Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Том 74, № 3 (2025)
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИИ
Проблема выбора новых определений терминов «величина», «значение величины», «единица» в российской и международной метрологии
Аннотация
Определения ключевых метрологических терминов таких как величина, значение величины, единица (единица величины, единица измерения) пересматриваются в рамках работы над четвёртой редакцией Международного словаря по метрологии (International Vocabulary of Metrology, VIM) соответствующей рабочей группой Международного бюро мер и весов, а также специально созданной рабочей группой Консультативного комитета по единицам. Российские эксперты принимают участие в этой работе. Однако определения вышеуказанных терминов в российском законодательстве существенно отличаются от приведённых в Международном словаре по метрологии. Цель настоящей работы – исследовать причины расхождения определений, выявить преимущества и недостатки различных формулировок. Показана опасность сужения и смещения смысла терминов в метрологии относительно аналогичных терминов в других науках, таких как физика и химия. Существенное внимание уделено влиянию формальных требований на эволюцию определений ключевых метрологических терминов.В работе проанализирована эволюция определений обсуждаемых терминов на русском языке, начиная с ГОСТ 16263-70 «ГСОЕИ. Метрология. Термины и определения», на основе которого развивалась система определений в русскоязычной метрологии, и заканчивая современными формулировками. Показано, что современные русскоязычные определения существенно отличаются от международных определений, приведённых в третьей версии Международного словаря по метрологии. Для выяснения причин этого отличия исследованы механизмы выработки новых определений в международных документах. Обсуждаются требования однозначности терминов, машинной читаемости, принципа подстановки, операциональности и другие, одновременно предъявляемые к новой системе определений. Показаны некоторые негативные последствия формального применения правил построения терминологии, вызывающие недовольство у широкого круга пользователей. В заключении статьи проанализированы возможные пути развития системы терминов, один из которых связан с пересмотром формальных требований, выдвигаемых к определениям метрологических терминов, а также со смещением фокуса внимания на уточнение целей документа и конечного пользователя данных определений. Сделан вывод о необходимости сохранения традиционных определений в российской метрологии до окончания поиска новой концепции выработки определений ключевых метрологических терминов, которые будут приняты всем метрологическим сообществом.
Измерительная техника. 2025;74(3):4-14
4-14
ЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Сравнение методов оценивания фрактальной размерности микропрофилей шероховатости поверхности
Аннотация
Дан краткий обзор новых подходов к характеризации качества поверхности изделий металлообработки. Эти подходы основаны на математических процедурах, связанных с большим объёмом вычислений, в том числе на фрактальных методах. Проведён сравнительный анализ расчётных методов оценивания фрактальной размерности микропрофилей шероховатости поверхностей детали из стального сплава, полученной в результате электроэрозионной обработки. Структурно-функциональным методом на основе броуновского движения сформированы микропрофили с заданной фрактальной размерностью. Фрактальная размерность рассчитана двумя анализируемыми методами – спектральным и методом построения функции «площадь – масштаб», и сравнена с заданным значением. Оценена точность расчётных значений. Установлено, что при оценивании фрактальной размерности во всём диапазоне частот спектра мощности сигнала можно применять спектральный метод, но погрешность определения фрактальной размерности будет больше, чем при использовании метода построения функции «площадь – масштаб». Кроме того, при оценивании фрактальной размерности шероховатости профиля поверхности материала спектральным методом требуется дополнительная фильтрация, сглаживание и центрирование с применением весовых окон, что приводит к усечению сигнала. Усечение искажает высокочастотные компоненты сигнала и занижает фрактальную размерность. Установлено, что оценка фрактальной размерности реальных микропрофилей поверхностей методом построения функции «площадь – масштаб» корректнее оценки этой величины с использованием спектрального метода. Поэтому для определения фрактальной размерности микропрофилей поверхностей рекомендовано использовать метод построения функции «площадь –масштаб». Полученные результаты будут полезны при обработке измерительной информации в соответствии с современными стандартами в области геометрических характеристик поверхностей, в том числе при разработке программного обеспечения для средств измерений шероховатости.
