Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

Литература

1.ГОСТР8.802–2012. ГСИ. Государственнаяповерочная схема для средств измерений избыточного давления до 250 МПа. М.: Стандартинформ, 2014.

2.КиселевЮ.А. Практическоеприменениелазерныхизмерительных систем в государственных эталонах единицы давления. Вестник СПбО АИН № 3, 2007. С. 123–131.

3.Kiselev Yu. e. a. Final report on key comparison COOMET.M.P-K1 in the range 0.05 MPa to 0,5 MPa of pneumatic gauge pressure // Metrologia. 2008. V. 45. Techn. Suppl. 07015.

4.Final report on key comparison COOMET.M.P-K2 in the pressure range 10 MPa to 100 MРa // Metrologia. 2011. V. 48. Techn. Suppl. 07010.

5.Kiselev Yu. Laser measuring system in the state primary standard of pressure unit-Pascal, Proceedings of SPIE, st 8. 2012.

6.Kiselev Yu. National Primary Standard of the Unit of pressure – the Pascal // Measurement techniques. Springer New York Consultants Bureau. – ISSN: 0543-1972. – 2012. –№№10,

11.– P. 1–6, P. 1213–1218.

Ю.А. Киселев

Принцип действия

Государственный первичный специальный эталон разработанв1975 г. Былусовершенствованиисследован

в1997 г. в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Воснову эталона положен метод независимого воспроизведения разности давлений с помощью комплекса микроманометров различных типовсвзаимноперекрывающимисядиапазонамиизмерений, аименно– набориз трех микроманометров для трех различных диапазонов давления, атакжеаппаратурадлясозданияиподдержания разности давлений и передачи единицы давления.

1.Весовой колокольный микроманометр типа МВК основаннапринципеуравновешиваниядействиядавлений на колокола, подвешенные к чашам равноплечих весов.

Уравнениеизмеренийдляэталонногомикроманометра МВК указано в формуле 1.

где: p1, p2 – давления, подводимые к левому и правому колоколу;

m1, m2 – массы гирь на левой и правой чашах весов; g – ускорение свободного падения;

F1, F2 – площадивнутреннегосечениялевогоиправого колоколов;

ρв – плотность воздуха; ρ – плотность материала грузов.

2. Микроманометр со штриховой мерой длины типа МКШ. Этокомпенсационныймикроманометр, принцип действиякоторогооснованнауравновешиваниидействия давления столбом жидкости.

Уравнениеизмеренийдляэталонногомикроманометра МКШ указано в формуле 2.

где: p1 и p2 – давления, подаваемые в неподвижный и подвижный сосуды;

ρ1, ρ2 – плотностьдистиллированнойводыивоздуха при температуре измерения;

h – высотаподъемаподвижногососуда, отсчитанная по штриховой мере;

α – коэффициент линейного расширения меры; t – температура штриховой меры.

3. Двагрузопоршневыхмикроманометратипа«Воз- дух-40» МКП. Это микроманометр грузопоршневой с нецилиндрическим поршнем на газовой смазке, основанный на принципе динамического взаимодействия тела и потока воздуха.

Уравнениеизмеренийдляэталонногомикроманометра МКП указано в формуле 3.

где: Рн – номинальное давление, Па; Рб – давление окружающей среды, мм. рт. ст.;

t – температура окружающей среды, С;

Метрологические и технические характеристики

ЭталонГЭТ95-75, состоящийизтрехмикроманометров, содержит и состоит из комплекса следующих СИ:

–измерительные колокола № 1 и № 3, с измеренной внутренней площадью поперечного сечения с абсолютной погрешностью ±1,5 мкм (МВК);

–штриховая кварцевая мера № 889, измеренная

сСКО не более 0,06 мкм (МКШ);

–измерительныесоплавнутреннегодиаметрасСКО поверки не более 0,05 мкм (МКП);

–наборспециальных грузовсноминальными значениями масс от 0,5 до 5 кг, погрешностью не более 10-6;

– аппаратура для создания и поддержания гидростатического и пневматического давления.

