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

о взлетно-посадочную полосу при посадке, удары морских волн о борт судна). Теоретически рассчитать с высокой степенью точности влияние таких нагрузок на сложные машины и механизмы и определить время их безопасной эксплуатации практически невозможно. А если учесть, что значение ударных нагрузок и их форма также изменяются в широких пределах, то можно понять, какое огромное значение приобретают экспериментальные исследования, которые хотя бы приближенно моделируют условия эксплуатации. Т.о., дляопределениявлиянияударовнаразличныемашины и механизмы необходимо осуществить на них ударное воздействие, котороепосвоимхарактеристикамблизко квоздействиямвусловияхэксплуатации. Задачуиспытанийможноусловноразделитьнадвечасти: получение ударного испытательного воздействия и измерение параметров этого воздействия. Именно вторая проблема является основной для метрологии.

Измерения параметров ударных процессов относятся к динамическим измерениям, которые в силу своей кратковременности обладают по сравнению со статическими меньшей точностью. Особенностью измерения параметров удара является и то, что они являются переменными во времени и определить ударный процесс с помощью одного параметра, как это можно сделатьпристатическихизмерениях, невозможно. Выбор измеряемых параметров зависит от поставленной измерительной задачи, от возможностей реализации того или иного процесса, от требуемой точности измерений параметров процесса и т. д.

Ударныйпроцессопределяетсяформойкривойфункциональной зависимости воспроизводимого параметра

от времени и его интегральным значением Ix = ∫∞ x (t)dt .

0

В зависимости от формы кривой ударные процессы разделяются на простые и сложные (с наложенными колебаниями), апоинтегральномузначению– наимпульсивныеибезимпульсивные(упоследнихIx=0). Дляанализаударногопроцессаиспользуютаппроксимирующие функции. При выборе аппроксимирующей функции ее форма должна быть близка к экспериментальной, параметры, которые определяются в результате измерения, должныбытьуобоихкривыходинаковы, аналитическое выражение аппроксимирующей кривой должно быть удобно для анализа.

Измеряемые физические величины при ударном движении, параметры физических величин, характеризующихударноедвижение, исоответствующиесредства измерений регламентируются ГОСТ 8.127-74 «ГСИ. Измерения параметров ударного движения. Термины и определения». Вкачествефизическихвеличин, характеризующихударное движение, применяют ударное ускорение a(t), ударную скорость v(t), ударное перемещение s(t), ударную деформацию ε(t) и ударный спектр S (ιω ), которыйразделяетсянаударныйспектртекущийипосле действия. Взаимосвязьударныхперемещений, скорости и ускорения определяется выражениями:

где τ – длительность процесса по ускорению на нулевом уровне, с.

Основнымипараметрамифизическихвеличин, которыехарактеризуютударноедвижение, являютсяпиковое значение физической величины, длительность ее действия, длительность фронта, коэффициент наложенных колебаний, импульс ударного ускорения.

Пиковое значение (хп) – наибольшее абсолютное значение физической величины – определяется как наибольшеезначениеисходной(несглаженной) зависимости физической величины от времени. Пиковое значение применяется дляопределения выброса временной зависимости, определяемой как хВ=(хп-х∞)/хп, где х∞ – установившееся значение физической величины.

Длительность действия физической величины τ – интервал времени от момента появления физической величины до момента ее исчезновения. Длительность действия обычно определяют на каком-то заранее оговоренном условном уровне, например, на уровне 0,1 хп. Значительные проблемы возникают при определении длительности ударных процессов сложной формы, так как от условного уровня, на котором определяется длительность, зависитеевеличина. Дляболееточныхизмерений целесообразно выбирать более низкий условный уровень, т.к. форма кривой ударного ускорения, например, имеетчастопологиеначальныеиконечныеучастки. В то же время наличие помехи случайного характера приводит к необходимости выбирать условный уровень вышеуровняслучайногосигналадляуменьшенияпотери информацииополезномсигнале. Поэтомувзависимости отконкретнойизмерительнойзадачиусловныйуровень, на котором определяется длительность физической величины, может быть разным.

Длительность фронта физической величины (τф) – интервал времени от момента появления физической величины до момента, соответствующего ее пиковому значению. Наличие явно выраженного значения хп позволяет однозначно определить и τф, однако для сложных форм кривой такую однозначность получить непросто.

Коэффициентналоженныхколебаний(kнк) – отношение полной суммы абсолютных значений приращений

между смежными экстремальными значениями физическойвеличиныкееудвоенномупиковомузначению. Этот коэффициентявляетсяхарактеристикой, определяющей сложностьформыкривойвоспроизведеннойфизической величины, онотражаетпроизведениечислапериодовналоженных колебаний n на их относительную амплитуду

формы, атакжепризначенияхпk<0,5 равноединице, при

больших значениях nk коэффициент наложенных колебаний может быть определен приближенной формулой

kНК ≈ k2nk+1 . Этот коэффициент может быть использован для оценки меры разрушения ударных процессов, нормирования их формы и т. д.

