Представлены результаты научных исследований, направленных на усовершенствование Государственного первичного эталона единицы электрического напряжения ГЭТ 13-01, построенного на основе квантового эффекта Джозефсона. В процессе усовершенствования ГЭТ 13-01 решены следующие задачи: расширен диапазон воспроизведения постоянного напряжения в результате перехода от двух реперных точек с номинальными значениями напряжения 1 и 10 В к диапазону 1·10^–3–10 В; повышена помехоустойчивость воспроизводимого напряжения за счёт внедрения меры напряжения с безгистерезисной джозефсоновской микросхемой; обеспечена стабильность воспроизводимого напряжения; автоматизирован процесс передачи единицы напряжения как мерам напряжения, так и измерителям напряжения; обеспечен процесс установки заданного напряжения во временно́ й области. Усовершенствованный ГЭТ 13-01 утверждён с новым составом как Государственный первичный эталон единицы электрического напряжения ГЭТ 13-2023. В ГЭТ 13-2023 использованы квантовые меры напряжения на основе джозефсоновских микросхем разного типа. Исследованы метрологические характеристики ГЭТ 13-2023 в процессе сличений квантовых мер, входящих в его состав (с гистерезисной и безгистерезисной джозефсоновскими микросхемами). ГЭТ 13-2023 обеспечивает воспроизведение единицы электрического напряжения со средним квадратическим отклонением результата измерений не более 1·10^–9 В, неисключённой систематической погрешностью не более 1·10^–9 В в диапазоне напряжений 1·10^–3–1 В и обеспечивает воспроизведение единицы электрического напряжения со средним квадратическим отклонением результата измерений в диапазоне напряжений 1–10 В не более 10^–9, умноженное на значение воспроизводимого напряжения, неисключённой систематической погрешностью не более 10^–9, умноженное на значение воспроизводимого напряжения. Полученные результаты актуальны для обеспечения единства измерений в области постоянного напряжения и проведения международных ключевых сличений.

Приведены результаты исследований, направленных на обеспечение единства измерений в области цифровых коммуникаций. Определены требования к метрологическим характеристикам Государственного первичного эталона единицы количества переданной (принятой) информации (данных) и единиц величин параметров пакетных сетей передачи данных ГЭТ 200-2023 с учётом обеспечения необходимого запаса по точности при передаче единиц измеряемых величин рабочим эталонам и средствам измерений. Описаны проблемные вопросы обеспечения единства измерений в пакетных сетях передачи данных. Разработаны методы и средства, с помощью которых воспроизводятся единицы параметров пакетных сетей передачи данных. Приведены состав и метрологические характеристики ГЭТ 200-2023, процедуры передачи воспроизводимых эталоном единиц величин рабочим эталонам различного типа и средствам измерений. Установлено, что возможности ГЭТ 200-2023 в области единства измерений параметров пакетных сетей позволят обеспечить потребности Российской Федерации в ближайшие 5–7 лет.

Проведён ретроспективный анализ существующих моделей эксплуатации сложных технических систем. Описаны модели отказов и деградации сложных технических систем на основе диффузионного монотонного и диффузионного немонотонного распределений, модель отказов и деградации данных систем на основе трёхпараметрического диффузионного распределения. Модели отказов и деградации предложено использовать совместно с классической моделью Е. И. Сычева и созданными на её основе более сложными моделями. Разработан комплекс моделей эксплуатации сложных технических систем. Первая модель предназначена для систем, ресурс которых полностью восстанавливается в результате ремонта, и описана системой линейных алгебраических уравнений 21-го порядка, при этом учтены четыре степени (группы) деградации систем. Построена функциональная зависимость стационарного коэффициента готовности от межповерочных интервалов средств измерений сложных технических систем из различных групп деградации. Вторая модель эксплуатации сложных технических систем, ресурс которых при ремонте полностью восстановить невозможно, описана системой линейных алгебраических уравнений 24-го порядка и позволяет моделировать основные этапы жизненного цикла парка сложных технических систем, включая в том числе процессы обновления парка за счёт закупок новых образцов и модернизаций существующих образцов. Разработанные модели эксплуатации позволяют рассчитывать оптимальные интервалы между поверками и допуски на контролируемые параметры для разных групп деградации сложных технических систем и таким образом обеспечивать максимальный уровень стационарного коэффициента готовности. Данные модели можно использовать для классификации сложных технических систем с целью задания требований к их метрологическому обеспечению, а также для расчёта техникоэкономических показателей развития парка таких систем. Предложенные модели составляют основу комплекса прикладных программ для моделирования и оптимизации этапов жизненного цикла парка сложных технических систем.

