ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫ
531.787
Модернизированный вторичный э талон единицы низкого абсолютного давления ВЭ-13—13
В. Н. ГОРОБЕЙ1, А. В. ТАЛАЛАЙ2, А. А. ЧЕРНЫШЕНКО1, Ю. Т. ВИКТОРКО2
1 Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева,
С.-Петербург, Россия, v.n.gorobey@vniim.ru 2 Главный научный метрологический центр Минобороны РФ, Мытищи, Россия,
e-mail: vut70@yandex.ru
Рассмотрены результаты разработки нового вторичного эталона для области низких абсолютных давлений. Создана система поддержания давления с использованием современных технологий при изготовлении измерительной камеры. По своим метрологическим и техническим характеристикам эталон соответствует мировому уровню.
Ключевые слова: абсолютное давление, вторичный эталон.
The results of developing a new secondary standard for low absolute pressures are considered. The new standard includes the best modern vacuum meters from national and foreign manufacturers. The system for of pressure maintenance was created using the modern technologies for measuring chamber manufacture. The new secondary standard meets all international requirements for metrological and technical characteristics.
Key words: absolute pressure, secondary standard.
В 2014 г. введен в эксплуатацию комплекс модернизированных вторичных эталонов единиц статического давления ВЭ-13—13, ВЭ-34—13, ВЭ-37—13, разработанных во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и являющихся резервом государственных первичных эталонов ГЭТ 49—80, ГЭТ 23—2010 и ГЭТ 101—2011, соответственно. В статье рассмотрены основные результаты модернизации вторичного эталона единицы абсолютного давления в диапазоне 1-10-3—1-103 Па с учетом опыта работ в этой области [1].
При подготовке технического задания к эталону ВЭ-13—13 было учтено следующее:
получение единицы абсолютного давления в диапазоне 1-10-3—1-103 Па от государственного первичного специального эталона ГЭТ 49—80 единицы давления для области абсолютных давлений в диапазоне 1-10-3—1-103 Па;
хранение, воспроизведение и передача единицы абсолютного давления в диапазоне 1-10-3—1-103 Па эталонам 1-го и 2-го разрядов на месте эксплуатации эталона;
пределы неисключенной систематической погрешности (НСП), выраженные в относительной форме, не более 0,5-10-2;
среднее квадратическое отклонение (СКО) результата измерений, выраженное в относительной форме, не более: 2,0-10-2 в диапазоне 1-10-3 — 1-10-2 Па и 0,5-10-2 в диапазоне 1-10-2 — 1-103 Па.
Для выбора эталонных вакуумметров, составивших основу ВЭ-13—13, рассчитали доверительные границы суммарной погрешности в соответствии с [2]:
А.
(1)
где Къ — коэффициент, определяемый доверительной вероятностью Р и отношением случайных погрешностей и НСП,
Kx=K + tSx )/(S0 + Sx );
©х, §э = /3 — соответственно граница и СКО суммарной НСП; t — коэффициент Стьюдента, соответствующий доверительной вероятности Р и эффективному числу степе-
ней свободы; — СКО результата прямых измерений; — суммарное СКО воспроизводимой единицы величины, обусловленное воздействием случайных погрешностей и НСП,
Sx =
J2S/ X+
S 2
Sra ■
Для измерений в диапазоне 1-10-3—1-10-2 Па заданы 0Е = 0,5-10-2, = 2-10-2, t = 3,25 при доверительной вероятности Р = 0,99 и числе наблюдений п = 10 [3]. Подставив эти значения в приведенные выше выражения, определим
80 = 0,289-10-2; = 2-10-2;
0,5-10-2 + 3,25 - 2-10-2 „.„ г = ——=-;;-—= 3,06;
Se +SX
0,289 10-2 + 2 10-2
Д^= ГБх = 3,06 - 2 -10-2 = 6,2 -10-2.
Для измерений в диапазоне 10-2—103 Па заданы 0Е = = 0,5-10-2, = 0,5-10-2, t = 3,25 и найдены
8© = 0,289-10-2; = 0,58-10-2; Г = 2,69; ДЕ = 0,5-10-2.
На основе полученных значений доверительных границ суммарной погрешности ВЭ-13—13 с учетом диапазона измерений в его состав вошли: вязкостный SRG-2СE и компрессионный ВК1А вакуумметры, два мембранно-емкостных вакуумметра Вага^оп 690А, которые использовали соответственно в диапазонах 10-3 — 1; 0,133 — 133; 10—103 Па. Для увеличения метрологической надежности диапазоны измерений подобраны с возможностью их перекрытия примерно на порядок. На рис. 1 приведена структурная схема ВЭ-13—13.
Вязкостный вакуумметр SRG-2CE состоит из измерительной головки с присоединительным фланцем и электронного блока питания и индикации. Принцип действия этого вакуумметра основан на зависимости вязкости (внутреннего трения) разреженного газа от измеряемого давления. Чувствительным элементом служит металлический шарик, свободно вращающийся в вакууме. Вращение шарика замед-
Рис. 1. Структурная схема эталона ВЭ-13—13: ИУ, ВУ— измерительная и вакуумная установки; А — вакуумная арматура; Н — натекатель
ляется из-за трения о молекулы газа. Шарик помещают во втулку присоединительного фланца измерительной головки, в которой используется магнитная подвеска и осуществляются стабилизация, привод и измерение угловой скорости шарика. Расчет измеряемого абсолютного давления газовой среды и его индикация осуществляются с помощью цифрового электронного блока с возможностью передачи информации по интерфейсу RS-232 на последовательный порт компьютера.
