Использование ВС-321 для поверки акселерометров, микрофонов, виброметров и шумомеров

Автоматизация процедуры поверки – один из ключевых вопросов для повышения эффективности и удобства работы поверителя. Широкое применение вычислительной техники, реализующей автоматические процедуры поверки, обеспечивает точность измерений, позволяет избежать негативного влияния «человеческого фактора» и сократить время измерений.

К сожалению, практически все автоматизированные системы поверки и калибровки производятся за рубежом и имеют достаточно высокую стоимость, что обуславливает их труднодоступность.

Предлагаемое решение — система измерительная виброакустическая ВС-321 является рабочим эталоном по ГОСТ Р 8.765-2011 [1] и рабочим эталоном 2 разряда по ГОСТ Р 8.800-2012 [2] и реализует в автоматизированном режиме поверку:

• виброметров и вибропреобразователей;
• шумомеров, микрофонов измерительных и капсюлей микрофонных.

Основные характеристики:

• диапазон рабочих частот - от 0,5 до 12600 Гц при поверке датчиков вибрации и от 20 Гц до 20 кГц при поверке микрофонов,
• диапазон воспроизведения виброускорения - от 1,0·10-1 до 5,5·102 м/с2,
• максимальный измеряемый уровень звукового давления – 140 дБ,
• максимальные допустимые погрешности измерений и поддержания частоты - ± 5·10-5.

Как видно, по характеристикам система не уступает зарубежным аналогам, однако стоит существенно дешевле и адаптирована к нашим условиям использования и российским стандартам.

ВС-321 включает в себя две подсистемы:

• подсистема для поверки вибропреобразователей,
• подсистема для поверки измерительных микрофонов и шумомеров.

В состав подсистемы для поверки вибропреобразователей входят:

• эталонный вибропреобразователь,
• вибростенд с усилителем мощности,
• комплект крепежных приспособлений для крепления различных вибропреобразователей.

Для поверки акустического оборудования поставляются:

• эталонный микрофон,
• акустический калибратор,
• актюатор с блоком питания,
• камера малого объема (КМО).

Программные модули, используемые для проведения измерений, предоставляют возможность пошагового проведения поверки, каждый шаг соответствует одному или нескольким пунктам ГОСТ, шаги могут выполняться в произвольном порядке. По завершению шага данные измерений автоматически сохраняются. В ходе работы программа отображает значения, снятые с датчиков, осциллограф, прогресс завершения каждого шага. По завершении поверки автоматически создается отчет на основе заданного пользователем шаблона.

Рассмотрим проведение поверок более подробно.

Поверка вибропреобразователей производится методом сравнения с эталоном. Для этого на стенде с помощью специальной шпильки закрепляется эталонный датчик, а сверху на него крепится поверяемый преобразователь. В диапазоне свыше 10 кГц применяется компенсационный метод с использованием дополнительного эталонного вибропреобразователя. Для случая, когда закрепить датчики подобным образом не представляется возможным, в наборе креплений есть оснастка, позволяющая установить оба преобразователя на жестко закрепленной к столу вибростенда горизонтальной поверхности.

Программное обеспечение Visprobe SL реализует как периодическую, так и первичную поверки вибропреобразователей в соответствии с ГОСТ Р 8.669-2009 [3].

Процедура периодической поверки состоит из двух шагов: измерения коэффициента преобразования, проводимого на базовой частоте и измерения неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

При измерении коэффициента преобразования ВС-321 автоматически устанавливает и поддерживает заданное значение виброускорения – чаще всего 10 м/с2 - на базовой частоте. Значение виброускорения контролируется по эталонному датчику. После установки на вибростенде базового значения виброускорения система автоматически производит измерения значений на выходах эталонного и поверяемого датчиков, а затем методом сравнения вычисляется коэффициент преобразования.

При измерении АЧХ система производит автоматизированную серию измерений на частотах третьоктавного ряда в частотном диапазоне. На каждой октавной частоте происходит процесс автоматизированной подстройки виброускорения – базовой амплитуды или максимально допустимой для стенда амплитуды. Затем, после завершения подстройки, система измеряет уровни, приходящие с датчиков, и методом сравнения определяется коэффициент передачи.

