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

составляетпорядка500 тыс. шт. Всвязисростомвниманиякэкологическимпроблемамивопросамобеспечения безопасности на производстве потребность в таких СИ неуклонно растет. В последнее время увеличилась доля СИ скорости воздушного потока зарубежных производителей.

До 2012 г. для обеспечения единства измерений скоростивоздушногопотокасуществовалгосударственный специальныйэталонГЭТ150-85. Однакоуказанныйэталонморальноифизическиустарел, поэтомувозникланеобходимостьсозданияновогогосударственногоэталонав даннойобластиизмерений. РуководителемработпосозданиюновогоэталонаявлялсяМ.Б. Гуткин. В2012 г. был утвержден Государственный первичный специальный эталон единицы скорости воздушного потока ГЭТ 1502012 [1], который обеспечивает расширение диапазона измеренийскоростивоздушногопотокавобластьмалых значений (до 0,05 м/с), повышение точности измерений до1,5 разибазируетсянасовременнойэлементнойбазе.

Расширение диапазона воспроизведения скорости воздушного потока позволило решить целый ряд измерительныхзадачвразличныхтехнологиях: критических (создание микроклимата среды обитания живых объектов), тонких химических (изготовление газовых смесей заданного состава), лазерных (подпитка газом газовых технологических лазеров) и т. д. Повышение точности измерений обусловило прогресс в авиастроении (повышениеточностиопределенияаэродинамическиххарактеристик летательных аппаратов, повышение надежности работы систем обеспечения безопасности аэродромных комплексов), метеорологии (повышение достоверности прогнозовпогоды), экологии(контрользаперемещением вредных веществ в атмосфере), энергосбережении (повышение точности определения метрологических характеристик измерителей параметров природного газа).

Этапы создания ГЭТ 150-2012:

–разработка измерительной схемы эталона, обеспечивающей прослеживаемость к эталонам основных единиц;

–разработка и изготовление калибратора для лазерного анемометра (КЛАД-1);

–разработкапрограммногообеспечениядляуправленияпроцессомизмеренийнагосударственномпервичном специальном эталоне (ГПСЭ);

–разработка и изготовление закрытого измерительного участка для ГПСЭ, что необходимо для надежного обеспеченияизмеренийпрималыхзначенияхскоростей;

–разработкаиизготовлениеновойсистемыуправления перемещением СИ и двигателем постоянного тока вентиляторного агрегата;

–разработка системы определения плотности воздушного потока в рабочих условиях;

–исследование метрологических характеристик эталона;

разработкапроектановойгосударственнойповерочной схемы и документации.

В 2014 г. разработан Проект окончательной редакции национального стандарта «ГСИ. Государственная поверочнаясхемадлясредствизмеренийскоростивоздушного потока». Проектнаправленнаутверждениевуправление метрологии Ростехрегулирования в октябре 2014 г.

Состав ГЭТ 150-2012

Первичныйспециальныйэталонсостоитизкомплекса следующих технических средств, вспомогательных устройствиспециальныхинженерныхсооружений: аэро- динамическойустановкиАДС-700/100 №01 (замкнутая аэродинамическаятруба) длявоспроизведенияединицы скорости воздушного потока в диапазоне 0,05–100 м/с; приемников полного и статического давлений ПД 53 № 60, № 62 для измерений и передачи единицы вторичнымэталонамвдиапазоне 10–100 м/с; лазерногодопле- ровскогоизмерителяскоростиЛАД-015 №123-610901-14 дляизмеренийипередачиединицывторичнымэталонам вдиапазоне0,05–25 м/с; калибратора(КЛАД-1) №01 для определения коэффициента преобразования ЛАД-015 в диапазоне 0,05–12 м/с; системы измерения параметров воздушногопотокаЭМС-01/60; СИатмосферногодавления, относительной влажности воздуха и температуры; двухперсональныхэлектронно-вычислительныхмашин для автоматизированной обработки измерительной информации, архивациирезультатовизмеренийиуправления процессом измерений.

Принцип действия, структура построения ГЭТ 150-2012 и его основные метрололгические характеристики

Длясозданиявоздушногопотокаснормированными характеристиками применена замкнутая аэродинамческаяустановкаАДС700/100, схемакоторойпредставлена на рисунке. Установка имеет открытый измерительный участкокдляизмеренийскоростивдиапазоне0,5–100 м/с изакрытыйизмерительныйучасткок– вдиапазоне0,05– 0,50 м/с. В качестве устройства формирования потока используетсяконфузор(сопло) 8, профилькоторогорасчитан по формуле профессора Витошинского. Диаметр выходного сечения конфузора 700 мм. Поток создается осевым двуступенчатым вентилятором 2, который приводит во вращение двигатель постоянного тока мощностью 125 кВт. Изменение скорости осуществляется

7

2 8

Рис. 1. Схема аэродинамической установки АДС 700/100: 1, 3, 4, 5, 6 – воздуховоды; 2 – вентилятор;

7 – форкамера: 8 – сопло

регулировкой напряжения на якоре двигателя, а в диа- пазонескорости0,05–5 м/сещеиизменениемуглаатаки лопастей вентилятора .

Скорость воздушного потока измеряют с помощью приемниковполногоистатическогодавленийилазерным доплеровскиманемометром, которыйизмеряетскорость микрочастиц, сопровождающих поток. Доплеровский методизмеренияскоростиоснованнаизмерениичастоты лазерного излучения, рассеянного движущимся объектом. Метрологические характеристики ГЭТ 150-2012 приведены в таблице, а результаты исследований в [2].

ГЭТ 150-2012 разработан и исследован в период 2010–2012 гг. во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Приемникиполногоистатическогодавленийразработаныи исследованывЦАГИим. проф. Н.Е. Жуковского. Эталон содержатиприменяютвоВНИИМим. Д.И. Менделеева впомещении, соответствующемправиламсодержанияи применения первичного эталона.

