Способ метрологического обслуживания средств измерений в местах их эксплуатации
METHOD OF METROLOGICAL MAINTENANCE OF MEASURING DEVICES IN THEIR OPERATION PLACES

Изобретение относится к области измерительной техники и метрологии и может быть использовано для метрологического обслуживания средств измерений (СИ) единиц электрических и радиотехнических величин в местах их эксплуатации.
Известен способ оперативного воспроизведения единицы частоты групповой мерой в условиях полной автономности. Стабильность контроля метрологических характеристик достигается за счет периодической калибровки стандарта частоты по сигналам точного времени и межгрупповых сличений [1].
Известен способ воспроизведения напряжения постоянного и переменного электрического тока с высокой точностью, основанный на эффекте Джозефсона. Разность потенциалов на матрице из n шунтированных туннельных переходах зависит от частоты импульсов, подаваемых на нее [3].
Известен целочисленный квантовый эффект Холла, возникающий при движении тонкой пластины сверхпроводника с постоянным током в сильном магнитном поле [2]. При этом наблюдаются участки с постоянным поперечным сопротивлением, обратно пропорциональные целочисленному значению р - фактору заполнения уровней Ландау.
Недостатками перечисленных способов являются:
- отсутствие возможности адаптироваться под решение нештатных измерительных задач;
- фиксированная номенклатура поверочных возможностей, ограниченная СИ времени и частоты, напряжения постоянного тока и сопротивления.
Наиболее близким по технической сущности является метод самокалибровки на основе матрицы Джозефсона и генератора сигналов, калибруемого по сигналам Global Positioning System (GPS) [4]. Применение подобной системы ограничено возможностью воспроизводить всего одну физическую величину - напряжение.
Целью изобретения является повышение адаптации к решению нештатных измерительных задач, возникающих при метрологическом обслуживании в местах эксплуатации средств измерений, а также повышение метрологической автономности в условиях, когда аттестация эталонов из состава измерительной системы в вышестоящих органах нецелесообразна.
Это достигается тем, что в отличие от известных технических решений используются методы косвенных, совокупных и совместных измерений. Стандартом частоты воспроизводят единицу времени и частоты, приемником сигналов точного времени ГЛОНАСС и компаратором частоты контролируют стабильность частоты. Измерительными преобразователями на основе квантовых эффектов воспроизводят единицы основных физических величин. Программно-аппаратным комплексом реализуют косвенные, совокупные и совместные измерения. Предложенный способ отличается тем, что кроме единицы напряжения воспроизводят единицы времени, частоты и электрического сопротивления, программно-аппаратный комплексом косвенным способом определяют значения дополнительных физических величин переменного напряжения и электрической мощности.
На фиг. 1 представлена схема метрологического обслуживания СИ в местах их эксплуатации.
Устройство содержит стандарт частоты (1), частотный компаратор (2), приемник сигналов точного времени Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) (3), программно-аппаратный комплекс (4) со специальным программным обеспечением, шины обмена информацией (5) с эталонными измерительными преобразователями (ИП) физических величин: напряжения (6), сопротивления (7). Измерительная система взаимодействует со средствами измерений времени и частоты (8), постоянного напряжения (9), сопротивления (10).
Измерительная система работает следующим образом. Для хранения и воспроизведения единицы времени и частоты используется стандарт частоты (1). Для контроля стабильности частоты используются сигналы точного времени, которые принимаются с помощью приемника ГЛОНАСС (3). Частотный компаратор (2) используется для сличения сигналов точного времени и внутреннего сигнала стандарта частоты, а также для метрологического обслуживания СИ времени и частоты.
СИ постоянного напряжения (9) обслуживают при помощи эталонного измерительного преобразователя (ИП) постоянного напряжения на основе эффекта Джозефсона (6). Разность потенциалов на матрице из n шунтированных туннельных переходах зависит от частоты импульсов f, подаваемых на нее [3].
где h - постоянная Планка.
-7
-5
С помощью данного метода воспроизводится напряжение постоянного электрического тока с относительной погрешностью, имеющей порядок 10. Достигнутый уровень точности позволяет проводить поверку рабочих эталонов 2 разряда с погрешностью не хуже 10.
СИ электрического сопротивления (10) подлежат метрологическому обслуживанию при помощи эталонного ИП на основе эффекта Холла. При движении тонкой пластины сверхпроводника с постоянным током в сильном магнитном поле наблюдаются участки с постоянным поперечным сопротивлением, обратно пропорциональные целочисленному значению р - фактору заполнения уровней Ландау.
-7
-6
Достигнутый уровень точности 10 позволяет проводить поверку эталонов сопротивления 2 разряда, имеющих относительную погрешность не хуже 10.
ПАК (4) служит для управления измерительной системой по шине (5). Выдача сигналов управления и обработка событий строго синхронизированы и привязаны к шкале единого времени.
В составе ПАК используют комплекс специального программного обеспечения (СПО), позволяющий организовать косвенные, совокупные и совместные измерения для метрологического обслуживания СИ переменного напряжения (11) и электрической мощности (12).
С помощью СПО реализуют основные алгоритмы математической обработки результатов измерений:
- элементарные арифметические операции;
- логарифмирование, возведение в степень;
- тригонометрические функции;
- численное интегрирование и дифференцирование;
- операции свертки, преобразования Фурье;
- интерполяция и аппроксимация;
- статистическая обработка случайных процессов.
Основным условием пригодности СПО является минимально возможное искажение измерительной информации, которое может привести к ухудшению метрологических характеристик измерительной системы. Для предотвращения ухудшения метрологических характеристик измерительной системы используется ПО, которое имеет нормированные метрологические и исполнительные характеристики.
Математическая обработка значений базовых величин позволяет получить значения производной величины X, в соответствии с установленной размерностью.
b
c
d
X=T⋅U⋅R
где Т- размерность единицы времени, воспроизводимой стандартом частоты; U - размерность единицы, воспроизводимой ИП напряжения; R - размерность единицы, воспроизводимой ИП электрического сопротивления; b, с, d - показатели степени, определяющие размерность производной величины.
Таким образом, предложенный способ метрологического обслуживания СИ в местах их эксплуатации позволяет расширить поверочные возможности измерительной системы за счет реализации косвенных, совокупных и совместных измерений, а также позволяет адаптировать систему под решение нештатных измерительных задач.
Литература.
1. Способ оперативного воспроизведения единицы частоты групповой мерой в условиях полной автономности. RU №2173856, 2000. Авторы патента: Безуглов Д.А., Поморцев П.М., Поморцев С.М., Карга А.В., Андрушкевич С.Г., Кузнецов А.А.
2. Краснополин И.Я., Пудалов В.М., Семенчинский С.Г. Физический репер сопротивления на основе квантового эффекта Холла. Приборы и техника эксперимента. 1987. №6, с. 5-7.
3. С.A. Hamilton, С.J. Burroughs, and R. L. Kautz, "Josephson D/A converter with fundamental accuracy," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 44, pp. 223-225, Apr. 1995.
4. Method of calibrating instrument, a self-calibrating instrument and a system the instrument. US 7809518 B2, 2009. Inventors: M. Zhou, John C. Eidison.