Рассмотрены вопросы метрологической оценки точностных характеристик цифровых преобразователей угла, предназначенных для измерения угловых параметров движения различных объектов. Показано, что в настоящее время отсутствует единый подход к такой оценке, и это обусловлено различием выходных электрических интерфейсов данных преобразователей, использующих параллельный или последовательный способ передачи кода. Отмечено, что интегральной оценкой может служить достоверность кода преобразователя. Достоверность характеризует вероятность того, что значение измеряемого угла соответствует расчётному кванту, код которого прочитан. Описан аналитический способ вычисления достоверности кода, применяемый для цифровых преобразователей угла с параллельной передачей кода. Недостаток этого способа – необходимость аппроксимации гистограммы погрешности цифрового преобразователя угла функциями распределения случайных величин. Предложен алгебраический способ вычисления достоверности кода, который лишён описанного выше недостатка аналитического способа. Установлено, что алгебраический способ вычисления достоверности кода можно использовать для преобразователей как с параллельной, так и с последовательной передачей кода. Предложена методика вычисления достоверности кода, применяемая для нахождения интегральной характеристики цифрового преобразователя угла с последовательным и параллельным интерфейсами. Показано, что для нахождения неравномерности угловой шкалы цифрового преобразователя угла с помощью динамического гониометра с инкрементным датчиком угла требуется центрирование массива измеренных значений погрешности. Полученные результаты будут полезны при калибровке цифровых преобразователей угла.

Рассмотрены вопросы улучшения метрологических характеристик, массогабаритных и технико-экономических показателей установок поверочных с весовыми устройствами в результате внедрения в их конструкцию переключателя потока с изменяемой геометрией среза сопла. Предполагается, что использование данной конструкции переключателя потока позволит решить проблему заполнения среза сопла водой, уменьшить габаритные размеры гидравлического тракта, упростить процедуру технического обслуживания, снизить стоимость установок. Описаны конструкция, принципы работы и временна́ я диаграмма переключателя потока с изменяемой геометрией среза сопла. С помощью трубки Пито исследованы локальные гидродинамические характеристики потока воды при изменениях ширины среза сопла и массового расхода в диапазоне 25–550 т/ч. Для каждого исследованного значения массового расхода воды экспериментально определена оптимальная ширина среза сопла, при которой обеспечивается его полное заполнение водой. С помощью эталона сравнения методом сличения в широком диапазоне массового расхода жидкости исследованы метрологические характеристики поверочной установки с весовыми устройствами, в состав которой входит переключатель потока с изменяемой геометрией среза сопла. Установлено влияние на метрологические характеристики поверочной установки с весовыми устройствами ширины среза сопла в исследованном диапазоне расхода жидкости. Представлены графические зависимости расширенной неопределённости измерений при воспроизведении единицы массового расхода жидкости от интервала времени измерений и массового расхода жидкости. По результатам исследований определены оптимальные ширины среза сопла и интервалы времени измерений в зависимости от массового расхода жидкости при использовании переключателя потока с изменяемой геометрией среза сопла. Обосновано расширение диапазона работы весовых устройств, входящих в состав поверочных установок с весовыми устройствами. Предложенная конструкция переключателя потока с изменяемой геометрией среза сопла рекомендуется к применению при проектировании новых и модернизации находящихся в эксплуатации поверочных установок с весовыми устройствами переключателей потока.