Измерительная техника. 2025;74(3):15-22
15-22
Актуализация методики измерений диаметра ствола деревьев на основе робастного проектирования
Аннотация
Рассмотрено развитие урбанизированных территорий в части управления зелёным фондом города. Эффективность управления зелёным фондом зависит от достоверности измерительной информации о дендрометрических параметрах деревьев, к которым относится диаметр ствола дерева. В нормативных правовых актах муниципального образования по созданию, содержанию и охране зелёных насаждений установлены требования к точности измерений диаметра ствола дерева. Проанализированы современные методы и средства измерений диаметра ствола дерева, применяемые при мониторинге и инвентаризации зелёных насаждений города. Существующие методики измерений являются малоэффективными ввиду большого разнообразия древесных пород (в том числе уникальных) и необходимости учёта влияния множества факторов на ход роста каждого дерева. Рассмотрены преимущества использования мобильного лазерного сканера при измерении диаметра ствола дерева по его трёхмерной измерительной модели. Описаны основные источники погрешности измерений диаметра ствола дерева в зелёных насаждениях города с применением лазерного сканера Zeb-Horizon. Для актуализации методики измерений диаметра ствола дерева мобильным лазерным сканером Zeb-Horizon при инвентаризации зелёных насаждений предложено применять робастное проектирование. С целью обобщения и графической интерпретации причинно-следственных связей между источниками погрешности построена диаграмма Исикавы. С помощью диаграммы Исикавы выявлены источники, влияние которых на погрешность измерений диаметра ствола дерева необходимо оценить в ходе эксперимента: «Тип трека»; «Расстояние между двумя смежными проходами»; «Сходимость»; «Устойчивость». Приведены результаты робастного проектирования при актуализации методики измерений диаметра ствола дерева с использованием лазерного сканера Zeb-Horizon. Сформулированы оптимальные условия геодезической съёмки территории зелёных насаждений города: тип трека – «Дорожно-тропиночная сеть» или «Сужающаяся спираль»; расстояние между двумя смежными проходами 4–20 м; максимальное значение параметра «Сходимость» при обработке первичных данных с использованием специализированного программного обеспечения 4–5 ед.; значение параметра «Устойчивость» исходя из информации о наличии подлеска и кустарниковой растительности на территории 0–5 ед. В проекте методики измерений сформулированы процедуры подготовки и выполнения измерений диаметра ствола дерева при инвентаризации зелёных насаждений.
Измерительная техника. 2025;74(3):23-32
23-32
ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ
Циклы взвешивания и дрейф показаний высокоточных весов
Аннотация
Рассмотрено понятие цикла взвешивания, необходимого для исключения дрейфа показаний весов из результата взвешивания, при этом дрейф показаний весов считается линейным. Установлено, что отклонение реального дрейфа показаний весов от линейности может приводить к заметной методической погрешности результата измерений. Отмечено, что достигнутая в настоящее время точность взвешиваний первичных эталонов массы и их копий, а также точность ватт-весов уже не позволяют считать дрейф показаний весов линейным. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие заметные отклонения дрейфа показаний весов от линейности. При вычислении разности сравниваемых масс по линейной и нелинейной моделям дрейфа расхождения могут составлять около 10 мкг, что по крайней мере на один-два порядка превышает стандартное отклонение результата измерений. Выведены формулы для расчёта результата измерений разности масс сравниваемых гирь, справедливые не только для линейного, но и для нелинейного дрейфа показаний. С целью распространения в метрологической практике концепции циклов взвешивания на случай нелинейного дрейфа показаний весов разработаны циклы взвешивания из пяти и шести простых взвешиваний сравниваемых гирь, позволяющие исключить влияние нелинейного дрейфа. Данные циклы исследованы методом математического моделирования и проверены экспериментально по результатам взвешиваний на вакуумном компараторе СCL1007 из состава Государственного первичного эталона единицы массы – килограмма ГЭТ 3-2020. Полученные результаты будут полезны специалистам при научных исследованиях в области метрологического обеспечения измерений массы.