Международные сличения

ВпериодподготовкиэталонакутверждениюВНИИМ им. Д.И. Менделеева, являясь членом Азиатско-Тихооке- анскойметрологическойпрограммы(AРМР), участвовал включевыхсличенияхнациональныхэталоновскорости воздушногопотокаAPMP.M.FF-K3. Всличенияхпринимали участие 6 стран: Япония (NMIJ) – пилотная лаборато-

рия; Тайвань(CMS/ITRI); Корея(KRISS); Сингапур(NMC A*STAR); США(NIST); Россия(ВНИИМ). ОтВНИИМна сличение была представлена часть ГЭТ 150–85, которая затем вошла в состав ГЭТ 150–2012.

Сличенияэталоновпроводилиспомощьюустройства сравнения (УС) при скоростях воздушного потока 2; 5; 10; 16; 20 м/с. На каждой калибровочной точке проводили по пять измерений. В качестве УС использовали ультразвуковойизмерительскоростивоздушногопотока,

изготовленныйфирмойKAIJO SONIC CORPORAITION

ипредоставленныйпилотнойлабораториейNMIJ. После проведения экспериментальных исследований каждым национальным метрологическим институтом эталон

сравнения возвращали в пилотную лабораторию для контроля его технического состояния.

Окончательный отчет о сличениях APMP.M.FF-K3 представлен в [3, 4]. Результаты, полученные в ходе сличений были сопоставлены с результатами сличений CC.FF-K3, проведенных под эгидой МБМВ в 2005 г., в которых принимали участие Япония (NMIJ), США (NIST), Нидерланды (NMI) и Германия (РТВ).

Результаты сличений ГЭТ 150–2012 с зарубежными национальными эталонами стран-участников сличений показали, что степень эквивалентности результатов измерений ВНИИМ и других национальных эталонов удовлетворительна.

На основании результатов ключевых сличений калибровочные измерительные возможности ВНИИМ в области измерений скорости воздушного потока включенывбазуданных Международного бюромеривесов.

Литература

1.ПриказФедеральногоагентствапотехническомурегулированию и метрологии от 28 декабря 2012 г. № 1222 «Об утверждении Государственного первичного специального эталона единицы скорости воздушного потока».

2.ОтчетФГУП«ВНИИМим. Д.И. Менделеева» потеме «Совершенствование Государственного первичногоспециальногоэталонаединицыскоростивоздушногопотокаГЭТ

150-85» рег. №01201352198, инвентарный№02201357517, интернет № И130408152556, [Офиц. сайт]: http://www.rntd. citis.ru.

3.Final report on the APMP air speed key comparison (APMP.M.FF-K3).

4.ХановН.И., МишустинВ.И., ГуткинМ.Б. Результатыуча-

стия российских эталонов в ключевых сличениях, проводимых региональной метрологической организацией стран АзиатскоТихоокеанскогорегионавобластиизмеренийпараметровпотоков жидкостиигаза// Измерительнаятехника. 2011. №8. C. 67–70; Khanov N. I., Mishustin V. I., Gutkin M. B. Results of participation of Russian standards in key comparisons conducted by the Regional Metrological Organization for countries of the Asia-Pacific Region in the field of liquid and gas flow rate parameter measurement // Measurement Techniques. 2011. V. 54. N. 11. P. 953–958.

История вопроса

Средства измерений (СИ) скорости водного потока широко применяют в гидрометеорологии, судостроении

исудовождении, гидрологии и океанологии, в экологии для контроля скорости потоков и ряде других отраслей. Также необходимо отметить, что измерение скорости водного потока лежит в основе большинства методов и средств измерений расхода жидкости.

ВнастоящеевремявРоссиипостоянноувеличивается паркприменяемыхрабочихСИскоростиводногопотока. В связи с ростом внимания к экологическим проблемам

ивопросам обеспечения безопасности на производстве, в частности, в гидроэнергетике, потребность в таких СИнеуклоннорастет. Соответственно, возрастаетивостребованностьГПСЭединицыскоростиводногопотока.

Состав ГЭТ 137-83

ГЭТ 137-83 был создан во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в 1974–1982 гг., и утвержден Постановлением Госстандарта СССР от 6.01.1983 г. № 32. В основе построения эталона лежит зависимость скорости потока

Рис. 1. Внеший вид эталона

несжимаемойсредыотразностиполногоистатического давления в потоке.

В состав эталона входят:

–гидродинамическаяизмерительнаяустановка(замкнутаягидродинамическаятруба, силовойагрегат, пульт управления, регистрации и обработки данных);

–блок дифференциальных манометров;

–приемник полного и статического давлений для контроля стабильности эталона и передачи размера единицы разрядным эталонам;

–системазаданияиподдержаниязначенияскорости водного потока.

Принцип действия, структура построения ГЭТ 137-83 и его основные метрологические характеристики

Принцип действия эталонной установки, входящей в состав ГПСЭ скорости водного потока заключается в создании в рабочем участке гидродинамической трубы водногопотокасрегулируемымииточноопределяемыми характеристиками.

Для создания водного потока с нормированными характеристикамипримененазамкнутаягидродинамическая установка ГДС 80/20. Установка имеет закрытый измерительный участкок для измерений скорости в диапазоне 0,05–20,0 м/с. Вкачествеустройстваформированияпотока используется конфузор (сопло) с диаметром выходного сечения конфузора 80 мм, профиль которого расчитан по формулепрофессораВитошинского. Изменениескорости осуществляетсярегулировкойчастотывращениянасосного агрегата, авдиапазонескорости0,05–1,0 м/сприменяется конфузорсменьшимдиаметромвыходногосечения.

