Лаборатория, измерения, метрология.

Читатели бложика, как и многие другие пользователи порой задумываются о вопросе измерений чего-то в домашней лаборатории. Но как я вижу, далеко не все стремятся к правильному обеспечению личной лаборатории. Сегодня мы с Вами попробуем поговорить об этом.

Voltnuts

Вольтдрочинг (с англ. voltnuts) — довольно популярная сегодня дисциплина домашней псевдо-метрологии, она рассматривает вопросы самостоятельного создания эталонов напряжения, передачи и масштабирования единицы напряжения.

Слово «дрочить» в составе наименования дисциплины я применяю не с проста, поскольку в большинстве случаев это именно дроч на самодельные «эталоны», не более того. Те немногие кто всетаки изготавливает самопальные «эталоны» напряжения допускают первую и самую главную ошибку — вольтдрочинг без прослеживания пути передачи единицы напряжения. В интернетах присутствуют множество случаев когда народ пытается сварить «эталон», но не может обеспечить корректную передачу единицы напряжения на него. Смотрится это довольно забавно, люди тратят тысячи долларов и года исследований чтобы сварить эталон на Linear technology LTZ1000, но потом понимают, эталон на квантовом эффекте Джозефсона, им недоступен.

А по сути это единственная вещь с помощью которой нужно проводить обмер меры на LTZ1000. Причем доступ нужен не разовый а периодический, поскольку нужны года измерений чтобы определить напряжение и долгосрочный дрейф сваренного «эталона». Попытки организации разного рода кал-клубов, таких как US CalClub и EU CalClub, где люди по цепочке пересылают друг-другу свои «эталоны», устраивают псевдо-метрологические встречи и обсуждения выглядят странно. Поскольку прослеживание единицы напряжения до национальных эталонов напряжения или вовсе отсутствует, или точность передачи единицы через большое количество инстанций очень низкая.

По итогу получается, что правильной передачи единицы напряжения или нет вовсе, или все заканчивается на измерениях «средней температуры по больнице». Когда эталон который никогда не калибровался правильно по Джозефсонам объезжает всю Европу и клуб составляет таблицы измерения.

Как минимум, транспортная мера напряжения должна быть сверена из правильных деталей, с учетом специфики вольтметрии, обмерена 3-5 лет по Джозефсону и только если она показала результаты, которые официально подтверждены и значительно лучше среднестатистических LTZ1000, ее можно «пустить по кругу», для калибровки по ней других мер на LTZ1000. Но такие меры, на которые затрачено колоссально много средств и времени никто не «пустит по кругу». Я хоть и не сильно вчитываюсь в темы вольтметрии, но я пока не увидел ни одной настоящей меры на LTZ1000 долгосрочная метрология которой была-бы подтверждена годами измерений, была-бы не «уебана на корню» протоколами и прямо прослеживалась до первичных эталонов с достаточной для нее точностью.

Я принципиально не вдаюсь в цифры и не ссылаюсь на кого-то конкретного, потому как тут важен правильный подход, который в целом отсутствует.

В РФ ситуация еще более печальна, тут доступа у самодельных мер к первичным эталонам на эффекте Джозефсона нет совсем, в том числе и из за проблем с законодательством в области метрологии.

Встает законный вопрос: нахрена тратить деньги на LTZ1000, не имея возможности получения метрологии на нее?

Уровнем ниже встают статистические меры и меры на LM399, прослеживаемость которых до национальных эталонов и долгосрочные обмеры обеспечить в принципе уже более реально имея нужные знакомства. Но в реальности, в РФ я могу предположить что такие есть пожалуй лишь у пары человек, которые особо это не афишируют.

Еще уровнем ниже стоят обычные средства измерения которые регулярно калибруются(настраиваются) по эталонам с прослеживанием до национальных, это самое доступный в РФ метод передачи еденицы напряжения в среды любителей. Именно его я и использую, исходя из невысоких затрат(400$ одна процедура) и легкости процесса(отвожу прибор, плачу баблосы, через пару недель забираю, profit!)

Это «пол» измерений в тру-вольтметрии, но его очень легко пробить dash Да и мне не раз приходилось это делать laugh По этому прейдем к следующему уровню который я называю недо-вольтметрия.