ВС-321 имеет встроенную систему безопасности, которая автоматически подбирает устанавливаемое значение виброускорения в соответствии с возможностями стенда, что полностью исключает возможность повреждения дорогостоящего оборудования.

Необходимо отметить, что при определении АЧХ вибропреобразователя делается поправка на АЧХ эталонного датчика.

При проведении первичной поверки к первому шагу добавляется измерение нелинейности амплитудной характеристики: на базовой частоте последовательно подстраивается ряд амплитуд, на каждой из амплитуд производится ряд измерений значений выходов датчиков, производится осреднение, и методом сравнения определяется коэффициент передачи для каждой из амплитуд. Затем рассчитывается нелинейность амплитудной характеристики.

Также появляется третий шаг поверки – измерение относительного коэффициента поперечного преобразования. Необходимо отметить, что при проведении первичной поверки переход между измерением коэффициента преобразования на базовой частоте и измерением нелинейности амплитудной характеристики происходит автоматически, что позволяет значительно увеличить экономию времени.

Для поверки микрофонов система предоставляет два варианта:

• Использование калибратора для определения чувствительности микрофона на базовой частоте и актюатора для определения частотной характеристики;
• Использование камеры малого объема, с помощью которой определяются оба параметра.

В обоих случаях процедура поверки состоит из двух шагов.

В первом случае для измерения коэффициента преобразования микрофона необходимо сначала измерить уровень звукового давления калибратора с помощью эталонного микрофона, затем с помощью поверяемого.

На втором шаге поверки измеряется неравномерность ЧХ микрофона с помощью актюатора. Необходимо отметить, что актюатор, входящий в состав ВС-321, существенно отличается от аналогов: микрофон в нем фиксируется горизонтально, расстояние между пластиной актюатора и мембраной капсюля устанавливается с помощью механического регулятора, что позволяет с высокой точностью регулировать зазор, полностью исключая возможность касания актюатора и мембраны.

Во втором случае оба микрофона устанавливаются в камеру малого объема ВС-323. Камера имеет сложную внутреннюю структуру, которая позволяет создать однородные условия испытания, что очень важно для достижения требуемой точности и повторяемости измерений. КМО позволяет поверять микрофоны диаметром ½ дюйма. Источником звука является высококачественный возбудитель акустических колебаний, специально подобранный таким образом, чтобы добиться очень малых акустических искажений при максимально широком частотном и динамическом диапазонах.

Оба шага – измерение коэффициента и АЧХ производятся без перестановок микрофонов.

Специально разработанные алгоритмы модуля акустических измерений делают возможным проведение поверки микрофонов в практически любом помещении. Одним из таких алгоритмов является отсечение шумовых значений – если в ходе измерения измеряется значение, отличающееся от среднего более чем на заданный процент, то измерения на данной частоте автоматически начинаются с начала. Результаты предыдущих измерений при этом сохраняются. Кроме поверки вибропреобразователей и микрофонов ВС-321 позволяет автоматизировать такие трудоемкие процессы, как поверка шумомеров и виброметров.

Поверка шумомеров, разработанных в соответствии с требованиями ГОСТ 17187-81 [4], проводится в соответствии с ГОСТ 8.257-84 [5], а поверка шумомеров, разработанных в соответствии с требованиями ГОСТ 17187-2010 [6], осуществляется по ГОСТ 53188.3-2010 [7]. Перед началом поверки необходимо специфицировать нормативный документ, согласно которому необходимо провести процедуру, класс и частотный диапазон, а также частотные характеристики (A/B/C/D/Лин) и диапазоны измерений шумомера.

Далее программа предложит пройти ряд шагов в соответствии с выбранным нормативным документом: определение погрешности измерений, измерение неравномерности АЧХ, измерение ошибки переключения, измерение нелинейности амплитудной характеристики, определение отклика на радиоимпульс или временных характеристик F, S, I, Пик.

При разработке модуля поверки шумомеров учитывались рекомендации сотрудников ФГБУ “ГНМЦ” Минобороны России. Например, была введена возможность выбора шага измерения амплитудной характеристики, что позволяет значительно сократить время поверки.

