Науково-технічні засади розроблення еталона одиниці потужності ультразвуку у водному середовищі

Abstract

Дисертація присвячена розробленню науково-технічних засад метрологічного забезпечення вимірювання потужності ультразвуку у водному середовищі. Проаналізовано сучасний стан метрологічного забезпечення вимірювання акустичних величин в ультразвуковому мегагерцовому діапазоні частот в Україні та за кордоном, методи вимірювання потужності ультразвуку. Проведено теоретичні дослідження розповсюдження високочастотного ультразвуку у водному середовищі. Удосконалено математичну модель вимірювання під час відтворення одиниці потужності ультразвуку, випромінюваного у водне середовище. Удосконалено методику мінімізації непевності та вперше застосовано на початковій стадії розроблення еталона одиниці потужності ультразвуку. Розроблено і застосовано новий адаптивний метод побудови еталонів одиниць вимірюваних величин із заданими характеристиками точності в умовах обмежених ресурсів. Проведено експериментальні дослідження для визначення метрологічних характеристик створеного еталона. Застосовано метод Монте-Карло для оцінювання непевності вимірювання еталона та розроблено прикладну програму для його реалізації. Створено та введено в дію еталон одиниці потужності ультразвуку у водному середовищі. Розроблено повірочну схему для засобів вимірювання потужності ультразвуку у водному середовищі, методики: метрологічної атестації еталона, калібрування ультразвукових випромінювачів, повірки вимірювачів потужності ультразвуку. The thesis is devoted to the development of scientific and technological bases of metrological assurance of ultrasound power measurements in water medium. Ultrasound power measurement methods and the current state of metrological assurance of measurement of acoustic variables in the ultrasonic frequency range both in Ukraine and abroad have been analyzed. The theoretical research of propagation of high frequency ultrasound in water medium has been conducted. The mathematical model of measurement during the realization of ultrasound power unit emitted into the water medium has been improved. The Procedure for Uncertainty Management has been improved and applied for the first time and at an early stage of development of the measurement standard of ultrasound power unit. The new adaptive method of construction of the measurement standards of measured variables with specified characteristics of accuracy in conditions of limited resources has been developed and implemented. Experimental research has been conducted to determine the metrological characteristics of established measurement standard. Monte Carlo method for evaluation uncertainty of measurement of the measurement standard has been applied and application program for its implementation has been developed. The measurement standard of ultrasound power unit in water medium has been created and enacted. The verification scheme for measurement of ultrasound power in water medium, the method of meteorological attestation of measurement standard, the method of calibration of ultrasonic transducers, and the method of verification of ultrasonic power meter have been developed. Диссертация посвящена разработке научно-технических основ метрологического обеспечения измерения мощности ультразвука в водной среде для достижения единства и необходимой точности измерений в мегагерцовом диапазоне частот в Украине. Проведен анализ современного состояния метрологического обеспечения измерения акустических величин в ультразвуковом мегагерцовом диапазоне частот в Украине и за рубежом. Проанализировано методы измерения мощности ультразвука, выбрано для реализации в эталоне единицы мощности ультразвука в водной среде метод баланса радиационной силы с использованием прецизионных электронных весов. Проведены теоретические исследования распространения высокочастотного ультразвука в водной среде. На основании проведенных теоретических исследований, с учетом конструктивных параметров эталона и условия его эксплуатации, усовершенствована математическая модель измерения при воспроизведении единицы мощности ультразвука, излучаемого в водную среду. Усовершенствована методика минимизации неопределенности путем использования методов числового дифференцирования для расчета неопределенности или методов имитационного моделирования (метод Монте-Карло) для расчета суммарной стандартной неопределенности и расширенной неопределенности. Усовершенствованная методика впервые применена на начальной стадии разработки эталона единицы мощности ультразвука, что позволило определить структуру и состав измерительных каналов эталона для заданных значений априорной неопределенности. Разработан и применен новый адаптивный метод построения эталонов единиц измеряемых величин с заданными характеристиками точности в условиях ограниченных ресурсов, который позволяет выбирать оптимальные схемотехнические и конструкторские решения при создании эталона, его программного обеспечения, формировать требования к конструкции эталона и к помещению, в котором его устанавливают. Проведены экспериментальные исследования для определения метрологических характеристик созданного эталона. Для оценки неопределенности измерения при воспроизведении эталоном единицы мощности ультразвука применен метод Монте-Карло и разработана компьютерная программа для его реализации. Создан и введен в действие эталон единицы мощности ультразвука в водной среде. Разработана и утверждена поверочная схема для средств измерений мощности ультразвука в водной среде. Разработаны и внедрены: методика метрологической аттестации эталона единицы мощности ультразвука в водной среде, методика калибровки ультразвуковых излучателей, методика поверки измерителей мощности ультразвука.