Скоростьводногопотокаизмеряютспомощьюблока дифференциальныхманометров, измеряющихразность давленийнаконфузоре. Ввыходномсеченииконфузора располагаются испытываемые и поверяемые СИ.

Метрологические характеристики ГЭТ 137-83 приведены в таблице 1.

Роль вибрации в жизни, науке и технике

Небудетпреувеличеннымсуждениеотом, чточеловек на заре своей сознательной деятельности в первую очередь вынужден был познать и использовать колебательноедвижениетвердых, жидкихигазообразныхтел. Примером таких колебательных движений, с которыми столкнулся первобытный человек, были колебания отдельныхчастейтелачеловекапридвижении(колебания рук, ног), колебания водной среды (морские волны) и земной поверхности (землетрясение), колебания растений под действием ветра и т. д. И сегодня человек постоянно сталкивается с колебательными процессами, часть из которых называют вибрацией. Являясь частным случаем колебательного движения твердых тел, вибрация, рассматриваемая в данном разделе, имеет следующие особенности:

–вибрационное движение твердого тела прямолинейное, т.е. точки тела совершают движение по одной прямой линии или по траектории, близкой к прямой линии (угловая вибрация здесь не рассматривается);

–амплитуда колебаний твердого тела соизмерима или больше уровня действующих влияющих факторов;

–частотный диапазон вибрационного движения, как правило, ограничен диапазоном звуковых частот, расширение в область высоких частот ограничено частотами порядка 50 кГц, авобласть низких– частотами колебаний, отнесенными к сейсмическим (см. раздел «Сейсмометрия»).

Техникаизмерениймеханическихколебанийвообще

ивибраций, в частности, начинается с приборов для измерений сейсмических колебаний почвы. Первый из известных сейсмоскопов был построен в 132 г. н. э. в Китае Чжан-Хеном. С помощью этого прибора могла быть получена информация о направлении толчка. Ртутный сейсмоскоп итальянца Каччиаторе, построенный в 1848 г., уже давал информацию и о силе толчка. С конца XIX в. сейсмоскопы начали заменяться более совершенными приборами – сейсмографами с записью колебаний во времени. Одним из первых сейсмографов стал горизонтальный сейсмограф с механической регистрацией, предложенныйв1889 г. японскимсейсмологом Омари. В развитии работ по измерениям механических колебаний большую роль сыграли труды русских академиков Б.Б. Голицына (1862–1916), А.И. Крылова (1863–1946) и Г.А. Гамбурцева. Б.Б. Голицын впервые построил вертикальный сейсмограф с гальванической

регистрацией. Подобные приборы, развитые впоследствиипроф. Д.П. Кирносом, используютсяивнастоящее время. Б.Б. Голицыным была написана книга «Лекции по сейсмологии» (1912). Г.А. Гамбурцев многое сделал для развития методов сейсмической разведки и разработки необходимой аппаратуры. Систематическое исследование колебаний механизмов и машин (вибрации) началось с появлением в 60-х гг. XIX в. торговых судов. В конце XIX в. уже было создано несколько типов виброизмерительных приборов, на которые были выданы патенты Мияну, Шлику, Неститу и др. В эти годы получили распространение виброизмерительные приборы инерционного действия с механической и оптико-фото- графической записью колебаний. Вибрацией кораблей занимался А.И. Крылов. Его научный труд «Вибрация судов» стал классическим.

Потребность в более глубоком изучении вибрационных процессов возникла в связи с развитием машиностроительных отраслей и бурным ростом скоростей транспортных средств. Целая серия крупных катастроф связана с влиянием вибрации на прочностные характеристики транспортных средств. Так, например, в XIX в. практически в течение 70 лет катастрофы на железнодорожном транспорте были связаны с взрывами пароводяных котлов на паровозах. В середине 50-х гг. XX в. произошлиподрядтрикатастрофыссамолетамифирмы «Комета» (Англия), которые взрывались в воздухе. Причина этих катастроф оказалась одна – усталостные явления в металле, возникшие в процессе эксплуатации транспортныхсредствподдействиемвибрации. Выяснилось, чтовибрациявызываетрезкоеснижениепрочности сварныхшвовкотловнапаровозахифюзеляжасамолета. Под влиянием вибрации разрушались мосты и здания, терпели крушения морские суда и автомобили. По данным фирмы «Карл Шенк АГ» (Германия) [1], например, при сумме убытков и потерь производства, произошедших из-за выхода из строя агрегата гидроэлектростанции, в 1,6 млн. швейцарских франков, вибрационный контроль машины в трех узлах подшипников является рентабельным, если онпозволяетисключить лишьодно повреждениеподшипникавтечение40 летэксплуатации.

Одновременно с влиянием вибрации как вредного явленияразвиваласьиполезнаяфункциявибрации. Сее помощьюуменьшаюттрениевподшипниках; забиваюти вытаскивают сваи пристроительстве зданий исооружений; воздействуя на почву многотонным вибрационным механизмом, увеличиваютдобычунефти; воздействуют

наорганизмчеловекасцельюоздоровления; используют вхимическойифизическойтехнологияхдляинтенсификации процессов и реакций; применяют для стабилизации в пространстве и торможения вращающихся валов

ит. д. Многообразие вибрационных явлений в природе

итехнике и сфер применения вибрации определяют параметрывибрационныхпроцессов, апоследниепредъявляют требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам средств измерений параметров вибрации и к методам их определения.