Все измерения составных частей микроманометров выполненынаэталонномоборудованииотделалинейных измерений ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева».

Назначение и область применения

Эталон ГЭТ 95-75 предназначен для воспроизведения, храненияипередачиединицыдавленияснаивысшей точностью, при помощи вторичных и рабочих эталонов рабочим средствам измерений, применяемых в РФ с целью обеспечения единства измерений в стране и для

Таблица 1. Метрологические характеристики эталона

международных сличений. Эталон возглавляет государственную поверочную схему для средств измерений разности давлений до 4·104 Па согласно ГОСТ 8.187-76.

В настоящее время в Российской Федерации имеются около 10 вторичных эталонов и несколько десятков эталонов 1-го разряда, находящихся в эксплуатации в центрах стандартизации и метрологии. Кроме того, от национальногопервичногоспециальногоэталонаРоссии осуществляетсяпередачаединицыдавлениянациональным эталонам Казахстана и Беларуси.

Государственный первичный специальный эталон единицы давления для разности давлений позволяет метрологическиобеспечитьнавысокомуровнерешение задач в приоритетных направлениях развития науки и техники, такихкаксозданиетранспортных, авиационных и космических систем, энергетика и энергосбережение, специальная техника, технологии создания новых поколений ракетно-космической, авиационной и морской техники, и многих других.

Основные результаты, уникальность и преимущество

В лаборатории государственных эталонов и научных исследований в области измерений избыточных и разности давлений во ФГУП «ВНИИМ им Д. И. Менделеева», где хранится эталон, ведутся работы по его исследованию, хранению и передаче единицы давления в области разности давлений. Эталон поддерживается в работоспособномсостояниивсоответствиисПравилами содержания и применения.

Государственный эталон ГЭТ 95-75 уникален и имеет наивысшие метрологические характеристики, и это позволяет ему находиться на уровне ведущих эта-

лонов мира, что подтверждено ключевыми сличениями КООМЕТ.

Международное сотрудничество. Сличения

Научно исследовательская лаборатория государственных эталонов в области избыточных и разности давлений ФГУП«ВНИИМим. Д.И. Менделеева» являетсяхраните- лемэталонаГЭТ95-75, постоянноосуществляетконтактс ведущими метрологическими лабораториями мира и участвуетвработерабочейгруппыподавлениюконсультативногокомитета«Массаисвязанныеснейвеличины» BIPM.

Впериодс2008 по2011 гг. былипроведеныключевые сличения национальных эталонов единицы давления в диапазоне от 100 Па до 5 кПа (СООМЕТ.M.P-K14), в которых участвовали 4 страны: Россия (VNIIM), Германия (РТВ), Чехия (CMI) и Литва (VMC). Лабораторией пилотом выступала Германия.

Результаты сличений подтвердили метрологические характеристики ГЭТ 95-75 и его эквивалентность лучшим зарубежным аналогам.

Литература

1.ГОСТ8.187–76. ГСИ. Государственныйспециальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений разности давлений до 4·104 Па. Москва, Госкомитет стандартов СССР, 1976.

2.БеликН.И. Приборыдляизмерениймалыхразностей давлений газов. М.: Изд-во Машгиз, 1957.

3.Final Report on COOMET Key Comparison of National Pressure Standards in the Range 100 Pa to 5 kPa of Gauge Pressure (COOMET.M.P-K14) Metrologia, 2012, Vol.49, Tech. Suppl., 07001.

О.С. Витковский

Рис. 1. Принципиальная схема мембранно-емкостного преобразователя компенсационного типа (МЕПК)

самымобеспечиваяединствоизмерениявобластинизких абсолютных давлений.

Основойэталона, какужеговорилось, являетсямем- бранно-емкостный компенсационный метод измерения давления с помощью МЕПК. Принципиальная схема МЕПКприведенанарис.1, где: р1 – измеряемоедавление в измерительной камере К1; р2 – остаточное давление в сравнительной камере К2; М– круглый мембранный электрод толщиной h; Э1 и Э2 – компенсационный и вспомогательный электроды; С1 и С2 – емкости электродов Э1 и Э2 относительно мембраны М; d0 – начальный зазор между мембраной М и электродом Э1; W – прогиб мембраны под действием давления р1; Uк – напряжение компенсации.