Для измерения нестационарной силы трения воздуха в пограничном слое на стенках аэродинамических труб при очень больших числах Рейнольдса в Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского разработан и изготовлен однокомпонентный тензометрический динамометр с диапазоном измерения силы 0–0,33 Н. Изучены статические и динамические характеристики и систематические погрешности динамометра. В процессе калибровки динамометра исследовано влияние температуры, продольной, нормальной и поперечной сил, а также положения точки приложения продольной силы на его показания. Спроектирован и изготовлен блок для калибровки динамометра с помощью грузов в аэродинамической трубе. С целью определения силы трения, действующей на ось блока, проведены специальные опыты в лабораторных условиях. Разработанный динамометр является динамической системой с собственной частотой колебаний. Предложена поправка для учёта собственной динамики динамометра на основе разработанного ранее метода. Для вычисления поправки определены масса метрической части динамометра, его собственная частота колебаний при отсутствии демпфирования в направлении измерения силы трения и коэффициент демпфирования. Поправка верифицирована опытом с приложением ступенчатой силы. Исследовано влияние статической и динамической составляющих температуры (влияние соответственно среднего значения температуры и её изменения во времени) на показания динамометра. На основе разработанного ранее метода предложены поправки для исключения систематических погрешностей, обусловленных влияниемтемпературы. Показано, что поперечная сила не влияет на показания динамометра, а влияние нормальной силы составляет 1,1 % коэффициента чувствительности продольной силы. Чувствительность к температуре коэффициента чувствительности динамометра составляет 0,017 %/°С. Оценена суммарная погрешность измерения динамометром силы трения: среднеквадратическое отклонение результатов измерений от среднего значения не более 0,076 % диапазона измерений; относительная погрешность коэффициента чувствительности не более 0,03 %. При собственных колебаниях чувствительного элемента погрешность измерения нестационарной силы трения не превысит 0,86 % диапазона динамометра. Разработанный однокомпонентный тензометрический динамометр можно применять для определения коэффициента трения пограничного слоя на плоской поверхности.

Кратко проанализирована современная ситуация в области исследований свойств полупроводниковых материалов и их применения. Показано, что существующие установки для измерения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых материалов имеют ряд недостатков, и необходимо создавать автоматизированные системы измерений электрофизических параметров полупроводниковых структур. Разработана автоматизированная информационно-измерительная система измерений вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур, в том числе структур на основе прозрачных проводящих покрытий. Представлены результаты функционального и метрологического анализа канала измерения комплексной проводимости. В результате функционального анализа получены функции преобразования комплексной проводимости в цифровой код, пропорциональный ёмкостной и активной составляющим проводимости. Составлена структурная метрологическая модель канала измерения комплексной проводимости, учитывающая аддитивные, мультипликативные погрешности звеньев, а также погрешность квантования аналого-цифрового преобразователя. Выведены выражения для реальных функций преобразования комплексной проводимости в цифровой код, пропорциональный ёмкостной и активной составляющим проводимости, с учётом инструментальных погрешностей звеньев в составе измерительного канала. Метрологический анализ позволяет решить как прямую задачу расчёта инструментальной погрешности измерительного канала по известным номинальным параметрам и погрешностям составляющих его звеньев, так и обратную задачу установления требований к метрологическим характеристикам звеньев в составе измерительных каналов для обеспечения требуемого значения предельной погрешности измерения. Теоретически установлено и подтверждено экспериментально, что пределы допускаемой относительной погрешности измерений ёмкости и проводимости не превышают ±3 %. Разработанная автоматизированная информационно-измерительная система позволяет не только измерять вольт-фарадные характеристики исследуемых полупроводниковых структур, но и обрабатывать результаты измерений с целью определения электрофизических параметров косвенным методом. Автоматизированная информационно-измерительная система будет полезна при производстве радиоэлектронной техники и функциональной электроники, например, для контроля готовой продукции или разработки новых полупроводниковых структур и изделий на их основе.