Современное состояние области измерений параметров вибраций

1. Параметры вибрации. Основными физиче-

скими величинами, характеризующими вибрацию и представляющими практический интерес, являются взаимосвязанные вибрационные перемещение S(t),

скорость V(t)=d(S)/d(t), ускорение a(t)=d(V)/d(t) и

реже резкость b(t)=d(a)/d(t). При гармонической

вибрации S = Sm sin (ωt +ϕ ) ; V =ωSm cos(ωt +ϕ ) ; a = −ω2Sm sin (ωt + ϕ ); b = −ω3Sm cos(ωt + ϕ ), где Sm –

амплитудаперемещения; ωSm =Vm – амплитудаскорости; ω2Sm = Am – амплитудаускорения; ω3Sm = Bm – амплитуда резкости; ωt +ϕ – фаза; ϕ – начальная фаза; ω – круговаячастота; t – время. Перемещение, скорость, ускорениеирезкостьизменяютсяпогармоническомузакону инаходятсяпопарновпротивофазе. Скоростьопережает перемещениена90° иотстаетотускоренияна90°; амплитудысвязанысоотношением Am =ω2Sm =ωVm = Bm ω . ОбычноэтивеличинывыражаютсявединицахSI. Перемещениеизмеряетсявм, мм, мкм; скорость– вм/с, мм/с; ускорение – в м/с2; резкость – в м/с3. Ускорения иногда выражаются в единицах ускорения силы тяжести «g»

(1 g≈9,81 м/с2).

Для количественного выражения вибрационных величин во временной области используются следующие параметры: амплитуда, размах (двойная амплитуда), пиковое значение, среднее значение, среднее квадратическое значение (СКЗ), дисперсия, фаза, частота, коэффициентамплитуды, коэффициентформыикоэффициент гармоник; вчастотнойобласти– спектр, энергетический спектр, спектральнаяплотностьидр. СКЗявляетсяодним изнаиболееважныхпараметров, т.к. ононепосредственно связано с энергией и, следовательно, с разрушающей способностью измеряемой вибрации. Промышленные виброизмерительные приборы градуируются в СКЗ измеряемойвеличины. Дисперсияхарактеризуетрассеяние возможных значений вибрации относительно среднего значения. Этот параметр используется в основном при измеренияхслучайнойвибрации. Широкоприменяются параметры, характеризующие форму вибрационного процесса, – коэффициент амплитуды и коэффициент гармоник. Коэффициент амплитуды – это отношение пикового (амплитудного) значения и СКЗ измеряемой величины: Ka=Xпик/Xск.Для синусоидальной вибрации Ka=1,414. Чем больше импульсный характер вибрации, тем больше ее коэффициент амплитуды. Коэффициент гармоник определяет степень искажений измеряемой синусоидальной вибрации. Он выражается в виде

∞

∑Xi2

KГ = i=X2 1 100% ,

гдеXi иX1 – соответственноамплитудыколебанийна частоте i- и 1-й гармоник.

2. Современные средства измерений параметров вибраций. Вышеужеговорилось, чтопервымивиброизмерительнымиприборамибылиприборыинерционного действия с механической и оптико-фотографической фиксацией результата измерения. Однако внедрение в реальную практику электромагнетизма и пьезоэлектричества привело к тому, что в 30–40 гг. XX в. наступает новыйэтапвразвитиивиброметрии – появляется много различных приборов, преобразующих механические колебания в электрические. В них применяются достиженияэлектроизмерительнойтехники, электроакустики

иэлектроники. Они вытесняют остальные системы. Наиболееполнорезультаты, достигнутыевэтойобласти в середине XX в., изложены в фундаментальной работе проф. Ю.И. Иориша «Виброметрия» (1963 г.).

КконцуXX в. техникаизмеренийпараметроввибрациишагнулаещедальшевперед– онасталакомпьютеризированной. Созданывысокоэффективныевибродиагностические измерительные системы (ИС). Современные средстваизмеренийпараметроввибрацииобеспечивают измерения виброперемещений от долей микрометра до метра, виброскорости – от десятитысячных долей до нескольких единиц м/с, виброускорений – от тысячных долей до десятков тысяч м/с2.

Провести полную классификацию современных средств измерения параметров вибрации практически невозможно из-за их многообразия по конструктивным особенностям, по назначению, по принципу действия, по сфере применения, по рабочим частотным и амплитуднымдиапазонам, помеханическойсвязисобъектами

ит. д. Поэтому приведем упрощенную классификацию средств измерений параметров вибраций [4] и коротко охарактеризуем некоторые из них.

Датчики вибрации могут быть классифицированы:

– по назначению – на датчики виброперемещения, виброскорости, виброускорения, вибромощности, вибросилы и т. д.;

– поотношениюкинерциальнойсистемеотсчета– на датчики абсолютной и относительной вибрации;

– попринципупреобразованиямеханическихколебанийвэлектрические– надатчикигенераторные, параметрическиеидатчикиспромежуточнымпреобразованием в колебания другого физического характера;

– по используемому для измерения физическому явлению– надатчикимеханические, оптические, интерференционные, волновые, пьезоэлектрические, индуктивные, магнитоэлектрические, электродинамические, емкостные, токовихревые, трансформаторные и т. д.;

– почислукомпонентовизмеряемыхвекторныхвеличин– надатчикиоднокомпонентные, двухкомпонентные

итрехкомпонентные;

– по механической связи с объектом измерения – на датчики контактные и бесконтактные;

– по используемому принципу измерения – на датчики кинематического и динамического принципа измерения и т. д.

Наибольшееприменениеполучиливнастоящеевремя пьезоэлектрическиевибродатчики. Обладаяотносительно малыми габаритами и весом, они практически не оказываютвлияниенаобъекты, вибрациюкоторыхнадо измерить. Большая стабильность во времени применяемых в них пьезоматериалов, широкий температурный, амплитудный и частотный диапазоны, в которых могут работать пьезоэлектрические вибродатчики, сделали их незаменимымиприрешениимногихтехническихзадач. Основным недостатком таких датчиков является высокое выходное сопротивление, что предъявляет особые требования к входному тракту усилительного канала. В зависимости от измеряемых частотных и амплитудных диапазонов погрешность пьезоэлектрических датчиков колеблется от 1 до 20%.