Измерительная техника. 2025;74(3):33-39
33-39
ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Повышение быстродействия измерений мощности лазерного излучения калориметрическими преобразователями: применение алгоритмов экстраполяции сигналов
Аннотация
Для метрологического обеспечения измерений средней мощности лазерного излучения широко используются эталонные и рабочие средства измерений на основе калориметрических преобразователей (калориметров) оптического излучения в электрический сигнал. Такие преобразователи позволяют с высокой точностью в широком спектральном диапазоне воспроизводить единицу мощности оптического излучения, а также проводить рутинные измерения этого параметра. Однако характерная для калориметров высокая инерционность переходных процессов сильно увеличивает общее время измерений и критична, например, при измерении параметров высокоинтенсивного излучения. На примере калориметрического преобразователя ПМТ-25-50 (разработка Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений) рассмотрены факторы, влияющие на быстродействие калориметров. Описан способ уменьшения постоянной времени калориметра путём оптимизации конструкции термоэлемента, входящего в состав калориметра. Однако не всегда целесообразно повышать быстродействие за счёт оптимизации конструкции преобразователя. Для получения быстрой асимптотической оценки измеряемой мощности использованы математические методы обработки сигнала калориметра. Данные методы опробованы на калориметрических преобразователях мощности лазерного излучения ПМТ-25-50 и ПМТ-45-10К (разработка Всероссийского научно-исследовательского института оптикофизических измерений). Представлены результаты исследования метрологических характеристик преобразователя ПМТ-25-50 и его временны́ е характеристики до и после применения упомянутых методов обработки сигнала. Использование предложенных методов обработки сигнала позволило в 3–4 раза сократить время измерений. Полученные результаты актуальны в метрологии высокоинтенсивного лазерного излучения, например, для контроля параметров излучения промышленных лазеров и лазерного медицинского оборудования.
Измерительная техника. 2025;74(3):40-48
40-48
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Методы определения массы грузов в движении с использованием однокомпонентного тензометрического динамометра
Аннотация
Рассмотрены вопросы повышения точности определения массы грузов в движении. Массу грузов в движении рассчитывают по результатам измерений нестационарной силы с помощью однокомпонентных тензометрических динамометров. Показано, что существующие методы динамического взвешивания обеспечивают измерение нестационарной силы с погрешностью более 10 %. Высокая погрешность измерений силы обусловлена тем, что с увеличением скорости перемещения груза точность измерений динамических нагрузок сильнее зависит от динамических характеристик однокомпонентных тензометрических динамометров. Для повышения точности определения массы требуется разработать новые методы измерения силы, которые устраняют систематическую погрешность, обусловленную собственной динамикой динамометра. Разработаны два метода определения массы груза, движущегося с высокой скоростью по платформе однокомпонентного тензодинамометра. Масса грузов определена в широком диапазоне частот динамометра, включая собственную частоту. Для применения первого метода требуются показания динамометра в окрестности заданного момента времени для вычисления первой и второй производных показаний динамометра по времени и его динамические коэффициенты, полученные в лабораторных условиях. Для применения второго метода необходимо предварительно найти собственную частоту колебаний динамометра с платформой, а затем частоту колебаний платформы с движущимся грузом. Далее полученную при реализации первого или второго метода измерительную информацию используют для расчёта массы груза. Средняя погрешность определения массы первым методом составила 2,8 %, вторым методом – 4,1 %. При больших скоростях перемещения груза погрешность определения массы обоими методами составила около 6 %. Методика определения массы движущегося груза двумя предложенными методами будет полезна при создании весоизмерительных систем, используемых в различных отраслях промышленности, торговли, сельского хозяйства и др.