Анализ параметров, характеризующих ударный процесс, будет неполным, если не рассматривать его спектральную плотность, которая является энергетической характеристикой и определяет долю мощности, приходящуюсянатотилиинойдиапазончастотударного

процесса, S (jω )= ∫∞ f (t)e− jωtdt . Именно спектральный

−∞

анализпозволяетоценитьчастотныйсоставсигналов, получаемых на выходе измерительного преобразователя, и, такимобразом, определитьегочастотныехарактеристики.

Средства измерений параметров ударного движения

Наибольшеераспространениеполучиливнастоящее время пьезоэлектрические преобразователи ударного ускорения. Это связано с целым рядом преимуществ пьезоэлектрическихпреобразователейпереддатчиками, основанныминадругихпринципахпреобразованиямеханической энергии в электрическую. Малогабаритность, надежностьвэксплуатации, относительнаяпростотавизготовлении, возможностьизмеренияударныхускорений малой длительности и больших значений амплитуд, малая чувствительность к таким влияющим факторам, как акустическоедавление, магнитныеиэлектрическиеполя

ит. д. По этой причине ведущие фирмы мира «Брюль

иКъер» (Дания), «Кестлер» (Швейцария), «Эндевко», «PCB» (США) и др. основное внимание уделяют разработкепьезоэлектрическихпреобразователейударного ускорения. В России основными разработчиками и изготовителями пьезоэлектрических преобразователей, в т.ч. иударныхявляются«Прибор» (г. Санкт-Петербург), ВНИИЭФ (г. Саров, Нижегородская обл.), НИИФИ (г. Пенза) и др. Пьезоэлектрические преобразователи ударных ускорений являются преобразователями инерционноготипа. Сейсмическаямасса, подвергаясьвоздействию ударного ускорения, оказывает соответствующее давление на пьезопластины, на плоскостях которых образуется электрический заряд, пропорциональный значениюударногоускорения. Необходимодобавить, что пьезоэлектрическиепреобразователи, обладаямалымвесом, оказываютнезначительноевлияниенаобъект, ударноеускорениекоторогонеобходимоизмерить. Однимиз основных недостатков пьезоэлектрических преобразо-

вателей является их большое выходное сопротивление. По этой причине в качестве согласующих усилителей применяютсянетолькотрадиционныеусилителинапряжения, ноиспециальныеусилителизаряда, позволяющие практически исключить влияние на коэффициент преобразования датчика емкости соединительного кабеля и входного сопротивления согласующего усилителя. Переченьнормируемыхметрологическиххарактеристик для ударных пьезоэлектрических преобразователей устанавливается методикой МИ 186-79 «Нормируемые метрологическиехарактеристикиударныхпьезоэлектрических акселерометров». Данная методика нормирует и метрологическиехарактеристикисогласующихусилителей. Все нормируемые характеристики условно можно разделить на две группы: основные и характеристики, регламентирующие определение воздействия на преобразователь влияющих факторов. К основным можно отнести верхний предел измерений пикового ударного ускорения, диапазон измерений длительности фронта ударного ускорения, коэффициент преобразования по заряду и напряжению, коэффициент нелинейности амплитудной характеристики, низшая собственная частота закрепленного преобразователя. Ко второй группе характеристик можно отнести нестабильность коэффициента преобразования, коэффициенты влияния кабельногошума, деформацииоснования, магнитногои электрическогополей, температуры, акустическогополя, отклонениямоментазавинчиванияпреобразователяпри креплении от номинального, поперечного ускорения (из-за наличия поперечной чувствительности датчика). Кроме перечисленных характеристик нормируются добротность, емкость и сопротивление изоляции преобразователя. Определениеперечисленныхметрологических характеристик осуществляется в соответствии с методикой МИ 1826-88 «Акселерометры ударные. Методика поверки», применяемые в которой методы и средства поверки будут проанализированы ниже.

Более точными, но и более сложными, а соответственноиболеедорогими, являютсяоптическиесредства измерений, такие как лазерные интерферометры для измерения ударных процессов. Лазерные интерферометры измеряют ударное перемещение тела, при этом чащевсегоиз-замалойдлительностиударногопроцесса производится однонаправленный счет интерференционных полос, и на результат измерения могут повлиять наложенныеколебания. Чтобыуменьшитьпогрешность измерения ударного перемещения интерферометром предъявляются высокие требования к форме воспроизводимого ударного процесса. Необходимо практически ликвидировать наложенные колебания, а форма кривой должнабытьприближенакполусинусоиде. Такиетребования могут быть выполнены на эталонных установках, поэтому интерферометры применяются в основном для метрологического обеспечения средств измерения ударных процессов. Кроме пьезоэлектрических и интерференционныхпреобразователейударныхпроцессов, применяются, новменьшемобъеме, емкостныедатчики, индуктивные, индукционные, вихретоковыеидр. Следуетотметить, чтоэтипреобразователи(кромеемкостных) обладают более низкочастотными диапазонами измеряемых параметров ударных процессов.