Это когда от обычного инженерного средства измерения единица предается самодельной транспортной мере, и с нее  единица передается другому инженерному средству измерения. Часто о достаточной для этого процесса точности тут говорить не приходится, но данный метод имеет все-же свой неоспоримый плюс: он заключается в том что есть уровень еще хуже этого focus

Это когда псевдо-эталон покупается с АлиЭкпресс и по нему что-то калибруется, или эталон не используется никакой вовсе. Тут есть только одна гарантия: гарантия НЕ достоверности измерений crazy

Ampnuts

В РФ для амперметрии дело обстоит примерно так-же как и в вольтметрии, за тем исключением, что в амперметрии есть специальная подгруппа измерений, столь любимых мною «электрометрия». С ней все обстоит на порядки хуже blush Мною за пару лет поиска не был найден НИ ОДИН реально доступный метод передачи электрометрических токов прослеживаемый до национального эталона. По этому я стартовал проект по самостоятельному созданию «эталона малых токов» базирующийся на методах применяемых ведущими лабораториями мира создающих национальные эталоны. Об этом на бложике уже размещена пара постов.

Единицы-же больших токов как и в прошлом случае я получаю периодической калибровкой(настройкой) инженерного мультиметра.

Timenuts

С частотой и временем к счастью дело обстоит намного лучше. Сегодня широко-доступны методы воспроизведения эталона частоты дома, посредством системы NavStar(aka GPS). В реальности, хороший GPSDO позволяет получить эталонную частоту 10 МГц с точностью намного лучше 0.1ppm, чего обычно хватает даже для самого искушенного любительского измерения, проверено лично!

Конечно можно завладеть Цезиевым или даже Водородным стандартом частоты, но тогда неизбежно встают те-же вопросы прослеживаемости до национальных стандартов, и необходимость периодической его калибровки.

Отдельной строкой стоят стандарты на парах рубидия. Они на фоне GPSDO не так точны, поскольку за год-два их уход частоты гарантированно превышает погрешность повторения эталонной частоты с GPSDO. Но у них есть один плюс, в краткосрочной перспективе некоторые их них менее шумные и более стабилные чем GPSDO, это свойство можно использовать. Однако на них в долгосрочной перспективе нет никакого смысла полагаться. Особенно учитывая что их блоки физики любят сдыхать в самый неудачный момент.

LCRnuts

Данный вопрос несколько отличается от прочих, применительно к РФ. Поскольку более-менее реально приобрести меры сопротивления, емкости и индуктивности, и получить на них регулярную метрологию по средствам обращения в ЦСМ-ы. При этом финансово это хоть и дорого, но в принципе выполнимо.

Я пока этим вопросом плотно не занимался, поскольку не было на то нужды, но скоро займусь blush

Nukenuts

Моя любимая часть crazy

Дома нет ни одного легального метода заниматься радиометрией с прослеживанием до национальных первичных эталонов. Но если есть собственное юр. лицо, производственное помещение, сейф, и пачка денег, то вопросы измерения в области ионизирующих излучений становятся очень доступны. Законодательство РФ предусматривает относительно не сложный процесс приобретения эталонов ионизирующего излучения для юр.лиц с возможностью получения метрологии прямо от держателя первичных эталонов ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. При условии, что активность изотопа ниже минимально-значимой активности(МЗА).

Перечень эталонов с активностью ниже МЗА довольно широк, это и эталоны фотонного излучения, и альфа и бета эталоны. На рынке РФ они представлены почти всем перечнем изотопов получаемых и из реакторных мишеней и на ускорителях.

Это эталоны с очень низкой активностью, но их достаточно для калибровки любых спектрометров и ограниченно хватает для калибровки альфа-бета дозиметров. Причем как правило это высокочистые эталоны, не загрязнённые побочными продуктами.

Tempnuts

В любительских условиях я считаю что температуро-метрия как таковая дисциплина не очень нужна с прослеживанием, поскольку сегодня существуют датчики TMP117 на которые производитель гарантирует придельную погрешность измерения 0.1°C для комнатных условий и близких к ним, что сопоставимо с наивысшими классами платиновых сенсоров. И ее обычно для всего хватает. А это как правило важно только для повторяемости условий и для вычисления ТК на длинной шкале.

Важный аспект — уметь правильно получать высокое разрешение относительных измерений температуры, к примеру для вычисления краткосрочных дрейфов и шума температуры. Но абсолютная точность здесь совсем не важна. Если разница менее 1 градуса, тут хватает с достатком почти любого NTC-термистора и 4-wire инженерного мультиметра с MX+B математикой. Если больше, опять-же спасает TMP117.

Покрытие

Другой важный вопрос, это качество покрытия той или иной дисциплины. Все перечисленные тут дисциплины(ну может-быть кроме радиометрии) так или иначе должны быть представлены в любой любительской лаборатории.

Но тут важно не переборщить. К примеру пачка 8.5 разрядных мультиков не нужна если вы не используете никогда при реальных измерениях. Разумный максимум это 2 мультика на 6.5 разряда, применение которых я к примеру реально могу обосновать, а поддерживаю метрологию только одного из них, поскольку второй больше важен своими фенечками а не метрологией. Обосновать нужность 8.5 разрядника я пока не могу, по этому не стремлюсь его иметь.

