НПЦ
     
Тел./факс: +7 (495) 739-0785, +7 (495) 982-5912
Средства измерений параметров магнитных полей
Средства измерений электрических и радиотехнических величин
Медицинская физиотерапевтическая техника
Портативные универсальные миллитесламетры Холла
Проблемы метрологического обеспечения некоторых магнитных измерений
Эталонные источники магнитного поля для частот 0,01–30 МГц
Особенности применения миллитесламетров Холла
Гармонизация требований безопасности к контрольно-измерительным приборам и лабораторному оборудованию
Современные требования к испытаниям электрических медицинских приборов и аппаратов
Современные средства измерений параметров низкочастотных радиотехнических сигналов
Современные средства измерений нелинейных искажений и возможности их использования для метрологического обеспечения измерителей параметров качества электроэнергии
Прецизионные холловские средства измерений параметров магнитных полей
Некоторые аспекты испытаний средств измерений в целях утверждения типа
Подтверждение безопасности медицинского электрического оборудования
Контроль эффективности и безопасности применения медицинского ультразвукового оборудования в процессе его эксплуатации
Метрологическое обеспечение измерений коэффициента гармоник низкочастотных радиотехнических сигналов
О возможности использования миллитесламетров ТПУ в качестве рабочих эталонов
Тесламетр-веберметр универсальный ТПУ-2В


О возможности использования миллитесламетров ТПУ в качестве рабочих эталонов

Ю.И. Казанцев, к.т.н., А.А. Мартынюк (оба – ЗАО «НПЦентр», Москва)
Е.В. Дробах (ФБУ «Ростест-Москва», Москва)
В.И. Гусев (ООО «Магнитэкс», Санкт-Петербург)


С 01 января 2015 г. вводится в действие ГОСТ 8.030-2013. Стандарт устанавливает для рабочих эталонов единицы магнитной индукции постоянного поля 2-го разряда доверительную границу δо погрешности измерений до 1,5 %, что открывает возможности использования холловских миллитесламетров в качестве рабочих эталонов, если экспериментально доказана достаточная стабильность их метрологических характеристик. В статье рассмотрены результаты периодических поверок в ФБУ «Ростест-Москва» за период 2007 – 2013 гг. 73 холловских миллитесламетров ТПУ, разработанных и изготавливаемых ЗАО «НПЦентр», в режиме измерения постоянного магнитного поля. Показано, что погрешности, установленные при первичных поверках, за время эксплуатации приборов не претерпевают существенных изменений, нестабильность показаний большинства миллитесламетров ТПУ в оцифрованных точках (точках поверки) не превышает 1,0 %, а для значительной группы приборов не превышает 0,5 %. Подтверждена возможность использования миллитесламетров ТПУ в качестве рабочих эталонов единицы магнитной индукции постоянного поля 2-го разряда по ГОСТ 8.030-2013.

С 01 января 2015 г. межгосударственный стандарт ГОСТ 8.030-2013 [1] вводится в действие в качестве национального стандарта РФ. Стандартом установлено, что в области постоянных магнитных полей для рабочих эталонов 2-го разряда доверительная граница δо погрешности измерений (P = 0,95) составляет от 0,02 до 1,5 %. Это позволяет в обоснованных случаях использовать в качестве рабочих эталонов 2-го разряда для диапазона измерений от 0,02 до 2 Тл не обязательно ядерно-резонансные (ЯМР) тесламетры, но и гораздо более доступные и удобные в работе холловские приборы. С другой стороны, в соответствии с рекомендацией [2] относительное значение неоднородности магнитного поля в рабочем объеме источника магнитного поля для поверки тесламетров Холла не должно превышать 1/5 δ0, где δ0 – допускаемое значение относительной погрешности поверяемого прибора, однако, при этом, если в качестве рабочего эталона используется ЯМР тесламетр, однородность поля должна удовлетворять условиям его работы. Т.е., рекомендация допускает не очень высокие требования к однородности магнитного поля, но для наблюдения сигнала ядерного магнитного резонанса требуется его высокое качество. С учетом указанных обстоятельств представляется целесообразным рассмотреть возможности использования в качестве рабочего эталона 2-го разряда для поверки и калибровки тесламетров с пределом допускаемой относительной погрешности 2 – 3 % холловского тесламетра, применение которого не требует высокой однородности магнитного поля. При этом, конечно, надо учитывать, что, в отличие от ЯМР тесламетров, реализующих абсолютный метод измерения магнитной индукции, холловские тесламетры безусловно нуждаются в градуировке и периодических поверках.

