погрешность будет пренебрежимо мала по сравнению с погрешностями, вызываемыми другими влияющими факторами.

При измерениях эталонных лент под влиянием силы натяжения происходит их упругая деформация. При этом на эталонные ленты также действует сила трения, зависящая от коэффициента трения материалов, из которых изготовлены поверхности эталонной ленты и опоры для нее. Погрешность при определении поправки СР будет обусловлена погрешностями при измерении силы трения. Если НСП /•> задана границами 9рт, то границы НСП при вычислении поправки Ср (без учета знака) будут равны

0 =^-вр =— -вРг, (9)

СР ЭРг рт 4 '

где Е- модуль Юнга; 5- площадь поперечного сечения эталонной ленты.

При использовании формулы Эдлена для определения показателя преломления воздуха с целью регистрации параметров окружающей среды в компараторе применяются четыре измерителя температуры с платиновыми терморезисторами, равномерно распределенными вдоль компаратора (пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерений ±0,05 °С), барометр типа БРС-1М-2 (пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений ±20 Па), измеритель влажности и температуры ИВТМ-7 М (пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерений ±2 %). Погрешность определения поправки будет обусловлена погрешностями при измерениях параметров окружающей среды: температуры 0„ давления &р и влажности 0/. Границы НСП при вычислении поправки (без учета знака) будут равны

=+т2 •0/2-

(10)

При исследованиях высокоточных лазерных измерительных систем показатель преломления определяется абсолютным методом с помощью лазерного рефрактометра. Погрешность определения показателя преломления будет вызвана погрешностями при измерении длины вакуумной камеры и длины волны в вакууме лазерного интерферометра рефрактометра.

При измерении эталонных лент выделяется прямоугольная область с изображением части штриха. В каждой строке изображения по заданному уровню интенсивности определяются границы штриха, внутри них производится определение центра «тяжести». По найденным в каждой строке центрам методом наименьших квадратов строится аппроксимирующая прямая и по ней вычисляется координата центра штриха. Значение погрешности зависит от ряда факторов, таких как увеличение объектива видеокамеры, равномерность освещения поля зрения, чистота штрихов и т.п.

В таблице 1 приведены составляющие НСП компаратора.

Доверительные границы НСП компаратора при исследованиях лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем &{Р) (без учета знака) при вероятности Р будут равны

где к- коэффициент, определяемый выбранной доверительной вероятностью Р, числом составляющих НСП и их соотношением. При Р=0,99 А= 1,4. Следовательно, 0(0,99) = 1,4 ■ 7(0,0002 мкм)2 + (0,0103 ■ 10~6 ■ V)2, где Ь -измеряемая длина, м. СКО НСП компаратора определяется по формуле

(П)

(12)

Получаем, что СКО НСП равно Бв —

(0,0002 мкм)2 + (0,0103'10~6-/.)2

■, где I -

измеряемая длина, м.

Таблица 1 - Составляющие НСП компаратора

Составляющие погрешности Значение погрешности при исследованиях

лазерных интерферометров эталонной измерительной ленты*

Погрешность определения длины волны в вакууме, 0, 510"9!** 510"9!

Погрешность определения поправки для приведения полученной длины интервала эталонной ленты к температуре 20 °С, 0С( - 5,7510"7!

Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой Аббе, всАЬЬг 0,0002 мкм 0,011 мкм

Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой из-за отклонения от параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемой объекта, 0сгп, 1,710'ш1 1,710"101

Погрешность определения поправки, связанной с натяжением эталонных лент и влиянием силы трения, вРт - 1,39-Ю"8-!

Погрешность определения поправки при использовании формулы Эдлена для расчета показателя преломления окружающей среды, вП(рГ - 7,4-Ю"8/,

Погрешность определения показателя преломления при использовании лазерного рефрактометра, 0щ„г 910'9Ь -

Погрешность определения центра штриха, 0;с - 0,05 мкм

Примечания

* - значения приведены для стальной эталонной ленты, ТКЛР которой равен 11,510"6 "С"1, площадь поперечного сечения 3,5 мм2, модуль Юнга для стали 2,06 1 05 11/мм; **-/,- измеряемая длина, м.

Доверительные границы НСП компаратора при исследованиях эталонных измерительных лент &(Р) (без учета знака) при вероятности Р будут равны

в(р) = к ■ ^ас2 + 0С1т2 + вСАЬЬе2 + ©Ссо/ + вРт2 + вП[р; + в1с2. оз)

Таким образом, 0(0,99) = 1,4 • 7(0,05 мкм)2 + (0,58 • 10"6 ■ ¿)2, где Ь -измеряемая длина, м. СКО НСП компаратора определяется по формуле

^ = ^уас2+^т2+всАЬЬе2+вссс52+врт2+вП1рГЧв1^ ^^

,, 1(0,05 мкм)2+(0,58-1СГ6-/.)2 ,

СКО НСП равно Se = I---, где L - измеряемая длина, м.