Измерительная техника. 2025;74(3):49-58
49-58
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Экспресс-метод определения тепловых свойств материалов с использованием двухслойной системы «образец – эталон»
Аннотация
Рассмотрено определение тепловых свойств образцов различных материалов по результатам измерений температуры эталонного тела (эталона). Существующий метод определения тепловых свойств образца в системе трёх контактирующих тел «эталон – образец – эталон» (в трёхслойной системе) включает сложные расчётные формулы и трудоёмкие методики выполнения эксперимента. Поэтому данный метод необходимо упростить. Теоретически обоснован экспресс-метод определения тепловых свойств (теплои температуропроводности) материалов с использованием двухслойной системы «образец – эталон». При больших числах Фурье температура эталона зависит от одного входного параметра, который определяется отношением безразмерной теплопроводности к безразмерной температуропроводности. Если в качестве независимой переменной принять указанный выше параметр, то временна́я зависимость температуры эталона в выбранной точке содержит прямолинейный участок, который позволяет оперативно найти хорошее приближение для коэффициентов, входящих в математическую модель процесса переноса тепловой энергии в двухслойной системе. Для данной системы получено точное решение задачи теплообмена при нагреве постоянным тепловым потоком и построен алгоритм решения обратной задачи: определения теплои температуропроводности исследуемого образца по результатам измерений температуры эталона. Эффективность алгоритма показана на конкретном примере. Результаты расчётов с найденными коэффициентами согласуются с экспериментальными данными во всём диапазоне изменения числа Фурье. Предложенный метод может быть реализован в теплофизическом приборостроении.
Измерительная техника. 2025;74(3):59-66
59-66
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод кодирования голосового источника речи со сжатием данных на основе модели линейного предсказания
Аннотация
В рамках динамично развивающегося направления исследований в области акустических измерений рассмотрена задача кодирования голоса диктора со сжатием данных на основе модели линейного предсказания. С использованием критерия минимума средней мощности голосового источника в процессе речеобразования задача сведена к кодированию в режиме реального времени сигнала ошибки линейного предсказания. Разработан новый метод голосового кодирования: с клиппированием ошибки линейного предсказания, который не связан с многозатратными в вычислительном отношении процедурами измерений начальной фазы и частоты основного тона речевого сигнала. Рассмотрен пример его технической реализации в режиме мягкого реального времени. Поставлен и проведен натурный эксперимент, в ходе которого исследовалась эффективность разработанного метода в сопоставлении с эффективностью его наиболее известного из аналогов: метода дискретного косинусного преобразования. Показано, что за счет ослабления артефактов сжатия данных в восстановленном речевом сигнале предложенный метод характеризуется выигрышем в полтора-два раза по точности кодирования голосового источника и при этом не требует детектирования гласных звуков речи и пауз в речевом сигнале. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых и модернизации существующих систем и алгоритмов в области автоматической обработки и синтеза речи, мобильной речевой связи, искусственного интеллекта и других приложений речевых технологий со сжатием данных на основе модели линейного предсказания.
Измерительная техника. 2025;74(3):67-78
67-78
Определение фазочастотной характеристики гидрофона при периодических калибровках
Аннотация
Фазовая калибровка гидрофона по сравнению с традиционной амплитудной калибровкой достаточно трудоёмкая и в значительно меньшей степени отработана методически, в силу чего результаты фазовой калибровки зависят от искусства экспериментатора. Предложен расчётный метод определения фазочастотной характеристики гидрофона, позволяющий уменьшить трудоёмкость периодических калибровок. На основе экспериментально подтверждённой применимости к гидрофону концепции минимально-фазовой системы калибруемый гидрофон представляют моделью в виде звена опережения и минимально-фазового четырёхполюсника. По результатам первичной калибровки определяют эквивалентный радиус гидрофона. При периодических калибровках исключают фазовые измерения и определяют амплитудно-частотную характеристику чувствительности, по которой с использованием преобразования Гильберта вычисляют минимальную фазочастотную характеристику гидрофона. Фазочастотную характеристику чувствительности гидрофона получают как сумму минимальной фазочастотной характеристики и частотной зависимости набега фазы звуковой волны при её распространении в воде на расстояние, равное эквивалентному радиусу гидрофона. Описан эксперимент по определению эквивалентного радиуса гидрофона при первичной калибровке. Применение предложенного расчётного метода многократно сокращает трудоёмкость периодической поверки, уменьшает загрузку и сберегает ресурс первичного эталона, поскольку отпадает необходимость задействовать его при периодических калибровках..