началадвиженияподдействиемимпульсасилыбыланеподвижной. Вовторомслучае(принципторможения) ударное воздействиесоздаетсязасчетторможенияподвижнойчасти установки с испытуемым объектом. Установки могут различаться разнообразием конструктивных решений, иметь горизонтальноеивертикальноеисполнение, отличатьсяпо принципудействия(механические, электромеханические, пневмогидравлические и др.), по характеристикам, по грузоподъемности и по другим параметрам. Практически все высокоразвитые страны выпускают ударные испытательныестенды(США, Япония, Англияидр.). Вкачестве примера отечественного испытательного оборудования можно назвать ударные стенды К-30/1000, КУ-1–КУ-4,

СМ-2, УУ-5/500, СУ-3М, УУЭ-2/200, УУЭ-20/200 идр.

Огромный вклад в становление и развитие метрологической системы обеспечения средств измерения параметровударныхпроцессоввнесВильямСеменович Пеллинец. Восновномнабазееготрудовсоставленданныйобзор. КромеВ.С. Пеллинца, большойвкладвметрологическое обеспечение средств измерения параметров ударныхускоренийвнеслиА.И. Марциняк, В.Л. Лассан, Н.Н. Кованина, М.М. Лупинский, Г.С. Батуев, Н.К. Ерофеев, В.В. Гаюн, М.И. Субботин, В.И. Степанов.

Литература

1. Пеллинец В.С. Измерение ударных ускорений. – М.: Изд-во стандартов, 1975.

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

3.Лассан В.Л., Ерофеев Н.К. и др. Опыт разработки аппаратуры для измерения параметров движения. – Л.:

ЛДНТП, 1972.

4.Пеллинец В.С., Бабер И.С. Оценка погрешности измерения параметров вибрации и удара. – Л.: ЛДНТП, 1969.

5.Пеллинец В.С., Глаговская М.Б., Тарасов Г.А. Пути повышения точности измерения параметров удара. – Л.:

ЛДНТП, 1974.

6.Карпушин В.П. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. – М.: Советское радио, 1971.

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

8.Шкаликов В.С., Пеллинец В.С. и др. Измерение пара-

метров вибрации и удара. – М.: Изд-во стандартов, 1980.

9.Голиков В.В., Смирнов А.Ю. Повышение точности градуировки ударных акселерометров при использовании лазерного интерферометра // Тезисы доклада на ВНТК «Современное состояние и перспективы развития методов

исредств виброметрии и вибродиагностики», 3–5 октября 1989, Минск. – М.: НТО приборостроителей им. С.И. Вавилова, 1989.

10.Смирнов А.Ю. Перспективы развития системы воспроизведенияипередачиразмеровединицпараметровударных процессов // Тезисы доклада на ВНТК «Современное состояниеиперспективыразвитияметодовисредстввиброметрии и вибродиагностики», 3–5 октября 1989, Минск. – М.: НТО приборостроителей им. С.И. Вавилова, 1989.

С.И. Петров, В.Я. Смирнов

ГСЭединицыускоренияприударномдвижениипредставляетсобойкомплексследующихсредствизмерения:

–эталонная установка больших ускорений 93101Э;

–эталонная установка 93103Э;

–наборпеременногосоставаударныхакселерометров для передачи размера единицы.

В установке 93101Э для воспроизведения ударного ускоренияпримененмагнитно-импульсныйметод, сущность которого заключается в использовании электромагнитных сил взаимодействия полей индуктора и утолщенной части механического волновода. Источником энергии являются высоковольтные конденсаторы, заряжаемые до максимального напряжения 20 кВ и обладающие энергией до 20 кДж. Напряжение, до которогозаряжаютсяконденсаторы, определяетвеличину пикового ударного ускорения (емкость конденсаторов с=96 мкФ), а индуктивность разрядной цепи (в том числе индуктор) и механический волновод определяют длительность ускорения.

Основнымсредствомизмеренияпиковогоускорения является электронно-оптический измеритель перемещения. Дифференцируя дважды этот сигнал, получают

пиковое значение ускорения. В качестве регистрирующего устройства используется цифровой осциллограф с усилителем заряда.