Исследование существенных источников систематической погрешности компаратора позволило уменьшить ее путем введения поправок при передаче единицы длины.

В Четвертой главе приведены результаты исследований метрологических характеристик современных высокоточных средств измерений. Погрешность передачи единицы характеризуется указанием суммарного СКО результата измерений Si, обусловленного влиянием случайных погрешностей и НСП метода и средств измерений

Sz = JSI+S2. (15)

Случайную погрешность компаратора можно оценить на основании экспериментальных данных. В диссертационной работе приведены таблицы с результатами экспериментальных исследований лазерной координатно-измерительной системы API ТгаскегЗ фирмы «Automated Precision Inc.» (США) и эталонной измерительной ленты длиной 24 м.

Были проведены 10 независимых измерений системы API ТгаскегЗ, причем измерения были выполнены в разные дни. Определение абсолютной погрешности системы проводилось с шагом 1 м. Для каждого измеряемого интервала были вычислены СКО результатов измерений S. После этого для каждого измеряемого интервала были вычислены доверительные границы случайной погрешности результатов измерений е(0,99) и суммарное СКО результатов измерений Si, а также доверительные границы суммарной погрешности Дi(P). В диссертационной работе приведены таблицы с результатами вычислений. Из них видно, что при 10 независимых измерениях системы API ТгаскегЗ Sr не превышает 0,931 мкм, a As(0,99) не превышает ±2,908 мкм.

Дальнейшее совершенствование компаратора связано с разработкой дополнительной системы термостабилизации помещения, с целью уменьшения градиента температуры по его длине, а также с увеличением верхнего предела диапазона измерений до 50 м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе решена актуальная научно-техническая и хозяйственная задача расширения диапазона передачи единицы длины ГЭТ 2-2010 до 30 м. Это необходимо для исследования метрологических характеристик, поверок и калибровок таких новейших высокоточных средств измерений, как лазерные интерферометры, лазерные координатно-измерительные системы, уровнемеры.

На основании комплекса теоретических и экспериментальных исследований были получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ многолетнего опыта ВНИИМ и современных измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических институтов. Рассмотренные материалы позволили сделать вывод, что изготовление, исследование и введение в состав ГЭТ 2-2010 нового тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора наилучшим образом решает задачу совершенствования Государственного первичного эталона единицы длины - метра.

2. Разработана структура построения компаратора. Описаны конструктивные особенности некоторых узлов компаратора, которые позволили расширить функциональные возможности ГЭТ 2-2010, что необходимо для передачи единицы новейшим высокоточным лазерным интерферометрам, лазерным ко-ординатно-измерительным системам, уровнемерам и другим средствам измерений.

3. В диссертационной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования основных источников погрешности компаратора. Проведена оценка НСП компаратора, определены доверительные границы НСП и СКО НСП компаратора.

4. Разработана методика контроля длины волны в вакууме Не-№ лазера компаратора по входящему в состав ГЭТ 2-2010 источнику эталонного излучения УМ1М2 - Не-№/12 лазеру, что позволило повысить точность измерений длины волны в вакууме на порядок.

5. Проведено исследование характеристик направляющих и каретки компаратора с целью определения ошибки Аббе. Разработан и применен метод автоматической компенсации ошибки Аббе с целью уменьшения погрешности измерений. Т.к. лазерные интерферометры и системы, эталонные ленты и уровнемеры по-разному устанавливаются при исследованиях на компараторе, то ошибки Аббе приведены для всех случаев установки.

6. Экспериментально определена случайная составляющая погрешности компаратора при исследованиях лазерной координатно-измерительной системы API ТгаскегЗ и эталонной ленты длиной 24 м. Определена погрешность передачи единицы. Показано, что тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор обеспечивает суммарное СКО передачи единицы не более 5 мкм.

7. Утвержден новый национальный стандарт РФ ГОСТ Р 8.763-2011.

8. Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», в РГП «Казахстанский институт метрологии» и в ФГКУ «ГНМЦ» Минобороны России.

9. Определены пути дальнейшего совершенствования компаратора.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Мельников H.A., Федорин В.Л., Чекирда К.В. Современное состояние воспроизведения единицы длины метра // Приборы. - 2007. - № 8 (86). - С. 53-55.

2. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Федорин B.JL, Чекирда К.В. Высокоточные измерения геометрических величин на Государственном первичном эталоне единицы длины // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции «Механометрика-2008». — г. Суздаль. - 2008. -С. 40-41.

3. Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Федорин B.JL, Чекирда К.В. Стабилизированный лазер Государственного эталона длины -метра // «Актуальные вопросы метрологии», сборник материалов научно-

практической конференции, посвященной 30-летию базовой кафедры метрологии СЗТУ при ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». - СПб. - 2010. -С. 23-27.

4. Кононова H.A. Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор из состава Государственного первичного эталона единицы длины — метра // XXI национальный научный симпозиум с международным участием «Метрология и метрологическое обеспечение 2011», сборник докладов. -С.88-92.

5. Александров B.C., Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Лейбенгардт Г.И., Федорин B.JL, Чекирда К.В. Государственный первичный эталон единицы длины - метра ГЭТ 2-2010 // Измерительная техника. - 2012. -№6.-С. 3-7.

6. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Лейбенгардт Г.И., Чекирда К.В. Тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор, входящий в состав государственного первичного эталона единицы длины - метра // Измерительная тзхника. — 2012. -№ 5. - С. 22-26.

7. Захаренко Ю.Г., Кононова H.A., Чекирда К.В. Измерительные возможности ВНИИМ им. Д.И. Менделеева при поверке и испытаниях уровнемеров// Измерительная техника. -2013. -№ 3. - С. 60-61.

Подписано в печать « 08 » октября 2013 г. Формат 60 к84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1459

Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ

им. Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА»

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИДЦАТИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА ДЛЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ - МЕТРА

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений

(механические величины)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201363209

Кононова Наталья Александровна

Научный руководитель: к.т.н. В.Л. Федорин

Санкт-Петербург 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭТАЛОННЫХ ЛЕНТ И СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН....................................................11

1.1. История создания компараторов для поверки эталонных измерительных лент.............................................................................................................................11

1.1.1. Тридцатиметровый интерференционный компаратор ВНИИМ............13

1.1.2. Стенной оптико-механический компаратор ВНИИМ............................16

1.2. Компараторы ведущих зарубежных метрологических институтов..............17

1.3. Обзор современных высокоточных лазерно-интерференционных систем для измерений геометрических величин.......................................................................34

1.4. Обзор современных средств измерений уровня.............................................37

1.5. Выбор направления совершенствования Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-85.............................................................41

Выводы по главе 1.........................................................................................................43

Глава 2. СОСТАВ ТРИДЦАТИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА.........................................................44

2.1. Состав Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-2010.................................................................................................................44

2.2. Лазерная измерительная система компаратора..............................................48

2.3. Оптико-механическая система компаратора...................................................49

2.3.1. Прецизионные направляющие и юстируемые опоры.............................50

2.3.2. Каретка и электропривод...........................................................................53

2.3.3. Устройства для исследований современных высокоточных средств измерений...............................................................................................................55

2.3.4. Система определения центров штрихов эталонных измерительных лент.........................................................................................................................57

2.3.5. Система для крепления и натяжения эталонных измерительных лент. 58

2.4. Система измерений параметров окружающей среды и температуры измеряемого объекта.................................................................................................59

2.5. Краткое описание программного обеспечения...............................................60

2.5.1. Передача единицы длины от компаратора лазерным координатно-измерительным системам.....................................................................................60

2.5.2. Передача единицы длины от компаратора эталонным измерительным лентам.....................................................................................................................63

2.5.2.1. Окно «Интерферометр».......................................................................63

2.5.2.2. Окно «Параметры»..............................................................................65

2.5.2.3. Измерения методом компарирования................................................66

2.5.2.4. Окно «Результаты измерений»...........................................................67

Выводы по главе 2.........................................................................................................68

Глава 3. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛИНЫ С ПОМОЩЬЮ ТРИДЦАТИМЕТРОВОГО ЛАЗЕРНОГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО КОМПАРАТОРА...........................................................................................................69

3.1. Уравнения измерений с помощью компаратора.............................................69

3.2. Исследования стабильности и воспроизводимости частоты (длины волны в вакууме) излучения лазерной измерительной системы........................................73

3.3. Погрешность определения поправки для приведения полученной длины интервала эталонной измерительной ленты к температуре 20 °С.......................83

3.4. Исследование характеристик направляющих и каретки компаратора с целью определения ошибки Аббе...........................................................................84

3.4.1. Ошибка Аббе при измерении эталонных измерительных лент.............91

3.4.2. Ошибка Аббе при исследованиях и поверке лазерных интерферометров и лазерных координатно-измерительных систем..............................................92