Измерительная техника. 2025;74(3):79-83
79-83
МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Метод автоматизированного распознавания цвета глобул на дерматоскопических изображениях новообразований кожи
Аннотация
Современные компьютерные системы диагностики кожных новообразований в основном ориентированы на выдачу рекомендаций пациентам, но применение таких систем в клинической практике остаётся ограниченным. Это связано с недостатком качественных исследований таких систем и низким доверием врачей к непрозрачным механизмам их работы. Создание системы поддержки принятия врачебных решений, основанной на логике диагностического поиска врача, может решить данную проблему. Важной задачей системы поддержки принятия врачебных решений является распознавание цвета глобул кожных новообразований, однако методы решения поставленной задачи в научных публикациях пока не описаны. Рассмотрено применение метода автоматизированного распознавания цвета глобул на дерматоскопических изображениях новообразований кожи, позволяющий распознавать глобулы по цвету в соответствии с палитрой из 7 цветов (голубой, жёлто-белый, коричневый, красный, оранжевый, телесный, чёрный). В рамках данного метода разработан оригинальный набор 9 цветовых признаков. Для классификации изображений по признаку (цвету глобул) применён метод«случайный лес». По результатам эксперимента, проведённого с выборкой из 313 изображений, точность классификации составила 91 %. Разработанный метод допускает программную реализацию в рамках алгоритма модифицированного анализа узора, а также данный метод можно использовать как часть системы поддержки принятия врачебных решений при диагностике рака кожи.
Измерительная техника. 2025;74(3):84-92
84-92
Метрологическое обеспечение точных измерений концентрации нитрозаминов в пищевых продуктах: государственные стандартные образцы состава нитрозаминов и методики измерений
Аннотация
Точные измерения содержания нитрозаминов в пищевой продукции, фармацевтических препаратах, воде позволяют гарантировать качество указанной продукции и питьевой воды. Для обеспечения народонаселения точными результатами измерений необходимо наличие, а в случае отсутствия – создание средств и методов метрологического обеспечения, гарантирующих получение точных результатов измерений. К моменту начала работ по созданию стандартных образцов нитрозаминов в области обеспечения качества пищевой продукции срок действия ранее созданных стандартных образцов истёк много лет назад, т. е. средства метрологического обеспечения отсутствовали.Настоящая статья посвящена теме определения содержания нитрозаминов в продуктах питания с применением методик измерений и стандартных образцов и представляет собой изложение вопросов обеспечения метрологической прослеживаемости результатов измерений нитрозаминов. В результате проделанной работы определено содержание нитрозаминов в стандартных образцах, которые позволят точно измерять содержание нитрозаминов в продуктах питания. Статья состоит из четырёх взаимосвязанных частей и её целью является найти ответы на обозначенные выше задачи. Приведены характеристики разработанных стандартных образцов состава N-нитрозодиметиламина (NDMA), состава N-дипропилнитрозамина (DPNA), состава N-нитрозодиэтиламина (NDEA) и аттестованной методики измерений. Результаты актуальны для разработки и применения стандартных образцов состава нитрозаминов, аттестации методик измерений для удовлетворения потребностей народного хозяйства. Созданы методы и средства метрологического обеспечения измерений нитрозаминов в пищевых продуктах.