С помощью ВС-321 можно производить как поэлементную, так и комплектную поверку виброметров.

В случае поэлементной поверки датчики, входящие в комплект виброметра, поверяются с помощью программного модуля «поверка вибропреобразователей», при этом запоминается их АЧХ и коэффициент преобразования. Затем определяются характеристики виброметра. Как уже говорилось выше, ВС-321 имеет встроенную систему безопасности, которая автоматически подбирает устанавливаемое значение виброускорения в соответствии с возможностями стенда, что полностью исключает возможность повреждения дорогостоящего оборудования.

В случае, если нет возможности отсоединить датчик, можно провести комплектную поверку виброметра – в данном случае измеряется не только АЧХ, но и амплитудная характеристика виброметра в комплекте с вибропреобразователями.

После завершения любой поверки автоматически составляется протокол, в основе которого лежит шаблон, который легко редактируется и приводится к необходимому виду. В отчет обязательно включаются данные о параметрах окружающей среды, частотном и амплитудном диапазонах, используемых эталонах.

Таким образом, в процессе автоматизации процедур поверки на ВС-321 выполняются следующие операции:

• автоматический учет действительных значений коэффициентов преобразования эталонных вибропреобразователя и микрофона во всем диапазоне частот при расчете чувствительностей поверяемых (градуируемых) вибропреобразователя или микрофона;
• автоматическая перестройка по частоте и уровню при поверке измерительных блоков шумомеров и виброметров;
• реализация статистических методов обработки результатов измерений (усреднение результатов измерений коэффициента преобразования, вычисление среднеквадратического отклонения результатов измерений в качестве критерия достаточности выборки результатов наблюдений и пр.);
• автоматическое отсечение шумовых составляющих;
• автоматическое составление протоколов поверки.

Реализация таких операций приводит не только к увеличению достоверности результатов поверки, но и к существенному сокращению времени поверки, а, следовательно, повышает оперативность поверочных работ и снижает трудоемкость их выполнения. Для сравнения в таблице 1 приведены максимально допустимый норматив трудоемкости на основании приказ Ростехрегулирования от 29.01.2010 N 2000 [8] и ориентировочное максимальное время автоматизированной поверки наиболее распространенных средств измерений виброакустических величин.

Как видно из таблицы, поверка на ВС-321 наиболее распространенных средств измерений виброакустических величин сокращает трудоемкость почти в 3 раза.

Необходимо отметить, что система ВС-321 – полностью отечественная разработка. Система разработана и производится в Смоленске, все составные части системы – например, эталонные вибропреобразователь и микрофон - производятся в России – в г. Саров и г. Таганрог.

Система измерительная виброакустическая входит в Реестр СИ под № 63090-16.

Система ВС-321 успешно эксплуатируется с 2015 года в ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России, центрах метрологии МО РФ в Севастополе и Североморске и на предприятиях ВПК (например, АО «ПО Стрела», г. Оренбург).

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р 8.765-2011 «Государственная поверочная схема для средств измерений звукового давления в воздушной среде в диапазоне частот от 2 Гц до100 кГц»

2. ГОСТ Р 8.800-2012 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений виброперемещения, виброскорости и виброускорения в диапазоне частот от 1∙10-1 до 2∙104 Гц»

3. ГОСТ Р 8.669-2009 «ГСИ. Виброметры с пьезоэлектрическими, индукционными и вихретоковыми вибропреобразователями. Методика поверки».

4. ГОСТ 17187-81 «Шумомеры. Общие технические требования и методы испытания».

5. ГОСТ 8.257-84 «ГСИ. Шумомеры. Методика поверки».

6. ГОСТ 17187-2010 «Шумомеры. Общие технические требования и методы испытания»

7. ГОСТ 53188.3-2010 «ГСИ. Шумомеры. Методика поверки».

8. Приказ Ростехрегулирования от 29.01.2010 N 200 “О реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 22 декабря 2009 г. N 1057 “О порядке оплаты работ и (или) услуг по обеспечению единства измерений по регулируемым ценам” в отношении находящихся в ведении Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии государственных региональных центров метрологии”