Наиболее точными являются средства измерений параметров вибрации, построенные на базе лазерных интерферометров. Совершенствование лазерной техники позволяет создавать в настоящее время компактные высокоточные средства измерений параметров вибраций, работающие в широких амплитудных и частотных диапазонах. Применениелазерныхинтерферометровдля измерениямалыхамплитудвиброперемещений(единиц долей микрометра) ограничивается их разрешающей способностью, для повышения которой применяют самыеразличныеметоды(многоходовыеинтерферометры, модуляционные, фазовые, поляризационные и т. д.). Погрешность лазерных интерферометров при измерении виброперемещения и виброскорости колеблется от нескольких десятых долей до нескольких процентов.

Большоеивсеболеевозрастающееприменениенаходятсейчасемкостныеивихретоковыедатчикивибраций. Этоотносительнодешевыеипростыепоконструкциии в эксплуатации датчики. Они могут работать в широких диапазонах частот и амплитуд. Следует, однако, учесть, что на результаты измерений с помощью вихретоковых

иемкостных датчиков влияют внешние электрические

имагнитные поля, поэтому для получения погрешности менее 5% требуется дополнительная экранировка датчиков.

3.Вибростенды. Вибростенды применяются как для испытаний изделий на вибропрочность и виброустойчивость, так и для воспроизведения вибрационных параметроввметрологическойпрактике. Поспособувозбужденияпеременнойсилыввозбудителемеханических колебаний они могут быть механические, электромагнитные, электродинамические, электрострикционные,

гидравлические, магнитогидравлические, магнитогидродинамические [5].

Механические, гидравлические, магнитогидравлические, магнитогидродинамические вибростенды применяются при испытаниях на вибропрочность и виброустойчивостькрупногабаритныхизделийбольшой массы (до нескольких тонн). Они обладают достаточно большой мощностью (до 100 кВт), что позволяет получать максимальное ускорение на столе вибростенда до 300 м/с2 в частотном диапазоне от 0,1 до 200 Гц.

Электродинамические вибростенды применяются и для испытаний, и в метрологической практике. Они обладают широким диапазоном воспроизводимых частот (до 20 кГц), амплитуд виброускорений (до нескольких тысячм/с2), достаточнобольшойвыталкивающейсилой (до 150 кН). Существенным преимуществом электродинамических вибростендов является возможность воспроизведенияколебанийсвысокойстепеньюоднонаправленностиисинусоидальности. Именноэтипреимущества позволяют использовать электродинамические вибростенды в метрологической практике для задания параметров вибраций. Так, поперечные колебания стола электродинамического вибростенда и коэффициент гармоник могут быть уменьшены до единиц процента.

Электрострикционные и электромагнитные вибростенды позволяют развивать высокие уровни виброускорений (до 50000 м/с2) на резонансных частотах и, в основном, применяются для испытаний изделий, в том числе и для испытаний вибродатчиков на прочность.

Система метрологического обеспечения средств измерения параметров вибраций

Разработанная в нашей стране система метрологического обеспечения средств измерения параметров вибраций включает в себя нормативную базу, методы и средстваповерки, эталоннуюбазустраны, широкуюсеть территориальных органов, осуществляющих передачу размера единицы рабочим средствам измерений.

1. Методыповеркиикалибровкивибродатчиков.

Для передачи размера единицы средствам измерения параметров вибраций в основном используются три метода: метод непосредственного сличения, интерференционный и метод взаимности.

Метод непосредственного сличения является наи-

более распространенным методом передачи размера единицы рабочим средствам измерения. Он прост в эксплуатации, надежен, относительно малы затраты на проведениеработ. Методомнепосредственногосличения производится передача размера единицы от эталонного вибродатчикаснормированнымиметрологическимихарактеристикамиповеряемомуиликалибруемомудатчику приодновременномвоздействиинаниходнонаправленногоблизкогоксинусоидальномуколебания. Амплитуда синусоидальногоколебанияопределяетсяпоэталонному датчику. Дляудобства вэксплуатации датчики, которые могут применяться и применяются в качестве эталонных, имеют два резьбовых отверстия. Одно резьбовое отверстие служит для крепления эталонного датчика к столу вибростенда, а второе – для установки на нем сверхурабочеговибродатчика. Приэтом, вконструкции эталонногодатчикапьезопластиныиинерционнаямасса крепятсянекнижнейчастикорпуса, акверхней. Таким образом, практически снижается влияние на точность передачиразмераединицыжесткостныхсвойствкорпуса эталонногодатчика. Пьезопластиныизготавливаютсяиз кварца или высокостабильной пьзокерамики. Конечно, такойметодпередачиразмераединицыудобенневсегда. Еслимассаповеряемогоиликалибруемогодатчикаболь-

ше массы эталонного, то установка его сверху приводит к увеличению погрешности передачи размера единицы, особеннорезковобластичастотвышенесколькихкГц. В этом случае необходимо их крепить рядом или соосно с двухсторонвибрирующегостола, чтоприводиткпоявлениюещеоднойпереходнойжесткости. Погрешностьпри непосредственномсличениинепревышает1% вобласти частотдо5 кГциопределяется, восновном, жесткостнымисвойствамирезьбовыхкрепленийиконтактирующих поверхностей, а также погрешностями приборов, измеряющихэлектрические сигналы, получаемые свыходов предварительных усилителей. С ростом частоты эта составляющая погрешности возрастает.