ЗАО «НПЦентр» в 2004 г. разработало, успешно провело испытания в целях утверждения типа и выпускает миллитесламетры ТПУ для использования в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. Их технические и метрологические характеристики регулярно публикуются в журнале «Мир измерений». Миллитесламетры включают в себя электронный блок и измерительные зонды «М» и «С». В зонде «М» магниточувствительная ось измерительного преобразователя Холла (ПХ) перпендикулярна широкой плоскости измерительного зонда, в зонде «С» совпадает с продольной осью измерительного зонда.

Приемлемые значения дрейфа нуля, температурной нестабильности и других параметров электронного блока обеспечиваются следующими схемотехническими решениями:


  • управляющий ток ПХ «привязан» к опорному напряжению АЦП. В случае дрейфа одного из этих параметров второй будет изменяться пропорционально и синхронно первому, что уменьшает температурный дрейф и случайную погрешность измерений и способствует долговременной стабильности прибора;
  • в схеме миллитесламетра использованы прецизионные малошумящие операционные усилители OP07 с малым напряжением смещения, высокими коэффициентом усиления и долговременной стабильностью, что обеспечивает хорошую линейность измерений и стабильность прибора;
  • применение интегрирующего АЦП позволяет обеспечить требуемые частотные характеристики прибора и снизить случайные погрешности измерений до уровней, которые при использовании дисплея 3? разряда практически не заметны.

Важным элементом, определяющим метрологические характеристики миллитесламетра, является измерительный преобразователь Холла (ПХ). В миллитесламетре ТПУ используются измерительные ПХ типа ИМ104А-1 на основе субмикронных гетероэпитаксиальных структур nInSb-iGaAs. Эти преобразователи изготавливаются компанией «Магнитэкс», г. Санкт-Петербург. Они являются дальнейшим развитием ПХ на основе антимонида индия типа ПХЭ с различной концентрацией носителей заряда, которые в больших количествах выпускались в СССР. В свое время нами были проведены обстоятельные исследования этих преобразователей в диапазоне температур от жидкого гелия до комнатных и была показана высокая стабильность их параметров [3].

Оригинальный механизм управления нелинейностью преобразования в ПХ типа ИМ104А-1 как функции геометрических параметров ПХ и концентрации носителей заряда обеспечивает в диапазоне концентрации носителей (0,7 – 1,2)·1018 см-3 коэффициент нелинейности на уровне (0,2 – 0,5) % при значениях магнитной индукции до 2 Тл. ПХ типа ИМ 104А-1 имеют на порядок большую удельную магнитную чувствительность, чем ПХ типа ПХЭ, что позволяет использовать сравнительно небольшой управляющий ток, при котором не возникает проблем теплоотвода. Температурный коэффициент чувствительности в диапазоне температур от минус 60 до +125oC не превышает 0,03 %/?С. Расходимость при 2 Тл обеспечивается на уровне 1 %. Для уменьшения индукционной наводки выводы преобразователей выполнены тонким проводом и тщательно свиты между собой.

К настоящему времени выпущено около 900 единиц миллитесламетров ТПУ различных исполнений. Для определения возможности применения миллитесламетра ТПУ в качестве рабочего эталона представляет интерес оценка по результатам периодических поверок как погрешности измерений, так и стабильности приборов. Напомним, что, согласно [4], стабильность эталона является одним из основных показателей его точности.