Основные характеристики установки 93101Э:

–диапазонвоспроизводимогоударногоускорения–

103–106 м/с2;

–диапазондлительностейфронтавоспроизводимого ударного ускорения – 18–200 мкс;

–погрешностьвоспроизведенияударногоускорения– НСП – 1,5%, СКО – 2,5–3%;

–массаповеряемогопреобразователя– неболее35 г;

–потребляемая мощность – не более 3 кВт.

Эталонная установка 93103Э обеспечивает вос-

произведение ударного ускорения, величина которого определяется расчетным методом по измеренным значениям масс тел, жесткостей упругих элементов и ускорения свободного падения (модель двухмассовой системы в нестационарном режиме). Первоначально упругие элементы растянуты силой тяжести груза. При быстром снятии этой силы перерезающим устройством

системаприходитвдвижение, подчиняющеесясложной, но известной временной зависимости от вышеперечисленных параметров. Величина воспроизводимого ускорения определяется массой подвешенного груза, а его длительность– параметрамиупругихэлементов. Расчет воспроизводимого ускорения производится на ЭВМ по специальной программе.

Основныетехническиехарактеристикиустановки

93101Э:

–диапазон воспроизводимого ударного ускорения –

10–4·103 м/с2;

–диапазондлительностейфронтавоспроизводимого ударного ускорения – 0,2–50 мс;

–погрешностьвоспроизведенияударногоускорения – НСП – ≤ 1,5%, СКО – 2,5–3%;

Диапазон установки Импульс-1, неудобной в эксплуатации, былперекрытпутемрасширениядиапазонов установок 9309 и 93103.

Впроцессе эксплуатации и совершенствования эталонных установок были также подробно исследованы

ипроанализированы составляющие их погрешностей.

Врезультате проведенных работ в 1984 г. утвержден новый эталон ГЭТ 57-84 в составе двух установок 93101Э и 93103Э с характеристиками, указанными выше. Наибольший вклад в создание нового эталона внесли Н.Н. Кованина, С.М. Бенедиктов, бывший его ученымхранителем, В.Л. Анемподистов, А.А. Гончарко, Е.Ф. Соколов.

Смая 2000 г. ученым хранителем эталона является с.н.с. С.И. Петров.

Назначение эталона – поверка средств измерения параметров ударного движения (ударного ускорения,

Передача размера единицы ударного ускорения осуществляется методом прямых измерений и непосредственным сличением. В качестве поверочных установок применяются ударные установки, основанные на баллистических методах, параметрическом и электродинамическом возбуждении.

В ударной поверочной установке, реализующей баллистический метод, рабочим телом является закрепленная на тросах наковальня, на одном торце которой устанавливается поверяемый преобразователь. Удар по наковальне осуществляется с помощью молота, также закрепленного на тросах. Скорость молота в момент соударения определяется высотой его подъема v = 2gh , гдеh – высотаподъемамолота. Усилие, воздействующее на наковальню, определяется по диаметру отпечатка на сферическойповерхностимолотаспомощьюмикроскопа, сигналсповеряемогопреобразователяфиксируетсяс помощью запоминающего устройства и обрабатывается посоответствующемуалгоритму. Коэффициентпреобразования определяется как отношение пикового значения выходногосигналапреобразователякпиковомузначению ускорения, котороеопределяетсявысотойподъемамолота, соотношениеммассмолотаинаковальнииэквивалентнойжесткостьюмеханическогоконтактамеждумолотом и наковальней. Последнее определяет и длительность ударногопроцесса. Баллистическаяустановкавоспроизводит ударные ускорения от 103 до 7·104 м/с2 в диапазоне длительностей от 0,2 до 15 мс. Среднее квадратическое значение погрешности установки при воспроизведении ударного ускорения около 7%.

В области малых значений ударных ускорений применяются установки с параметрическим и электродинамическим принципами воспроизведения ударных ускорений. Принцип действия установки с параметрическим принципом воспроизведения основан на практически мгновенной ликвидации механической связи

между неподвижной и подвижной частями установки. Подвижная часть установки выполнена в виде системы, состоящей из инерционная масса – упругий элемент – масса ускорителя с поверяемым преобразователем. Воспроизводимое ударное ускорение определяется выражением a (t)= g (M m cosωt +1), где M – суммарное значение инерционной массы и массы части упругого элемента, m – значениемассыускорителясповеряемым преобразователемичастимассыупругогоэлемента, ω – собственнаячастотасистемы, определяемаямассамиM, m, массой и жесткостью упругого элемента. Установка может воспроизводить ударные ускорения от 100 до 7·103 м/с2 в диапазоне длительностей от 120 до 150 мкс. Среднее квадратическое значение погрешности воспроизведения пикового ударного ускорения около 3%. Документом, определяющимправилаработынаустановках с параметрическим возбуждением, является методика МИ112-76 «Методикаповеркиударныхакселерометров в установках с параметрическим возбуждением».