Наиболееточнымметодомпередачиразмеровединиц параметров вибраций является интерференционный. Как правило, применяются лазерные интерферометры, с помощью которых определяется амплитуда виброперемещения, в некоторых конструкциях – амплитуда виброскорости. Разрешающаяспособностьпростейшего двухлучевоголазерногоинтерферометраλ/2≈0,315 мкм (λ – длинаволныизлучениялазерногоисточникасвета), чтоявляетсяограничениемприегоиспользовании, т.к. на высокихчастотахамплитудыколебаниястолавибростендамогутбытьсоизмеримысразрешающейспособностью интерферометра, ивозрастаетпогрешностьквантования. Еслиизмеряемаяамплитудавиброперемещения>>разрешающейспособности интерферометра, топогрешность определенияметрологическиххарактеристиквибродатчиковнепревышает0,5%. Дляповышенияразрешающей способностиприменяютмноголучевыеинтерферометры, многоходовые, модулируют опорный луч, определяют амплитудувиброперемещенияспомощьюузкополосных фильтров по нулям функции Бесселя и т. д. Погрешность у таких интерферометров (кроме многоходовых) возрастает до нескольких процентов. При поверке или калибровке с помощью лазерного интерферометра на подвижное основание вибростенда устанавливают поверяемый или калибруемый вибродатчик, на верхней плоскости которого крепят отражающую поверхность для измерительного луча интерферометра. С помощью интерферометра определяют амплитуду задаваемого виброперемещения (или виброскорости), измеряя при этомвыходнойсигналсвибродатчика, послечегоопределяетсякоэффициентпреобразованиявибродатчика(иногда определяется коэффициент преобразования тракта «датчик – усилительный канал»).

Наиболеесложныйигромоздкийметодпередачиразмераединицыявляетсяметодвзаимности. Внастоящее время он применяется сравнительно редко. В качестве обратимого датчика могут использоваться как катушка индуктивностивэлектродинамическомвибростенде, так и пьезоэлектрический датчик. Рассмотрим применение метода взаимности на примере определения коэффициента преобразования пьезоэлектрического датчика.

Основойпримененияметодаявляетсятеоремавзаимности, которая при использовании обратимого датчика может быть сформулирована следующим образом: при отсутствиипотерьвэлектрическойимеханическойцепях врежимехолостогохода(безнагрузки) выходноенапряжение датчика при воздействии на него динамической скорости эквивалентно току, который потребовалось бы

создать, чтобыполучитьединицудинамическойсилытем жедатчиком, еслибыониспользовалсявкачествегенератораколебаний. Приповеркеиликалибровкепроводятся три эксперимента с известной массой М и без нее [1]. В первом эксперименте поверяемый или калибруемый датчик подвергается воздействию вибрации частотой f одновременно с взаимным датчиком. Определяется отношение выходных сигналов Un . Во второй серии экс-

Uв

периментоввозбуждаетсявзаимныйдатчикизмеренным значением тока частотой f и определяется отношение значения этого тока к выходному сигналу поверяемого иликалибруемогодатчикасприкрепленноймеждудвумя

образования поверяемого или калибруемого датчика определяется по формуле:

коэффициента преобразования от частоты необходимо изменить значение частоты и провести две серии экспериментов снова. Погрешность определения коэффициента преобразования методом взаимности не менее 1%.

Длязаданияпараметроввибрацийприменяютобычно электродинамические вибростенды с повышенными метрологическими характеристиками. Так, например, поперечное движение вибростола рабочего эталона не должно превышать 8%, а коэффициент гармоник воспроизводимогосинусоидальногодвижениядолженбыть неболее5%. Дляуменьшениявлияющихфакторовввиде сейсмическихпомех, атакжедляувеличенияамплитуды колебанийприменяютвоздушноевзвешиваниеподвижной части вибростенда. Для центрирования подвижной части вибростенда применяют механические пружины или электрические методы.

2. Состояние нормативной документации. В на-

стоящее время в области вибраций в РФ действуют нормативные документы (НД) нескольких уровней: международные стандарты (стандарты ИСО и МЭК, внедренные практически без изменений), межгосударственные (ГОСТы), национальные (ГОСТы Р и другие отечественныеНД). Всенормативныедокументыможно условноразделитьнаметрологические, НД, регламентирующие уровень вибрации машин и механизмов самого различного назначения, и НД, регламентирующие воздействие вибрации машин и механизмов на человека. В каждой из этих сфер разработано и действует большое количество НД, все их рассмотреть и проанализировать чрезвычайно трудно. По этой причине коротко остановимся только на НД метрологического направления.

Основные понятия, термины и определения, установленывстандартах: ИСО2041-90 «Вибрацияиудар. Словарь», ИСО 1925-90 «Механическая вибрация. Балансировка. Словарь», ИСО 5805-81 «Механическая вибрация и удар. Воздействие на человека. Словарь», ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения», ГОСТ 16819-71 «Приборы виброизмерительные. Термины и определения». В стандартах ИСО 2041-90 и

ГОСТ 24346-80 сформулированы наиболее общие понятия(такие, каквибрация, еевиды, параметры) иопределенытермины, относящиесякболееширокойобласти общей теории колебания. В стандартах ИСО 1925-90,

ИСО 5805-81, ГОСТ 16819-71 и ГОСТ 16821-91 уста-

новлены частные понятия, термины и определения, связанные с принципом и воспроизведением параметров вибрации как общепромышленного применения, так и в конкретных областях народного хозяйства. ГОСТ 25051.3-83 в части терминологии является раз- витиемГОСТ24346-80. Внемрекомендуютсятермины

иопределения в области вибрационных установок, их точностных характеристик, режимов воспроизведения

иих погрешностей.