Как видно из рис. 1, тонкая упругая мембрана М расположенапротивизолированногоплоскогокомпенсационногоэлектрода Э1. Камеры К1 иК2 вакуумноплотно отделены одна от другой. Причем камера К1 соединена с объемом, давление в котором необходимо измерить, а камера К2– с насосом, откачивающим ее до предельно высокого вакуума (давление ниже 10-5 Па).

МЕПКиспользуетсявдиапазонеизмерениядавления (10-3÷40) Па, поскольку верхний предел его измерения обусловленограниченностьюупругихсвойствматериала мембраныинедостаточнойпрочностьюгазовогопромежуткамеждукомпенсирующимэлектродомимембраной, что приводит к электрическому пробою в газе.

Механическая сила Fдавл, определяемая разностью давлений ∆p, равна:

рительныйплоскийконденсатор, состоящийизмембраны М и измерительного – компенсационного электрода Э1, может быть рассчитана следующим образом:

ность потенциалов), приложенная между мембраной и компенсирующим электродом измерительной камеры;

Уравнение измерения преобразователя компенсационного типа таким образом имеет вид:

Кк– расчетная постоянная преобразователя МЕПК. Выражение(4) представляетсобойполноеуравнение

мембранно-емкостногопреобразователяскомпенсацией силдавлениясиламиэлектрическогополя. Однако, если сравнительную камеру К2 в МЕПК откачать до высокого вакуума (на 2–3 порядка меньше нижнего предела измерения МЕПК), когда давление в сравнительной камереpср<<pu, тоуравнениеизмеренияпреобразователя компенсационного типа приобретает вид:

из этого уравнения в диапазоне измерений МЕПК (10-3÷40) Па, где Кк, [Па/В2] – расчетный коэффициент преобразователя МЕПК (т. е. расчетная постоянная манометра).

Постоянную Кк можно рассчитать непосредственно по измеренным геометрическим размерам преобразова-

или, выражая ее в другом виде, получим:

Здесь Sм и Sэ – площади мембраны и компенсационного электрода, которые равны:

где Rэ и Rм – радиусы компенсационного электрода Э1 и мембраны М соответственно.

Сцельюрасширения верхнего диапазона измерений МЕПК от 40 Па до 103 Па в состав эталона вводится устройство компрессии.

Принцип действия эталона с устройством компрессии УК основан на сжатии порции газа, давление которого необходимо измерить в одной из камер К1 преобразователя МЕПК известное число раз с последующей компенсацией прогиба мембраны силами электрического поля [6].

Состав эталона

Эталон состоит из комплекса следующих средств измерений:

– мембранно-емкостный вакуумметр ИД-01 №1 с диапазоном измерений 1·10-3–1·103 Па;

–мембранно-емкостный вакуумметр типа «Баратрон» сдиапазономизмерений1·10-3–1·103 Па, состоящий из электронного блока СВ 270S и двух измерительных преобразователей 690 А.ITRB и 698 А11TRA (введен в

состав эталона в 2005 г.);

–специальная аппаратура для создания и поддержанияабсолютныхдавлений(аппаратурамодернизирована. Создана безмасляная система откачки) [7].

Общий вид эталона приведен на рис. 2.

Метрологические характеристики эталона

Диапазонзначенийабсолютногодавления, воспроизводимых эталоном, составляет 10-3–103 Па.

Эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений (S0), не превышающим 0,3·10-2.

Неисключенная систематическая погрешность (Θ0) не превышает 0,3·10-2.

Назначение и область применения

Эталон ГЭТ 49-80 предназначен для воспроизведения, храненияипередачиединицыдавленияснаивысшейточностьюприпомощивторичныхирабочихэталоноврабочим средствам измерений, применяемых вРФсцельюобеспечения единства измерений в стране и для международных сличений. Эталонвозглавляетгосударственнуюповерочную схемудлясредствизмеренийабсолютногодавлениявдиа- пазоне10-8–103 ПасогласноГОСТ8.107-81.