Электродинамические ударные установки воспроизводят ударные ускорения на торце жесткого цилиндра. Ускорение задается с помощью катушки индуктивности, накоторуюразряжаетсязакороткийпромежутоквремени батарея конденсаторов большой емкости. Поверяемый преобразователькрепитсянаодномторцежесткогоцилиндра, а на втором торце крепится эталонный преобразователь. Поверка производится методом непосредственного сличения. Диапазонвоспроизводимыхударныхускорений натакойустановкеот50 до2000 м/с2, адиапазондлительностей от 0,8 до 8 мс. Среднее квадратическое значение погрешности воспроизведения пикового значения ударного ускорения около 7%. Необходимо отметить, что электродинамический способ воспроизведения в принципепозволяетвоспроизводитьвысокиеуровниударных ускорений (до 106 м/с2), что и реализовано в одной из установок ГЭТ 57-84.

А.А. Янковский

Сейсмометрия – область измерений параметров колебательного движения земной поверхности.

Смежныеобласти: виброметрия– областьизмерений параметровколебательногодвижениятвердоготела; акселерометрия (в части переменных ускорений) область измерения переменных линейных ускорений.

Наблюдениязаземлетрясениямиведутсясдревнейших времен. Исторические описания землетрясений

ссередины 1 тыс. до н. э. даны японцами. Большое внимание сейсмичности уделяли и античные ученые – Аристотель и др. Первые инструментальные наблюдения появились в Китае, где в 132 г. н. э. Чан Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой сосуд

сразмещенным внутри маятником. Расположенные на внешней стороне сосуда головы драконов держали в пастишарики, которыевыпадалиприкачаниимаятника отземлетрясения. Систематическиеинструментальные

наблюдения были начаты во второй половине XIX в. и привеликвыделениюсейсмологиивсамостоятельную науку (Б.Б. Голицын, Э. Вихерт, Б. Гутенберг, А. Мохоровичич, Ф. Омори и др.).

Современные средства измерений параметров сейсмоколебаний преобразуют колебания грунта при землетрясениивэлектрическийсигналваналоговойилицифровойформе. Однакопо-прежнемуосновнымпринципом действияостаетсявоздействиесейсмическогоускорения на инертную массу чувствительного элемента, а основным конструктивным решением является маятник.

Постоянные сейсмические измерения осуществляются сейсмическими сетями различного уровня. В мировой сейсмической сети в настоящее время насчитывается более 2000 стационарных сейсмических станций, данные которых публикуются в сейсмологическихбюллетеняхикаталогах. Кромеэтогопостоянно

проводятсясейсмическиеизмерениянаднеокеановив экспедициях, работающих в самых различных районах Земли. Сейсмические приборы засылались также на Луну, Марс и Венеру.

Актуальностьработпометрологическому обеспечениювсейсмометрииобусловленанеобходимостьюрешениярядаважныхзадач, решениекоторыхвзначительной степени определяет экологическую безопасность, достижения в хозяйственно-экономической деятельности и обороноспособности страны.

Предупреждение и снижение ущерба, вызванного землетрясениями и сопровождающими их разрушительными явлениями (оползнями, обвалами, селями, разжижением грунта) осуществляется различными путями. Первый – прогноз землетрясений. Второй – сейсмическое районирование и оптимальное планиро-

вание застройки сейсмоопасных территорий, создание сейсмостойких зданий и сооружений, организация служб защиты и предупреждения от разрушительных последствий и т. д.

Инженерная сейсмология исследует сейсмические колебаниязданий, сооруженийигрунтов, предсказывает характеристики сейсмичеcкого воздействия от сильных землетрясений. При этом используются результаты измерений относительно интенсивных движений исследуемых объектов.

Задачиэкологическогомониторингатесносмыка-

ются с задачами инженерной сейсмологии. Объектами исследований в данном случае являются сооружения

ирайоны, изменение состояния которых может иметь катастрофические последствия. Такими объектами являются атомные электростанции, высотные плотины, могильники и захоронения жидких и твердых высокоактивныхотходов, разрабатываемыенефтяныеигазовые месторождения.

Сейсмическая разведка полезных ископаемых

являетсяоднимизосновныхинструментовприисследованияхвнутреннегостроенияверхнейчастиземнойкоры

сцелью поиска месторождений полезных ископаемых: нефти, газа, металлических руд, угля. Для этого применяются методы отраженных и преломленных волн, использующие искусственное возбуждение сейсмических колебаний взрывами и специальными механическими вибраторами.

Контрольподземныхядерныхиспытанийявляется проблемой особого оборонного и политического значения. Смоментаначалаиспытанийсейсмическиесистемы использовались в качестве разведывательных средств для получения информации об интенсивности работ по созданию ядерного оружия, мощности зарядов, местах проведенияиспытанийит.п. Послезаключенияв1963 г.