3.4.3. Ошибка Аббе при поверке уровнемеров..................................................94

3.4.4. Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой Аббе........95

3.5. Погрешность определения поправки, связанной с ошибкой, вызванной отклонением от параллельности между осью лазерного луча компаратора и осью измеряемого объекта.......................................................................................96

3.6. Погрешность определения поправки, связанной с натяжением эталонных измерительных лент и влиянием силы трения.......................................................98

3.7. Определение влияния параметров окружающей среды на погрешность измерений.................................................................................................................101

3.7.1. Погрешность определения поправки при использовании формулы Эдлена для расчета показателя преломления окружающей среды................102

3.7.2. Погрешность определения показателя преломления при использовании лазерного рефрактометра...................................................................................104

3.8. Погрешность определения центра штриха....................................................106

3.9. Неисключенная систематическая погрешность компаратора.....................107

Выводы по главе 3.......................................................................................................110

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОТОЧНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ...............................................................................................................111

4.1. Результаты экспериментальных исследований лазерной координатно-измерительной системы API ТгаскегЗ...................................................................111

4.2. Результаты экспериментальных исследований эталонной измерительной ленты длиной 24 м...................................................................................................116

4.3. Пути дальнейшего совершенствования компаратора..................................120

Выводы по главе 4.......................................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................125

Приложение А. Приказ об утверждении Государственного первичного эталона

единицы длины - метра..............................................................................................132

Приложение Б. Приказ об утверждении Государственной поверочной схемы ... 134

Приложение В. Акты о внедрении............................................................................135

Приложение Г. Сертификат калибровки BIPM He-Ne/I2 лазера............................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В настоящее время в мире наблюдаются постоянный рост требований к повышению точности измерений длины и расширение номенклатуры средств измерений длины. Наряду с традиционно используемыми в промышленности и при решении ряда научно-технических задач эталонными измерительными лентами (далее эталонные ленты) последние десятилетия активно используются средства измерений на основе лазеров. Появились такие современные высокоточные средства измерений как прецизионные и промышленные лазерные интерферометры, лазерные сканеры, лазерные координатно-измерительные системы и т.п. Данные средства измерений применяются для решения множества научных задач, а также используются в ряде важнейших отраслей национальной промышленности - аэрокосмической, энергетической, оборонной, микроэлектронной, автомобильной и в машиностроении. Используемые ранее для передачи единицы длины эталонным лентам оптико-механические и интерференционные компараторы не могут обеспечить требуемую в современных условиях точность измерений. Многие из них конструктивно не подходят для определения метрологических характеристик лазерных интерферометров, лазерных координатно-измерительных систем и т.п. Также не стоит забывать, что очень большое количество высокоточных средств измерений производятся за рубежом и необходима метрологическая база для их испытаний и дальнейшего метрологического сопровождения на территории Российской Федерации.

Таким образом, для Государственного первичного эталона единицы длины -метра должен быть разработан компаратор, метрологические характеристики и конструкция которого обеспечивают передачу единицы современным высокоточным средствам измерений.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для Государственного первичного эталона единицы длины - метра ГЭТ 2-2010 (далее ГЭТ 2-2010) для исследования и определения метрологических характеристик современных высокоточных лазерных интерферометров, лазерных сканеров, лазерных координатно-измерительных систем, средств измерений уровня из состава измерительно-управляющих систем для коммерческого учета и управления резервуарными парками в нефтегазовой отрасли и других средств измерений, а также поверки эталонных лент. Исследования включают комплексный анализ источников составляющих погрешности компаратора, а также определение наиболее существенных источников погрешности с целью создания методов, технических средств и решений, позволяющих повысить точность передачи единицы длины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:

- провести анализ многолетнего опыта ВНИИМ и современных измерительных возможностей ведущих зарубежных метрологических институтов, таких как METAS (Швейцария), РТВ (Германия), BEV (Австрия), MIKES (Финляндия) и других, на примере международных сличений с целью разработки и исследований современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010;

- разработать структуру построения современного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора для ГЭТ 2-2010, позволяющего расширить его диапазон до 30 м и достичь среднего квадратического отклонения (далее СКО) передачи единицы в данном диапазоне не превышающего 5 мкм;

- разработать методики, которые позволят провести исследования основных источников погрешности компаратора с целью уменьшения их влияния. Определить неисключенную систематическую погрешность компаратора;

- с целью определения случайной и суммарной погрешности передачи единицы провести экспериментальные исследования с помощью компаратора современных высокоточных средств измерений, например, лазерной координатно-измерительной системы API ТгаскегЗ фирмы «Automated Precision Inc.» (США).