Особо следует остановиться на стандартах ИСО.

В1999 г. на территории РФ действуют уже около

80 стандартов ИСО, устанавливающих требования, нормы, методы измерений и калибровки средств виброизмерений, используемые в различных областях народного хозяйства. Среди них следует выделить 20 частей стандарта ИСО 5347, регламентирующего практически все применяемые в мировой практике методы калибровки датчиков вибрации и удара. При этом большое внимание уделено определению влияющих на погрешность датчика факторов, таких как поперечная чувствительность, деформационная, термочувствительность, чувствительность к магнитному полю, крутящему моменту и т. д. Россия принимает активное участие в международных работах в области измерений параметров вибрации, проводимых по линии Международной организации по стандартизации ИСО, членом которой является Россия. Сотрудничество осуществляется в рамках технического комитета ИСО ТК 108 «Вибрация и удар».

Проведение и координацию работ в РФ по международной сертификации в области вибрации осуществляет технический комитет ТК 183 «Вибрация и удар», который организован при Научно-исследовательском центре контроля и диагностики технических систем. Он же осуществляет сотрудничество с международным техническимкомитетомИСОТК108 «Вибрацияиудар».

Внастоящее время в РФ существуют практически все требуемыедляпрактическойдеятельностиНДвобласти виброметрии, но многие из них требуют переработки с цельюприведенияихксовременномууровню. Вближайшие годы должны быть переработаны НД на методы и средства поверки средств измерения параметров вибра-

ции (МИ 1873-88, МИ 2070–90 и др.).

3.Государственная поверочная схема. В Госу-

дарственной поверочной схеме для средств измерений параметров вибраций (МИ 2070-90) предусмотрена частичная децентрализация воспроизведения размеров единицдлины, скоростииускоренияприколебательном движении. Спомощьювысокоточныхсредствизмерения времени и длины (лазерных интерферометров) воспроизводятся параметры вибраций как на ГСЭ, так и на рабочем эталоне единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела (ВНИИМС, г. Москва). Доверительные границы погрешности этого рабочего эталона при доверительной вероятности 0,99

находятсявдиапазоне3·10-3–5·10-2. Отрабочегоэталона единиц длины, скорости и ускорения и ГСЭ размеры единицпередаютсярабочимэталонам1 и2-горазрядов, находящимся в территориальных органах Госстандарта

ина предприятиях страны, которые разрабатывают и выпускают виброизмерители. Доверительные границы погрешности таких рабочих эталонов при доверительной вероятности 0,99 находятся в пределах от 5·10-3 до 1·10-2 в диапазоне частот до 1·103 Гц, в более широких диапазонахчастотсредстваизмерений, применяемыедля поверки и калибровки, имеют погрешность до 1·10-1. В настоящеевремяосуществляютповеркусредствизмерений параметров вибраций 19 метрологических центров ГосстандартаРоссии. Рабочиесредстваизмеренийимеют погрешностьпридоверительнойвероятности0,95 от1% до20% взависимостиотизмеряемыхдиапазоновчастот

иамплитуд.

Кроме перечисленных в данном разделе ученых большой вклад в становление и развитие современной системы метрологического обеспечения в области измерения параметров вибрации внесли также П.Н. Агалецкий, В.Я. Бараш, В.И. Петрович, В.С. Шкаликов, А.Е. Манохин, Р.В. Васильева, В.И. Степанов.

Литература

1.Иориш Ю.И. Виброметрия. – М.: Машгиз, 1963.

2.ГикЛ.Д. Измерениевибраций. – Новосибирск: Наука, сибирское отделение, 1972.

3.Шкаликов В.С., Пеллинец В.С., Исакович Е.Г., Цы-

ган Н.Я. Измерение параметров вибрации и удара. – М.: Изд. стандартов, 1980.

4.Вибрация в технике. Справочник в 6 т. Измерения и испытания. Т. 5. / Под. ред. д.т.н., проф. Генкина М.Д. – М.: Машиностроение, 1981.

5.Приборы и системы измерения вибрации, шума и удара. Справочник в 2 т. / Под ред. д.т.н., проф. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1978.

6.Брох Е.Т. Применение измерительных систем фирмы «Брюль и Къер» для измерения механических колебаний и ударов. – Себорг: К. Ларсен, 1971.

7.Агалецкий П.Н., Бараш В.Я. и др. Образцовая пере-

носная виброметрическая аппаратура для измерений ви- броускорений0,5–100 g вчастотномдиапазоне10–500 Гци вибросмещений 0,01–5 мм в диапазоне 20–1500 Гц. Новые измерительныеприборыиметодыихповерки. – М.: Изд-во стандартов, 1963. Вып. 16.

8.Бараш В.Я. О поперечной чувствительности пьезоэлектрических акселерометрических датчиков // Измерительная техника. – 1964. № 11.

9.Бараш В.Я., Застрогин Ю.Ф. Измерение фазы ме-

ханических колебаний интерференционными методами метрологии // Измерительная техника. – 1977. № 1.

10.Бараш В.Я., Федотова Г.В. Гетеродинный интерферометрдляизмеренияпараметроввибрации// Измерительная техника. – 1984. № 1.

11.Бараш В.Я., Пресняков Г.С. и др. Рабочий эталон единицдлины, скоростииускоренияприколебательномдвижениитвердоготела// Измерительнаятехника. – 1988. №4.

12.Балалаев В.А., Манохин А.Е., Смирнов В.Я. Состоя-

ниеиперспективаразвитияметрологическогообеспечения измерений параметров вибраций. Обзорная конференция.