вМосквеДоговораопрекращенииядерныхиспытанийв трехсредахсистемысейсмическогоконтролявыступают

вкачестве единственного, а в дальнейшем – основного метода контроля выполнения договорных обязательств

иобеспечения руководящих государственных органов страныобъективнойинформациейофактахпроведения ядерных взрывов.

Научные проблемы, стоящие перед сейсмологией, связаны с изучением тонких пространственно-времен- ных характеристик сейсмичности и постановкой задач

детальныхисследованийземныхнедр, временныхизмененийсреды, вызванныхизменениямиеенапряженного состояния и деформациями. Все эти задачи требуют применения гораздо более плотного распределения систем сейсмических наблюдений, чем использующиеся в настоящее время, широкой полосы частот и большого динамического диапазона, высокой временной стабильности и линейности средств измерений.

Задачей науки XXI в. является глобальный экологический мониторинг литосферы Земли, проводимый по результатам комплексирования сейсмологических, геофизических и гидрогеохимических данных, получаемых на прогностических полигонах планетарного масштаба.

Происходящая глобализация исследований, их кооперативный международный характер невозможны без обеспечения единства сейсмических измерений. Это ставит новые, более жесткие требования:

–кметрологическойаттестациисейсмопреобразователейи, соответственно, методамисредствамвоспроизведения и передачи размеров единиц параметров сейсмоколебаний, реализованных в эталонных установках;

–к методам и средствам передачи, обработки и интерпретации измерительной информации;

–к метрологической аттестации сейсмических источников – очагов землетрясений, взрывов, вибраторов, а также аттестации пунктов наблюдений

иизлучения сейсмических волн, что в значительной степениопределяетсяуровнемединствасейсмических измерений;

–кизучениюстроениясредыраспространениясейсмическихволн, котораявсвязиспроблемойопределения характеристиксейсмическихисточниковтакжестановится объектом метрологической аттестации.

Таким образом, в один узел связываются проблемы изучения строения и происходящих в недрах Земли процессов, сейсмических источников, средств измерений параметров сейсмоколебаний и методов обработки данных. Необходимымусловиемрешенияпоставленных проблем является обеспечение единства измерений в масштабе, необходимом для успешного решения поставленных задач.

Многообразие задач, при решении которых используютсярезультатысейсмическихизмерений, обусловило наличие значительного многообразия типов рабочих средств измерений, к которым предъявляется широкий спектр требований к точности измерений в основной части диапазонов сейсмических сигналов (ускорения от 10-8 до 10 м/с2, частоты от 10-2 до 200 Гц). Для наиболее ответственных измерений сейсмические системы представляют собой уникальные технические объекты, предназначенные для непрерывных многолетних высокоточных измерений. Требования к инструментальным погрешностямнауровнеединицпроцентовдополняются необходимостью обеспечения указанной точности без прерывания процесса измерений практически втечение всегосрокаэксплуатациивходящихвсоставкомплексов сейсмопреобразователей. Последнеепредъявляетособые требования к методам передачи размеров единиц параметров сейсмоколебаний от эталонов таким средствам измерений.

Государственная поверочная схема

Для основных групп сейсмопреобразователей в поверочной схеме предусмотрена следующая система передачи размеров единиц:

1)Сейсмопреобразователи с внутренними калибраторами, предназначенные для непрерывных, долговременных, высокоточных измерений иустанавливаемые в труднодоступных местах.

Поверка этой группы средств измерений осуществляется в два этапа. Первый этап – метрологическая аттестация методики определения метрологических характеристик приборов с использованием внутреннего калибратора(генераторнымметодом) впроцессеиспытания типа приборов и после их выпуска из производства.

Впроцессе этой операции непосредственно на Государственном эталоне с высокой точностью определяются метрологические характеристики калибратора – передаточнаяхарактеристика, погрешности, долговременная стабильность. Последняя обычно обеспечивается в процессе создания приборов и является условием дальнейшего применения методики.

Второй этап – периодическая аттестация приборов без их демонтажа, непосредственно в месте эксплуатации методом косвенных измерений с использованием прецизионных средств воспроизведения и измерения электрических сигналов.

Разработанный метод позволяет сочетать высокую точность, обеспечиваемую Государственным эталоном, с экономической эффективностью. В процессе поверочных работ прибор остается на месте его эксплуатации и продолжает участвовать в процессе измерений. Таким образом исключается необходимость дублирования высокоточных измерительных комплексов национальных сейсмических сетей, ведущих непрерывные измерения, не требуется доставка сейсмопреобразователей в органы метрологической службы (извлечение скважинных блоков, транспортировка и т. д.), в процессе поверки используется стандартная измерительная аппаратура (генераторы электрических сигналов, вольтметры).