Рис. 2. Измерительная головка вакуумметра SRG-2CE: 1 — металлический шарик; 2 — две встречновключенные катушки; 3 — двухфазный мотор с четырьмя катушками; 4 — четыре катушки, предотвращающие горизонтальное отклонение шарика; 5 — два постоянных магнита; 6 — две последовательно соединенные катушки
На рис. 2 изображена измерительная головка вакуумметра в разрезе. Металлический шарик 1 расположен в измерительном цилиндре (втулке) фланца, два постоянных магнита 5 создают сильное однородное магнитное поле в области измерительного цилиндра. Стабилизация достигается с помощью двух встречновключенных катушек 2, усиливающих верхнее и нижнее поля постоянных магнитов в соответствии с отклонением шарика. Горизонтальные отклонения шарика предотвращают с помощью четырех катушек 4. Шарик приводится в движение двухфазным мотором, состоящим из четырех катушек 3. Сигнал снимается двумя последовательно соединенными катушками 6, установленными напротив друг друга.
В вакуумметре со свободно вращающимся шариком давление определяется методом измерения относительной скорости торможения шарика. Начиная с давления более 1 Па, пропорциональность между давлением и относительным торможением нарушается, поэтому такой вакуумметр целесообразно применять при измерении давления ниже 1 Па.
Компрессионный вакуумметр ВК1А, применяемый для измерения абсолютного давления более 0,1 Па, разработан в ООО «Новоуральский приборный завод». Вакуумметр состоит из измерительного преобразователя и блока измерения; принцип его действия основан на циклическом изменении положения измерительной мембраны вследствие сжатия газа, заключенного в компрессионной камере. Плунжер, жестко связанный с мембраной, при перемещении изменяет распределение магнитных потоков двух измерительных катушек, что приводит к изменению электрических сигналов, поступающих от катушек в блок измерения.
Конструкция преобразователя изображена на рис. 3. Он состоит из измерительного узла и пульсатора (устройства компрессии), встроенных в герметичный корпус. В измерительный узел входят измерительная мембрана 4 с жестко прикрепленным к ее центру плунжером 1 и две измерительные катушки 2, 3, которые вместе с плунжером образуют дифференциальный индуктивный преобразователь перемещения центра мембраны при ее деформации под действием измеряемого давления. Пульсатор состоит из мембраны 6, аналогичной измерительной, и электромагнитного привода, образованного соленоидом 7 с сердечником в виде постоянного магнита 8, жестко закрепленного в центре мембраны. Пространство, заключенное между мембранами, образует компрессионную камеру, сообщающуюся с объемом измеряемого давления через канал, перекрываемый клапаном 5.
В измерительном узле задаются необходимые режимы работы вакуумметра и управления преобразователем, а также измеряемое давление преобразуется в аналоговый токовый сигнал и дискретный (цифровой) с отображением на индикаторе.
Мембранно-емкостные вакуумметры Баратрон 690А связаны с электронным блоком питания и индикации Баратрон 670В (см. рис. 1). Чувствительный элемент Баратро-на 690А состоит из металлической ячейки, разделенной на две части туго натянутой плоской металлической диафрагмой, по обеим сторонам которой расположены электроды. Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкос-
ти, которые включены в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, мост уравновешен. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму, изменяет емкости, равновесие моста нарушается. Возникающий при этом сигнал усиливается и демодулируется в постоянный ток, пропорциональный измеряемому давлению. С опорной стороны мембраны создается разрежение, не превышающее 10-5 Па, которое поддерживается в течение длительного времени химическим геттером (газопоглотителем). Для уменьшения влияния изменений температуры на работу этого вакуумметра применена температурная компенсация и термостатирование чувствительного элемента.
Для создания и поддержания вакуума в состав ВЭ-13—13 входит установка, состоящая из вакуумной камеры, форваку-умного спирального насоса XDS10, турбомолекулярного насоса EXT 255 DX, контроллера TIC, релейного блока TIC Relay Box, индикаторного вакуумметра Пирани APG-M, индикаторного ионизационного вакуумметра AIGX, вакуумной арматуры.
Требуемое абсолютное давление создается в герметично изолированном объеме вакуумной камеры. Благодаря сферической форме камеры сведена к минимуму ее газопроницаемость и, как следствие, уменьшен поток десорбции с внутренних стенок. Вакуумная камера имеет следующие порты подключения: шесть симметрично радиально расположенных портов для эталонов и поверяемых приборов, два — для системы откачки и один — для индикационного вакуумметра. Такая конструкция позволяет одновременно поверять несколько средств измерений, не нанося ущерб ресурсу ВЭ-13—13. На внешней стороне камеры имеются приспособления для крепления устройства, предназначенного для нагревания ее стенок, которое можно использовать для дос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.