Или еще как пример, по вопросам частоты у меня закрыто только низко- и средне- частотные диапазонами с простым GPSDO эталоном, потому-что этого достаточно. Я не стремлюсь обвешается с головы до ног Pendulum’ами и водородниками, потому-что незачем. Но превзойти точности современных термостбилизировных кварцев, покрыть вопросы измерения и генерации частот до пары сотен мегагерц, и покрытый вопрос измерение спектров хотябы до гигагерца, сегодня очень актуально любителю.

Обеспечение

Бывает, что постройка каких либо высокотехнологичных измерительных установок требует особого обеспечения, об этом не стоит забывать. Сегодня вполне реально обеспечить любительскую лабораторию почти любым перечнем оборудования, как то: химия, высоко-чистые газы и регулирующая апаратура, термокамеры, криогеника, вакуумная техника, турбомолекулярные насосы, широкий перечень лазерной техники, спектрометрия, и куча чего еще. Да есть проблемы с поиском всего этого, но это решаемо!

Мнения

Очень часто я встречаю мнение «любитель это не сотрудник НИИ, ему это все не надо!!!», так думают только недалёкие тро-ло-ло. Во первых это очень увлекательно, во вторых на дворе 21 век, надо идти в ногу со временем.

К примеру, тема создания собственного эталона тока из конвертируемых в него величин напряжения, времени и емкости, конечно холиварная, без всяких сомнений! Но вы никогда не задавались вопросом «Что такого могут физики чего не могу я?» ??? Я задаю постоянно! И вы удивитесь, но я на самом-то деле могу перечислить совсем не многое что нельзя повторить в современной любительской лаборатории. Как говаривал мой батя: Не боги горшки обжигали!

Но я ни в коем случае не призываю Вас строить дома ускорители! Мне известны случаи когда постройка ускорителей «на дому» была настолько удачна, что заканчивалась довольно плачевно. crazy

Достаточность

Очень очень редко поднимается вопрос того, что для полной калибровки лишь одного мультика очень часто требуются целые стойки разного метрологического оборудования или дорогой калибратор(как правило еще и с приставкой). Метрологию которых поддерживать еще дороже чем отвозить мультиметр на калибровку(настройку). По этому лично я считаю, что иметь в личной лабе эталоны/меры/самодельные референсы чисто для целей калибровки мультиметров попросту вредно. В любительской практике(чонибудь изобрести и/или спаять) меры не применяются, а заниматься метрологией ради метрологии не имеет смысла в принципе.

Достаточным считаю:

  • Поддерживать метрологию одного инженерного мультиметра периодической настройкой(не калибровкой или поверкой) его по эталонам в доверенной лаборатории.
  • Иметь GPSDO для поддержания точности частотной-временной составляющей в лаборатории.
  • Иметь метрологическое обеспечение «специальных» направлений измерений, которые применяется регулярно, но их не способны обеспечить ЦСМ, или это нецелесообразно в виду малой степени доверия… ну или малой «нужности» таких измерений. Такие как конвертируемые меры для электрометрии, температуро-метрия датчиками с высокой гарантированной точностью, и т.п.

 

Финансы

Острый вопрос в современных реалиях. Но как показывает моя практика —  работа на двух работодателей одновременно со своим небольшим делом позволяет держать любительскую лабораторию на достаточно неплохом уровне. Да это не легко! Но это достижимо!

Заключение

Возможно мое мнение несколько отличается от вашего, но я считаю, что если Вы не можете проследить передачу единицы до национального эталона, или не имеете гарантированной метрологии — вы не можете сказать что что-то измерили.

Мой опыт показывает, что затраты на прослеживание, повышение точности и метрологию как таковую хоть и велики, но не превышают 1/4 стоимости современной лаборатории любителя. При этом лично я не могу найти ни одного применения для ультра-топовых эталонов в личной лаборатории, но метрология инженерного класса жизненно необходима для современной любительской лаборатории. Без нее как минимум — невозможно определить истинные параметры нового изобретения.

Ну согласитесь, если вы не можете гарантированно измерить параметры своего нового изобретения, как вы можете заявить что что-то изобрели? laugh

А если вы еще ничего не изобрели, самое время начать! diablo

Я недавно делал перевод одного моего материала для сайта HackaDay.IO и в отличии от наших форумов, заметил что культура что-нибудь изобретать за рубежом развита куда больше нашей. Да высоко-технологичного в целом не много, но народ «там» активно думает над всеми этими и прочими вопросами. Жаль не всем хватает смелости опробовать спорные или достаточно инновационные концепты.

Добавить комментарий