2)Сейсмопреобразователи повышенной точности Поверка этих преобразователей осуществляется ме-

тодом прямых измерений непосредственно с помощью

Государственного эталона. Количество применяемых в народном хозяйстве приборов такой точности ограничено, поэтому выбор подобного решения экономически оправдан.

3) Сейсмопреобразователисреднейинизкойточности Это наиболее значительная группа применяемых рабочих средств измерений. Для обеспечения экономическойэффективностифункционированиянациональной системы метрологического обеспечения и аналогичных систем стран СНГ для передачи размера единиц разработаныивнедренырабочиеэталоны(сейсмопреобразо-

ватели и сейсмометрические установки).

Методы и средства воспроизведения и передачи размеров единиц

Метрологическое обеспечение сейсмопреобразователей на уровне, соответствующем требованию поставленных выше задач, привело к необходимости создания установок, значительно превосходящих установки для воспроизведения параметров колебательного движения

ввиброметрии по:

–диапазонамвоспроизводимыхпараметроввобласти малых и сверхмалых значений;

–точности воспроизведения параметров сейсмоколебаний;

–допустимой массе исследуемых приборов. Воспроизведение и передачу размеров единиц в

сейсмометрии по сравнению с виброметрией и акселерометрией осложняют два фактора:

–естественный и техногенный сейсмический шум, на фоне которого проводятся все измерения, носит характер воспроизводимого сигнала. Для значительного числа задач полезные сигналы находятся ниже уровня естественной сейсмики;

–поле силы тяжести, действующее на гравиинерциальные сейсмические приборы. Постоянное ускорение свободногопаденияпревышаетамплитудыминимальных сейсмическихсигналовболеечемв109 раз. Переменные проекции ускорения свободного падения, обусловленные угловыми перемещениями СИ в рабочем диапазоне частот, должны быть пренебрежимы по сравнению с амплитудами воспроизводимых сигналов.

А.А. Янковский

Принцип действия

Для воспроизведения низкочастотных и инфранизкочастотных линейных перемещений, скоростей и ускорений в установках эталона используются три основных метода:

3. Метод угловых колебаний платформы в гравитационном поле Земли.

Последний метод также используется для воспроизведения единицы плоского угла – гармонических наклонов.

При реализации метода динамического гравитаци-

щающегося относительно неподвижного исследуемого средства измерений (ИСИ).

ИГПявляетсяметаллическийшар, имеющийсферическую полость (см. рис.1).

Известно, что в сферической полости, расположенной внутри однородного шара, существует однородное плоскоегравитационноеполеускоренияar, описываемое выражением:

ar =4/3·π·G·ρ·Rr,

где G –гравитационная постоянная; ρ –плотность материала шара; Rr-вектор, соединяющий центры шара и полости.

Воздействие, создаваемоеИГПнаисследуемоесредство измерения, позволяет передать ему ускорение a0:

a0 = (ar ·nr),

гдеnr– единичныйвекторвнаправленииизмерительной оси исследуемого средства измерений.

Равномерное вращение шара с частотой f позволяет осуществить передачу гармонического ускорения а:

а = a0 ·cos2·π·f·t.

Вращение ИГП осуществляется с помощью ротационной платформы, приводящейся в движение электродвигателем по командам системы управления.

Съемиобработкаизмерительнойинформации, атакжерасчетметрологическиххарактеристикисследуемого СИосуществляютсяспомощьюизмерительнойсистемы.

Амплитудавоспроизводимогоускоренияопределяется расчетным путем на основе параметров ИГП. Частота воспроизводимого ускорения определяется частотой вращения ИГП.

При реализации метода линейно перемещающейся платформы обеспечивается свободное прямолинейное перемещение L(t) подвижной части с рабочей платформой установки в горизонтальной или вертикальной плоскости

L(t) = L0 sin(2π Ft) ,

где L0 – амплитуда перемещения, F – частота колебаний, t – время. При этом на рабочей платформе воспроизводятся линейное гармоническое перемещение X(t), линейное гармоническая скорость V(t) и линейное гармоническое ускорение A(t) с амплитудами

X0 = L0 ,

V0 = 2π FL0 ,

A0 = 4π 2 F 2 L0.

Номинальные значения частоты F и амплитуды колебательного движения рабочей платформы L0 устанавливаются с помощью системы управления движением

Рис. 1. Структурная схема установки, реализующей метод динамического гравитационного поля.

БУ – блок управления; ЗГ – задающий генератор;

ИГП – источник гравитационного поля; ИС – измерительная система; ИСИ – исследуемое средство измерений; ОСИ – опорное средство измерений; РП – ротационная платформа; ЭД – электродвигатель

платформы. Фактическое значение амплитуды колебательного движения рабочей платформы L0 измеряется с помощью входящих в состав установки соответствующих средств измерений. На основе этих измерений по вышеуказаннымформуламрассчитываютсяфактические значения воспроизводимых параметров движения.