Значительная часть миллитесламетров ТПУ проходила и проходит периодические поверки в ФБУ «Ростест-Москва». Используется установка УПТ-2 для поверки измерителей магнитной индукции, использующих эффект Холла. Установка, созданная, смонтированная и настроенная на месте эксплуатации еще в конце 80-х годов специалистами НПО «Метрология», г. Харьков, имеет исключительно высокие характеристики однородности и стабильности магнитного поля вплоть до значений индукции 2 Тл.

Были проанализированы протоколы указанных поверок за период с 2007 г. по конец ноября 2013 г., всего 260 протоколов поверок 73 миллитесламетров. Поверки всех приборов выполнялись при одних и тех же значениях магнитной индукции, которые выставлялись по сигналу ЯМР, в одном и том же месте межполюсного пространства электромагнита (табл. 1).

В табл. 2 приведены результаты 1-й периодической поверки. Указаны допускаемая в соответствии с описанием типа миллитесламетров погрешность измерений δ0 в оцифрованных точках, а также количество приборов, погрешность измерений которых δ лежит в границах,указанных в таблице, в тех же точках поверки. Из двух показаний прибора при обеих полярностях измеряемого поля выбиралось показание, отягощенное большей погрешностью. Видно, что погрешность измерений δ миллитесламетров существенно ниже допускаемой δ0. Следует иметь в виду, что наибольший вклад в суммарную погрешность измерений вносят погрешность, обусловленная нелинейностью ПХ, и погрешность градуировки миллитесламетра, при которой в том числе решается задача минимизации погрешности нелинейности.

Таблица 1. Сведения о количестве миллитесламетров ТПУ, прошедших периодические поверки в «Ростест-Москва», шт.

Год
Номер периодической поверки  
 1 23
 45
6
 20072
0
0
0
0
0
 200819
1
0
0
0
0
 200918
16
0
0
0
0
 201014
15
14
0
0
0
 201112
14
17
11
0
0
 20127
17
11
18
10
0
 2013 0 9 86
15
 6

Таблица 2. Распределение приборов, шт., по значениям погрешности измерений δ, %, (результаты 1-й периодической поверки)

Магнитная индукция В, мТл 
Допускаемая погрешность измерений, δ0, % 
Кол-во приборов, погрешность измерений δ, %, которых по результатам 1-й периодической поверки составляет:
δ ≥ 2,0 1,5 ≤ δ < 2,0 1,0 ≤ δ < 1,50,5 ≤ δ < 1,0 δ < 0,5
 30 2,57 01 517
50
 50 2,30 0 0 3 1852
 802,15
 0 0 0 19 54
 120 2,07 0 0 2 20 51
 150 2,03 0 0 2 25 46
 190 2,00 0 0 2 21 50
 200 2,90 0 9 30 32 2
 500 2,30 0 0 8 22 43
 700 2,19 0 0 9 26 36
 1200 2,07 0 1 14  44 14
 1600 2,03 04 30 35
4

Интерес с точки зрения оценки возможности использования миллитесламетров ТПУ в качестве рабочих эталонов представляет табл. 3. В ней указаны допускаемая погрешность измерений δ0, %, в оцифрованных точках, а также количество приборов, погрешность измерений δ, %, которых, определенная при всех периодических поверках, лежит в границах,указанных в таблице, в тех же точках поверки. Тут также из двух показаний прибора при обеих полярностях измеряемой магнитной индукции выбиралось показание, отягощенное большей погрешностью. Таблица характеризует именно стабильность воспроизведения магнитной индукции по результатам измерений миллитесламетром ТПУ. Из сопоставления табл. 1, 2 и 3 видно, что погрешности, установленные при первичных поверках, за время эксплуатации приборов не претерпевают существенных изменений. Погрешности измерений большей части приборов по результатам первичной и периодических поверок, т.е. приписанные прибору при выпуске из производства и при его многолетней эксплуатации, не превышают 1 %, сохраняя при этом, что очень важно, свои знаки.