Принцип действия

ДлявоспроизведениявысокоточногооднонаправленногосинусоидальногоколебательногодвижениявГПСЭ применяются вибраторы с электродинамическим принципом задания колебаний на основе аэростатических направляющих. Высокочастотный линейный вибратор служит для воспроизведения линейных колебания в диапазоне частот от 2 до 20 кГц, низкочастотный – для воспроизведения колебаний в диапазоне от 0,1 до 160 Гц. Для измерения колебаний используется лазерный интерферометр с разрешающей способностью λ/4

(λ=0,6328 мкм).

Длявоспроизведения параметров угловойвибрации служит ротационный вибратор на основе аэростатическойопорыивысокомоментноговентильногодвигателя напостоянныхмагнитах. Измерениепараметровугловой вибрацииосуществляетсяабсолютнымииинкрементнымиугловымиэнкодерамиспредельнымразрешениемдо 0,0003′′, авобластималыхзначенийамплитуд– ещеис помощью лазерного интерферометра.

ВсоставГЭТ58-20ХХвходятследующиеустановки:

эталонная установка вибрационная низких частот ЭВУ-2 (рис. 1);

–эталоннаяустановкавибрационнаявысокихчастот ЭВУ – 3 (рис. 2);

–эталонная установка угловой вибрации ЭВУ-У (рис. 3).

Метрологические и технические характеристики

ГЭТ58-20ХХобеспечиваетвоспроизведениеединиц

вследующих диапазонах:

–диапазон измерений линейного ускорения –

2×10- 5–1000 м/с2

–диапазон частот 0,1–20000 Гц

–СКО – до 10-3

–НСП – до 10-3

–диапазон измерений линейной скорости –

0,0001 –0,1 м/с

–СКО – до 10-3

–НСП – до 10-5

Рис. 1. Эталонная установка ЭВУ-2

Рис. 2. Эталонная установка ЭВУ-У

Рис. 3. Эталонная установка ЭВУ-3

Назначение и область применения

ЭталонГЭТ58-20ХХпредназначендлявоспроизведе- ния, храненияединицснаивысшейточностьюипередачи ихспомощьюрабочихэталоноврабочимсредствамизмерений, применяемых вэкономикеРФ. Эталонвозглавляет государственнуюповерочнуюсхемудлясредствизмерений виброперемещения, виброскоростиивиброускорениявдиа- пазонечастотот10-1 до2·104 ГцсогласноГОСТ8.800-2012.

Основные результаты, уникальность и преимущество

В период 2014–2016 гг. во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» проведена модернизация государственного первичного специального эталон единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела ГЭТ 159-97.

Международное сотрудничество. Сличения

ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» постоянно осуществляет контакт с ведущими метрологическими и научными организациями мира, участвует в работе международногоКонсультативногоКомитетаприBIPM «Акустика, ультразвук и вибрация».

Эталон участвует в международных сличениях, проводимых как под эгидой BIPM, так и региональных организаций (COOMET).

Литература

ГОСТ Р 8.800-2012 Государственная система обеспеченияединстваизмерений. Государственнаяповерочнаясхема для средств измерений виброперемещения, виброскорости и виброускорения в диапазоне частот от 1·10 в степени –1 до 2·10 в степени 4 Гц.

С.Е. Верозубов

Ударноедвижение, являясьчастнымслучаемдвижения твердого тела, имеет ряд отличительных признаков. Во-первых, длятогочтобывозниклоударноедвижение, требуется взаимодействие (удар) двух тел, обладающих разнымизначениямикинетическойэнергии. Во-вторых, длительность взаимодействия, т. е. удара, вызывающего ударное движение твердого тела, соизмерима с его периодом собственных колебаний или его постоянной времени. Кратковременность взаимодействия, как правило, сопровождается выделением значительного количества энергии в малом объеме и происходит конечное изменение количества движения взаимодействующих тел. В.С. Пеллинец к вышеперечисленным признакам добавляет: «подударнымпонимаетсявсякийнепериодическийдетерминированныйпроцесс, обладающийчетко выраженным началом. Последнее следует понимать в том смысле, что до начала ударного процесса, т.е. при t≤0, физическая величина, характеризующая движение, равна нулю либо может быть принята равной нулю за счет соответствующего переноса системы координат». Ю.И. Иориш рассматривает удар как «одиночный механическийимпульс(дажекогдаонвызываетпоследующие колебания), если по условиям задачи длительность импульсаможносчитатьмалой, арезультирующийэффект (возникающие силы, ускорения, скорости, смещения) – значительным», аВ.Б. Карпушинуказывает, что«ударом твердыхтелдругодруганазываюттакоедвижение, при

которомзаоченьмалыйпромежутоквременипроисходят конечныеизмененияколичествадвижениятвердыхтел». Т. о., при ударе и ударном движении необходимо учитывать кратковременность взаимодействия, изменение количества движения у взаимодействующих твердых теливыделение значительногоколичества энергии. Необходимоучесть, чтокударномудвижениюотносятсяи периодические процессы ударного характера при условии, если к моменту очередного ударного воздействия на систему она приходит в состояние, которое можно считать невозмущенным, т.е. переходные процессы, вызванныепредыдущимударнымвоздействием, всистеме завершились.

Потребностивучетеиколичественнойоценкеударных воздействий на твердые тела возникли, в первую очередь, в связи с необходимостью определения их влияния на эксплуатационные характеристики различныхтехническихустройств, совершенствованиятехнологического оборудования (ковочное, штамповочное, ударыкопраит. д.), повышениябезопасностидвижения на транспорте в условиях его интенсивного развития и совершенствования и т. д. Практически любой вид транспорта(автомобиль, железнодорожныйтранспорт, морские и воздушные суда и т. д.) в процессе своей эксплуатации подвергается ударным воздействиям (на стыках рельс, за счет неровностей дорожного полотна, за счет воздушных вихрей и потоков, удары самолета