ВнастоящеевремявРоссийскойФедерацииимеются два вторичных эталона и более 100 эталонов 1-го и 2-го разрядов, находящихся в эксплуатации в центрах стандартизации и метрологии и метрологических службах юридических лиц.

Применениегосударственногопервичногоспециально- гоэталонаединицыдавленияГЭТ49-80 позволяетметрологически обеспечить на высоком уровне решение задач в приоритетных направлениях развития науки и техники, технологийвтакихотраслях, какавиакосмическаятехника, ядерная энергетика, электронная, металлургическая, оборонная, фармацевтическая, пищеваяидр.

Основные результаты, уникальность и преимущество

С2012 г. всоответствиисгосударственнойпрограммой по совершенствованию государственных эталонов единицвеличин, началисьработыпомодернизацииэта- лонаГЭТ49-80. Цельработызаключаетсявповышении точности воспроизведения единицы давления эталоном и расширения нижнего предела диапазона воспроизведения на три порядка до 10-6.

Уникальностьипреимуществоэталонасостоитвтом, что принцип действия эталона основан на мембранноемкостном и редукционном методах воспроизведения единицы низкого абсолютного давления, вплоть до 10-6 Па. Ближайшиеаналоги, основанныенагрузопоршневомижидкостномметодахвоспроизведенияединицы давления с высокой точностью, имеют нижний предел измерений (1–100) Па.

Международное сотрудничество. Сличения

Научно-исследовательская лаборатория государственных эталонов и научных исследований в области измерения низкого абсолютного давления и вакуума ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», являющаяся хранителем эталона ГЭТ 49-80, осуществляет контакт с ведущими метрологическими лабораториями мира и

участвует в работе рабочей группы по давлению Технического комитета КООМЕТ 1.6 «Масса и связанные

сней величины».

С1997 г. были проведены следующие сличения национальных эталонов единицы давления в диапазоне от

10-2 до103 ПавпроектахСООМЕТ235/RU/01, COOMET

№154/RU/97, и вторичного эталона ГВЭТ 49-2-2006 в проектах СООМЕТ 295/RU/03 и ССМ.Р-К12.

Результаты сличений подтвердили метрологические характеристики эталона ГЭТ 49-80.

Литература

3.Горобей В.Н., Израилов Е.К. Совершенствование метода воспроизведения единицы низких абсолютных давлений с помощью мембранно-емкостного вакуумметра // XV научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника», 2008. С. 19–24.

2.Лекк Дж. Измерение вакуума. М.: Мир. 1966.

3.Рыжов В.А. Образцовый мембранно-емкостный ма-

нометр. ПТЭ. 1963. № 5. С. 198–202.

4.Гуляев М.А., Ерюхин А.В. Измерение вакуума. М.: Изд-во стандартов, 1967.

5.Ерюхин А.В. Государственный специальный эталон единицы давления для области абсолютных давлений в диапазоне 10-3–103 Па // Измерительная техника № 4, 1975.

С. 43–45.

6.Горобей В.Н., Громова Ю.А., Израилов Е.К. Ис-

следование отдельных частей модернизированного государственного первичного специального эталона давления ГЭТ49-80. ХХюбилейнаянаучно-техническаяконференция «Вакуумная наука и техника», 2013. С. 13–17.

7.Горобей В.Н., Израилов Е.К., Полякова А.А. Эталон-

ный мембранно-емкостной манометр низких абсолютных давлений с электростатической автокомпенсацией // XVI научно-техническая конференция «Вакуумная наука и тех-

ника», 2009. С. 34–39.

В.Н. Горобей

Принцип действия

Вгосударственномпервичномэталонеединицыдавле- нияГЭТ101-2011 реализуютсядвепервичныереферентные методики измерения давления: гидростатическая – с помощью двух жидкостных манометров (масляного и ртутного), разработанных во ВНИИМ, и грузопоршневая– спомощьюсерийногогрузопоршневогоманометра.