Таблица 3. Распределение приборов, шт., по значениям погрешности измерений δ, % (по результатам периодических поверок)

 Магнитная индукция В, мТл 
Допускаемая погрешность измерений, δ0, % Кол-во приборов, погрешность измерений δ, %, которых по результатам всех периодических поверок составляет:
 1,0 ≤ δ < 1,50,5 ≤ δ < 1,0 δ < 0,5 
 30 2,572
 3932
 50 2,302 24 47
 80 2,152 23 48
 120 2,071 21 51
 150 2,032 20 51
 190 2,001 20 52
 200 2,907 37 29
 500 2,303 31 39
 700 2,192 36 35
 1200 2,07 11 51 11
 1600 2,03
2444
 5

Анализируя результаты периодических поверок, следует иметь в виду, что в процессе эксплуатации миллитесламетров их измерительные зонды могли подвергаться механическим и климатическим воздействиям, которые исключены для рабочих эталонов по условиям их применения. Известно, например, что механическое воздействие на измерительный ПХ типа ИМ104А-1, даже не приводя к его разрушению, может вызвать заметное необратимое изменение его остаточного напряжения. Это может проявиться в смещении нулевого сигнала прибора за допустимые пределы. Правильная эксплуатация миллитесламетра ТПУ в соответствии с правилами содержания и применения рабочего эталона будет способствовать большей стабильности его метрологических характеристик.

Следует также иметь в виду, что в большом массиве данных, накопленных за значительный промежуток времени, неизбежно могут оказаться результаты измерений, отягощенные субъективной погрешностью.

Таким образом, можно сделать вывод, что по своим метрологическим характеристикам миллитесламетры ТПУ при измерениях постоянных магнитных полей отвечают требованиям, которые межгосударственный стандарт [1] предъявляет к рабочим эталонам 2-го разряда единицы магнитной индукции постоянного поля в диапазоне 20…2000 мТл. При этом, конечно, надо учитывать то существенное обстоятельство, что правильный отсчет миллитесламетром может быть сделан только тогда, когда вектор измеряемой магнитной индукции перпендикулярен плоскости ПХ. При угле между магниточувствительной осью ПХ и вектором магнитной индукции, не превышающем ± 4°, погрешность миллитесламетра, обусловленная неверной ориентацией зонда, лежит в пределах ± 0,25 %. При дальнейшем увеличении этого угла погрешность быстро возрастает.

Для аттестации в качестве рабочих эталонов 2-го разряда единицы магнитной индукции постоянного поля в диапазоне 0,02…2 Тл по ГОСТ 8.030-2013 следует рекомендовать миллитесламетры ТПУ, ТПУ-03 или ТПУ-05. При этом представляется целесообразным, чтобы первичную и периодические поверки миллитесламетров, предназначенных для аттестации в качестве указанных эталонов, проводил «Ростест-Москва» как обладающий на сегодня наилучшим метрологическим оборудованием для этих задач с выдачей свидетельств о поверке и протоколов поверки. ЦСМ или другое юридическое лицо проводит в соответствии с установленным порядком аттестацию эталона, указывая в его паспорте значения магнитной индукции, воспроизводимые эталоном, из протокола первичной поверки с учетом поправок, которые вводят в показания миллитесламетра в оцифрованных точках (точках поверки). Погрешность воспроизведения единицы в этих точках определяется нестабильностью миллитесламетра (погрешность передачи единицы при использовании установки УПТ-2 ФБУ «Ростест-Москва» имеет существенно меньшие значения). Для 1-го межаттестационного интервала она может быть принята равной 1 % и в дальнейшем снижена по результатам периодических поверок.

Литература.

  1. ГОСТ 8.030-2013. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции.
  2. ГСИ. МИ 2185-92. ГСИ. Тесламетры постоянного магнитного поля. Методика поверки.
  3. Гусев В.И., Казанцев Ю.И., Константинов К.С., Рыпалев С.В. Исследования серийных преобразователей Холла типа ПХЭ//Тез. докл. 6-й Всесоюзной конф. по проблемам магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры.–Л., 1983.
  4. ГОСТ 8.381-2009. ГСИ. Эталоны. Способы выражения точности.
© ЗАО "НПЦентр" Тел./факс: +7 (495) 739-0785, +7 (495) 982-5912; e-mail: info@npcentre.ru