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

- разработан и создан новый современный тридцатиметровый лазерный интерференционный компаратор;

- разработана методика контроля длины волны в вакууме He-Ne лазера лазерной измерительной системы компаратора по входящему в состав ГЭТ 2-2010 источнику эталонного излучения VNIIM2 - He-Ne/I2 лазеру, стабилизированному по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде 127, что позволило повысить точность измерений длины волны в вакууме на порядок;

- разработан и применен метод автоматической компенсации ошибки Аббе с целью уменьшения погрешности измерений, основанный на использовании высокоточного цифрового двухкоординатного автоколлиматора;

-существенно расширены функциональные возможности ГЭТ 2-2010, что позволило метрологически обеспечить на территории РФ передачу единицы длины не только эталонным лентам, но и новейшим высокоточным лазерным интерферометрам, лазерным сканерам, лазерным координатно-измерительным системам, уровнемерам, работа которых основана на различных физических принципах действия, и другим средствам измерений.

Практическая ценность работы

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

- компаратор введен в установленном порядке в состав ГЭТ 2-2010. Приказ об утверждении Государственного первичного эталона единицы длины - метра № 5377 от 23 декабря 2010 г. (приложение А). Работа выполнялась в рамках программы «Совершенствование государственного эталона единицы длины ГЭТ 2-85». Основанием для выполнения работы являлись приказ Минпромэнерго России от

24 января 2008 года № 23 и приказ Ростехрегулирования от 28 апреля 2008 года № 1281;

- разработан и утвержден новый национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 8.763-2011 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений длины в диапазоне от Г10"9 до 50 м и длин волн в диапазоне от 0,2 до 50 мкм» (приложение Б), отвечающий современным требованиям промышленности;

- результаты исследований созданного компаратора использованы для конструкторской разработки серийного варианта компараторов для оснащения центров стандартизации и метрологии Российской Федерации, а также ведущих предприятий важнейших отраслей национальной промышленности;

- с помощью компаратора проведен ряд экспериментальных исследований новейших высокоточных средств измерений, таких как лазерные интерферометры, лазерные координатно-измерительные системы, уровнемеры, работа которых основана на различных физических принципах действия;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования источников погрешности компаратора, послужившие основой для разработки методов и определения путей дальнейшего совершенствования конструкции компаратора с целью повышения точности передачи единицы длины.

Результаты работы внедрены в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», в РГП «Казахстанский институт метрологии» (КазИнМетр, Казахстан), в ФГКУ «ГНМЦ» Минобороны России (приложение В).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- структура построения и особенности конструкции основных узлов созданного тридцатиметрового лазерного интерференционного компаратора, позволяющие обеспечить передачу единицы в диапазоне до 30 м с СКО передачи единицы в данном диапазоне не более 5 мкм;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований основных источников погрешности компаратора;

- результаты экспериментальных исследований современных высокоточных средств измерений, подтверждающие расширение функциональных возможностей ГЭТ 2-2010.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- X Международном научно-техническом семинаре «Разработка, производство, применение и метрологическое обеспечение средств измерений давления и вакуума», г. Санкт-Петербург, 2006 г.;

- XXI Национальном научном симпозиуме «Метрология и метрологическое обеспечение», г. Созополь (Болгария), 2011 г.;

- Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- Второй Всероссийской конференции «Метрология и стандартизация нефтегазовой отрасли 2012», г. Санкт-Петербург, 2012 г.;

- 6-м Международном симпозиуме «Метрология времени и пространства», Менделеево, Московская обл., 2012 г.;

- семинарах отдела геометрических измерений ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 57 наименований и четырех приложений. Общий объем работы составляет 138 страниц, включая 48 рисунков и 19 таблиц.

В диссертационной работе изложены и обобщены результаты работы, выполненной в период с 2006 по 2013 гг.

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭТАЛОННЫХ ЛЕНТ И СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

1.1. История создания компараторов для поверки эталонных

измерительных лент

Ранее при решении ряда задач в науке и промышленности для передачи единицы длины в диапазоне (0-30) м широко использовались эталонные ленты, а также измерительные металлические рулетки 2-го и 3-го классов точности [1]. Для исследования метрологических характеристик, поверки и калибровки данных средств измерений в центрах стандартизации и метрологии, а также на ведущих предприятиях национальной промышленности используются оптико-механические и интерференционные компараторы.

Практическая возможность применения световой волны для измерения длины впервые была доказана в работах Майкельсона и Бенуа, которые в 1892 г. измерили метр в длинах волн красной линии кадмия. Спустя несколько лет появились плитки Иогансона (плоскопараллельные концевые меры длины), и интерференция света стала основным средством для контро