Восновепринципадействияжидкостныхманометров лежатзаконыгидростатики, изкоторыхследует, чтодав- лениегазауравновешиваетстолбжидкостивU-образной манометрическойтрубке. Поэтомуизмеряемоедавление газа может быть выражено через плотность жидкости, ускорениесвободногопаденияивысотустолбажидкости, которая для достижения высшей точности измеряется лазерно-интерференционным методом.

Лазерные интерференционные масляный (ЛИММ) [1–4, 6] иртутный(ЛИРМ) [9] манометрыимеютобщую структуру, изображенную на рис. 1.

Процедура измерения лазерного интерференционного жидкостного манометра состоит в следующем. Первоначально оба колена (сравнительное и измерительное) откачиваются с помощью системы создания и поддержания абсолютного давления 5 до остаточного давления, пренебрежимо малого по сравнению с измеряемым, послечегоразделяютсяспомощьювакуумного затвора. В процессе измерений колено сравнения находитсяподпостояннойоткачкой, визмерительноеколено с помощью натекателя подается измеряемое давление. Приэтоминтерференционнаякартинаиспытываетсдвиг, который преобразуется оптико-электронной схемой 6 в последовательность электрических импульсов. Количе-

ство импульсов пропорционально изменению разности уровнейжидкостивманометре. Оносчитаетсясчетчиком импульсов, входящимвсоставэлектронногоблока, ипередаетсявуправляющийкомпьютер7, гдепреобразуется взначениедавления, котороеотображаетсянамониторе.

Уравнениеизмерениялазерногоинтерференционного жидкостного манометра без учета поправок имеет вид:

где p – измеряемое давление;

ρ – плотность рабочей жидкости;

g – местноезначениеускорениясвободногопадения; N – количество зарегистрированных импульсов;

λ – длина волны лазера;

p0 – остаточноедавлениевколенесравненияманометра. При расчетах значения измеряемого давления в (1)

вводятся поправки на зависимость плотности рабочей жидкостиоттемпературыидлиныволнылазерногоизлучениявизмерительномколенеманометраотдавлениягаза.

Принцип действия грузопоршневого манометра состоитвуравновешиваниитяжестинагруженногопоршня, находящегосявцилиндре, давлениемгазаподпоршнем.

АвтоматизированныйгрузопоршневойманометрабсолютногодавлениясгазовойсмазкойRuska 2465 представляетсобойизмерительнуюсистему, вкоторуювходят измерительный прибор и автоматический генератор давления(контроллер), обеспечивающийавтоматическое задание и поддержание требуемого значения давления посленаложениявручнуютребуемойкомбинациигрузов на поршень измерительного прибора.

Уравнение измерения абсолютного давления грузопоршневым манометром имеет вид:

g – местноезначениеускорениясвободногопадения;

Рис. 1. Схема лазерного интерференционного жидкостного манометра Колена U-образной трубки 1

срабочей жидкостью служат плечами, а поверхности жидкости – зеркалами двухлучевого оптического

интерферометра Майкельсона 2. В качестве источника излучения используется частотно-стабилизированный лазер 3. Поплавковые устройства 4 демпфируют поверхностные волны, обеспечивая стабильность интерференционной картины

А – приведеннаяплощадьизмерительнойпоршневой системы;

α – температурный коэффициент линейного расширенияматериалаизмерительнойпоршневойсистемы; ti – температураизмерительнойпоршневойсистемы;

tн – нормальная температура, tн = 20,0 ºС; ро – остаточное давление.

Общий вид эталона приведен на рис. 2.

Метрологические и технические характеристики, состав эталона

ЭталонГЭТ101-2011 [7–8] состоитизтрехэталонных комплексов:

–лазерныйинтерференционныймасляныйманометр (ЛИММ);

–лазерный интерференционный ртутный манометр (ЛИРМ);

–грузопоршневой манометр с газовой смазкой

(ГПМ).

Основные метрологические характеристики эталонных комплексов приведены в таблице 1.