При реализации метода угловых колебаний платформы в гравитационном поле Земли обеспечивается свободное перемещение рабочей платформы по дуге окружности в вертикальной плоскости. Радиус траектории базовой плоскости рабочей платформы R (для установки эталона R ≈ 10 м) является константой установки и определяется в процессе изготовления поворотной опоры. При движении по криволинейной траектории рабочая платформа совершает линейные колебания L(t)

L(t) = L0 sin(2π Ft) ,

где L0<<R – амплитуда перемещения, F – частота колебаний, t – время. При этом на рабочей платформе воспроизводятся гармонические угловые колебания ϕ (t) с амплитудой

ϕ0 = L0

R

и линейное гармоническое ускорение A(t) с амплитудой

A0 = gLR0 − 4π 2 F 2 L0 ,

где g – ускорение силы тяжести в месте размещения установки, определяемое по международной формуле для нормального значения g

g = 9.780318(1+ 0.0053024sin2ψ − 0.0000059sin2 2ψ ) −

− 3.086 ×10−6 hψ

где широта места расположения установки, h – высота места расположения установки над уровнем моря (м).

Линейное гармоническое ускорение A(t) является основной воспроизводимой величиной при реализации этого метода. Амплитуды линейного гармонического перемещения X(t) и линейной гармонической скорости V(t) рассчитываются по формулам

Рис. 4. Эталонная установка УСГ-Г

ВсоставГЭТ159-2011 входятследующиеустановки:

–установка эталонная сейсмометрическая УСГ-3М, реализующая воспроизведение единиц длины, скорости и ускорениявгоризонтальномнаправленииивоспроизведениеединицыплоскогоугламетодаминаклонасредствизмеренийвгравитационномполеЗемлииметодомлинейного перемещения вгоризонтальнойплоскости(рис. 2);

–установка эталонная сейсмометрическая УСВ-2, реализующая воспроизведение единиц длины, скорости и ускорения в вертикальном направлении методом линейного перемещения по вертикали (рис. 3);

–установка эталонная сейсмометрическая УСГ-Г с сейсмопреобразователем, используемымвкачествекомпаратора, реализующаявоспроизведениеединицдлины, скорости и ускорения в горизонтальном направлении методом динамического гравитационного поля (рис. 4).

Метрологические и технические характеристики

ГЭТ 159-2011 обеспечивает:

–воспроизведение единицы длины (амплитуды линейного перемещения) в диапазоне от 5·10-7 до 1·10-2 м

идиапазоне частот от 0,001 до 30 Гц;

–воспроизведение единицы скорости (амплитуды линейной скорости) в диапазоне от 1·10-7 до 1 м/с и диапазоне частот от 0,001 до 30 Гц;

–воспроизведение единицы ускорения (амплитуды линейного ускорения) в диапазоне от 5·10-9 до 10 м/с2 и диапазоне частот от 0,001 до 30 Гц;

–воспроизведение единицы плоского угла (амплитуды углового перемещения) в диапазоне от 2,5·10-10 до 1·10-3 рад и диапазоне частот от 0,001 до 0,2 Гц.

Эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений S 0,1–0,2%. Неисключенная систематическая погрешностьΘсоставляетпривоспроизведенииединиц длины, скорости и ускорения 0,2–10%, при воспроизведении единицы плоского угла 0,2–4%.

Назначение и область применения

Эталон ГЭТ 159-2011 предназначен для воспроизведения, хранения ипередачи единицснаивысшей точностью, рабочих эталонов рабочим средствам измерений, применяемыхвэкономикеРФ. Эталонвозглавляетгосударственную поверочную схему для средств измерений сейсмоперемещения, сейсмоскоростиисейсмоускорения согласно ГОСТ 8.562-97.

Основные результаты, уникальность и преимущество

В период 2011 г. во ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» был завершен этап усовершенствования государственногопервичногоэталонединицсейсмоперемещения, сейсмоскорости исейсмоускорения ГЭТ159-97.

Были существенно расширены амплитудный и частотныйдиапазоны, повышенаточностьвоспроизведения сверхмалых значений параметров сейсмоколебаний, расширена функциональность эталона за счет воспроизведения единицы плоского угла.

Международное сотрудничество. Сличения

ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» постоянно осуществляет контакт с ведущими метрологическими и научными организациями мира.

Начинаяс2014 г. эталонучаствуетвмеждународных ключевыхсличениях. Летом2015 г. проведеныизмерения по плану ключевых сличений в области низкочастотной вибрации CCAUV.V-K3.