Измерительная техника. 2025;74(3):93-100
93-100
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Оптимизация Государственной поверочной схемы средств измерений содержания органических компонентов в жидких и твёрдых веществах и материалах
Аннотация
Основанием для трёх последовательных пересмотров Государственной поверочной схемы средств измерений содержания органических компонентов в жидких и твёрдых веществах и материалах было совершенствование Государственного первичного эталона единиц массовой (молярной) доли и массовой (молярной) концентрации органических компонентов в жидких и твёрдых веществах и материалах на основе жидкостной и газовой хромато-масс-спектрометрии с изотопным разбавлением и гравиметрии. В процессе каждого пересмотра были критически проанализированы структура и информационное наполнение действующего документа и предприняты попытки оптимизировать форму и содержание государственной поверочной схемы и адаптировать их к особенностям органического анализа. Исторически сложившиеся правила построения поверочных схем (в соответствии со стандартами Российской Федерации) хорошо подходят для описания передачи единиц физических величин, но имеют ряд существенных пробелов с точки зрения передачи единиц количества вещества. Представлен обзор основных изменений, внесённых в Государственную поверочную схему средств измерений содержания органических компонентов в жидких и твёрдых веществах и материалах в процессе эксплуатации и совершенствования Государственного первичного эталона единиц массовой (молярной) доли и массовой (молярной) концентрации органических компонентов в жидких и твёрдых веществах и материалах на основе жидкостной и газовой хромато-масс-спектрометрии с изотопным разбавлением и гравиметрии с момента его создания до настоящего времени. Отражены причины и следствия внесённых изменений. Проанализирована роль исследуемой государственной поверочной схемы в обеспечении эквивалентности измерений и формировании цепочки метрологической прослеживаемости до моля – одной из основных единиц Международной системы единиц. Отмечена ключевая роль стандартных образцов состава жидких и твёрдых веществ и материалов для метрологического обеспечения в области органического анализа и важность гармонизации отечественной и международной концепций обеспечения эквивалентности измерений. Результаты оптимизации Государственной поверочной схемы средств измерений содержания органических компонентов в жидких и твёрдых веществах и материалах полезны для понимания специфики органического анализа и особенностей метрологического обеспечения измерений в данной области.
Измерительная техника. 2025;74(3):101-111
101-111
Актуализация опорного значения вязкости воды как значимого элемента системы метрологического обеспечения исследований в области реологии жидких сред
Аннотация
Исследование посвящено метрологическому обеспечению реологических измерений жидких сред, в частности, необходимости актуализации опорного значения вязкости воды, используемого для калибровки вискозиметров. Актуализация связана с тем, что существующие справочные данные об опорном значении, представленные в разных источниках, достаточно разрозненны, что может приводить к несогласованности результатов реологических исследований. Рассмотрен метод ступенчатой калибровки (step up method), применяемый для определения постоянных измерительных приборов. Обоснована целесообразность актуализации документов OIML D 17:1987 ”Hierarchy scheme for instruments measuring the viscosity of liquids”, ГОСТ 21727-76 «Вода. Вязкость при температуре 20 °С» и ГСССД 6-89 «Таблицы стандартных справочных данных. Вода. Коэффициент динамической вязкости при температурах 0...800 °С и давлениях от соответствующих разреженному газу до 300 МПа» в связи с использованием в них неактуальных значений динамической и кинематической вязкости воды. Изучено влияние опорных значений вязкости на измерительные возможности Российской Федерации. Приведены данные ключевых сличений по вязкости Международного бюро мер и весов CCM.V-K4:2018, демонстрирующие эквивалентность лабораторий. Полученные результаты способствуют повышению точности и согласованности измерений вязкости в Российской Федерации, что имеет важное значение для обеспечения единства измерений в промышленности и научных исследованиях.
Измерительная техника. 2025;74(3):112-117
112-117
ЮБИЛЕЙ ИНСТИТУТА
118-120