Назначение и область применения

Эталон необходим для метрологического обеспечения в системах Росавиации, Роскосмоса, Росгидромета и Минобороны России, в электронной, медицинской и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности Российской Федерации, в приборостроении и точном машиностроении, а также для обеспечения международной эквивалентности измерительных возможностей РФ в области абсолютного давления.

Основные научные результаты, уникальность и преимущество

ЛИММ, разработанный во ВНИИМ в период 1999– 2011 гг., имеет уникальную конструкцию [3] и является в настоящее время одним из трех интерференционных масляныхманометров, используемыхвкачествепервичных эталонов в области низкого абсолютного давления, наряду с ультразвуковыми интерференционными масляными манометрами, разработанными в NIST (США)

и NIM (КНР).

Международное сотрудничество. Сличения

В2010 г. ЛИММ участвовал в сличениях с национальнымиэталонамиЦентраметрологиииаккредитации Финляндии (MIKES) в диапазоне 1–1000 Па, проект EURAMET № 1151 [5], и подтвердил свои метрологические характеристики.

В2013 г. ЛИММ и ЛИРМ участвовали в ключевых сличениях CCM.P-K4.2012 в диапазоне абсолютного давления 1–104 Па. В настоящее время проходит заключительный этап обработки результатов сличений и подготовкаотчетаВ(Draft B) споследующейегопубликацией. Судя по предварительному отчету А (Draft A), результаты ключевых сличений CCM.P-K4.2012 можно считать успешными для российского ГЭТ 101-2011 в указанной области абсолютного давления.

В соответствии с Программой сотрудничества междуРосстандартомиФизико-техническиминститутом Германии (ПТБ) начаты работы в области разработки, исследования и сличения лазерных интерференционных масляных манометров, используемых в качестве первичных эталонов абсолютного давления. Данная область сотрудничества включена в Программу по инициативе ПТБ, где в июне 2015 г. в рамках международного европейского проекта начались работы по созданию первичного эталона – лазерного интерференционного масляного микроманометра – аналога ЛИММ.

Литература

1.СадковскаяИ.В., ЭйхвальдА.И. Интерференционный

U-образный масляный манометр для измерения низкого абсолютного давления // Вакуумная техника и технология. 2003. Т. 13. № 2. С. 101–106.

2.СадковскаяИ.В., ЭйхвальдА.И. Определениеметроло-

гическиххарактеристикинтерференционногоU-образного масляного манометра // Вакуумная техника и технология. 2004. Т. 14. № 2. С. 103–106.

3.Садковская И.В., Эйхвальд А.И. Лазерный интерфе-

ренционный масляный манометр. Патент на изобретение

№2262677. 20.10.2005. Бюл. № 29.

4.Sadkovskaya I.V., Eichwald A.I. A laser interferometric oil manometer as the primary standard for absolute pressure in the range 1-1000 Pa. Journal of Physics: Conference Series (JPCS) 2008. V. 100 092006

5.СадковскаяИ.В., ЭйхвальдА.И., Rantanen M., Semenoja S. Результаты сличений лазерного интерференционного масляногоманометраснациональнымиэталонамиФинляндии // Измерительная техника. 2011. № 5. С. 66–70.

6.Sadkovskaya I.V., Eichwald A.I. The laser interferometric oil manometer with floats. PTB-Mitteilungen 121. 2011 Heft 3 P. 301–302.

7.Садковская И.В. и др. Новый Государственный первичныйэталонединицыдавления// Миризмерений. 2 (132) 2012. С. 19–25.

8.СадковскаяИ.В., ЭйхвальдА.И. Государственныйпер-

вичныйэталонединицыдавлениядляобластиабсолютного давления в диапазоне 1·10-1–7·105 Па // Вакуумная техника и технология. 2012. Т. 22. № 2. С. 86–88.

9.СадковскаяИ.В., ЭйхвальдА.И. Лазерныйинтерферен-

ционный ртутный манометр государственного первичного эталона единицы давления ГЭТ 101-2011 // Измерительная техника. 2014. № 11. С. 11–14.