Рассмотрены вопросы мониторинга энергетических характеристик радионавигационных сигналов глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. Отмечено, что мощность принимаемого в приземном слое радионавигационного сигнала зависит от параметров бортового антенного устройства космического навигационного аппарата, прежде всего – от формы амплитудной диаграммы направленности антенны. Диаграмма направленности бортовой антенны космического аппарата имеет сложную форму, и чтобы компенсировать изменения мощности радионавигационного сигнала в результате удаления (или приближения) навигационного аппарата от (к) потребителя(ю) сигнала, форма диаграммы направленности должна быть осесимметричной, т. е. приближаться к фигуре вращения. По данным регулярного мониторинга энергетических характеристик радионавигационных сигналов глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС оценены формы амплитудных диаграмм направленности бортовых антенно-фидерных устройств космических аппаратов из состава орбитальной группировки. В результате обнаружена асимметрия амплитудных диаграмм направленности некоторых аппаратов. Показано, что асимметрия диаграммы направленности приводит к появлению зависимости мощности принимаемого потребителем радионавигационного сигнала от ракурса аппарата – положения излучающей антенной системы аппарата относительно потребителя сигналов. Установлена вероятная причина асимметрии – постепенное старение активных устройств в составе антенно-фидерного тракта. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости регулярного и оперативного мониторинга энергетических характеристик радионавигационных сигналов в приземном слое, обнаруженный эффект асимметрии амплитудных диаграмм направленности целесообразно принять во внимание при разработке антеннофидерных устройств космических аппаратов.

Представлены новые физические величины – инфракрасная видность и инфракрасная дальность видимости. Показана актуальность и востребованность измерений данных величин. Раскрыт их физический смысл, даны формульные соотношения для расчёта, доказана практическая значимость. Представленные расчётные соотношения получены на основании преобразования реального теплового портрета объекта в его эквивалентную теплогеометрическую модель. Показано, что численные значения показателя инфракрасной видности для различных реальных объектов могут изменяться в широких пределах: от нулевого значения (для абсолютно неконтрастных в тепловом отношении объектов) до значений в несколько единиц (для сильноконтрастных объектов), т. е. в пределах 0,5–2,5. Соотношение для инфракрасной дальности видимости получено двумя способами: на основе закона Ламберта-Бугера-Бера и закона Фехнера, используемого в теории сенсорной чувствительности. Представлено подробное описание и процедура измерений указанных физических величин, приведены примеры и сделана оценка неопределённости измерений. Введённые величины направлены на обеспечение единства оценки тепловой защиты различных техногенных и биологических объектов и позволяют разрабатывать превентивные меры по их тепловой защите на стадии ввода в эксплуатацию.

Рассмотрены вопросы повышения прочности высоконагруженных стальных деталей трансмиссий энергонасыщенных машин. Отмечено, что наряду с твёрдостью важным параметром упрочнённого цементированного слоя стали является его эффективная толщина – расстояние от поверхности образца (детали) до зоны с твёрдостью 50 HRC (529 HV0,5). Показано, что большое влияние на точность определения эффективной толщины оказывают неизбежные полосчатость металла в области измерения твёрдости и инструментальная погрешность измерения твёрдости. Предложен метод определения эффективной толщины цементированного слоя, основанный на интерполяции полиномом второй степени распределения экспериментально измеренных значений HV0,5 в расширенном диапазоне изменения расстояний от поверхности изделия до места измерения твёрдости HV0,5. Погрешность определения эффективной толщины цементированного слоя уменьшена за счёт расширения области изменения твёрдости HV0,5 в анализируемой зоне с аппроксимацией её монотонного изменения в этой области и последующего решения полученного квадратного уравнения. Аппроксимирующий полином статистически верно отражает характер изменения твёрдости HV0,5 цементированной стали в анализируемой области в зависимости от расстояния от поверхности изделия до места измерения твердости. Эффективность метода подтверждена при определении эффективной толщины цементированного слоя образца стали марки 18ХГТ после цементации и закалки. Полученные результаты будут полезны при отработке оптимальных режимов цементации высоконагруженных зубчатых колес трансмиссий автотракторной техники.